DE3217283C2

DE3217283C2 -

Info

Publication number: DE3217283C2
Application number: DE19823217283
Authority: DE
Inventors: Fritz Ing.(Grad.) 7746 Hornberg De Schmider
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1982-05-07
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1992-08-06
Also published as: DE3217283A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Kollektormaschine (Motor oder Generator) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw 2.

Eine derartige Maschine ist bekannt aus der US-PS 30 96 455. Diese zeigt einen Motor mit sechs Statorpolen und einem eisenlosen Rotor, der aus sogenannten gedruckten Schaltungen aufgebaut ist. Es werden beschrieben Dreischichtwicklungen, Zweischichtwicklungen und eine Einschichtwicklung. Bei letzterer ist der Anlauf nicht gewährleistet, da das erzeugte elektromagnetische Drehmoment Lücken hat, z. B., wenn die dort verwendete einzige Wicklung von einer Kollektorbürste kurzgeschlossen wird. Ein Motor, der nicht selbst anläuft, ist aber für die allermeisten Anwendungen ungeeignet. Andererseits sind Mehrschichtwicklungen teuer in der Herstellung.

Des weiteren ist ein derartiger Gleichstrommotor bekannt aus der DE-OS 28 53 335, und die Ankerwicklungen dieses Motors sind in einer einzigen Schicht angeordnet. Jedoch hat dieser Motor einen aufwendigen Aufbau.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine neue Gleichstrom- Kollektormaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen, eine zweite Lösung durch die im Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so bei sehr einfachem Aufbau des Rotors aus wenigen Einzelspulen, welche zudem in einer einzigen Schicht angeordnet sind, bei Motorbetrieb ein lückenfreies Drehmoment und daher einen sicheren Anlauf. Außerdem wird durch die Erfindung eine sehr flache Bauweise des Motors ermöglicht, wenn dieser als Flachmotor, also mit ebenen Spulen, ausgebildet wird, und die erfindungsgemäßen Motoren eignen sich besonders gut für höhere Drehzahlen. Die Ausführungsform nach Anspruch 1 hat den Vorzug, daß die Spulen mehr gleichmäßig verteilt sind, der Rotor also annähernd symmetrisch aufgebaut ist, und daß man einen sehr guten Kupferfüllfaktor erhält. Die Ausführungsform nach Anspruch 2 hat den Vorzug besonderer Einfachheit, aber bei einer weniger symmetrischen Anordnung der Spulen und schlechterem Kupferfüllfaktor.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind elektronische Geräte der Phono- und Videotechnik, insbesondere Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegeräte für bandförmige Informationsträger.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Kollektormaschine,

Fig. 2 einen Schnitt, gesehen längs der Linie II-II der Fig. 1, welcher auch die Magnetisierung des Statormagneten zeigt,

Fig. 3 die Darstellung von Rotorwicklung und Kollektor für den Motor der Fig. 1 und 2; die Darstellung nach Fig. 3 enthält mehrere Alternativen,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen sogenannten Kopfradmotor für einen Videorecorder, der z. B. mit einer Rotorwicklung nach Fig. 3 versehen sein kann,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Motors der Fig. 4, etwa im Maßstab 1 : 1,

Fig. 6 eine Draufsicht von unten auf den Motor der Fig. 5, im gleichen Maßstab; die Maßstabsangabe gilt gleichermaßen für die Fig. 5 und 6, und

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Kopfradmotors, der ebenfalls mit einer Rotorwicklung gemäß Fig. 3 versehen sein kann.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Motor 10, der z. B. als Wickelmotor mit einer Drehzahl von 300 U/min dienen kann. Dieser hat ein schalenförmiges Gehäuseoberteil 11, das aus Stahlblech tiefgezogen ist, in dessen Boden 12 ein ringförmiger Dauermagnet 13, z. B. aus Bariumferrit, eingeklebt ist, und in dessen Mitte ein Gleitlager 14 für eine Welle 15 eingebördelt ist. Der Statormagnet 13 ist axial und sechspolig magnetisiert, wie das die Fig. 1 und 2 zeigen. Die Magnetisierung kann bevorzugt etwa rechteckförmig oder trapezförmig sein, ggf. auch sinusförmig.

Auf der Welle 15 ist ein Rotortragteil 16 aus einem geeigneten nichtmagnetischen Werkstoff aufgepreßt, z. B. aus Kunststoff. Es ist an den erforderlichen Stellen mit axialen Vorsprüngen 17 zur Aufnahme von Spulen Sp einer Einschichtwicklung versehen. Ferner ist auf die Welle 15 ein Flachkollektor 18 aufgepreßt, der neun Lamellen hat. Die Spulen S sind an bestimmte Lamellen des Kollektors 18 angeschlossen, der natürlich auch als zylindrischer Kollektor ausgebildet sein kann, wie das in Fig. 3 dargestellt ist.

Eine etwa ringförmige Weicheisenplatte, welche als magnetischer Rückschluß 21 dient, ist an einem Gehäusedeckel oder Formstück 22 durch Punktschweißen befestigt und bildet mit dem Statormagneten 13 einen ebenen Luftspalt 23, in den sich das Rotortragteil 16 mit seinen Spulen Sp in der dargestellten Weise erstreckt, nämlich so, daß sich die magnetisch aktiven Abschnitte dieser Spulen Sp im Magnetfeld des Statormagneten 13 befinden.

Der Gehäusedeckel 22 ist nach unten schalenförmig vertieft und nimmt dort die beiden Bürstenhalter 24 und 25 für den Flachkollektor 18 auf. Ein Steckanschluß ist mit 26 bezeichnet. Ferner ist in der Mitte des Gehäusedeckels 22 ein Lagerteil 27 eingebördelt, welches das untere Ende der Welle 15 axial und radial lagert.

Der Gehäusedeckel oder das Formstück 22 wird durch den magnetischen Zug des Magneten 13 an der unteren Stirnseite des Gehäuseoberteils 11 gehalten. Dabei dient die Rückschlußplatte 21 als zentrierendes Element, da ihr Außendurchmesser in sehr vorteilhafter Weise genau an den Innendurchmesser des Gehäuseoberteils 11 angepaßt ist.

Der komplette Motor besteht also nur aus drei einfach zusammensetzbaren Baugruppen:

a) Dem Gehäuseoberteil 11 mit dem Magnetring 13 und dem oberen Bördellager 14.
b) Dem Rotor mit der Welle 15, dem Rotortrageteil 16 mit den Spulen Sp und dem Kollektor 18.
c) Dem Gehäusedeckel 22 mit der Rückschlußscheibe 21, dem Bürstenapparat 24, 25, und dem unteren Bördellager 27.

Am Gehäuseoberteil 11 sind Gewindebohrungen 28 für die Befestigung an einem Gerät vorgesehen.

In Fig. 1 ist rechts unten noch ein Optokoppler 76 dargestellt, der zur Drehzahlerfassung dient. Hierzu ist das Rotortrageteil 16 an seinem Außenumfang mit Zähnen 77 versehen, welche im Betrieb den Lichtstrahl des Optokopplers 76 periodisch unterbrechen und dadurch ein Drehzahlsignal erzeugen.

Die in Fig. 3 dargestellte Wicklung eignet sich besonders für höhere Drehzahlen. Ihre Einzelspulen sind in Form einer Einschichtwicklung 100 ausgeführt und an Lamellen des Kollektors 18 angeschlossen.

Der Kollektor 18 hat neun Lamellen 81 bis 89, und die Spulen der Einschichtwicklung 100 sind bevorzugt an sechs aufeinanderfolgende dieser neun Lamellen angeschlossen. Die Spulen sind als Rundspulen dargestellt, können aber auch Sektorspulen sein. Durchmesserwicklungen werden bevorzugt, d. h. Spulen mit einer Spulenbreite von der Größenordnung von 360° el.

Die Einschichtwicklung 100 ist in mehreren Varianten möglich, wie in Fig. 3 dargestellt, insbesondere

a) mit den vier Spulen 91, 93, 95 und 97, oder
b) mit den drei Spulen 93, 95 und 91′.

Welche Lösung bevorzugt wird, ist eine Frage der Montage und des zweckmäßigen mechanischen Aufbaus des Rotors. Die Spule 93 ist an die Lamellen 83 und 84 angeschlossen, die Spule 95 an die Lamellen 85 und 86. Bei der Variante a) wird die Spule 91 an die Lamelle 82 und die in Reihe geschaltete Spule 97 an die Lamelle 87 angeschlossen; bei der Variante b) wird die Spule 91′ gegenüber der (entfallenden) Spule 91 um 180° el. entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt (Pfeil 103), bleibt an die Lamellen 81 und 82 angeschlossen, wird aber, wie dargestellt, umgekehrt gepolt, d. h. bei Stromfluß von der Lamelle 81 zur Lamelle 82 fließt der Strom in der versetzten Spule 91′ entgegen dem Uhrzeigersinn. Alternativ kann man natürlich die Spule 91′ als um 180° el. im Uhrzeigersinn versetzte und umgekehrt gepolte Spule 97 ansehen.

Bei der Variante a) können die Spulen 91 und 97 mit verringerter Windungszahl gewickelt werden. Sie haben gleiche Polarität wie die Spulen 93 und 95.

Insgesamt gehen alle Einzelheiten der Schaltung und des Kollektoraufbaus klar aus Fig. 3 hervor.

Die Spulen 91, 93, 95 und 97 haben jeweils voneinander einen Winkelabstand α von etwa 80° mech. = 240° el., die Spulen 95 und 91′ einen Winkelabstand β von etwa 140° mech. entsprechend 420° el. Diese Winkel sind in Fig. 3 dargestellt.

Im Kollektor 18 sind Querverbindungen 105 von denjenigen Lamellen vorgesehen, die nicht direkt mit einem Spulenende belegt sind, nach folgendem Schema:

A) 87 - 84 - 81,
B) 88 - 85 - 82,
C) 89 - 86 - 83.

Die Querverbindungen bilden gleichseitige Dreiecke und könnten alternativ durch eine gleichwertige Bürstenanordnung ersetzt werden.

Eine Versetzung um 180° el. bei umgekehrter Polung ist bei allen Spulen möglich, da sich hierdurch an der Wirkungsweise nichts ändert. Dies ergibt weitere Varianten, die nicht dargestellt sind.

Man erhält also bei Fig. 3 eine Einschichtwicklung 100, die je nach Ausführungsform mehr oder weniger von der Symmetrie abweicht, wobei das abgegebene Drehmoment im wesentlichen demjenigen einer Ausführungsform mit neun überlappenden, gleichmäßig verteilten Spulen entspricht, aber welliger ist, weshalb sich die verschiedenen Varianten der Fig. 3 bevorzugt für höhere Drehzahlen eignen.

Im Betrieb fließt bei der Variante b) der Fig. 3 alternierend jeweils auf der einen Rotorseite ein Strom durch zwei, auf der anderen Rotorseite durch eine Spule, sofern nicht gerade eine Spule von einer der Bürsten 24, 25 kurzgeschlossen wird, welche in der dargestellten Weise einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Bestromung der Spulen ergibt sich direkt aus der Verfolgung der dargestellten Strompfade.

Wichtig bei der Erfindung erscheint auch, daß die Querverbindungen 105 jeweils dieselbe geometrische Form haben, wenn sie direkt von Lamelle zu Lamelle gezeichnet werden, im vorliegenden Fall die Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Form eines Quadrats scheidet aus, da dann die Bürsten durch die Querverbindungen kurzgeschlossen würden.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem sogenannten Kopfradmotor, der bei einem Videorecorder zum Antrieb des Rades mit den Magnetköpfen dient. Die Welle 110 ist hier in zwei Kugellagern gelagert, von denen nur eines bei 111 angedeutet ist. Ihr unteres Ende 112 ist frei und dient zur Kopplung mit dem (nicht dargestellten) Kopfrad. Ein sechspoliger Statormagnet 113 ist auf einer Trageplatte 114 festgeklebt, die in einem etwa zylindrischen Gehäuseteil 115 eingebördelt ist. Auf der Welle 110 ist ein Rotortrageteil 116 festgeklebt, und auf diesem sind die Flachspulen Sp an entsprechenden Aufnahmen 117 angeordnet und flach aufgeklebt. Ein Flachkollektor ist mit 118 bezeichnet. Hinter diesem ist eine sogenannte Entstörscheibe 119 befestigt und in der dargestellten Weise elektrisch an die Kollektorlamellen angeschlossen.

Eine Rückschlußplatte 121 hat vier radiale Vorsprünge 122, die in entsprechende Aussparungen 123 am unteren Ende des Gehäuseteils 115 ragen und dadurch die Rückschlußplatte 121 und ein mit dieser verbundenes Formstück 124 zentrieren. Letzteres nimmt in einer Vertiefung 125 die Bürsten 126, 127 auf, von denen die letztgenannte um 90° versetzt gezeichnet ist. Die Bürsten sind von einer Dämpfmasse 128 umgeben. Auf der Welle 110 befindet sich ferner eine Rutschkupplung 130. Ein solcher Motor läßt sich außerordentlich kompakt bauen, wie das die Fig. 5 und 6 zeigen. Die elektrischen Anschlüsse sind dort mit 131 und 132 bezeichnet.

Fig. 7 zeigt eine andere Variante eines Kopfradmotors. Mit 140 ist dort eine Kopftrommel bezeichnet, in welcher in zwei Kugellagern 141, 142 eine Welle 143 gelagert ist, in deren unterem Ende die eigentliche Welle 144 des Kopfradmotors eingeschraubt ist. Auf letzterer ist ein Rotortrageglied 145 befestigt, auf dem die Spulen Sp befestigt sind. Ferner ist auf der Motorwelle 144 ein Flachkollektor 146 befestigt.

In einer rinnenartigen Ausnehmung 147 der Kopftrommel 140 ist ein Tragering 148 aus Stahl mittels Schrauben 149 befestigt. Auf ihm ist ein sechspoliger Statormagnet 150 aufgeklebt, welcher etwas über das untere Ende der Kopftrommel 140 vorsteht. Unterhalb des Rotortrageglieds 145 befindet sich eine ringförmige Rückschlußscheibe 153, die auf einem schalenförmigen Gehäuseteil 154 befestigt ist, welches den Bürstenapparat 155 aufnimmt, gegen eine Schulter 156 der Kopftrommel 140 anliegt, und dort durch den axialen Zug des Statormagneten 150 festgehalten wird. In seiner Mitte hat das Gehäuseteil 154 eine Ausnehmung 157, durch welche eine Verbindung mit der Motorwelle 144 hergestellt werden kann.

Die Motoranordnung nach Fig. 7 ist außerordentlich kompakt, besonders, weil ein Teil des Motors innerhalb der Kopftrommel 140 liegt. Auch hier ist der Zusammenbau aus nur drei Baugruppen außerordentlich einfach, und dasselbe gilt für die Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6. - Die Erfindung eignet sich durch ihre kompakte Bauweise besonders für Klein- oder Kleinstmotoren oder -generatoren. Die geringe Wicklungsinduktivität ergibt eine hohe Lebensdauer.

Claims

1. Gleichstrom-Kollektormaschine (Motor oder Generator), mit einer sechspoligen Statormagnetanordnung (13) und mit einer Einzelspulen (Sp, 91, 93, 95, 97) aufweisenden eisenlosen Einschicht-Rotorwicklung (100), wobei die Zahl der Einzelspulen kleiner ist als die Zahl der Statorpole, mit einem neun Lamellen (81 bis 89) aufweisenden Kollektor (18; 118; 146), bei dem drei separate Querverbindungen (105) vorgesehen sind, welche jeweils eine erste Lamelle mit einer darauffolgenden vierten Lamelle und einer darauffolgenden siebten Lamelle verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschicht-Rotorwicklung (100) nur vier Einzelspulen (91, 93, 95, 97) aufweist, daß der Winkelabstand (α) von der ersten (91) zur zweiten Einzelspule (93), von der zweiten (93) zur dritten Einzelspule (95), und von der dritten (95) zur vierten Einzelspule (97) jeweils 240° el. beträgt, und daß die erste (91) und die vierte Einzelspule (97) in Reihe zwischen zwei zugeordneten Kolektorlamellen (82, 87) geschaltet sind.

2. Gleichstrom-Kollektormaschine (Motor oder Generator), mit einer sechspoligen Statormagnetanordnung (13) und mit einer Einzelspulen (Sp, 91′, 93, 95) aufweisenden eisenlosen Einschicht- Rotorwicklung (100), wobei die Zahl der Einzelspulen kleiner ist als die Zahl der Statorpole, mit einem neun Lamellen (81 bis 89) aufweisenden Kollektor (18; 118; 146), bei dem drei separate Querverbindungen (105) vorgesehen sind, welche jeweils eine erste Lamelle mit einer darauffolgenden vierten Lamelle und einer darauffolgenden siebten Lamelle verbinden, wobei die Einschicht-Rotorwicklung (100) nur drei Einzelspulen (91′, 93, 95) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand (α) von der ersten (93) zur zweiten Einzelspule (95) 240° el. beträgt,
daß der Winkelabstand (β) von der zweiten (95) zur dritten Einzelspule (91′) 420° el. beträgt,
daß die erste und die zweite Einzelspule (93, 95) gleich gepolt sind und die dritte (91′) entgegengesetzt zu ihnen gepolt ist, und
daß die drei Einzelspulen (91′, 93, 95) an sechs aufeinanderfolgende Kollektorlamellen (81 bis 86) angeschlossen sind.

3. Gleichstrom-Kollektormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Einzelspule (91 und 97) jeweils eine geringere Windungszahl haben als die zweite Einzelspule (93) oder die dritte Einzelspule (95).

4. Gleichstrom-Kollektormaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung der ersten und der vierten Einzelspule (91 und 97), die zweite und die dritte Einzelspule (93 bzw. 95) an sechs aufeinanderfolgende (82 bis 87) der neun Kollektorlamellen (81 bis 89) angeschlossen sind.

5. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelspulen (Sp, 91, 93, 95, 97; 91′) als Durchmesserspulen ausgebildet sind.

6. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelspulen der Rotorwicklung (100) als im wesentlichen identische, gewickelte Spulen ausgebildet sind.

7. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Flachmotor ausgebildet ist.

8. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (18; 118; 146) als Flachkollektor ausgebildet ist.

9. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Trageglied (16; 116; 145) mit Aufnahmen (17; 117) für die Einzelspulen (Sp) der Einschichtwicklung (100) aufweist.

10. Gleichstrom-Kollektormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statormagnetanordnung als axial und mehrpolig magnetisierter Dauermagnetring (13; 113; 150) ausgebildet ist.

11. Gleichstrom-Kollektormaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenapparat (24, 25; 126, 127; 155) in einem schalenartigen Formstück (22; 124; 154) angeordnet ist,
daß an diesem Formstück ein Rückschlußteil (21; 121; 153) aus weichferromagnetischem Material befestigt ist, und
daß Formstück und Rückschlußteil durch magnetischen Zug der Statormagnetanordnung (13; 113; 150) an der Gleichstrom- Kollektormaschine gehaltert sind.

12. Verwendung eines Motors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kopfrad- oder Wickelmotor für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für bandförmige Informationsträger.

13. Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für Informationsträger, enthaltend einen Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11.