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Scheibenläufer für eine elektrische
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Axialluftspaltmaschine Stand der Technik Die Erfindung geht aus von
einem Scheibenläufer für eine elektrische Axialluftspaltmaschine, insbesondere für
einen Gleichstrommotor, nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Es ist bereits ein laminierter Scheibenläufer für Gleichstrommotoren
mit axialem Luftspalt bekannt (DE-AS 31 07 834), der aus zwei oder mehreren, paarweise
angeordneten Metallscheiben besteht. Die Metallscheiben sind so ausgestanzt, daß
jede eine Vielzahl von Windungshälften trägt. Jedes Scheibenpaar ist beiseitiy auf
eine Scheibe aus Epoxidharzlaminat auflaminiert. Bei einer solchen Bauform eines
Scheibenläufers ist jedoch ein relativ großer Luftspalt zwischen den Erregermagneten
des Gleichstrommotors
erforderlich, wenn der Querschnitt der Windungshälften
so groß gewählt wird, daß eine ausreichende Wärmekapazität des Scheibenläufers erreicht
wird. Da zur Verbindung der einzelnen Windungshälften Schweißpunkte vorgesehen sind
und diese auch bei sorgfältiger Ausführung fehlerhaft sein können, bestehen Bedenken
an der Zuverlässigkeit eines solchen elektrischen Gleichstrommotors.
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Schließlich weisen die als Leiter dienenden Scheiben eine geringe
Wärmekapazität auf, so daß bereits bei kurzzeitigen Überlastungen des Gleichstrommotors
unzulässigeErwärmungen auftreten, die zur Ablösung der Leiter von dem Epoxidharzlaminat
führen können.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile weist der Läufer eines bekannten Gleichstromkleinstmotors
(DE-AS 23 56 913) eine Wicklung auf, die durch eine Reihe von Elementarspulen gebildet
wird, die sich teilweise in der Weise überdecken, daß die aufeinanderfolgenden Windungen
im Winkel gegeneinanderversetzt sind. Der Wicklungsdraht ist vorzugsweise mit einem
thermoplastischen Überzug versehen, und die Windungen werden durch Erhitzen miteinander
verklebt.
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Weiter ist aus der DE-AS 21 17 048 eine scheibenförmige Wellenwicklung
aus isoliertem Draht für eine elektrische Axialluftpaltmaschine bekannt, bei welcher
der Draht um einen inneren Kranz von Zapfen und um einen äußeren Kranz von Zapfen
in einem bestimmten Wickelschritt geführt ist. Die Zapfen sind Bestandteil einer
Wickellehre, die mit der Wicklung zusammen vergossen wird. Der bei einer solchen
Wellenwicklung entstehende Drahtwickel oder
Drahtanker ist durch
die sich mehrfach kreuzenden Leiter und durch mehrfach an den Zapfen übereinanderliegende
Wickelköpfe relativ dick und bedingt dadurch auch einen relativ großen Luftspalt
der Axialluftspaltmaschine.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Scheibenläufer mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß in drahtgewickelter
Ausführung eine dünne Scheibe entsteht. Die Herstellung der Ankerwicklung wird dadurch
erheblich vereinfacht, daß aufgrund der Ausbildung der Ankerwicklung der Draht beim
fortlaufenden Wickel nie unter schon vorher gelegte Drähte geführt werden muß. Die
Verteilung der Drähte in zwei Schichten ermöglicht eine gute Wärmeableitung, da
alle Drähte in der Nähe der Oberfläche liegen. Damit eignet sich der erfindungsgemäße
Scheibenläuf er besonders gut für hochdynamische Antriebe mit kleiner axialer Baulänge
und kurzzeitiger Überlastungsfähigkeit.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Scheibenläufers
möglich.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei
aus Anspruch 2. Dadurch, daß die Elementseiten auf ihrem kleinsten Radius dicht
an dicht liegen, läßt sich der größtmögliche Ankerstrombelag erreichen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 3. Da im Bereich des äußeren Wickelkopfes die Elementköpfe möglichst eng
gelegt sind, hat der äußere Wickelkopf in seiner Gesamtheit nur eine realtiv geringe
radiale Erstreckung. Damit läßt sich der elektrisch aktive Teil der Ankerwicklung,
vornehmlich die Elementseiten, im Verhältnis zu dem äußeren Wickelkopf sehr groß
machen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 5. Durch die Gestaltung des Scheibenläufers in Form eines flachen Kegelstumpfes
wird der Vorteil erzielt, daß bei ungleichmäßiger Erwärmung des Scheibenläufers
sich zwar der Winkel des Kegelstumpfes relativ zur Läuferachse geringfügig ändert,
nicht jedoch dessen Rundheit.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 6. Durch diese Maßnahme weist - abgesehen von den inneren Elementköpfen
-der Scheibenläufer im gesamten Wicklungsbereich eine konstante Stärke auf. Die
Erregermagnete der Axialluftspaltmaschine, bzw. deren Polschuhe, können damit zum
Teil auch die äußeren Elementköpfe überdecken und somit eine höhere Momenterzeugung
bzw.
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Leistungsabgabe ermöglichen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 7. Wegen der durch diese Ausbildung des äußeren Wickelkopfes erzielten
Umklappung der Elementköpfe um ungefähr 900 zur Läuferebene wird das Schwungmoment
reduziert, da sich das Kupfergewicht der Elementköpfe damit auf einem kleineren
Trägheitsradius befindet. Zugleich wird durch den von den Elementköpfen
gebildeten
Ringmantel das räumliche Gebilde der Ankerwicklung, der sog. Drahtwickel, erheblich
versteift, so daß die bei einem Scheibenläufer fast unvermeidlichenund insbesondere
bei Erwärmung auftretenden Taumelerscheinungen deutlich reduziert sind. Vorzugsweise
wird dabei nur ein Teil des von den Elementköpfen gebildeten Wickelkopfes umgebogen.
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Dieser genügt für die Versteifung des Drahtwickels.
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Der in der gleichen Ebene wie die Elementseiten verbleibende Teil
des äußeren Wickelkopfes wird als elektrisch aktiver Teil genutzt. Die radial verlaufenden
Elementseiten können dabei entweder wie in der Ausführungsform gemäß Anspruch 4
eine ebene Scheibe oder wie in der Ausführungsform gemäß Anspruch 5 einen flachen
Kegelstumpf bilden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 12. Ein Trommelkommutator erlaubt eine feinere Laminierung bei vorgegebenem
Durchmesser und hat eine günstige Wärmekapazität und eine geringe Welligkeit.
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Zeichnung Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines unvergossenen Scheibenläufers für eine 6-polige Axialluftspaltmaschine,
schematisch dargestellt.
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Fig. 2 eine Ansicht des Scheibenläufers in Richtung Pfeil A in Fig.
1,
Fig. 3 eine Draufsicht zweier Wicklungszüge mit jeweils drei
Wicklungselementen einer Ankerwicklung des Scheibenläufers in Fig. 1 bei stark vergrößerter
Darstellung des Wickeldrahtes, Fig. 4 einen Längsschnitt einer Axialluftspaltmaschine
mit einem Scheibenläufer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der in Fig. 1 schematisch in
Draufsicht und vor Vergießen mit einem Epoxidharz dargestellte Scheibenläufer weist
eine Ankerwicklung 10 aus isoliertem Draht, sog. Lackdraht, und einen daran angeschlossenen
Trommelkommutator 11 oder -stromwender oder -kollektor auf. Der Trommelkommutator
11 ist mit der Ankerwicklung 10 nach Belegen seiner Kommutatorlamellen 12 oder Stromwenderstege
mit der Ankerwicklung 10 mittels eines Epoxidharzes vergossen.
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Der aus Ankerwicklung 10 und Trommelkommutator 11 bestehende Scheibenläufer
sitzt drehfest auf einer Läuferwelle 13.
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Die Ankerwicklung 10 ist als 6-polige eingängige Wellenwicklung als
Stabwicklung mit der Windungszahl w=l ausgeführt. Der Gesamt- oder Stromwendeschritt
beträgt 16, der erste -Teilschritt oder die Spulenweite beträgt 7 und der zweite
Teilschritt oder der Schaltschritt beträgt 9. Die Ankerwicklung 10 ist an 49 Kommutatorlamellen
12 des Trommelkommutators 11 angeschlossen, von denen in Fig. 1 die erste Kommutator-
lamelle
mit 1 und die letzte Kommutatorlamelle mit 49 gekennzeichnet ist.
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Durch das Anschließen der Ankerwicklung 10 an die einzelnen Kommutatorlamellen
12 wird die Ankerwicklung 10 in elektrisch miteinander verbundene einzelne Wicklungselemente
14 unterteilt. Drei solche in einem Wicklungszug aufeinanderfolgende Wicklungselemente
14 sind in Fig. 1 durch verstärkte Strichführung hervorgehoben. In Fig. 3 sind solche
Wicklungselemente 14 im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden Wicklungszügen dargestellt.
Jeder Wicklungszug weist entsprechend der 6-poligen Ausführung der Wellenwicklung
jeweils drei Wicklungselemente 14 auf.
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Der erste Wicklungszug beginnt bei der Kollektorlamelle 12 mit der
Nr. 1 und endet bei der Kollektorlamelle 12 mit der Nr. 49, der zweite Wicklungszug
beginnt entsprechend bei der Kommutatorlamelle 12 mit der Nr. 49 und endet bei der
Kommutatorlamelle 12 mit der Nr. 48. Jedes Wicklungselement 14 weist zwei in Abstand
voneinander angeordnete, radial verlaufende Elementseiten 15, 16 und davon abgewinkelte
Elementköpfe 17, 18 auf, welche die Elementseiten 15,16 endseitig verbinden. Die
Elementköpfe 17,18 sind in jeweils zwei Teilköpfe 171,172 bzw. 181,182 unterteilbar.
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Die äußeren Elementköpfe 17 verbinden die zu dem gleichen Wicklungselement
14 gehörenden Elementseiten 15,16, während die Teilköpfe 181,182 der inneren Elementköpfe
18 jeweils mit den Teilköpfen 181,182, der im Verlauf eines Wicklungszuges benachbarten
Wicklungselemente 14 verbunden sind. Die Übergangsstellen der benachbarten Wicklungselementen
14 angehörenden Teilköpfe 181,182 sind über Anzapfungen 23an den Kommutatorlamellen
12 angeschlossen.
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Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, liegen die Elementseiten
15,16 und die äußeren Elementköpfe 17 in nur zwei übereinanderliegenden Wicklungsschichten
19,20, wobei die Elementseiten 15,16 jeweils radial ausgerichtet sind. Der Draht
ist im Wicklungsverlauf vom Wicklungsanfang (Kommutatorlamelle 12 mit der Nr. 1)
bis zum Wicklungsende (Kommutatorlamelle 12 mit der Nr. 2 ) so geführt, daß der
Draht ausschließlich im Bereich bereits vorhandenerDrahtbelegung der im Wicklungsverlauf
unteren Wicklungsschicht 19 in der im Wicklungsverlauf oberen Wicklungsschicht 20
verläuft und der Schichtübergang im Bereich der äußeren Elementköpfe 17 liegt. Zur
Verdeutlichung ist in Fig. 1 die Drahtführung in der unteren Schicht 19 ausgezogen
und die Drahtführung in der oberen Schicht 20 strichliniert dargestellt. Durch diese
Ausbildung der Ankerwicklung 10 wird erreicht, daß beim fortlaufenden Wickeln des
Drahtes die Wicklungselemente 14 nie unter schon vorher gelegte Wicklungselemente
geführt werden müssen.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt der erste, stark ausgezogene Wicklungszug
mit den drei Wicklungselementen 14 vollständig in der unteren Wicklungsschicht 19.
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In den dann folgenden Wicklungszügen wechselt der Wicklungsdraht nur
im Bereich der äußeren Elementköpfe 17 an den Kreuzungsstellen mit den vorhergelegten
Wicklungselementen 14 in die obere Wicklungsschicht 20. Sobald im Bereich der Elementseiten
15,16 die untere Wicklungsschicht 19 ausgefüllt ist, wird die obere Wicklungsschicht
20 mit Elementseiten 15,16 belegt. Der letzte Wicklungszug liegt letztlich vollständig
in der oberen Wicklungsschicht 20. Die in Fig. 2 dargestellte Ansicht auf den Scheibenrand
des Scheibenläufers verdeutlicht, da£ auch im Bereich der
äußeren
Elementköpfe 17 der isolierte Draht immer nur zwischen den beiden Wicklungsschichten
19 und 20 wechselt. Die fertiggestellte Ankerwicklung 10 bildet damit in den Bereichen
der Elementseiten 15,16 und der äußeren Elementköpfe 17 eine Scheibe mit der Dicke
von etwa zwei Drahtdurchmessern. Die Elementseiten 15,16 in beiden Wicklungsschichten
19,20 verlaufen in parallelen Ebenen, die entweder rechtwinklig zur Läuferachse
13 verlaufen oder - wie in Fig.2 dargestellt ist - jeweils den Kegelmantel eines
extrem flachen, zur Läuferachse 13 konzentrischen Kegelstumpfes bilden. Der von
den äußeren Elementköpfen 17 gebildete äußere Wickelkopf 24 fluchtet dabei mit den
von den Elementseiten 15,16 aufgespannten Ebenen. Zur mechanischen Versteifung ist
die Ankerwicklung 10 auf beiden Seiten von einem dünnen, kunstharzgetränkten Armiergewebe
verzogen, auf dessen Darstellung hier verzichtet ist.
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Im Unterschied zu dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Wicklungsaufbau
zeigt Fig. 3 beispielhaft für zwei nebeneinanderliegende Wicklungszüge die tatsächliche
Anordnung und Ausbildung der Wicklungselemente 14. Dabei ist der Drahtdurchmesser
so groß gewählt worden, daß die tatsächliche Drahtlage deutlich wird. Wie aus Fig.
3 zu erkennen ist, erstrecken sich die radial verlaufenden Elementseiten 15,16 so
weit zum Zentrum der Ankerwicklung 10 hin, daß in einer Wicklungsschicht 19,20 nebeneinanderliegende,
aber verschiedenen Wicklungselementen 14 zugehörige Elementseiten 15,16 sich an
den Abwinkelungsstellen 21,22 der inneren Elementköpfe 18 bzw. Teilköpfe 181,182
nahezu berühren. Damit liegen die Elementseiten 15,16 auf ihrem kleinsten Durchmesser
dicht an dicht, so daß der größstmögliche Ankerstrombelag er-
reicht
wird. Die inneren Elementköpfe 18 bzw. Teilköpfe 181,182 bilden zunächst etwa einen
rechten Winkel mit den Elementseiten 15, 16 und verlaufen anschließend etwa auf
konstantem Radius. Dadurch liegen benachbarte innere Elementköpfe 18 teilweise übereinander.
Bei der vollständigen Ankerwicklung 10 bilden die inneren Elementköpfe 18 daher
ein Drahtbündel, bei welchem auch die Kommutatoranschlüsse 23 der Elementköpfe 18
auf dem Radius der Elementköpfe 18 liegen und nur zur übersichtlichen Darstellung
nach innen gezeichnet sind.
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Die von den Elementseiten 15,16 der Wicklungselemente 14 abgewinkelten
äußeren Elementköpfe 17 bzw.
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Teilköpfe 171,172 sind zunächst in einem stumpfen Winkel zu den Elementseiten
15,16 gelegt und dann bogen- oder sichelartig geführt. Die Größe des Winkels und
der sich anschließende sichelförmige Verlauf der Teilköpfe 171,172 wird dadurch
bestimmt, daß benachbarte Teilköpfe 171,172 mit geringstem Abstand nebeneinanderliegen.
Vorzugsweise berühren sich benachbarte Teilköpfe 171 bzw. 172, die verschiedenen
Wicklungselementen angehören, mindestens längs eines Elementkopfabschnittes, wie
dies in Fig. 3 deutlich zu sehen ist. Die genaue Geometrie der äußeren Elementköpfe
17 hängt insgesamt von der Wahl der Polpaarzahl, des Wicklungsdurchmessers und des
Abstandes der Elementseiten 15,16 voneinander, d.h. also von der Spulenweite, ab.
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Die in Fig. 4 im Längsschnitt zu sehende Axialluftspaltmaschine weist
in bekannter Weise ein Gehäuse 30 und ein am Gehäuse angeordnetes Erregersystem
auf, von dem in Fig. 4 zwei permanentmagnetische Pole zu
sehen
und mit 31 und 32 bezeichnet sind. Der vergossene Scheibenläuf er 33 sitzt auf einer
im Gehäuse 30 zweifach gelagerten Läuferwelle 13'. Der Scheibenläufer 33 besteht
aus einem Drahtanker oder Ankerwicklung 10' und einem Trommelkommutator 11'. Die
im oberen Teil der Fig. 4 geschnitten dargestellte Ankerwicklung 10' ist fast identisch
mit der Ankerwicklung 10, wie sie in Fig. 1 - 3 dargestellt ist. Der einzige Unterschied
zu dieser Ankerwicklung 10 besteht jedoch darin, daß mindestens ein Teil des von
den äußeren Elementköpfen 17 gebildeten Wickelkopfes 24' einen in Richtung der Läuferwelle
13' sich erstreckenden Ringmantel 34 bildet, was bedeutet, daß ein Teil des äußeren
Wickelkofpes 24' gegenüber dem aktiven Teil der Elementseiten 15,16 um etwa 900
umgeklappt ist.
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Die Erstreckungsrichtung des Ringmantels 34 ist dabei vom Trommelkommutator
11' weggerichtet. Der aktive Teil der Ankerwicklung 10', also die Elementseiten
15,16 und der verbleibende, nicht umgeklappte Teil des Wickelkopfes 24, weist Scheibenform
auf, was bedeutet, daß die radialen Elementseiten 15,16 in zwei parallel übereinanderliegenden
Ebenen liegen, die quer zur Läuferwelle 13' ausgerichtet sind. Der aktive Teil der
Ankerwicklung 10' kann aber ebenso wie bei dem Scheibenläufer in Fig. 2 als Kegelstumpf
extrem kleiner Höhe ausgebildet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
eines Scheibenläufers beschränkt. So kann z.B. anstelle eines Trommelkommutators
auch ein Plankommutator vorgesehen werden. Bei gleichem Außendurchmesser läßt sich
jedoch bei einem Trommelkommutator eine feinere Lamellenunterteilung ausführen,
wodurch sich eine geringere Momentenwellig-
keit ergibt. Weiteres
Kennzeichen eines Trommelkommutators ist eine günstigere Wärmekapazität.
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Die Ankerwicklung kann auch.anstelle einer dargestellten Stabwicklung
als Spulenwicklung mit einer Windungszahl w>1 ausgebildet sein.
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