DE3723369C1

DE3723369C1 - Permanent-magnet-excited DC machine

Info

Publication number: DE3723369C1
Application number: DE3723369A
Authority: DE
Inventors: Andreas Reinbold
Original assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1988-11-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanentmagneterregte Gleichstrommaschine nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

In der DE-OS 21 01 459 ist ein in zwei Drehzahlstufen be treibbarer Gleichstrommotor als Lüftermotor mit den Merk malen des Oberbegriffs des Patentanspruchs beschrieben. Dieser Motor ist derart ausgebildet, daß auf seinem Anker zwei getrennte, in Umfangsrichtung des Ankers gegensinnig gewickelte Ankerwicklungen mit unterschiedlichen Wickel drahtquerschnitten und mit je einem Stromwender angeordnet sind. Dieser Motor wird entweder bei Stromfluß durch eine bestimmte Ankerwicklung allein (schnelle Drehzahl) oder bei Stromfluß durch die Reihenschaltung beider Anker wicklungen (langsame Drehzahl) betrieben.

Bei Kraftfahrzeug-Gebläsen werden übliche permanentmagnet erregte Gleichstrommotoren mit vier verschiedenen Dreh zahlen verwendet, die bei der höchsten Drehzahlstufe direkt, in den drei niedrigeren Drehzahlstufen über Vor widerstände an die Bordspannung geschaltet sind. Eine Vor widerstandsgruppe für diesen Zweck benötigt genügend Platz (Abstand zu anderen Baugruppen wegen der Wärmewicklung) und verbraucht viel Energie, die in Verlustwärme umgesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstrommaschine der art auszubilden, daß sich ebenfalls vier Drehzahl- bzw. Leistungsstufen ergeben und dabei im Motorbetrieb auf ver lustbehaftete Vorwiderstände verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Danach weisen beide Ankerwicklungen über den Umfang des Ankers die gleiche Wickel richtung auf und entspricht die Summe der Wickeldrahtquer schnitte beider Ankerwicklungen dem Querschnitt, der bei nur einer vorhandenen Ankerwicklung erforderlich wäre, um die gewünschte maximale Drehzahl zu erreichen.

Der Einfachheit halber kann a) auf jeder Seite des Ankers ein Stromwender angeordnet sein, es können aber auch b) beide Stromwender auf der gleichen Seite des Ankers liegen. Bei beiden Ausführungen ist nur zu beachten, daß im Falle a der Wickelsinn beider Ankerwicklungen, bezogen auf die einzelnen Spulen, gegensinnig, im Falle b jedoch gleich sinnig verläuft, um in beiden Fällen eine gleiche Wickel richtung der Spule beider Ankerwicklungen über den Umfang des Ankers zu gewährleisten. Hat beispielsweise Wicklung A den größeren Wickeldrahtquerschnitt und Wicklung B den kleineren Wickeldrahtquerschnitt, so ergeben sich vier ver schiedene Drehzahlen:

n₁:niedrigste Drehzahl bei Reihenschaltung beider Wicklungen A und B (z. B. 3900 U/min), n₂:Wicklung B allein (z. B. 5200 U/min), n₃:Wicklung A allein (z. B. 6500 U/min) und n₄:höchste Drehzahl bei Parallelschaltung beider Wicklungen A und B (z. B. 7800 U/min).

Diese Ausführung weist gegenüber dem in der DE-OS 21 01 459 beschriebenen Motor den Vorteil auf, daß vier Drehzahlstufen zur Verfügung stehen und daß die Gleichstrommaschine mit geringerem Leistungsaufwand und höherem Drehmoment be trieben werden kann oder bei gleichem Drehmoment mit kleineren Abmessungen und geringerem Gewicht gebaut werden kann.

Besonders wirkungsvoll hinsichtlich Drehmoment hat sich erwiesen, wenn auf dem Anker zuerst die Ankerwicklung mit dem größeren Drahtquerschnitt (innen) und danach diejenige mit dem geringeren Drahtquerschnitt (außen) aufgewickelt wird.

Durch diese Ausgestaltung der Gleichstrommaschine ist bei etwa gleichen Herstellungskosten - Wegfall der Vorwider stände mit Schutzblechen, dafür zusätzlich ein zweiter Stromwender - dieselbe Leistung mit geringerem Energieauf wand, weniger Platzbedarf und ohne thermische Probleme erzielbar.

Nähere Einzelheiten der Erfindung sind einem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Permanentmagnet- Gleichstrom-Gebläsemotors mit vier verschiedenen Drehzahlen zu entnehmen.

In der Zeichnung sind schematisch die Ankerwicklungen mit den Stromwendern, den Bürsten und der äußeren Beschaltung dargestellt, und zwar

Fig. 1 Reihenschaltung für die niedrigste Drehzahl n₁,

Fig. 2 Wicklung mit dünnem Querschnitt für die nächsthöhere Drehzahl n₂,

Fig. 3 Wicklung mit dickerem Querschnitt für die zweithöchste Drehzahl n₃ und

Fig. 4 Parallelschaltung für die höchste Drehzahl n₄.

In der schematischen Darstellung aller vier Figuren ist ein Stromwender 1 links und ein zweiter Stromwender 2 rechts von dem nicht dargestellten Anker angeordnet. Mit den Lamellen des Stromwenders 1 ist eine Ankerwicklung 3 verbunden, die der Einfachheit halber als eine einzige Windung dargestellt ist und in der Praxis aus mehreren Spulen mit wenigstens je einer Windung bestehen kann. In gleicher Weise ist mit den Lamellen des zweiten Strom wenders 2 eine Ankerwicklung 4 verbunden.

Auf dem Stromwender 1 schleifen die Bürsten 5 und 6, auf dem Stromwender 2 die Bürsten 7 und 8.

Die konstruktive Auslegung des Motors erfolgt ausgehend von der bekannten Berechnungsmethode für Gleichstrom motoren mit vorgegebener Betriebsspannung und gewünschter Drehzahl. Daraus ergibt sich eine Ankerwicklung mit be stimmter Spulenzahl zu je x Windungen mit einem Wickeldraht- Querschnitt A. Die gewünschte Drehzahl entspreche dabei der höchsten Drehzahl n₄. Bei gleicher Spulen- und Windungszahl wird der ermittelte Querschnitt A nun so in zwei unterschiedliche Querschnitte B und C aufgeteilt, daß sich für die Ankerwicklung 3 mit dem kleineren Wickel drahtquerschnitt B eine Drehzahl n₂ und für die Anker wicklung 4 mit dem größeren Wickeldrahtquerschnitt C eine Drehzahl n₃ ergibt. Die Summe beider Querschnitte B + C ergibt (etwa) A.

Wird nun, wie in Fig. 2 angedeutet, die Bürste 5 an den Pluspol und Bürste 6 an den Minuspol der Bordspannung ge legt, so fließt durch die Ankerwicklung 3 über den Strom wender 1 ein Strom in Pfeilrichtung und der Motor dreht mit Drehzahl n₂.

Wird dem entsprechend, wie in Fig. 3 gezeigt, die Bürste 7 an den Pluspol und Bürste 8 an den Minuspol der Bord spannung gelegt, so fließt durch die Ankerwicklung 4 über den Stromwender 2 ein Strom in Pfeilrichtung und der Motor dreht in gleicher Richtung wie nach Fig. 2 mit der Dreh zahl n₃.

Werden nun, wie in Fig. 4, beide Ankerschaltungen 3 und 4 in Reihe ge schaltet, so fließt Strom vom Pluspol über Stromwender 2 und die Bürsten 7 und 8 durch Ankerwicklung 4 und an schließend über Stromwender 1 und die Bürsten 5 und 6 durch Ankerwicklung 3 zum Minuspol. Dabei ist zu sehen, daß die Stromrichtung der in der gleichen Ankernut liegen den Windungen beider Ankerwicklungen gleich ist. Durch die Reihenschaltung ergibt sich die langsamste Drehzahl n₁.

Werden entsprechend Fig. 4 die Bürsten 5 und 7 mit dem Plus pol, die Bürsten 6 und 8 hingegen mit dem Minuspol ver bunden, so werden die beiden Ankerwicklungen 3 und 4 parallel geschaltet, wobei ebenfalls wieder die Stromrichtung der in der gleichen Ankernut liegenden Windungen beider Anker wicklungen gleich ist. Es ergibt sich bei dieser Betriebs art die Höchstdrehzahl n₄, von der bei der Berechnung aus gegangen wurde. Die Berechnung kann jedoch auch ausgehend von n₂ und n₃ erfolgen, wobei sich dann n₁ und n₄ durch Reihen- bzw. Parallelschaltung ergeben.

Die Zusammenschaltung der jeweiligen Bürsten und der ent sprechenden Pole der Bordspannung wurde nicht näher ange führt, da sie dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereitet. Sie kann z. B. über einen einpoligen Schalter mit fünf Stellungen und einer Diodenmatrix oder über einen Schalter mit vier Ebenen und fünf Stellungen oder über entsprechende elektronische Schaltungen erfolgen.

Das Prinzip kann für Generatorbetrieb umgekehrt werden, wobei bei mechanischem Antrieb des Ankers mit konstanter oder unterschiedlicher Drehzahl unterschiedliche bzw. konstante Leistungsabgaben erzielbar sind.

Eine Anwendung der Gleichstrommaschine könnte auch dort gegeben sein, wo eine Drehzahlregelung bzw. -umschaltung erforderlich ist, beispielsweise als Fahrzeugmotor mit "integriertem Vierganggetriebe" für (zumindest kleine) Elektrofahrzeuge, Krananlagen o. dgl. oder in der Automation bzw. Robotersteuerung.

Claims

1. Permanentmagneterregte Gleichstrommaschine, insbesondere Kraftfahrzeug-Gebläsemotor, mit einem Anker mit zwei Ankerwicklungen mit gleichen Windungszahlen und unterschiedlichen Wickeldrahtquerschnitten und mit je einem Stromwender für jede Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelrichtung beider Ankerwicklungen über den Um fang des Ankers gleich ist und daß die Summe der Wickel drahtquerschnitte beider Ankerwicklungen dem Querschnitt entspricht, der bei nur einer vorhandenen Ankerwicklung erforderlich wäre, um die gewünschte maximale Drehzahl zu erreichen.

2. Verwendung einer Maschine nach Anspruch 1 zur Erzielung vier alternativer Drehzahl- bzw. Leistungsstufen durch Be trieb

a) nur mit der einen Ankerwicklung,
b) nur mit der anderen Ankerwicklung,
c) mit beiden in Reihe geschalteten Ankerwicklungen oder
d) mit beiden parallel geschalteten Ankerwicklungen.