DE3723369C1

DE3723369C1 - Permanent-magnet-excited DC machine

Info

Publication number: DE3723369C1
Application number: DE3723369A
Authority: DE
Inventors: Andreas Reinbold
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: REINBOLD, ANDREAS, 7034 GAERTRINGEN, DE
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1988-11-24

Abstract

In the case of a DC machine, especially a fan motor for a motor vehicle heating/ventilation system having four rotation speed levels, a second armature winding and a second commutator are provided, and the rotation speed levels are achieved by means of different winding wire cross-sections of the armature windings by connecting them individually, in parallel or in series. Bias resistors, which produce temperature, dissipate lost power and require a large installation space can be saved as a result of this measure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanentmagneterregte Gleichstrommaschine nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.The invention relates to a permanent magnet DC machine according to the preamble of the patent saying 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.In DE-OS 21 01 459 be in two speed levels drivable DC motor as a fan motor with the Merk paint the preamble of the claim described. This motor is designed so that on its anchor two separate, in the circumferential direction of the armature in opposite directions wound armature windings with different windings wire cross-sections and arranged with a commutator are. This motor is powered either by current flow certain armature winding alone (fast speed) or when current flows through the series connection of both anchors windings (slow speed) operated.

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.Conventional permanent magnets are used in automotive blowers excited DC motors with four different rotations numbers used at the highest speed level directly, in the three lower speed levels above resistors are connected to the on-board voltage. A before Resistance group for this purpose needs enough space (Distance to other assemblies due to the heat winding) and consumes a lot of energy, which is converted into heat loss becomes.

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.The object of the invention is to provide a DC machine type that there are also four speed or Output levels result and in engine operation on ver lusty series resistors can be dispensed with.

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.This object is achieved by the in the license plate of the features mentioned solved. Then both point Armature windings over the circumference of the armature the same winding direction and corresponds to the sum of the winding wire cross cuts of both armature windings to the cross section, which at only an existing armature winding would be required to to achieve the desired maximum speed.

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:For simplicity, a) on either side of the anchor a commutator can be arranged, but it can also b) both The commutator is on the same side of the anchor. At both versions, it should only be noted that in the case of a the winding direction of both armature windings, based on the individual coils, in opposite directions, but the same in case b runs sensibly in order to have the same wrap in both cases Direction of the coil of both armature windings over the circumference to ensure the anchor. For example, has winding A the larger winding wire cross-section and winding B the smaller winding wire cross-section, so there are four ver different speeds:

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). n ₁: lowest speed when both windings A and B are connected in series (e.g. 3900 rpm), n ₂: winding B alone (e.g. 5200 rpm), n ₃: winding A alone (e.g. . 6500 rpm) and n ₄: highest speed when both windings A and B are connected in parallel (e.g. 7800 rpm).

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.This version has compared to that in DE-OS 21 01 459 described motor the advantage that four speed levels are available and that the DC machine with lower performance and higher torque be can be driven or with the same torque smaller dimensions and less weight can.

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.Has been particularly effective in terms of torque proven when the armature winding is first on the armature the larger wire cross section (inside) and then the one wound up with the smaller wire cross-section (outside) becomes.

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. This configuration of the DC machine is at about the same manufacturing costs - omission of the series stands with mudguards, plus an additional one Power turner - same power with less energy wall, less space and without thermal problems achievable.

Nähere Einzelheiten der Erfindung sind einem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Permanentmagnet- Gleichstrom-Gebläsemotors mit vier verschiedenen Drehzahlen zu entnehmen.Further details of the invention are as follows described embodiment of a permanent magnet DC blower motor with four different speeds refer to.

In der Zeichnung sind schematisch die Ankerwicklungen mit den Stromwendern, den Bürsten und der äußeren Beschaltung dargestellt, und zwarThe armature windings are shown schematically in the drawing the commutators, the brushes and the external wiring shown, namely

Fig. 1 Reihenschaltung für die niedrigste Drehzahl n₁, Fig. 1 series connection for the lowest speed n ₁,

Fig. 2 Wicklung mit dünnem Querschnitt für die nächsthöhere Drehzahl n₂, Fig. 2 winding with a thin cross-section for the next higher speed n ₂,

Fig. 3 Wicklung mit dickerem Querschnitt für die zweithöchste Drehzahl n₃ und Fig. 3 winding with a thicker cross-section for the second highest speed n ₃ and

Fig. 4 Parallelschaltung für die höchste Drehzahl n₄. Fig. 4 parallel connection for the highest speed n ₄.

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.In the schematic representation of all four figures, a commutator 1 is arranged on the left and a second commutator 2 on the right of the armature, not shown. An armature winding 3 is connected to the lamellae of the commutator 1 , which is shown as a single turn for the sake of simplicity and in practice can consist of several coils with at least one turn each. In the same way, an armature winding 4 is connected to the fins of the second current changer 2 .

Auf dem Stromwender 1 schleifen die Bürsten 5 und 6, auf dem Stromwender 2 die Bürsten 7 und 8.The brushes 5 and 6 grind on the commutator 1 and the brushes 7 and 8 on the commutator 2 .

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.The design of the motor is based on the known calculation method for DC motors with a given operating voltage and desired speed. This results in an armature winding with a certain number of coils each x turns with a winding wire cross section A. The desired speed corresponds to the highest speed n ₄. With the same number of coils and turns, the determined cross-section A is now divided into two different cross-sections B and C , that for the armature winding 3 with the smaller winding wire cross-section B a speed n ₂ and for the armature winding 4 with the larger winding wire cross-section C. Speed n ₃ results. The sum of both cross sections B + C results in (approximately) 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. Is now, as indicated in Fig. 2, the brush 5 to the positive pole and brush 6 to the negative pole of the on-board voltage ge, flows through the armature winding 3 through the current inverter 1, a current in the direction of the arrow and the motor rotates at speed n ₂ .

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.Is accordingly, as shown in Fig. 3, the brush 7 to the positive pole and brush 8 to the negative pole of the on-board voltage, so flows through the armature winding 4 via the commutator 2, a current in the direction of the arrow and the motor rotates in the same direction as of FIG. 2 with the speed n ₃.

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.Now, as in Fig. 4, both armature circuits 3 and 4 are switched in series, current flows from the positive pole via the commutator 2 and the brushes 7 and 8 through the armature winding 4 and then through the commutator 1 and the brushes 5 and 6 through the armature winding 3 to the negative pole. It can be seen that the current direction in the same armature slot is the same as the windings of both armature windings. The series connection results in the slowest speed n ₁.

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.Are shown in FIG. 4, the brushes 5 and 7 pole to the positive, the brush 6 and 8, however, ver to the negative terminal tied, the two armature windings are connected in parallel 3 and 4, wherein also the current direction of the coils located in the same armature slot both armature windings is the same. This operating mode gives the maximum speed n ₄ from which the calculation was based. However, the calculation can also be based on n ₂ and n ₃, where n ₁ and n ₄ result from series or parallel connection.

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.The interconnection of the respective brushes and the ent speaking poles of the on-board voltage was not specified leads, since it does not cause any difficulties for the expert. You can e.g. B. via a single-pole switch with five Positions and a diode matrix or via a switch with four levels and five positions or equivalent electronic circuits are made.

Das Prinzip kann für Generatorbetrieb umgekehrt werden, wobei bei mechanischem Antrieb des Ankers mit konstanter oder unterschiedlicher Drehzahl unterschiedliche bzw. konstante Leistungsabgaben erzielbar sind.The principle can be reversed for generator operation, with mechanical drive of the armature with constant or different speed different or constant power outputs can be achieved.

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.The DC machine could also be used there be given where a speed control or switching is required, for example as a vehicle engine "integrated four-speed gearbox" for (at least small) Electric vehicles, crane systems or the like or in the Automation or robot control.

Claims

1. Permanent magnet excited DC machine, in particular motor vehicle fan motor, with an armature with two armature windings with the same number of turns and different winding wire cross-sections and with one commutator for each armature winding, characterized in that the winding direction of both armature windings over the order of the armature is the same and that The sum of the winding wire cross-sections of both armature windings corresponds to the cross-section that would be necessary if only one armature winding were present in order to achieve the desired maximum speed.

2. Use of a machine according to claim 1 to achieve four alternative speed or power levels by operation

a) only with one armature winding,
b) only with the other armature winding,
c) with both armature windings connected in series or
d) with both armature windings connected in parallel.