DE3842807A1 - Stromwendermotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromwendermotoren nach der Gattung der Patentansprüche.

Der übliche Stromwendermotor, so wie er als Universalmotor ausgelegt ist, hat jeweils einteilige Polfelder. Wird für solche Universalmotoren ein hoher Wirkungsgrad gefordert, so ist die Aufnahmeleistung, in bezug auf die Baugröße, hierdurch begrenzt.

In der DE-PS 2 35 089 wird eine Anordnung zur Regelung und Funkenverhütung bei elektrischen Maschinen mit ausgeprägten zwei- oder mehrteiligen Polen beschrieben.

Bei der vorliegenden Maschine werden die Magnetwicklungen übereinander so angeordnet, daß ihre Achsen nicht zusammen­ fallen.

Eine derartige Einrichtung wird sicher bei Motoren großer Bauart, in bezug auf eine verbesserte Kommutierung, bei der gleichzeitig die Drehzahl vom Motor über die Feldwicklung geregelt werden kann, vorteilhaft sein.

Bei Stromwendermotoren kleiner Bauart mit hoher Leistungs­ aufnahme, die für einen umschaltbaren Rechts-Linkslauf bestimmt sind, kommt eine Einrichtung, nach der DE-PS 2 35 089, nicht vorteilhaft zur Anwendung.

In der DE-PS 1 64 617 wird eine Anordnung zur Beschleunigung der Erregung elektrischer Maschinen beschrieben, bei der die Zeitkonstante der Erregerwicklung verringert wird, durch die Teilung eines jeden Poles in mehrere Gleichpole, deren jeder die gleiche Windungszahl wie der ursprüngliche Pol hat.

Eine derartige Anordnung hat aber den erheblichen Nachteil, daß der Wirkungsgrad beachtlich niedriger ist, als wie bei einem ungeteilten Pol, da das höchste Drehmoment vom Anker­ querfeld in dem Bereich der Polmitte, vom Erregerfeld, erreicht wird.

Die DE-PS 1 64 617 weist aber in der Polmitte vom Erreger­ feld einen polfreien Raum auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Polaufbau zur Felderregung bei Stromwendermotoren zu schaffen, womit einerseits ein höherer Wirkungsgrad bei gleicher Leistungsaufnahme und andererseits eine höhere Leistungsaufnahme bei gleich hohem Wirkungsgrad erzielt wird, im Vergleich zu den üblichen Universalmotoren bei gleicher Baugröße.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug ge­ nommen, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung darge­ stellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht vom Polpaket für einen Universalmotor in der üblichen Auslegung.

Fig. 2, 2a und 2b eine Ansicht vom Polpaket mit einem zweiteiligen Polaufbau und einer einteiligen Feldwicklung.

Fig. 3 eine Ansicht vom Polpaket mit einem dreiteiligen Polaufbau und einer zweiteiligen Feldwicklung.

Fig. 4 einen Schaltplan der Feldwicklung bei einem dreiteiligen Polaufbau im Rechts-Linkslauf.

Fig. 5 eine Ansicht vom Polpaket mit einem zweiteiligen Polaufbau und einer mehrteiligen Feldwicklung.

Fig. 6 einen Schaltplan von einer mehrteiligen Feld­ wicklung für einen zweiteiligen Polaufbau mit einer hohen Leistungsaufnahme-Spreizung.

In Fig. 1 ist eine Ansicht vom Polpaket 1 mit den Pol­ kernen 2 der Feldwicklung 3, so wie es üblicherweise bei Reihenschlußmotoren und insbesondere bei Universal­ motoren ohne Wendepole und Kompensationswicklung ver­ wendet wird, dargestellt.

Der Kreis 4 symbolisiert in den Figuren den Anker, und die Drehrichtung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.

Um eine gute Kommutierung bei hoher Leistungsaufnahme und sehr hohen Drehzahlen zu gewährleisten, werden die Bürsten aus der geometrisch Neutralen Zone 5, zur ab­ laufenden Kante hin, gedreht, womit die Leistungsauf­ nahme und somit auch die Drehzahl erhöht wird.

Diese Maßnahme ist aber nur bis zu einem bestimmten Punkt durchführbar, da sonst der Rückschluß vom Ankerquerfeld über die Polkerne, nicht mehr gewährleistet ist, und der Wirkungsgrad hierdurch stark abfällt.

Eine beliebige Verbreiterung der Polkerne, zur geometrisch Neutralen Zone 5 hin, ist auch nicht möglich, da hierdurch die Induktionsspannung in der Ankerwicklung erhöht wird und dies einerseits zu einer niedrigen Leistungsaufnahme und andererseits zu einer Verschlechterung der Kommutierung führt.

Um diese negativen Beeinflussungen aufzuheben, ist jeder der Polkerne, die bisher aus einem einzigen Stück bestehen, nun in bezug auf die Polbreite zum Anker, geteilt.

In der Fig. 2 ist hierfür eine Lösung zur gestellten Auf­ gabe dargestellt.

Die geometrisch Neutrale Zone 5 befindet sich in der Mitte zwischen den Polen zur ablaufenden und auflaufenden Kante. Der Polaufbau weist zwei Polteile auf, wobei der eine Polteil 6, der durch die Feldwicklung 3 erregt wird und zur ablaufenden Kante hin angeordnet ist, mindestens eine Polbreite von 1/4 des Ankerumfangs aufweist, vorzugsweise aber mehr wie 1/4 des Ankerumfangs, so daß die Polfeldmitte 7 und die neutrale Zone 8 vom Anker etwa auf die Mitte der Polhörner vom Polteil 6 weisen.

Der andere Polteil 9 ist zur auflaufenden Kante hin ange­ ordnet. Dieser Polteil 9 ist durch einen Luftspalt 10 der mindestens die doppelte Breite aufweist, wie der Luftspalt zum Anker, vom Polteil 6 getrennt.

Um den Streufluß vom Polteil 6 zum Polteil 9 sehr gering zu halten, kann es vorteilhaft sein, die Polkante vom Pol­ teil 9 zum Polteil 6 etwa gleich zu gestalten, wie die Polkante vom Polteil 6, wodurch ein entsprechender Zwischen­ raum 11 entsteht.

Der Abstand vom Polteil 6 an der ablaufenden Kante zur auflaufenden Kante vom Polteil 9, in der geometrisch Neutralen Zone, beträgt mindestens den Anteil vom Anker der durch die Bürstenbreite erfaßt wird. Besitzt zum Beispiel der Anker zweiundzwanzig Nuten und der Kollektor zweiundzwanzig Stege und die Bürstenbreite beträgt zwei Kollektorstege, so soll mindestens der Abstand vom Polteil 6 zum Polteil 9, in der geometrisch Neutralen Zone 5, zwei Ankerzähne einschließlich Nutenschlitze betragen.

Vorzugsweise sollten die Bürsten bei dieser Anordnung aber etwa die Breite aufweisen, die eineinhalb Kollektor­ stege entspricht, wodurch eine einwandfreie Kommutierung erreicht wird.

Der Polteil 9, Fig. 2, kann auch derart ausgebildet sein, daß die Polfläche beim Luftspalt 10 den geringsten Abstand zum Anker besitzt und schräg zu der geometrisch Neutralen Zone 5 zum Rückschlußrücken ausläuft. In der Fig. 2a ist eine solche Ausführungsform dargestellt, der Polteil ist hier mit 9 a bezeichnet.

Der Polteil 9, Fig. 2, kann auch so gestaltet sein, daß die Polfläche beim Luftspalt 10 den geringsten Abstand zum Anker besitzt und schräg als Polhorn zur geometrisch Neutralen Zone 5 zum Rückschlußrücken ausläuft, wobei das Polhorn durch den Zwischenraum 11 a vom Rückschlußrücken getrennt ist. Die Fig. 2b zeigt eine derartige Ausführungs­ form, der Polteil ist hier mit 9 b bezeichnet.

Mit den Ausführungsformen nach der Fig. 2a und 2b kann einerseits eine bessere Kommutierung und andererseits ein größeres Drehmoment erzielt werden.

Die höchste Leistungsaufnahme, bei dem höchstmöglich zu erzielendem Wirkungsgrad, wird erreicht, wenn die Bürsten eine derartige Stellung einnehmen, daß die Mittelachse 12 von der Polfeldmitte 7 zu der neutralen Zone 8, vom Anker, genau auf die Polkernmitte 13 vom Polteil 6 weist, Fig. 2. Hierbei ist die Feldwicklung vom Polteil 6 derart zum Anker abzustimmen, daß eine einwandfreie Kommutierung gewährleistet ist. Die Praxis hat gezeigt, daß die Windungszahl der Feld­ wicklung etwa 1/3 niedriger anzusetzen ist, als wie bei einem üblichen Universalmotor.

Der Rückschluß vom Ankerquerfeld erfolgt überwiegend über den Polteil 9, wodurch der Polteil 9 durch das Ankerquer­ feld erregt wird, so daß der Polteil 9 die gleiche Polarität aufweist, als wie bei dem Polteil 6 durch die Feldwicklung 3 vorgegeben ist. Daher dürfte der Streufluß vom Polteil 6 über den Polteil 9 sehr gering sein, der sicherlich in der Betrachtung vernachlässigt werden kann. In der praktischen Anwendung konnte er als Nachteil nicht nachgewiesen werden.

Um den Nachweis zu erbringen, daß durch einen derartigen Polaufbau eine wesentliche höhere Leistungsaufnahme zu erzielen ist, wurde ein Universalmotor entsprechend umge­ rüstet und mit einem Polpaket nach der Fig. 2 versehen.

Der Anker, die Ankerwicklung, der Kollektor und die Bürsten wurden nicht verändert.

Nach entsprechender Abstimmung der Feldwicklung vom Polteil 6 auf den Anker wurde eine Leistungsaufnahmesteigerung von 40% ermittelt, bei gleichbleibendem Wirkungsgrad und gleich­ guter Kommutierung.

Wird bei einem Stromwendermotor nach der Fig. 2 keine höhere Leistungsaufnahme, im Vergleich zu einem üblichen Universal­ motor, erwogen, so wird die Windungszahl beim Anker entspre­ chend erhöht, womit eine höhere Amperewindungszahl erreicht wird, und hierdurch ein beachtlich höherer Wirkungsgrad zu erzielen ist.

Die in der Fig. 2 beschriebene Ausführung eignet sich nur für eine Drehrichtung.

In der Fig. 3 ist sinngemäß nach der Fig. 2 ein Ausfüh­ rungsbeispiel für beide Drehrichtungen dargestellt.

Der Polaufbau in der Fig. 3 weist drei Polteile auf, wobei dem zentralen Polteil 14 von jeder Seite ein weiterer Pol­ teil 15 u. 16 zugeordnet ist, die zusammen mit dem zentralen Polteil die Gesamtpolbreite bilden.

Die Feldwicklung ist für den Rechts-Linkslauf mehrteilig ausgelegt, wobei der Feldwicklungsteil 17 aus zwei Wicklungs­ teilen besteht, in dem der eine Wicklungsteil den zentralen Polteil 14 und den an der einen Seite vom zentralen Polteil 14 angeordneten Polteil 15 umschlingt, der andere Wicklungs­ teil umschlingt den zentralen Polteil 14, und den an der anderen Seite vom zentralen Polteil 14 angeordneten Polteil 16.

Die Wicklungsteile des Feldwicklungsteils 17 sind unver­ änderlich miteinander und mit dem Anker in Reihe geschaltet, und sie besitzen zur geometrisch Neutralen Zone 5 die gleiche Polarität, wie das Ankerquerfeld. In der Fig. 4 ist die Polarität mit N und S bezeichnet.

Der Feldwicklungsteil 17 ist dafür bestimmt, bei der hier vorgesehenen einen Drehrichtung, an der ablaufenden Kante das Erregerfeld vom Polteil 15 zu verstärken, und an der auflaufenden Kante wird der Polteil 16 von dem Feldwick­ lungsteil 17 als Wendepol erregt. In der anderen Dreh­ richtung vertauschen die Polteile 15 u. 16 ihre Rolle.

Das Hauptfeld wird durch die Wicklungsteile 18 u. 19 erregt.

Der Wicklungsteil 18 umschlingt den zentralen Polteil 14 und den Polteil 15 und der Wicklungsteil 19 umschlingt den zentralen Polteil 14 und den Polteil 16. Die Wicklungs­ teile 18 und 19 liegen am Netz und werden getrennt vonein­ ander geschaltet, wobei sie in Reihe mit dem Wicklungsteil 17 und dem Anker liegen, Fig. 4. Bei der vorgegebenen einen Drehrichtung ist der Schalter für den Wicklungsteil 18 ge­ schlossen und für den Wicklungsteil 19 geöffnet, und in der anderen Drehrichtung ist der Schalter für den Wicklungsteil 18 geöffnet und für den Wicklungsteil 19 geschlossen.

Ist der Motor für den Rechts-Linkslauf bestimmt, so stehen die Bürsten in der geometrisch Neutralen Zone 5 und der Abstand der Polhörner von den Polteilen 15 und 16 zueinander, in der geometrisch Neutralen Zone 5, kann entsprechend groß oder gering ausgelegt sein, je nachdem, für welche Leistung der Motor ausgelegt ist.

Wird der Motor nur für die eine oder die andere Drehrich­ tung ausgelegt, so stehen die Bürsten genauso zum zentralen Polteil 14 und dem Polteil 15, oder zum zentralen Polteil 14 und dem Polteil 16, wie die Bürsten zu dem Polteil 6, Fig. 2, stehen und der eine Polteil 15 oder 16 hat die gleiche Aufgabe, wie der Polteil 9 in der Fig. 2, hierbei besitzt das Polpaket in der Fig. 3 nur eine Feldwicklung, genauso wie in der Fig. 2.

Wird eine hohe Drehzahl-Spreizung von einem Motor gefordert, bei dem die Drehzahl-Spreizung über die Feldwicklung ge­ steuert werden soll, so kommt die Auslegung des Polpakets nach der Fig. 5 gut zur Anwendung.

Der Polaufbau weist zwei Polteile auf, wobei der größere Polteil 20 zur ablaufenden Kante angeordnet ist, und mindestens eine Polbreite von 1/4 des Ankerumfangs auf­ weist.

Die Bürsten nehmen die gleiche Stellung zum Polteil 20 ein, als wie in der Fig. 2, zum Polteil 6, so daß die Mittelachse 12 von der Polfeldmitte 7 zu der neutralen Zone 8 vom Anker genau auf die Polkernmitte vom Polteil 20, Fig. 5, weist.

Die Feldwicklung ist mehrteilig ausgelegt, wobei der Feld­ wicklungsteil 21 den Polteil 20 umschlingt und in der höchsten Schaltstufe liegt der Wicklungsteil 21 am Netz, Fig. 6. Der Rückschluß vom Ankerquerfeld erfolgt über­ wiegend über den Polteil 22, wodurch der Polteil 22 durch das Ankerquerfeld erregt wird und in der höchsten Schalt­ stufe die gleiche Funktion einnimmt, wie der Polteil 9 in der Fig. 2.

Bei der nächst niedrigen Schaltstufe werden die Wicklungs­ teile 23 und 24 ans Netz gelegt, wobei der Wicklungsteil 23 den Polteil 20 und der Wicklungsteil 24 den Polteil 22 umschlingt. In der niedrigsten Schaltstufe wird der Wick­ lungsteil 25 ans Netz gelegt und der Wicklungsteil 25 um­ schlingt den Polteil 22. Alle Wicklungsteile sind mitein­ ander und mit dem Anker in Reihe geschaltet, Fig. 6.

Mit einer derartigen Aufteilung der Feldwicklung auf zwei Polteile, die zusammen eine Polbreite bilden, wird einer­ seits eine hohe Drehzahl-Spreizung erreicht. Andererseits kann eine gute Kommutierung in allen Drehzahlbereichen dadurch erreicht werden, in dem die Windungszahl der einzelnen Wicklungsteile, von der gesamten Feldwicklung, entsprechend auf die Polteile 20 und 22 verteilt werden, da die Beeinflussung durch den Polteil 20, auf die Kommu­ tierung und Drehzahlbeeinflussung, eine ganz andere ist, als durch den Polteil 22.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschrei­ bung enthalten, oder in der Zeichnung dargestellt ist, ein­ schließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Claims (5)

1. Stromwendermotor mit einem aus zwei Polteilen aufweisen­ den Polaufbau und mit einer Feldwicklung an einem magne­ tischen Rückschlußteil gebildeten Ständer, in dem inner­ halb ein Anker rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Polaufbau aus zwei ungleich großen Polteilen besteht, wobei der größere Polteil (6, Fig. 2), der durch die Feldwicklung (3) erregt wird und zur ablaufenden Kante angeordnet ist, mindestens eine Polbreite von 1/4 des Ankerumfangs aufweist, vorzugsweise aber mehr wie 1/4 des Ankerumfangs, so daß die Polfeldmitte (7) und die neutrale Zone (8) vom Anker etwa auf die Mitte der Pol­ hörner vom Polteil (6) weisen, hierbei nehmen die Bürsten eine derartige Stellung ein, daß die Mittelachse (12) von der Polfeldmitte (7) zu der neutralen Zone (8) vom Anker auf die Polkernmitte (13) vom Polteil (6) weist (Fig. 2), und der kleinere Polteil (9) ist zur auflaufenden Kante so angeordnet, daß der Polteil (9) vom Polteil (6) durch einen Luftspalt (10) und einen Zwischenraum (11) getrennt ist, wobei der Polteil (9) durch das Ankerquerfeld erregt wird, so daß der Polteil (9) die gleiche Polarität aufweist, als wie bei dem Polteil (6) durch die Feldwicklung (3) vorge­ geben ist, (Fig. 2).

2. Stromwendermotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Polteil (9, Fig. 2), einer­ seits derart ausgebildet ist, daß die Polfläche vom Pol­ teil (9 a, Fig. 2a), beim Luftspalt (10) den geringsten Abstand zum Anker aufweist und schräg zu der geometrisch Neutralen Zone (5) zum Rückschlußrücken ausläuft, und andererseits kann der Polteil (9, Fig. 2) so gestaltet sein, daß die Polfläche vom Polteil (9 b, Fig. 2b), beim Luft­ spalt (10) den geringsten Abstand zum Anker besitzt und schräg als Polhorn zur geometrisch Neutralen Zone (5), zum Rückschlußrücken ausläuft, wobei das Polhorn durch den Zwischenraum (11 a) vom Rückschlußrücken getrennt ist.

3. Stromwendermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklung für eine Drehzahl-Spreizung mehrteilig ausgelegt ist, wobei der Feldwicklungsteil (21, Fig. 6) den Polteil (20, Fig. 5) umschlingt und in der höchsten Schaltstufe liegt der Wicklungsteil (21) am Netz (Fig. 6), so daß der Rück­ schluß vom Ankerquerfeld überwiegend über den Polteil (22, Fig. 5) erfolgt, wodurch der Polteil (22) durch das Ankerquerfeld erregt wird, hierbei weist die Mittelachse (12) von der Polfeldmitte (7) zu der neutralen Zone (8) vom Anker auf die Polkernmitte vom Polteil (20), und für weitere Schaltstufen sind die Wicklungsteile (23, 24 u. 25, Fig. 6), den Polteilen (20 u. 22) derart zugeordnet, daß alle Wicklungsteile miteinander und mit dem Anker in Reihe geschaltet sind (Fig. 6), wodurch eine gute Kommutierung in allen Drehzahlbereichen dadurch erreicht wird, in dem die Windungszahl der einzelnen Wicklungsteile, von der gesamten Feldwicklung, entsprechend auf die Polteile (20 und 22) verteilt werden.

4. Stromwendermotor mit einem aus drei Polteilen auf­ weisendem Polaufbau und einer dreiteiligen Feldwicklung an einem magnetischem Rückschlußteil gebildeten Ständer, in dem innerhalb ein Anker rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß dem zentralen Polteil (14, Fig. 3), von jeder Seite ein weiterer Polteil (15 und 16) zugeordnet ist, die zusammen mit dem zentralen Polteil (14) die Gesamtpolbreite bilden, und die Feldwicklung ist für den Rechts-Linkslauf mehrteilig ausgelegt, wobei der Feld­ wicklungsteil (17) aus zwei Wicklungsteilen besteht, in dem der eine Wicklungsteil den zentralen Polteil (14) und den an der einen Seite vom zentralen Polteil (14) angeordneten Polteil (15) umschlingt, der andere Wicklungsteil umschlingt den zentralen Polteil (14) und den an der anderen Seite vom zentralen Polteil (14) angeordneten Polteil (16), hierbei sind die Wicklungsteile des Feldwicklungteils (17) unveränderlich mit dem Anker in Reihe geschaltet, und sie besitzen zur geometrisch Neutralen Zone (5) die gleiche Polarität wie das Ankerquerfeld (Fig. 3 und 4), wodurch der Polteil an der auflaufenden Kante jeweils als Wende­ pol erregt und das Feld vom Polteil an der ablaufenden Kante jeweils verstärkt wird, und für die Erregung des Hauptfeldes sind die Wicklungsteile (18 u. 19, Fig. 3 u. 4) derart angeordnet, daß der Wicklungsteil (18) den zentralen Polteil (14) und den Polteil (15) umschlingt und der Wick­ lungsteil (19) umschlingt den zentralen Polteil (14) und den Polteil (16), hierbei liegen die Wicklungsteile (18 und 19) am Netz, sie werden für den Links-Rechtslauf getrennt geschaltet, und die Wicklungsteile (18 u. 19) liegen unab­ hängig voneinander in Reihe mit dem Wicklungsteil (17) und dem Anker (Fig. 4), so daß der Schalter für den Wicklungs­ teil (18) in der einen Drehrichtung geschlossen ist und für den Wicklungsteil (19) geöffnet, und in der anderen Dreh­ richtung ist der Schalter für den Wicklungsteil (18) ge­ öffnet und für den Wicklungsteil (19) geschlossen (Fig. 4).

5. Stromwendermotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwendermotor nur für die eine beziehungsweise nur für die andere Drehrichtung bestimmt ist, in dem das Ankerquerfeld zum zentralen Pol­ teil (14) ausgerichtet wird, und die Feldwicklung, die aus einem Wicklungsteil besteht, den zentralen Polteil (14, Fig. 3) und den Polteil an der ablaufenden Kante umschlingt, wobei der Polteil an der auflaufenden Kante vom Ankerquer­ feld erregt wird.