DE60117154T2

DE60117154T2 - Kommutatormotoren mit konzentrierten wicklungen für gleich- oder wechselstrombetrieb

Info

Publication number: DE60117154T2
Application number: DE60117154T
Authority: DE
Inventors: Jerome Quωbec CROS; Philippe Sainte-Foy VIAROUGE
Original assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Current assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: US7239060B2; WO2002021665A3; ES2254477T3; CA2421716A1; EP1316136A2; BR0113720A; CN1470095B; CN1470095A; MXPA03001989A; CA2421716C; ATE317602T1; US6891304B1; EP1316136B1; WO2002021665A2; US20080001492A1; AU2001287450A1; DE60117154D1; US20050184612A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommotoren oder Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motoren. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf derartige Motoren, welche eine konzentrierte Windung auf dem Rotor benutzen, wobei Spulen bzw. Windungen um die Zähne gewickelt sind.
Bei herkömmlichen Gleichstrommotoren oder Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motoren gibt es drei Arten von Rotorankerwindungen: Schleifenwindungen, Wellenwindungen und Verbundwindungen. Diese Windungen werden mit einfachen Spulenelementen hergestellt, welche immer miteinander verzahnt sind. Mit einer verzahnten Windung ist das Verhältnis zwischen der axialen Länge der Endwindungen und der axialen Länge des Ankermagnetkreises relativ groß, wie von Klein US-Patent Nr. 4,329,610, Ban et al. US-Patent Nr. 4,197,475 und Ikeda US-Patent Nr. 4,437,028 beschrieben.
Alle diese Windungen unterscheiden sich hauptsächlich durch das Verfahren, welches benutzt wird, die Enden der einfachen Spulen mit dem Kommutator zu verbinden. Eine Schleifenwindung ist ebenso als eine Vielfachwindung bekannt, und für diese Art von Windung ist die Anzahl paralleler Pfade gleich der Anzahl der Pole. Die Wellenwindung wird manchmal serielle Windung genannt und weist nur zwei parallele Pfade auf, unabhängig von der Anzahl der Pole. Die Verbundwindung ist die Verknüpfung einer Schleifenwindung und einer Wellenwindung, welche auf demselben Anker in denselben Schlitzen bzw. Einschüben platziert sind und mit denselben Kommutatorstangen verbunden sind.
Das wichtigste Problem bei der Benutzung einer Schleifenwindung ist, dass die in den verschiedenen parallelen Pfaden induzierten Spannungen ungleich sind. Diese Unterschiede der induzierten Spannungen liegen an ungleichen Magnetkreiswiderständen oder ungleichen Flüssen unter den verschiedenen Polen, welche durch eine Exzentrizität des Rotors, Fehlausrichtung der Pole und/oder Unterschieden bei der Permanentmagnetmagnetisierung hervorgerufen werden. Wegen der Unausgewogenheit der induzierten Spannungen treten Kreisströme in den Windungen und durch die Bürsten auf. Diese Kreisströme bewirken ein unnötiges Aufheizen der Spulen und Bürsten und neigen dazu, schlechte Kommutation zu erzeugen.
Die Benutzung von Ausgleichsverbindungen ist die übliche Lösung, um die unerwünschten Effekte von Kreisströmen zu überwinden. Diese Verbindungen verbessern die Stromkommutation und entlasten die Bürsten von vorhandenen Kreisströmen, indem sie Pfade mit niedrigem Widerstand bereitstellen, welche die Bürstenkontakte überbrücken. Bei einer Wellenwindung ist das Problem der Kreisströme aufgrund der unausgeglichenen Spannungen der parallelen Pfade minimiert, aber es ist ebenso unmöglich, perfekt ausgeglichene Spannungen zu erhalten.
Um das Verzahnen der Spulen zu vermeiden, ist es möglich, die einfachen Ankerspulen direkt um jeden Zahn des Rotormagnetkreises zu wickeln. Diese Art von Windung wird konzentrierte Windung genannt, wie in unseren wissenschaftlichen Veröffentlichungen „Permanent Magnet Brushless DC Motor with Soft Metal Powder for Automotive Applications", IEEE Industry Applications Society, St. Louis, Okt. 1998, und „Synthesis of High Performance PM Motors with Concentrated Windings", IEEE IEMDC, Seattle, Mai 1999 beschrieben. Diese Art von Windung wird auch eine nicht überlagerte Windung wie von Ban et al. US-Patent Nr. 4,197,475 beschrieben genannt. Diese Art von Windung verringert das Kupfervolumen der Endwindung, die Kupferverluste und die gesamte axiale Länge des Motors. Die Effizienz wird verglichen mit der Effizienz klassischer Strukturen verbessert. Diese Windungsstruktur ist zudem einfacher zu realisieren als eine Schleifenwindung oder eine Wellenwindung. Wenn die axiale Länge des Motors klein ist und der Außendurchmesser des Motors wichtig ist, ermöglicht die Benutzung einer derartigen Windungsstruktur einen Gewinn von 70% verglichen mit dem bei einer überlappten Windung benutzten Kupfervolumen.
Rotorstrukturen mit einer konzentrierten Windung weisen eine geringe Anzahl von Schlitzen auf, und der Magnetkreis ist einfacher zu realisieren. Der Magnetkreis kann mit einem herkömmlichen weichmagnetischen laminierten Material (einem aus einem Stapel von Laminierungen gefertigten Joch) realisiert werden, aber es ist ebenso möglich, ein zusammengesetztes weichmagnetisches Material, welches aus Metallpulver gefertigt ist, zu benutzen. Die Permeabilität der weichmagnetischen Zusammensetzung ist üblicherweise drei Mal niedriger als die Permeabilität der herkömmlichen laminierten Materialien, wie es von Jack et al. WO 99/50949 beschrieben ist. Dieser niedrige Wert der Permeabilität verringert den Wert der Spuleninduktivitäten in dem Anker, und der Kommutationsprozess sowohl im Kollektor als auch im Anker wird verbessert. Eine Rotorstruktur mit einer kleinen Anzahl von Schlitzen ist zudem sehr gut an die Realisierung des Ankermagnetkreises von Gleichstrommotoren oder Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motoren mit einem weichmagnetischen zusammengesetzten Material, welches aus Metallpulver gefertigt ist, angepasst. Mit einer kleinen Anzahl von Schlitzen mit relativ großen Abmessungen sind die mechanischen Einschränkungen des Direkt-Spritzgussprozesses des Rotorjochs verringert. Es ist zudem möglich, die Endwindungen einfach in den aktiven Teil des Rotormagnetkreises einzusetzen. Dieses axiale Einsetzen der Endwindungen verbessert die Verringerung des Kupfervolumens und der gesamten axialen Länge des Motors.
Die Technik der konzentrierten Windung wird jedoch zu oft mit Windungen mit geringem Abstand, das heißt Windungen mit geringerer Leistung als die Leistungen der klassischen Windungsstrukturen, verbunden und auf diese reduziert. Die konzentrierten Windungen mit einem geringen Abstand bzw. geringer Teilung werden dann auf Sub-Bruchteilsleistungsanwendungen bzw. Niedrigstleistungsanwendungen (kleiner als 100 W) wie in elektrischen Motoren für Computerperipheriegeräte oder Spielzeuge beschränkt. Dies ist für den einfachsten und niedrigpreisigen Bürstengleichstrommotor der Fall, welcher verbreitet für Spielzeuge benutzt wird. Dieser Zweipolmotor benutzt Permanentmagneten auf dem Statorkern und weist drei Zähne auf seinem Rotorkern und eine konzentrierte Windung mit nur einer Spule bzw. Wicklung, welche um jeden Zahn gewickelt wird, auf. Die Ankerspulenenden sind mit einem Kommutator mit drei Segmenten und zwei Bürsten wie von Fujisaki et al. U.S.-Patent Nr. 4,868,433 beschrieben verbunden. Diese Struktur weist eine Windung mit kleinem Abstand von 120 elektrischen Grad auf. Der Windungskoeffizient oder das Verhältnis zwischen der Fundamentalkomponente des durch die Windung eingeschlossenen magnetischen Flusses und dem totalen magnetischen Fluss pro Pol ist nur gleich 0,866.
Die hauptsächlichen Nachteile dieser Motorstruktur sind ihre niedrige Leistung in Bezug auf Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, Drehmomentschwankungen und geringe Kommutationsleistung, wenn die Leistung vergrößert wird. Mit dieser Struktur sind die in den Spulenpfaden zwischen den Bürsten induzierten Spannungen nicht immer ausgeglichen. Dieser unausgeglichene Zustand des Betriebs bewirkt zusätzliche Verluste, Drehmomentschwankungen, mechanische Vibrationen und Kommutationsprobleme. Diese Probleme sind nur bei Anwendungen mit niedriger Leistung akzeptabel.
In der JP 63-23550 A ist ein Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung ist eine Ankerwindung eines Gleichstrom- oder Wechselstrom-Kommutator-Motors wie in Anspruch 1 definiert, welche das Problem der Verzahnung der Spulen und das Problem der Kreisströme eliminiert. Alle Pfadspannungen sind perfekt ausgeglichen, und die Stromkommutation ist verglichen mit den klassischen Strukturen verbessert.
Bei dieser Erfindung ist die Anzahl der Kommutatorsegmente größer als die Anzahl der Rotorzähne, und eine Vielzahl einfacher Spulen bzw. Wicklungen sind um denselben Zahn gewickelt. Die Leitungen jeder Spule sind mit unterschiedlichen Segmenten des Kommutators verbunden. Die Benutzung der vorliegenden Erfindung verringert die Anzahl von Umläufen pro Spule für einen gleichen Wert der Gleichstromversorgungsspannung und einen gleichen Geschwindigkeitsbereich des Motors. Die parallelen Pfade der Ankerwindung können perfekt ausgeglichen sein. Eine gleiche Stromverteilung durch die parallelen Kreise des Ankers wird aufrechterhalten, und es gibt keinen Kreisstrom zwischen diesen parallelen Kreisen. Der Induktivitätswert jeder einfachen Spule ist verringert, und demzufolge werden die Kommutationsprobleme verglichen mit dem Fall einer konzentrierten Windung mit nur einer um jeden Zahl gewickelten Spule minimiert. Das Kupfervolumen der Endwindungen, die Joule-Verluste und die axiale Länge des Motorankers sind geringer als im Fall einer Schleifen- oder Wellenwindung mit verzahnten Spulen. Es ist zudem möglich, Verbindungen der Leitungen jeder Spule an den Kommutatorsegmenten anzuordnen, um ausgeglichene elektromagnetische Felder in den Spulenpfaden zwischen Bürsten zu erhalten. Diese Strukturen können effizient für Motoren über einen breiten Leistungsbereich benutzt werden, und ihre Realisierungskosten sind geringer als die Kosten klassischer Strukturen.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung werden zwei Arten von Strukturen vorgestellt: Strukturen mit einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit gleichen Abmessungen und Strukturen mit einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit unterschiedlichen Abmessungen. Beide Strukturen sind bezüglich der Leistung und Realisierungskosten effizient. Die Werte der Windungskoeffizienten dieser Strukturen (d. h. das Verhältnis zwischen der Fundamentalkomponente des magnetischen Flusses, welche durch die Windung eingeschlossen ist, und dem gesamten magnetischen Fluss pro Pol) sind hoch.
Die Leistung der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Strukturen ist ähnlich der Leistung der klassischen Strukturen bezüglich der Stromkommutation. Aber die Leistung der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Strukturen bezüglich des Drehmoment-Windungsvolumenverhältnis ist größer als die Leistung der klassischen Strukturen. Mit den vorgeschlagenen Strukturen wird das Kupfervolumen verringert, die Joule-Verluste (Kupferverluste) und das Gewicht sind minimiert. Die gesamte axiale Länge des Motors ist reduziert. Die Effizienz ist ver bessert und ist größer als in dem Fall von klassischen Strukturen. Die Strukturen der Windung und des Magnetkreises, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, sind zudem einfacher zu realisieren. Die Gesamtkosten des Motors werden dann minimiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Gleichstrommotors mit einer konzentrierten Windung und Permanentmagneten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm einer entfalteten Oberfläche eines Trommelankers, hergestellt durch Aufrollen des Randes des Ankers und des Kommutators in eine Ebene.
3 ist ein Diagramm einer Konstruktion einer Maschine äquivalent zu der Maschine von 2 mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
4 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit drei Rotorschlitzen, zwei Statorpolen, sechs Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
5 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
6 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
7 ist ein Diagramm einer Maschine mit 20 Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Kommutatorsegmenten, vier Bürsten mit einer einfachen Schleifenwindung und einem kurzen Abstand von 1 bis 5.
8 ist ein Diagramm einer Konstruktion einer zu der Maschine von 7 äquivalenten Maschine mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
9 ist das Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
10 ist ein Diagramm der parallelen Spulenpfade der in 7 und 9 präsentierten Maschinen.
11 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
12 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
13 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
14 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit zehn Rotorschlitzen, acht Statorpolen, 40 Kommutatorsegmente und acht Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
15 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit zwölf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten, vier Bürsten mit einer einfachen Schleifenwindung und einem diametralen Abstand.
16 ist ein Konstruktionsdiagramm einer äquivalenten Maschine zu 15 mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
17 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung.
18 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten, zwei Bürsten mit einer aus konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung und einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen.
19 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit zehn Rotorschlitzen, acht Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten, vier Bürsten mit einer aus konzentrierten Windungen gefertig ten Rotorwindung und einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen.
20 ist die axiale Querschnittsansicht eines Permanentmagnetmotors mit einem mit einem laminierten Stahlmaterial realisierten Rotormagnetkreis.
21 ist die axiale Querschnittsansicht eines Permanentmagnetmotors mit einem mit einem isotropen weichmagnetischen zusammengesetzten Material realisierten Rotormagnetkreis.
22 ist die axiale Querschnittsansicht eines Motors mit einem mit einem isotropen weichmagnetischen zusammengesetzten Material realisierten Rotormagnetkreis.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Rotor eine gleichmäßige Verteilung von Rotorzähnen mit identischen Abmessungen auf, und es gibt 2P Pole, welche in dem Stator abwechselnd nord- und südmagnetisiert sind. Diese Pole können mit Permanentmagnetsegmenten, welche auf der Oberfläche eines aus weichmagnetischem Material gefertigten Kerns angebracht sind, oder mit um aus weichmagnetischem Material gefertigten Zähnen und mit einem Gleichstrom oder Wechselstrom versorgten um Zähne gewickelte Spulen konstruiert sein. Der Rotorkern weist S Schlitze auf. Die einfachen Spulen des Rotors sind um S Zähne oder in manchen Fällen um nur S/2 Zähne gewickelt. Es gibt Z Segmente auf dem Kommutator, welche mit den Enden der Spulen verbunden sind. 2B Bürsten gleiten auf der Kommutatoroberfläche, wenn sich der Rotor dreht. Die Eigenschaften dieser Maschinen erfüllen die folgenden Bedingungen:
P ist eine ganze Zahl und 0 < P < 10
S = 2P + A A ist eine ganze Zahl gleich –1 oder 1 oder 2 oder 3
S > 2
Z = k·kgV(S, 2P) ± n k ist ein ganze Zahl größer als 0
kgV ist das kleinste gemeinsame Vielfache von S und 2P
n ist gleich 0 oder k
B = P oder weniger
Tabelle 1 zeigt hierzu einige Strukturen, welche diese Bedingungen mit k gleich 1 und n gleich 0 erfüllen. Die Anzahl von Spulen pro Pfad ist gleich mph (mph = Z/2P). Die Anzahl der Bürsten 2B ist normalerweise gleich der Anzahl von Statorpolen 2P. Mehrere konzentrische Spulen sind um jeden Rotorzahn gewickelt und sind mit verschiedenen Kommutatorsegmenten verbunden. In diesem Fall ist die Anzahl N von konzentrischen Spulen pro Zahn gleich: N = Z/S
Mit dieser Windungskonfiguration wird eine Verringerung der Anzahl von Umläufen pro einfacher Spule erhalten. Die gleiche Verringerung der Anzahl von Umläufen wird üblicherweise in einer klassischen Maschinenstruktur mit der gleichen Anzahl von Statorpolen erhalten, indem eine größere Anzahl von Rotorschlitzen verwendet wird. Da der Induktivitätswert jeder einfachen Spule verringert ist, werden Kommutationsprobleme minimiert.
Es ist ebenso möglich, die Verbindungen jeder Spule mit den Kommutatorsegmenten anzuordnen, um ausgeglichene elektromagnetische Felder in den verschiedenen Spulenpfaden zwischen Bürsten zu erhalten. Solche Strukturen können einen Wert des Windungskoeffizienten Kb (Verhältnis zwischen der von der Windung eingeschlossenen Fundamentalkomponente des magnetischen Flusses zu dem gesamten magnetischen Fluss pro Pol) nahe 1 (Tabelle 1) und demzufolge ein hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis haben. Alle diese Maschinen können effizient für Motoren und Generatoren über einen breiten Leistungsbereich und für große Ankerstromwerte benutzt werden.
Tabelle 1
Es ist zudem möglich, die Anzahl der Bürsten 2B und ebenso die Anzahl N konzentrischer Spulen, welche um denselben Rotorzahn gewickelt sind, zu verringern, um die Kosten des Motors zu minimieren. Motoren mit derartigen Strukturen sind in Tabelle 2 dargestellt. Die in Spalte 2 bis 11 von Tabelle 1 aufgelisteten Strukturen weisen diese Eigenschaft auf. Es ist dann nötig, einige Ausgleichsverbindungen auf den Kommutatorsegmenten (Drähte, welche Segmente direkt verbinden, ohne dass sie in den Schlitzen liegen, siehe beispielsweise den die Segmente 3 und 9 verbindende Draht) hinzuzufügen. Es ist zu bemerken, dass diese Abwandlung die Leistung des Kommutationsprozesses verringert, während sie die Größe des Stroms in den verbleibenden Bürsten vergrößert. Diese Art der Abwandlung wird bevorzugt in Niedrigst- und Niedrigleistungsmaschinen benutzt.
Tabelle 2
Es ist ebenso möglich, die Anzahl der Kommutatorsegmente Z um zwei zu verringern und die folgenden Beziehungen anzuwenden, um die Anzahl der Segmente zu bestimmen: Z = kgV(S, 2P)/2 und Z/2P > 3
Mit dieser Verringerung der Anzahl der Segmente wie bei den in Tabelle 3 dargestellten Strukturen erhält man unausgeglichene elektromagnetische Felder in den verschiedenen Spulenpfaden zwischen den Bürsten, wobei die Größe dieser Unausgewogenheit invers proportional zu der Anzahl von Spulen in jedem parallelen Pfad ist.
Tabelle 3
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Rotor dieser Strukturen eine gleichmäßige Verteilung von Rotorzähnen mit unterschiedlichen Abmessungen auf.
Insbesondere weist der Stator dieser Maschinen 2P Pole auf, welche abwechseln nord- und südmagnetisiert sind. Diese Pole können mit auf die Oberfläche eines aus weichmagnetischem Material gefertigten Kerns angebrachten Permanentmagnetsegmenten oder mit um aus einem weichmagnetischen Material gefertigte Zähne gewickelte und mit einem Gleich- oder Wechselstrom versorgten Spulen realisiert werden. Der Rotorkern weist S Schlitze und Rotorzähne zweier unterschiedlicher geometrischer Abmessungen auf, welche sich um den Umfang des Kerns herum abwechseln. Die Rotorspulen sind um S/2 Zähne gewickelt. Es gibt Z Segmente auf dem Kommutator, welche mit den Enden der Spulen verbunden sind. Zwei B Bürsten gleiten auf der Kommutatoroberfläche, wenn sich der Rotor dreht. Die Eigenschaften dieser Maschinen erfüllen die folgenden Bedingungen:
P ist eine ganze Zahl und 1 < P < 10
S = 2P + 2A A ist eine ganze Zahl und 1 < A < P
Z = k·kgV(S/2, 2P) ± n k ist eine ganze Zahl größer als 0
kgV ist das kleinste gemeinsame Vielfache von S/2 und 2P
n ist gleich 0 oder k
B = P oder weniger
Tabelle 4 stellt hier beispielhafte Strukturen dar, welche diese Bedingungen erfüllen, wobei k gleich 1 und n gleich 0 ist. Die Anzahl von Spulen pro Pfad ist gleich mph (mph = Z/2P). Die Anzahl von Bürsten 2B ist normalerweise gleich der Anzahl von Statorpolen 2P. Mehrere konzentrische Spulen sind um jeden Rotorzahn gewickelt und mit verschiedenen Kommutatorsegmenten verbunden. In diesem Fall ist die Anzahl N von um jeden Rotorzahn gewickelten konzentrischen Spulen gleich: N = 2Z/S
Tabelle 4
Diese Motorstrukturen bieten bezüglich der Stromkommutationsleistung und der ausgeglichenen parallelen Spulenpfade dieselben Vorteile wie die in Tabelle 1 aufgeführten Vorhergehenden. Aber es ist zudem möglich, einen höheren Windungskoeffizienten Kb (gleich 1, Kb = 1) zu erhalten und das Drehmoment pro Einheit des Kupfervolumens zu maximieren. Diese Strukturen können effizient für Motoren und Generatoren über einen breiten Leistungsbereich und für hohe Werte des Ankerstroms benutzt werden. Es ist zudem wie im Fall der vorhergehenden Strukturen von Tabelle 1 möglich, verschiedene Vereinfachungen für die Auswahl der Anzahl von Bürsten, die Anzahl von Kommutatorsegmenten und die Anzahl von konzentrischen Spulen pro Zahn anzuwenden, um die Kosten des Motors zu verringern und die Realisierung zu vereinfachen.
Es ist zu bemerken, dass alle vorgeschlagenen Lösungen, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind, mit verschiedenen Bürstenbreiten benutzt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Gleich- oder Wechselstrom-Kommutator-Motor mit einem aus laminiertem Stahl oder aus einem weichmagnetischen zusammengesetzten Material gefertigten Magnetkreis hergestellt werden.
Insbesondere kann, wenn eine isotrope weichmagnetische Zusammensetzung benutzt wird, ein Teil des magnetischen Flusses zudem in der axialen Richtung zirkulieren. Aus diesem Grund ist es möglich, die Zahnspitzen in die axiale Richtung auszuweiten und somit die axiale Länge der aktiven Luftspaltfläche für eine gegebene Gesamtaxiallänge des Motors wie durch die Spezifikationen der Anwendung festgelegt zu maximieren. Bei derartigen Strukturen ist der Luftspaltfluss in den Mittelteil der Rotorzähne unter den Spulen und dem Joch konzentriert. Da die axiale Länge des Mittelteils der Rotorzähne unter den Spulen und die axiale Länge des Jochs kürzer sind als die axiale Länge der Zahnspitzen, sind die Endwindungen, der Kommutator und die Bürsten nunmehr axial eingesetzt, und die gesamte axiale Länge des Motors ist verringert. Mit diesem Verfahren werden die isotropen Eigenschaften der weichmagnetischen Zusammensetzungen benutzt, um die axiale Länge eines Motors zu minimieren, ohne die Drehmomentleistung zu verringern.
Wenn eine isotrope weichmagnetische Zusammensetzung benutzt wird, kann das Querschnittsprofil des Mittelteils der Rotor- und Statorzähne unter den Spulen rund, oval oder kreisförmig gemacht werden. Diese Profile können das Risiko der Zerstörung der Isolierung durch scharfe Biegungen der Windungsspulen verringern und den Kupferfüllfaktor maximieren.
Es ist zudem möglich, die Permanentmagnete oder die Zähne des Stators zu versetzen, um die Variationen des magnetischen Luftspaltwiderstands oder des Zahndrehmoments zu verringern. Dasselbe Ergebnis kann erhalten werden, indem die Zähne des Rotors versetzt werden. Wenn eine isotrope weichmagnetische Zusammensetzung benutzt wird, ist es möglich, nur die Zahnspitzen zu versetzen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Gleichstrommotors mit einer konzentrierten Windung und Permanentmagneten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Teil 1 ist das Joch des Stators. Teil 2 ist einer der Statorzähne, welche abwechselnd nord- und südmagnetisiert sind und welche aus einem Segment eines Permanentmagneten gefertigt sind. Teil 3 ist die Spitze eines Rotorzahns. Teil 4 ist der Mittelteil des Rotorzahns unter den Spulen. Teil 5 ist das Joch des Rotors. Teil 6 ist die konzentrierte Windung, welche um einen Statorzahn gewickelt ist. Teil 7 ist eines der Segmente oder eine der Stangen des Kommutators. Teil 8 ist eine der Bürsten in Kontakt mit den Segmenten des Kommutators, welche benutzt wird, um der Ankerwindung den Versorgungsstrom zuzuführen.
2, 3 und 4 veranschaulichen jeweils ein Verfahren, um die Struktur einer Maschine mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung von der Struktur einer klassischen Maschine abzuleiten. Jede dieser Strukturen weist die gleiche Anzahl von Statorpolen und eine Anzahl von Kommutatorsegmenten gleich der Anzahl von Rotorschlitzen auf.
Insbesondere zeigt 2 eine klassische Struktur mit sechs Rotorschlitzen, zwei Statorpolen, sechs Segmenten auf dem Kommutator und zwei Bürsten. Die Windung des Rotors ist eine einfache Schleifenwindung, überlappend mit einem kurzen Abstand von 120 elektrischen Grad. Die Verbindungen der Enden jeder einfachen Spule mit den Segmenten des Kommutators sind angeordnet, um die Spulenpfade in der Ankerwindung perfekt ausgeglichen zu erhalten.
In 2 sind die sechs einfachen Spulen der Ankerwindung mit 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 bezeichnet. Die Spulen 1.1 und 1.2 bezeichnen einfache Spulen, welche dieselbe Phase des elektromagnetischen Feldes aufweisen, da ihre Positionen relativ zu den Statorpolen identisch sind. Dasselbe ist bei den Spulen 2.1, 2.2 und bei den Spulen 3.1, 3.2 der Fall. Die Punkte in 2 sind Polaritätsmarkierungen und zeigen die Polarität der Windung in Übereinstimmung mit der Standardnotation auf diesem Gebiet der Technik an. Die die sechs Rotorschlitze definierenden Zähne sind durch T1 bis T6 definiert. Die Kommutatorsegmente sind mit 1 bis 6 bezeichnet, und wie zu sehen ist, ist eine Spannung V an den Bürsten B1, B2 angelegt. Die Nord- und Südpole des Stators sind mit N bzw. S bezeichnet. Eine ähnliche Nomenklatur wird für den Rest der Figuren benutzt.
Verglichen mit 2 vermeidet man, wie in 3 gezeigt, durch Umgruppieren einfacher Spulen, welche dieselbe Phase des elektromagnetischen Feldes haben, auf denselben Zahn des Rotors, das Verzahnen der Endwindungen. Insbesondere ist 3 ein Konstruktionsdiagramm einer Maschine, welche bezüglich der Drehmoment- und elektromagnetischen Feldeigenschaften, des magnetischen Flusses und der Stromdichte äquivalent zu der Maschine von 2 ist, wobei die Rotorwindung in 3 aus konzentrierten Windungen um die Zähne gefertigt ist. Die einfachen Spulen mit elektromagnetischen Feldern, welche wie Spulen 1.1 und 1.2 in 2 in Phase sind, werden auf einen gleichen Zahn umgruppiert. Um die Größe der mit Leitern gefüllten Schlitze zu vergrößern und um denselben gesamten Kupferquerschnitt des gesamten Rotorankers in der Ori ginalmaschine von 2 in der äquivalenten Maschine von 3 zu behalten (das heißt die Summe des Kupferquerschnitts jedes Schlitzes), sind die Zähne um die leeren Schlitze umgruppiert, um die neue in 3 dargestellte Zahnverteilung zu bilden. Verglichen mit 2 ist die Position der Zahnspitzen in 3 auf Höhe des Luftspalts nicht modifiziert, die Mittelteile der Zähne der Maschine von 2 zwischen den Zahnspitzen und dem inneren Rotorjoch wurden jedoch in 3 verschoben, um einen einzigen großen Zahn zu bilden. Mit diesem Verfahren ist das Muster der räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses ohne Last in dem Luftspalt nicht modifiziert, und der gesamte Querschnitt des weichmagnetischen Materials in den Zähnen von der Originalmaschine von 2 wurde bei der äquivalenten Maschine von 3 ebenso beibehalten, um eine Sättigung des magnetischen Flusses zu vermeiden. Daher sind die Gesamtmengen weichmagnetischen Materials in dem Joch und Kupfers in den Schlitzen ebenso modifiziert. Man erhält eine Maschine mit einer konzentrierten Windung, welche in 3 dargestellt ist und welche wie oben erläutert äquivalent zu der anfänglichen Maschine von 2 ist. Die Form und die elektromagnetische Feldamplitude in jeder Spule sind nicht modifiziert.
Wie in 3 gezeigt sind manche Schlitze leer, und es ist möglich, Zähne um jeden leeren Schlitz zu gruppieren. Die Positionen der Zahnspitzen sind nicht auf Höhe des Luftspalts modifiziert, nur die Mittelteile der Zähne zwischen den Zahnspitzen und dem inneren Rotorjoch sind verschoben, um einen einzigen großen Zahn zu bilden. Das Muster der räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses ohne Last in dem Luftspalt ist nicht modifiziert, wie in 3 gezeigt. Man kann dann die einfachen Spulen um jeden Zahn konzentrieren. Der gesamte Querschnitt weichmagnetischen Materials in den Zähnen und der gesamte Kupferquerschnitt des gesamten Rotorankers sind beibehalten und sind identisch zu den entsprechenden Querschnitten in der anfänglichen Maschine mit einer klassischen Struktur.
4 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit drei Rotorschlitzen, zwei Statorpolen, sechs Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windung gebildeten Rotorwindung. Zwei einfache Spulen, wie Spulen 1.1 und 1.2, sind um denselben Zahn gewickelt und mit unterschiedlichen Segmenten des Kommutators verbunden. Die Verbindungen mit den Kommutatorsegmenten sind identisch zu den in der in 2 gezeigten Maschine benutzten Verbindungen. Man kann auf dem Diagramm auf der rechten Seite bemerken, dass die Spulenpfade nicht modifiziert sind. Jede um einen gleichen Zahn gewickelte einfache Spule wie Spule 1.1 und Spule 1.2 weist ein identisches elektromagnetisches Feld auf. Die gesamten elektromagnetischen Felder über jeden parallelen Spulenpfad sind nun perfekt ausgeglichen, selbst wenn die magnetischen Luftspaltwiderstände oder die Magnetisierung der Permanentmagneten unter jedem Pol des Stators nicht perfekt identisch sind. Diese Maschine ist zu der in 2 dargestellten Maschine bezüglich der Drehmoment- und elektromagnetischen Feldeigenschaften, der magnetischen Flussdichte und der Stromdichte äquivalent.
Die in 4 dargestellte Maschine weist eine konzentrierte Windung auf, welche bezüglich der Drehmoment- und elektromagnetischen Feldeigenschaften, des magnetischen Flusses und der Stromdichte äquivalent zu der ursprünglichen Maschine von 2 ist. Die Verbindungen der Enden der einfachen Spulen mit dem Kommutator sind in beiden Maschinen identisch (das heißt den Maschinen in 2 und 4). Die Spulenpfade in der Ankerwindung sind immer ausgeglichen: Das heißt, die gesamten elektromagnetischen Felder über jeden parallelen Spulenpfad sind ausgeglichen, selbst wenn die magnetischen Luftspaltwiderstände oder die Magnetisierungen der Permanentmagneten unter jedem Pol des Status nicht perfekt identisch sind.
5 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Diese Maschine ist durch Verdopplung der Periodizität ihrer Struktur von der in 4 dargestellten Maschine abgeleitet.
Zusätzlich können verschiedene Abwandlungen realisiert werden, um diese Strukturen im Fall einer Niedrigstleistungsmaschine, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gefertigt ist, zu vereinfachen. Insbesondere ist es möglich, die Anzahl von Bürsten zu verringern, während Ausgleichsverbindungen auf dem Kommutator hinzugefügt werden. Dies ist in 6 gezeigt, welche ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung ist. Diese Maschine ist eine Weiterentwicklung der in 5 dargestellten Maschine mit einer verringerten Anzahl von Bürsten und mit auf dem Kommutator hinzugefügten Ausgleichsverbindungen. Es ist in 6 zu sehen, dass die zwei um jeden Zahn gewickelten Spulen parallel durch Ausgleichsverbindungen verbunden sind. Optional könnte man die Anzahl von einfachen Spulen um jeden Zahn auf 1 reduzieren, wobei mehrere der Kommutatorsegmente nicht direkt mit Spulenenden verbunden wären.
Dasselbe Verfahren ist in 8 und 9 zur Bildung eines anderen Beispiels in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung angewendet. Ursprünglich stellt 7 eine klassische Maschine mit 20 Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Segmenten auf dem Kommutator und vier Bürsten dar. Die Windung auf dem Rotor ist mit einem kurzen Abstand von 1 zu 5 überlappt. Die Spulenpfade in der Ankerwindung sind in 10 dargestellt.
8 ist ein Konstruktionsdiagramm einer Maschine äquivalent zu der Maschine von 7 bezüglich Drehmoment- und elektromagnetischer Feldeigenschaften, magnetischem Fluss und Stromdichte, wobei die Rotorwindung in 8 aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigt ist. Die Spulen mit elektromagnetischen Feldern, welche in Phase sind, wie Spulen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, sind auf einen gleichen Zahn umgruppiert. Um die Größe der mit Leitern gefüllten Schlitze zu vergrößern und um den gleichen gesamten Kupferquerschnitt des gesamten Rotorankers in der ursprünglichen Maschine von 7 in der äquivalenten Maschine von 8 zu bewahren (das heißt die Summe der Kupferquerschnitte jedes Schlitzes), sind die Zähne um die leeren Schlitze umgruppiert, um die neue Verteilung der Zähne, welche in 8 dargestellt ist, zu bilden. Die Positionen der Zahnspitzen sind auf Höhe des Luftspaltes nicht modifiziert, nur die Mittelteile der Zähne der Maschine von 7 zwischen den Zahnspitzen und dem inneren Rotorjoch wurden verschoben, um einen einzigen großen Zahn zu bilden. Mit diesem Verfahren wird das Muster der räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses ohne Last in dem Luftspalt nicht modifiziert. Der gesamte Querschnitt weichmagnetischen Materials in den Zähnen wird von der ursprünglichen Maschine von 7 zu der äquivalenten Maschi ne von 8 ebenso beibehalten, um eine Sättigung des magnetischen Flusses zu vermeiden. Daher werden die Gesamtmengen weichmagnetischen Materials in dem Joch und Kupfers in den Schlitzen ebenfalls nicht modifiziert. Man erhält eine Maschine mit einer konzentrierten Windung wie in 8 dargestellt, welche wie oben erläutert äquivalent zu der ursprünglichen Maschine von 7 ist. Die Form und die elektromagnetische Feldamplitude in jeder Spule sind nicht modifiziert.
9 ist das Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Vier einfache Spulen sind um einen gleichen Zahn gewickelt und mit verschiedenen Segmenten des Kommutators verbunden. Die Verbindungen mit den Kommutatorsegmenten sind mit den in der in 7 gezeigten Maschine benutzten Verbindungen identisch. Jede einfache um einen gleichen Zahn gewickelte Spule wie Spulen 1.1 und 1.2 und 1.3 und 1.4 weist ein identisches elektromagnetisches Feld auf. Die gesamten elektromagnetischen Felder über jeden parallelen Spulenpfad (10) sind nun perfekt ausgeglichen, selbst wenn die magnetischen Luftspaltwiderstände oder die Magnetisierung der Permanentmagneten unter jedem Pol des Stators nicht perfekt identisch sind. Diese Maschine ist bezüglich Drehmoment- und elektromagnetischer Feldeigenschaften, magnetischer Flussdichte und Stromdichte äquivalent zu der in 7 gezeigten Maschine.
10 ist ein Diagramm der parallelen Spulenpfade der in 7 und 9 gezeigten Maschinen.
Verschiedene Abwandlungen können realisiert werden, um diese Strukturen im Fall einer Niedrigstleistungsmaschine in Über einstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen. Es ist möglich, die Anzahl von Bürsten zu verringern, während Ausgleichsverbindungen an dem Kommutator hinzugefügt werden. Man kann ebenso wie in 11 gezeigt die Anzahl einfacher Spulen verringern. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt 12 dieselbe Art von Motor wie in 9 dargestellt mit einer höheren Periodizität der Struktur.
Insbesondere ist 11 ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 20 Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Diese Maschine ist eine Fortentwicklung der in 9 gezeigten Maschine mit einer verringerten Anzahl von Bürsten und an dem Kommutator hinzugefügten Ausgleichsverbindungen. Bei dieser Maschine ist es zudem möglich, die Anzahl von einfachen Spulen auf jedem Zahn wie in 11 gezeigt auf zwei zu reduzieren.
In ähnlicher Weise ist 12 ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Diese Maschine ist eine Fortentwicklung der in 9 gezeigten Maschine mit einer größeren Anzahl von einfachen Spulen und Anzahl von Kommutatorsegmenten.
13 zeigt dieselbe Motorstruktur wie in 9 gezeigt mit einer größeren Anzahl von Kommutatorsegmenten und einer höheren Anzahl von einfachen um einen Zahn gewickelten Spulen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere ist 13 ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit fünf Rotorschlitzen, vier Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten und zwei Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Diese Maschine ist eine Fortentwicklung der in 12 gezeigten Maschine mit einer verringerten Anzahl von Bürsten und an dem Kommutator hinzugefügten Ausgleichsverbindungen. Die Anzahl von Segmenten zwischen zwei Bürsten umgekehrter Polarität (+ und –) ist verglichen zu 9 entsprechend der gezeigten Lösung vergrößert (zehn Segmente gegenüber fünf Segmenten). Daher ist die Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten geringer. Diese Art von Lösung ist nützlich, wenn die Versorgungsspannung hoch ist, und sie erlaubt es, die Spannungsamplitude zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten zu begrenzen. Es ist möglich, die Anzahl einfacher Spulen auf jedem Zahn in dieser Figur auf zwei zu verringern.
14 ist eine Fortentwicklung der in 9 gezeigten Lösung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einer höheren Periodizität der Struktur.
Insbesondere ist 14 ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit zehn Rotorschlitzen, acht Statorpolen, 40 Kommutatorsegmenten und acht Bürsten mit einer aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Diese Maschine ist von der in 9 gezeigten Maschine durch Verdopplung der Periodizität ihrer Struktur abgeleitet.
Die vorliegende Erfindung ist in 16 und 17 angewendet, welche eine Maschine mit einer aus konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung und einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen zeigt. Die zum Vergleich in 5 gezeigte klassische Maschine weist zwölf Rotorschlitze, vier Statorpole, zwölf Segmente auf dem Kommutator und vier Bürsten auf. Die Windung auf dem Rotor ist überlappend mit einem diametralen Abstand.
16 ist ein Konstruktionsdiagramm einer zu 15 äquivalenten Maschine bezüglich Drehmoment- und elektromagnetischer Feldeigenschaften, magnetischem Fluss und Stromdichte, wobei die Rotorwindung in 16 aus um die Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigt ist. Die Spulen, welche elektromagnetische Felder aufweisen, welche in Phase sind, wie Spulen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, werden auf einem gleichen Zahn umgruppiert. Um die Größe der mit Leitern gefüllten Schlitze zu vergrößern und um den gleichen gesamten Kupferquerschnitt des gesamten Rotorankers in der klassischen Maschine von 15 und in der äquivalenten Maschine von 16 zu behalten (das heißt die Summe des Kupferquerschnitts jedes Schlitzes) werden die Zähne um die leeren Schlitze umgruppiert, um die neue in 16 gezeigte Verteilung von Zähnen zu bilden. Die Position der Zahnspitzen ist auf Höhe des Luftspalts nicht modifiziert, nur die Mittelteile der Zähne der Maschine von 15 zwischen den Zahnspitzen und dem inneren Rotorjoch wurden verschoben, um einen einzigen großen Zahn zu bilden. Mit diesem Verfahren wird das Muster der räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses ohne Last in dem Luftspalt nicht modifiziert. Der gesamte Querschnitt weichmagnetischen Materials in den Zähnen wird von der ursprünglichen Maschine von 15 zu der äquivalenten Maschine von 16 ebenso beibehalten, um eine Sättigung des magnetischen Flusses zu vermeiden. Daher werden die Gesamtmengen weichmagnetischen Materials in dem Joch und Kupfers in den Schlitzen ebenfalls nicht modifiziert. Man kann bemerken, dass alle Spulen um nur 3 Zähne gewickelt sind. Man erhält eine Maschine mit einer konzentrierten Win dung, welche in 16 gezeigt ist und welche äquivalent zu der anfänglichen Maschine von 15 wie oben erklärt ist. Die Form und die elektromagnetische Feldamplitude in jeder Spule sind nicht modifiziert.
17 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten und vier Bürsten mit einer aus um drei Zähne gewickelten konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung. Es gibt eine gleichmäßige Verteilung von Rotorzähnen zweier unterschiedlicher Abmessungen, wobei Zähne T1, T2 und T3 eine Abmessung und Zähne T4, T5 und T6 eine zweite Abmessung aufweisen. Vier einfach Spulen sind um jeden Zahn gewickelt und sind mit verschiedenen Segmenten des Kommutators verbunden. Die Verbindungen mit den Kommutatorsegmenten sind identisch mit den in der in 15 gezeigten Maschine benutzten Verbindungen. Die Spulenpfade sind perfekt ausgeglichen. Diese Maschine ist bezüglich Drehmoment- und elektromagnetischer Feldeigenschaften, magnetischer Flussdichte und Stromdichte äquivalent zu der in 15 gezeigten Maschine, mit einem Wicklungskoeffizienten gleich 1. Die Leistung dieser Art von Maschine mit konzentrierten Windungen ist hoch. Im Fall einer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruierten Niedrigleistungsmaschine können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden, um die Struktur zu vereinfachen. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl von Bürsten zu verringern, während Ausgleichsverbindungen an dem Kommutator hinzugefügt werden. 18 ist ein entfaltetes Diagramm einer Maschine mit sechs Rotorschlitzen, vier Statorpolen, zwölf Kommutatorsegmenten, zwei Bürsten mit einer aus konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung und einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen. Diese Maschine ist eine Fortentwicklung der in 17 gezeigten Maschine mit einer verringerten Anzahl von Bürsten und an dem Kommutator hinzugefügten Ausgleichsverbindungen. Bei dieser Maschine ist es zudem möglich, die Anzahl einfacher Spulen auf jedem Zahn wie in 18 gezeigt auf zwei zu verringern.
19 zeigt das Ergebnis eines anderen Beispiels einer Maschine mit einer aus konzentrierten Windungen gefertigten Rotorwindung und einer gleichmäßigen Verteilung von Rotorzähnen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen. Die ursprüngliche Maschine weist 40 Rotorschlitze, acht Statorpole, 40 Segmente auf dem Kommutator und acht Bürsten auf. Die äquivalente Maschine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist 10 Rotorschlitze mit Rotorzähnen zweier verschiedener geometrischer Abmessungen (Zähne T1 bis T5 weisen eine Abmessung und T6 bis T10 eine zweite Abmessung auf), acht Statorpole, 40 Segmente an dem Kommutator und vier Bürsten auf. Es liegen acht einfache Spulen pro Zahn vor. Die Verbindungen der einfachen Spulen an dem Kommutator sind dieselben wie bei der ursprünglichen Maschine. Es ist möglich, die Anzahl der Bürsten zu verringern, während Ausgleichsverbindungen an dem Kommutator hinzugefügt werden.
20 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Permanentmagnetmotors mit einem Rotormagnetkreis, welcher mit einem laminierten Stahlmaterial realisiert ist. Üblicherweise ist die axiale Abmessung des Magnetkreises des Rotors (Teile 3, 4, 5) geringer als die axiale Länge des Permanentmagneten. Der Fluss der Permanentmagnete wird somit axial in den Rotor konzentriert und es ist möglich, die Endwindung teilweise unter die axiale Länge der Permanentmagneten einzusetzen. Diese Abwandlung der axialen Abmessung des Rotors verringert die gesamte axiale Länge des Motors.
21 ist die axiale Querschnittsansicht eines Permanentmagnetmotors mit einem mit einem isotropen weichmagnetischen zusammengesetzten Material realisierten Rotormagnetkreis. Bei einem isotropen magnetischen Material kann ein Teil des magnetischen Flusses auch in der axialen Richtung zirkulieren. Es ist daher möglich, die Flusskonzentration zu vergrößern, ohne die Leistung des Motors zu verringern. Der Mittelteil der Rotorzähne unter den Spulen (Teil 4) und das Rotorjoch (Teil 5) weisen die gleichen axialen Abmessungen auf, und die Spitzen der Zähne (Teil 3) weisen eine axiale Abmessung auf, welche nahezu identisch zu der axialen Länge der Permanentmagnete ist. Die gesamte axiale Länge des Motors wird verglichen mit einem Rotor mit einem laminierten Stahl (20) verringert. Es ist dann mit dieser Struktur möglich, die axiale Länge der aktiven Luftspaltfläche für eine durch die Spezifikationen der Anwendungen festgelegten gesamten axialen Länge zu maximieren.
22 ist die axiale Querschnittsansicht eines Motors mit einem mit einem isotropen weichmagnetischen zusammengesetzten Material realisierten Rotormagnetkreis. Die in 22 dargestellte Struktur ist eine Fortentwicklung der Struktur von 21. Der Mittelteil der Rotorzähne unter den Spulen (Teil 4) und das Rotorjoch (Teil 5) weisen dieselben axialen Abmessungen auf, und die Spitzen der Zähne (Teil 3) weisen eine axiale Abmessung auf, welche nahezu identisch zu der axialen Länge der Permanentmagneten ist. Teile 4 und 5 sind axial verschoben. Die Endwindungen, der Kommutator und die Bürsten sind teilweise oder ganz in der axialen Richtung zur weiteren Minimierung der gesamten axialen Länge des Motors eingesetzt.
Die vorgeschlagenen Motorstrukturen dieser Erfindung sind sehr gut für die Realisierung des Rotormagnetkreises mit einem weichmagnetischen zusammengesetzten Material, welches aus Metallpulver gefertigt ist, angepasst. Mit einer kleinen Anzahl von Schlitzen mit relativ großen Abmessungen sind die mechanischen Einschränkungen bezüglich des Direktgussprozesses des Rotorjochs verringert. Eine isotrope weichmagnetische Zusammensetzung ist zudem gut angepasst, eine axiale Luftspaltflusskonzentration in dem Rotor oder Statormagnetkreis zu realisieren und die gesamte axiale Länge des Motors ohne Verringerung der Leistung des Motors zu verringern. Die Spitzen der Zähne können axial ausgedehnt sein und benutzt werden, den Magnetfluss in dem Luftspalt axial in die Zähne und das Joch des Rotors oder des Stators zu konzentrieren (21 und 22). Die axialen Längen der Spitzen der Rotorzähne können eine axiale Abmessung aufweisen, welche annährend identisch zu der axialen Länge des Permanenten oder der axialen Länge der Zahnspitzen des Stators sind. Die axialen Abmessungen der Zähne und des Jochs sind die gleichen und können geringer sein als die axiale Abmessung der Zahnspitzen (21 und 22). Der Mittelteil der Rotorzähne unter den Spulen und das Rotorjoch können zudem dezentriert und axial verschoben sein (22). Es ist zudem möglich, die Endwindungen in die Zahnspitzen einzusetzen (21 und 22). Der Kommutator und die Bürsten können ebenso teilweise oder ganz in der axialen Richtung unter die Rotorzahnspitzen (22) eingesetzt sein. Diese Art von Struktur ist bei der Verringerung der gesamten axialen Länge des Motors nützlich.
Wenn ein isotropes weichmagnetisches Material benutzt wird, ist es zudem nützlich, das Querschnittsprofil des Mittelteils der Rotor- und Statorzähne unter den Spulen rund, oval oder kreisförmig zu machen, um eine Verringerung des Zerstörungs risikos der Isolierung durch ein scharfes Abknicken der Windungsspulen zu erhalten und den Kupferfüllfaktor zu maximieren.
Alle Ausführungsbeispiele dieser Erfindung können mit verschiedenen Bürstenbreiten benutzt werden. Die Rotorschlitze und/oder die Statorschlitze können versetzt werden, um die Variationen des magnetischen Widerstands zu verringern. Im Falle eines Stators mit Permanentmagneten ist es zudem möglich, die Rotorschlitze und/oder die Permanentmagnete zu versetzen, um das Zahndrehmoment zu verringern. Wenn eine isotrope weichmagnetische Zusammensetzung benutzt wird, ist es möglich, nur die Spitzen der Rotorzähne und/oder die Spitzen der Statorzähne zu versetzen.
Die neuen Strukturen eines Gleich- oder Wechselstrom-Kommutator-Motors der vorliegenden Erfindung können in einer großen Auswahl von Anwendungen benutzt werden (Automobilanwendungen, Elektrohaushaltsanwendungen, verkabelte elektrische Werkzeuge, elektrische Fahrzeuge, Niedrig- und Niedrigstleistungs-Gleich- und Wechselstrom-Kommutator-Motoren etc. Die verbesserte Effizienz und die mit der Rotorwindung realisierten Vereinfachungen werden niedrigere Realisierungskosten und größere Leistungen als klassische Strukturen bereitstellen.
Während nur einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung obenstehend beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen oder Vereinfachungen möglich sind, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. So kann die Erfindung auch auf Motoren mit einem radialen Luftspalt oder einem transversalen Luftspalt angewendet werden. Zudem kann die Erfindung in Maschinen mit einer Innenrotor- oder einer Außenrotorstruktur verwendet werden. Es ist zudem zu verstehen, dass verschiedene weitere Veränderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Motor umfassend: einen Stator mit 2P Polen (N, S), einen Rotorkern umfassend einen Kern aus ferromagnetischem Material mit S Schlitzen und S Zähnen (T1 ... T10), welche von dem Statorkern durch einen Luftspalt getrennt sind, und einen Rotor mit konzentrierten Windungen, welche eine Vielzahl von einfachen Spulen (1.1 ... 6.2) aus isoliertem Draht, welche auf denselben Rotorzahn (T1 ... T10) angebracht sind, und einen Kommutator mit einer Anzahl von Segmenten Z, wobei jedes Ende jeder auf einen Zahn (T1 ... T10) gewickelten Spule (1.1 ... 6.2) jeweils mit einem anderen Segment (1 ... 40) Z des Kommutators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Segmente (1 ... 40) Z des Kommutators größer ist als die Anzahl der Rotorschlitze S.
Motor nach Anspruch 1, wobei jeder Pol (N, S) einen an der Oberfläche eines Kerns aus einem ferromagnetischen Material angebrachten Permanentmagneten umfasst.
Motor nach Anspruch 1, wobei jeder Pol (N, S) eine um einen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Zahn gewickelte Spule umfasst.
Motor nach Anspruch 1, wobei jeder Pol (N, S) eine um den Zahn eines Kerns aus einem ferromagnetischen Material gewickelte Spule umfasst, der Stator und der Rotorkern einen Magnetkreis umfassen, und der Motor ein Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motor ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Statorpolen (N, S) 2P, die Anzahl von Rotorschlitzen S und die Anzahl von Segmenten (1 ... 40) an dem Kommutator Z die folgenden Bedingungen erfüllen: P ist eine ganze Zahl und 0 < P < 10, S = 2P + A, wobei A eine ganze Zahl gleich –1 oder 1 oder 2 oder 3 oder 4 ist, S > 2, und Z = k·kgV(2, 2P) ± n, wobei k eine ganze Zahl größer als 0 ist, kgV das kleinste gemeinsame Vielfache von S und 2P ist, und n gleich 0 oder k ist, oder Z = kgV(S, 2P)/2 und Z/2P > 3.
Motor nach Anspruch 5, wobei jeder Pol (N, S) einen auf der Oberfläche eines Kerns aus einem ferromagnetischen Material angebrachten Permanentmagneten umfasst.
Motor nach Anspruch 5, wobei jeder Pol (N, S) eine um einen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Zahn gewickelte Spule umfasst.
Motor nach Anspruch 5, wobei der Motor ein Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motor ist, und jeder Pol eine um den Zahn des Kerns aus einem ferromagnetischen Material gewickelte Spule umfasst.
Motor nach Anspruch 1, wobei S/2 der Zähne (T1 ... T10) von den übrigen Zähnen verschiedene geometrische Abmessungen aufweisen, wobei der Rotor mit konzentrierten Windungen die Vielzahl von Spulen (1.1 ... 6.2) aus isoliertem Draht um zumindest S/2 der Rotorzähne (T1 ... T10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Statorpolen (N, S) 2P, die Anzahl von Rotorschlitzen S und die Anzahl von Segmenten (1 ... 40) auf dem Kommutator Z die folgenden Bedingungen erfüllen: P ist eine ganze Zahl und 1 < P < 10, S = 2P + 2A, wobei A eine ganze Zahl ist und 1 < A < P, und Z = k·kgV(S/2, 2P) ± n, wobei k eine ganze Zahl größer als 0 ist, kgV das kleinste gemeinsame Vielfache von S/2 und 2P ist, und n gleich 0 oder gleich k ist, oder Z = kgV (S/2, 2P)/2.
Motor nach Anspruch 9, wobei jeder Pol (N, S) einen auf der Oberfläche eines Kerns aus einem ferromagnetischen Material angebrachten Permanentmagneten umfasst.
Motor nach Anspruch 9, wobei jeder Pol (N, S) eine um einen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Zahn gewickelte Spule umfasst.
Motor nach einem der Ansprüche 9–11, wobei der Motor ein Wechselstrom-Kommutator-(Universal)-Motor ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei der Stator und Rotorkern einen Magnetkreis umfassen, und ein Teil des Magnetkreises mit einem weichmagnetischen Kompositmaterial aus einem Metallpulver realisiert ist.
Motor nach Anspruch 13, wobei der Mittelteil der Rotor- oder Statorzähne (T1 ... T10) unter den Spulen (1.1 ... 6.2) ein abgerundetes, ovales oder kreisförmiges Profil aufweist, um das Risiko der Zerstörung der Isolation durch scharfes Abknicken der Spulenwindungen (1.1 ... 6.2) zu verringern und den Kupferfüllfaktor zu maximieren.
Motor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die axialen Längen des Mittelteils der Zähne (T1 ... T10) unter den Spulen (1.1 ... 6.2) und des Jochs dieselben sind, und die axiale Länge der Zahnspitzen größer als die axiale Länge der Zähne (T1 ... T10) ist.
Motor nach Anspruch 15, wobei die Endwindungen teilweise oder vollständig unter die Zahnspitzen eingesetzt sind.
Motor nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Kommutator und die Bürsten teilweise oder vollständig unter den Rotorzähnen eingesetzt sind, um die gesamte axiale Länge des Motors zu verringern.
Motor nach Anspruch 13, wobei die Zähne (T1 ... T10) nicht versetzt sind, und einige Zahnspitzen versetzt sind, um die Variationen des magnetischen Widerstands oder des Zahndrehmoments zu verringern.
Motor nach Anspruch 4, wobei ein Teil des Magnetkreises aus einem weichmagnetischen Kompositmaterial, welches aus Metallpulver gefertigt ist, realisiert ist.
Motor nach Anspruch 19, wobei der Mittelteil der Rotor- oder Statorzähne (T1 ... T10) unter den Spulen (1.1 ... 6.2) ein abgerundetes, ovales oder kreisförmiges Profil aufweist, um eine Verringerung des Risikos einer Zerstörung der Isolation durch ein scharfes Abknicken der Spulenwindungen zu erreichen und den Kupferfüllfaktor zu maximieren.
Motor nach Anspruch 19 oder 20, wobei die axialen Längen des Mittelteils der Zähne unter den Spulen und des Jochs dieselben sind, und die axiale Länge der Zahnspitzen größer ist als die axiale Länge der Zähne.
Motor nach Anspruch 21, wobei die Endwindungen teilweise oder vollständig unter die Zahnspitzen eingesetzt sind.
Motor nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Kommutator und die Bürsten teilweise oder vollständig unter den Rotorzähnen eingesetzt sind, um die gesamte axiale Länge des Motors zu verringern.
Motor nach Anspruch 19, wobei die Zähne (T1 ... T10) nicht versetzt sind, und einige Zahnspitzen versetzt sind, um die Variationen des magnetischen Widerstands oder des Zahndrehmoments zu verringern.
Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei eine Vielzahl von Ausgleichsverbindungen auf dem Kommutator hinzugefügt sind, um die Anzahl der Bürsten (B1 ... B4) zu verringern.
Motor nach einem der Ansprüche 1–3, 5–7, 9–11, 13–18 und 25, wobei der Motor ein Gleichstrommotor ist.