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Die Erfindung betrifft elektrische Miniatur- oder
Kleinstmotoren, wie sie beispielsweise in elektrischen
Rasierapparaten und Haartrocknern verwendet werden. Sie
betrifft insbesondere solche Motoren, die eine
Funkenlöscheinrichtung haben.
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Funkenlöscheinrichtungen werden in elektrischen
Kleinstmotoren dafür verwendet, um an den Schleifkontakten
zwischen den Bürsten und dem Kommutator die Funkenbildung
zu vermindern. Bekannte Einrichtungen dieser Art sind
wirksam, beanspruchen aber im allgemeinen mehr Platz, als für
sie zur Verfügung steht, und erschweren den Zusammenbau des
Motors. Die Verwendung von Varistoren ist bereits
vorgeschlagen worden. Unter vielen Umständen, beispielsweise bei
hohen Leistungsanforderungen, ist aber die Kapazität
dieses Bauelements unzureichend.
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Die Erfindung befaßt sich mit den Schwierigkeiten, die
dem geschilderten Stand der Technik eigen sind. Sie
bezweckt insbesondere die Schaffung einer
Kleinstmotorkonstruktion, bei der eine kleine Anzahl Bauelemente oder
Komponenten für die Funkenlöscheinrichtung erforderlich ist.
Sie befaßt sich zusätzlich mit der Verbesserung des
Motordrehmoments und der Lebensdauer von Kleinstmotoren sowie
mit dem Erreichen minimaler Gesamtabmessungen.
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Für die Zwecke dieser Erfindung geeignete elektrische
Kleinstmotoren enthalten ein stirnseitig geschlossenes
zylindrisches Gehäuse mit einer Stirnkappe zum Abschließen
des offenen Endes, einen an der Innenseite des Gehäuses
befestigten Permanentmagneten, einen im Gehäuse und der
Stirnkappe gelagerten Rotor mit einem Anker und einem
Kommutator, der in Gleitberührung mit an der Stirnkappe
angebrachten Bürsten steht, mit den Bürsten elektrisch
verbundene Zuleitungsanschlüsse in der Stirnkappe und eine
Punkenlöscheinrichtung. Gemäß der Erfindung enthält die
Funkenlöscheinrichtung einen ringförmigen laminierten bzw.
geschichteten Keramikkondensator mit einer elektrostatischen
Kapazität von mehr als 1 uF, bei dem dünne Schichten oder
Blätter aus hochdielektrischem Werkstoff in Ringform und
interne dünnschichtige oder Dünnfilmelektroden aus
elektrisch leitendem Werkstoff in Sektorform in der
Axialrichtung abwechselnd aufeinandergeschichtet bzw. laminiert
sind, der Kondensator aus einer mit der Anzahl der Pole
des Arikers übereinstimmenden Anzahl einander überlappender
Abschnitte der internen Elektroden in der die Achse
senkrecht schneidenden Projektionsebene gebildet ist und auf
seiner Außenfläche eine mit der Anzahl der Pole des Ankers
des Rotors übereinstimmende Anzahl Elektroden aufweist.
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Einige bekannte Funkenlöscheinrichtungen und ihr
Einbau in elektrischen Kleinstmotoren sowie zwei
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beispielshalber
an Hand von beigefügten Zeichnungen beschrieben und
erläutert. Es zeigen:
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FIG. 1 eine längsgeschnittene Ansicht durch ein
Ausführungsbeispiel eines elektrischen Miniatur- oder
Kleinstmotors, auf den die Erfindung angewendet ist,
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FIG. 2A und 23 eine Stirnansicht und eine
Seitenansicht eines Rotors, der in einem bekannten Miniatur- oder
Kleinstmotor mit einer Funkenlöscheinrichtung verwendet
wird,
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FIG. 3A und 33 eine Stirnansicht und eine
Seitenansicht einer anderen bekannten Funkenlöscheinrichtung,
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FIG. 4 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der
elektrischen Verbindungen zwischen Kondensatoren und Spulen,
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FIG. 5 eine geschnittene Längsansicht zur
Darstellung eines Kleinstmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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FIG. 6 eine perspektivische Zusammenbauansicht zur
Darstellung der grundlegenden Baueinheiten bzw. Bauteile des
Rotors in dem Motor nach FIG. 5,
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FIG. 7 eine teilweise geschnittene, vergrößerte
perspektivische Ansicht der in FIG. 5 und 6 dargestellten
Funkenlöscheinrichtung,
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FIG. 8 eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus
der internen oder Innenelektroden der
Funkenlöscheinrichtung nach FIG. 5 und 6,
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FIG. 9A, 9B und 9C Ansichten von oben auf
Hauptkomponenten der Funkenlöscheinrichtung nach FIG. 5 und 6,
und
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FIG. 10 eine vergrößerte perspektivische Ansicht
einer Funkenlöscheinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der in FIG. 1 dargestellte elektrische Miniatur- oder
Kleinstmotor enthält ein Gehäuse 1 aus einem
Metallwerkstoff, beispielsweise schweißbarem Stahl, und zwar in
Gestalt eines mit einem Boden versehenen Hohlzylinders, an
dessen innerer Umfangsoberfläche ein Permanentmagnet 1
angebracht bzw. darin eingepaßt ist, der beispielsweise eine
bogensegmentförmige Gestalt hat. Eine Abschluß- oder
Stirnkappe 6 aus einem isolierenden Werkstoff ist in das offene
Ende des Gehäuses 1 eingesetzt bzw. dort angebracht. Ein
Läufer oder Rotor 5 mit einem dem Permanentmagneten 2
gegenüberliegenden Anker 3 und mit einem Kommutator 4 ist
mittels Lager 9 und 10 im Gehäuse 1 bzw. in der
Stirnkappe 6 gelagert. Bürsten 7 sind zusammen mit damit
elektrisch verbundenen Zuleitungsanschlüssen an der Stirnkappe 6
vorgesehen. Die freien Enden der Bürsten 7 stehen in einem
gleitenden Kontakt mit dem Kommutator 4. Der Motor arbeitet
in herkömmlicher Weise, wobei über die Anschlüsse 8, den
Bürsten 7 und dem Kommutator 4 dem Anker 3 des Rotors 5
zugeführte elektrische Energie zum Antrieb einer externen
Ausrüstung (nicht gezeigt) über die Rotorwelle 11 dient.
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Kleinstmotoren der in FIG. 1 dargestellten Art zeigen
ein Hochleistungsverhalten. Ihre Eigenschaften gestatten
darüber hinaus eine leichte Steuerung oder Regulierung
ihrer Drehzahl und Drehstellung mit elektronischen
Schaltungen. Sie haben allerdings den Nachteil, daß aufgrund des
Gleitkontakts zwischen den Bürsten 7 und dem Kommutator 4
gegenseitige Verschleißerscheinungen und Funkenbildung
vorhanden sind. Zum Ausräumen dieser Nachteile ist es bereits
vorgeschlagen worden, derartige Kleinstmotoren mit
Funkenlöscheinrichtungen auszurüsten. Zwei dieser
Löscheinrichtungen werden unter Bezugnahme auf FIG. 2 bis 4 nachstehend
erläutert.
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Bei dem in FIG. 2A und 23 dargestellten Rotor ist
zwischen dem Anker 3 und dem Kommutator 4 eine Platte 12
vorgesehen, an der Elektrolytkondensatoren 13 angebracht sind.
Bei dem in FIG. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
dies drei Elektrolytkondensatoren 13. Mit der Bezugszahl 14
versehene Spulen oder Wicklungen bilden den in FIG. 1
dargestellten Anker 3, und äeder Wicklung ist jeweils einer
der Elektrolytkondensatoren 13 parallelgeschaltet.
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Die gerade beschriebene Ftinkenlöscheinrichtung weist
insgesamt vier Bauteile auf, nämlich die Platte 12 und drei
Elektrolytkondensatoren 13. Auf diese Weise wird der
Zusammenbau des Rotors erschwert. Da die
Elektrolytkondensatoren 13 in Ausnehmungen oder Schlitze 3a des Ankers 3
eingesetzt sind, wie es aus FIG. 2A und 2B hervorgeht, gibt es
auch Platz- oder Raumprobleme. Soll die elektrostatische
Kapazität der Kondensatoren 13 erhöht werden,geht dies nur
auf Kosten des Raums für die Wicklungen 3b, so daß das
Drehmoment des Kleinstmotors geschmälert wird. Darüber hinaus
kann beim Einsetzen der Elektrolytkondensatoren 13 die
Isolierung der Wicklungen 3b beschädigt werden, so daß zwischen
einzelnen Windungen Kurzschlüsse auftreten können. Die
Zuleitungsdrähte 13a der Elektrolytkondensatoren 13, die über die
Platte 12 hervorstehen, wirken sich auch hindernd bei dem
Bemühen aus, die Längenabmessungen des Motors zu vermindern.
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Die in FIG. 3 dargestellte Fuukenlöscheinrichtung ist
im wesentlichen aus der hier als Beispiel genannten
Japanischen veröffentlichten Gebrauchsmusteranmeldung Nr.
14709/1976 bekannt. Bei diesem beispielsweisen Stand der Technik
hat eine Platte 15 aus Isolierwerkstoff eine ringförmige
Gestalt, auf deren Oberfläche mehrere Elektroden 16
ausgebildet sind, an denen Chipkondensatoren 17 angebracht sind.
Chipkondensatoren 17 größerer Kapazität haben allerdings
eine relativ große Dicke, so daß die Platte 15
einschließlich
der Chipkondensatoren 17 relativ dick ist. Auch dies
hindert die Bemühungen, die Gesamtabmessungen des Motors
klein zu halten.
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Aus der japanischen veröffentlichten
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 42457/1976 ist der Einsatz von
scheibenartigen Varistoren als Funkenlöscheinrichtung bekannt. Bei
dieser bekannten Ausführungsform sind mehrere separate
Elektroden auf wenigstens der Umfangsoberfläche eines
Varistors ausgebildet, der eine ringförmige Gestalt hat, wobei
allerdings die elektrostatische Kapazität des Varistors nur
einige Dutzend Nanofarad beträgt. Bei höheren Spannungen von
mehr als beispielsweise 30 V wird die Dispersion der
Varistorspannung extrem groß, wodurch die Dispersion der
Fuukenlöschwirkung größer wird. Darüber hinaus sinkt die
elektrostatische Kapazität umgekehrt proportional zu der
Varistorspannung auf einige Nanofarad ab.
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Bei Miniatur- oder Kleistmotoren, die von einer
niedrigen Spannung wie beispielsweise 2,4 V Gebrauch machen, wird
ein hoher Strom benötigt, um die gewünschte hohe Leistung
zu erreichen. Die Lebensdauer eines Kleinstmotors kann durch
die Eigenschaften eines geeigneten Varistors verbessert
werden, solange die Spannung innerhalb eines Bereiches von 2,4
bis 30 V ist. Setzt man allerdings Varistoren bei
Kleinstmotoren ein, die eine hohe Nennspannung an den
Motoranschlüssen von mehr als 30 V haben, wie es oben beschrieben
worden ist, oder die bei weniger als 2,4 V einen hohen
Nennstrom bzw. eine hohe Ausgangsnennleistung haben, könnte die
elektrostatische Kapazität der Funkenlöscheinrichtung
unzulänglich sein.
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Bei einem in FIG. 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Funkenlöscheinrichtung 18
einen geschichteten oder laminierten Keramikkondensator aus
einem hoch dielektrischen Keramikwerkstoff, beispielsweise
Bariumtitanat, was später noch erläutert wird. Die
Einrichtung 18 ist in Ringgestalt ausgebildet und zwischen dem
Anker 3 und dem Kommutator 4 an der Welle 11 angebracht. Die
Einrichtung trägt auf ihrem Außenumfang so viele Elektroden
19 (bei diesem Ausführungsbeispiel drei Elektroden), wie
der Anker 3 Pole hat. Die Anzahl der Elektroden 19 ist
somit gleich der Anzahl der Ankerpole.
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FIG. 7 zeigt eine teilweise weggeschnittene,
vergrößerte perspektivische Ansicht der in FIG. 5 und 6 dargestellten
Funkenlöscheinrichtung 18. FIG. 8 ist ein Schaubild, das
dazu beitragen soll, den Aufbau der internen Elektroden der
oben genannten Funkenlöscheinrichtung 18 zu erläutern.
FIG. 9A und 9B sind Draufsichten auf Hauptbauteile oder
Komponenten der obengenannten Funkenlöscheinrichtung 18. In
FIG. 7 bis 9 identifiziert die Bezugszahl 20 eine
ringförmige dünne Schicht oder ein ringförmiges dünnes Blatt aus
einem hochdielektrischen Werkstoff, beispielsweise
Bariumtitanat, und die Bezugszahl 21 identifiziert eine interne
oder Innenelektrode, die sektorförmig ausgebildet ist,
wobei der Mittelwinkel des Sektors 180 Grad hat. Jede
Elektrode 21 hat einen Anschluß 22, der nach außen bis zur
äußeren Umfangsoberfläche geführt ist. Die ringförmigen
dünnen Blätter 20 und die internen Elektroden 21 sind
abwechselnd übereinandergeschichtet bzw. laminiert, und es wird
jeweils ein Kondensator bei solchen Abschnitten gebildet, wo
die internen Elektroden 21 (jeweils durch ein dünnen Blatt
20 getrennt) einander überlappen, wie es in FIG. 8 bei den
schraffierten Bereichen der Fall ist. Eine Elektrode 23 ist
mit jedem Anschluß 22 verbunden, um eine elektrische
Verbindung zum Kommutator 4 und dem Anker 3 herzustellen, wie
es in FIG. 5 dargestellt ist.
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An Miniaturmotoren mit Funkenlöscheinrichtungen der
Art, wie sie unter Bezugnahme auf FIG. 5 bis 9 beschrieben
sind, wurden Tests vorgenommen. Die Tests basierten auf
einem kontinuierlichen Betrieb mit einer angelegten
Gleichspannung von 38 V bei einer Lüfterbelastung von etwa 20 g.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle
zusammengestellt. Bei diesen Tests betrug der Strom Io = 210 mA und
die Drehzahl No = 22000 U/min. In der Tabelle sind bei (4)
und (5) auch die Vergleichsergebnisse für einen Kleinstmotor
mit Varistor und ohne Funkenlöscheinrichtung enthalten.
Funkenlöscheinrichtung
Elektrostatische Kapazität (uF)
Lebensdauer (h)
Laminierter Kondensator
Varistor
Ohne
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Wie es aus der obigen Tabelle hervorgeht, hat der
Motor ohne Funkenlöscheinrichtung (Test 5) eine
Lebensdauer von lediglich 50 h. Der Motor mit einem Varistor
(Test 4) hatte eine längere Lebensdauer von 200 h. Wegen
der elektrostatischen Kapazität von lediglich 0,01 uF war
der Funkenlöscheffekt unzureichend. Die Motoren, die mit
einer Funkenlöscheinrichtung aus laminierten
Keramikkondensatoren der oben beschriebenen Art ausgerüstet waren
(Tests 1 bis 3) zeichneten sich durch eine beachtliche
Funkenlöschwirkung und eine entsprechend hohe Lebensdauer
aus, und zwar wegen der hohen elektrostatischen Kapazität
dieser Kondensatoren. Durch Erhöhen der elektrostatischen
Kapazität auf mehr als 1 uF konnte die Lebensdauer leicht
auf über 300 h angehoben werden. Dies ist ein Wert, der für
Haushaltsgeräte, wie elektrische Rasierapparate und
Haartrockner, vollkommen ausreichend ist. Die Erfindung
ermöglicht somit eine beträchtliche Anhebung der Lebensdauer
eines Kleinstmotors.
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Eine Reihe hochdielektrischer Werkstoffe kann in den
Kondensatoren verwendet werden, die nach der Erfindung in
den Motoren zum Tragen kommen. Solche Werkstoffe sind
beispielsweise Titanoxid, Magnesiumtitanat, Calciumtitanat,
Strontiumtitanat, Bariumtitanat, Bleititanat und
Bleizirkonat. Bariumtitanat wird allerdings wegen seiner relativ
hohen Dielektrizitätskonstanten bevorzugt.
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Kondensatoren mit einer elektrostatischen Kapazität
von weniger als 1 uF können normalerweise nicht empfohlen
werden, und zwar wegen der relativ geringen Ausdehnung der
zu erwartenden Motorlebensdauer. Kleinstmotoren, die
beispielsweise für elektrische Rasierapparate und Haartrockner
verwendet werden, müssen im allgemeinen einen Dauerbetrieb
von 250 h garantieren können, wobei aus Sicherheitsgründen
eine Lebensdauer von 300 h ein annehmbarer Garantiestandard
ist. Aus diesem Grunde soll die minimale elektrostatische
Kapazität des in die Motoren nach der Erfindung einbezogenen
Kondensators wenigstens 1 uF betragen.
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FIG. 10 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht,
die eine Fnnkenlöscheinrichtung gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Gleiche oder ähnliche
Teile sind mit den Bezugszeichen nach FIG. 7 versehen. Bei
der in FIG. 10 dargestellten Funkenlöscheinrichtung 18 ist
auf der Stirnfläche des ringförmigen dünnen Blatts 20 eine
Elektrode 23a ausgebildet, die im wesentlichen eine
sektorförmige Gestalt hat. Die Elektroden 23a sind elektrisch mit
den Elektroden 23 verbunden, die auf dem äußeren Umfang der
ringförmigen dünnen Blätter 20 ausgebildet sind. Mit dieser
Konstruktion kann die Funkenlöscheinrichtung leicht am Rotor
angebracht werden, und zwar unter Vereinfachung der
Herstellung der elektrischen Verbindung zum Kommutator 4 und
Anker 3.
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Obgleich bei den betrachteten und beschriebenen
Ausführungsbeispielen der Erfindung die äußere Umfangsgestalt
der Funkenlöscheinrichtung im wesentlichen ringförmig ist,
kann man auch andere geometrische Formen verwenden. Die
Dicke der ringförmigen Scheibe und die Anzahl der Lagen oder
Schichten des scheibenförmigen Laminats können in geeigneter
Weise in Abhängigkeit von den jeweiligen Nennwerten des
Motors ausgewählt werden. Gleichermaßen können die Werkstoffe
für die ringförmige Scheibe und die internen Elektroden der
Funkenlöscheinrichtung in geeigneter Weise ausgewählt
werden.
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Die Erfindung bietet insbesondere die folgenden
Vorteile:
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(1) Da die Funkenlöscheinrichtung eine sehr einfache
Konstruktion hat, ist eine große Anzahl von
Bauteilen oder Komponenten nicht erforderlich. Die
Herstellung des Motors ist daher einfacher, und die
Montagezeit ist kürzer.
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(2) Dünnere bzw. längenmäßig kürzere Kleinstmotoren
können hergestellt werden, weil die axiale Dicke
der Funkenlöscheinrichtung klein ist. Zusätzlich
kann das Motordrehmoment erhöht werden, weil die
Funkenlöscheinrichtung im wesentlichen nicht den
Raum oder Platz beansprucht oder schmälert, den
die Ankerwicklung benötigt.
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(3) Da die elektrostatische Kapazität der
Funkenlöscheinrichtung relativ groß ist, wird ein beachtlicher
Funkenlöscheffekt erzielt, wodurch die Lebensdauer
der Kleinstmotoren in einem beträchtlichen Ausmaß
verbessert wird.