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Die Erfindung betrifft einen Gleichstromelektromotor und
ein Verfahren zur Herstellung dieses Motors.
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Sie ist vor allem auf Elektromotoren mit elektronischer
Umschaltung anwendbar, die insbesondere in Lüftersätzen von
Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Gleichstromelektromotor
bekannt mit einem Anker mit einem Gestell von allgemeiner
zylindrischer Form, das leitende Spulen trägt, die auf drei
Phasen und auf mindestens zwei Schichten verteilt sind,
wobei die Spulen einer gemeinsamen Phase gleichzeitig
elektrisch versorgt werden und jede Phase mindestens zwei Paare
von diametral entgegengesetzten Spulen aufweist.
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Der Anker ist beispielsweise vom quadratischen dreiphasigen
Typ und besitzt zwölf Spulen, die auf die drei Phasen
verteilt sind, wobei die Spulen einer Phase gleichzeitig
elektrisch versorgt werden. Jede Phase besitzt zwei Paare von
diametral entgegengesetzten Spulen. Jedes Spulenpaar einer
Phase ist zum anderen Spulenpaar dieser Phase rechtwinklig
angeordnet.
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Auf herkömmliche Weise wickelt man die Spulen auf dem
Anker, indem man sie auf drei aufeinanderfolgende Schichten
verteilt, die den drei Phasen des Ankers entsprechen.
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Die Bewicklung des Ankers wird mit Hilfe einer
Wickelmaschine vorgenommen, die einen Arm besitzt, der dazu
bestimmt ist, auf dem Gestell die die Spulen bildenden Leiter
zu wickeln. Der Arm wickelt nacheinander die vier Spulen
der unteren Schicht (erste Phase), dann die vier Spulen der
mittleren Schicht (zweite Phase) und schließlich die vier
Spulen der oberen Schicht (dritte Phase). Die vier Spulen
einer Phase sind elektrisch in Reihe geschaltet. Die Spulen
der einzelnen Phasen sind in Abständen von 30º angeordnet.
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Da die einzelnen Phasen des Ankers übereinander
angeordneten Spulenschichten entsprechen, sind die Längen der die
Phasen bildenden Leiter verschieden. Daraus ergeben sich
unterschiedliche Phasenwiderstände und ein elektrisches
Ungleichgewicht, das besonders störend ist, wenn die
Versorgung und die Umschaltung der Phasen durch eine
elektronische Schaltung vorgenommen wird.
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Ziel der Erfindung ist es insbesondere, dieses elektrische
Ungleichgewicht der Phasen zu beseitigen.
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Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein
Gleichstromelektromotor der oben beschriebenen Art, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Spulen auf zwei Schichten, eine
untere und eine obere, verteilt sind, wobei die unteren
Spulen mit den oberen Spulen abwechseln, jede Phase ein in
der unteren Schicht angeordnetes Paar von diametral
entgegengesetzten Spulen und ein in der oberen Schicht
angeordnetes Paar von diametral entgegengesetzten Spulen aufweist,
diese beiden Paare elektrisch parallel geschaltet sind,
jede Spule zwei Wicklungen, eine untere und eine obere, und
zwei elektrisch parallel geschaltete ununterbrochene,
gewickelte Leiter umfaßt und jeder Leiter die untere Wicklung
einer Spule eines Paares und die obere Wicklung der anderen
Spule dieses Paares bildet, so daß die untere und die obere
Wicklung elektrisch in Reihe geschaltet sind und jedes
Spulenpaar eine Spule für den Stromeingang in das Paar und
eine Spule für den Stromausgang aus diesem Paar aufweist.
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Weitere Merkmale dieses Motors sind:
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- der Motor weist außerdem einen Träger, der eine
elektronische Schaltung zur Versorgung und Umschaltung der Spulen
trägt, und ein zum Gestell koaxiales elektrisches
Verbindungsorgan von allgemein zylindrischer Form auf, das einen
in elektrisch isolierte Sektoren geteilten leitenden Ring
aufweist, der eine erste Seite, die mit Mitteln zum
Einhaken an dem Gestell versehen ist, eine zweite Seite, die mit
leitenden Stiften zur Verbindung mit der elektronischen
Schaltung versehen ist, und leitende Umfangshaken zur
Verbindung der Spulen mit dem Ring aufweist, wobei die Anzahl
der Verbindungsstifte gleich der Anzahl der isolierten
Sektoren und die Anzahl der Verbindungshaken gleich der Anzahl
der Spulen des Ankers ist;
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- der Ring weist einen Stromeingangssektor pro Phase auf,
mit dem die die Stromeingänge der Spulenpaare dieser Phase
bildenden Enden der Leiter verbunden sind, sowie einen
Ausgangssektor, mit dem alle die Stromausgänge aller
Spulenpaare bildenden Enden der Leiter verbunden sind;
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- der Anker besitzt zwölf auf die drei Phasen verteilte
Spulen, wobei die Paare von diametral entgegengesetzten
Spulen einer gemeinsamen Phase zueinander im rechten Winkel
angeordnet sind, die Verbindungshaken winkelmäßig auf Höhe
der Spulen angeordnet sind, der Stromeingang (bzw.
Stromausgang) des unteren Spulenpaars einer Phase mit einem
Stromeingangshaken (bzw. Stromausgangshaken) verbunden ist,
der gegen die Stromeingangsspule (bzw. Stromausgangsspule)
dieses Paares um 60º versetzt ist, und der Eingang (bzw.
Ausgang) des oberen Spulenpaares einer Phase mit einem
Stromeingangshaken (bzw. Stromausgangshaken) verbunden ist,
der auf Höhe der Stromeingangsspule (bzw.
Stromausgangsspule) dieses Paares angeordnet ist, so daß die beiden mit den
beiden Spulenpaaren einer Phase verbundenen
Stromeingangshaken nebeneinander liegen und zu einem gemeinsamen
Stromeingangssektor gehören und alle Stromausgangshaken
nebeneinander liegen und zum Ausgangssektor gehören.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur
Herstellung eines Gleichstromelektromotors der oben
beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man jedes
Paar von diametral entgegengesetzten Spulen mit Hilfe einer
Wickelmaschine mit zwei Armen wickelt, wobei diese beiden
Arme in einem ersten Schritt gleichzeitig die beiden
unteren Wicklungen der Spulen wickeln, dann in einem zweiten
Schritt, nach Drehung des Gestells um seine Achse um eine
halbe Umdrehung, die oberen Wicklungen der Spulen, wobei
die beiden entsprechenden Leiter durch die beiden Arme der
Wickelmaschine während dieser beiden Schritte in Richtungen
gewickelt werden, die bezüglich einer zur Fluchtlinie der
Spulen des Paares senkrechten diametralen Ebene des
Gestells symmetrisch sind.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt die
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, in der auf die beiliegende
Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Elektromotors in einem axialen Schnitt,
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Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von
verschiedenen Elementen des Motors von Fig. 1,
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Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines
elektrischen Anschlußorgans des erfindungsgemäßen Motors,
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Fig. 4 eine schematische Stirnansicht des gewickelten
Ankers des erfindungsgemäßen Motors,
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Fig. 5 ein abgewickeltes Schema der Spulen des Ankers,
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Fig. 7 bis 9 Fig. 4 entsprechende Ansichten, die
verschiedene Schritte der Bewicklung des Ankers zeigen.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen
Gleichstromelektromotor, der mit der allgemeinen Bezugszahl 10 bezeichnet ist.
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Dieser Motor 10 besitzt einen feststehenden gewickelten
Anker 12 und einen rotierenden Induktor 14. Aus Gründen der
Deutlichkeit wurden die leitenden Spulen des Ankers 12 in
den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt.
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Die Wicklung des Ankers ist vom quadratischen dreiphasigen
Typ und wird im nachstehenden beschrieben.
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Der Anker 12 besitzt ein allgemein zylindrisches Gestell
16, das auf herkömmliche Weise aus einem Stapel von Blechen
18 besteht, die Nuten 20 zum Einhaken der Spulen abgrenzen.
Diese Nuten 20, die in Fig. 2 deutlich dargestellt sind,
sind durch Zähne 21 voneinander getrennt.
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Das Gestell 16 besitzt ferner elektrische Isolationswangen
22, 24, die diese Seiten abdecken.
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Der Induktor 14 besitzt ein topfförmiges rotierendes
Gestell 26, in das der Anker 12 eingesetzt ist.
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Das Gestell 26 des Induktors ist auf an sich bekannte Weise
mit einer rotierenden Welle 28 verbunden, die von
Wälzlagermitteln 30 getragen ist, die zwischen diese Welle 28 und
das Ankergestell 16 eingesetzt sind.
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Am Innenumfang des Induktorgestells 26 sind auf an sich
bekannte Weise Dauermagnete 31 eingehakt.
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Die offene Seite des Induktorgestells 26 wird durch eine
feststehende Wange 32 abgeschlossen, die eine Platte 34
trägt, die einen Träger für eine elektronische Schaltung 36
zur elektrischen Versorgung und Umschaltung der Spulen des
Ankers 12 bildet.
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Die elektronische Schaltung 36 ist elektrisch an die Spulen
des Ankers 12 durch ein Organ 40 von allgemeiner
zylindrischer Form angeschlossen, das in den Fig. 2 und 3
detailliert dargestellt ist. Das Organ 40 ist zum Gestell 16
koaxial.
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Das elektrische Anschlußorgan 40 weist einen leitenden Ring
42 auf, der eine erste Seite besitzt, die mit mindestens
zwei axialen Säulen 44 zum Einhaken am Ankergestell 16
versehen ist, sowie eine zweite Seite, die mit mindestens zwei
leitenden axialen Stiften 46 zur Verbindung mit der
Umschalt-Schaltung 36 versehen ist.
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Der leitende Ring 42 besitzt ferner mindestens zwei
leitende Umfangshaken 48 zur Verbindung der Spulen des Ankers mit
diesem Ring.
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Die Einhaksäulen 44, die Stifte 46 und die Verbindungshaken
48 sind vorzugsweise mit dem Ring 42 einstückig ausgeführt,
wobei die Haken 48 von umgebogenen Zungen von in den
Einhaksäulen 44 vorgesehenen Ausschnitten gebildet sind.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das
elektrische Anschlußorgan 40 zwölf Einhaksäulen 44, ebensoviele
Haken 48 und vier Verbindungsstifte 46 auf.
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Die Einhaksäulen 44 sind in Löcher 50 ergänzender Form
eingesteckt, die in einem Einhakkranz 52 vorgesehen sind, der
mit einer elektrischen Isolationswange 24 einstückig
ausgeführt ist.
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Die Verbindungsstifte 46 sind in Bohrungen 54 eingesteckt,
die die Tragplatte 34 der elektronischen Schaltung
durchqueren.
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Die Enden der die Stromein- und -ausgänge der Spulen des
Ankers 12 bildenden Leiter sind mit den Verbindungshaken 48
durch Verschweißung verbunden.
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Die Verbindungsstifte 46 erstrecken sich in den Bohrungen
54 durch die Wange 32 und die Platte 34, wobei ihre freien
Enden auf der dem Anker 12 entgegengesetzten Seite dieser
Platte hervorstehen und durch Verschweißung mit Leitern der
elektronischen Schaltung 36 verbunden sind.
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Wenn es erforderlich ist, werden die Verbindungsstifte 46
durch Isolationsbuchsen abgedeckt, die jeden elektrischen
Kontakt zwischen diesen Stiften und der Wange 32
verhindern.
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Der Umriß des Rings 42 ist so unterbrochen, daß eine axiale
Ausnehmung 56 abgegrenzt wird, die dazu bestimmt ist, mit
einem am Kranz 52 vorgesehenen axialen Vorsprung 58
ergänzender Form zusammenzuarbeiten. Die Ausnehmung 56 und der
Vorsprung 58 bilden Markierungsmittel für die korrekte
Winkelpositionierung der Säulen 44 bezüglich des Ankers 16.
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Das elektrische Anschlußorgan 40 besitzt ebenfalls
Markierungsmittel durch unregelmäßige Winkelabstände der
Verbindungsstifte 46 und der Bohrungen 54 für den korrekten
Anschluß dieser Stifte 46 an die elektronische Schaltung 36.
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Die beschriebenen Markierungsmittel gewährleisten also eine
korrekte relative Positionierung des Ankergestells 16, des
elektrischen Anschlußorgans 40 und der Tragplatte 34 der
elektronischen Schaltung.
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Der Ring 42 besitzt Bereiche 60, die vorzugsweise in seiner
axialen Richtung verdünnt sind, wie in den Figuren
dargestellt ist, die zur Trennung dieses Rings in verschiedene
elektrisch isolierte Sektoren bestimmt ist.
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Bei der Herstellung des Ankers 12 steckt man das
elektrische Anschlußorgan 40 in das Gestell 16 ein und wickelt
dann die Spulen in den Nuten 20 mit herkömmlichen Mitteln,
wie sie gewöhnlich für die Herstellung von Ankern mit
Kollektor und Bürste verwendet werden.
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Nach Anschweißen der Enden der Leiter der Spulen an den
Verbindungshaken 48 trennt man den Ring 42 an verschiedenen
Stellen, so daß dieser Ring in elektrisch isolierte
Sektoren geteilt wird und die gewünschten Spulenkopplungen
geschaffen werden.
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Es sei bemerkt, daß der Ring 42 in den Fig. 1 bis 3 vor
der Trennung in die einzelnen isolierten Sektoren als ein
Stück dargestellt ist.
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Nun wird die Wicklung des Ankers 12 unter Bezugnahme auf
die Fig. 4 bis 9 beschrieben.
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Der Anker 12 besitzt vierundzwanzig Nuten 20 und ebensoviel
Zähne 21. Wie bereits erwähnt wurde, ist der Anker 12 vom
quadratischen dreiphasigen Typ. Er besitzt zwölf Spulen A1
bis A4, B1 bis B4, C1 bis C3, die auf drei Phasen verteilt
sind. Die Spulen einer Phase werden elektrisch gleichzeitig
versorgt. Jede Phase besitzt zwei Paare von diametral
einander entgegengesetzten Spulen. Diese Paare sind zueinander
im rechten Winkel angeordnet.
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Die Spulen sind in zwei Schichten, in einer unteren und in
einer oberen Schicht, angeordnet, wobei die unteren Spulen
A1, A3, C1, C3, B2, B4 mit den oberen Spulen B1, B3, A2,
A4, C2, C4 abwechseln.
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Jede Phase besitzt ein Paar von diametral einander
entgegengesetzten Spulen, das in der unteren Schicht angeordnet
ist, und ein Paar von diametral einander entgegengesetzten
Spulen, das in der oberen Schicht angeordnet ist.
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Jede Spule A1 bis A4, B1 bis B4, C1 bis C4 besitzt zwei
Wicklungen, eine untere Wicklung All, B11, C11, A21, B21,
C21, A31, B31, C31, A41, B41, C41 und eine obere Wicklung
A12, B12, C12, A22, B22, C22, A32, B32, C32, A42, B42, C42.
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Die unteren und die oberen Wicklungen einer gemeinsamen
Spule sind in den Fig. 4 und 7 bis 9 schematisch mit
einer einzigen Windung dargestellt.
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Die Spulen werden auf dem Gestell 16 so gewickelt, daß jede
drei Zähne 21 umgibt. Eine Spule der oberen Schicht ist
zwischen zwei Spulen der unteren Schicht eingesetzt, so daß
sie diese beiden letztgenannten Spulen teilweise überlappt.
So umgibt jede Spule der unteren Schicht einen Zahn, den
sie mit der unmittelbar benachbarten Spule der oberen
Schicht gemeinsam hat.
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In Fig. 5 sind die Spulen einer Phase schematisch
dargestellt. In dieser Figur sieht man, daß jede Spule zwei
ununterbrochene gewickelte Leiter K1, K2 besitzt, die
zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Jeder Leiter K1,
K2 bildet die untere Wicklung All, A21, A31, A41 einer
Spule eines Paars und die obere Wicklung A32, A42, A12, A22
dieses Paars, so daß diese untere Wicklung und diese obere
Wicklung elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Jedes Paar von diametral einander entgegengesetzten Spulen
besitzt somit eine Spule A1, A2, die den Stromeingang in
das Paar bildet, und eine Spule A3, A4, die den
Stromausgang aus diesem Paar bildet.
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Die Anordnung der anderen Phasen des Ankers ist analog zur
Anordnung der in Fig. 5 dargestellten Phase ausgeführt.
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Die Wicklung der beiden diametral entgegengesetzten Spulen
wird mit Hilfe einer herkömmlichen zweiarmigen
Wickelmaschine gemäß dem im nachstehenden unter Bezugnahme auf Fig.
7 beschriebenen Verfahren durchgeführt. In dieser Figur ist
nur ein unteres Paar von diametral einander
entgegengesetzten Spulen A1, A3 dargestellt.
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Während eines ersten Schrittes führen die Arme gleichzeitig
die beiden unteren Wicklungen All, A31 der Spulen aus,
indem sie die beiden entsprechenden Leiter K1, K2 in
Richtungen wickeln, die bezüglich der diametralen, zur Flucht der
Spulen A1, A2 senkrechten Ebene des Gestells 16 symmetrisch
sind.
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Nach Fertigstellung der unteren Wicklungen dreht man das
Gestell 16 um seine Achse um eine halbe Umdrehung, ohne die
Stellung der Arme der Wickelmaschine zu ändern.
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In einem zweiten Schritt stellen die Arme der
Wickelmaschine gleichzeitig die beiden oberen Wicklungen A12, A32 der
Spulen her, indem sie die beiden entsprechenden Leiter K1,
K2 in derselben Richtung wie während des ersten Schritts
wickeln.
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Die Richtungen der Wicklung der Leiter K1, K2 durch die
Arme der Wickelmaschine sind in Fig. 7 mit Pfeilen angegeben.
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Die vollständige Wicklung des Ankers 12 wird folgendermaßen
vorgenommen:
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In einem ersten Schritt stellt man alle Spulen der unteren
Schicht her. Zu diesem Zweck stellt man das untere
Spulenpaar einer ersten Phase auf die oben beschriebene und in
Fig. 7 dargestellte Weise her und dann stellt man das
untere Spulenpaar einer zweiten Phase her, wobei dieses Paar
gegen das vorhergehende um 60º versetzt ist, wie in Fig. 8
dargestellt ist, und schließlich stellt man das untere
Spulenpaar der dritten Phase her, wie in Fig. 9 dargestellt
ist.
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In einem zweiten Schritt stellt man die Spulen der oberen
Schicht in ähnlicher Weise wie die untere Schicht her, so
daß man den in Fig. 4 dargestellten gewickelten Anker
erhält.
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Alle Paare von diametral einander entgegengesetzten Spulen
werden in demselben oben beschriebenen Verfahren und mit
Hilfe derselben zweiarmigen Wickelmaschine hergestellt.
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Die Verwendung einer zweiarmigen Wickelmaschine gestattet
die Durchführung der Bewicklung des Ankers auf automatische
und schnelle Weise.
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Der erfindungsgemäße Motor besitzt ebensoviel Haken 48 wie
Ankerspulen, d. h. zwölf. Diese Haken 48 sind mit den
Buchstaben a bis 1 bezeichnet und sind winkelmäßig auf Höhe der
Spulen des Ankers angeordnet.
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Insbesondere in Fig. 4 sieht man, daß der Ring 42 in vier
elektrisch isolierte Sektoren geteilt ist. Der Ring 42
besitzt einen Stromeingangssektor E1 bis E3 pro Phase, mit
dem die Enden der Leiter K1, K2 verbunden sind, die die
Stromeingänge der beiden Spulenpaare dieser Phase bilden,
und einen Ausgangssektor S. mit dem alle Enden der Leiter
K1, K2 verbunden sind, die die Stromausgänge aller
Spulenpaare bilden. Auf diese Weise sind die beiden Spulenpaare
einer gemeinsamen Phase elektrisch zueinander parallel
geschaltet.
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Es sei bemerkt, daß der Ring 42 ebensoviel
Verbindungsstifte 44 wie Sektoren E1 bis E3, S besitzt.
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Man bezieht sich jetzt auf Fig. 6, in der der elektrische
Anschluß der Spulen einer Phase an die Haken 48 deutlich
dargestellt ist.
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In dieser Figur sieht man, daß der Stromeingang des unteren
(zur unteren Schicht gehörenden) Paars von Spulen A1, A3
einer Phase mit einem Stromeingangshaken c verbunden ist,
der im Uhrzeigersinn gegen die Stromeingangsspule A1 dieses
Paars um 60º versetzt ist. Ebenso ist der Stromausgang des
unteren Paars von Spulen A1, A3 einer Phase mit einem
Stromausgangshaken i verbunden, der im Uhrzeigersinn gegen
die Stromausgangsspule A3 dieses Paars um 60º versetzt ist.
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Dagegen ist der Stromeingang des oberen (zur oberen Schicht
gehörenden) Paars von Spulen A2, A4 einer Phase mit einem
Stromeingangshaken d verbunden, der auf Höhe der
Stromeingangsspule A2 dieses Paars angeordnet ist. Ebenso ist der
Stromausgang des oberen Paars von Spulen A2, A4 einer Phase
mit einem Stromausgangshaken j verbunden, der auf Höhe der
Stromausgangsspule A4 dieses Paars angeordnet ist.
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Man erreicht auf diese Weise einerseits, daß die beiden
Stromeingangshaken, die mit den beiden Spulenpaaren einer
gemeinsamen Phase verbunden sind, nebeneinander liegen und
zu einem gemeinsamen Stromeingangssektor E1 bis E3 gehören,
und andererseits, daß alle Stromausgangshaken nebeneinander
liegen und zum selben Stromausgangssektor S gehören.
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Aus Gründen der Anschaulichkeit sind die Verbindungen aller
Spulen des Ankers in Fig. 6 nicht dargestellt. In Fig. 5
sind die Stromeingangshaken c, d einer Phase, dargestellt,
die einer positiven Polarisierung des Stroms (+)
entsprechen, sowie die Stromausgangshaken i, j dieser Phase, die
einer negativen Polarisierung des Stroms (-) entsprechen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellte
Ausführungsform beschränkt.
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Insbesondere kann die Erfindung auf jeden
Gleichstromelektromotor angewandt werden, dessen Anker leitende Spulen
besitzt, die in drei Phasen und in mindestens zwei Schichten
verteilt angeordnet sind, wobei jede Phase mindestens zwei
Paare von diametral einander entgegengesetzten Spulen
umfaßt.
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Die Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile.
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Insbesondere gestattet sie die schnelle Durchführung der
Wicklung des Ankers mit automatischen Einrichtungen.
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Die erfindungsgemäße Wicklung der diametral einander
entgegengesetzten Spulen gestattet eine Halbierung der Anzahl
von Verbindungshaken der Spulen gegenüber den herkömmlichen
Ankern, die eine gleiche Anzahl von Spulen besitzen, die
durch Bürsten- und Kollektoreinrichtungen elektrisch
versorgt werden.
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Außerdem sind die einzelnen Phasen des Ankers des
erfindungsgemäßen Motors elektrisch im Gleichgewicht.