EP4082104A1 - Brush-commutated dc electric motor with improved vibration behaviour - Google Patents

Brush-commutated dc electric motor with improved vibration behaviour

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Publication number
EP4082104A1
EP4082104A1 EP20830268.7A EP20830268A EP4082104A1 EP 4082104 A1 EP4082104 A1 EP 4082104A1 EP 20830268 A EP20830268 A EP 20830268A EP 4082104 A1 EP4082104 A1 EP 4082104A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
brush
brushes
coils
commutated
electric motor
Prior art date
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Pending
Application number
EP20830268.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Schulze
Eugen Elmiger
Kacper Emmrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maxon International AG
Original Assignee
Maxon International AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Maxon International AG filed Critical Maxon International AG
Publication of EP4082104A1 publication Critical patent/EP4082104A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H02K23/30DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having lap or loop windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/10Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/58Motors or generators without iron cores
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/04Connections between commutator segments and windings

Definitions

  • the present invention relates to a brush-commutated DC electric motor according to the preamble of independent claim 1.
  • a brush-commutated DC electric motor of the generic type has a stator, wel cher comprises a permanent magnet, with a number p of pole pairs, and a rotatable relative to the stator rotor, which has a hollow cylindrical ironless winding with a geometric axis and a number Q of partial coils , and a collector with a number K of collector lamellas, the partial coils being arranged distributed over the circumference of the rotor, and the brush-commutated DC electric motor also having at least one pair of brushes which are in contact with the collector and via which the Part coils are energized.
  • the stator of such a brush-commutated electric motor can have a cylindrical permanent magnet which is arranged inside the hollow cylindrical ironless winding. On the outside there is usually a magnetically conductive yoke that also serves as the housing of the electric motor. Due to the ironless winding, such electric motors do not have a cogging torque, so that a jerk-free run is possible even at low speeds. This is accompanied by low vibrations and noises. Due to the lack of iron in the rotor, there are no iron losses and a constant applied magnetization takes place. This leads to a high degree of efficiency. In addition, the generated torque remains proportional to the motor current even with high currents. The low mass inertia of the rotor is also an advantage, which leads to high dynamics and short run-up times.
  • brush-commutated DC electric motors are widely used and usually have good operating behavior, it has been shown in practice that oscillations occur at times in the area of the collector, which modulates the current, which in turn leads to a This feedback leads to amplification of the vibrations.
  • the current in a coil section is initially brought to a standstill by short-circuiting the same via the brush and then built up again with the opposite sign.
  • a dia metrically resulting force or a torque acting transversely to the axis of rotation is associated with the current.
  • a brush-commutated DC electric motor according to the preamble of independent claim 1 is known for example from EP 3171498 B1.
  • This document is concerned with the attempt to counteract the effects explained above by arranging the coil plane of a sub-coil rotated by a correction angle between 45 ° and 135 ° around the axis of the rotor to the collector plane of the associated collector lamellas.
  • the present invention has therefore set itself the task of providing a brush-commutated DC electric motor of the generic type in which the problems described are prevented as completely as possible.
  • the partial coils have a uniform shape, at least in one projection onto a jacket of the hollow cylindrical ironless winding.
  • the shape of the individual coil sections is completely uniform.
  • the uniform shape of the partial coils is completely variable. Suitable shapes are known from EP 1780871 A1, DE 1801263 A1 and DE 1188709 B, for example.
  • the n part-coils arranged rotationally symmetrically to one another and subjected to the same current at the same time can be traversed by the current in the same direction.
  • the n sub-coils arranged rotationally symmetrically to one another and subjected to the same current at the same time are in opposite directions from the current are flowed through.
  • Graphite brushes are preferably used as brushes.
  • the hollow cylindrical ironless winding is preferably self-supporting, and the partial coils are preferably not wound onto a core or the like.
  • the n sub-coils which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time are connected in series.
  • the connection of the series-connected partial coils can be implemented via the coil wire itself or via the collector. In the latter case, the connection of the series-connected partial coils is preferably implemented via a collector circuit board of the collector.
  • the application of the same current can also be achieved in that the beginning and end of the n sub-coils are each at the same electrical potential, provided that the sub-coils are always traversed by a magnetic flux of the same amplitude and phase due to symmetry.
  • the n each of the n sub-coils which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time, are connected in parallel.
  • the invention is particularly suitable for brush-commutated DC electric motors with a single pole pair.
  • the number p of pole pairs is thus equal to 1, the collector having an odd number K> 3 of collector lamellae, the number Q of sub-coils being 2-K, and the number n of each being rotationally symmetrical sub-coils 2 arranged to one another and always energized at the same time is.
  • the two partial coils, which are energized at the same time, are diametrically opposite one another and are preferably connected in series.
  • each coil section is connected at one end to a collector lamella and at the other end to the diametrically opposite coil section.
  • the invention is also suitable for brush-commutated DC electric motors with more than one pole pair.
  • the two brushes of the pair of brushes each have a width that corresponds to the sum of half a collector pitch and the distance between two collector lamellas, the two brushes being arranged in such a way that the start of commutation The transition of one brush in the pair takes place at the same time as the commutation process of the other brush in the pair is completed.
  • the width of the brush means the width directly on the circumference of the collector, i.e. on the contact surface between the brush and the collector. The actual width thus corresponds to the chord resulting from half the division and distance.
  • a further particularly preferred embodiment of the present invention can provide that the pair of brushes is a first pair of brushes, the brush-commutated DC electric motor also having at least one further pair of brushes which are also in contact with the collector, the two brushes of the further pair of brushes each having a width which is less than the width of the brushes of the first pair of brushes. It is particularly advantageous if the brushes of the at least one further pair of brushes are made of a material which has a higher conductivity than the material from which the brushes of the first pair of brushes are made.
  • the invention is particularly suitable for brush-commutated DC electric motors whose rotor has partial coils which are long and / or inclined with respect to the axis of the rotor.
  • Figure 1 a schematic exploded view of a brush commutated DC
  • FIG. 2 a schematic representation of the partial coil interconnection of a two-pole brush-commutated DC electric motor according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 the illustration from FIG. 2 with additionally shown brushes
  • FIG. 4 a development of the hollow cylindrical ironless winding of the exemplary embodiment from FIGS. 2 and 3 with an illustration of the winding geometry and the associated interconnection of the individual sub-coils
  • FIG. 5 a schematic representation of the partial coil interconnection of a four-pole brush-commutated DC electric motor according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 6 a schematic representation of the partial coil interconnection of a four-pole brush-commutated DC electric motor according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • a brush-commutated DC electromotor 4 The essential components of a DC electric motor 4 with ironless winding are the stator 5 and the rotor 7, which is rotatably mounted with respect to the stator Stator 5 are essential components of a permanent magnet 6, which can be designed as a hollow cylinder, a flange 13 that positions the permanent magnet 6, a magnetic yoke 16 made of iron and used as a housing, and a further flange 14, which acts as a brush or housing cover serves and on which two collector brushes 3a and 3b are pivotably attached in the embodiment shown.
  • the positioning of the permanent magnet 6 to the flange 13 takes place in the illustrated case by means of a sleeve 11.
  • the rotor 7 comprises as essential components a self-supporting hollow cylindrical, ironless winding 8 and a collector consisting of several collector lamellas and connected to the winding 10.
  • the self-supporting hollow cylindrical ironless winding 8 rotates in the air gap between the The outer surface of the permanent magnet 6 and the inner surface of the yoke 16.
  • the hollow cylindrical ironless winding 8 consists of several sub-coils of the same shape. According to the invention it is provided that the arrangement of the brushes and the interconnection of the partial coils are selected such that a number n> 2 of partial coils, which are arranged rotationally symmetrically offset from one another by 360 ° / n with respect to the axis of the rotor, are at the same time Time can be applied with the same current.
  • the stator not shown, has a diametrically magnetized two-pole permanent magnet.
  • the rotor has a total of ten sub-coils (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j), the collector having five collector lamellas (1a, 1b, 1c, 1d, 1e).
  • the partial coils form five pairs (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) of partial coils which are arranged point-symmetrically with respect to the rotor axis and which are connected in series with one another are.
  • each coil section is connected at one end to a collector lamella and at the other end to the diametrically opposite coil section. Partial coils lying diametrically opposite one another are therefore always traversed by the same current due to the compulsory switching. It should be noted that the illustration is only of a schematic nature. The partial coils are represented by the symbol for coils. In the illustration, all connections to the collector lamellas are to be understood as electrical connections, but all line crossings are not to be understood as electrical connections. The current is supplied via the two collector brushes 3a and 3b shown in FIG. 3, which are preferably designed as graphite brushes.
  • the two brushes 3a and 3b each have a width which corresponds to the sum of half a collector pitch and the distance between two collector lamellas, the brushes 3a, 3b being arranged in such a way that the start of the commutation process of the one brush takes place at the same time as the commutation process of the other brush is completed.
  • FIG. 4 shows a development of the hollow cylindrical ironless winding of the exemplary embodiment from FIGS. 2 and 3 with a representation of the winding geometry and the associated interconnection of the individual sub-coils.
  • the solid lines show the connections between the collector lamellas (1a, 1b, 1c, 1 d, 1 e) and the partial coils (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j).
  • the dashed lines illustrate the electrical connections between the sub-coils of each sub-coil pair.
  • the connections between the sub-coils of each sub-coil pair can be made via the coil wire itself or via the collector circuit board.
  • the current direction in the two sub-coils (2a, 2f) arranged rotationally symmetrically offset from one another by 180 ° is illustrated by the two arrows shown in FIG.
  • the two partial coils (2a, 2f) in this embodiment when looking at the respective partial coil from the outside on the jacket of the hollow cylindrical ironless winding, consequently flows through the current in opposite directions, i.e. one of the two partial coils in the original sense and the the other of the two sub-coils counterclockwise.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram for the rotor of a four-pole DC electric motor according to the invention with ten collector segments (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1 f, 1g, 1h, 1 i, 1 j) and ten sub-coils (2a, 2b , 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j).
  • the sub-coils form five pairs (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) of sub-coils arranged point-symmetrically with respect to the rotor axis, which are arranged in series with one another are connected and the two ends of which are conductively connected to a pair of collector lamellas.
  • the opposite collector lamellae are connected to one another in five pairs (1a, 1 f), (1c, 1h), (1e, 1 j), (1g, 1b), (1 i, 1d), so that they are connected to one another by means of switching are at the same electrical potential.
  • the partial coils of a partial coil pair are traversed by the current in the same direction as in the exemplary embodiment from FIGS. Since opposite collector lamellas are connected to one another, even the four-pole electric motor shown can generally be operated with just one pair of brushes. In the preferred embodiment shown, the DC electric motor is equipped with two pairs of brushes. In general, it is preferable to use as many pairs of brushes as there are pole pairs. In the exemplary embodiment shown, the first pair of brushes 3a, 3b is designed analogously to the exemplary embodiment from FIG.
  • the two brushes 3a , 3b are arranged in such a way that the start of the commutation process of one brush 3a takes place at the same time as the end of the commutation process of the respective other brush 3b.
  • the brushes 3a, 3b of the first pair of brushes are made of a material with a relatively low conductance.
  • the second pair of brushes 3c, 3d is made somewhat narrower and consists of a material with a higher conductance.
  • FIG. 6 shows a modification of the exemplary embodiment from FIG. 4.
  • the partial coil pairs are not connected in series but in parallel here.

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Abstract

The present invention relates to a brush-commutated DC electric motor, having a stator, which comprises a permanent magnet with a number p of pole pairs, and having a rotor, which can rotate in relation to the stator and has a hollow-cylindrical iron-free winding with a geometric axis and a number Q of sub-coils, and also has a collector with a number K of collector laminations, wherein the sub-coils are arranged distributed over the periphery of the rotor, and wherein the brush-commutated DC electric motor further has at least one pair of brushes which are in contact with the collector and by means of which the sub-coils are energized. According to the invention, provision is made for the arrangement of the brushes and the interconnection of the sub-coils to be selected in such a way that in each case a number n≥2 of sub- coils, which each are arranged offset by 360°/n in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis of the rotor, are always supplied with the same current at the same time.

Description

Bürstenkommutierter DC-Elektromotor mit verbessertem Schwingungsverhalten Brush-commutated DC electric motor with improved vibration behavior
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenkommutierten DC-Elektromotor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. The present invention relates to a brush-commutated DC electric motor according to the preamble of independent claim 1.
Ein bürstenkommutierter DC-Elektromotor der gattungsgemäßen Art weist einen Stator, wel cher einen Permanentmagneten umfasst, mit einer Anzahl p von Polpaaren, und einen gegen über dem Stator drehbaren Rotor auf, welcher eine hohlzylindrische eisenlose Wicklung mit einer geometrischen Achse und einer Anzahl Q von Teilspulen, sowie einen Kollektor mit einer Anzahl K von Kollektorlamellen aufweist, wobei die Teilspulen über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind, und wobei der bürstenkommutierte DC-Elektromotor ferner zumindest ein Paar von Bürsten aufweist, die in Kontakt mit dem Kollektor stehen und über welche die Teilspulen bestromt werden. A brush-commutated DC electric motor of the generic type has a stator, wel cher comprises a permanent magnet, with a number p of pole pairs, and a rotatable relative to the stator rotor, which has a hollow cylindrical ironless winding with a geometric axis and a number Q of partial coils , and a collector with a number K of collector lamellas, the partial coils being arranged distributed over the circumference of the rotor, and the brush-commutated DC electric motor also having at least one pair of brushes which are in contact with the collector and via which the Part coils are energized.
Der Stator eines derartigen bürstenkommutierten Elektromotors kann einen zylindrischen Per manentmagneten aufweisen, der im Inneren der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung ange ordnet ist. Außen befindet sich in der Regel eine magnetisch leitende Rückschlusshülse, die gleichzeitig als Gehäuse des Elektromotors dient. Aufgrund der eisenlosen Wicklung weisen derartige Elektromotoren kein Rastmoment auf, sodass ein ruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlen möglich ist. Damit einher gehen geringe Vibrationen und Geräusche. Aufgrund des fehlenden Eisens im Rotor ergeben sich keine Eisenverluste und es findet eine konstant eingeprägte Magnetisierung statt. Dies führt zu einem hohen Wirkungsgrad. Darüber hinaus bleibt das erzeugte Drehmoment selbst bei hohen Strömen proportional zum Motorstrom. Von Vorteil ist auch die geringe Massenträgheit des Rotors, was zu einer hohen Dynamik und zu kurzen Hochlaufzeiten führt. The stator of such a brush-commutated electric motor can have a cylindrical permanent magnet which is arranged inside the hollow cylindrical ironless winding. On the outside there is usually a magnetically conductive yoke that also serves as the housing of the electric motor. Due to the ironless winding, such electric motors do not have a cogging torque, so that a jerk-free run is possible even at low speeds. This is accompanied by low vibrations and noises. Due to the lack of iron in the rotor, there are no iron losses and a constant applied magnetization takes place. This leads to a high degree of efficiency. In addition, the generated torque remains proportional to the motor current even with high currents. The low mass inertia of the rotor is also an advantage, which leads to high dynamics and short run-up times.
Obwohl bürstenkommutierte DC-Elektromotoren weit verbreitet im Einsatz sind und in aller Regel einen gutes Betriebsverhalten aufweisen, hat sich in der Praxis gezeigt, dass es zuwei len zu Schwingungen im Bereich des Kollektors kommt, wodurch der Strom moduliert wird, was in der Folge zu einer Verstärkung der Schwingungen durch diese Rückkopplung führt. Denn bei bürstenkommutierten DC-Elektromotoren wird während der Kommutierung der Strom einer Teilspule durch Kurzschließen derselben über die Bürste zunächst zum Erliegen gebracht und anschließend mit umgekehrtem Vorzeichen wieder aufgebaut. Insbesondere bei zweipoligen Motoren mit gesehnten oder geschrägten Teilspulen ist mit dem Strom eine dia metral resultierende Kraft oder ein quer zur Drehachse wirkendes Drehmoment verbunden. Beide Effekte können den Rotor an der Stelle des Kollektors in radialer Richtung auslenken. Ein bürstenkommutierter DC-Elektromotor nach dem Oberbegriff des unabhängigen An spruchs 1 ist beispielsweise aus EP 3171498 B1 bekannt. Dieses Dokument beschäftigt sich mit dem Versuch, den oben erläuterten Effekten dadurch zu begegnen, dass die Spulenebene einer Teilspule um einen Korrekturwinkel zwischen 45° und 135° um die Achse des Rotors zur Kollektorebene der zugehörigen Kollektorlamellen verdreht angeordnet wird. Es hat sich je doch gezeigt, dass die Schwingungen und die daraus resultierende Modulation des Stroms dadurch nicht vollständig verhindert werden können. Although brush-commutated DC electric motors are widely used and usually have good operating behavior, it has been shown in practice that oscillations occur at times in the area of the collector, which modulates the current, which in turn leads to a This feedback leads to amplification of the vibrations. With brush-commutated DC electric motors, during commutation, the current in a coil section is initially brought to a standstill by short-circuiting the same via the brush and then built up again with the opposite sign. Particularly in the case of two-pole motors with stringed or skewed partial coils, a dia metrically resulting force or a torque acting transversely to the axis of rotation is associated with the current. Both effects can deflect the rotor in the radial direction at the location of the collector. A brush-commutated DC electric motor according to the preamble of independent claim 1 is known for example from EP 3171498 B1. This document is concerned with the attempt to counteract the effects explained above by arranging the coil plane of a sub-coil rotated by a correction angle between 45 ° and 135 ° around the axis of the rotor to the collector plane of the associated collector lamellas. However, it has been shown that the oscillations and the resulting modulation of the current cannot be completely prevented as a result.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, einen bürstenkommutierten DC- Elektromotor der gattungsgemäßen Art bereit zu stellen, bei dem die geschilderten Probleme möglichst vollständig verhindert werden. The present invention has therefore set itself the task of providing a brush-commutated DC electric motor of the generic type in which the problems described are prevented as completely as possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einem bürstenkommutierten DC-Elektromotor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn die Anordnung der Bürsten und die Verschaltung der Teilspulen derart gewählt sind, dass jeweils eine Anzahl n>2 von Teilspulen, die in Bezug auf die Achse des Rotors drehsymmetrisch um jeweils 360°/n versetzt zueinander angeordnet sind, immer zur gleichen Zeit mit dem gleichen Strom beauf schlagt werden. Dies ist so zu verstehen, dass jede der n>2 drehsymmetrisch zueinander ver setzten Teilspulen durch eine Drehung um 360°/n um die Achse des Rotors auf sich selbst abgebildet wird. Eine exakte Abbildung einer Teilspule auf sich selbst besteht dabei selbstver ständlich nur dann, wenn die Teilspulen gemäß der nachfolgend erläuterten bevorzugten Aus führungsform eine einheitliche Form aufweisen. Mit dem „gleichen Strom“ ist der Betrag des Stroms gemeint. Die vom „gleichen Storm“ durchflossenen Teilspulen können daher entweder in Reihe oder parallel geschaltet sein. The object is achieved by the features of independent claim 1. Accordingly, in a brush-commutated DC electric motor according to the preamble of independent claim 1, there is an inventive solution to the object if the arrangement of the brushes and the interconnection of the sub-coils are chosen such that in each case a number n> 2 of sub-coils, which are arranged rotationally symmetrically offset from one another by 360 ° / n with respect to the axis of the rotor, are always subjected to the same current at the same time. This is to be understood in such a way that each of the n> 2 sub-coils, which are rotationally symmetrically offset to one another, is mapped onto itself by a rotation of 360 ° / n around the axis of the rotor. An exact mapping of a sub-coil on itself is of course only possible if the sub-coils have a uniform shape in accordance with the preferred embodiment explained below. With the "same current" is meant the amount of current. The partial coils through which the “same current” flows can therefore be connected either in series or in parallel.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen dabei die Teilspulen zumindest in einer Projek tion auf einen Mantel der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung eine einheitliche Form auf.In an advantageous embodiment, the partial coils have a uniform shape, at least in one projection onto a jacket of the hollow cylindrical ironless winding.
Um Schwingungen möglichst vollständig zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Form der einzelnen Teilspulen vollkommen einheitlich ist. Die einheitliche Formgebung der Teilspulen ist vollkommen variabel. Geeignete Formen sind beispielsweise aus EP 1780871 A1, DE 1801263 A1 und DE 1188709 B bekannt. Die n drehsymmetrisch zueinander angeordne ten und zur gleichen Zeit mit dem gleichen Strom beaufschlagten Teilspulen können in dersel ben Richtung vom Strom durchflossen werden. Es sind allerdings auch Ausführungsbeispiele möglich, bei welchen die n drehsymmetrisch zueinander angeordneten und zur gleichen Zeit mit dem gleichen Strom beaufschlagten Teilspulen in gegenläufigen Richtungen vom Strom durchflossen werden. Als Bürsten kommen vorzugsweise Graphitbürsten zum Einsatz. Die hohlzylindrische eisenlose Wicklung ist vorzugsweise selbsttragend, und die Teilspulen sind vorzugsweise nicht auf einen Kern oder dergleichen aufgewickelt. In order to avoid vibrations as completely as possible, it is advantageous if the shape of the individual coil sections is completely uniform. The uniform shape of the partial coils is completely variable. Suitable shapes are known from EP 1780871 A1, DE 1801263 A1 and DE 1188709 B, for example. The n part-coils arranged rotationally symmetrically to one another and subjected to the same current at the same time can be traversed by the current in the same direction. However, embodiments are also possible in which the n sub-coils arranged rotationally symmetrically to one another and subjected to the same current at the same time are in opposite directions from the current are flowed through. Graphite brushes are preferably used as brushes. The hollow cylindrical ironless winding is preferably self-supporting, and the partial coils are preferably not wound onto a core or the like.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Un teransprüche. Further preferred embodiments of the present invention are the subject of the subclaims Un.
Um die n Teilspulen mit dem gleichen Strom zu beaufschlagen, kann gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die jeweils n drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen in Reihe geschaltet sind. Die Verbindung der in Reihe geschalteten Teilspulen kann über den Spulendraht selbst oder über den Kollektor ausgeführt sein. In letzterem Fall ist die Verbindung der in Reihe ge schalteten Teilspulen vorzugsweise über eine Kollektorleiterplatte des Kollektors realisiert.In order to apply the same current to the n sub-coils, according to one embodiment of the present invention it can be provided that the n sub-coils which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time are connected in series. The connection of the series-connected partial coils can be implemented via the coil wire itself or via the collector. In the latter case, the connection of the series-connected partial coils is preferably implemented via a collector circuit board of the collector.
Die Beaufschlagung mit dem gleichen Strom kann auch dadurch erreicht werden, dass Anfang und Ende der n Teilspulen jeweils auf dem gleichen elektrischen Potenzial liegen, sofern die Teilspulen durch Symmetrie immer von einem magnetischen Fluss gleicher Amplitude und Phase durchflossen werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Er findung kann somit vorgesehen sein, dass die jeweils n drehsymmetrisch zueinander ange ordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen parallel geschaltet sind. The application of the same current can also be achieved in that the beginning and end of the n sub-coils are each at the same electrical potential, provided that the sub-coils are always traversed by a magnetic flux of the same amplitude and phase due to symmetry. According to an alternative embodiment of the present invention, it can thus be provided that the n each of the n sub-coils, which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time, are connected in parallel.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für bürstenkommutierte DC-Elektromotoren mit einem einzigen Polpaar. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl p von Polpaaren somit gleich 1, wobei der Kollektor eine ungerade Anzahl K>3 von Kollektorla mellen aufweist, wobei die Anzahl Q von Teilspulen gleich 2-K beträgt, und wobei die Anzahl n der jeweils drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen 2 beträgt. Die beiden gleichzeitig bestromten Teilspulen liegen einander diametral gegenüber und sind vorzugsweise in Reihe geschaltet. Gemäß einer besonders bevorzugten und einfach umzusetzenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Teilspule dabei an einem Ende mit einer Kollektorlamelle und an dem jeweils anderen Ende mit der diametral gegenüberliegenden Teilspule verbunden. The invention is particularly suitable for brush-commutated DC electric motors with a single pole pair. According to one embodiment of the present invention, the number p of pole pairs is thus equal to 1, the collector having an odd number K> 3 of collector lamellae, the number Q of sub-coils being 2-K, and the number n of each being rotationally symmetrical sub-coils 2 arranged to one another and always energized at the same time is. The two partial coils, which are energized at the same time, are diametrically opposite one another and are preferably connected in series. According to a particularly preferred and easy to implement embodiment of the present invention, each coil section is connected at one end to a collector lamella and at the other end to the diametrically opposite coil section.
Die Erfindung eignet sich auch für bürstenkommutierte DC-Elektromotor mit mehr als einem Polpaar. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl p von Pol paaren somit größer 1, wobei der Kollektor eine Anzahl K=k p von Kollektorlamellen aufweist, wobei k eine ungerade Zahl >3 ist, wobei die Anzahl Q von Teilspulen gleich q p ist, wobei die Zahl q entweder der Zahl k oder dem Zweifachen der Zahl k entspricht, und wobei die Anzahl n der jeweils drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen der Zahl p entspricht, wenn q=k ist, oder dem Zweifachen von p entspricht, wenn q=2 k ist, wobei jeweils eine Anzahl p von Kollektorlamellen, die in Bezug auf die Achse des Rotors ebenfalls drehsymmetrisch um jeweils 360°/p versetzt zueinander angeordnet sind, rotorseitig leitend miteinander verbunden sind. The invention is also suitable for brush-commutated DC electric motors with more than one pole pair. According to one embodiment of the present invention, the number p of pole pairs is thus greater than 1, the collector having a number K = kp of collector lamellas, where k is an odd number> 3, the number Q of sub-coils being qp, where the Number q is either the number k or twice the number k, and where the number n of the sub-coils arranged rotationally symmetrically to one another and always energized at the same time corresponds to the number p if q = k, or corresponds to twice p if q = 2 k, with a number p of collector lamellae, which are related to the axis of the rotor are also arranged rotationally symmetrically offset from one another by 360 ° / p, and are conductively connected to one another on the rotor side.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die beiden Bürsten des Paars von Bürsten jeweils eine Breite auf, die der Summe aus einer halben Kollektorteilung und dem Abstand zwischen zwei Kollektorlamellen entspricht, wobei die beiden Bürsten derart angeordnet sind, dass der Beginn des Kommutierungsvor gangs der einen Bürste des Paars zeitgleich mit dem Abschluss des Kommutierungsvorgangs der jeweils anderen Bürste des Paars erfolgt. Dadurch werden die oben erläuterten negativen Effekte weiter reduziert. Mit der Breite der Bürsten ist die Breite direkt am Umfang des Kollek tors, demnach an der Kontaktfläche zwischen Bürste und Kollektor gemeint. Die eigentliche Breite entspricht somit der sich aus halber Teilung und Abstand ergebenden Sehne. According to a further particularly preferred embodiment of the present invention, the two brushes of the pair of brushes each have a width that corresponds to the sum of half a collector pitch and the distance between two collector lamellas, the two brushes being arranged in such a way that the start of commutation The transition of one brush in the pair takes place at the same time as the commutation process of the other brush in the pair is completed. This further reduces the negative effects explained above. The width of the brush means the width directly on the circumference of the collector, i.e. on the contact surface between the brush and the collector. The actual width thus corresponds to the chord resulting from half the division and distance.
Bei bürstenkommutierten DC-Elektromotoren mit mehr als einem einzigen Polpaar kann ferner gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Paar von Bürsten ein erstes Paar von Bürsten ist, wobei der bürs- tenkommutierte DC-Elektromotor ferner zumindest ein weiteres Paar von Bürsten aufweist, die ebenfalls in Kontakt mit dem Kollektor stehen, wobei die beiden Bürsten des weiteren Paars von Bürsten jeweils eine Breite aufweisen, die geringer ist als die Breite der Bürsten des ersten Paars von Bürsten. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Bürsten des zumindest einen weiteren Paars von Bürsten aus einem Material bestehen, welches einen höheren Leit wert aufweist als das Material, aus dem die Bürsten des ersten Paars von Bürsten bestehen.In the case of brush-commutated DC electric motors with more than a single pole pair, a further particularly preferred embodiment of the present invention can provide that the pair of brushes is a first pair of brushes, the brush-commutated DC electric motor also having at least one further pair of brushes which are also in contact with the collector, the two brushes of the further pair of brushes each having a width which is less than the width of the brushes of the first pair of brushes. It is particularly advantageous if the brushes of the at least one further pair of brushes are made of a material which has a higher conductivity than the material from which the brushes of the first pair of brushes are made.
Dadurch wird der Strom vor dem Ende der Kommutierung stärker reduziert, was die Neigung zur Funkenbildung verringert. Zudem werden Zusatzverluste durch bereits einsetzende indu zierte Spannung während der Kommutierung mit dem besser leitfähigen Material verringert. Durch die Verwendung einer Bürste mit einem Material höherer Leitfähigkeit werden zudem die Verluste durch den Bürstenübergangswiderstand verringert. As a result, the current is reduced more before the end of the commutation, which reduces the tendency to spark. In addition, additional losses due to the induced voltage that has already started are reduced during commutation with the better conductive material. By using a brush with a material of higher conductivity, the losses due to the brush contact resistance are also reduced.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass sämtliche Teilspulen die gleiche Form aufweisen. Dadurch können die eingangs beschriebenen negativen Effekte am effektivsten vermieden werden. Wie weiter oben bereits erwähnt, eignet sich die Erfindung insbesondere für bürstenkommu- tierte DC-Elektromotoren, deren Rotor Teilspulen aufweist, die in Bezug auf die Achse des Rotors gesehnt und/oder geschrägt ausgeführt sind. According to a further particularly preferred embodiment of the present invention, it is provided that all sub-coils have the same shape. This is the most effective way of avoiding the negative effects described at the beginning. As already mentioned above, the invention is particularly suitable for brush-commutated DC electric motors whose rotor has partial coils which are long and / or inclined with respect to the axis of the rotor.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeich nungen näher erläutert. Embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : eine schematische Explosionsdarstellung eines bürstenkommutierten DC-Figure 1: a schematic exploded view of a brush commutated DC
Elektromotors, Electric motor,
Figur 2: eine schematische Darstellung der Teilspulenverschaltung eines zweipoligen bürstenkommutierten DC-Elektromotors gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung, FIG. 2: a schematic representation of the partial coil interconnection of a two-pole brush-commutated DC electric motor according to a first exemplary embodiment of the present invention,
Figur 3: die Darstellung aus Figur 2 mit zusätzlich dargestellten Bürsten, Figur 4: eine Abwicklung der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung des Ausführungs beispiels aus den Figuren 2 und 3 mit einer Darstellung der Wicklungsgeomet rie und der zugehörigen Verschaltung der einzelnen Teilspulen,FIG. 3: the illustration from FIG. 2 with additionally shown brushes, FIG. 4: a development of the hollow cylindrical ironless winding of the exemplary embodiment from FIGS. 2 and 3 with an illustration of the winding geometry and the associated interconnection of the individual sub-coils,
Figur 5: eine schematische Darstellung der Teilspulenverschaltung eines vierpoligen bürstenkommutierten DC-Elektromotors gemäß einem zweiten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung, und FIG. 5: a schematic representation of the partial coil interconnection of a four-pole brush-commutated DC electric motor according to a second embodiment of the present invention, and FIG
Figur 6: eine schematische Darstellung der Teilspulenverschaltung eines vierpoligen bürstenkommutierten DC-Elektromotors gemäß einem dritten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung. FIG. 6: a schematic representation of the partial coil interconnection of a four-pole brush-commutated DC electric motor according to a third exemplary embodiment of the present invention.
Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeich net sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figu renbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen. For the following statements, the same parts are denoted by the same reference symbols. If a figure contains reference numerals that are not discussed in more detail in the associated description of the figures, reference is made to the previous or subsequent figure descriptions.
Anhand der Fig. 1 wird zunächst der generelle Aufbau eines bürstenkommutierten DC-Elekt romotors 4 erläutert. Die wesentlichen Bestandteile eines DC-Elektromotors 4 mit eisenloser Wicklung sind der Stator 5 und der gegenüber dem Stator drehbar gelagerte Rotor 7. Zum Stator 5 gehören als wesentliche Bestandteile ein Permanentmagnet 6, welcher hohlzylind risch ausgebildet sein kann, ein den Permanentmagnet 6 positionierender Flansch 13, ein aus Eisen bestehender, als Gehäuse dienender magnetischer Rückschluss 16, und ein weiterer Flansch 14, welcher als Bürsten- bzw. Gehäusedeckel dient und an dem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Kollektorbürsten 3a und 3b schwenkbar angebracht sind. Die Posi tionierung des Permanentmagneten 6 zum Flansch 13 erfolgt im dargestellten Fall mittels einer Hülse 11. In den Flanschen 13 und 14 sind Kugellager 15 angeordnet, die zur drehbaren La gerung der Welle 12 des Rotors 7 dienen. Neben der Welle 12 mit deren geometrischer Achse 9 umfasst der Rotor 7 als wesentliche Bestandteile eine selbsttragende hohlzylindrische, ei senlose Wicklung 8 sowie einen aus mehreren Kollektorlamellen bestehenden und mit der Wicklung verbundenen Kollektor 10. Die selbsttragende hohlzylindrische eisenlose Wicklung 8 dreht sich im Luftspalt zwischen der Mantelfläche des Permanentmagneten 6 und der Innen fläche des Rückschlusses 16. 1, the general structure of a brush-commutated DC electromotor 4 will first be explained. The essential components of a DC electric motor 4 with ironless winding are the stator 5 and the rotor 7, which is rotatably mounted with respect to the stator Stator 5 are essential components of a permanent magnet 6, which can be designed as a hollow cylinder, a flange 13 that positions the permanent magnet 6, a magnetic yoke 16 made of iron and used as a housing, and a further flange 14, which acts as a brush or housing cover serves and on which two collector brushes 3a and 3b are pivotably attached in the embodiment shown. The positioning of the permanent magnet 6 to the flange 13 takes place in the illustrated case by means of a sleeve 11. In the flanges 13 and 14 ball bearings 15 are arranged, which serve for the rotatable La support of the shaft 12 of the rotor 7. In addition to the shaft 12 with its geometric axis 9, the rotor 7 comprises as essential components a self-supporting hollow cylindrical, ironless winding 8 and a collector consisting of several collector lamellas and connected to the winding 10. The self-supporting hollow cylindrical ironless winding 8 rotates in the air gap between the The outer surface of the permanent magnet 6 and the inner surface of the yoke 16.
Die hohlzylindrische eisenlose Wicklung 8 besteht aus mehreren Teilspulen gleicher Form. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anordnung der Bürsten und die Verschaltung der Teilspulen derart gewählt werden, dass jeweils eine Anzahl n>2 von Teilspulen, die in Bezug auf die Achse des Rotors drehsymmetrisch um jeweils 360°/n versetzt zueinander angeordnet sind, zur gleichen Zeit mit dem gleichen Strom beaufschlagt werden. The hollow cylindrical ironless winding 8 consists of several sub-coils of the same shape. According to the invention it is provided that the arrangement of the brushes and the interconnection of the partial coils are selected such that a number n> 2 of partial coils, which are arranged rotationally symmetrically offset from one another by 360 ° / n with respect to the axis of the rotor, are at the same time Time can be applied with the same current.
Ein Ausführungsbeispiel hierzu wird durch die schematische Darstellung der Spulenverschal tung in den Figuren 2 und 3 veranschaulicht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der nicht dargestellte Stator einen diametral magnetisierten zweipoligen Permanentmagneten auf. Der Rotor weist insgesamt zehn Teilspulen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j) auf, wobei der Kollektor fünf Kollektorlamellen (1a, 1b, 1c, 1 d, 1 e) aufweist. Die Teilspulen bilden fünf Paare (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) von in Bezug auf die Rotorachse jeweils punktsymmetrisch angeordneten Teilspulen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Hierzu ist jede Teilspule an einem Ende mit einer Kollektorlamelle verbunden und an dem jeweils anderen Ende mit der diametral gegenüberliegenden Teilspule. Diametral einander gegen überliegende Teilspulen werden somit durch Schaltungszwang jeweils vom gleichen Strom durchflossen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Abbildung lediglich schematischer Natur ist. Die Teilspulen sind durch das Symbol für Spulen dargestellt. In der Darstellung sind alle Verbindungen zu den Kollektorlamellen als elektrische Verbindungen, alle Linienkreuzungen hingegen nicht als elektrische Verbindungen zu verstehen. Die Bestromung erfolgt über die beiden in Figur 3 dargestellten Kollektorbürsten 3a und 3b, die vorzugsweise als Graphitbürsten ausgeführt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Bürsten 3a und 3b jeweils eine Breite aufweisen, die der Summe aus einer halben Kollektorteilung und dem Abstand zwischen zwei Kollektorlamellen entspricht, wobei die bei den Bürsten 3a, 3b derart angeordnet sind, dass der Beginn des Kommutierungsvorgangs der einen Bürste zeitgleich mit dem Abschluss des Kommutierungsvorgangs der jeweils anderen Bürste erfolgt. An exemplary embodiment for this is illustrated by the schematic representation of the coil circuit in FIGS. 2 and 3. In the embodiment shown, the stator, not shown, has a diametrically magnetized two-pole permanent magnet. The rotor has a total of ten sub-coils (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j), the collector having five collector lamellas (1a, 1b, 1c, 1d, 1e). The partial coils form five pairs (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) of partial coils which are arranged point-symmetrically with respect to the rotor axis and which are connected in series with one another are. For this purpose, each coil section is connected at one end to a collector lamella and at the other end to the diametrically opposite coil section. Partial coils lying diametrically opposite one another are therefore always traversed by the same current due to the compulsory switching. It should be noted that the illustration is only of a schematic nature. The partial coils are represented by the symbol for coils. In the illustration, all connections to the collector lamellas are to be understood as electrical connections, but all line crossings are not to be understood as electrical connections. The current is supplied via the two collector brushes 3a and 3b shown in FIG. 3, which are preferably designed as graphite brushes. It is particularly advantageous if the two brushes 3a and 3b each have a width which corresponds to the sum of half a collector pitch and the distance between two collector lamellas, the brushes 3a, 3b being arranged in such a way that the start of the commutation process of the one brush takes place at the same time as the commutation process of the other brush is completed.
Die Figur 4 zeigt eine Abwicklung der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung des Ausführungs beispiels aus den Figuren 2 und 3 mit einer Darstellung der Wcklungsgeometrie und der zu gehörigen Verschaltung der einzelnen Teilspulen. Die durchgezogenen Linien verdeutlichen die Verbindungen zwischen den Kollektorlamellen (1a, 1b, 1c, 1 d, 1 e) und den Teilspulen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j). Die gestrichelten Linien verdeutlichen die elektrischen Ver bindungen zwischen den Teilspulen eines jeden Teilspulenpaars. Die Verbindungen zwischen den T eilspulen eines jeden T eilspulenpaars können über den Spulendraht selbst oder über die Kollektorleiterplatte ausgeführt sein. Für das Spulenpaar (2a, 2f) wird die Stromrichtung in den beiden drehsymmetrisch um jeweils 180° versetzt zueinander angeordneten Teilspulen (2a, 2f) durch die beiden in Figur 4 abgebildeten Pfeile verdeutlicht. Die beiden Teilspulen (2a, 2f) werden bei diesem Ausführungsbeispiel, bei Betrachtung der jeweiligen Teilspule jeweils in Blickrichtung von außen auf den Mantel der hohlzylindrischen eisenlosen Wcklung, folglich in gegenläufigen Richtungen vom Strom durchflossen, also eine der beiden Teilspulen im Urzei- gersinn und die andere der beiden Teilspulen gegen den Urzeigersinn. FIG. 4 shows a development of the hollow cylindrical ironless winding of the exemplary embodiment from FIGS. 2 and 3 with a representation of the winding geometry and the associated interconnection of the individual sub-coils. The solid lines show the connections between the collector lamellas (1a, 1b, 1c, 1 d, 1 e) and the partial coils (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j). The dashed lines illustrate the electrical connections between the sub-coils of each sub-coil pair. The connections between the sub-coils of each sub-coil pair can be made via the coil wire itself or via the collector circuit board. For the coil pair (2a, 2f), the current direction in the two sub-coils (2a, 2f) arranged rotationally symmetrically offset from one another by 180 ° is illustrated by the two arrows shown in FIG. The two partial coils (2a, 2f) in this embodiment, when looking at the respective partial coil from the outside on the jacket of the hollow cylindrical ironless winding, consequently flows through the current in opposite directions, i.e. one of the two partial coils in the original sense and the the other of the two sub-coils counterclockwise.
Die Figur 5 zeigt ein Schaltschema für den Rotor eines erfindungsgemäßen vierpoligen DC- Elektromotors mit zehn Kollektorlamellen (1a, 1b, 1c, 1 d, 1e, 1 f, 1g, 1h, 1 i, 1 j) sowie zehn Teilspulen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j). Die Teilspulen bilden fünf Paare (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) von in Bezug auf die Rotorachse jeweils punktsymmetrisch an geordneten Teilspulen, die miteinander in Reihe geschaltet sind und deren beide Enden je weils mit einem Kollektorlamellenpaar leitend verbunden sind. Die jeweils gegenüberliegenden Kollektorlamellen sind zu fünf Paaren (1a, 1 f), (1c, 1h), (1e, 1 j), (1g, 1b), (1 i, 1d) miteinander verbunden, so dass sie sich durch Schaltungszwang auf dem gleichen elektrischen Potential befinden. Die Teilspulen eines Teilspulenpaars werden bei diesem Ausführungsbeispiel, an ders als beim Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2 bis 4, in derselben Richtung vom Strom durchflossen. Da gegenüberliegende Kollektorlamellen miteinander verbunden sind, kann selbst der darge stellte vierpolige Elektromotor grundsätzlich mit nur einem Bürstenpaar betrieben werden. In der dargestellten bevorzugten Ausführung wird der DC-Elektromotor jedoch mit zwei Bürsten paaren ausgestattet. Vorzugsweise gilt generell, dass ebenso viele Bürstenpaare zum Einsatz kommen sollten wie Polpaare vorhanden sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Bürstenpaar 3a, 3b analog zum Ausführungsbeispiel aus Figur 3 so ausgeführt, dass die Breite der Bürsten 3a, 3b in etwa der Summe aus der einer halben Kollektorteilung und dem Abstand zwischen zwei Kollektorlamellen entspricht, wobei die beiden Bürsten 3a, 3b derart angeordnet sind, dass der Beginn des Kommutierungsvorgangs der einen Bürste 3a zeitgleich mit dem Abschluss des Kommutierungsvorgangs der jeweils anderen Bürste 3b erfolgt. Die Bürsten 3a, 3b des ersten Bürstenpaars bestehen aus einem Material mit einem relativ niedri gen Leitwert. Das zweite Bürstenpaar 3c, 3d ist etwas schmaler ausgeführt und besteht aus einem Material mit einem höheren Leitwert. Dadurch wird der Strom vor dem Ende der Kom mutierung stärker reduziert, was die Neigung zur Funkenbildung verringert. Zudem werden Zusatzverluste durch bereits einsetzende induzierte Spannung während der Kommutierung mit dem besser leitfähigen Material verringert. Durch die Verwendung einer Bürste mit einem Material höherer Leitfähigkeit werden ferner die Verluste durch den Bürstenübergangswider stand verringert. FIG. 5 shows a circuit diagram for the rotor of a four-pole DC electric motor according to the invention with ten collector segments (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1 f, 1g, 1h, 1 i, 1 j) and ten sub-coils (2a, 2b , 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j). The sub-coils form five pairs (2a, 2f), (2c, 2h), (2e, 2j), (2g, 2b), (2i, 2d) of sub-coils arranged point-symmetrically with respect to the rotor axis, which are arranged in series with one another are connected and the two ends of which are conductively connected to a pair of collector lamellas. The opposite collector lamellae are connected to one another in five pairs (1a, 1 f), (1c, 1h), (1e, 1 j), (1g, 1b), (1 i, 1d), so that they are connected to one another by means of switching are at the same electrical potential. In this exemplary embodiment, the partial coils of a partial coil pair are traversed by the current in the same direction as in the exemplary embodiment from FIGS. Since opposite collector lamellas are connected to one another, even the four-pole electric motor shown can generally be operated with just one pair of brushes. In the preferred embodiment shown, the DC electric motor is equipped with two pairs of brushes. In general, it is preferable to use as many pairs of brushes as there are pole pairs. In the exemplary embodiment shown, the first pair of brushes 3a, 3b is designed analogously to the exemplary embodiment from FIG. 3 so that the width of the brushes 3a, 3b corresponds approximately to the sum of half a collector pitch and the distance between two collector lamellas, the two brushes 3a , 3b are arranged in such a way that the start of the commutation process of one brush 3a takes place at the same time as the end of the commutation process of the respective other brush 3b. The brushes 3a, 3b of the first pair of brushes are made of a material with a relatively low conductance. The second pair of brushes 3c, 3d is made somewhat narrower and consists of a material with a higher conductance. As a result, the current is reduced more before the end of the commutation, which reduces the tendency to spark. In addition, additional losses due to the induced voltage that has already set in are reduced during commutation with the better conductive material. By using a brush with a material of higher conductivity, the losses due to the brush transition resistance are also reduced.
Die Figur 6 schließlich zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Figur 4. Die Teil spulenpaare sind hier nicht in Reihe sondern parallel geschaltet. Finally, FIG. 6 shows a modification of the exemplary embodiment from FIG. 4. The partial coil pairs are not connected in series but in parallel here.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1a bis 1j Kollektorlamellen 2a bis 2j Teilspulen 3a bis 3d Bürsten 1a to 1j collector lamellas 2a to 2j sub-coils 3a to 3d brushes
4 bürstenkommutierter DC-Elektromotor4 brush-commutated DC electric motor
5 Stator 5 stator
6 Permanentmagnet 6 permanent magnet
7 Rotor 7 rotor
8 hohlzylindrische eisenlose Wicklung8 hollow cylindrical ironless winding
9 Achse 9 axis
10 Kollektor 10 collector
11 Hülse 11 sleeve
12 Welle 12 wave
13 Flansch 13 flange
14 Flansch (Bürstendeckel) 14 flange (brush cover)
15 Kugellager 15 ball bearings
16 Gehäuse (magnetischer Rückschluss) 16 housing (magnetic return)

Claims

Ansprüche Expectations
1. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4), mit einem Stator (5), welcher einen Perma nentmagneten (6) umfasst, mit einer Anzahl p von Polpaaren, und mit einem gegenüber dem Stator (5) drehbaren Rotor (7), welcher eine hohlzylindrische eisenlose Wicklung (8) mit einer geometrischen Achse (9) und einer Anzahl Q von Teilspulen (2a-2j), sowie einen Kollektor (10) mit einer Anzahl K von Kollektorlamellen (1 a-1 j) aufweist, wobei die Teilspulen (2a-2j) über den Umfang des Rotors (7) verteilt angeordnet sind, und wobei der bürstenkommutierte DC- Elektromotor (4) ferner zumindest ein Paar von Bürsten (3a-3d) aufweist, die in Kontakt mit dem Kollektor (10) stehen und über welche die Teilspulen (2a-2j) bestromt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Bürsten (3a-3d) und die Verschaltung der Teilspu len (2a-2j) derart gewählt sind, dass jeweils eine Anzahl n>2 von Teilspulen (2a-2j), die in Bezug auf die Achse (9) des Rotors (7) drehsymmetrisch um jeweils 360°/n versetzt zueinan der angeordnet sind, immer zur gleichen Zeit mit dem gleichen Strom beaufschlagt werden. 1. Brush-commutated DC electric motor (4), with a stator (5) which comprises a permanent magnet (6), with a number p of pole pairs, and with a rotor (7) which is rotatable with respect to the stator (5) and which has a Hollow-cylindrical ironless winding (8) with a geometric axis (9) and a number Q of partial coils (2a-2j), as well as a collector (10) with a number K of collector lamellas (1 a-1 j), the partial coils ( 2a-2j) are arranged distributed over the circumference of the rotor (7), and wherein the brush-commutated DC electric motor (4) furthermore has at least one pair of brushes (3a-3d) which are in contact with the collector (10) and via which the sub-coils (2a-2j) are energized, characterized in that the arrangement of the brushes (3a-3d) and the interconnection of the sub-coils (2a-2j) are selected in such a way that a number n> 2 of sub-coils ( 2a-2j), which are offset relative to one another in a rotationally symmetrical manner by 360 ° / n in relation to the axis (9) of the rotor (7) which are arranged, always have the same current applied to them at the same time.
2. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (2a-2j) zumindest in einer Projektion auf einen Mantel der hohlzylindri schen eisenlosen Wicklung (8) eine einheitliche Form aufweisen. 2. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 1, characterized in that the partial coils (2a-2j) have a uniform shape, at least in a projection onto a jacket of the hohlzylindri's ironless winding (8).
3. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils n drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleich zeitig bestromten Teilspulen (2a-2j) in Reihe geschaltet sind. 3. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 1 or 2, characterized in that the n each of the n sub-coils (2a-2j) which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time are connected in series.
4. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils n drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleich zeitig bestromten Teilspulen (2a-2j) parallel geschaltet sind. 4. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 1 or 2, characterized in that the n each of the n sub-coils (2a-2j) which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time are connected in parallel.
5. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl p von Polpaaren gleich 1 ist, wobei der Kollektor (10) eine ungerade Anzahl K>3 von Kollektorlamellen (1a-1j) aufweist, wobei die Anzahl Q von Teilspu len (2a-2j) gleich 2-K beträgt, und wobei die Anzahl n der jeweils drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen (2a-2j) 2 beträgt. 5. Brush-commutated DC electric motor (4) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the number p of pole pairs is equal to 1, the collector (10) having an odd number K> 3 of collector segments (1a-1j) , wherein the number Q of partial coils (2a-2j) is equal to 2-K, and the number n of the partial coils (2a-2j) which are arranged rotationally symmetrically to one another and are always energized at the same time is 2.
6. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilspule (2a-2j) an einem Ende mit einer Kollektorlamelle (1 a-1 j) und an dem je weils anderen Ende mit der diametral gegenüberliegenden Teilspule (2a-2j) verbunden ist. 6. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 5, characterized in that each coil section (2a-2j) at one end with a collector lamella (1 a-1 j) and at the other end with the diametrically opposite coil section ( 2a-2j) is connected.
7. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl p von Polpaaren größer 1 ist, wobei der Kollektor (10) eine Anzahl K=k p von Kollektorlamellen (1 a-1 j) aufweist, wobei k eine ungerade Zahl >3 ist, wobei die Anzahl Q von Teilspulen (2a-2j) gleich q p ist, wobei die Zahl q entweder der Zahl k oder dem Zweifachen der Zahl k entspricht, und wobei die Anzahl n der jeweils drehsymmetrisch zueinander angeordneten und immer gleichzeitig bestromten Teilspulen (2a-2j) der Zahl p ent spricht, wenn q=k ist, oder dem Zweifachen von p entspricht, wenn q=2 k ist, wobei jeweils eine Anzahl p von Kollektorlamellen (1 a-1 j), die in Bezug auf die Achse (9) des Rotors (7) ebenfalls drehsymmetrisch um jeweils 360°/p versetzt zueinander angeordnet sind, rotorseitig leitend miteinander verbunden sind. 7. Brush-commutated DC electric motor (4) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the number p of pole pairs is greater than 1, the collector (10) having a number K = kp of collector segments (1 a-1 j) where k is an odd number> 3, the number Q of sub-coils (2a-2j) is equal to qp, where the number q corresponds to either the number k or twice the number k, and where the number n of each is rotationally symmetrical Partial coils (2a-2j) arranged in relation to one another and always energized at the same time correspond to the number p if q = k, or corresponds to twice p if q = 2 k, with a number p of collector lamellas (1 a-1 j), which are also arranged rotationally symmetrically offset from one another by 360 ° / p with respect to the axis (9) of the rotor (7), and are conductively connected to one another on the rotor side.
8. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bürsten (3a, 3b) des Paars von Bürsten jeweils eine Breite aufweisen, die der Summe aus einer halben Kollektorteilung und dem Abstand zwischen zwei Kollektorlamellen (1 a-1 j) entspricht, wobei die beiden Bürsten (3a, 3b) derart angeordnet sind, dass der Beginn des Kommutierungsvorgangs der einen Bürste (3a, 3b) des Paars zeitgleich mit dem Abschluss des Kommutierungsvorgangs der jeweils anderen Bürste (3a, 3b) des Paars erfolgt. 8. Brush-commutated DC electric motor (4) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the two brushes (3a, 3b) of the pair of brushes each have a width that is the sum of half a collector pitch and the distance between two Collector lamellas (1 a-1 j), the two brushes (3a, 3b) being arranged in such a way that the start of the commutation process of one brush (3a, 3b) of the pair coincides with the completion of the commutation process of the other brush (3a , 3b) of the couple.
9. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Bürsten (3a, 3b) ein erstes Paar von Bürsten (3a, 3b) ist, wobei der bürstenkommutierte DC-Elektromotor (4) ferner zumindest ein weiteres Paar von Bürsten (3c, 3d) aufweist, die ebenfalls in Kontakt mit dem Kollektor (10) stehen, wobei die beiden Bürsten (3c, 3d) des weiteren Paars von Bürsten (3c, 3d) jeweils eine Breite aufweisen, die geringer ist als die Breite der Bürsten (3a, 3b) des ersten Paars von Bürsten (3a, 3b). 9. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 7 in conjunction with claim 8, characterized in that the pair of brushes (3a, 3b) is a first pair of brushes (3a, 3b), the brush-commutated DC electric motor ( 4) furthermore has at least one further pair of brushes (3c, 3d) which are also in contact with the collector (10), the two brushes (3c, 3d) of the further pair of brushes (3c, 3d) each having a width which is less than the width of the brushes (3a, 3b) of the first pair of brushes (3a, 3b).
10. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten (3c, 3d) des zumindest einen weiteren Paars von Bürsten (3c, 3d) aus einem Material bestehen, welches einen höheren Leitwert aufweist als das Material, aus dem die Bürsten (3a, 3b) des ersten Paars von Bürsten (3a, 3b) bestehen. 10. Brush-commutated DC electric motor (4) according to claim 9, characterized in that the brushes (3c, 3d) of the at least one further pair of brushes (3c, 3d) are made of a material which has a higher conductance than the material, of which the brushes (3a, 3b) of the first pair of brushes (3a, 3b) are made.
11. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Teilspulen (2a-2j) die gleiche Form aufweisen. 11. Brush-commutated DC electric motor (4) according to one of claims 1 to 10, characterized in that all sub-coils (2a-2j) have the same shape.
12. Bürstenkommutierter DC-Elektromotor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (2a-2j) in Bezug auf die Achse (9) des Rotors (7) ge sehnt und/oder geschrägt ausgeführt sind. 12. Brush-commutated DC electric motor (4) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the sub-coils (2a-2j) with respect to the axis (9) of the rotor (7) longs and / or are designed beveled.
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