KR102588007B1 - 2-극 브러시-정류식 dc 전기 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고정자와 회전자를 구비하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터로서, 상기 회전자에는 n개의 코일 단편을 구비하는 중공-원통형 철심 없는 권선과, n개의 정류자 단편을 구비하는 정류자가 제공되고, 각 코일 단편은 2개의 인접한 정류자 단편에 전기적으로 연결되고, 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고 코일 단편의 중력 중심을 통과하는 중력 축 또는 상기 중력 중심을 통과하는 상기 코일 단편의 중심 라인과 상기 회전자 축은 상기 연관된 코일 단편의 각도 위치를 한정하는 코일 평면에 걸쳐 있고, 이 코일 단편에 전기적으로 연결된 상기 정류자 단편들의 2개의 브러시 접촉 표면들은 서로 거리를 가지고, 거리 이등분선은 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고, 상기 거리 이등분선과 상기 회전자 축은 상기 연관된 정류자 단편들의 각도 위치를 한정하는 정류자 평면에 걸쳐 있고, n은 자연수인, 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터에 관한 것이다. 이를 위해, 상기 코일 단편의 코일 평면은 상기 연관된 정류자 단편들의 상기 정류자 평면에 대해 상기 회전자 축 주위로 45° 초과 내지 135° 미만의 각도 범위의 보정 각도만큼 회전되어 배열된다. 나아가, 본 발명은 이렇게 구성된 회전자에 관한 것이다.

Description

2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터{TWO-POLE BRUSH-COMMUTATED DC ELECTRIC MOTOR}
본 발명은, 고정자와 회전자를 구비하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터로서, 상기 회전자에는 n개의 코일 단편(코일)을 구비하는 중공-원통형 철심 없는 권선과, n개의 정류자 단편을 구비하는 정류자가 제공되고, 각 코일 단편은 2개의 인접한 정류자 단편에 전기적으로 연결되고, 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고 코일 단편의 중력 중심을 통과하는 중력 축 또는 상기 중력 중심을 통과하는 상기 코일 단편의 중심 라인과 상기 회전자 축은 상기 연관된 코일 단편의 각도 위치를 한정하는 코일 평면에 걸쳐 있고, 동일한 코일 단편에 전기적으로 연결된 상기 정류자 단편들의 2개의 브러시 접촉 표면들은 서로 거리를 가지고, 거리 이등분선은 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고, 상기 거리 이등분선과 상기 회전자 축은 상기 연관된 정류자 단편들의 각도 위치를 한정하는 정류자 평면에 걸쳐 있고, n은 자연수인, 상기 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터에 관한 것이다.
이러한 DC 전기 모터는 예를 들어 DE 102010049524 A1에 알려져 있다. 이것은, 개별 코일 단편들이 중공 원통체의 축방향과 비스듬히 이어지고 정류를 위해 연관된 정류자 단편들에 연결된, 중공-원통형 철심 없는 권선을 구비하는 회전자 시스템을 갖는 모터이다. 이를 위해, 상기 권선의 전방 면 측에서 나가는 권선 탭(winding tap)들은 방사방향으로 굴곡되고 별-형상의 방식으로 안쪽으로 안내되는데, 여기서 이 권선 탭들은 연관된 정류자 단편에 전기적으로 연결된다. 서로 전기적으로 절연된 복수의 정류자 단편에 의해 형성된 원통형 정류자는 정반대쪽에 배치된 2개의 브러시와 슬라이딩 접촉한다. 이들 브러시는 스프링 디바이스를 포함하고, 이 스프링 디바이스에 의해 이들 브러시는 정류자로 가압되어, 재킷 표면(jacket surface)의 표면에 수직으로 작용하는 브러시 접촉 힘이 발생한다. DC 모터에서, 코일 단편의 전류는 정류 동안 브러시에 의해 코일 단편을 단락시키는 것에 의해 제일 먼저 중단되고 나서 이후 다시 반전된 극성 부호를 가지고 생성된다. 코드를 가지거나 또는 기울어진 권선들이 일반적으로 이러한 2-극 DC 모터에 사용된다. 축방향과 비스듬히 이어지는 권선 와이어 경로를 구비하는 사용가능한 철심 없는 권선의 예로는 1188709 B, DE 1463855 A1, DE 1538843 A1, DE 1613168 A1, DE 102005051059 A1, EP 2180581 A2, EP 1073179 A2 및 DE 102014102204 A1에 설명된다. 이들 문헌으로부터 코일 단편들이 다각형 형상이거나 또는 마름모 형상인 것이 바람직한 것은 명백하다. 각 코일 단편은 특정 개수의 권선으로 구성되고 그리하여 회전자 축 주위로 회전하는 굴곡된 3차원 구조를 나타낸다. 철심 없는 권선이 지배적인 경우에, 정류자 단편들에 연결된 권선 탭들은 연관된 정류자 단편 외부에 방사방향으로 위치된다. 이 권선 탭들은 이후 상대적으로 짧은 전도체에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 공간적 이유 때문에, 특히 작은 특수한 형상을 통해 이들 탭을 45°각도로 비스듬히 연결하는 것이 유리할 수 있다. 하나의 이러한 실시예는 JP 2002-64966 A에 설명된다.
브러시 평면이 자기 평면(magnetic plane)에 대해 회전하는 것에 의해 진동이-감소된 방식으로 스토퍼(stopper)로 이어도록 적층된 코어를 포함하는 회전자를 갖는 작은 전기 모터가 EP 2104205 A1에 알려져 있다. 또한 자석에 대해 브러시의 회전을 보상하기 위해 정류자는 권선에 대해 각각 역회전된다.
2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터의 고정자에서는 원통형 영구 자석이 중공-원통형 철심 없는 권선의 내부에 삽입될 수 있다. 외부에는 자기 전도성 요크 슬리브가 배치된다.
이러한 전기 모터는 철심없는 회전자로 인해 디텐트 토크(detent torque)를 제공하지 않아서, 작은 회전 속력에서는 급격한 움직임 없이 회전자를 동작시킬 수 있어서, 일반적으로 더 적은 진동과 잡음을 초래한다. 그 결과, 임의의 원하는 회전자 위치로 용이하게 제어될 수 있고 제어 동작에 비-선형성이 제공되지 않는다. 회전자에 철심이 없는 것으로 인해, 철심의 손실이 없고 일정한 자화가 일어난다. 이것은 (90%를 초과하는) 고효율과 (일반적으로 50 mA 미만의) 낮은 무부하 전류를 초래한다. 이에 따라 철심 코어가 포화되는 효과가 회피된다. 나아가, 생성된 토크는 최고 전류에서도 모터 전류에 엄격히 비례하여 유지된다. 모터의 동력은 사용되는 영구 자석의 세기에 따라 좌우된다. 또한 회전자의 작은 질량 관성은 유리하고 높은 동역학(dynamics)과 작은 준비 시간(run-up time)을 초래한다. 이들 모터는 널리 사용되고 일반적으로 우수한 동작 거동을 제공하지만, 정류자 구역에 종종 진동이 발생하여, 전류가 변조되고 이에 따라 이후 이를 피드백하는 것으로 인해 진동이 증폭되는 문제가 실제로 발견되었다.
그리하여 본 발명의 목적은, 진동 거동이 개선된 것으로 인해 전류 변조가 감소된, 초기에 언급된 유형의 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터를 제공하는 것이다.
이를 위해, 서두에 언급된 유형의 일반적인 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터에서, 코일 단편(코일)의 코일 평면이 연관된 정류자 단편의 정류자 평면에 대해 회전자 축 주위로 45° 초과 내지 135° 미만의 각도 범위의 보정 각도(correction angle)(α)만큼 회전되어 배열되는 것으로 제공된다.
본 발명자는 - 특히 코일 단편들이 중공 원통체의 축방향에 대해 비스듬히 연장되는 것을 통해 - 직경방향으로 발생하는 힘 또는 (권선 유형에 따라) 회전축에 횡방향으로 연장되는 토크가 전류와 연관된다는 것을 인식하였다. 두 효과는 정류자 위치에서 방사 방향으로 회전자를 편향시킬 수 있다. 정류자의 이 측방향 운동이 브러시 방향으로 성분을 가지는 경우, 브러시 접촉 압력이 변조되고 그에 따라 전류가 변조된다. 그리하여 본 발명에서는 이 힘 영향 또는 토크 영향을 각각 유리하게 감소시키거나 억압하는 것이 시도된다. 물론 정류되는 권선 단편(즉, 코일 단편) 내 전류에 의해 발생하는 힘과 토크의 방향이 브러시 접촉 방향에 실질적으로 수직으로 작용하여, 브러시 접촉을 통한 피드백이 회피되는 경우 가장 유리할 수 있다. 그러나, 브러시 접촉을 통한 피드백이 알려진 실시예에 비해 감소될 때 장점은 이미 발생한다. 작용하는 힘의 방향은 코일 평면과 정류자 평면 사이에 보정 각도만큼 변하여, 브러시 접촉 방향으로 브러시에 영향을 미치는 것이 감소되거나 또는 억압될 수 있다. 권선 또는 개별 코일 단편들이 그 형상의 다양성과 그 3차원 배열 면에서 설명하는 것이 곤란하기 때문에, 코일 단편의 중력 중심은 본 경우에 맞추어진다. 또한 이 코일 단편에 발생하는 힘은 대부분의 경우에 각각 이 중력 중심과 관련되고 또는 발생하는 모멘트는 중력 중심에 작용한다. 회전자 축과 함께 회전자 축에 수직인 중력 축은 일반적으로 코일 평면에 걸쳐 있고 이 코일 평면은 대부분의 경우에 코일 단편을 2개의 대칭적인 절반으로 분할한다. 코일 평면은 코일 단편들 각각에 대해 결정될 수 있고 이 코일 단편들은 각각 인접한 코일 단편의 코일 평면에 대한 특정 각도값만큼 회전자 축 주위로 회전되어 배열된다.
정류자 단편들의 회전 각도 위치는 동일한 방식으로 정류자 평면에 의해 한정된다. 2개의 인접한 정류자 단편들 각각은 이들 사이에 걸쳐 있는 정류자 평면을 한정한다. 브러시가 2개의 인접한 정류자 단편의 브러시 접촉 표면과 대칭적으로 접촉할 때 이 정류자 평면은 일반적으로 또한 연관된 브러시의 접촉 표면을 2개의 절반으로 분할한다. 종래의 구성에 비해, 권선은 미리 결정된 보정 각도만큼 정류자에 대해 거의 회전되어 배열된다. 이들 브러시는 각각 이러한 회전을 따른다.
DE 1538843 A1, DE 1463855 A1, DE 102005051059 A1, EP 2180581 A2 및 DE 102014102204 A1에 따른 권선은 회전자 시스템의 진동을 감소시키기 때문에 본 발명은 사용될 때 이들 문헌에 따른 권선을 가지는 것이 특히 유리한 것으로 발견되었다.
본 발명의 장점은 보정 각도가 일 실시예에서 60°내지 120°, 바람직하게는 75°내지 105°의 각도 범위에 있을 때 이미 매우 현저하다. 특정 장점 중에는 물론 보정 각도가 실질적으로 90°인 일 실시예가 있다. 대부분의 유형의 권선에서, 발생하는 힘은 이에 의해 정류자에 실질적으로 접선 방향으로 작용하고 그리하여 브러시 접촉과 수직 방향으로 작용하여, 흉부(breast)[sic] 방향으로 정류자가 변위하는 것이 최소화된다.
본 발명은 이 회전자는 철심이 없는 것으로 인해 낮은 회전 질량을 가지기 때문에 중공-원통형 철심 없는 권선을 가지는 회전자에 특히 유리하다. 그러나, 이 회전자는 그리하여 또한 횡방향 힘에 의해 방사방향으로 보다 용이하게 편향될 수 있다. 베어링의 설계는 물론 또한 이 방사방향 편향 면에서 특정 영향을 제공한다.
특히 일 실시예에 따라 권선의 개별 코일 단편들이 회전자 축에 대해 비스듬히 적어도 상당히 이어질 때 횡방향 힘이 발생한다. 이것은 특히 코일 단편들이 다각형 형상과 마름모-형상의 배열을 갖는 경우이다. 본 발명의 장점은 여기서 특히 현저하다. 그리하여 일 변형에 따라, 권선의 생성에서 코일 단편들의 개별 턴(turn)들 각각은 마름모 형상을 구비하고, 상기 마름모 형상의 (라운드될 수 있는) 전방 팁(tip)과 후방 팁은 권선의 면측(face side)에 위치될 수 있다. 이 생성은 현재 권선이 편평한, 즉 스트립-형상의 배열을 나타내고, 여기서 이 생성된 권선의 길이는 중공-원통형 철심 없는 권선의 외주에 대응한다.
바람직하게는, 코일 단편의 처음 턴과 코일 단편의 마지막 턴에는, 각각 연관된 정류자 단편에 전기적으로 연결된 권선 탭이 각각 제공될 수 있다. 처음 턴과 마지막 턴은 현재 정류에 수반되는 실제 턴이고 거짓 턴이 아니어서, 능동 코일 단편이라 언급된다. 그리하여 코일 단편은 2개의 인접한 정류자 단편에 전기적으로 연결되어서, 이 2개의 정류자 단편을 가교(bridging)시키는 브러시는 이 코일 단편을 단락시킨다.
상기 코일 단편과 상기 정류자 단편 사이에 최단 가능한 연결 경로를 제공하기 위하여, 상기 권선 탭들이 바람직하게는 상기 정류자에 가장 가까운 권선 면측에 배열된다.
유리한 실시예에서 상기 권선 탭은 상기 보정 각도를 가교하기 위하여 상기 권선으로부터 비스듬히 안내되는 것으로 제공된다. 이런 방식으로, 보정 각도에도 불구하고 상대적으로 짧은 연결 경로들이 여전히 유지된다.
나아가, 상기 권선 와이어로부터 형성되거나 또는 상기 정류자의 일부이거나 또는 PCB 회로에 의해 형성된 전도체를 사용하여 상기 권선 탭과 상기 연관된 정류자 단편이 연결되는 것으로 제공될 수 있다. 여기서 상기 모터의 설계에 따라 그리고 비용 면에서 가장 바람직한 연결 기술이 사용될 수 있다. 또한 정류를 더 개선시키는 추가적인 회로(예를 들어, CLL 판)를 삽입하는 옵션이 존재한다.
특히 상기 고정자가 주 자화 방향을 갖는 영구 자석을 포함하고, 상기 정류자가 2개의 직경방향으로 배열된 정류자 브러시를 포함하고, 상기 브러시들의 공통 축은 상기 보정 각도만큼 (회전자 축(A) 주위로) 실질적으로 회전되어 배향되는, 바람직하게는 상기 주 자화 방향에 대해 수직으로 배향되는, 2-극 시스템이 용이하게 생성될 수 있다. 이 배열은 이미 상기 권선의 보정 각도를 고려하고, 이에 의해 이 배열은 이미 특이한 것이고 각 장점을 수반한다. 그러나, 주 자화 방향에 대해 정류자 브러시들의 공통 축이 45° 초과 내지 135° 미만, 바람직하게는 60°내지 120°, 보다 바람직하게는 75°내지 105°의 각도 범위의 개별 보정 각도만큼 회전자 축 주위로 회전되는 장점이 이미 획득된다.
유리하게는, 상기 정류자 브러시는 일 실시예에 따라 스프링 디바이스를 사용하는 것에 의해 정류자로 가압될 수 있다. 수반되는 요소들 사이의 마찰을 적절한 한계 내에서 유지하는 측정된 접촉 압력이 예상되는 간단한 구성에 의해 실질적으로 균일한 접촉 힘이 획득될 수 있다. 또한 정류자 브러시의 마모는 이 정류자 브러시를 추적하는 것에 의해 자동적으로 보상된다.
흑연 브러시 또는 귀금속 브러시가 바람직하게는 사용될 수 있다. 보통 구리 부분을 가지는 흑연 브러시는 방사방향으로 변위가능하게 장착되거나 또는 선회가능하게 배열되고 일종의 후크 또는 각도 형상을 구비한다. 귀금속 브러시는 일반적으로 접촉 영역에 실버 코팅을 갖는 구리로 만들어진 판 스프링이다.
상기 정류자 단편들은 바람직하게는 원통형 정류자를 형성하고, 여기서 상기 정류자 브러시는 정류자의 원통형 재킷 표면으로 직경방향으로 가압된다. 이런 유형의 정류자는 그 자체가 입증된 것이고, 정류자 단편의 개수에 따라, 정류자 직경을 상대적으로 작게 할 수 있어서, 마찰 부품들 사이의 상대적인 속력을 또한 낮게 유지할 수 있다.
나아가, 본 발명은 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터를 위한 회전자에 관한 것이다. 상기 회전자는 n개의 코일 단편을 구비하는 중공-원통형 철심 없는 권선과, n개의 정류자 단편을 구비하는 정류자를 포함하고, 각 코일 단편은 2개의 인접한 정류자 단편에 전기적으로 연결되고, 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고 코일 단편의 중력 중심을 통과하는 중력 축 또는 상기 중력 중심을 통과하는 상기 코일 단편의 중심 라인과 상기 회전자 축은 상기 연관된 코일 단편의 각도 위치를 한정하는 코일 평면에 걸쳐 있고, 이 코일 단편에 전기적으로 연결된 상기 정류자 단편들의 2개의 브러시 접촉 표면들은 서로 거리를 가지고, 거리 이등분선은 상기 회전자 축과 수직으로 교차하고, 상기 거리 이등분선과 상기 회전자 축은 상기 연관된 정류자 단편들의 각도 위치를 한정하는 정류자 평면에 걸쳐 있고, n은 자연수이고, 상기 코일 평면은 상기 연관된 코일 단편의 상기 정류자 평면에 대해 회전자 축 주위로 45° 초과 내지 135° 미만의 각도 범위의 보정 각도(α)만큼 회전되어 배열된다. 또한 이러한 회전자는 브러시 배열의 각도 위치가 또한 보정될 수 있는 경우 기존의 모터를 위한 교환 회전자로도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 종래의 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터의 개략 분해도;
도 2는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터를 위한 종래의 회전자의 정류자 측의 개략 단면도;
도 3은 회전자의 권선 변형의 개략도;
도 4는 회전자의 추가적인 권선 변형의 개략도;
도 5는 종래의 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터의 브러시를 갖는 생성된 권선과 그 연관된 정류자의 개략도;
도 6은 본 발명에 따른 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터의 브러시를 갖는 생성된 권선과 그 연관된 정류자의 개략도; 및
도 7은 본 발명에 따른 회전자의 변형의 정류자 측의 개략 정면도.
종래의 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1)의 구성이 이제 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명된다. 철심없는 DC 전기 모터(1)의 본질적인 부품은 고정자(2)와 회전자(3)이다. 고정자(2)는 본질적인 부품으로서, 중공-원통형 영구 자석(4), 영구 자석(4)을 위치시키는 플랜지(5), 철심으로 만들어지고 슬리브로 형성된 자기적인 요크(6), 및 2개의 정류자 브러시(8.1 및 8.2)가 선회가능하게 장착되는 전방 플랜지(7)를 포함한다. 고정자(2)의 추가적인 부품은 플랜지(5 및 7)에 배열된 볼 베어링(9.1 및 9.2)과 밀봉부(10)이다.
회전자(3)는 본질적인 부품으로서, 샤프트(12), 자가 지지된(self-supporting) 중공-원통형 철심 없는 권선(13), 여러 정류자 단편(14.1-14.13)(본 경우에 13개)으로 구성된 정류자(14), 및 이 정류자(14)와 권선(13)을 샤프트(12)에 연결하는 정류자 판(15)을 포함한다. 회전자(3)의 추가적인 부품은, 잠금장치(lock)로 기능하고 샤프트(12)의 외부 단부들에 가압되는 정류자 비어 링(commutator vee ring)(16.1 및 16.2)이다. 플랜지(5)에 대해 영구 자석(4)을 위치시키는 것은 슬리브(11)를 2개의 요소에 가압하는 것에 의해 수행된다. 또한 도 1로부터 정류자 단편(14.1-14.13)들은 L-형상으로 굴곡되고, 함께 전방 구역에서 원통형 정류자(14)를 형성하는 반면, 다른 L-레그(leg)들은 방사방향으로 바깥쪽으로 돌출하고 개별 코일 단편(13개의 코일 단편)들에 전기적으로 연결되는 것을 볼 수 있다. 나아가 조립된 상태에서 자가 지지된 권선(13)은 영구 자석(4)의 재킷 표면과 요크(6)의 내부 표면 사이 공기 갭에서 회전하는 것을 볼 수 있다.
도 2는 예로서 회전자(3)의 정류자 단부의 대안적인 구성을 도시한다.
정류자 단편(15)은 사출 성형에 의해 생성되고, 개별 정류자 단편(14.1 내지 14.13) 사이에 절연층 또는 공간이 각각 존재하도록 이들 정류자 단편들을 결합시킨다. 샤프트(12)에는, 이 구역에 정류자 단편(15)을 더 잘 접착시키기 위해 널(knurl)(17)이 제공된다. 중공-원통형 권선(13)의 면측에서 권선 탭(18.1 내지 18.13)이 나타난다. 이들 탭은 본 경우에, 이 지점에서 나타나서 방사방향으로 안쪽으로 안내되고 나서, 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.13)의 방사방향 레그에 연결되는 권선 와이어의 부품으로 형성된다. 나아가, 이 연결부를 보호하는 커버 물질(19)이 제공된다.
상기 설명은 권선 탭(18.1 내지 18.13)이 정류자 단편(14.1 내지 14.13)의 연관된 레그의 바로 외부에 방사방향으로 위치된 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1)와 관련된 것이다. 정류자 브러시(8.1 및 8.2)의 배향은 이들 브러시가 정확히 영구 자석(4)의 주 자화 축의 방향으로 정류자(14)와 접촉하도록 구성된다. 정류자 브러시(8.1 및 8.2)는 본 경우에 레그 스프링에 의해 가압되는 선회가능하게 배열된 (구리 함량을 갖는) 흑연 브러시에 의해 배열된다.
적절한 권선 유형은 공보 DE 1538843 A1, DE 102005061059 A1, EP 2180581 A2 및 DE 102014102204 A1에 설명된 권선이다. 13개의 요구되는 개수의 코일 단편은 물론 존재하여야 한다.
그러나, 코일 단편과 정류자 단편의 개수는 현재 관련성이 없다. 그러나 대체로, 예를 들어 5개 또는 7개의 홀수 개가 사용된다.
코일 단편의 여러 위치 옵션과 형상이 이제 예로서 도 3 및 도 4를 참조하여 도시된다.
도 3은 전체 중공-원통형 권선(13) 주위로 비스듬히 연장되는 코일 단편(13.1)을 도시한다. 코일 단편(13.1)은 여러 턴으로 구성되고, 평면도에서 보면, 타원형 형상을 구비하고, 슬리브-형상의 권선(13)의 일측면으로부터 타측면으로 연장된다. 그리하여 코일 단편(13.1)은 부분적으로 회전자 축(A) 위에 위치되고, 부분적으로 회전자 축(A) 아래에 위치된다. 이 코일 단편(13.1)의 각도 위치를 결정하기 위하여, 그 중력 중심(S)이 결정된다. 이 특정 경우에, 중력 중심(S)이 회전자 축(A)에 정확히 위치되고, 이 이유 때문에 회전자 축(A)에 수직으로 중력 축을 고정하는 것이 곤란하다. 이 경우에, 중력 중심을 통과하는 중심 라인(MS1)이 그려지고, 코일 단편(13.1)을 2개의 동일한 절반으로 분할하거나, 또는 코일 단편(13.1)의 최장 연장선을 각각 결정하는 것으로 해결할 수 있다. 이 중심 라인(MS1)은 회전자 축(A)과 함께 코일 평면(ES1)에 걸쳐 있다. 코일 평면(ES1)은 그리하여 회전자 축(A)에 수직으로 배치된다. 회전자(3)에서 코일 단편(13.1)의 각도 위치는 이에 의해 이 코일 평면(ES1)을 위치시키는 것에 의해 정확히 한정될 수 있다. 이 과정은 모든 다른 코일 단편(13.2 내지 13.7)과 그 연관된 코일 평면(ES2 내지 ES7)에 대해서도 동일하게 결정된다.
도 4에 도시된 권선 유형에서, 이것은 다소 더 간단하다. 중력 중심(S)은 여기서 회전자 축(A)에 위치되어 있지 않다. 코일 단편(13.1)은 중심에서 굴곡 지점이나 반전 지점(reversal point)을 구비하여, 코일 단편이 회전자 축(A)에 대해 실질적으로 일측에 위치되고 2개의 비스듬한 부분 구역을 포함한다. 중력 축(AS)은 중력 중심(S)을 통해 정확히 이어지고, 회전자 축(A)에 수직이다. 중력 축(AS1)과 회전자 축(A)은 이제 회전자(3)에서 코일 단편(13.1)의 각도 위치를 지정하는 코일 평면(ES1)에 걸쳐 있다. 예를 들어 코일 단편(13.1)이 0°의 각도를 한정하는 경우, 다른 코일 단편(13.2 내지 13.7)은 이용가능한 360°에 대해 미리 결정된 각도 단계들로 적절히 분배된다. 도 4에 도시된 권선 유형은 가장 일반적인 것이다. 이 절차는 모든 다른 코일 단편(13.2 내지 13.7)과 그 연관된 코일 평면(ES2 내지 ES7)에 대해서도 동일하게 결정된다.
도 4와 유사한 권선 형태에서 7개의 코일 단편(13.1 내지 13.7)과 7개의 정류자 단편(14.1 내지 14.7)을 갖는 연관된 정류자(14)에서 배열 상황은 이제 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명된다. 7개의 권선 탭(18.1 내지 18.7)과 7개의 코일 단편(13.1 내지 13.7)을 갖는 철심 없는 권선(13)의 생성이 개략적으로 도시된다. 이 배열은 예로서 (볼드체로 도시된) 코일 단편(13.5)을 사용하여 설명된다. 개략도에서, 코일 단편(13.5)은 5개의 턴을 포함한다. 처음 턴과 마지막 턴에는 권선 탭(18.5)과 권선 탭(18.6)이 각각 배치되고, 여기서 권선 탭(18.6)은 코일 단편(13.6)의 처음 턴의 권선 탭을 동시에 나타낸다. 유사한 방식으로 권선 탭(18.5)은 코일 단편(13.4)의 마지막 턴의 권선 탭을 나타낸다. 권선 탭(18.5)은 정류자 단편(14.5)에 전기적으로 연결된다. 권선 탭(18.6)은 동일한 방식으로 정류자 단편(14.6)에 전기적으로 연결된다. 도 5에서 각도 표시는 코일 단편(13.5)이 각도 0°로 정확히 중심에 배열된 것을 도시한다. 정류자 단편(14.5 및 14.6)의 브러시 접촉 표면(K5 및 K6)은 간격(AK5)을 구비한다. 간격(AK5)의 정확히 중심에는 거리 이등분선(HA5)(직선 라인)이 형성되고, 이 거리 이등분선은 회전자 축(A)과 수직으로 교차한다(이 거리 이등분선은 도 5의 도면 평면과 수직으로 배치된다). 회전자 축(A)과 거리 이등분선(HA5)은 2개의 정류자 단편(14.5 및 14.6)의 각도 위치를 정확히 한정하는 평면(EK5)에 걸쳐 있다. 이 평면(EK5)은, 본 경우에 정확히 0°에 있어서 코일 단편(13.5)의 코일 평면(ES5)에서와 동일한 각도에 대응하는 2개의 정류자 단편(14.5 및 14.6)들 사이 정확히 중심에 연장된다. 권선 탭(18.5 및 18.6)으로부터 라인은 이에 의해 또한 연관된 정류자 단편(14.5 및 14.6)으로 방사방향 안쪽으로만 안내되어야만 한다. 이러한 배열에 의해, 코일 평면(ES1 내지 ES7)은 그리하여 연관된 정류자 단편(EK1-EK7)과 동일하다.
도 5는 또한 2개의 정류자 브러시(8.1 및 8.2)의 대응하는 위치를 도시한다. 정류자 브러시(18.2)는 2개의 정류자 단편(14.5 및 14.6)과 정확히 대칭적으로, 즉 정류자 단편(14.5 및 14.6)의 연관된 브러시 접촉 표면(K5 및 K6)과 대칭적으로 접촉한다. 정류자 단편(14.5 및 14.6)들 사이의 코일 단편(13.5)은 브러시(8.2)에 의해 단락된다. 이 코일 단편(13.5)에서 전류는 브러시(8.1 및 8.2)의 평면에 정확히 위치된 힘을 생성한다. 브러시(8.1)는 또한 정확히 정반대쪽에 (180°로) 위치되기 때문에 이에 의해 영향을 받는다. 이 힘은 그리하여 정류자 브러시(8.1 및 8.2)에의 접촉 압력을 상쇄시켜 전류 변조를 야기한다. 이 피드백으로 인해, 진동이 증가될 수 있다. 추가적으로 권선 탭(18.2)과 정류자 단편(14.1)은 도면에 2번 도시된 것으로 이해된다. 권선(13)이 원통형으로 롤링된 형상에서 이들은 만나는데, 즉 이것은 각각 실제로 동일한 권선 탭(18.1)과 정류자 단편(14.1)이다.
고정자(2)의 여기장(excitation field)은 0°로 표시된 방향을 가리킨다. 이것은 (도면 평면에 수직인) 영구 자석(4)의 주 자화 방향이 이에 따라 회전자 축(A)에 수직인 것을 의미한다. 정류자 브러시(8.1 및 8.2)는 이에 따라 회전자 축(A)과 주 자화 방향이 걸쳐 있는 평면에 정렬된다.
도 5에 도시된 배열은 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터의 분야에서 가장 일반적인 배열이다. 이것이 본 발명이 이제 개략적인 도 6을 참조하여 설명되는 해결책을 제공하도록 의도된 상황이다. 동일한 부품과 동일한 효과를 가지는 부품을 참조하는 한, 동일한 참조 부호를 사용하여 전술된 설명을 더 참조한다. 본 발명은 아래에 설명된 차이를 제외하고는, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 원리와 구조를 이용할 수 있다.
코일 단편(13.1 내지 13.7)은 다시 정확히 동일한 각도 위치에 배열된다. 또한 고정자(2)의 여기장은 0°로 표시된 방향을 가리키는데, 즉 영구 자석(4)의 주 자화 방향은 이에 따라 회전자 축(A)과 수직으로 정렬된다. 그러나, 이제 정류자(14)와 정류자 브러시(8.1 및 8.2)의 각도 회전에 오프셋이 발생한다. 도시된 실시예에서, 권선(13)에 대해 회전이 수행되는 보정 각도(α)는 90°이다(그리하여 45° 초과 내지 135° 미만의 바람직한 범위에 있다). 이것은 정류자 브러시(8.2)가 이 시스템에서 90°에 위치되고, 단락된 이 시점에서 코일 단편(13.5)은 0°에 있는 것을 의미한다. 2개의 연관된 정류자 단편(14.5 및 14.6)은 센터링된 방식으로 90°의 회전 각도로 각각 정렬된다. 이는 또한 이 시스템에서 이제 270°인 정류자 브러시(8.1)에도 동일하게 적용된다. 권선 탭(18.1 내지 18.7)으로부터 시작하여, 보정 각도(α)만큼 연관된 정류자 브러시(8.1 및 8.2)를 포함하는 전체 정류자(14)가 회전하는 것에 의해, 이들 사이에 배치된 전기적 연결은 또한 이 각도를 가교하여야 하다. 이를 위한 여러 옵션이 이 특정 구성에 가능하다. 이들 사이에 배치된 전도체는 권선 와이어로 구성되거나, 정류자 그 자체의 일부이거나, 또는 별개의 소자, 예를 들어, PCB 회로로 형성될 수 있다.
보정 각도만큼 회전하면, 짧은-순환된 코일 단편(13.5)으로부터 나오는 힘이 이제 브러시(8.1 및 8.2)의 가압 방향으로 작용하지 않고 이에 수직으로 작용하는 도면 평면(도 6)에 수직이어서, 그리하여 정류하는 동안 접선 힘으로만 인식된다. 이 힘 비율로 인해 회전자(3)가 편향되는 것에 의해 브러시 접촉에 영향을 미치는 것이 이에 의해 매우 크게 감소되어서, 그 결과 전류 변조가 각각 또한 감소되거나 또는 억압된다. 도 6에 도시된 배열에서, 코일 평면(ES1 내지 ES7)은, 각각 정류자 평면(EK1 내지 EK7)에 대해 90°만큼 회전자 축(A) 주위로 회전되어 배열된다.
이 회전은 회전자(3)의 정면도를 사용하는 도 7을 참조하여 보다 상세히 다시 설명된다. 도 7에 도시된 실시예는 5개의 코일 단편(13.1 내지 13.5)과 5개의 정류자 단편(14.1 내지 14.5)만을 포함한다. 권선 슬리브(13)의 면측에 있는 권선 탭(18.1 내지 18.5)이 또한 도시된다. 권선 와이어는 비스듬히 안내되고 나서 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.5)에 연결된 것을 볼 수 있다. 정류자 단편(14.2)은 현재 예로서 탭(18.2)과 전기적으로 접촉하는 것으로 언급된다. 이 도면은 또한 정류자 평면(EK2)이 코일 평면(ES2)에 대해 90°의 보정 각도(α)만큼 회전되어 배열된 것을 도시한다. 이는 다른 정류자 평면(EK1, EK3 내지 EK5)과 각각 연관된 코일 평면(ES1, ES2 내지 ES5)에도 적용된다.
1: DC 전기 모터 2: 고정자
3: 회전자 4: 영구 자석
5: 플랜지 6: 요크
7: 전방 플랜지 8.1, 8.2: 정류자 브러시
9.1.9.2: 볼 베어링 10: 밀봉부
11: 샤프트 12: 샤프트
13: 권선 13.1 내지 13.13: 코일 단편
14: 정류자 14.1 내지 14.13: 정류자 단편
15: 정류자 판 16.1, 16.2: 정류자 비어 링
17: 널 18.1 내지 18.13: 권선 탭
19: 커버 물질 A: 회전자 축
AK1 내지 AK7: 간격 정류자 단편 EK1 내지 EK5: 정류자 평면
ES1 내지 ES7: 코일 평면 HA1 내지 HA7: 거리 이등분선
K1 내지 K7: 브러시 접촉 표면 MS1 내지 MS7: 중심 라인 코일 단편
S: 중력 중심 α: 보정 각도

Claims (14)

  1. 고정자(2)와 회전자(3)를 포함하고, 임의의 원하는 회전자 위치로 제어할 수 있는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1)로서,
    상기 회전자에는 n개의 코일 단편(13.1 내지 13.7)을 구비하는 중공-원통형 철심 없는 권선(13)과, n개의 정류자 단편(14.1 내지 14.7)을 구비하는 정류자(14)가 제공되고, 각 코일 단편(13.1 내지 13.7)은 2개의 인접한 정류자 단편(14.1 내지 14.7)에 전기적으로 연결되며, 상기 회전자의 축(A)과 수직으로 교차하고 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 중력 중심(S)을 통과하는 중력 축(AS1 내지 AS7) 또는 상기 중력 중심(S)을 통과하는 상기 코일 단편(13.1-13.7)의 중심 라인(MS1 내지 MS7)과 상기 회전자 축(A)은 상기 연관된 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 각도 위치를 한정하는 코일 평면(ES1 내지 ES7)에 걸쳐 있고, 상기 코일 단편(13.1 내지 13.7)에 전기적으로 연결된 상기 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 2개의 브러시 접촉 표면(K1 내지 K7)들은 서로 거리(AK1 내지 AK7)를 가지며, 거리 이등분선(HA1 내지 HA7)은 상기 회전자 축(A)과 수직으로 교차하고, 상기 거리 이등분선(HA1 내지 HA7)과 상기 회전자 축(A)은 상기 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 각도 위치를 한정하는 정류자 평면(EK1 내지 EK7)에 걸쳐 있고, n은 자연수이되,
    상기 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 상기 코일 평면(ES1 내지 ES7)은 상기 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 상기 정류자 평면(EK1 내지 EK7)에 대해 상기 회전자 축(A) 주위로 45° 초과 내지 135° 미만의 각도 범위의 보정 각도(α)만큼 회전되어 배열되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 보정 각도(α)는 60° 내지 120°의 각도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보정 각도(α)는 90°인 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  4. 제1항에 있어서, 상기 권선(13)의 상기 개별 코일 단편(13.1 내지 13.7)은 상기 회전자 축(A)에 대해 비스듬해 이어지는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  5. 제1항에 있어서, 상기 권선(13)의 생성에서 상기 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 개별 턴(turn)들 각각은 마름모 형상을 구비하고, 상기 마름모 형상의 전방 팁과 후방 팁은 상기 권선(13)의 면측에 위치된 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  6. 제1항에 있어서, 상기 코일 단편(13.1. 내지 13.7)의 처음 턴과 상기 코일 단편(13.1. 내지 13.7)의 마지막 턴에는, 각각 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)에 전기적으로 연결된 권선 탭(18.1 내지 18.7)이 각각 제공되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 권선 탭(18.1 내지 18.7)은 상기 정류자(14)에 가장 가까운 권선 면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  8. 제6항에 있어서, 상기 권선 탭(18.1 내지 18.7)은 상기 보정 각도(α)를 가교(bridge)하기 위해 상기 권선(13)으로부터 비스듬히 안내되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  9. 제6항에 있어서, 상기 권선 탭(18.1 내지 18.7)과 상기 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)은 권선 와이어로부터 형성되거나 또는 상기 정류자(14)의 일부이거나 또는 PCB 회로로 형성된 전도체를 사용하여 연결되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  10. 제1항에 있어서, 상기 고정자(2)는 주 자화 방향을 갖는 영구 자석(4)을 포함하고, 상기 정류자(14)는 2개의 직경방향으로 배열된 정류자 브러시(8.1, 8.2)를 포함하며, 상기 브러시의 공통 축은 상기 주 자화 방향에 대해 상기 보정 각도(α)만큼 실질적으로 회전되어 배향된 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  11. 제1항에 있어서, 상기 정류자 브러시(8.1,8.2)는 스프링 디바이스를 사용하여 상기 정류자(14)로 가압되는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  12. 제1항에 있어서, 상기 정류자 브러시(8.1,8.2)는 흑연 브러시 또는 귀금속 브러시이고, 상기 귀금속 브러시는 접촉 영역에 실버 코팅을 갖는 구리로 만들어진 판 스프링인 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  13. 제1항에 있어서, 상기 정류자 단편(14.1 내지 14.7)은 원통형 정류자(14)를 형성하고, 상기 정류자 브러시(8.1,8.2)는 상기 정류자(14)의 원통형 재킷 표면으로 직경방향으로 가압하는 것을 특징으로 하는 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1).
  14. 제1항의 2-극 브러시-정류식 DC 전기 모터(1)를 위한 회전자(3)로서,
    상기 회전자(3)는, n개의 코일 단편(13.1 내지 13.7)을 구비하는 중공-원통형 철심 없는 권선(13)과, n개의 정류자 단편(14.1 내지 14.7)을 구비하는 정류자(14)를 포함하되, 각 코일 단편(13.1 내지 13.7)은 2개의 인접한 정류자 단편(14.1 내지 14.7)에 전기적으로 연결되고, 상기 회전자 축(A)과 수직으로 교차하고 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 중력 중심(S)을 통과하는 중력 축(AS1 내지 AS7) 또는 상기 중력 중심(S)을 통과하는 상기 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 중심 라인(MS1 내지 MS7)과 상기 회전자 축(A)은 상기 연관된 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 각도 위치를 한정하는 코일 평면(ES1 내지 ES7)에 걸쳐 있으며, 동일한 코일 단편(13.1 내지 13.7)에 전기적으로 연결된 상기 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 2개의 브러시 접촉 표면(K1 내지 K7)들은 서로 거리(AK1 내지 AK7)를 가지고, 거리 이등분선(HA1 내지 HA7)은 상기 회전자 축(A)과 수직으로 교차하고, 상기 거리 이등분선(HA1 내지 HA7)과 상기 회전자 축(A)은 상기 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 각도 위치를 한정하는 정류자 평면(EK1 내지 EK7)에 걸쳐 있고, n은 자연수이되,
    상기 코일 단편(13.1 내지 13.7)의 상기 코일 평면(ES1 내지 ES7)은 상기 연관된 정류자 단편(14.1 내지 14.7)의 상기 정류자 평면(EK1 내지 EK7)에 대해 상기 회전자 축(A) 주위로 45° 초과 내지 135° 미만의 각도 범위의 보정 각도(α)만큼 회전되어 배열된 것을 특징으로 하는 회전자(3).
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