WO2013023819A2 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2013023819A2
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Gerald Roos
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H02K23/30—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having lap or loop windings
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    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • the invention relates to brush-commutated electrical machines in which the stator has a follower pole arrangement.
  • the present invention relates to a winding scheme for a rotor of such an electric machine.
  • Brush-commutated direct current motors are known in the prior art in many different variants.
  • internal rotor motors find a variety of applications.
  • a common variant of an internal-rotor direct current motor is known, for example, from the publications US Pat. No. 4,372,035 and DE 10 2009 033 623 A1. These documents each show an electric motor with a four-pole stator arrangement, in which the stator poles are formed by two mutually opposite with respect to the axis of rotation of the inner rotor permanent magnets of the same polarity (permanent magnet stator poles) and two not provided with permanent magnets pole pieces (follower poles) in a follower pole.
  • a derarti ge follower pole arrangement has the fundamental advantage that the number of Perma nentmagnete compared to electric motors, in which each stator is formed with a permanent magnet, is reduced.
  • the rotor for one of the above-mentioned electric motors has a rotor winding with a plurality of rotor coils, which can be energized via a commutator. be contacted.
  • the rotor coils are designed as winding loops, wherein each winding loop encloses two or more than two rotor teeth or one or more rotor grooves arranged between the rotor teeth and is contacted via spaced apart from brushes of a pair of brushes commutator.
  • each winding loop can also be short-circuited via two commutator segments that are directly adjacent to one another.
  • a plurality of brush pairs may be provided for contacting the commutator segments. Since the brushes have a fixed arrangement with respect to the permanent magnet stator poles, they always contact only winding loops that are in the same position with respect to the stator.
  • the rotor coils are short-circuited after their energization by a corresponding brush, which simultaneously covers two adjacent commutator when moving the rotor, in order to first reduce a current flowing due to a voltage induction current.
  • This is due to the fixed position of the brush always at certain positions of the rotor coils. Therefore, the shorting of a winding loop by a certain brush always occurs at a certain position of the respective winding loop. That a brush closes the
  • Winding loops always short when they are aligned in a particular position to the stator poles.
  • the inductance of the armature coils varies depending on whether the rotor tooth on which the relevant armature coil is arranged is in a position in which it is aligned with a permanent magnet stator pole or a follower pole. Due to the small effective size of the air gap, the inductance of the rotor coils aligned with the follower poles is significantly greater than the inductance of the rotor coils aligned with the permanent magnet stator poles.
  • one brush short-circuits the winding loops if they are at least predominantly aligned with the permanent magnet stator poles, and another brush short-circuits the winding loops if they are at least predominantly aligned with the successive poles.
  • a high inductance degrades the commutation and produces stronger sparking at the corresponding commutator brushes that turn winding loops with a higher inductance (which tends to face the follower poles) than do commutator brushes that have lower inductance winding loops (tend to face the permanent magnet poles). short.
  • the sparking favors the wear of the commutator.
  • a brush-commutated electric machine comprising:
  • Rotor coils each enclosing one or more rotor teeth
  • stator arrangement having stator poles which have at least one permanent-magnet stator pole formed with a permanent magnet and at least one follower pole not provided with a permanent magnet, which are arranged in a follow-up pole arrangement; a commutator having at least one pair of brushes for contacting a armature coil group of interconnected armature coils, each of which equals the total inductance of the interconnected armature coils of one of the armature coil groups at first and second positions of the armature relative to the stator assembly.
  • An idea of the invention is that any brush that contacts a rotor coil group in a particular position with respect to the stator poles will switch an equal or approximately equal inductance during commutation. This applies both to the inductance switched by brushes of the brush pair and to the armature coil group short-circuited by each of the brushes when passing adjacent commutator blades. As a result, a symmetrical contact behavior can be achieved, whereby the wear of the commutator bars or the brushes is uniform. An undesirable force or noise excitation by fluctuations in the wear of the brush or the fins can be avoided.
  • the armature coils of the armature coil group may be connected to each other in a series connection, a parallel circuit, or a combination thereof.
  • the rotor coils of the armature coil group may have a first follower coil aligned with a follower pole and a second rotor coil aligned with a permanent magnet stator pole at a position of the rotor with respect to the stator assembly.
  • first and second rotor coils of the armature coil group may have a different winding sense.
  • first and second rotor coils of the armature coil group may be offset from each other by an offset angle that is an angle of
  • first and second rotor coils of the armature coil group may be offset from one another by an offset angle that is an angle of
  • first and the second rotor coil have different numbers of turns.
  • first and the second rotor coil enclose different numbers of rotor teeth.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view through a
  • Figure 2 is a winding diagram with two serially interconnected rotor coils, which are connected to adjacent commutator bars;
  • Figure 3 is a representation of a rotor coil group of two serially interconnected rotor coils, which are offset with respect to the rotor by 90 ° to each other;
  • Figure 4 is an illustration of a rotor coil group with serially interconnected rotor coils in a ten-pole rotor
  • FIG. 5 shows an illustration of a further possibility of interconnecting a rotor coil group with serially interconnected rotor coils in a ten-pole rotor
  • Figure 6 is an illustration of a rotor coil group with serially interconnected armature coils with a connection of the armature coils on the opposite side of a commutator.
  • FIG. 7 shows an illustration of a rotor coil group with serially interconnected armature coils with different winding steps.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an electric motor 1 (electric machine), with a pole housing 2, on which a plurality of stator poles are provided.
  • an inner recess is provided, in which a rotor 6 is rotatably mounted on a shaft.
  • the stator poles are arranged on the pole housing 2 so that they point in the direction of the inner recess or in the direction of the rotor 6.
  • the stator poles are formed as a permanent magnet stator pole 4 and as a follower pole 5 not provided with a permanent magnet 3.
  • the pole housing 2 is preferably formed of a magnetically conductive material, so as to form a magnetic closure (magnetic connection) between the permanent magnet stator pole 4 and the follower pole 5 via the pole housing 2.
  • the number N of the stator poles 4, 5 is not limited to four, but any even number of stator poles 4, 5 may be provided.
  • the rotor 6 has a magnetically conductive armature 7 with a number of rotor teeth 8, in the embodiment shown ten rotor teeth, which are each enclosed by one or more rotor coils 10 a rotor winding.
  • the shaft of the rotor 6 carries axially to the armature 7 offset a commutator with a number of commutator blades 1 1, which substantially corresponds to the number of rotor teeth 8, in the illustrated embodiment 10.
  • the commutator 1 1 are about two, three or more brush 12th or several brush pairs contacted.
  • the commutator bars 1 1 are connected to the rotor coils of the rotor winding in the form of a loop winding, ie each Commutator 1 1 is connected via one or more rotor coils with two adjacent commutator 1 1.
  • FIG. 2 schematically shows an arrangement of rotor coils 10 on two adjacent commutator segments 11.
  • the commutator and the rotor teeth 8 are arranged in a circle in the embodiment shown, the rectilinear representation of the commutator bars 1 1, the brush 12, the rotor teeth 8 and the rotor coils 10 is here for reasons of clarity. In the example shown, therefore, the rotor tooth 1 and the rotor tooth 10 as well as the commutator blade 1 and the commutator blade 10 are adjacent to each other.
  • brushes 12 are provided by two pairs of brushes, via which a supply voltage is applied in each case in order to energize a respective armature coil group of stator coils 10.
  • the position of the energized rotor coils 10 or the area in which the rotor coils 10 are when they are energized set. This is due to the fact that the winding scheme is generally selected to be rotationally symmetrical, so that comparable energization situations are in each case determined after one or more movement steps of the
  • Runner to the width of a commutator 1 1 consist.
  • the commutator bars 1 1 are electrically connected to each other in a suitable manner, so that in each case two adjacent commutator 1 1 are short-circuited by one of the two commutator 1 1 energized rotor coil group of stator coils 10 when the relevant brush sweeps over it.
  • This makes it possible to short-circuit the armature coil group of stator coils 10 before the polarity reversal, so that the supply voltage does not have to be applied against a voltage induced in the armature coil group.
  • the rotor coil group of stator coils 10 Since the fixed arrangement of the brushes 12, the rotor coil group of stator coils 10 is always shorted at the same position by a respective brush, it also comes due to the position-dependent inductances of the rotor coil groups to different wear of the brush 12 by sparking and the like.
  • rotor coil groups are each supplied with the same inductances by the brush pairs, or rotor coil groups with the same inductances are short-circuited by the individual brushes.
  • the positions of the rotor coils 10 of a rotor coil group are selected such that their wound rotor teeth 8 overall alike, d. H. for example, in each case the same number, the permanent magnet stator poles 4 and the follower poles 5 are assigned. In this way, all the brushes 12 contact the same entire inductance, so that the wear of the brushes 12 is substantially equal and thus no significant wear-related resistance changes in the contacting of commutator 1 1 can occur through the brush 12.
  • the winding sense of the armature coils assigned to the following pole or poles and the winding sense of the armature coil associated with the permanent magnet stator poles are opposite to one another. As a result, magnetic fields of different directions are generated as excitation magnetic fields with common energization.
  • the rotor coils 10 of a rotor coil group are connected in series in the embodiment shown. Parallel interconnections of the armature coils simultaneously contacted via the commutator or combinations of parallel and serial interconnections are conceivable for more than two armature coils 10 of a rotor coil group.
  • a first armature coil and a second armature coil of the armature coil group of jointly contacted armature coils are arranged offset to one another on the rotor so that they correspond to the offset between a follower pole 5 and a permanent magnet stator pole 4 of the stator arrangement, in particular an adjacent permanent magnet stator pole 4.
  • the offset corresponds to 90 °.
  • the offset corresponds to 3607N, where N equals the total number of stator poles of the follower pole array.
  • the offset between the armatures of the armature coil group associated with different stator poles can be given as:
  • FIG. 3 schematically shows, for a twelve-pole rotor, a series connection of the armature coils 10 which can be contacted via one of the pairs of brushes.
  • rotor coils 10 which are interconnected via a series connection are energized, wherein a first of the armature coils 10 is associated with one of the following poles 5 and a second of the armature coils 10 with a permanent magnet stator pole 4 adjacent thereto.
  • This results in a series inductance which corresponds to the sum of the different individual inductances.
  • the arrangement of the armature coil group of armature coils 10 contacted by another of the pairs of brushes is corresponding.
  • the series connection is contacted by the brushes 12 of the further brush pair when the rotor 6 continues to rotate, in which case the first armature coil 10 is assigned to a permanent magnet stator pole 4 and the second armature coil 10 to a follower pole 5, ie the assignment is reversed.
  • the entire inductance of the series connection of the armature coil 10 remains unchanged. In this way it is possible, when commutating with brushes, to apply these only with the same inductances so that no uneven wear of the brushes 12 can occur.
  • a slot division is necessary in which the coil spacing of the rotor coils connected in series is more than 360 ° / N (see FIG. 4) or less than 360 ° ° / N (see Figure 5) corresponds.
  • the rotor coils can then be arranged at 90 ° intervals plus 180 M or 90 ° minus 180 M.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment that differs from the exemplary embodiment of FIG. 3 in that the electrical connection between the rotor coils 10 of the rotor coil group is carried out on the armature 7, which is axially opposite the commutator. It is also shown that the number of turns of the first and second rotor coils 10 may be different.
  • the rotor coils 10 of a rotor coil group may enclose different numbers of rotor slots or rotor teeth 8.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine burstenkommutierte elektrische Maschine (1), umfassend: einen Läufer (6) mit einer Anzahl von Läuferzähnen (8); Läuferspulen (10), die jeweils einen oder mehrere der Läuferzähne (8) umschließen; eine Statoranordnung mit Statorpolen, die mindestens einen mit einem Permanentmagneten (3) gebildeten Permanentmagnet-Statorpol (4) und mindestens einen nicht mit einem Permanentmagneten versehenen Folgepol (5) aufweisen, die in einer Folgepolanordnung angeordnet sind; einen Kommutator mit mindestens einem Bürstenpaar, um eine Läuferspulengruppe von miteinander verschalteten Läuferspulen zu kontaktieren, wobei jeweils die gesamte Induktivität der verschalteten Läuferspulen (10) einer der Läuferspulengruppe an einer ersten und an einer zweiten Stellung des Läufers (6) bezüglich der Statoranordnung gleich ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft bürstenkommutierte elektrische Maschinen, bei denen der Stator eine Folgepolanordnung aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Er findung ein Wicklungsschema für einen Läufer einer solchen elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Bürstenkommutierte Gleichstrommotoren sind im Stand der Technik in vielen unterschiedlichen Varianten bekannt. Insbesondere Innenläufermotoren finden vielfältige Einsatzbereiche.
Eine häufige Variante eines Innenläufergleichstrommotors ist beispielsweise aus den Druckschriften US 4,372,035 und DE 10 2009 033 623 A1 bekannt. Diese Druckschriften zeigen jeweils einen Elektromotor mit einer vierpoligen Statoranordnung, bei dem die Statorpole durch zwei einander bezüglich der Drehachse des Innenläufers gegenüberliegende Permanentmagnete gleicher Polarität (Permanentmagnet-Statorpole) und zwei nicht mit Permanentmagneten versehene Polschuhe (Folgepole) in einer Folgepolanordnung gebildet werden. Eine derarti ge Folgepolanordnung hat grundsätzlich den Vorteil, dass die Anzahl der Perma nentmagnete gegenüber Elektromotoren, bei denen jeder Statorpol mit einem Permanentmagneten gebildet wird, reduziert ist.
Der Läufer für einen der oben angegebenen Elektromotoren weist eine Läuferwicklung mit mehreren Läuferspulen auf, die zum Bestromen über einen Kommu- tator kontaktiert werden. Üblicherweise werden die Läuferspulen als Wicklungsschleifen ausgeführt, wobei jede Wicklungsschleife zwei oder mehr als zwei Läuferzähne bzw. eine oder mehrere zwischen den Läuferzähnen angeordneten Läufernuten umschließt und über im Abstand von Bürsten eines Bürstenpaares angeordnete Kommutatorlamellen kontaktiert wird. Um eine schnelle Umpolung der Wicklungsschleife zu erreichen, ist jede Wicklungsschleife auch über zwei zueinander direkt benachbarten Kommutatorlamellen kurzschließbar. Um die Anzahl gleichzeitig bestromter Wicklungsschleifen zu erhöhen, können mehrere Bürstenpaare zum Kontaktieren der Kommutatorlamellen vorgesehen sein. Da die Bürsten eine feste Anordnung bezüglich der Permanentmagnet-Statorpole haben, kontaktieren diese immer nur Wicklungsschleifen, die sich bezüglich des Stators im gleichen Stellungsbereich befinden.
Bei der obigen Anordnung der Läuferspulen werden bei Bewegung des Läufers die Läuferspulen nach ihrer Bestromung durch eine entsprechende Bürste, die gleichzeitig zwei benachbarte Kommutatorlamellen überstreicht, kurzgeschlossen, um einen aufgrund einer Spannungsinduktion fließenden Strom zunächst abzubauen. Dies erfolgt aufgrund der festen Position der Bürsten immer bei bestimmten Positionen der Läuferspulen. Daher erfolgt das Kurzschließen einer Wicklungsschleife durch eine bestimmte Bürste immer an einer bestimmten Stellung der betreffenden Wicklungsschleife. D.h. eine Bürste schließt die
Wicklungschleifen immer dann kurz, wenn diese in einer bestimmten Stellung zu den Statorpolen ausgerichtet sind. Bei Verwendung einer Folgepolanordnung variiert jedoch die Induktivität der Läuferspulen je nachdem, ob sich der Läuferzahn, an dem die betreffende Läuferspule angeordnet ist, in einer Stellung befindet, in der dieser auf einen Permanentmagnet-Statorpol oder einen Folgepol ausgerichtet ist. Die Induktivität der auf die Folgepole ausgerichteten Läuferspulen ist aufgrund der geringen effekti- ven Größe des Luftspalts deutlich größer als die Induktivität der auf die Permanentmagnet-Statorpole ausgerichteten Läuferspulen. Daher schließt eine Bürste die Wicklungsschleifen dann kurz, wenn sie zumindest tendenziell vorwiegend zu den Permanentmagnet-Statorpolen ausgerichtet sind, und eine weitere Bürste schließt die Wicklungsschleifen dann kurz, wenn sie zumindest tendenziell vor- wiegend zu den Folgepolen ausgerichtet sind. Eine hohe Induktivität verschlechtert jedoch die Kommutierung und es wird an den entsprechenden Kommutatorbürsten, die Wicklungsschleifen mit einer höheren Induktivität (tendenziell den Folgepolen zugewandt) schalten, zu einer stärkerer Funkenbildung kommen als bei Kommutatorbürsten, die Wicklungsschleifen mit einer niedrigeren Induktivität (tendenziell den Permanentmagnetpolen zugewandt) kurzschließen. Die Funkenbildung begünstigt den Verschleiß des Kommutators. Aufgrund der festgelegten Zuordnung der Bürsten zur Stellung der bestromten Läuferspulen kommt es daher zu einem ungleichen Verschleiß der Bürsten. Insbesondere die Bürsten, die Läuferspulen um Läuferzähne kurzschließen, die zu den Folgepolen ausgerichtet sind, werden dadurch erhöhtem Verschleiß ausgesetzt.
Durch den ungleichen Verschleiß kann ein asymmetrisches Kontaktverhalten an dem Kommutator auftreten, so dass auch unerwünschte Kraft- oder Geräuschanregungen entstehen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer Folgepolanordnung vorzusehen, bei dem ein ungleicher Verschleiß der Kommutatorbürsten reduziert bzw. vermieden wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine mit einer Folgepolanordnung der Statorpole gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine bürstenkommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- einen Läufer mit einer Anzahl von Läuferzähnen;
- Läuferspulen, die jeweils einen oder mehrere Läuferzähne umschließen;
- eine Statoranordnung mit Statorpolen, die mindestens einen mit einem Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnet-Statorpol und mindestens einen nicht mit einem Permanentmagneten versehenen Folgepol aufweisen, die in einer Folgepolanordnung angeordnet sind; - einen Kommutator mit mindestens einem Bürstenpaar, um eine Läuferspulengruppe von miteinander verschalteten Läuferspulen zu kontaktieren, wobei jeweils die gesamte Induktivität der verschalteten Läuferspulen einer der Läuferspulengruppe an einer ersten und an einer zweiten Stellung des Läufers bezüglich der Statoranordnung gleich ist.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, dass jede Bürste, die eine Läuferspulengruppe in einer bestimmten Stellung bezüglich der Statorpole kontaktiert, beim Kommutieren eine gleiche oder etwa gleiche Induktivität schaltet. Dies betrifft sowohl die durch Bürsten des Bürstenpaares geschaltete Induktivität als auch die durch jede der Bürsten beim Überstreichen benachbarter Kommutatorlamellen kurzgeschlossene Läuferspulengruppe. Dadurch kann ein symmetrisches Kontaktverhalten erreicht werden, wodurch der Verschleiß der Kommutatorlamellen bzw. der Bürsten gleichmäßig erfolgt. Eine unerwünschte Kraft- oder Geräuschanregung durch Schwankungen des Verschleißes der Bürsten bzw. der Lamellen kann dadurch vermieden werden.
Weiterhin können die Läuferspulen der Läuferspulengruppe in einer Serienschaltung, einer Parallelschaltung oder in einer Kombination davon miteinander ver- schaltet sein.
Gemäß einer Ausführungsform können die Läuferspulen der Läuferspulengruppe bei einer Stellung des Läufers bezüglich der Statoranordnung eine erste auf einen Folgepol ausgerichtete Läuferspule und eine zweite auf einen Permanent- magnet-Statorpol ausgerichtete Läuferspule aufweisen.
Insbesondere können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe einen verschiedenen Wicklungssinn aufweisen. Weiterhin können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sein, der einem Winkel von
(2k+1 )*360 N mit k=0,1 ,..., N/2 - 1 entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen entspricht. Alternativ können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sein, der einem Winkel von
(2k+1 )*360 N +/- 180 M mit k=0,1 N/2 - 1 entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen und M der Anzahl von Läuferzähnen entsprechen.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Läuferspule unterschiedliche Windungszahlen aufweisen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Läuferspule unterschiedliche Anzahlen von Läuferzähnen umschließen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen
Elektromotor mit einer Folgepolanordnung;
Figur 2 ein Wicklungsschema mit zwei seriell verschalteten Läuferspulen, die an benachbarten Kommutatorlamellen angeschlossen sind;
Figur 3 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe von zwei seriell verschalteten Läuferspulen, die bezüglich des Läufers um 90° zueinander versetzt sind;
Figur 4 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen bei einem zehnpoligen Läufer;
Figur 5 eine Darstellung einer weiteren Möglichkeit der Verschaltung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen bei einem zehnpoligen Läufer; Figur 6 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen mit einer Verbindung der Läuferspulen auf der einem Kommutator gegenüberliegenden Seite; und
Figur 7 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen mit unterschiedlichen Wickelschritten.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors 1 (elektrische Maschine), mit einem Polgehäuse 2, an dem mehrere Statorpole vorgesehen sind. Im Inneren des Polgehäuses 2 ist eine Innenausnehmung vorgesehen, in der ein Läufer 6 drehbar an einer Welle angeordnet ist. Die Statorpole sind an dem Polgehäuse 2 so angeordnet, dass diese in Richtung der Innenausnehmung bzw. in Richtung des Läufers 6 weisen.
Die Statorpole sind als Permanentmagnet-Statorpol 4 und als nicht mit einem Permanentmagneten 3 versehener Folgepol 5 ausgebildet. Das Polgehäuse 2 ist vorzugsweise aus einem magnetisch leitfähigen Material ausgebildet, um so über das Polgehäuse 2 einen magnetischen Schluss (magnetische Verbindung) zwischen dem Permanentmagnet-Statorpol 4 und dem Folgepol 5 auszubilden. Die Anzahl N der Statorpole 4, 5 ist jedoch nicht auf vier beschränkt, sondern es kann jede beliebige geradzahlige Anzahl an Statorpolen 4, 5 vorgesehen sein.
Der Läufer 6 weist einen magnetisch leitenden Anker 7 mit einer Anzahl von Läuferzähnen 8 auf, im gezeigten Ausführungsbeispiel zehn Läuferzähne, die jeweils von einer oder mehreren Läuferspulen 10 einer Läuferwicklung umschlossen sind. Die Welle des Läufers 6 trägt axial zu dem Anker 7 versetzt einen Kommutator mit einer Anzahl von Kommutatorlamellen 1 1 , die im Wesentlichen der Anzahl der Läuferzähne 8 entspricht, im gezeigten Ausführungsbeispiel 10. Die Kommutatorlamellen 1 1 werden über zwei, drei oder mehr Bürsten 12 bzw. mehrere Bürstenpaare kontaktiert. Die Kommutatorlamellen 1 1 sind mit den Läuferspulen der Läuferwicklung in Form einer Schleifenwicklung verbunden, d. h. jede Kommutatorlamelle 1 1 ist über jeweils eine oder mehrere Läuferspulen mit beiden benachbarten Kommutatorlamellen 1 1 verbunden.
In Figur 2 ist schematisch eine Anordnung von Läuferspulen 10 an zwei benach- barten Kommutatorlamellen 1 1 dargestellt. Obwohl der Kommutator und die Läuferzähne 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel kreisförmig angeordnet sind, wird hier aus Gründen der besseren Verständlichkeit die geradlinige Darstellung der Kommutatorlamellen 1 1 , der Bürsten 12, der Läuferzähne 8 und der Läuferspulen 10 gewählt. Im gezeigten Beispiel sind also der Läuferzahn 1 und der Läufer- zahn 10 sowie die Kommutatorlamelle 1 und die Kommutatorlamelle 10 zueinander benachbart.
Bei dem gezeigten Elektromotor 1 sind Bürsten 12 von zwei Bürstenpaaren vorgesehen, über die jeweils eine Versorgungsspannung angelegt wird, um eine je- weilige Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 zu bestromen. Durch die ortsfeste Positionierung der Bürsten 12 der Bürsten ist die Position der bestromten Läuferspulen 10 bzw. der Bereich, in dem sich die Läuferspulen 10 befinden, wenn sie bestromt sind, festgelegt. Dies liegt daran, dass das Wicklungsschema in der Regel rotationssymmetrisch gewählt wird, so dass vergleichbare Bestro- mungssituationen jeweils nach einem oder mehreren Bewegungsschritten des
Läufers um die Breite einer Kommutatorlamelle 1 1 bestehen.
Wenn durch ein erstes der Bürstenpaare mehr Läuferspulen 10 an zu einem Folgepol 5 ausgerichteten Läuferzähnen 8 bestromt werden als durch ein zweites der Bürstenpaare, so sind beim Betrieb des Elektromotors 1 die Bürsten 12 des ersten Bürstenpaares aufgrund ihrer höheren Induktivität einem höheren Verschleiß ausgesetzt als die Bürsten 12 des zweiten Bürstenpaares.
Weiterhin sind die Kommutatorlamellen 1 1 in geeigneter Weise miteinander elektrisch verbunden, so dass jeweils zwei benachbarte Kommutatorlamellen 1 1 die durch eine der zwei Kommutatorlamellen 1 1 bestromte Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 kurzgeschlossen werden, wenn die betreffende Bürste darüber hinwegstreicht. Dadurch ist es möglich die Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 vor dem Umpolen kurzzuschließen, so dass die Versorgungsspan- nung nicht gegen eine in der Läuferspulengruppe induzierte Spannung angelegt werden muss. Da durch die feste Anordnung der Bürsten 12 die Läuferspulen- gruppe von Statorspulen 10 immer an der gleichen Position durch eine betreffende Bürste kurzgeschlossen wird, kommt es aufgrund der lageabhängigen Induktivitäten der Läuferspulengruppen ebenfalls zu unterschiedlichem Verschleiß der Bürsten 12 durch Funkenbildung und dergleichen.
Um diese Effekte zu reduzieren bzw. zu eliminieren, ist nun vorgesehen, dass durch die Bürstenpaare jeweils Läuferspulengruppen mit gleichen Induktivitäten bestromt werden bzw. durch die einzelnen Bürsten Läuferspulengruppen mit gleichen Induktivitäten kurzgeschlossen werden. Dabei sind die Positionen der Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe so ausgewählt, dass deren umwickelte Läuferzähne 8 insgesamt gleichermaßen, d. h. beispielsweise in jeweils gleicher Anzahl, den Permanentmagnet-Statorpolen 4 und den Folgepolen 5 zugeordnet sind. Auf diese Weise kontaktieren alle Bürsten 12 die gleiche gesamte Induktivität, so dass der Verschleiß der Bürsten 12 im Wesentlichen gleich ist und somit keine erheblichen verschleißbedingten Widerstandsänderungen bei der Kontaktierung von Kommutatorlamellen 1 1 durch die Bürsten 12 auftreten können.
Da die Permanentmagnet-Statorpole 4 und die Folgepole 5 eine unterschiedliche magnetische Polung aufweisen, ist vorgesehen, dass der Wicklungssinn der dem oder den Folgepolen zugeordneten Läuferspulen und der Wicklungssinn der dem oder den Permanentmagnet-Statorpolen zugeordneten Läuferspulen zueinander entgegengesetzt ist. Dadurch werden bei gemeinsamer Bestromung Magnetfelder unterschiedlicher Richtungen als Erregermagnetfelder generiert.
Die Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe sind im gezeigten Ausführungsbeispiel seriell miteinander verschaltet. Auch parallele Verschaltungen der gleichzeitig über den Kommutator kontaktierten Läuferspulen oder Kombinationen von parallelen und seriellen Verschaltungen sind bei mehr als zwei Läufer- spulen 10 einer Läuferspulengruppe denkbar.
Es ist weiterhin möglich, dass eine ungerade Anzahl von Läuferspulen 10 pro Läuferspulengruppe vorgesehen ist, wobei sichergestellt sein muss, dass die gesamte Induktivität, die sich aus der Zusammenschaltung der den Folgepolen 5 zugeordneten Läuferspulen 10 und der den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 ergibt, zu gleichen Teilen von den den Folgepolen 5 zugeordneten Läuferspulen 10 und den den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 bewirkt wird. Allgemein gilt, dass keine Induktivitätsänderung auftreten soll, wenn der Läufer eine Bewegung um den Abstand eines Statorpols durchführt, so dass die zuvor den Folgepolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 nun den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordnet sind und umgekehrt. Wird die gleiche Läuferspulenanordnung nach einer Weiterbewegung des Läufers von dem weiteren Bürstenpaar kontaktiert, so sind die Zuordnungen der Läuferspulen 10 zu den jeweiligen Statorpolen umgekehrt.
Vorzugsweise ist eine erste Läuferspule und eine zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe von gemeinsam kontaktierten Läuferspulen so zueinander versetzt an dem Läufer angeordnet, dass diese dem Versatz zwischen einem Folgepol 5 und einem Permanentmagnet-Statorpol 4 der Statoranordnung, insbesondere einem benachbarten Permanentmagnet-Statorpol 4 entsprechen. Bei obiger Statoranordnung mit vier Statorpolen entspricht der Versatz 90°. Im Allgemeinen entspricht der Versatz 3607N, wobei N der gesamten Anzahl der Statorpole der Folgepolanordnung entspricht. Allgemein kann der Versatz zwischen den verschiedenartigen Statorpolen zugeordneten Läuferspulen der Läuferspulengruppe angegeben werden als:
(2k+1 )*360 N mit k=0,1 ,..., N/2 - 1
In Figur 3 ist schematisch für einen zwölfpoligen Läufer eine Serienverschaltung der über eines der Bürstenpaare kontaktierbaren Läuferspulen 10 gezeigt. Mithilfe eines Bürstenpaares werden über eine Serienschaltung verschaltete Läuferspulen 10 bestromt, wobei eine erste der Läuferspulen 10 einem der Folgepole 5 und eine zweite der Läuferspulen 10 einem dazu benachbarten Permanentmagnet-Statorpol 4 zugeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine Reiheninduktivität, die der Summe der verschiedenen Einzelinduktivitäten entspricht.
Die Anordnung der durch ein weiteres der Bürstenpaare kontaktierten Läuferspulengruppe von Läuferspulen 10 ist entsprechend. Durch diese Anordnung der Läuferspulen 10 wird die Serienschaltung bei einem Weiterdrehen des Läufers 6 durch die Bürsten 12 des weiteren Bürstenpaares kontaktiert, wobei dann die erste Läuferspule 10 einem Permanentmagnet-Statorpol 4 und die zweite Läuferspule 10 einem Folgepol 5 zugeordnet sind, d. h. die Zuordnung also umgekehrt ist. Die gesamte Induktivität der Serienschaltung der Läuferspule 10 bleibt dabei unverändert. Auf diese Weise ist es möglich, beim Kommutieren mithilfe von Bürsten diese nur mit gleichen Induktivitäten zu beaufschlagen, so dass kein ungleichmäßiger Verschleiß der Bürsten 12 auftreten kann.
Lässt die Anzahl M der Läuferzähne 8 des Läufers 6 einen Versatz der in einer Läuferspulengruppe angeordneten Läuferspulen 10 um 3607N nicht zu, so kann auch ein leicht davon abweichender Versatz gewählt werden, wie es beispielsweise in den Figuren 4 und 5 für den 10-poligen Anker des Läufers mit dem vierpoligen Stator des Elektromotors der Figur 1 der Fall ist. Dort entspräche der errechnete Versatz zwischen den Läuferspulen N/M einer Läuferspulengruppe 2,5 Läuferzähnen/Läufernuten.
Ist eine ganzzahlige Teilung der Anzahl M der Läuferzähne/Läufernuten durch die Anzahl N der Statorpole nicht möglich, so ist eine Nutteilung notwendig, bei der der Spulenabstand der in Serie verschalteten Läuferspulen mehr als 360° /N (siehe Figur 4) oder weniger als 360° /N (siehe Figur 5) entspricht. Im Fall von 10 Läuferpolen können dann die Läuferspulen im Abstand von 90° plus 180 M oder 90° minus 180 M angeordnet werden. Es ist jedoch wünschenswert, dass Läuferspulen, die eine Läufernut oder mehr als einen Läuferzahn umschließen, den exakten Versatz von (2k+1 )*3607N mit umfassen.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 dadurch unterscheidet, dass die elektrische Verbindung zwischen den Läuferspulen 10 der Läuferspulengruppe auf der dem Kommutator axial gegenüberliegenden Seite des Ankers 7 durchgeführt wird. Auch ist dargestellt, dass die Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Läuferspule 10 unterschiedlich sein kann.
Wie in Figur 7 dargestellt, ist es auch möglich, unterschiedliche Wicklungsschritte für die beiden in Serie verschalteten Läuferspulen 10 vorzusehen, d. h. die Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe können verschiedene Anzahlen von Läufernuten oder von Läuferzähnen 8 umschließen.

Claims

Ansprüche
1 . Bürstenkommutierte elektrische Maschine (1 ), umfassend:
- einen Läufer (6) mit einer Anzahl von Läuferzähnen (8);
- Läuferspulen (10), die jeweils einen oder mehrere der Läuferzähne (8) umschließen;
- eine Statoranordnung mit Statorpolen, die mindestens einen mit einem Permanentmagneten (3) gebildeten Permanentmagnet-Statorpol (4) und mindestens einen nicht mit einem Permanentmagneten versehenen Folgepol (5) aufweisen, die in einer Folgepolanordnung angeordnet sind;
- einen Kommutator mit mindestens einem Bürstenpaar, um eine Läuferspulengruppe von miteinander verschalteten Läuferspulen zu kontaktieren,
wobei jeweils die gesamte Induktivität der verschalteten Läuferspulen (10) einer der Läuferspulengruppe an einer ersten und an einer zweiten Stellung des Läufers (6) bezüglich der Statoranordnung gleich ist.
2. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , wobei eine der Läuferspulen (10) der Läuferspulengruppe in der ersten Stellung auf einen Folgepol (5) und in der zweiten Stellung auf einen Permanentmagnet-Statorpol (4) ausgerichtet ist.
3. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Läuferspulen (10) der Läuferspulengruppe in einer Serienschaltung, einer Parallelschaltung oder in einer Kombination davon miteinander verschaltet sind.
4. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Läuferspulen (10) der Läuferspulengruppe bei einer Stellung des Läufers (6) bezüglich der Statoranordnung eine erste auf einen Folgepol (5) ausgerichtete Läuferspule (10) und eine zweite auf einen Permanentmagnet-Statorpol (4) ausgerichtete Läuferspule (10) aufweisen.
5. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 4, wobei die erste und die zweite Läuferspule (10) der Läuferspulengruppe einen verschiedenen Wicklungssinn aufweisen.
6. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste und die zweite Läuferspule (10) der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sind, der einem Winkel von
(2k+1 )*360 N mit k=0,1 ,..., N/2 - 1
entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen entspricht.
7. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste und die zweite Läuferspule (10) der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sind, der einem Winkel von
(2k+1 )*360 N +/- 180 M mit k=0,1 ,..., N/2 - 1
entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen und M der Anzahl von Läuferzähnen (8) entsprechen.
8. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die erste und die zweite Läuferspule (10) unterschiedliche Windungszahlen aufweisen.
9. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die erste und die zweite Läuferspule (10) unterschiedliche Anzahlen von Läuferzähnen (8) umschließen.
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