Elektromotor mit Drehzahlstellung

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Drehzahlstellung.

Der Einsatz einer dritten Bürste zur Geschwindigkeitsstellung bei 2-poligen Motoren ist z.B. bei Wischermotoren bekannt. Ein solcher Motor ist schematisch in Figur 3 gezeigt. Die Drehrichtung des hier mit zwölf Kommutatorlamellen versehenen Ankers 5 ist nach rechts, der Motor weist zwei entgegengesetzt gepolte Magnetpole 4a, 4b, eine erste bei 0° liegende Bürste 1, eine zweite bei 180° liegende Bürste 2, die also der ersten Bürste 1 gegenüberliegend angeordnet ist, und eine zur ersten Bürste 1 entgegen der Drehrichtung des Ankers 5 verschoben angeordnete dritte Bürste 3 auf. In der niedrigen Drehzahlstufe werden die beiden gegenüberliegenden Bürsten, d.h. die erste Bürste 1 und die zweite Bürste 2 bestromt. Die dritte Bürste 3 ist stromlos. In der hohen Drehzahlstufe werden die dritte Bürste 3 und die zweite Bürste 2 bestromt. Die Bürste 1 ist nun stromlos. Da in der hohen Drehzahlstufe ein Teil des Stromflusses ein Bremsmoment bewirkt und sich zusätzlich der Widerstand des Strompfades erhöht, wird eine Kippung der Kennlinie des Elektromotors und eine Reduktion des Anlaufmoments bewirkt. Dadurch wird bei entsprechender Lage des Arbeitspunktes auf der Drehmomentkennlinie eine Erhöhung der Drehzahl erreicht. Durch geeignete Wahl des Winkels zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 kann die gewünschte Kennlinienspreizung eingestellt werden. Je größer der Winkel zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 ist, desto stärker fällt die Kennlinienspreizung aus.

Weiter ist bei Elektromotoren der Einsatz von 4- und mehrpoligen Motoren mit nur einer

Geschwindigkeitsstufe bekannt. Durch die Erhöhung der Polzahl kann aktive Motormasse eingespart werden, denn

- der Magnetfluss teilt sich in mehrere Teilpfade auf, wodurch die Jochdicke reduziert werden kann,

- das Ankerquerfeld, das zur Entmagnetisierung der Magnete führt, teilt sich ebenfalls auf mehrere Teilpfade auf, wodurch die Magnetdicke reduziert werden kann, ohne dass eine Entmagnetisierung auftritt, und

- die Ankerwicklung weist bei höherer Polzahl einen geringeren Wickelschritt auf, was zu einer Verkleinerung der Wickelköpfe und somit zur Einsparung von Kupfer und einer Reduktion der

Ankerlänge führt.

Bei dem Design eines 4- und mehrpoligen Motors muss zunächst bei Einsatz einer Schleifenwicklung die Anzahl der Bürsten entsprechend der Erhöhung der Polzahl angepasst werden, d.h. beim übergang von zwei auf vier Magnetpole muss sich die Anzahl der Bürsten ebenfalls von zwei auf vier erhöhen. Alternativ dazu können jedoch die Kommutatorlamellen, die in einer Ankerposition Kontakt zu den Bürsten gleicher Polarität haben, durch sogenannte Ausgleichsleiter elektrisch verbunden werden. Dadurch kann, bei ausreichender Stromtragfähigkeit der Bürsten, der Motor weiterhin mit nur zwei Bürsten betrieben werden. Solche 4- und mehrpoligen Motoren weisen jedoch nur eine Geschwindigkeitsstufe auf, d.h. sie benötigen eine externe Geschwindigkeitsstellung, z.B. durch Regelung der Spannung oder durch Einsatz von Vorwiderständen, um unterschiedliche Drehzahlstufen zu realisieren.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Vorteile der Hochpoligkeit, nämlich der geringere Stoffeinsatz und Bauraumbedarf, mit der günstigen Methode der Drehzahlstellung durch Einsatz einer dritten Bürste kombiniert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei einem Elektromotor mit einer Anzahl n von Polen, wobei n gerade und größer 2 ist, und einer Anzahl m von Bürsten, mit 2 < m < n, eine Anzahl r von zusätzlichen Bürsten zur Geschwindigkeitsstellung, mit 1 < r < n/2, vorgesehen ist. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß pro Polpaar, das ein Bürstenpaar aufweist, eine zusätzliche Bürste vorgesehen. Ist der Elektromotor so aufgebaut, dass, z.B. durch den Einsatz von Ausgleichsleitern, nicht jedes Polpaar ein Bürstenpaar aufweist, so kann auch die Anzahl der zusätzlichen Bürsten entsprechend reduziert werden. Weiterhin ist auch bei einem Einsatz von Ausgleichsleitern eine höhere Anzahl von Bürsten bis zu der vollen Anzahl n + n/2 von Bürsten möglich, wodurch eine Redundanz gegeben ist. Zusammengefasst weist der erfindungsgemäße Elektromotor bei wenigstens vier Polen eine Anzahl von Zusatzbürsten auf, die wenigstens den ohne den Einsatz von Ausgleichsleitern oder diesen entsprechenden internen Verschaltungen den vorgesehenen Bürstenpaaren zum Antrieb des Motors in nur einer Geschwindigkeitsstufe entspricht. Durch diese Zusatzbürste(n) wird dann eine zweite Geschwindigkeitsstufe erreicht. Erfindungsgemäß

ist der Einsatz von Ausgleichsleitern zwischen den entsprechenden Kommutatorlamellen bevorzugt, da dann weiterhin eine minimale Anzahl von Bürsten, d.h. insbesondere nur drei Bürsten, benötigt wird und ein Bürstenträger mit sechs oder mehr Bürsten, der insbesondere bei kleinen Motordurchmessern konstruktiv nur schwierig umzusetzen ist, nicht vorgesehen zu werden braucht. Alternativ zu Ausgleichsleitern, die normalerweise bei der Wicklung extra gelegt werden, können auch interne Verschaltungen der entsprechenden Kommutatorlamellen vorgesehen werden, wobei die Verschaltung dann direkt im Kommutator vorgesehen ist.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor ist vorzugsweise n = 4, d.h. es handelt sich um einen A- poligen Motor, bei einer Anzahl m von zwei Bürsten und einer Anzahl r von einer zusätzlichen Bürste, d.h. mit Ausgleichsleitern bzw. internen Verschaltungen zwischen entsprechenden Kommutatorlamellen.

Weiter bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Elektromotor vierzehn gleichmäßig verteilte Kommutatorlamellen, von denen jeweils gegenüberliegende Kommutatorlamellen durch einen jeweiligen Ausgleichsleiter oder eine interne Verschaltung verbunden sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor sind bevorzugt eine erste Bürste und eine zweite Bürste, über die der Elektromotor in einer ersten Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, in einem Winkel von 90° mechanisch zueinander angeordnet, und eine dritte Bürste über die der Elektromotor zusammen mit der zweiten Bürste in einer zweiten Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, ist entweder in einer Position zwischen der ersten und der zweiten Bürste oder in einer zu dieser Position um 180° versetzten Position angeordnet. Es ist nach der Erfindung auch möglich, dass die erste Bürste und/oder die zweite Bürste um 180° zu der angegebenen Position versetzt angeordnet sind.

Der erfindungsgemäßen Elektromotor ist nicht auf eine Anzahl von vier Polen bei einer Anzahl von drei Bürsten beschränkt. Ebenso können mehr oder weniger als vierzehn gleichmäßig verteilte Kommutatorlamellen vorgesehen werden und der Versatz der Bürsten zueinander kann ebenfalls unterschiedlich sein und hängt von dem gewählten Motordesign ab. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß ein A- und mehrpoliger Motor, der wenigstens ein Bürstenpaar aufweist, mit einer zusätzlichen Bürste für jedes vorgesehene Bürstenpaar versehen. Die zusätzliche Bürste wird entweder in einer Position zwischen den Bürsten des Bürstenpaares oder in einer zu dieser Position um einen bestimmten Winkel versetzten Position angeordnet. Dieser bestimmte Winkel wird durch die Anordnung von Ausgleichsleitern oder internen Verschaltungen bestimmt. In dem Fall, dass gegenüberliegende Kommutatorlamellen durch einen jeweiligen Ausgleichsleiter oder eine jeweilige interne Verschaltung verbunden sind, beträgt er 180°. In dem Fall, dass jeweils drei gleichmäßig über

den Umfang verteilte Kommutatorlamellen mit einem Ausgleichsleiter oder einer internen Verschattung verbunden sind, beträgt er 120° oder 240°. In anderen Worten wird eine jeweilige dritte Bürste, wenn sie nicht in der Position zwischen den Bürsten des Bürstenpaares angeordnet ist, in einer solchen Position angeordnet, bei der die gleichen Kommutatorlamellen mit Energie versorgt werden, wie wenn die dritte Bürste in der Position zwischen den Bürstenpaares angeordnet wäre. Die Bürsten des Bürstenpaares können ebenfalls entsprechend versetzt angeordnet sein. Wie zuvor erörtert, kann auch im Falle von Ausgleichsleitern oder internen Verschaltungen zur Redundanz eine höhere Anzahl von Bürsten als drei vorgesehen werden. Diese sind dann jeweils in einer der oder mehreren von den Positionen angeordnet, in die die jeweilige dritte Bürste verschoben werden könnte.

Zeichnung

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine Bürstenanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 4-poligen Motors mit drei Bürsten, bei dem gegenüberliegende Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind,

Figur 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Bürstenanordnung eines erfindungsgemäßen 4-poligen Motors mit drei Bürsten, bei dem gegenüberliegende Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind, und

Figur 3 eine Bürstenpositionierung eines 2-poligen Motors mit drei Bürsten nach dem Stand der Technik

Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden unter Bezugnahme der Figuren 1 und 2 zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Elektromotors beispielhaft beschrieben.

Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen handelt es sich um 4-polige Wischermotoren mit Ausgleichsleitern. Das Statorpaket hat jeweils vierzehn Nuten, entsprechend hat der Kommutator vierzehn Kommutatorlamellen 5a, von denen jeweils die gegenüberliegenden Kommutatorlamellen durch einen (nicht gezeigten) Ausgleichsleiter verbunden sind. Die erste Bürste 1 , an die in der ersten

Geschwindigkeitsstufe die positive Betriebsspannung angelegt wird, und die zweite Bürste 2, die für beide Geschwindigkeitsstufen als Massebürste dient, sind in einem Winkel von 90° mechanisch zueinander angeordnet. Dies entspricht bei einer Polpaarzahl p = 2 elektrisch 180°. Die vier Statorpole sind schematisch durch vier abwechselnd polarisierte Magnetpole 4a-4d gezeigt.

In dem ersten in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die dritte Bürste, an die in der zweiten Geschwindigkeitsstufe die positive Betriebsspanung angelegt wird, mit einem Winkel von 35° zur ersten Bürste 1 versetzt zwischen der ersten Bürste 1 und der zweiten Bürste 2 angeordnet. Durch den Einsatz der Auslgeichsleiter zwischen gegenüberliegenden Kommutatorlamellen kann die dritte Bürste 3 erfindungsgemäß auch um 180° mechanisch versetzt zu dieser Position angeordnet sein. Dies ist im zweiten in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die dritte Bürste 3 um 225° von der ersten Bürste 1 versetzt angeordnet ist, wobei der Winkel von 225° hier entgegen der Drehrichtung des Rotors 5 gemessen wird, wie auch der Versatz von 90° der zweiten Bürste 2 zu der ersten Bürste 1 und der Versatz von 35° zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 im ersten Ausführungsbeispiel.