Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbe¬ sondere einen elektrischen Motor nach der Gattung des Haupt¬ anspruchs .

Aus der DE-OS 36 32 014 ist eine derartige elektrische Maschine mit einem als Rotor ausgebildeten hohl zyl indri sehen Anker¬ kern bekannt, der eine als Kommutatorwicklung ausgebildete Ankerwicklung trägt. Diese Ankerwicklung ist mit einem Kommutator über eine Vielzahl von elektrischen Leitungen verbunden, wobei die Stromzufuhr über vier Bürsten erfolgt. Der Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß beispielsweise für die Realisierung als Gleichstrommaschine ein Kommutator mit einer aufwendigen Verdrahtung erforder¬ lich ist, der den Aufbau der Maschine kompliziert und teuer macht, insbesondere auch im Hinblick auf die erforderlichen Arbeitsschritte bei der Herstellung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeich¬ nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil , daß ein Kommutator vollständig entfallen kann und dennoch auf einfache Weise eine Kommutierung der Ankerwicklung erreicht werden kann. Da die Bürsten des Bürstensatzes direkt schlei¬ fend an der Ankerwicklung anliegen, können bessere Kommu- ti erungsεi genschaften des Motors erzielt werden, weil die

auf die erfindungsgemäße Weise bewirkte Kommutierung der eines Kommutators mit sehr hoher Lamellenzahl entsprechen würde (Windungszahl = Lamellenzahl). Wegen der günstigeren Kommutierung kann auch die Polbedeckung erhöht werden, was zu einer besseren Ausnützung des Motors führt. Schlie߬ lich kann auch bei gleicher Leistung die Baugröße der Maschi ne infolge des Wegfalls des Kommutators verringert werden, insbesondere die axiale Baul nge. Die Kohlen können jetzt beispielsweise zwischen den Magnetpolen angeordnet werden, wo ohnehin nicht ausgenutzter Platz vorhanden ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Durch die fortlaufend um den Ankerkern gewickelten Windungen der toroidartigen Ankerwicklung liegt eine sehr einfache und kostengünstig zu wickelnde Ankerwicklung vor, die keiner¬ lei Anschlüsse benötigt.

Der Ankerkern besteht zweckmäßigerweise aus ringscheiben¬ förmigen oder tei lri ngscheibenförmigen Blechen, die ein hohl zyl indrisches Blechpaket bilden. Hierdurch kann auch der Ankerkern einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Um die Windungen der Ankerwicklung am Ankerkern sicher zu fixieren, ist dieser innen und/oder außen mit einer der Windungszahl der Ankerwicklung entsprechenden Anzahl von axialen Längsrillen zur teilweisen Aufnahme der Win¬ dungen versehen. Diese Längsrillen können in einfacher Weise dadurch erzeugt werden, daß die gestanzten Blechringe randseitig mit nebeneinanderliegenden, gerundeten Ausneh¬ mungen versehen sind. Durch diese Maßnahme wird auch der Wic elvorgang vereinfacht, und die einzelnen Windungen haben feste, unverrückbare Positionen zueinander, und ein Verrutschen im Bet ieb ist nicht zu befü chten.

Die von den Bürsten überstr i chene Schi eiff1 che der Anker¬ wicklung wird zweckmäßigerweise durch spanenden Abtrag, insbesondere durch Drehen, abisol iert. Hierdurch kann in einem Arbeitsgang eine glatte Schi eiffl äche erzeugt und die üblicherweise als Lack i so! at ion ausgebildete Isolation der Windungen entfernt werden, um die elektrische Verbindung zwischen den Windungen und der Bürste herzustellen. Dabei erweisen sich die die Windungen aufnehmenden Längsrillen als besonders günstig, da sie ein Verrutschen der Windungen beim Abdrehen verhindern.

Die Magnetpole werden vorzugsweise durch Permanentmagnete gebildet, deren Länge im wesentlichen der axialen Länge des Rotors entspricht, um bei minimaler Baugröße ein opti¬ males Erregerfe.ld zu erzielen.

Zur Verstärkung des magnetischen Flusses wird jeder Magnet¬ pol aus jeweils zwei Teilmagnetpolen gebildet, die innen und außen radial gegenüberliegend nahe am Rotor angeordnet sind, wobei sich jeweils gleiche Polaritäten gegenüber¬ stehen, die sich in Drehrichtung abwechseln. Hierdurch wi d eine Flußführung erreicht, bei der der Magnetfeldfluß durch den laminierten Ankerkern in Umfangsrichtung um eine Polteilung weitergeleitet wi d. Die den Hin- und Rü kleiter bildenden Wicklungsseiten der Ankerseiten bewirken eine Vortriebskraft und können auf der Innen- und Außenseite des Ankerkerns einander unmittelbar gegenüberliegen. Die Verbindung zwischen den Wicklungsseiten ist dadurch extrem kurz und i wesentl ichen nur von der radialen Dicke des Ankerkerns abhängig. Damit vermindern sich bei gleicher Leistung der -Masc ine die mittlere Windungslänge, das Kupfer¬ gewicht und die Oh schen Verluste beträchtlich. Es ergeben sich geringere Rotationsmassen und kleinere Trägheits c te wozu auch die fehlenden Verb i ndungs 1 ei tungen zu einem Kommu¬ tator beitragen.

Der Ankerkern kann in an sich bekannter Weise nach Art eines Glockenankers an einer seiner Stirnseiten an einer mit einer Läuferwelle drehfest verbundenen Nabe gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, daß der Ankerkern in seinem mittleren Bereich an einer solchen Nabe gehalten wird. Hierdurch wird insgesamt eine stabilere Befestigungs¬ form für den Rotor erreicht, wodurch axial längere Rotoren hergestellt werden können. Dies führt bei gleichem Außen¬ durchmesser des Motors zu mehr Leistung oder bei gleicher Leistung zu einem geringeren Rotations-Trägheitsmoment bei kleinerem Außendurchmesser. Bei dieser Ausführungsfor besteht der innere Teilmagnetpol aus zwei zu beiden Seiten der Nabe angeordneten Teilstücken. Diese Nabe ist zweck¬ mäßigerweise scheibenförmig ausgebildet.

Zei chnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel eines elektrischen Motors mit einem stirnseitig gehaltenen Ankerkern im Längsschnitt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Ankerkεrns mit teilweise dargestellten Längsrillen,

Fig. 3 ein Wickelschema einer Ankerwicklung des als Gleichstrommotor ausgebildeten Motors und

Fig. 4 das zweite Ausführungsbeispiel des elektrischen Motors mit mittig gehaltenem Ankerkern im Längs¬ schnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in F.i g . 1 dargestel ten permanentmagneterregten Gleichstrommotor besteht ein als Rotor ausgebildeter Anker 10

aus einem hohl zyl i ndri sehen Ankerkern 11, der aus axial geschichteten Blechringen aufgebaut ist, die miteinander verklebt oder vernietet sind. Dieses den Ankerkern 11 bilden¬ de Blechpaket ist in Fig. 2 näher dargestellt. Jeder einzel¬ ne, das Blechpaket bildende Blechring weist an seinem Außen¬ rand und an seinem Innenrand nebenei nander1 iegende , ge¬ rundete Ausnehmungen 12 auf, die zur Aufnahme der Windungen einer Ankerwicklung 13 dienen. Die Rundungen der Ausnehmungen 12 entsprechen dabei im wesentlichen der Rundung der Win¬ dungen der Ankerwicklung 13, wie dies aus dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 2 hervorgeht. Durch die verbundenen Blechringe entstehen somit an der Außenseite und Innenseite des Ankerkerns 11 axiale Längsrillen 14. Die Windungen der Ankerwicklung 13 sind fortlaufend um diesen Ankerkern 11 herum gewickelt, so daß eine toroidartige Wicklungsform entsteht .

Der fertig gewickelte Anker 10 ist mit einer seiner Stirn¬ seiten nach Art eines Glockenankers an einer scheibenartigen Kunststoffnabe 15 befestigt, die beispielsweise angespritzt ist. Diese Kunststoffnabe 15 ist drehfest mit einer L ufer¬ welle 16 verbunden, die mittels zweier Lager 17,18 in einem Motorgehäuse 19 drehbar gelagert ist. Der Stator des Gleich¬ strommotors ist drehfest mit dem Motorgehäuse 19 verbunden. Er besteht aus einem inneren Polring 20 und einem äußeren Polring 21, die an der von der Kun ststoffnabe 15 abgewandten Stirnseite des Motorgehäuses 19 über eine Rad i al schei be 22 starr miteinander verbunden sind. Die Radi al sehei be 22 bildet dabei eine der Stirnseiten und der äußere Polring 21 die zylindrische Außenwandung des Motorgehäuses 19. Bei dem vierpolig ausgebildeten Gleichstrommotor sind an jedem Polring 20,21 vier Magnetpole 23,24 mit in Drehrichtung abwechselnder Polarität angeordnet. Die Magnetpole 23, 2^ sind jeweils um 90 zueinander versetzt, so daß in der Schni tdarstellung nur zwei gegenübe liegende Magnetpole erkennbar sind. Jeder dieser vier Magnetoole 23,24 besteht

aus einem inneren Teilmagnetpol 25,26 und einem äußeren Te lmagnetpol 27,28. Diese Teilmagnetpole 25-28 werden durch stabförmige Permanentmagnete mit rechteckf rmi gern bzw. tei 1 ringf rmi gern Querschnitt gebildet. Bei dieser Anordnung dreht sich der mit der Ankerwicklung 13 versehene Ankerkern 11 durch kleine Spalte getrennt zwischen den inneren Teilmagnetpolen 25,26 und den äußeren Teilmagnet¬ polen 27,28. Die Länge der die Teilmagnetpole 25-28 bildenden Permanentmagnete entspricht dabei im wesentlichen der axialen Länge des Ankers 10.

Die Teilmagnetpole 25-28 weisen eine radiale Magnetisierungs¬ richtung auf, wobei jeweils die dem Anker 10 zugewandten Endbereiche der Teilmagnetpole eine gleichsinnige Magneti¬ sierung aufweisen. In Fig. 1 sind beispielsweise jeweils die Südpole der Teilmagnetpole 25-28 dem Anker 10 zugewandt.

Jeweils zwischen zwei Magnetpolen 23,24 liegt eine Kohle¬ bürste 29 federnd und bei der Drehbewegung schleifend am Anker 10 an. Hierzu wird die über den Innenumfang verlaufende Schleifstelle so weit abgedreht, daß keine Lackisolation der Ankerwicklung 13 die elektrische Verbindung zwischen den Windungen und der Kohlebürste 29 verhindert. Gleich¬ zeitig wird eine Schi eifstel 1 e mit glatter Oberfläche er¬ zielt. Da sich d e Kohlebürsten 29 jeweils zwisc en agnet¬ polen 23,24 befinden, bilden sie mit diesen jeweils einen Winkel von 45 . Zur Vereinfachung der Darstellung wurde jedoch eine Kohlebürste 29 in der Bildebene von Fig. 1 eingezeichnet, also in der Ebene zweier einander gegenüber¬ stehender Magnetpole 23,24.

In Fig. 3 ist die elektrische Zuordnung der Ankerwicklung 13 zu den Kohlebürsten 29 schematisch dargestellt. Die dicker gezeichneten indungsbereiche verlaufen dabei axial an der Außenseite des hohl zyl i ndri sehen Ankerkerns und die dünner gezeichneten indungsbereiche an der Innenseite

Von den jeweils um eine Polteilung versetzten vier Kohle¬ bürsten 29 sind Bürsten gleicher Polarität miteinander verbunden und an die Pole einer Gleichspannungsquelle 30 gelegt. Durch diese Anordnung wird eine Kommutierung er¬ reicht, wie wenn jedes Windungsende der einzelnen Windungen mit einer Kommutatorlamelle verbunden wäre.

Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ent¬ spricht prinzipiell dem ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder gleich wirkende Bauteile sind mit denselben Bezugs¬ zeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Anker 10 nicht mit einer seiner Stirnseiten, sondern mittig mit einer entsprechend geformten Kunststoffnabe 31 verbunden. Dies erfordert die Aufteilung des inneren Teilmagnetpols 25 in zwei Teilstücke 25a und 25b zu beiden Seiten der Kunststoffnabe 31. Entsprechend ist der innere Polring

20 in zwei Bereiche 20a und 20b aufgeteilt. Die Kohlebürsten 29 verschieben sich dadurch seitlich in die axiale Position der Teilstücke 25a.

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann der Ankerkern 11 anstelle aus ringscheibenförmigen Blechen auch aus tei lr i ngschei benf rmi gen Blechen bestehen. z.B. aus halbri ngschei benförmi gen Blechen. Die Kunststoffnaben 15,31 können prinzipiell jede beliebige Gestalt aufweisen, die geeignet ist. den Ankerkern 11 in der dargestellten Position zwischen den Teilmagnetpolen zu halten. Vorzu¬ ziehen ist eine geringe Ausdehnung in axialer Richtung, um den Spalt _, zwischen den Teilstücken 25a und 25b der inneren Teilmagnetpole möglichst klein zu halten. Weiterhin ist es prinzipiell möglich, die Kohlebürsten 29 radial von außen her an den Anker 10 heranzuführen. Sie sind in diesem Falle nicht am inneren Polring 20, sondern am äußeren Polring

21 befestigt.

Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele bezieht sich auf Gleichstrommotoren. Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung auf andere elektrische Motoren und Generatoren anzuwenden, die Bürsten und eine Kommutierung aufweisen. Dabei ist es auch möglich, anstelle von aufgeteilten Magnet¬ polen in innere und äußere Magnetpole lediglich nur innere oder nur äußere Magnetpole vorzusehen. Die elektrische Maschine muß auch nicht gemäß der vorliegenden Beschreibung vierpolig ausgebildet sein, sondern die Realisierung ist mit jeder bekannten Polzahl möglich.

Im eingangs angegebenen Stand der Technik sind verschiedene Details der beschriebenen Ausführungsbeispiele bereits realisiert. Die dort angegebenen Vorteile dieser Details treffen selbstverständlich auch für die vorliegenden Aus¬ führungsbeispiele zu.