DE19942903A1 - Läuferkern und mit Bürsten ausgestatteter Gleichstrommotor unter Verwendung desselben - Google Patents

Abstract

Ein Läuferkern enthält einen zentralen kreisförmigen Abschnitt (2) und eine Vielzahl von im gleichen Abstand voneinander angeordneten Ansätzen (3), die sich vom zentralen kreisförmigen Abschnitt (2) radial nach außen erstrecken. Die Ansätze (3) und der zentrale kreisförmige Abschnitt (2) sind als eine Einheit ausgebildet durch Formen von magnetischen Metallpulverteilchen, die jeweils mit einem Isoliermaterial überzogen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läuferkern und einen mit Bürsten ausgestatteten Gleich­ strommotor unter Verwendung desselben.

Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist, enthält ein bekannter mit Bürsten ausgestatteter Gleichstrommotor einen Läuferkern 100, um den Spulendraht 101 gewickelt ist, einen Kommutator 102, der mit dem Spulendraht 101 elektrisch verbunden ist und sich zu­ sammen mit dem Kern 100 dreht, ein Paar Bürsten 103, die eine kontinuierliche Rotation des Kerns 100 dadurch bewirken, daß dem Kommutator 102 während der Rotation ab­ wechselnd unterschiedliche Polaritäten zugeführt werden.

Um die Produktionskosten und Eisenverluste des Kerns 100 zu reduzieren, kann, wie in Fig. 12 dargestellt, der Kern 100 in Form eines Stahlblechpaketes aus einer Vielzahl geschichteter dünner Stahlbleche gebildet sein. Der Grund liegt darin, daß ein gegossener oder gesinterter Kern einen kleinen elektrischen Gesamtwiderstand aufweist, durch den Wirbelströme groß werden, wenn durch den Kern 100 ein variabler Fluß fließt. Hierdurch wird der Kern aufgeheizt, die Eisenverluste des Kerns 100 nehmen zu und damit wird die Ausgangsleistung bezogen auf die Eingangsleistung beträchtlich verringert.

Im Hinblick auf die genannten Umstände kommt man nicht umhin, den Läuferkern 100 in Form eines gestapelten oder geschichteten Paketes aus dünnen Stahlblechen auszubilden.

Wird ein gestapeltes oder geschichtetes Stahlblechpaket eingesetzt, dann ist der Kern hinsichtlich seiner Formgebung Einschränkungen unterworfen. So kann z. B. die Quer­ schnittsform, d. h., die Form von Schnitten senkrecht zur Achse des Kerns nur schwer graduell in axialer Richtung geändert werden.

Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, weist jedes der geschichteten dünnen Stahlbleche des Paketes des Kerns einen zentralen kreisförmigen Abschnitt 100a und eine Vielzahl in gleicher Teilung angeordneter radialer Ansätze bzw. Arme 100b auf. Im Lichte der Tatsache, daß die geschichteten dünnen Stahlbleche des Blechpaktes jeweils eine ebene Form aufweisen, ist die axiale Länge L der Arme 100b jeweils konstant. Außerdem wird bei Schichtung identischer Bleche der Querschnitt eines radialen Armes 100b in axialer Richtung des Kerns rechteckig mit vier rechtwinkligen Ecken, wie dies in Fig. 15 darge­ stellt ist, die den Schnitt B-B von Fig. 13 zeigt. Wird der Spulendraht 101 um den Kern 100 gewickelt, dann entsteht im kreisförmigen Abschnitt 100a, wie in Fig. 14 dargestellt ist, ein überlappender Zustand. Die hierdurch bedingte Ausdehnung weist eine axiale Länge bzw. Dicke von M auf, wodurch die gesamte axiale Länge des Kerns 100 um die Länge M vergrößert wird.

Wie aus der Darstellung nach Fig. 15 ersichtlich ist, verursacht die rechtwinklige Ecke, um die der Spulendraht 101 zu wickeln ist, einen Abstand vom Kern 100b, der in Fig. 15 mit z bezeichnet ist. Dieser Abstand z ist Ursache für eine weitere Vergrößerung der gesamten axialen Länge des gewickelten Kerns 100.

Wie bereits erwähnt, ist die axiale Länge L jeder der Arme 100b konstant. Deshalb ist es schwierig, ein Element wie ein Lager oder einen Kommutator nahe dem Kern 100 unter­ zubringen. Hierdurch wird ebenfalls eine Vergrößerung der axialen Gesamtlänge des Kerns 100 verursacht.

Wie aus Fig. 15 ersichtlich ist, bildet die geschlossene Schleife des Spulendrahtes 101 im wesentliche eine Ellipse. Eine Verkürzung des Spulendrahtes 101 wird unter Beibehaltung des Betriebsverhaltens und der Leistungsfähigkeit schwierig. Damit kann eine Vergröße­ rung der Motorausgangsleistung nicht erzielt werden durch eine Vergrößerung des durch den Spulendraht fließenden Stromes bei vorgegebener angelegter Spannung an den Motor, indem die geschlossene Schleife in ihrer Länge verkürzt wird.

Die genannten Probleme spitzen sich auf das eine Problem zu, daß die Form des Kerns nicht willkürlich ausgebildet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Läuferkern verfügbar zu machen, dessen Form willkürlich ausgebildet werden kann sowie einen mit Bürsten ausgestatteten Gleichstrom­ motor unter Verwendung des Läuferkerns.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden Beschrei­ bung bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen

Fig. 1 eine axiale Draufsicht eines Läuferkerns gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie E-E von Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie F-F von Fig. 1;

Fig. 4 eine axiale Draufsicht eines Läuferkerns gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs der Linie C-C von Fig. 4;

Fig. 6 eine axiale Draufsicht eines Läuferkerns einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie D-D von Fig. 6;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht längs der Linie G-G von Fig. 6;

Fig. 9 eine axiale Draufsicht eines Läuferkerns gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht längs der Linie I-I von Fig. 9;

Fig. 11 eine Änderung der in Fig. 10 dargestellten Konstruktion;

Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils eines bekannten, mit Bürsten ausgestatteten Gleichstrommotors;

Fig. 13 eine Draufsicht des Läufers des in Fig. 12 dargestellten Motors;

Fig. 14 eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A von Fig. 12; und

Fig. 15 eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B von Fig. 12.

Es werden nun die bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung anhand der Figuren im einzelnen erläutert.

Fig. 1 stellt einen Läuferkern 1 dar. Der Läuferkern 1 enthält einen zentralen kreisförmi­ gen Abschnitt 2 und eine Vielzahl äquidistant angeordneter Vorsprünge bzw. Arme 3, von denen sich jeder in radialer Richtung nach außen erstreckt. Jeder der Arme 3 weist einen Basisabschnitt 3a und einen distalen Endabschnitt 3b auf.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Höhe J des kreisförmigen Abschnittes 2 kleiner als die Höhe H des distalen Endabschnittes 3b des Armes 3 ausgebildet. Außerdem wird der Basisabschnitt 3a des Armes 3 ausgehend von der mittleren Ebene in radialer Richtung allmählich kleiner und hat insgesamt eine kleinere Höhe als die Höhe H des distalen Endabschnittes 3b.

Wie Fig. 3 zeigt, ist jede Ecke des Querschnittes des Basisabschnittes 3a abgerundet (vergl. im Gegensatz hierzu Fig. 15). Wenn deshalb ein Spulendraht 4 um den Basis­ abschnitt 3a herumgewickelt wird, läuft der Draht 4 längs der Oberfläche des Basisab­ schnittes 3a ohne einen Spalt zu bilden, wie es bei dem Querschnitt des Basisabschnittes 100b in Fig. 15 gezeigt ist.

Da der Kern 1 die beschriebene Konfiguration besitzt, wird nach dem Aufwickeln des Wicklungsdrahtes 4 bei dem in Fig. 2 dargestellten sich überlappenden Zustand des Wicklungsdrahtes 4 eine Höhe J1 erreicht, die im wesentlichen der Höhe H des distalen Endabschnittes 3b entspricht. Damit steht der aufgewickelte Draht 4, wenn überhaupt, nur wenig aus den axialen Begrenzungslinien des Endabschnittes 3b vor.

Damit kann bei Einsatz eines Läuferkerns 1, bei dem der Überstand M (Fig. 14) des bekannten Motors entfällt, ein Motor mit kürzerer axialer Länge geschaffen werden. Es ist möglich, kompaktere Motoren zu bauen.

Der Läuferkern 1 wird mittels der folgenden Schritte geformt.

Zunächst werden Eisenpulverteilchen mit einem Durchmesser von 25-150 µm hergestellt. Die Pulverteilchen werden zur Isolation mit Isoliermaterial überzogen. Ein geeignetes Isoliermaterial ist das unter dem Namen SOMALOY500® der schwedischen Firma Hoega­ naes erhältliche Produkt. Dieses Material weist Zweischichtstruktur auf mit einer äußeren Schicht aus Nylon und einer inneren Schicht aus Phosphat. Zum Erzeugen dieses Materials werden die folgenden Schritte durchgeführt: (a) Nylonpulver wird in eine Lösung aus Phosphat eingebracht; (b) die Pulverteilchen werden aus der Lösung entfernt; (c) die erhaltenen Pulverteilchen werden abgeblasen, um Phosphat an den Außenflächen der Pulverteilchen zu eliminieren; (d) die erhaltenen Pulverteilchen werden getrocknet. An Stelle der äußeren Schicht kann eines der Materialien Fe₂O₃, Al₂O₃ bzw. SiO₂ verwendet werden und als innere Schicht Mn0.6Zn0.3Fe2.1O4.

Die mit Isoliermaterial überzogenen Pulverteilchen werden zusammen mit einer vor­ gegebenen Menge an Harzpulverteilchen in einen Hohlraum gebracht und 60 Minuten lang einem Heißpreßvorgang (Druck 7 to/cm², Temperatur 275°C) unterworfen. Druck, Temperatur und Zeitdauer des Meßpreßvorganges sind vom verwendeten Material ab­ hängig. Nach Beendigung dieses Vorgangs ist der Kern 1 wie in Fig. 1 dargestellt, ausgebildet. Es soll bemerkt werden, daß anstelle von Eisen auch Nickel, Kobalt oder andere magnetische Materialien einsetzbar sind, deren Eigenschaften unter dem Einfluß von Magnetismus variieren.

Der erhaltene Kern 1 besteht aus glasisolierten Eisenpulverteilchen, d. h., daß der elek­ trische Widerstand insgesamt größer wird. Damit werden die im Kern 1 erzeugten Wirbel­ ströme kleiner und damit werden die Eisenverluste des Kerns 1 weitmöglichst begrenzt.

In Fig. 4 ist ein Läuferkern 11 einer zweiten Ausführungsform dargestellt, der durch ein ähnliches Verfahren wie das Herstellungsverfahren des vorhergehenden Kerns gemäß der ersten Ausführungsform gebildet worden ist.

Wie in Fig. 4 dargestellt, enthält der Läuferkern 11 einen zentralen kreisförmigen Ab­ schnitt 12 und eine Vielzahl äquidistanter Arme 13, von denen sich jeder in radialer Richtung nach außen erstreckt. Jeder der Arme 13 besitzt einen Basisabschnitt 13a und einen distalen Endabschnitt 13b. Wie aus Fig. 5 und der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, ist der kreisförmige Abschnitt 12 in der Höhe kleiner ausgebildet als der Basisabschnitt 13a des Armes 13.

Wie Fig. 5 zeigt, ist ein ringförmiger Permanentmagnet 16 an der Innenfläche eines Motorgehäuses 15 befestigt. Innerhalb des Permanentmagneten 16 ist der Läuferkern 11 vorgesehen, der mit einem Spulendraht 14 umwickelt ist und mittels eines Kugellagers 17 relativ zum Motorgehäuse 15 drehbar ist. Ein Kommutator 18 ist auf einer Welle 11a befestigt und weist einen hakenförmigen Abschnitt 18a auf, der so angeordnet ist, daß er in elektrischem Kontakt mit dem Ende des Spulendrahtes 14 oberhalb des Basisabschnittes 13a des Arms 13 steht. Dieser elektrische Kontakt stellt über zwei Bürsten 90 eine elek­ trische Verbindung zu einer nicht dargestellten Energiequelle her.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die axiale Länge bzw. Höhe des kreisförmigen Ab­ schnittes 12 kleiner als die des Armes 13. Dies ermöglicht es, den hakenförmigen Teil 18a des Kommutators 18 niedriger als die Oberseite des Basisabschnittes 13a des Armes 13 zu plazieren. Die Höhendifferenz ist auch auf der in axialer Richtung entgegengesetzten Seite des Kerns 1 vorgesehen. Hierdurch ist eine teilweise Unterbringung des Lagers 17 mög­ lich, das sich in einem durch einen kreisförmigen Vorsprung 15a definierten Raum am Boden des Motorgehäuses 15 befindet. Damit können das Kugellager 17 und der Kom­ mutator 18 nahe des Kerns 11 positioniert werden, wodurch die gesamte axiale Länge des Motors verkürzt wird.

In Fig. 6 ist ein Läuferkern 21 einer dritten Ausführungsform dargestellt, der durch ein ähnliches Verfähren wie dem Herstellungsverfähren des Kerns 1 der ersten Ausführungs­ form hergestellt wird.

Wie in Fig. 6 dargestellt ist, enthält der Läuferkern 21 einen zentralen kreisförmigen Abschnitt 22 und eine Vielzahl äquidistanter Arme 23, von denen sich jeder in radialer Richtung nach außen erstreckt. Jeder der Arme 23 besitzt einen Basisabschnitt 23a und einen distalen Endabschnitt 23b.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist der axiale Querschnitt des Basisabschnittes 23a des Armes 23 in Form einer Ellipse ausgebildet. Außerdem ist an der Außenfläche des zentralen kreisförmigen Abschnittes 22 eine Vielzahl von Vorsprüngen 25 vorgesehen, die sich in radialer Richtung erstrecken. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, ist die äußere Periphe­ rie jedes Vorsprungs 25 konvex ausgebildet. Eine solche Form ermöglicht eine Verkürzung der Länge des Drahtes 24 in Form einer geschlossenen Schleife ohne den Bereich des magnetischen Flusses zu reduzieren, wie es bei der Form nach Fig. 13 der Fall ist. Damit kann ein geringerer magnetischer Widerstands des Kerns erzielt werden, als bei der Ausbildung nach Fig. 13, wodurch die Ausgangsleistung erhöht wird.

Fig. 9 stellt einen Läuferkern 31 gemäß einer vierten Ausführungsform dar, die mittels eines ähnlichen Verfahrens hergestellt worden ist wie dem Herstellungsverfahren des Kerns 1 der ersten Ausführungsform.

Der in den Fig. 9 bis 11 dargestellte Läuferkern 31 enthält einen zentralen kreisförmigen Abschnitt 32 und eine Vielzahl äquidistanter Arme 33, von denen sich jeder radial nach außen erstreckt. Jeder der Arme 33 besitzt einen Basisabschnitt 33a und einen distalen Endabschnitt 33b. Der zentrale kreisförmige Abschnitt 32 ist einstückig mit einem axialen zylindrischen Vorsprung bzw. Ring 32 ausgebildet, der als Trennwand wirkt. Die Höhe bzw. die Größe des Vorsprungs des Rings 32 ist so gewählt, daß sie etwas größer ist als die des Wicklungsdrahtes 34. Das distale Ende des kreisförmigen Rings 32 ist abgerundet oder abgeschrägt.

Die Darstellung nach Fig. 10 zeigt einen Zustand, bei dem eine Welle 31a des Kerns 31 an diesem mit einem Kommutator 38 in einem Press-Sitz angebracht werden soll. Nach Abschluß eines derartigen Paßvorgangs wird der in Fig. 11 dargestellte Zustand herge­ stellt, bei dem sich der Kommutator 38 innerhalb des kreisförmigen Ringes 32a befindet. Obgleich das distale Ende 34a beim Übergang des Zustandes von Fig. 10 zu Fig. 11 zeitlich locker bzw. schlaff ist, wird nach der ersten Berührung des distalen Endes 34a des Drahtes 34 mit dem oberen bzw. abgerundeten Ende des Rings 32a unter Beibehaltung des Berührungszustandes ein angemessener Zug auf das distale Ende 34a des Drahtes 34 ausgeübt, durch den es möglich ist, den Kommutator nahe dem Kern 31 zu positionieren. Damit wird die gesamte axiale Länge des Motors kleiner und es sind keine Mittel wie Lack am distalen Ende 34a des Drahtes 34 erforderlich, um den losen bzw. schlaffen Zustand zu beseitigen. Durch Abrunden, Abschrägen bzw. Brechen der Kanten des distalen Endes des Rings 32a ist es möglich, am distalen Ende 34a des Drahtes 34 eine Spannung zu erzeugen und zu verteilen, wenn der Kommutator 38 auf der Welle 31a montiert wird und die Spannung des Drahtes 34 auf einen geeigneten Wert zu justieren.

Claims (8)

1. Läuferkern enthaltend
einen zentralen kreisförmigen Abschnitt 2, 12, 22, 32); und
eine Vielzahl in gleichem Abstand voneinander angeordneter Ansätze bzw. Arme (3, 13, 23, 33), die sich vom zentralen kreisförmigen Abschnitt (2, 12, 22, 32) radial nach außen erstrecken, wobei die Arme (3, 13, 23, 33) und der zentrale kreisförmi­ ge Abschnitt (2, 12, 22, 32) eine einheitlich Konfiguration darstellen und durch Formen von mit einem Isoliermaterial überzogenen magnetischen Metallpulverteilchen gebildet sind.

2. Kern nach Anspruch 1, bei dem der zentrale kreisförmige Abschnitt (2, 12, 22, 32) in seiner axialen Höhe kleiner als der distale Endabschnitt (3b, 13b, 23b, 33b) der jeweiligen Ansätze (3, 13, 23, 33) ist.

3. Kern nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ansätze (3, 13, 23, 33) jeweils einen Basisabschnitt (3a, 13a, 23a, 33a) und einen distalen Endabschnitt (3b, 13b, 23b, 33b) aufweisen und der Basisabschnitt in seiner axialen Höhe kleiner als der entsprechende Endabschnitt ist.

4. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zentrale kreisförmige Abschnitt (2, 12, 22, 32) in seiner axialen Höhe kleiner als ein Basisabschnitt (3a, 13a, 23a, 33a) der jeweiligen Ansätze (3, 13, 23, 33) ist.

5. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein parallel zur axialen Richtung des zentralen kreisförmigen Ab­ schnittes (2, 12, 22, 32) geschnittener Basisabschnitt (3a, 13a, 23; 33a) der jeweiligen Ansätze (3, 13, 23, 33) ein sich änderndes Verhältnis zwischen der resultierenden Länge in der betreffenden Richtung und einer Länge senkrecht hierzu aufweist.

6. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Durchmesser des zentralen kreisförmigen Abschnittes (2) sich abhängig von der axialen Höhe ändert.

7. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zentrale kreisförmige Abschnitt (32) einen ringförmigen axialen Vorsprung (32a) aufweist.

8. Mit Bürsten ausgestatteter Elektromotor, enthaltend einen Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 7.