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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Drehzahlstellung.
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Der
Einsatz einer dritten Bürste
zur Geschwindigkeitsstellung bei 2-poligen Motoren ist z.B. bei
Wischermotoren bekannt. Ein solcher Motor ist schematisch in 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.
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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.
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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.
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Vorteile der Erfindung
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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 Zusatzbürsten)
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.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Elektromotor ist
vorzugsweise n = 4, d.h. es handelt sich um einen 4-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.
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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.
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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.
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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 4-
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 Verschaltung 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.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
Bürstenanordnung
gemäß einer ersten
bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen 4-poligen
Motors mit drei Bürsten, bei
dem gegenüberliegende
Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind,
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2 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
einer Bürstenanordnung
eines erfindungsgemäßen 4-poligen
Motors mit drei Bürsten,
bei dem gegenüberliegende
Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind, und
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3 eine
Bürstenpositionierung
eines 2-poligen Motors mit drei Bürsten nach dem Stand der Technik
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme der 1 und 2 zwei
bevorzugte Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Elektromotors
beispielhaft beschrieben.
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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.
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In
dem ersten in 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 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.