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Diese
Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Rotor
für einen
PMDC-Motor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen sind die Anzahl von Kommutatorstäben (als Stabanzahl bezeichnet),
die Anzahl von Rotorpolen oder -schlitzen (als Schlitzanzahl bezeichnet)
und die Anzahl von Wicklungsspulen eines Permanentmagnet-DC-Motors (Permanentgleichstrommotor)
gleich. Ein Standardkommutator hält
nur eine annäherungsweise
stabile Kommutationsspannung aus. Sogar dann werden Kommutationsfunken zwischen
benachbarten Kommutatorstäben
erzeugt, wenn die Bürste über sie
hinüber
läuft.
Um die Kommutation zu verbessern, sind manchmal die Kommutatorstabanzahl
und die Anzahl der Wicklungsspulen doppelt so hoch wie die Rotorschlitzanzahl.
Ein bekannter Mikromotor wendet vier Pole (Statorpole) und fünf Schlitze
an, weil dies Vorteile eines einfachen Aufbaus, einer guten Belüftung, von
weniger Kupfer und so weiter hat.
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Eine
bekannte Wicklungsanordnung für
einen Mikromotor mit vier Polen und fünf Schlitzen ist in 5 gezeigt.
Diese Art hat eine obere Wicklung 71 und eine untere Wicklung 72,
die nachfolgend mit benachbarten Kommutatorstä ben 1 bis 10 verbunden
sind. Das bedeutet: Die obere Wicklungsspule 71 und die
untere Wicklungsspule 72 sind um jeden Zahn A bis E gewickelt
und jede Spule hat zwei Enden. Beispielsweise ist am Zahn A die
obere Wicklungsspule 71 mit den Kommutatorstäben 1 und 2 verbunden,
und die untere Wicklungsspule 72 ist mit den Kommutatorstäben 2 und 3 verbunden.
Die obere Wicklungsspule 71 ist am Zahn B mit den Kommutatorstäben 3 und 4 verbunden,
während
die untere Wicklungsspule 72 mit den Kommutatorstäben 4 und 5 verbunden
ist und so weiter.
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Da
jedoch die beiden Wicklungen in der traditionellen Wicklungsanordnung
getrennt mit benachbarten Kommutatorstäben verbunden sind, befände sich,
wenn die eine Wicklung sich in der besten Kommutatorstellung befindet,
die andere Wicklung um einen mechanischen Winkel von 36° über oder hinter
der besten Stellung, so dass die Kommutationsfunken größer sind.
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Ein
anderer traditioneller Wicklungsanordnung ist in 6 gezeigt.
Eine einzelne Wicklung ist um jeden Zahn A bis E gewickelt, wobei
zwei Enden jeder Wicklung getrennt mit einem Paar von entsprechenden
Kommutatorstäben 1 bis 10 verbunden sind.
Nachdem eine Wicklung vollständig
gewickelt worden ist, wird die nächste
Wicklung über
Verbindungsleitungen erreicht, die als Ausgleichsleitungen 61 bis 65 bekannt
sind. Fünf
Wicklungen bilden einen vollständigen
Schaltkreis. Der Strom jeder Wicklung ist doppelt so hoch wie der
Wicklungsstrom der Anordnung, die in 5 gezeigt
ist. Daher ist der Durchmesser des Drahtes der Wicklung von 6 gewöhnlich doppelt
so groß wie
der Durchmesser des Drahtes der Wicklung von 5. In der
Wicklungsanordnung, die in 6 gezeigt
ist, ist die Bewegung der Wickelmaschine komplex und erfordert ein
Wickeln Spulung der Wicklungsspulen und ein Wickeln der Ausgleichsleitungen.
Da die Ausgleichsleitungen 61 bis 65 überdies
den vollen Ankerstrom leiten müssen,
müssen
sie genauso dick wie die Wicklungsspule sein, und da die Ausgleichsleitungen
direkt von einem Kommutatorstabhaken zu einem anderen Kommutatorstabhaken
geschaltet sind, sind sie an dem Ansatz des Kommutators zwischen
den Stäben
und dem Rotorkern angehäuft
und sind nicht förderlich
für eine
Hitzeableitung.
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Daher
besteht der Wunsch nach einem Rotor für einen Gleichstrommotor, der
zwei Spulen hat, die um jeden Zahn des Rotors gewickelt sind und
die eine verbesserte Kommutation haben.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung gemäß einem
Aspekt davon einen Rotor für
einen Permanentmagnetgleichstrommotor, umfassend: eine Welle; einen
an der Welle montierten Rotorkern und einen an der Welle benachbart
zu dem Rotorkern befestigten Kommutator, wobei der Rotorkern 5n Zähne hat,
wobei n eine positive Ganzzahl ist, wobei zwei Spulen um jeden Zahn
gewickelt sind, wobei jede Spule um einen einzelnen Zahn gewickelt ist
und ein Paar Enden hat, wobei der Kommutator 10n Stäbe zum Formen
einer Bürstenkontaktoberfläche hat,
wobei die Enden der beiden um jeden Zahn gewickelten Spulen jeweils
mit zwei Paaren benachbarter Stäbe
verbunden sind und wobei die Mittellinie zwischen einem ersten Paar
der zwei Paare benachbarter Stäbe
und die Mittellinie zwischen dem anderen Paar der beiden Paare benachbarter
Stäbe diametral
gegenüberliegend
sind.
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Vorzugsweise
sind die Enden von einer der beiden an demselben Zahn gewickelten
Spulen jeweils mit einem Paar benachbarter Stäben verbunden, und die Enden
der anderen der beiden Spulen sind jeweils mit dem anderen Paar
benachbarter Stäbe
verbunden.
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Alternativ
ist eines der Enden jeder der beiden um denselben Zahn gewickelten
Spulen jeweils mit einem Paar der beiden Paare benachbarter Stäbe verbunden,
wobei die anderen Enden jeweils mit dem anderen Paar der beiden
Paare benachbarter Stäbe verbunden
ist.
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Vorzugsweise
ist der Rotor ein Rotor eines Mikromotors mit 4 Polen, 5 Schlitzen
und 10 Stäben.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Motor, umfassend:
einen Rotor; einen Stator; einen Bürstenträger; wobei der Rotor eine Welle,
einen Rotorkern und einen an die Welle befestigten Kommutator aufweist,
wobei der Rotorkern 5n Zähne
hat, wobei n eine positive Ganzzahl ist, wobei zwei Spulen um jeden
Zahn gewickelt sind, wobei jede Spule um einen einzelnen Zahn gewickelt
ist und zwei Enden hat, wobei der Kommutator 10n Stäbe hat,
die eine Bürstenkontaktoberfläche bilden,
wobei der Stator ein Joch, eine Mehrzahl von Permanentmagneten,
die an einer inneren Oberfläche
des Joches angebracht und dem Rotorkern zugewendet sind, und den
Bürstenträger hat,
der eine Mehrzahl von Kohlenstoffbürsten aufweist, die zum Herstellen
eines Gleitkontaktes mit der Bürstenkontaktoberfläche des
Kommutators angeordnet sind, wobei die Enden der beiden um jeden Zahn
gewickelten Spulen jeweils mit zwei Paaren benachbarte Stäbe verbunden
sind, und wobei sich die Mittellinie zwischen dem einem der Paare
der beiden Paare benachbarter Stäbe
und die Mittellinie zwischen dem anderen Paare der beiden Paare
benachbarter Stäbe
zueinander diametral gegenüberliegen.
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Vorzugsweise
sind die Enden einer der beiden um denselben Zahn gewickelten Spulen
jeweils mit einem ersten Paar der beiden Paare benachbartes Stäbe verbunden
und die Enden der anderen der beiden Spulen sind jeweils mit dem
anderen Paar der benachbarten Stäbe
verbunden.
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Alternativ
ist eines der Enden jeder der um denselben Zahn gewickelten Spulen
jeweils mit einem Paar der beiden Paare benachbarter Stäbe verbunden,
wobei die anderen Enden jeweils mit dem anderen Paar der beiden
Paare benachbarter Stäbe verbunden
ist.
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Vorzugsweise
ist der Motor ein Mikromotor mit vier Polen, fünf Schlitzen und zehn Stäben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen
nur beispielhaft beschrieben. Ausmaße von Bauteilen und Merkmalen, die
in den Figuren gezeigt sind, sind im Allgemeinen zur Zweckmäßigkeit
und Klarheit der Darstellungen gewählt und sind nicht unbedingt
maßstabsgetreu gezeigt.
Die Figuren sind im Folgenden aufgezählt.
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer axialen Endansicht eines Motors
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine isometrische Ansicht eines Rotors, der ein Teil des Motors
aus 1 ist;
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3 ist
ein schematisches Wicklungsdiagramm eines Motors gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
ein schematisches Wicklungsdiagramm eines Motors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein schematisches Wicklungsdiagramm eines Motors gemäß dem Stand
der Technik; und
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6 ist
ein schematisches Wicklungsdiagramm eines Motors gemäß einem
anderen Beispiel aus dem Stand der Technik.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
einen Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC-Motor) gemäß einer
ersten, bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Motor hat einen Stator, einen Bürstenträger (Bürstengetriebe)
und einen Rotor. Der Stator weist ein Gehäuse oder Joch 11 und
vier an einer inneren Oberfläche
des Joches befestigte Permanentmagnete 51 bis 54 auf.
Der Bürstenträger hat
vier Bürsten 21 bis 24,
die zum Herstellen eines Gleitkontaktes mit einer Bürstenkontaktoberfläche des
Kommutators zwecks Übertragung
elektrischer Energie auf den Rotor angeordnet sind.
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2 zeigt
den Rotor von 1. Der Rotor weist eine Welle 12,
einen an der Welle 12 befestigten Rotorkern, und einen
neben dem Rotorkern an der Welle 12 befestigten Kommutator 13 auf.
Der Rotorkern weist fünf
Zähne 41 bis 45 auf,
die sich zu dem Permanentmagneten 51 bis 54 hin
erstrecken und diesem über
eine schmale Luftlücke
hinweg zugewendet sind. Der Kommutator 13 hat zehn Stäbe 1 bis 10,
die zur Bildung der Bürstenkontaktoberfläche angeordnet
sind. Jeder Zahn 41 bis 45 ist mit zwei Wicklungen 31 bis 40 gewickelt
und die Wicklungen sind an Anschlusshaken der Kommutatorstäbe angeschlossen
oder sonst wie elektrisch verbunden.
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Wie
in dem Wicklungsdiagramm von 3 gezeigt,
ist das rechte Ende der Wicklung 31 mit dem Kommutatorstab 1 verbunden
und das linke Ende ist mit dem Stab 2 verbunden. Das rechte
Ende der Wicklung 38 ist ebenfalls mit dem Stab 2 verbunden, und
das linke Ende ist mit dem Stab 3 verbunden. Um die Beschreibung
zu vereinfachen, wird die obige Beschreibung als Beispiel zur Erklärung des
Nachfolgenden verwendet. Unter der Annahme, dass der Wicklungsprozess
durch das Verbinden des Drahtes mit dem Stab 1 startet,
wird der Draht dann zum Formen der Spule 31 um den Zahn 41 gewickelt,
dann mit dem Stab 2 verbunden, zum Bilden der Spule 38 um
den Zahn 44 gewickelt, dann mit dem Stab 3 verbunden,
dann zum Bilden der Spule 33 um den Zahn 42 gewickelt,
mit dem Stab 4 verbunden, zum Bilden der Spule 40 um
den Zahn 45 gewickelt, mit dem Stab 5 verbunden,
zum Bilden der Spule 35 um den Zahn 43 gewickelt,
mit dem Stab 6 verbunden und so weiter, bis die Spule 36 um
den Zahn 43 gewickelt ist und dann mit dem Stab 1 zum
Vervollständigen
der Wicklung verbunden wird. Auf diese Weise ist die Abfolge zur
Bildung der Spulen 31-38-33-40-35-32-37-34-39-36 und
die entsprechende Abfolge zum Verbinden der Stäbe ist 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10.
Daher ist die Spule 31 mit den Stäben 1 und 2 verbunden.
Die Spule 38 ist mit den Stäben 2 und 3 verbunden.
Die Spule 33 ist mit den Stäben 3 und 4 verbunden.
Die Spule 40 ist mit den Stäben 4 und 5 verbunden.
Die Spule 35 ist mit den Stäben 5 und 6 verbunden.
Die Spule 32 ist mit den Stäben 6 und 7 verbunden.
Die Spule 37 ist mit den Stäben 7 und 8 verbunden.
Die Spule 34 ist mit den Stäben 8 und 9 verbunden.
Die Spule 39 ist mit den Stäben 9 und 10 verbunden.
Die Spule 36 ist mit den Stäben 10 und 1 verbunden.
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Natürlich kann
die Wicklung von jedem Stab aus starten, aber es ist bequemer, den
Stab, von dem aus der Wicklungsvorgang startet, mit Stab 1 zu
bezeichnen.
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Der
Motor arbeitet auf die folgende Art und Weise. Wenn die Stäbe 1 und 2 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 21 gedreht
sind, werden die Stäbe 6 und 7 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 23 gedreht.
Spule 31 und Spule 33 werden über die Bürsten getrennt kurzgeschlossen.
Die Kohlenstoffbürste 21 und
die Kohlenstoffbürste 23 sind
an demselben magnetischen Pol angeordnet. Daher sind Spule 31 und
Spule 32 in derselben Kommutatorstellung angeordnet. Wenn
die Stäbe 3 und 4 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 21 gedreht
werden, werden die Stäbe 8 und 9 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 23 gedreht.
Die Spule 32 und die Spule 34 werden kommutiert,
und so weiter. Auf diese Art und Weise haben die oberen und die
unteren, an denselben Zahn gewickelten Wicklungen dieselbe Kommutatonsstellung,
was die Kommutation verbessern kann, wie durch verringerte Kommutationsfunken
bewiesen.
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Der
Rotor kann gemäß einer
unterschiedlichen Wicklungssequenz-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gewickelt werden, wie in 4 gezeigt.
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Wie
in 4 gezeigt, ist Spule 131 mit Stäben 1 und 7 verbunden.
Spule 132 ist mit Stäben 2 und 6 verbunden.
Spule 133 ist mit Stäben 3 und 9 verbunden.
Spule 134 ist mit Stäben 4 und 8 verbunden.
Spule 135 ist mit Stäben 5 und 1 verbunden. Spule 136 ist
mit Stäben 6 und 10 verbunden.
Spule 137 ist mit Stäben 7 und 3 verbunden.
Spule 138 ist mit Stäben 8 und 2 verbunden.
Spule 139 ist mit Stäben 9 und 5 verbunden.
Spule 140 ist mit Stäben 10 und 4 verbunden.
Wenn die Stäbe 1 und 2 zur
Position der Kohlenstoffbürste 21 gedreht
werden, werden die Stäbe 6 und 7 auf
die Position der Kohlenstoffbürste 23 gedreht.
Spule 131 und Spule 132 sind in derselben Kommutationsstellung
angeordnet. Wenn die Stäbe 3 und 4 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 21 gedreht
werden, werden die Stäbe 8 und 9 zu
der Position der Kohlenstoffbürste 23 gedreht. Spule 133 und
Spule 134 sind in derselben Kommutationsstellung angeordnet,
und so weiter.
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In
dieser Wicklungsanordnung werden die Enden von zwei um denselben
Zahn gewickelten Spulen getrennt mit zwei Paaren benachbarter Stäbe verbunden.
Dagegen ist der Unterschied der Mittellinie zwischen einem Paar
der beiden Paare benachbarter Stäbe
und der Mittellinie zwischen dem anderen Paare der benachbarten
Stäbe der
mechanische Winkel von 180°.
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Es
soll verstanden werden, dass diese Wicklungsanordnungen für einen
Mikromotor mit 4n Polen und 5n Schlitzen geeignet sind, wobei n
eine positive Ganzzahl ist. Das Beispiel n = 1 wurde als einfaches, repräsentatives
Beispiel zur Vereinfachung des Verständnisses und der Beschreibung
gewählt.
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In
der Beschreibung und den Ansprüchen der
vorliegenden Erfindung wird jedes der Verben „aufweisen”, „umfassen”, „enthalten” und „haben” und ihre Abwandlungen in
einem einschließenden Sinn
verwendet, um das Vorhandensein der genannten Bauteile zu beschreiben,
aber nicht um das Vorhandensein von zusätzlichen Bauteilen auszuschließen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben ist, sollte vom Fachmann verstanden werden, dass verschiedene
Abwandlungen möglich
sind. Daher wird der Geltungsbereich der Erfindung durch Bezugnahme
auf die nachfolgenden Ansprüche
bestimmt.