DE102011018258B4

DE102011018258B4 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102011018258B4
Application number: DE102011018258.6A
Authority: DE
Inventors: Bao Ting Liu; Ji Cheng Pan; Ji Dong CHAI; Guo Dong ZHANG
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2025-10-16
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: DE102011018258A1; DE102011018258A8; JP5825841B2; US20110260573A1; JP2011234618A; CN102237733A; CN102237733B; US8766504B2

Abstract

Elektromotor, umfassend:
einen Läufer (20) mit einer Welle (22), einen Läuferkern (24), der an der Welle (22) befestigt ist und n Zähne (26) aufweist, einen Kommutator,
der angrenzend an den Läuferkern (24) an der Welle (22) befestigt ist und m Segmente Z₁-Z_m (30) aufweist, und Läuferwicklungseinheiten (36),
die um die Zähne (26) gewickelt und mit den Segmenten (30) verbunden sind;
einen Ständer (40), der konfiguriert ist für die Bildung von 2P Magnetpolen und der mit dem Läufer (20) magnetisch gekoppelt ist; und Bürsten (60), die so angeordnet sind, dass sie sich in Gleitkontakt mit dem Kommutator befinden, wobei P eine ganze Zahl größer als 1 ist und wobei m und n gerade Ganzzahlen größer als P sind,
wobei jede der Läuferwicklungseinheiten (36) mit einem Paar von benachbarten Segmenten (30) verbunden ist und wenigstens eine der Läuferwicklungseinheiten (36) mindestens zwei Spulen umfasst, die in Reihe geschaltet sind, und
wobei jede solche Spule zumindest zwei Nebenspulen umfasst, die direkt in Reihe geschaltet sind und voneinander durch zumindest einen Zahn (26) getrennt sind, und dass eine erste Nebenspule und eine letzte Nebenspule der Spule jeweils mit einem Paar von Segmenten (30) verbunden sind, wobei der Läufer (20) m Läuferwicklungseinheiten R₁-R_m (36) aufweist und jede Läuferwicklungseinheit R_k (36) ist mit einem Paar von benachbarten Segmenten Z_k und Z_k+1 (30) verbunden, ist aus P+1 Spulen gebildet, wenn k ein ganzes Vielfaches von m/P ist, und ist aus P Spulen gebildet, wenn k kein ganzes Vielfaches von m/P ist, wobei 1≤k≤m-1 ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen gewickelten Läufer eines Elektromotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Einphasen-Reihenmotor ist auch als Universalmotor bekannt, da er sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden kann. Es handelt sich um einen Einphasenmotor mit einem gewickelten Ständer und einem gewickelten Läufer, dessen Läuferwicklungen über Bürsten mit den Ständerwicklungen in Reihe geschaltet sind. Wegen seiner charakteristischen hohen Drehzahl, seiner kleinen Größe, seines geringen Gewichts, seines hohen Startdrehmoments, seiner komfortablen Drehzahlregelung und seiner Reihenschlusserregung wird der Universalmotor häufig für den Antrieb von Geräten mit geringer Leistung verwendet, die eine hohe Drehzahl benötigen und klein- sowie leichtbauend sein müssen, wie zum Beispiel Küchenmixer, Staubsauger, Haushaltsnähmaschinen, Elektrowerkzeuge usw.
In den 5 und 6 hat ein üblicher Universalmotor der bekannten Art einen Läufer und einen Ständer. Der Läufer hat eine Welle 22, einen Kommutator (nicht gezeigt), der an der Welle befestigt ist, einen Läuferkern 24, der angrenzend an den Kommutator an der Welle befestigt ist und eine Mehrzahl von Läuferpolen 26 aufweist, und Läuferwicklungen (nicht gezeigt), die um die Läuferpole herumgeführt und mit dem Kommutator verbunden sind. Der Ständer hat einen Ständerkern 42 mit einem Joch in einer rechteckigen Konfiguration und zwei Zähne 43 (Ständerpole), die sich von zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Jochs nach innen erstrecken und auf denen Ständerwicklungen 44 gewickelt sind. Der Motor hat auch Bürsten (nicht gezeigt), die sich mit dem Kommutator in Gleitkontakt befinden, um elektrischen Strom zu den Läuferwicklungen zu übertragen. Wenn die Ständerwicklungen elektrifiziert sind, werden zwei Magnetpole mit entgegengesetzter Polarität an den Ständerpolen und zwei Magnetkreise gebildet. Jeder Magnetkreis verläuft durch die beiden Ständerpole, durch eine Hälfte des Läufers und eine Seite des Jochs, so dass der Weg relativ lang ist, wie das in 6 dargestellt ist. Ferner sind beide Enden jeder Läuferwicklung normalerweise mit den beiden Segmenten des Kommutators verbunden. Die Kommutationsleistung des Motors ist nicht gut insbesondere, wenn die Anzahl der Windungen der Läuferwicklungen relativ groß ist.
Die JP 2005 - 269 781 A offenbart einen Läufer für einen Elektromotor.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, in einem Elektromotor den Ständermagnetkreis zu verkürzen und die Kommutationsleistung des Motors zu verbessern.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Elektromotor gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.
ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
Demzufolge wird durch die vorliegende Erfindung ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend: einen Läufer mit einer Welle, einen an der Welle befestigten Läuferkern mit einer Mehrzahl von Zähnen, einen angrenzend an den Läuferkern an der Welle befestigten Kommutator mit einer Mehrzahl von Segmenten und Läuferwicklungseinheiten, die um die Zähne herumgeführt und mit den Segmenten verbunden sind; einen Ständer, der mit dem Läufer magnetisch gekoppelt ist; und Bürsten, die in Gleitkontakt mit dem Kommutator angeordnet sind; wobei jede der Läuferwicklungseinheiten mit einem Paar von benachbarten Segmenten verbunden ist und mindestens eine der Läuferwicklungseinheiten mindestens zwei in Reihe geschaltete Spulen umfasst und jede Spule mindestens zwei Nebenspulen hat, die direkt in Reihe geschaltet sind und durch mindestens einen Zahn voneinander getrennt sind, und wobei eine erste Nebenspule und eine letzte Nebenspule der Spule jeweils mit einem Paar von Segmenten verbunden sind. Der Ständer ist so konfiguriert, dass er 2P Magnetpole bildet. Der Kommutator hat m Segmente Z1-Zm, und der Läufer hat n Zähne, wobei P eine ganze Zahl größer als 1 ist und wobei m und n gerade Ganzzahlen größer als P sind. Der Läufer hat m Läuferwicklungseinheiten R1-Rm, und jede Läuferwicklungseinheit Rk ist mit einem Paar von benachbarten Segmenten Zk und Zk+1 verbunden, ist aus P+1 Spulen gebildet, wenn k ein ganzes Vielfaches von m/P ist, und ist aus P Spulen gebildet, wenn k kein ganzes Vielfaches von m/P ist, wobei 1≤k≤m-1 ist.
Vorzugsweise hat bei k ≠ m/P ein Paar von Segmenten, die durch jede Spule einer Läuferwicklungseinheit Rk verbunden sind, im Wesentlichen die gleiche Polarität.
Vorzugsweise ist eine Läuferwicklungseinheit Rm, die mit einem Paar benachbarter Segmente Zm und Z1 verbunden ist, aus P-1 Spulen gebildet.
Vorzugsweise haben bei 1≤k≤m/P-1 die Spulen der Läuferwicklungseinheit Rk die gleiche Wicklungsrichtung.
Vorzugsweise haben bei 1≤k≤(m/P-2) die Läuferwicklungseinheiten Rk und Rk+2 die gleiche Wicklungsrichtung, und die Läuferwicklungseinheiten Rk und Rk+1 haben eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Anzahl von Segmenten zu der Anzahl von Zähnen 1, 2 oder 3.
Vorzugsweise umfasst jede der Spulen zwei Nebenspulen, die direkt in Reihe geschaltet sind und durch einen Zahn voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise haben die wenigstens zwei Nebenspulen die gleiche Wicklungsrichtung.
Vorzugsweise umfasst der Ständer einen Ständerkern mit einem Joch, das zumindest zwei erste Abschnitte mit zwei sich von diesen erstreckenden Hauptpolen und zumindest zwei zweite Abschnitte mit zwei sich von diesen erstreckenden Hilfspolen hat, wobei die mindestens zwei Hauptpole und die mindestens zwei Hilfspole in der Umfangsrichtung des Ständerkerns alternierend angeordnet sind und die mindestens zwei Hauptpole auf ihnen gewickelte Ständerwicklungen tragen und wobei die Ständerwicklungen derart konfiguriert sind, dass bei ihrer Elektrifizierung wenigstens zwei Hauptmagnetpole gleicher Polarität an den wenigstens zwei Hauptpolen gebildet werden und wenigstens zwei induzierte Magnetpole gleicher Polarität, die zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt ist, an den mindestens zwei Hilfspolen gebildet werden.
Vorzugsweise tragen die Hilfspole keine Ständerwicklung.
Alternativ tragen die Hilfspole Ständerwicklungen, wobei die Anzahl der Windungen der Ständerwicklung an den Hilfspolen geringer ist als die Anzahl der Windungen der Ständerwicklung an den Hauptpolen.
Vorzugsweise sind die ersten Abschnitte des Jochs schmaler als die zweiten Abschnitte des Jochs.
Vorzugsweise ist das Verhältnis eines Außendurchmessers des Läufers zu einer minimalen Außengröße des Ständers größer als 7:10.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.

1 ist eine schematische Schnittansicht eines Elektromotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Magnetpfaddiagramm für den Motor von 1;
3 zeigt ein vereinfachtes Wickelschema für den Motor von 1;
4 ist eine Tabelle zur Darstellung des Wickelschemas von 3;
5 ist eine schematische Schnittansicht eines üblichen Universalmotors; und
6 ist ein Magnetpfaddiagramm für den Motor von 5.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Einphasen-Reihenmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. 1 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Motors, wobei die Läuferwicklungen weggelassen wurden. Der Motor hat einen Läufer 20 und einen Ständer 40, der mit dem Läufer 20 magnetisch gekoppelt ist.
Der Läufer 20 umfasst eine Welle 22, einen an der Welle 22 befestigten Läuferkern 24 und einen Kommutator (nicht gezeigt), der an den Läuferkern 24 angrenzend an der Welle 22 befestigt ist. Der Läuferkern 24 ist durch in axialer Richtung des Läufers aufeinandergeschichtete Lamellen gebildet. Der Läuferkern 24 hat n Zähne 26, und um die Zähne 26 sind m Läuferwicklungseinheiten 36 herumgeführt. Ein Wicklungsschlitz 28 ist zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen 26 gebildet. Der Kommutator hat m Segmente (auch als Stäbe bezeichnet) 30. Die Läuferwicklungseinheiten 36 sind in den Wicklungsschlitzen 28 des Läuferkerns 24 gewickelt und sind mit den Segmenten 30 des Kommutators verbunden. In dieser Ausführungsform ist m gleich 36 und n gleich 18.
Der Ständer 40 hat einen Ständerkern 42 und Ständerwicklungen 44. Der Ständerkern 42 ist durch Lamellen gebildet, die in der axialen Richtung des Motors aufeinandergeschichtet sind, und hat ein Joch mit zwei ersten Abschnitten 46 und zwei zweiten Abschnitten 48. Die ersten Abschnitte 46 und die zweiten Abschnitte 48 sind alternierend in der Umfangsrichtung des Ständerkerns 42 angeordnet. Zwei Hauptpole 50 und zwei Hilfspole 52 erstrecken sich von den ersten Abschnitten 46 und von den zweiten Abschnitten 48 jeweils nach innen. Die Ständerwicklungen 44 sind um die Hauptpole 50 herumgeführt, während die Hilfspole 52 keine Wicklungen tragen. Der Motor hat auch zwei Bürsten 60, die hinsichtlich des Ständers 40 derart festgelegt sind, dass sie sich in Gleitkontakt mit dem Kommutator befinden, um die Läuferwicklungseinheiten 36 über den Kommutator mit Strom zu versorgen. Der Ständerkern 42 ist symmetrisch. Die Hauptpole 50 und die Hilfspole 52 sind vorspringende Pole und haben jeweils einen Hals 54, der sich von dem Joch nach innen erstreckt, und einen Polschuh 56, der sich von dem Hals 54 in Umfangsrichtung erstreckt. Jeder Polschuh 56 bildet eine durchgehende gewölbte Fläche, die dem Läufer 20 gegenüberliegt. Zusammen bilden die Polschuhe eine diskontinuierliche zylindrische Wand.
In der Umfangsrichtung sind die Hälse der der Hauptpole 50 schmaler als die Hälse der Hilfspole 52. In der radialen Richtung sind die ersten Abschnitte 46 schmaler als die zweiten Abschnitte 48, und der Abstand zwischen den ersten Abschnitten 46 und den Schuhen 56 der Hauptpole 50 ist größer als der Abstand zwischen den zweiten Abschnitten 48 und den Schuhen 56 der Hilfspole 52. Dadurch wird zwischen den ersten Abschnitten 46 und den Hauptpolen 50 ein größerer Raum für die Aufnahme der Ständerwicklungen 44 gebildet. Es versteht sich, dass die vorgenannte Umfangsrichtung und radiale Richtung nicht nur für runde oder zylindrische Strukturen gelten, sondern dass auch andere Formen wie quadratische oder ovale Formen in dem Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Wenn die Ständerwicklungen 44 unter Strom gesetzt werden, werden durch die Ständerwicklungen 44 zwei Hauptmagnetpole mit gleicher Polarität an den beiden Hauptpolen 50 gebildet, und zwei induzierte Magnetpole mit gleicher Polarität, die zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt ist, werden an den beiden Hilfspolen 52 gebildet. Das heißt, es werden vier Magnetpole und vier Magnetpfade gebildet, wie das in 2 dargestellt ist. Jeder Magnetpfad verläuft durch einen Hauptpol 50, durch das Ständerjoch, durch einen Hilfspol 52, durch den Luftspalt zwischen dem Hilfspol 52 und dem Läufer 20, durch den Läufer 20 und durch den Luftspalt zwischen dem Hauptpol 50 und dem Läufer 20.
In der Ausführungsform hat der Läufer 20 einen Außendurchmesser D, der Ständer 40 hat eine minimale Außenabmessung Y, und das Verhältnis des Außendurchmessers D zu der minimalen Außenabmessung Y ist größer als 7:10. Der Außendurchmesser des Läufers 20 heißt der Außendurchmesser des Läuferkerns 24. Die minimale Außenabmessung des Ständers 40 heißt der Abstand zwischen zwei Überschneidungspunkten zwischen einer sich durch die Mitte des Ständers 40 erstreckenden geraden Linie und der Peripherie des Ständerkerns 42.
Der Außendurchmesser D des Läufers 20 ist etwas kleiner als der Durchmesser eines durch die gewölbten Flächen der Polschuhe der Pole 50 und 52 definierten Kreises, und das Verhältnis des Kreisdurchmessers zu dem minimalen Außendurchmesser des Läufers 20 ist ebenfalls größer als 7:10. Es versteht sich, dass der Abstand zwischen den Hauptpolen 50 und dem Läuferkern 42 gleich dem oder verschieden von dem Abstand zwischen den Hilfspolen 52 und dem Läuferkern 42 sein kann. Wenn die beiden Abstände verschieden sind, definieren die gewölbten Flächen der Schuhe der Hauptpole 50 und die gewölbten Flächen der Schuhe der Hilfspole 52 zwei Kreise mit unterschiedlichem Durchmesser. Der Kreisdurchmesser in dieser Konfiguration heißt der Durchmesser des kleineren Kreises.
In der bevorzugten Ausführungsform springen die Hilfspole 52 von der Innenseite der zweiten Abschnitte 48 nach innen vor und sind somit als vorspringende Pole ausgebildet. Alternativ können die Hilfspole 52 als nicht vorspringende Pole ausgebildet und relativ zur Innenseite der zweiten Abschnitte 48 versenkt sein. Wenn die Hilfspole 52 vorspringende Pole sind, können sie auch Ständerwicklungen tragen, und die Ständerwicklungen an den Hilfspolen 52 haben weniger Windungen als die Ständerwicklungen 44, die von den Hauptpolen 50 getragen werden.
Das bevorzugte Wickelschema der Läuferwicklungseinheiten bei vorliegender Erfindung wird nunmehr allgemein beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die Segmente (oder Stäbe) 30 des Kommutators durch Z₁-Z_m angegeben, die Wicklungsschlitze 28 des Läuferkerns 24 sind durch S₁-S_n angegeben, die Läuferwicklungseinheiten 36 des Läufers 20 sind durch R₁-R_m angegeben, und die Anzahl der Ständermagnetpole ist 2P. Der Stab Z_k ist über eine Läuferwicklungseinheit R_k elektrisch mit dem Stab Z_k+1 verbunden. Wenn k kein ganzes Vielfaches von m/P ist, ist die Läuferwicklungseinheit R_k aus P Spulen gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Wenn k ein ganzes Vielfaches von m/P ist, ist die Läuferwicklungseinheit R_k aus P+1 Spulen gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Der Stab Z_m ist über eine aus einer Spule gebildete Läuferwicklungseinheit R_m elektrisch mit dem Stab Z_l neben dem Stab Z_m verbunden. Jede Spule W_i der Läuferwicklungseinheiten 36 ist mit zwei Stäben 30 verbunden und umfasst eine erste Nebenspule W_ia und eine zweite Nebenspule W_ib, die mit der ersten Nebenspule W_ia direkt in Reihe geschaltet ist und von der ersten Nebenspule W_ia durch mindestens einen Zahn getrennt ist. Zwei Nebenspulen jeder Spule haben die gleiche Wicklungsrichtung, welche auch die Wicklungsrichtung der Spule ist. Die erste Nebenspule W_ia und die zweite Nebenspule W_ib sind jeweils mit den zwei Stäben verbunden. Vorzugsweise ist die Zähnezahl q, welche die Anzahl der Zähne ist, um welche die Nebenspule gewickelt ist, der ersten Nebenspule W_ia gleich jener der zweiten Nebenspule W_ib. Die Zähnezahl q ist eine Ganzzahl und erfüllt die Gleichung: |q-n/2P| <1, wobei n/2P der Polabstand ist. In der vorstehenden Beschreibung ist P eine ganze Zahl größer als 1, m und n sind gerade Ganzzahlen größer als P, 1≤k≤m-1 und 1≤i≤m. Vorzugsweise ist das Verhältnis von m zu n gleich 2, q ist eine ganze Zahl kleiner als n/2P, und das Verhältnis von m zu n kann 1, 2 oder 3 betragen.
Wenn k kein ganzzahliges Vielfaches von m/P ist, verläuft die mit den Stäben Z_k und Z_k+1 verbundene Läuferwicklungseinheit R_k um den Umfang des Läuferkerns 24 und ist aus P Spulen gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Zwei Stäbe, die durch jede Spule verbunden sind, haben im Wesentlichen die gleiche Polarität. Zwei oder mehr Stäbe mit gleicher Polarität in vorliegender Beschreibung bedeutet, dass zwei oder mehr Stäbe durch den Abstand zwischen den Polen gleicher Polarität voneinander getrennt sind. Bekanntlich beträgt bei einem Motor mit 2P Ständermagnetpolen und einem Kommutator aus m Stäben der Abstand zwischen Polen gleicher Polarität gemessen in der Anzahl von Stäben gleich m/P. In der bevorzugten Ausführungsform ist P gleich 2 und m/P ist gleich 18. Jede Läuferwicklungseinheit R_k ist aus zwei Spulen gebildet, die mit den Stäben Z_k und Z_k+1 in Reihe geschaltet sind. Die beiden Spulen sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z_y verbunden, wobei 1≤y≤m gilt und y die Gleichung |k-y| =m/P oder |k+1-y|=m/P erfüllt.
Wenn k ein ganzzahliges Vielfaches von m/P ist, ist die Läuferwicklungseinheit R_k aus P+1 Spulen gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Jede der ersten P Spulen ist mit zwei Stäben mit im Wesentlichen gleicher Polarität verbunden, und die letzte Spule ist mit zwei einander benachbarten Stäben verbunden.
Es wird nunmehr auf die 3 und 4 Bezug genommen und das Wickelschema der Läuferwicklungseinheiten in der bevorzugten Ausführungsform im Detail beschrieben. 3 ist ein Wicklungsdiagramm, in dem die obere Reihe zwei Bürsten C₁ und C₂ darstellt, die von dem Ständer getragen werden. Die zweite Reihe stellt die sechsunddreißig Segmente Z₁-Z₃₆ des Kommutators dar. Die dritte Reihe stellt die achtzehn Zähne des Läuferkerns und die durch die Zähne gebildeten achtzehn Wicklungsschlitze S₁-S₁₈ dar, und die vierte Reihe stellt die vier Pole des Ständers dar. 4 ist eine Tabelle des Wickelschemas der Läuferwicklungseinheiten, in der der Begriff „slot in“ einen ersten Wicklungsschlitz bezeichnet, in dem jede Nebenspule einer Spule gewickelt ist, und in der der Begriff „slot out“ einen zweiten Wicklungsschlitz bezeichnet, in dem die Nebenspule gewickelt ist, betrachtet in der Wickelungsrichtung der Spule.
Der Stab Z₁ ist über eine Läuferwicklungseinheit R₁, die aus den beiden Spulen W₁ und W₁₉ gebildet ist, elektrisch mit dem Stab Z₂ verbunden. Die beiden Spulen W₁ und W₁₉ sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z₁₉ verbunden, der die gleiche Polarität wie der Stab Z₁ hat. Die Spule W₁ ist mit den Stäben Z₁ und Z₁₉ verbunden, während die Spule W₁₉ mit den Stäben Z₁₉ und Z₂ verbunden ist. Die Spule W₁ hat die gleiche Wicklungsrichtung wie die Spule W₁₉, nämlich in Uhrzeigerrichtung, wie das in 3 gezeigt ist. Die erste Nebenspule W_1a der Spule W₁ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₅ und S₁ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_1b der Spule W₁ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₆ und S₂ gewickelt. Die erste Nebenspule W_19a der Spule W₁₉ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₄ und S₁₀ und die zweite Nebenspule W_19b der Spule W₁₉ um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₅ und S₁₁ gewickelt.
Der Stab Z₂ ist über eine aus zwei Spulen W₂ und W₂₀ gebildete Läuferwicklungseinheit R₂ elektrisch mit dem Stab Z₃ verbunden. Die beiden Spulen W₂ und W₂₀ sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z₂₀ verbunden, der die gleiche Polarität wie der Stab Z₂ hat. Die Spule W₂ ist mit den Stäben Z₂ und Z₂₀ verbunden, während die Spule W₂₀ mit den Stäben Z₂₀ und Z₃ verbunden ist. Die Spule W₂ hat die gleiche Wicklungsrichtung wie die Spule W₂₀, jedoch entgegengesetzt zu der Wicklungsrichtung der Spulen W₁ und W₁₉. Die erste Nebenspule W_2a der Spule W₂ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₆ und S₁₀ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_2b der Spule W₂ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₇ und S₁₁ gewickelt. Die erste Nebenspule W_20a der Spule W₂₀ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₅ und S₁ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_20b der Spule W₂₀ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₆ und S₂ gewickelt.
Ähnlich wie die elektrische Verbindung der Stäbe Z₁ und Z₂ ist der Stab Z₃ über eine Läuferwicklungseinheit R₃, die aus zwei Spulen W₃ und W₂₁ gebildet ist, mit dem Stab Z₄ verbunden. Die beiden Spulen W₃ und W₂₁ sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z₂₁ verbunden, der die gleiche Polarität wie der Stab Z₃ hat. Die Spule W₃ ist mit den Stäben Z₃ und Z₂₁ verbunden, während die Spule W₂₁ mit den Stäben Z₂₁ und Z₄ verbunden ist. Wie die Spulen W₁ und W₁₉ sind auch die Spulen W₃ und W₂₁ in Uhrzeigerrichtung gewickelt. Die erste Nebenspule W_3a der Spule W₃ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₆ und S₂ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_3b der Spule W₃ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₇ und S₃ gewickelt. Die erste Nebenspule W_21a der Spule W₂₁ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₅ und S₁₁ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_21p der Spule W₂₁ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₆ und S₁₂ gewickelt.
Ähnlich wie die elektrische Verbindung der Stäbe Z₂ und Z₃ ist der Stab Z₄ über die Läuferwicklungseinheit R₄, die aus zwei Spulen W₄ und W₂₂ besteht, elektrisch mit dem Stab Z₅ verbunden. Die beiden Spulen W₄ und W₂₂ sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z₂₂ verbunden, der die gleiche Polarität wie der Stab Z₄ hat. Die Spule W₄ ist mit den Stäben Z₄ und Z₂₂ verbunden, während die Spule W₂₂ mit den Stäben Z₂₂ und Z₅ verbunden ist. Wie die Spulen W₂ und W₂₀ sind die Spulen W₄ und W₂₂ in Gegenuhrzeigerrichtung gewickelt. Die erste Nebenspule W_4a der Spule W₄ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₇ und S₁₁ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_4b der Spule W₄ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₈ und S₁₂ gewickelt. Die erste Nebenspule W_22a der Spule W₂₂ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₆ und S₂ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_22b der Spule W₂₂ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₇ und S₁₃ gewickelt, usw.
Das Wickelschema der Läuferwicklungseinheiten in der bevorzugten Ausführungsform kann wie folgt zusammengefasst werden.

1) Bei 1≤k≤35 und k≠m/P oder 18 ist die mit dem Stab Z_k und dem Stab Z_k+1 verbundene Läuferwicklungseinheit R_k aus zwei Spulen gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Die beiden Spulen sind auch mit einem gemeinsamen Stab Z_y verbunden, der die gleiche Polarität wie der Stab Z_k hat. Bei 1≤k≤17 ist y gleich k+m/P oder k+18 und bei 19≤k≤39 ist y gleich k-(m/P-1) oder k-17. Die erste Nebenspule jeder Spule jeder Läuferwicklungseinheit R_k ist um die gleiche Zähnezahl q gewickelt wie die zweite Nebenspule der Spule, wobei q eine ganze Zahl ist, die die Gleichung |q-n/2P |<1 erfüllt. Das ist 4 oder 5 in der Ausführungsform. Vorzugsweise ist q gleich 4, um den Verbrauch von Wickelmaterial zu reduzieren. Andererseits haben bei 1≤k≤(m/P-1) die beiden Spulen der Läuferwicklungseinheit R_k die gleiche Wicklungsrichtung und sind um n/P oder 9 Zähne voneinander beabstandet. Bei 1≤k≤(m/P-2) haben R_k+2 und R_k die gleiche Wicklungsrichtung und sind um einen Zahn voneinander beabstandet, und R_k+1 und R_k haben entgegengesetzte Wicklungsrichtungen und sind um einen Zahn voneinander beabstandet. Mit der Bildung der Läuferwicklungseinheiten R₁-R₁₇ werden auch die Läuferwicklungseinheiten R₁₉-R₃₅ gebildet. Dies geschieht vorzugsweise durch Verwendung einer Doppelschlitzwickelmaschine.
2) Bei k ist gleich m oder 36 ist die mit den Stäben Z₃₆ und Z₁ verbundene Läuferwicklungseinheit R₃₆ aus einer Spule W₃₆ gebildet. Die erste Nebenspule W_36a der Spule W₃₆ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₅ und S₉ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_36b der Spule W₃₆ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₆ und S₁₀ gewickelt.
3) Bei k ist gleich m/P oder 18 ist die mit den Stäben Z₁₈ und Z₁₉ verbundene Läuferwicklungseinheit R₁₈ aus drei Spulen gebildet, bei der die erste Spule W₁₈ mit den Stäben Z₁₈ und Z₃₆, die zweite Spule W₃₆ mit den Stäben Z₃₆ und Z₁ und die dritte Spule W₁ mit den Stäben Z₁ und Z₁₉ verbunden ist. Die erste Nebenspule W_18a der Spule W₁₈ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₄ und S₁₈ gewickelt, und die zweite Nebenspule W_18b der Spule W₁₈ ist um die Zähne zwischen den Wicklungsschlitzen S₁₅ und S₁ gewickelt. Die beiden anderen Spulen W₃₆ und W₁ wurden vorstehend beschrieben, so dass deren Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt wird.

Vorzugsweise hat die erste Nebenspule jeder Spule die gleiche Anzahl von Windungen (auch als Windungszahl bezeichnet) wie die zweite Nebenspule der Spule. Alternativ kann die zweite Nebenspule eine von der ersten Nebenspule verschiedene Windungszahl aufweisen.
Bei dem üblichen Universalmotor ist jedes Paar von Kommutatorsegmenten über eine Spule, die eine einzige Nebenspule hat, miteinander verbunden, und die in der Kommutationsspule erzeugte elektromotorische Induktionskraft ist direkt proportional zu dem Quadrat der Gesamtzahl x von Windungen der Läuferwicklungseinheit. Bei vorliegender Erfindung ist beinahe jedes Paar von Segmenten über eine Spule, die zwei Nebenspulen hat, miteinander verbunden, und die in der Kommutationsspule erzeugte elektromotorische Induktionskraft ist direkt proportional zu (x₁ ²+x₂ ²), wobei x₁ und x₂ jeweils die Windungszahl der beiden Nebenspulen ist. Vorausgesetzt, dass x gleich (x₁+x₂) ist, ist die elektromotorische Induktionskraft in der Kommutierungsspule bei vorliegender Erfindung geringer, weshalb die Kommutationsleistung verbessert und die erwartete Lebensdauer des Motors verlängert werden kann. Da im Übrigen zwei Nebenspulen jeder mit zwei Segmenten verbundenen Spule um mehrere Wicklungsschlitze gewickelt sind, kann das anfängliche Wicklungsungleichgewicht in dem Wicklungsprozess verringert werden.
Da in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ferner jeder Magnetflusskreis durch benachbarte Haupt- und Hilfsständerpole verläuft, wird der Magnetflussweg verkürzt und optimiert. Dadurch können der Ständerkern und das Wickelmaterial bei dem Universalmotor gemäß vorliegender Erfindung im Vergleich zu einem bekannten Universalmotor mit gleicher Leistung reduziert werden, wodurch Kosten gespart werden.
Verben wie „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Zum Beispiel ist die Bürstenzahl des Motors nicht auf zwei beschränkt. Jede Läuferwicklungseinheit kann mehr als zwei Nebenspulen aufweisen, und die Nebenspulen derselben Läuferwicklungseinheit können eine unterschiedliche Anzahl von Windungen aufweisen.

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Läufer (20) mit einer Welle (22), einen Läuferkern (24), der an der Welle (22) befestigt ist und n Zähne (26) aufweist, einen Kommutator, der angrenzend an den Läuferkern (24) an der Welle (22) befestigt ist und m Segmente Z₁-Z_m (30) aufweist, und Läuferwicklungseinheiten (36), die um die Zähne (26) gewickelt und mit den Segmenten (30) verbunden sind; einen Ständer (40), der konfiguriert ist für die Bildung von 2P Magnetpolen und der mit dem Läufer (20) magnetisch gekoppelt ist; und Bürsten (60), die so angeordnet sind, dass sie sich in Gleitkontakt mit dem Kommutator befinden, wobei P eine ganze Zahl größer als 1 ist und wobei m und n gerade Ganzzahlen größer als P sind, wobei jede der Läuferwicklungseinheiten (36) mit einem Paar von benachbarten Segmenten (30) verbunden ist und wenigstens eine der Läuferwicklungseinheiten (36) mindestens zwei Spulen umfasst, die in Reihe geschaltet sind, und wobei jede solche Spule zumindest zwei Nebenspulen umfasst, die direkt in Reihe geschaltet sind und voneinander durch zumindest einen Zahn (26) getrennt sind, und dass eine erste Nebenspule und eine letzte Nebenspule der Spule jeweils mit einem Paar von Segmenten (30) verbunden sind, wobei der Läufer (20) m Läuferwicklungseinheiten R₁-R_m (36) aufweist und jede Läuferwicklungseinheit R_k (36) ist mit einem Paar von benachbarten Segmenten Z_k und Z_k+1 (30) verbunden, ist aus P+1 Spulen gebildet, wenn k ein ganzes Vielfaches von m/P ist, und ist aus P Spulen gebildet, wenn k kein ganzes Vielfaches von m/P ist, wobei 1≤k≤m-1 ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei bei k≠m/P ein Paar von Segmenten (30), die durch jede Spule einer Läuferwicklungseinheit R_k (36) verbunden sind, im Wesentlichen die gleiche Polarität hat.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Läuferwicklungseinheit R_m (36), die mit einem Paar von benachbarten Segmenten Z_m und Z₁ (30) verbunden ist, aus P-1 Spulen gebildet ist.
Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei bei 1≤k≤m/P-1 die Spulen der Läuferwicklungseinheit R_k (36) die gleiche Wicklungsrichtung haben.
Motor nach Anspruch 4, wobei bei 1≤k≤(m/P-2) die Läuferwicklungseinheiten R_k und R_k+2 (36) die gleiche Wicklungsrichtung und die Läuferwicklungseinheiten R_k und R_k+1 (36) entgegengesetzte Wicklungsrichtungen haben.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Anzahl von Segmenten (30) zu der Anzahl von Zähnen (26) 1, 2 oder 3 beträgt.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Nebenspulen die gleiche Wicklungsrichtung haben.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ständer (40) einen Ständerkern (42) mit einem Joch hat, das zumindest zwei erste Abschnitte (46) mit zwei sich von diesen erstreckenden Hauptpolen (50) und zumindest zwei zweite Abschnitte (48) mit zwei sich von diesen erstreckenden Hilfspolen (52) hat, wobei die zumindest zwei Hauptpole (50) und die zumindest zwei Hilfspole (52) in der Umfangsrichtung des Ständerkerns (42) alternierend angeordnet sind und die zumindest zwei Hauptpole (50) auf ihnen gewickelte Ständerwicklungen (44) tragen; und wobei die Ständerwicklungen (44) auf solche Weise konfiguriert sind, dass bei ihrer Elektrifizierung zumindest zwei Hauptmagnetpole mit gleicher Polarität an den beiden Hauptpolen (50) und zumindest zwei induzierte Magnetpole mit gleicher Polarität, die zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt ist, an den zumindest zwei Hilfspolen (52) gebildet werden.
Motor nach Anspruch 8, wobei um die Hilfspole (52) keine Ständerwicklung gewickelt ist.
Motor nach Anspruch 8, wobei die Hilfspole (52) Ständerwicklungen tragen und die Ständerwicklungen an den Hilfspolen (52) eine geringere Anzahl von Windungen haben als die Ständerwicklungen (44) an den Hauptpolen (50).
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis eines Außendurchmessers des Läufers (20) zu einer minimalen Außengröße des Ständers (40) größer als 7:10 ist.