DD274307A5 - Kommutator fuer eine elektrische maschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kommutator fuer eine elektrische Maschine mit voneinander isolierten Metall-Lamellen beschrieben. In die Lamellen ist in Umfangsrichtung des Kommutators jeweils mindestens eine Nut eingearbeitet, welche eine Einlage aus einem Edelmetallstueck oder aus Elektrographit aufnimmt. Die Breite der Einlagen in Achsrichtung nimmt dabei nur einen Teil der Kommutatorlaufflaeche ein. Alternativ sind in jeder Lamelle zwei Einlagen nebeneinander angeordnet. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kommutator für eine elektrische Maschine mit voneinander isolierten Metall-Lamell ;n /ur 'Spannungs- bzw. Stromabnahme oder Zuführung mittels Bürsten, wobei die Lamellen zur Verbesserung des Gleitkontaktes mit den Bürsten zusätzlich mit einem Kontaktmateri&l versehen sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Derartige Kommutatoren werden bekanntlich bei Generatoren und Motoren eingesetzt. In der Meß-, Steuer- und Regeltechnik finden sie beispielsweise bei Gleichstrom-Tachometer-Dvnamos als Meßgrößen-Umformer Verwendung. Hierbei ist bedingt durch den hohen Abschlußwiderstand der nachgeschalteten Auswerteeinheit die Stromdichte in den Bürsten sowie die thermische Belastung des Kommutators sehr gering. Sie liegt im Bereich von wenigen Milliampere. Deshalb gelten bei Gleichstrom-Tachometer-Dynamos andere Kriterien für die Dimensionierung von Kommutator und Kohlebürsten als beispielsweise bei Leistungsmaschinen.

Bei der Kommutierung von Gleichstrom-Tachometer-Dynamos sind einige Varianten bekannt. Wird ein Kupferkommutator zusammen mit Graphitbürsten verwendet, so kann besonders im niedrigen Drehzahlbereich häufig eine hohe Oberwelligkeit des Gleichspannungssignals bei schwankenden Spannungsgradienten beobachtet werden, da sich unvermeidlich Oxid- und Sulfitschichten auf der Oberfläche des Kupferkomrnutators bilden. In vielen Anwendungsfällen bewähren sich daher silbergraphithaltige Kohlebürsten. Durch den Silberanteil der Kohlebürste bildet sich auf der Lauffläche des Kupferkommutators eine schützende Silbergraphitschicht, die als Patina bezeichnet wird. Diese bewirkt einerseits einen geringen Verschleiß der Kohlebürsten und des Kommutators und andererseits durch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit einen guten, gleichmäßigen Kontaktwiderstand. Die Standzeit ist allerdings stark von den Umluftbedingungen abhängig. Bei aggressiver Atmosphäre oder beim Einfluß von Öl oder Fett kommt es zu erhöhtem Abrieb und die Bildung der Patina wird verhindert. Es kann somit wegen der aufgerauhten Oberfläche die Funktionsfähigkeit verstärkt beeinträchtigt werden.

Es ist auch bekannt, die Lamellen des Kommutators aus einem Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung herzusteilen. Hierbei müssen sehr hohe Materialkosten wegen des großen Gewichtsanteils des Edelmetalls in Kauf genommen werden. Des weiteren ist auch bekannt, auf die Lamellen eine Edelmetallschicht aufzuwalzen Nachteilig sind hierbei die hohen Material- und Herstellungskosten des Bi-Metalls. Da die Edelmetallschicht die gesamte Oberfläche der Kommutator-Lamellen bedeckt, ist der Edelmetallanteil relativ hoch.

Bei einer ebenfalls angewendeten galvanischen Beschichtung der Lamellen mit einem Edelmetall kann nur eine sehr geringe Schichtdicke erreicht werden, die in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegt. Dies schließt eine nachträgliche Bearbeitung der Kommutatorlauffläche aus, die beispielsweise zur Erzielung einer hohen Rundlaufgenauigkeit nur durch Abdrehen erreicht werden kann. Daher muß de Galvanisierung als letzter Arbeitsgang am fertig montierten Anker des Tachometer-Dynamos erfolgen, was sehr aufwendig und kostenträchtig ist. Außerdem besteht die Gefahr, daß dio galvanische Edelmetallbeschichtung durch mechanische Beschädigung bzw. Abrieb während des Betriebes teilweise oder vollständig entfernt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es. die Mängel der bekannten Lösungen zu beseitigen.

Derlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kommutator der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Standzeit auch unter ungünstigen Umweltbedingungen bei gleichzeitig guten elektrischen Eigenschaften und bei einfacher Herstellung wesentlich verlängert ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lamellen innerhalb der Lauffläche des Kommutators jeweils mit mindestens einer Ausnehmung versehen sind und daß in jeder Ausnehmung eine mit der Lamellenoberfläche bündige Kontaktmaterial-Einlage befestigt ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß gut lcit- und gleitfähige Graphitbürsten Verwendung finden können, ohne daß die Gefahr von störenden Oxid- und Sulfitschichtbildungcn auf der Kollektoroberfläche besteht, da weder das Edelmetall noch der Graphit von aggressiven Umwelteinflüssen ^«einträchtigt wird. Durch die Begrenzung der Nut auf die wirksame Kommutatorlauffläche oder auch nur einen Teil davon sind relativ geringe Edelmetallmengen erforderlich. Trotzdem ist eine nachträgliche Bearbeitung der Edelinetallstücke zur Erzielung einer großen Rundlaufgenauigkeit möglich, da das Edelmetall in der Nut ausreichend tief eingebettet ist. Die Herstellung der Nut kann auf einfache Weise, beispielsweise durch Drehen, Fräsen oder Sägen folgen. Die Einlagen können aus vorgefertigter Meterware hergestellt werden.

Es ist besonders vorteilhaft, daß die Kontaktmaterial-Einlage eine Höhe von etwa 0,5mm hat.

Die Breite der Kontaktmaterialeinlage ist kleiner als die Breite der Bürsten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Ausnehmung als in Umfangrichtung des Kommutators

verlaufende Nut ausgebildet ist. ,

Es kann alternativ auch vorteilhaft sein, daß die Ausnehmung als Achsrichtung des Kommutators verlaufende Nut ausgebildet ist. Insbesondere, wenn die Lamellen zunächst als Meterware hergestellt werden, von der die einzelnen Lamellen in der gewünschten Breite ageschnitten werden, kann das Herstellen der Nut und das Einbringen der Kontaktmaterialeinlage auf einfache Weise erfolgen. Bei dieser Variante ist 'j'a Wahl einer Bürste zu empfehlen, deren Kontaktbereich in Umfangsrichtung größer ist als der Abstand zweior benachbarter Kontaktmaterialeinlagen, so daß die Bürste bei einer Drehung des Kommutators ständig zumindest mit einer Kontaktmaterialeinlage in Eingriff ist. Ein Wechsel zwischen der Kontaktmaterialeinlage und dem übrigen Lamellenmaterial wird auf diese Weise verhindert. Eine andere alternative Weiterbildung besteht darin, daß die Ausnehmung als schräg- oder pfeilförmig verlaufende Nut ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, daß die gesamte Breite der Bürste beim Überstreichen der Lamellen in Kontakt mit der Kontaktmaterialeinlage gelangt und daß der Kommutator trotzdem in Umfangsrichtung soweit wie möglich mit den Kontaktmaterialeinlagen versehen ist.

Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Ausnehmung als radial vorlaufende, runde Öffnung - bevorzugt als Sackloch ausgebildet ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, daß in Umfangsrichtung zwei parallele Nuten mit Kontaktmaterialeinlagen vorhanden sind. Hierdurch wird ein mehrfacher unmittelbarer Gleitkontakt zwischen den Bürsten und den Einlagen erreicht, odor aber bei Zwillingsbürsten jeder Bürste eine eigene Einlage zur Verfugung gestellt. Zur Vereinfachung der Herstellung können die beiden Einlagen auch als eine (breitere) einzelne Einlage ausgebildet sein.

Besonders gute Ergebnisse erhält man, wenn die Kontaktmaterialeinlage als Edelmetalleinlage ausgebildet ist.

Eine Alternative besteht darin, daß eine Elektrographiteinlage in den Nuten befestigt ist.

Die Ausbildung der Nut und das Einbringen und Befestigen der Einlage ist besonders einfach, wenn der Querschnitt der Nut und der Einlage rechteckig oder quadratisch ist. Handelsübliche Edelmetallbänder oder Graphitstäbe können hierbei zur Herstellung der Einlagen Verwendung finden. Es sind auch andere Nut-Querschnitt, wie z.B. dreieckig, trapezförmig und ähnliches, möglich.

Eine besondere feste Verbindung liegt dann vor, wenn der Querschnitt der Nut und der Einlage schwalbenschwanzförmig ist.

Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, daß die Nut und die Einlage einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Einlagen erhält man hierbei bevorzugt aus Runddrähten oder Rundstäben, die nach der Montage auf den entsprechenden Querschnitt abgedreht werden.

Eine besonders einfach herstellbare Befestigung der Einlage in der Nut erfolgt mittels eines leitfähigen Klebers.

Eine alternative Befestigung kann darin bestehen, daß die Einlage durch Löten, Schweißen oder Bördeln gehalten ist. Die Einbringung der Edelmetalleinlage kann auch durch Flammspritzen erfolgen.

Ein besonders einfaches Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Kommutator besteht darin, daß Kontaktmaterial einstückig in die Nuten mehrerer Kollektor-Lamellen eingebracht und anschließend zwischen den Lamellen aufgetrennt wird.

Alternativ dazu kann es im Hinblick auf die zwischen den Lamellen befindliche Isolierung zweckdienlich sein, daß paßgenau vorgefertigte Einlagen in die betreffenden Nuten eingebracht werden.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren, in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: schematisch in perspektivischer Ansicht einen Kommutator und

Fig. 2 bis 10: jeweils ein Beispiel für unterschiedliche Ausführungsformen eines Kommutators.

Gemäß Fig. 1 besteht der Kommutator aus einer Vielzahl von Lamellen 1 aus Kupier oder einer Kupferlegierung. Sie werden von einem zylindorförmigen Träger 7 aus isolierendem Kunststoff gehalten. Im äußeren Umfangsbereich sind die Lamellen 1 gegeneinander durch radial verlaufende Schlitze 8 elektrisch voneinander isoliert. Der Kommutator wird mit einer Nabe 9 zusammen mit einem Läufer auf ein Welle (nicht dargestellt) aufgesetzt und mit diesem drehfest verbunden. Jeder der Lamellen 1 ist über Wicklungsanschlüsse 10 mit einer entsprechenden Zahl von Läuferwicklungen (nicht dargestellt) verbunden.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich ein einziger derartiger Wicklungsanschluß 10 schematisch wiedergegeben.

In der Lauffläche des Kommutators ist in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel in die einzelnen Lamellen 1 jeweils eine Edelmetalleiniage 2 eingebracht, deren wirksame Oberfläche nur einen Teil der gesamten Lauffläche einnimmt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie H-Ii für ein erstes Beispiel veranschaulicht. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind hierbei - ebenso wie in den nachfolgend beschriebenen Figuren - mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Allen Beispielen ist gemeinsam, daß in den Lamellen 1 mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 4 ausgebildet ist, in welcher die Edelmetalleinlagen 2 oberflächenbündig eingelegt und befestigt sind.

Die Edelmetalleinlagen 2 liegen innerhalb der Kommutatorlauffläche, welche durch die Breite einer Kohlebürste 3 bestimmt ist.

Die Breite X der Einlagen ist zweckmäßigerweise kleiner als die Breite B der Kommutatorlauffläche; sie kann jedoch auch größer sein. Die Tiefe T der Nut 4, die dor Höhe der Edelmetalleinlage 2 entspricht, ist so gewählt, daß der Kommutator einer spanenden Bearbeitung oder ähnlichem zur Erziolung einer großen Rundlaufeigenschaft ausgesetzt werden kann. Es ist hierbei sichergestellt, daß jederzeit eine ausreichende Höhe der Edelmetalleinlage 2 gewährleistet ist. In der Praxis bewährt sich eine Höhe der Edelmetalleinlage 2 von etwa 0,5mm.

Anstelle eines Edelmetalls, wie Gold, Silber oder einer Legierung ist auch Elektrographit für die Einlage in die Lamellen 1 geeignet.

Die Fig.4 zeigt einen dreieckigen und die Fig. 5 einen trapezförmigen Querschnitt der Einlage 2 und der Nut 4.

Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel, bei welchem die Breite X der Edelmetalleinlage 2 deutlich kleiner ist als die Breite B der Lauffläche. Es ist ferner beispielhaft ein schwalbenschwanzförmiger Querschnitt 5 der Edelmotalleinlago 2 gezeigt, mit welchem eine besonders feste Verankerung in der Lamelle 1 erreicht wird.

In Fig. 6 ist eine weitere Variante dargestellt, bei welcher innerhalb depLaufflächen zwei nebeneinanderliegende Edelmetalleinlagen 2 in die Lamelle 1 eingearbeitet sind.

Fig. 7 zeigt beispielhaft einen kreissegmentförmigen Querschnitt zweier nebeneinander angeordneter Edelmetslleinlagen 2 und o'er zugehörigen Nuten 4.

In Fig. 2 bis 7 ist jeweils nur eine Bürste 3 dargestellt, obwohl in der Praxis auch zwoi oder mehr nebeneinander liegende Bürsten verwendet werden können.

Fig. 8 veranschaulicht einen Bogensegmentausschnitt des Kommutators mit zwei benachbarten Lamellen 1. Aus dieser Seitenansicht ist ersichtlich, daß jede Lamelle 1 mit einer in Achsrichtung des Kommutators verlaufende Nut 11 versehen ist, die flächenbündig mit einer Edelmetalleinlage 2 ausgefüllt ist. Um einen Metallwechsel zwischen den Edelmetalleinlagen 2 und dem Kupfer, in das sie eingebettet sind, zu vermeiden, ist die Stärke S der Bürste etwas größer bemessen als der Abstand der beiden Edelmetalleinlagen 2.

Die Fig.8 zeigt ein Beispiel, in welchem sich die Edelmetalleinlagen 2 über die gesamte Breite der Lamellen 1 erstrecken. Um Material einzusparen, können die Edelmetalleinlagen 2 auch in sinngemäßer Entsprechung zu den Fig. 2 bis 5 kürzer sein als die Breite B der Bürste 3.

In Fig. 9 und 10 sind jeweils in einer Aufsicht auf eine Lamelle 1 weitere Anordnungen für die Edelmetalleinlagen 2 gezeigt. Dabei veranschaulicht die Fig.8 eine pfeiKftrmige Nut 12 mit der Edeinrietalleinlage 2. Gemäß Fig.9 ist die Edelmetalleinlage 2 in einem runden Sacklcch 13 befestigt.

Claims (19)

1. Kommutator für eine elektrische Maschine mit voneinander isolierten Metall-Lamellen zur Anahme oder Zuführung von Spannung und Strom mittels Bürsten, wobei die Lamellen zur Verbesserung des Gleitkontaktes mit den Bürsten zusätzlich mit einem Kontaktmaterial versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (1) innerhalb der Lauffläche des Kommutators jeweils mit einer Ausnehmung versehen sind und daß in jeder Ausnehmung eine mit der Lamellenoberfläche bündige Kontaktmaterialeinlage (2) befestigt ist.

2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) eine Höhe von etwa 0,5 mm hat.

3. Kommutator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (X) der Kontaktmaterialeinlage (2) kleiner als die Breite (B) der Bürsten ist.

4. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) als Edelmetalleinlage ausgebildet ist.

5. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) als Elektrographit-Einlage ausgebildet ist.

6. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung als in Umfangsrichtung des Kommutators verlaufende Nut (4) ausgebildet ist.

7. Kommutator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung zwei parallele Nuten (4) mit Kontaktmaterialeinlagen (2) vorhanden sind.

8. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung als in Achsrichtung des Kommutators verlaufende Nut (11) ausgebildet ist.

9. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung als schräg- oder pfeilförmig verlaufende Nut (12) ausgebildet ist.

10. Kommutator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nut (4,11,12) und der Kontaktmaterialeinlage (2) rechteckig ist.

11. Kommutator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nut (4,11,12) und der Kontaktmaterialeinlage (2) quadratisch, dreieckig oder trapezförmig ist.

12. Kommutator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nut (4,11,12) und der Kontaktmaterialeinlage (2) schwalbenschwanzförmig ist.

13. Kommutator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (4,11,12) und die Kontaktmaterialeinlage (2) einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen.

14. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung als radial verlaufende Öffnung ausgebildet ist.

15. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) mittels eines leitfähigen Klebers befestigt ist.

16. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) durch Löten, Schweißen oder Bördeln gehalten ist.

17. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterialeinlage (2) durch F^:lammspritzen hergestellt ist.

18. Kommutator nach einem der vorhergehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Kontaktmaterialeinlage (2) Kontaktmaterial einstückig in die Nuten (4,11,12) mehrerer Kollektor-Lamellen eingebracht wird und daß es anschließend zwischen den Lamellen aufgetrennt wird.

19. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß p.^ßgenau vorgefertigte Kontaktmaterialeinlagen (2) in die betreffenden Nuten (4,11,12) eingebracht werden.