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Die
Erfindung betrifft einen Kommutator für einen Elektromotor. Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Elektromotor, der Kraftfahrzeugausstattung
wie zum Beispiel einen Fensterheber-, Schiebedachoder Sitzbetätigungsmotor
antreiben soll.
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Ein
Kommutator umfasst herkömmlicherweise
einen Ring mit einer Reihe von leitfähigen Segmenten auf seinem
Umfang, wobei der Kommutatorring einstückig auf einer Rotorwelle montiert
werden kann.
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Ein
Elektromotor umfasst im Allgemeinen ein Statorrahmen und einen in
dem Stator drehbar gelagerten Rotor. Der Motor umfasst außerdem mit
der Rotorwelle einstückig
ausgebildete Wicklungen, wobei jede Wicklung mit zwei einander diametral
gegenüberliegenden
Segmenten eines Kommutators elektrisch verbunden ist.
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Der
Kommutator ist im Allgemeinen in einem mit dem Stator einstückig ausgebildeten
Kommutatorgehäuse
montiert. Ein solches Gehäuse
umfasst eine Halterung mit einer mittigen Öffnung, die dafür ausgelegt
ist, den Kommutator aufzunehmen und die Rotorwelle durch die Halterung
des Gehäuses
verlaufen zu lassen. Der Träger
besteht aus einem isolierenden Material, zum Beispiel aus Kunststoff.
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Das
Kommutatorgehäuse
umfasst außerdem
mindestens zwei Bürsten,
die einander relativ zu dem Kommutator diametral gegenüberliegen
und dafür
ausgelegt sind, während
der Drehung des Kommutators zusammen mit der Rotorwelle mit den
Kommutatorsegmenten in Kontakt zu treten. Die Bürsten sind mit einer Stromversorgung
elektrisch verbunden.
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Wenn
der Motor in der an sich bekannten Weise arbeitet, werden die Bürsten gegen
die Kommutatorsegmente gedrückt,
um sukzessive die verschiedenen, den verschiedenen Paaren von einander
diametral gegenüberliegenden
Segmenten entsprechenden Wicklungen zu versorgen, während sich
der Kommutator mit dem Rotor dreht.
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Wenn
der Motor läuft,
kommen die Bürsten also
sukzessive mit den verschiedenen rotierenden Kommutatorsegmenten
in Kontakt. Wenn sich eine Bürste
von einem Segment zum nächsten
bewegt, kann zwischen der Bürste
und dem Segment, das zuvor mit der Bürste in elektrischem Kontakt
stand, ein Lichtbogen erzeugt werden. Das Entstehen eines Lichtbogens
ist ein bekanntes Phänomen,
wenn ein Schalter geöffnet
wird und ein elektrischer Strom hindurchfließt. Im vorliegenden Fall ist
der Lichtbogen auf die induktive Wirkung der zuvor durch die Bürste aktivierten
Wicklung zurückzuführen.
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Das
Auftreten von Lichtbögen
oder Spannungsspitzen zwischen den Kommutatorsegmenten und den Bürsten kann
nun erstens diese Elemente beschädigen
und zweitens eine Quelle für
Störsignale
sein, die andere Komponenten des Motors oder des Fahrzeugs stören können.
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Die
Standards für
Funkstörungen
beschränken
ferner die Ausbreitung von Störsignalen
von einem Teil der Ausstattung zu einem anderen. Der Internationale
Sonderausschuss für
Funkstörungen (CISPR
= International Special Committee on Radio Interference) oder sonstige
Organisationen haben verschiedene Klassen definiert, die verschiedenen Störpegeln
entsprechen. Je nach Baureihe des Fahrzeugs müssen die Fahrzeughersteller
einer der verschiedenen Klassen genügen.
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Herkömmlicherweise
kann das Phänomen des
Lichtbogens dadurch kompensiert werden, dass man eine LC-Schaltung
(Induktivitäts-Kapazitäts-Schaltung), die ein
Störschutzfilter
darstellt, zwischen die zwei Versorgungsbürsten des Kommutatorgehäuses einsetzt.
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Ein
solches Filter muss auf dem Kommutatorgehäuse implementiert werden, was
die Produktion des letzteren kompliziert und im Allgemeinen das manuelle Eingreifen
einer Bedienungsperson erfordert. Dies führt zu erhöhten Motorproduktionskosten.
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Außerdem können mit
einem solchen LC-Filter induzierte Störsignale nicht genügend herausgefiltert
werden mit dem Ergebnis, dass mit einer solchen Vorrichtung ausgestattete
Motoren den höchsten
Standards für
Funkstörungen
nicht gerecht werden.
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Das
Französische
Patent 2,814,868 offenbart einen Kommutator eines Elektromotors
mit einer vereinfachten Entstörvorrichtung.
Entladeschaltungen sind auf einer auf die Rotorwelle aufgeschobenen
ringförmigen
gedruckten Leiterplatte vorgesehen. Somit ist jedes Paar von benachbarten
Kommutatorsegmenten durch eine mit dem Kommutatorring einstückig ausgebildete
RC-Schaltung (Widerstands-Kapazitäts-Schaltung) der gedruckten
Schaltung verbunden. Durch diese Entladeschaltungen können die
meisten Lichtbogenphänomene
vermieden werden.
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Dennoch
erfordert eine solche Entstörvorrichtung
die Herstellung und Montage einer gedruckten Schaltung. Um korrekt
zu funktionieren, ist es ferner notwendig, ein Andrückelement
bereitzustellen, um die Stege der gedruckten Schaltung ständig mit den
Kommutatorsegmenten in Kontakt zu halten.
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Diese
Lösung
nach dem Stand der Technik führt
infolgedessen zu erhöhten
Fertigungskosten und erzeugt die Gefahr einer falschen Funktionsweise
infolge eines schlechten Kontakts.
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Infolgedessen
besteht ein Bedarf an einem vereinfachten Kommutator, mit dem ein
hohes Maß an
Störungsunterdrückung erreicht
werden kann, während
gleichzeitig eine zuverlässige
Montage und Funktionsweise garantiert werden.
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Um
dies zu erreichen, stellt die Erfindung einen Kommutator für einen
Elektromotor bereit, der Folgendes umfasst: einen Tragring; mehrere
Metallsegmente, die am Umfang des Tragrings angeordnet sind, wobei
jedes Segment mindestens ein Zungenelement aufweist, das sich auf
einer Achse senkrecht zu dem Segment erstreckt und in einer Richtung senkrecht
zu dieser Achse elastisch ist; und mehrere Kondensatoren, die zwischen
dem Tragring und den Metallsegmenten angeordnet sind, wobei jeder
Kondensator zwei Stromanschlüsse
umfasst, die jeweils an zwei Zungenelemente zweier benachbarter
Metallsegmente angelötet
sind.
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Vorzugsweise
hat jedes Zungenelement zwei Arme, die einen U-förmigen Clip bilden, wobei jeder
Arm mit einem separaten Kondensator in Kontakt steht.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Zungenelemente der Metallsegmente in Richtung
zu dem Tragring.
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Vorzugsweise
werden die Metallsegmente zusammen mit den Zungenelementen gefertigt.
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Die
Zungenelemente bestehen vorzugsweise aus metallisiertem Kunststoff
und werden an die Metallsegmente gelötet oder geschweißt.
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Bei
einer Ausführungsform
sind mehrere Kondensatoren zwischen mehreren Paaren der gleichen
benachbarten Segmente parallel geschaltet.
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Außerdem wird
ein Kommutatorgehäuse
für einen
Elektromotor bereitgestellt, wobei das Kommutatorgehäuse Folgendes
umfasst: eine Halterung, die einen oben beschriebenen Kommutator
aufnehmen kann; mindestens zwei Bürsten, die mit Kommutatorsegmenten
in Kontakt kommen können;
wobei diese Halterung nicht mit zwischen den Bürsten angeschlossenen Filtern
ausgestattet ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden
ausführlichen,
lediglich beispielhaft gedachten Beschreibung einiger Ausführungsformen
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen besser ersichtlich.
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1 ist,
wie oben erläutert,
eine Ansicht eines Kommutators gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Ansicht eines Kommutators gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator
umfasst einen Tragring, mehrere am Umfang des Tragrings angeordnete
Metallsegmente und mehrere zwischen dem Tragring und den Metallsegmenten
angeordnete Kondensatoren. Jeder Kondensator ist zwischen zwei benachbarten
Metallsegmenten angeschlossen.
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Die
zwischen den jeweiligen Segmenten angeschlossenen Kondensatoren
erlauben eine ausgezeichnete Entladung von erzeugten Lichtbögen. Die Lösung ist
außerdem
kompakt und kostengünstig,
da die verwendeten Kondensatoren vom SMD-Typ (oberflächenmontierbar)
sind. SMD-Komponenten sind preiswerter als verdrahtete Komponenten,
die bei Kommutatorgehäusen
nach dem Stand der Technik im Allgemeinen verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator
wird anhand von 1 beschrieben. Der Kommutator
umfasst einen rohrförmigen
Tragring 11 aus einem isolierenden Material wie zum Beispiel
Kunststoff. Der Tragring 11 ist von mehreren Metallsegmenten 12 umgeben,
die auf seinem gesamten Umfang angeordnet sind. Der Tragring 11 kann
Kerben aufweisen, die die Metallsegmente 12 aufnehmen.
Diese Kerben können
so konstruiert sein, dass zwischen jedem Paar von benachbarten Segmenten 12 ein
Schlitz 14 bleibt. Die Segmente 12 sind infolgedessen
durch den mittigen Tragring 11 und die Schlitze 14 perfekt gegeneinander
isoliert. Der Tragring 11 kann zum Beispiel direkt aus
Kunststoffmaterial mit einer geeigneten Form geformt oder maschinell
hergestellt sein. Die Metallsegmente 12 haben außerdem an
einem Ende jedes Segments ausgebildete Hakenelemente 13.
Diese Hakenelemente erlauben das anschließende Verbinden der Kommutatorsegmente
mit den Rotorwicklungen.
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Kondensatoren 20 sind
direkt zwischen dem Tragring 11 und den Kommutatorsegmenten 12 angeordnet.
Jeder Kondensator 20 trägt
zwei Stromanschlüsse 21, 22,
die jeweils an zwei benachbarte Segmente 12 angelötet sind.
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Somit
sind in dem erfindungsgemäßen Kommutator
mehrere Kondensatoren 20 angeordnet, wobei jeder Kondensator 20 zwischen
zwei benachbarten Metallsegmenten 12 angeschlossen ist.
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Diese
Kondensatoren können
eine kleine Kapazität
haben, zum Beispiel um die 470 nF, und sind Kondensatoren vom SMD-Typ.
Solche Komponenten sind auf dem Markt ohne weiteres erhältlich und
relativ preiswert.
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Bei
einer Anwendung können
mehrere Kondensatoren 20 parallel an dasselbe Paar von
benachbarten Segmenten 12 angelötet angeordnet werden. Dies
erhöht
die Entladungskapazität
zwischen Kommutatorsegmenten, während
gleichzeitig Kondensatoren mit niedriger Kapazität verwendet werden.
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Eine
Ausführungsform
wird anhand von 2 beschrieben.
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Jedes
Metallsegment 12 trägt
mindestens ein Zungenelement 15, das sich längs einer
zu dem Segment 12 senkrechten Achse 10 erstreckt.
Jedes Zungenelement 15 ist in eine Richtung senkrecht zu der
Achse 10 elastisch, mit anderen Worten in eine Richtung
im Wesentlichen parallel zu zwei benachbarten Segmenten.
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Die
Anschlüsse 21, 22 der
Kondensatoren 20 werden dann jeweils an zwei Zungenelemente 15 von
zwei benachbarten Segmenten 12 angelötet.
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Die
Zungenelemente 15 machen es möglich, ein gewisses Maß an Elastizität der Positionierung der
Kondensatoren 20 zu den Metallsegmenten 12 bereitzustellen.
In der Tat versteifen die Lötverbindungen
der Anschlüsse 21, 22 der
Kondensatoren 20 den Kommutatorring. Wenn nun anschließend die Verbindungsleitungen
der Rotorwicklungen an die Hakenelemente 13 der Segmente 12 angelötet werden,
können
die Lötverbindungen
der Kondensatoren 20 bzw. die eigentlichen Kondensatoren
brechen, da das Segment, das gerade verbunden wird, durch diesen
Vorgang leicht verformt werden kann. Die Entladungsfunktion ist
dann nicht länger
gegeben, und der Motor genügt
nicht den geltenden Standards für die
Störungsunterdrückung. Analog
dazu wird nach dem Montieren des Kommutatorrings auf der Rotorwelle
häufig
ein Schritt des maschinellen Bearbeitens des Umfangs des Kommutatorrings
durchgeführt,
der ebenfalls zum Brechen der Kondensatoren bzw. ihrer Lötverbindungen
führen
kann.
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Wenn
die Kondensatoren 20 mit den Zungenelementen 15 und
nicht mehr direkt mit den Segmenten 12 verbunden sind,
erfahren sie keine durch die Manipulation der Segmente 12 verursachte
Verformung mehr. Diese Ausführungsform
der Erfindung macht es infolgedessen möglich, einen zuverlässigen Anschluss
der Kondensatoren 20 zwischen jedem Segment 12 des
Kommutators sicherzustellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
haben die Zungenelemente 15 jeweils zwei Arme 16, 17,
die einen U-förmigen
Clip bilden. Jeder Arm 16, 17 des Zungenelements 15 wird
dann an einen Anschluss 21, 22 eines separaten
Kondensators 20 angelötet.
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Jeder
Arm 16, 17 kann also in unterschiedlichem Maß elastisch
in Richtung zu dem anderen gedrückt
werden, um die Elastizität
des Zungenelements 15 in einer ersten Richtung senkrecht
zu der zu dem Segment 12 senkrechten Achse 10 bereitzustellen.
Jeder Arm 16, 17 kann sich auch bis zu einem gewissen
Grad verdrehen, um die Elastizität
des Zungenelements 15 in einer anderen Richtung senkrecht
zu der Achse 10 bereitzustellen.
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Vorzugsweise
ragen die Zungenelemente 15 zu dem Tragring 11,
mit anderen Worten ins Innere des Kommutators. Das allgemeine Aussehen
eines erfindungsgemäßen Kommutators
wird folglich nicht modifiziert, und auch seine Montage auf einer
Rotorwelle wird nicht besonders modifiziert.
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Die
Zungenelemente 15 können
aus Metall bestehen. Sie können
direkt als Teil der Segmente 12 gefertigt oder separat
produziert und dann an die Segmente angelötet oder angeschweißt werden.
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Die
Zungenelemente 15 können
auch aus Kunststoff bestehen, so dass es möglich wird, komplexere Formen
zu konstruieren, zum Beispiel mit Hilfe von Formverfahren. Die Zungenelemente
aus Kunststoff müssen
dann metallisiert und an die Metallsegmente 12 angelötet oder
angeschweißt
werden. Zur Bereitstellung der Zungenelemente 15 kann jede
Form bzw. jede Art von leitendem Material in Betracht gezogen werden,
vorausgesetzt eine elektrische Verbindung kann zwischen dem Metallsegment 12 und
der Außenseite
des Zungenelements 15 aufgebaut werden.
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Bei
einer Anwendung können
mehrere Kondensatoren 20 parallel zwischen mehreren Paaren von
Zungenelementen 15 angeordnet sein, die an demselben Paar
von benachbarten Segmenten 12 angebracht sind. Dadurch
kann die Entladungskapazität
zwischen Kommutatorsegmenten erhöht
werden, während
nach wie vor Kondensatoren mit niedriger Kapazität verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße Kondensator
soll in ein Kommutatorgehäuse
(nicht dargestellt, aber an sich bekannt) eingesetzt werden, wenn
der Elektromotor montiert wird. Ein solches Gehäuse ist in dem Stator eines
Elektromotors (nicht dargestellt, aber an sich bekannt) angeordnet.
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Die
verschiedenen Teile können
wie folgt zusammengebaut werden: Der Tragring 11 des Kommutators 10 wird über eine
Rotorwelle geschoben. Die Rotorwelle trägt die üblichen Wicklungen. Die Wicklungen
werden dann jeweils mit zwei einander diametral gegenüberliegenden
Kommutatorsegmenten verbunden. Für
diese Verbindung mit den Rotorwicklungen können die am Ende jedes Segments 12 vorgesehenen
Hakenelemente 13 verwendet werden.
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Die
Rotorwelle, die den darüber
geschobenen Kommutatorring. trägt,
wird in den Stator eingesetzt und verläuft durch eine Öffnung in
dem Kommutatorgehäuse.
Der Kommutator wird so auf einer Halterung des Kommutatorgehäuses positioniert.
Ein solches Kommutatorgehäuse
umfasst, wie an sich bekannt ist, mindestens zwei Bürsten, die
mit den Kommutatorsegmenten in Kontakt kommen sollen. Diese Bürsten sollen
die Segmente 12 mit Strom versorgen und sollten folglich
gut an den Segmenten anliegen, um eine gute Stromleitung zu garantieren.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator
macht es insbesondere möglich,
ein Kommutatorgehäuse zu
verwenden, das eine Halterung trägt,
die keine Filter zum Anschluss zwischen den beiden Bürsten aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen Kommutator kann
infolgedessen das Kommutatorgehäuse
vereinfacht werden, und folglich können auch die Kosten des Elektromotors
gesenkt werden.
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In
dem speziellen Fall der Ausführungsform von 2 kann
der Vorgang des Verbindens der Rotorwicklungen mit den Kommutatorsegmenten
mit einer geringeren Gefahr der Beschädigung der zwischen den Zungenelementen 15 angelöteten Kondensatoren
durchgeführt
werden.
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Wenn
ein Segment 12 während
dieses Vorgangs des Verbindens verformt wird, kann sich das Zungenelement 15 für dieses
Segment 12 tatsächlich in
Bezug auf benachbarte Segmente elastisch verformen, um diese Verformung
zu kompensieren. Durch die elastische Verformung des Zungenelements 15 wird
vermieden, dass die mit dem unter Spannung stehenden Segment verbundenen
Kondensatoren 20 unter Spannung gesetzt werden, wodurch
jegliche Gefahr einer Beschädigung
dieser Kondensatoren oder ihrer Lötverbindungen vermieden wird.
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Wenn,
analog dazu, die Montage des erfindungsgemäßen Kommutators auf einer Rotorwelle eines
Elektromotors einen Schritt erfordert, bei dem der Umfang des Kommutators
maschinell bearbeitet wird, können
die Spannungen, denen die Segmente 12 unterliegen, durch
die elastische Verformung der Zungenelemente 15 kompensiert
werden, um jegliche Beschädigung
der Kondensatoren 20 oder ihrer Lötverbindungen zu vermeiden.
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Diese
Erfindung ist offensichtlich nicht auf die beispielhaft beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt; so
wurden die Zungenelemente 15 für die Metallsegmente 12 in
Form U-förmiger
Clips dargestellt, doch kann auch jede andere Form, die das Einführen von
Elastizität
in Richtung parallel zu einem Segment 12 erlaubt, verwendet
werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie zum Beispiel
die Form eines Doppelhakens.