DE3721891A1 - Commutator for a DC machine - Google Patents

Abstract

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Description

Die Erfindung betrifft einen Stromwender für eine Gleichstrommaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a power inverter for a DC machine the genus of the main claim.

Gleichstrommaschinen der üblichen Bauart mit ruhendem Ständer und darin umlaufendem, mit einem Stromwender versehenen, Anker werden in großem Umfang als Kleinmotoren für unterschiedliche Anwendungszwecke gebaut. Der Stromwender besteht aus einzelnen voneinander isolierten Kupfersegmenten, auf denen feststehende Kohle- oder Graphitbürsten schleifen und der Ankerwicklung einen Strom der vorgegebenen Polarität zuführen. Dabei kann der Stromwender entweder flächen- oder zylinderförmig gestaltet sein; auf seine grundsätzliche Wirkungsweise ist dies ohne Einfluß. Durch die schleifende Relativbewegung zwischen den federnd angedrückten Kohle- oder Graphitbürsten und den Stromwenderlamellen verschleißen die weicheren Bürsten schneller als die Lamellen des Stromwenders und müssen nach längerer Laufzeit ersetzt werden. Der Abrieb setzt sich teils im Motor ab, teils wird er bei offener Bauart in die Umgebung verteilt.DC machines of the usual type with a stationary stand and in it Circulating anchors, equipped with a commutator, become large Scope built as small motors for different applications. The Power inverter consists of individual copper segments insulated from each other, on which fixed carbon or graphite brushes grind and the Feed the armature winding a current of the specified polarity. It can the commutator can be either flat or cylindrical; on its basic mode of operation is without influence. Through the grinding relative movement between the spring-loaded coal or Graphite brushes and the commutator blades wear out the softer ones Brushes faster than the lamellas of the commutator and need to longer term to be replaced. The abrasion settles partly in the engine, in some cases it is distributed into the surroundings with an open design.

Aus Gründen hoher Leistungsausbeute sind solche Kleinmotoren spezifisch hoch belastet und laufen mit hohen Drehzahlen. Häufig trägt daher der Anker einen oder mehrere Lüfter zur Förderung von Kühlluft. Der entstehende Luftstrom trägt den Abrieb vom Ort der Entstehung weg. So werden die Zwischenräume zwischen den Stromwenderlamellen durch das Zusammenwirken von Zentrifugalkraft und Luftstrom vom elektrisch leitenden Abrieb freigehalten und Kurzschlüsse vermieden.Such small motors are specific for reasons of high power output highly loaded and run at high speeds. The anchor therefore often carries one or more fans to convey cooling air. The emerging Airflow carries the abrasion away from where it was created. So they will Gaps between the commutator blades by the interaction of  Centrifugal force and air flow are kept free from electrically conductive abrasion and short circuits avoided.

In neuerer Zeit werden solche Kleinmotoren in zunehmendem Maße, vor allem in der Kraftfahrzeugausrüstung, als Antriebsquelle für Hilfseinrichtungen und Stellantriebe verwendet. Dort werden sie oft nur mit niedriger Drehzahl und/oder in kleinen Winkelbereichen mit wechselnder Drehrichtung betrieben. Bei diesen Betriebsarten entfällt daher die reinigende Wirkung der Zentrifugalkraft und des Kühlluftstromes, so daß bereits nach verhältnismäßig kurzer Zeit die isolierenden Zwischenräume zwischen den Stromwenderlamellen mit elektrisch leitendem Abrieb überbrückt und Kurzschlüsse verursacht werden. Diese führen zu ernsthaften Betriebsstörungen oder zum Ausfall oder der Zerstörung des Motors.In recent times, such small engines are increasingly used, especially in automotive equipment, as a drive source for auxiliary equipment and Actuators used. There they are often only at low speed and / or operated in small angular ranges with changing direction of rotation. In these operating modes, the cleaning effect of the Centrifugal force and the cooling air flow, so that already after the isolating spaces between the Power converter slats bridged with electrically conductive abrasion and Short circuits are caused. These lead to serious ones Malfunctions or failure or destruction of the engine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Stromwender für eine Gleichstrommaschine nach dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß die beschriebenen nachteiligen Folgen des Betriebs mit niedriger Drehzahl nicht oder erst nach wesentlich längeren Zeiträumen als bei Gleichstrommaschinen nach dem Stand der Technik eintreten. Insbesondere soll ohne erhöhten und kostensteigernden Aufwand das Anhaften elektrisch leitenden Abriebs in den Zwischenräumen der Stromwenderlamellen verhindert oder erschwert werden.The invention is therefore based on the object of a commutator for a DC machine according to the generic term of the main claim so to train that the described adverse consequences of the operation with low speed not or only after much longer periods than occur with DC machines according to the prior art. In particular the adhesion should be electrical without increased and cost-increasing effort conductive abrasion in the spaces between the commutator blades prevented or become difficult.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen. Dabei ist vorteilhaft, daß der Aufbau und das Verfahren zur Herstellung des Stromwenders nicht grundsätzlich geändert zu werden brauchen.This problem is solved with the in the characterizing part of the Measures specified in the main claim. It is advantageous that the structure and the method for manufacturing the commutator is not fundamentally need to be changed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous refinements and developments of the invention result from the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Stromwender nach dem der Anmelderin bekannten Stand der Technik im Querschnitt, Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromwenders ebenfalls im Querschnitt, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines solchen Stromwenders. Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. In the drawings Fig. 1 shows a commutator according to the known prior art of the Applicant, in cross section, Fig. 2 shows a first embodiment of the commutator according to the invention also in cross section, Fig. 3 shows a second embodiment of such a commutator.

In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung schematisch ein trommelförmiger Stromwender mit 5 Segmenten dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Grundkörper 11, der mit einer zentrischen Bohrung 12 zur Aufnahme auf die Welle der Gleichstrommaschine versehen ist. Der Außenumfang des Stromwenders ist mit einer Anzahl gleichbreiter Kupfersegmente 13 belegt, die durch Nuten 14 elektrisch unterteilt sind. Fertigungstechnisch erfolgt die Herstellung eines solchen Stromwenders im allgemeinen so, daß ein rohrförmiges Kupferteil entsprechender Länge auf den Grundkörper 11 aufgezogen und dort durch Ausspritzen, Kleben oder ähnlicher Befestigungsarten dauerhaft befestigt wird. Anschließend werden die Nuten 14 durch Sägen eingebracht. Auf diese Weise erhalten die Nuten rechteckigen Querschnitt und dringen radial um ein vorgegebenes Maß in den Grundkörper ein.In Fig. 1, a drum-shaped commutator with 5 segments is shown schematically in perspective. It consists essentially of a cylindrical base body 11 , which is provided with a central bore 12 for receiving on the shaft of the DC machine. The outer circumference of the commutator is covered with a number of copper segments 13 of equal width, which are electrically divided by grooves 14 . In terms of manufacturing technology, such a commutator is generally manufactured in such a way that a tubular copper part of appropriate length is drawn onto the base body 11 and is permanently attached there by spraying, gluing or similar types of fastening. The grooves 14 are then introduced by sawing. In this way, the grooves have a rectangular cross section and penetrate radially by a predetermined amount into the base body.

In Fig. 1b sind diese Verhältnisse vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, daß der Querschnitt der Nuten 14 von rechteckiger Gestalt, d. h. mit parallelen Seitenwänden ist und die Tiefe der Nuten 14 radial in das Material des Grundkörpers 11 hineinreicht. Wie bereits oben ausgeführt, besteht bei dieser herkömmlichen Gestaltung der Nuten 14 die Gefahr, daß sich bei hoher Belastung und niedrigen Drehzahlen der Bürstenabrieb in den Nuten 14 absetzt, und nach einer gewissen Betriebszeit zu unerwünschten elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Segmenten 13 führt.These relationships are shown enlarged in FIG. 1b. It can be seen that the cross section of the grooves 14 has a rectangular shape, ie with parallel side walls, and the depth of the grooves 14 extends radially into the material of the base body 11 . As already explained above, with this conventional design of the grooves 14 there is a risk that the brush abrasion will settle in the grooves 14 at high loads and low rotational speeds and, after a certain operating time, will lead to undesired electrically conductive connections between the segments 13 .

In der Fig. 2a ist ein vergleichbarer Stromwender ebenfalls in perspektivischer Darstellung gezeigt. Er kann die gleichen äußeren Abmessungen wie der in Fig. 1 dargestellte Stromwender aufweisen. Er besteht ebenfalls aus einem zylindrischen Grundkörper 21 mit einer Zentrumsbohrung 22 zur Aufnahme des Stromwenders auf der Welle der Gleichstrommaschine. Am Umfang des Stromwenders nach der Fig. 2 sind ebenfalls gleichbreite Sektoren oder Segmente aus elektrisch gut leitendem Material, im allgemeinen Kupfer, aufgebracht. Auch das Aufbringen der Kupfersegmente auf den Stromwender nach Fig. 2 kann dem Fertigungsverfahren des Stromwenders nach Fig. 1 entsprechen. Im Unterschied zu dem bekannten Stromwender werden die Nuten 24 zwischen den Stromwendersegmenten 23 durch ein Werkzeug erzeugt, daß eine V- förmige Gestalt der Nuten 24 hervorruft. Dies kann beispielsweise ein Fräser mit einer entsprechenden Zahnform sein. Vorteilhaft sind die Zahnspitzen des Werkzeugs abgerundet, so daß der Nutgrund 25 der Nuten 24, wie in Fig. 2b dargestellt, ausgerundet ist. Diese Formgestaltung erschwert im Zusammenhang mit einer glatten Ausbildung der Nutwände 26 das Anhaften von Bürstenabrieb und führt zu einer längeren störungsfreien Betriebsdauer der Gleichstrommaschine.A comparable power inverter is also shown in perspective in FIG. 2a. It can have the same external dimensions as the commutator shown in FIG. 1. It also consists of a cylindrical base body 21 with a center bore 22 for receiving the commutator on the shaft of the DC machine. On the circumference of the commutator according to FIG. 2, sectors or segments of the same width made of electrically highly conductive material, generally copper, are also applied. The application of the copper segments to the commutator according to FIG. 2 can also correspond to the manufacturing process of the commutator according to FIG. 1. In contrast to the known power inverter, the grooves 24 between the power inverter segments 23 are produced by a tool that creates a V-shaped shape of the grooves 24 . This can be, for example, a milling cutter with a corresponding tooth shape. The tooth tips of the tool are advantageously rounded, so that the groove base 25 of the grooves 24 , as shown in FIG. 2b, is rounded. In connection with a smooth design of the groove walls 26, this design makes it more difficult for brush abrasion to adhere and leads to a longer, trouble-free operating period of the DC machine.

Fig. 3a zeigt einen scheibenförmigen Stromwender mit fünf Sektoren 33 auf einem scheibenförmigen Grundkörper 31, der ebenfalls wieder eine zentrische Bohrung 32 zur Aufnahme auf der Welle der Gleichstrommaschine aufweist. Die Sektoren 33 sind durch Nuten 34 unterteilt. Die elektrische Funktion eines solchen scheibenförmigen Stromwenders ist bei gleicher Sektorenzahl die gleiche wie die eines trommelförmigen Stromwenders, so daß lediglich andere technische Erfordernisse, wie z.B. der zur Verfügung stehende Einbauraum die Wahl bestimmen. Fig. 3a shows a disc-shaped commutator with five sectors 33 on a disc-shaped base body 31, which is also 32 has again a central bore for receiving on the shaft of the DC machine. The sectors 33 are divided by grooves 34 . The electrical function of such a disc-shaped commutator is the same as that of a drum-shaped commutator with the same number of sectors, so that only other technical requirements, such as the available installation space, determine the choice.

In Fig. 3b ist vergrößert in Schnittdarstellung die Anordnung einer Nut 34 zwischen zwei Segmenten 33 gezeigt. Die Nut 34 hat wieder V­ förmige Gestalt wie bei der Ausführung nach der Fig. 2, auch kann der Nutgrund 35 abgerundet sein. Der Winkel, den die beiden Flanken 36 der Nut 34 einschließen, ist in bestimmten Grenzen frei wählbar und richtet sich nach der gewünschten Nutbreite an der Oberfläche des Stromwenders. Ebenso ist die Breite der Nut die Nuttiefe und die Gestalt des Nutgrundes nicht auf die Darstellung in den Ausführungsbeispielen eingeschränkt. So kann beispielsweise der Nutgrund eine ebene Sohle sein oder der Radius der Ausrundung kann unterschiedlich ausgeführt sein.The arrangement of a groove 34 between two segments 33 is shown enlarged in a sectional view in FIG. 3b. The groove 34 again has a V-shaped shape as in the embodiment according to FIG. 2, the groove base 35 can also be rounded. The angle that the two flanks 36 of the groove 34 enclose can be freely selected within certain limits and depends on the desired groove width on the surface of the commutator. Likewise, the width of the groove, the groove depth and the shape of the groove base are not restricted to the illustration in the exemplary embodiments. For example, the bottom of the groove can be a flat sole or the radius of the fillet can be designed differently.

Claims (4)

1. Stromwender für eine Gleichstrommaschine mit einer Vielzahl von Stromwendersegmenten aus elektrisch leitfähigem Werkstoff auf einem isolierenden Grundkörper, wobei die Vielzahl von Stromwendersegmenten durch in gleichen Winkelabständen angeordnete Nuten elektrisch voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (24, 34) V-förmige Gestalt im Querschnitt aufweisen.1. Power converter for a direct current machine with a plurality of power converter segments made of electrically conductive material on an insulating base body, the plurality of current converter segments being electrically separated from one another by grooves arranged at equal angular intervals, characterized in that the grooves ( 24 , 34 ) are V-shaped Have cross-sectional shape. 2. Stromwender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutgrund (25, 35) ausgerundet ist.2. A commutator according to claim 1, characterized in that the groove base ( 25 , 35 ) is rounded. 3. Stromwender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutflanken (26, 36) mit hoher Oberflächengüte ausgeführt sind.3. A commutator according to claim 1 or 2, characterized in that the groove flanks ( 26 , 36 ) are designed with a high surface quality. 4. Stromwender nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Nuten mit einem diamantbesetzten Werkzeug erfolgt.4. Power converter according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the introduction of the grooves with a diamond-studded Tool is done.