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Die Erfindung betrifft elektrische Kleinmotoren. Insbesondere
betrifft sie solche Motoren, in denen Bürsten die Energie auf
den Rotor übertragen, wobei jede Bürste mehrere Bürstenteile
aufweist, die in Schleifkontakt mit dem Kommutator stehen.
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Wenn elektrische Energie über Bürsten und einen Kommutator
auf den Rotor eines Motors übertragen wird, tritt zu dem
Zeitpunkt ein Problem auf, zu dem der Kontakt zwischen jeder
der Bürsten und dem Kommutator von einem Kommutatorabschnitt
auf den nächsten überwechselt. Dieser plötzliche Wechsel kann
Funken und elektrisches Rauschen verursachen, was zu einem
instabilen Betrieb des Motors führt.
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Es wurden verschiedene Versuche zur Lösung dieses Problems
unternommen, wobei Änderungen sowohl an der Konstruktion der
Bürsten als auch des Kommutators in Betracht gezogen wurden.
Keiner war jedoch gänzlich erfolgreich. Die vorliegende
Erfindung bietet eine alternative Herangehensweise an.
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Ein elektrischer Kleinmotor von der Art, mit der sich
diese Erfindung beschäftigt, weist auf: ein zylindrisches
Gehäuse mit einem geschlossenen Ende und einen Permanentmagneten,
der an die Gehäuseinnenseite angepaßt ist; eine Endplatte,
die das andere Ende des Gehäuses abschließt; einen Rotor, der
für die Drehbewegung in dem Gehäuse in Lagern in dem
geschlossenen Gehäuseende und in der Endplatte gehaltert ist,
wobei der Rotor einen Kommutator aufweist; und Bürsten, die
in Schleifkontakt mit dem Kommutator stehen, um die
Energieübertragung dorthin zu gewährleisten. Jede Bürste weist
mehrere Bürstenteile auf, die sich entlang von Achsen
erstrekken, welche im wesentlichen senkrecht zur Rotorachse
verlaufen, wobei jedes Bürstenteil einen V-förmigen Querschnitt
aufweist und die äußeren Ränder seiner Seitenflächen einen
linearen Kontaktabschnitt für das Angreifen an den Kommutator
bestimmen.
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Eine ähnliche Anordnung ist in der Druckschrift GB-A-2172446
offenbart.
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Erfindungsgemäß schließen die linearen Kontaktabschnitte
unterschiedliche Winkel flut der Schnittlinie der Seiten ihres
jeweiligen Bürstenteiles ein, so daß ihr Angriff an den
Kommutator auf räumlich beabstandeten Abschnitten seiner
Umfangslinie erfolgt.
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Beispiele zum Stand der Technik und einige
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden
beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht von der Seite
ist, welche die wesentlichen Teile eines Kleinmotors zeigt,
der für die Nutzung dieser Erfindung geeignet ist;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht ist, die eine bekannte
Anordnung von Bürste und Kommutator in Schleifkontakt
veranschaulicht;
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Fig. 3 eine axiale Ansicht von vorn ist, die den Kontakt
zwischen der Bürste und dem Kommutator in Fig. 2 zeigt;
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Fig. 4 ein Abschnitt der Umfangslinie ist, der die axiale
Ausdehnung des Kontaktes zwischen der Bürste und dem
Kommutator in den Figuren 2 und 3 zeigt;
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Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4 ist, die jedoch
eine alternative Bürstenanordnung zeigt;
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Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3 ist, die noch eine
andere bekannte Bürstenanordnung zeigt;
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die Figuren 7 bis 9 eine perspektivische Ansicht, eine
Ansicht in der Form einer Abwicklung und eine Ansicht von der
Seite sind, die Bürstenteile entsprechend einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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Fig. 10 eine axiale Ansicht von vorn ist, die den Kontakt
zwischen der Bürste und dem Kommutator bei der
Ausführungsform der Figuren 7 bis 9 zeigt;
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Fig. 11 eine perspektivische Ansicht ähnlich derjenigen
von Fig. 7 ist, die eine Abwandlung der Ausführungsform der
Figuren 7 bis 9 zeigt;
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die Figuren 12 und 13 Diagramme sind, die kommutierte
Kurvenverläufe in einem Kleinmotor veranschaulichen,
wobei der Betrieb eines Motors, der die Erfindung beinhaltet
mit einem herkömmlichen Motor nach dem Stand der Technik
verglichen wird; und
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die Figuren 14 und 15 Diagramme sind, die die Beziehung
zwischen Zeit, Drehzahl und Stromstärke zeigen, wobei sie
ebenfalls die vorliegende Erfindung mit dem Stand der Technik
vergleichen.
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Zuerst werden einige bekannte Bürstenanordnungen in
Elektromotoren mit Bezug auf die Figuren 1 bis 6 beschrieben. Die
wesentlichen Bauteile eines elektrischen Kleinmotors sind in
Fig. 1 gezeigt. Ein Gehäuse 1 wird aus einem metallischen
Material, wie Stahlguß, hergestellt und in einer
zylindrischen Form mit einem geschlossenen Ende ausgebildet. Ein
Permanentmagnet 2 in Bogensegmentform wird an die innere
Umfangsfläche des Gehäuses angepaßt. Ein Rotor, der einen Anker
3, welcher dem Permanentmagneten 2 gegenübersteht und einen
Kommutator 4 aufweist, ist drehbar im Gehäuse 1 gelagert.
Eine Endplatte 6, die üblicherweise aus demselben Material
wie das Gehäuse 1 hergestellt wird, greift in das offene Ende
des Gehäuses ein. Bürsten 7 stehen in Schleifkontakt mit dem
Kommutator 4, und sind elektrisch leitend mit den
Eingangsklemmen 8 verbunden. Die Eingangsklemme 8 wird von einem
isolierenden Bauteil 10 aufgenommen und ragt für die Verbindung
mit einer Spannungsquelle aus der Endplatte 6 hervor. Lager 9
sind in dem geschlossenen Ende des Gehäuses 1 und in einer
Lagerhalterung 11, die von einem vorspringenden Teil der
Endplatte 6 gebildet wird, vorhanden, um eine Welle 13, die den
Rotor trägt, zu lagern.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Bürste 7 fest an einen
Bürsten-/Klemmenträger 8a angepaßt, der elektrisch leitend
mit der Eingangsklemme 8 verbunden ist. Die Bürste 7 weist
mehrere Bürstenteile 7a, 7b und 7c auf, die alle dieselbe
Form haben, wobei ihre Spitzen in einem V-förmigen
Querschnitt gebogen sind.
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Die V-förmigen Spitzenabschnitte der Bürstenteile 7a, 7b
und 7c werden mit einem geeigneten Druck (Bürstendruck) durch
die Federkraft der Bürstenteile 7a, 7b und 7c auf die äußere
Umfangsfläche des Kommutators 4 gedrückt, wie in Fig. 3
gezeigt ist. Weil die Bürstenteile 7a, 7b und 7c dieselbe
Form haben, sind die Kontaktwinkel θo zwischen den
Bürstenteilen und der Außenfläche des Kommutators 4 ebenfalls
gleich, und die Umfangsabschnitte auf denen die Bürstenteile
in Kontakt mit dem Kommutator stehen sind gleichfalls im
wesentlichen identisch. Folglich passiert eine Nut 4a des
Kommutators 4 gleichzeitig die Bürstenteile 7a, 7b und 7c.
Dies führt zu einem plötzlichen Umschalten des elektrischen
Stromes, was das Auftreten von Funken und elektrischem
Rauschen verursacht. Diese Funken und das Rauschen stören die
kommutierten Kurvenverläufe, was einen instabilen Betrieb des
Motors zur Folge hat.
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Bei der zuvor diskutierten Bürstenanordnung, und wie in
Fig. 4 deutlicher gezeigt ist, stehen die Bürstenteile 7a, 7b
und 7c entlang dem Scheitelpunkt des V-förmigen Querschnitts
der Spitzen mit dem Kommutator in Kontakt. Eine Alternative
ist in Fig. 5 gezeigt, wobei die Spitzen umgekehrt sind, und
der Kontakt mit dem Kommutator 4 an den äußeren Rändern der
Schenkel der V-förmigen Abschnitte der Bürstenteile 7a, 7b
und 7c besteht. Bürstenschuhanordnungen, ähnlich derjenigen,
die in den Figuren 4 und 5 gezeigt sind, sind in der früheren
Druckschrift GB-A-2172446 offenbart.
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Eine Verbesserung in den kommutierten Kurvenverläufen wird
erreicht, indem man den Schleifkontakt zwischen den
Bürstenteilen 7a, 7b und 7c und dem Kommutator 4 mittels
einer Variation der Querschnittsform der V-förmigen
Abschnitte stabilisiert. Bei dieser Technik wurde jedoch
festgestellt, daß die kommutierten Kurvenverläufe dazu
tendieren, in Abhängigkeit von den wartungsbedingungen des
Motors gestört zu werden, was zu unbefriedigenden Ergebnissen
führt. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, daß die
Kontaktpunkte zwischen den Bürstenteilen 7a, 7b und 7c und
dem Kommutator 4 wiederum auf denselben Umfangsabschnitten
liegen.
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In einer anderen Bürstenanordnung, die in Fig. 6 gezeigt
ist, werden zwei auf dem Umfang räumlich getrennte
Kontaktpunkte mit den Kontaktwinkeln θ0a, θ0b benutzt. Diese
Technik hat jedoch einen großen Unterschied im Bürstendruck
an den jeweiligen Spitzen zur Folge, da die Bürstenteile
unterschiedliche wirksame Längen haben. Außerdem wird der
Unterschied in den Längen der Bürstenteile 7a und 7b zu groß.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter
Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 11 beschrieben.
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Wie in den Figuren 7 und 8 gezeigt ist, sind die Spitzen
der Bürstenteile 7a, 7b und 7c dergestalt geformt, daß die
Breite der Spitzen größer ist, als die Breite W von deren
Hauptabzweigungen, und daß jede Spitze zwei Seiten hat, die
bezüglich deren Längsachsen mit unterschiedlichen Winkeln
geneigt sind. Es soll jedoch darauf verwiesen werden, daß die
Spitze des Bürstenteiles 7b Seiten aufweist, die parallel zur
Längsachse verlaufen, d.h., in einem Winkel von Null Grad.
Die Seite der Spitze jedes Bürstenteiles 7a und 7c schließt
bezüglich der Längsachse einen Winkel θ3 ein, jedoch mit
unterschiedlichem Richtungssinn.
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Die Spitzen der Bürstenteile 7a, 7b und 7c, die in Fig. 8
gezeigt sind, sind an ihren jeweiligen Mittellinien gebogen,
um eine V-Form auszubilden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der
Krümmungswinkel θ2 ist in jedem Fall derselbe, und Fig. 7
zeigt die fertigen Formen der Bürstenteile 7a, 7b und 7c.
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Wenn ein Bürstenteil solch eine Form aufweist, kann der
geneigte Winkel θa der Spitze, die in Fig. 9 gezeigt ist,
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
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tan θa = tan θ3 sin θ2
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wobei θ3 ein geneigter Winkel ist, wenn die Spitze, die in
Fig. 8 gezeigt ist, in der Form einer Abwicklung dargestellt
wird, und θ2 der Krümmungswinkel für die Ausbildung der
V-Form ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der geneigte Winkel
θc der Spitze des Bürstenteiles 7c, das in Fig. 9 gezeigt ist,
wird auf dieselbe Weise bestimmt. Der geneigte Winkel des
Bürstenteiles 7b ist, wenn dessen Spitze als Bezugswinkel
θb (nicht veranschaulicht) angesehen wird, in diesem Falle
Null Grad. Die geneigten Winkel der Bürstenteile 7a und 7c
sind gleich, aber mit entgegengesetztem Richtungssinn,
bezogen auf das Teil 7b.
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Die Winkel θa, θb und θc beeinflussen direkt die
Positionen an denen die Bürsten 7 in Schleifkontakt mit dem
Kommutator 4 stehen. D.h., die zwei Ränder der offenen
Schenkel der V-förmigen Abschnitte der Bürstenteile 7a, 7b
und 7c bilden Tangenten an die Umfangsfläche des Kommutators
4. Die Kontaktpositionen sind deshalb durch die Beziehung
zwischen den Winkeln θa, θb und θc bestimmt. Weil jedoch der
Winkel 8a durch die Winkel θ3 und θ2 bestimmt ist, und der
Winkel θ2 für alle Bürstenteile 7a, 7b und 7c gleich ist,
wird der Winkel θa als ein relativer Winkel durch den Winkel
θ3 bestimmt.
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Wie in Fig. 10 gezeigt ist, schließen die Bürstenteile 7a
und 7c bei der Position, bei der das Bürstenteil 7b in der
Mitte als Bezugspunkt betrachtet wird (Kontaktwinkel = 0),
mit dem Kommutator 4 die Kontaktwinkel θa1 und θc1 ein.
Folglich stehen die Bürstenteile 7a, 7b und 7c an verschiedenen
Positionen seines Umfangs mit dem Kommutator 4 in Kontakt.
Deshalb passieren die Bürstenteile 7a, 7b und 7c die Nut 4a
in gleichen, aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten, wenn der
Kommutator 4 in die angezeigte Richtung gedreht wird. Dies
ermöglicht es, den elektrischen Strom schrittweise
umzuschalten, so daß die Funkenerzeugung unterdrückt wird, der
kommutierte Kurvenverlauf stabilisiert wird und dies zu einer
stabilisierten Umdrehung führt.
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Man beachte, daß der Winkel θ1 der Nut 4a (siehe Fig. 10)
bei einigen Arten von Kleinmotoren größer gemacht werden
kann. Die Kontaktwinkel θa1 und θc1 können gemäß der
vorliegenden Erfindung leicht größer gemacht werden, indem die
geneigten Winkel θa und θc geeignet vergrößert werden. So
können durch die Änderung der geneigten Winkel θa und θc
Kontaktwinkel erreicht werden, die genügend wirksam für die
Unterdrückung der Funken sind, Z.B. etwa 7 bis 25 Grad. Auf
diese Weise kann der Unterschied im Bürstendruck, anders als
in dem Fall, der in Fig. 6 gezeigt ist, auf
vernachlässigbaren oder wenigstens niedrigen Niveaus gehalten werden,
sogar, wenn die geneigten Winkel θa und θc größer gemacht
werden.
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Die Anzahl der Bürstenteile ist nicht auf drei begrenzt,
wie zuvor diskutiert wurde, und kann irgendeine Mehrzahl
einschließlich zwei annehmen, wie in Fig. 11 gezeigt. Bei
dieser Ausführungsform der Erfindung ist, im Vergleich mit
den Figuren 7 bis 10, das mittlere Bürstenteil 7b
weggelassen.
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Fig. 12 zeigt den kommutierten Kurvenverlauf, wie er mit
einem Kleinmotor erhalten wurde, der die Bürste 7 , wie in
den Figuren 7 bis 10 gezeigt, benutzt, und Fig. 13 zeigt den
kommutierten Kurvenverlauf bei einem Kleinmotor, der die
herkömmliche Bürste benutzt im Vergleich. Fig. 13
veranschaulicht, daß häufig elektrisches Rauschen erzeugt wird, während
es in Fig. 12 scheinbar kein elektrisches Rauschen gibt.
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Die Figuren 14 und 15 sind Darstellungen der Beziehung
zwischen Geschwindigkeit und Strom in einem Kleinmotor; Fig.
14 für einen Motor, der eine erfindungsgemäße Bürste benutzt,
und Fig. 15 für einen Motor, der eine herkömmliche Bürste
benutzt. Fig. 15 zeigt einen instabilen Lauf, wobei sich die
Geschwindigkeit im Zeitverlauf verringert, während Fig. 14
eine im wesentlichen konstante Laufgeschwindigkeit von etwa
5000 U/min zeigt. Wie für den Strom zeigt Fig. 15
beträchtliche Schwankungen, mit zunehmendem Rauschen im Verlauf der
Zeit, während Fig. 14 nur geringes Rauschen und kleine
Änderungen mit der Zeit anzeigt.
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Wie zuvor beschrieben, ermöglicht es diese Erfindung die
Funkenerzeugung zu unterdrücken und die kommutierten
Kurvenverläufe und die Drehzahl in einem Kleinmotor, in dem mehrere
Bürstenteile in Kontakt mit dem Kommutator stehen, zu
stabilisieren. Jedes Bürstenteil passiert die Nuten des
Kommutators als Folge der unterschiedlich geneigten Winkel
der Spitzen bezüglich der Bürstenteile zu verschiedenen
Zeiten. Somit sind die tangentialen Linien an den Punkten, an
denen die Spitzen der Bürstenteile mit dem Kommutator in
Kontakt stehen zueinander geneigt.