DE60300400T2

DE60300400T2 - Verbesserung in oder bezüglich Kommutatoren

Info

Publication number: DE60300400T2
Application number: DE60300400T
Authority: DE
Inventors: Wilfried Gorlt
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: JP2003339140A; ATE291785T1; US20060087195A1; US7485998B2; ES2236667T3; DE60300400D1; BR0301160A; EP1363365A1; GB0211441D0; CN100372193C; EP1363365B1; CN1458716A; MXPA03004330A

Description

Diese Erfindung betrifft einen Kommutator und spezieller einen Kohlesegmentkommutator für einen Elektromotor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kommutators.
Kohlesegmentkommutatoren sind bekannt, leiden aber an dem Nachteil, daß sie einen ziemlich hohen Zwischenschichtwiderstand mit den Bürsten eines Motors aufweisen. Ein derartiger Kommutator wird im Dokument EP-A-1003269 offenbart. Die vorliegende Erfindung strebt danach, diesen Zwischenschichtwiderstand zu verringern, um die Leistung des Motors zu verbessern.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator bereitgestellt, der aufweist: eine Kommutatorbasis aus Isoliermaterial; eine Vielzahl von Kommutatorklemmen, von denen eine jede einen Klemmenabschnitt und einen Kontaktabschnitt aufweist; und eine Vielzahl von Kohlesegmenten, die an der Basis und bzw. über den Kontaktabschnitten der Anschlußklemmen gebildet werden, worin jedes Kohlesegment einen inneren Abschnitt aus geformtem Graphit angrenzend an die Basis und einen oder mehrere äußere freigelegte Abschnitte aufweist, die gesintertes Graphit enthalten oder daraus gebildet werden.
Bevorzugte und/oder wahlfreie charakteristische Merkmale der Erfindung zusammen mit Verfahren zur Herstellung von bevorzugten Ausführungen des Kommutators werden in den Patentansprüchen 1 bis 9 und bzw. 11 bis 13 dargelegt.
Die Erfindung wird jetzt spezieller als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführung eines Kommutators entsprechend der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Darstellung von vorn und einer Seite der Basis des in 1 gezeigten Kommutators bei verkleinertem Maßstab;
3 eine perspektivische Darstellung von hinten und einer Seite der Kommutatorbasis, die in 2 gezeigt wird, ebenfalls bei verkleinertem Maßstab;
4 eine Draufsicht des Kommutators, ebenfalls bei verkleinertem Maßstab;
5 eine perspektivische Darstellung einer Kommutatorklemme;
6 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses für die Anschlußklemmen, ebenfalls bei verkleinertem Maßstab;
7 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführung eines Kommutators entsprechend der vorliegenden Erfindung;
8 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführung eines Kommutators entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
9 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführung eines Kommutators entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Der in den Zeichnungen gezeigte Kommutator ist für eine Verwendung bei kleinen Elektromotoren bestimmt, speziell Dauermagnetgleichstrommotoren. Der in 1 bis 8 gezeigte Kommutator ist der, worauf man sich im allgemeinen als einen planaren Kommutator für eine Verwendung mit Bürsten bezieht, die axial an ebenen Kontaktflächen des Kommutators anliegen, anstelle des radialen Anliegens wie im Fall eines zylindrischen Kommutators. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen bei zylindrischen Kommutatoren anwendbar, wie in 9 der Zeichnungen gezeigt wird.
Zuerst mit Bezugnahme auf 1 bis 6 besteht die dort gezeigte Kommutatorbasis 10 aus geformtem Material und weist eine kreisförmige Vorderwand 11 und einen zylindrischen Rand 12 auf, der sich nach hinten von der Vorderwand 11 erstreckt. Die Basis 10 weist ebenfalls eine mittlere Nabe 13 auf, mittels der die Basis 10 an einer Ankerwelle (nicht gezeigt) angebracht werden kann.
Eine Vielzahl von peripher beabstandeten sich axial erstreckenden Rippen 14 ist an der Innenfläche des Randes 12 für einen Zweck vorhanden, der später erklärt wird.
Die Vorderwand 11 weist eine mittlere Öffnung 45, die mit der Nabe 13 ausgerichtet ist, acht gleichwinkelig beabstandete, längliche sich radial erstreckende Aussparungen 15 und eine längliche schlitzartige Öffnung 16 auf, die radial mit jeder Aussparung 15 ausgerichtet ist.
Jede Aussparung 15 ist an ihrem radial inneren Ende mit einer Öffnung 17 verbunden.
Zu jeder Aussparung 15 gehören ebenfalls zwei Öffnungen 18, eine auf beiden Seiten einer entsprechenden Aussparung 15 und benachbart ihrem radial äußeren Ende.
Die Vorderwand 11 weist ebenfalls einen äußeren Ring von winkelig beabstandeten Schlitzen 19 auf.
Die in 5 gezeigte Kommutatorklemme 20 weist einen Klemmenabschnitt 21 und einen Kontaktabschnitt 22 auf. Der Kontaktabschnitt 22 ist in der Form eines Fingers mit drei Öffnungen 23, 24 und 25 darin vorhanden. Der Klemmenabschnitt 21 ist rechteckig (wie in der Abwicklung zu sehen ist), wobei seine kleine Achse mit der Längsachse des Kontaktabschnittes 22 zusammenfällt. Der Klemmenabschnitt 21 weist einen mittleren ausgeschnittenen Abschnitt 26 auf, der mit Bezugnahme auf sowohl die große als auch kleine Achse des Klemmenabschnittes 21 symmetrisch ist. Der ausgeschnittene Abschnitt 26 verkleinert sich von seiner größten Breite in der Mitte des Klemmenabschnittes 21 zu zwei Schlitzen 27. Zwei Schneidmittel 28 ragen über einen kurzen Abstand in einen jeden Schlitz 27 hinein. Diese Schneidmittel 28 bilden scharfe Kanten für das Schneiden der Isolierung auf einem Verbinderabschnitt einer Ankerwicklung. Der Klemmenabschnitt 21 weist ebenfalls zwei Widerhaken 29 für einen Zweck auf, der später offensichtlich wird.
Um die Anschlußklemmen 20 an der Basis 10 zu montieren, werden die Finger 22 durch die entsprechenden Öffnungen 16 in der Basis 10 gepreßt, und die Finger 22 werden danach über die entsprechenden Aussparungen 15 gebogen, um sich radial nach innen zu erstrecken.
Kohlekommutatorsegmente 30 werden danach an der Vorderwand der Kommutatorbasis 10 über den Fingern 22 gebildet. Das wird durch Warmpressen einer Scheibe aus Graphitmaterial auf der Vorderwand 11 und danach Schneiden der Scheibe in acht einzelne Segmente 30 zustande gebracht. Die Scheibe wird aus zwei Schichten 31 und 32 geformt, die miteinander kaltgepreßt wurden. Die Schicht 31 besteht aus formbarem Graphit, der ein Bindemittel einschließt, und die Schicht 32 ist eine Schicht aus formbarem Graphit, der wiederum ein Bindemittel enthält, die aber ebenfalls zerkleinerte, gesinterte Graphitteilchen 33 enthält, die typischerweise eine minimale Abmessung von 0,15 mm aufweisen, und die ebenfalls typischerweise eine maximale Abmessung von 0,25 mm aufweisen. Während des Warmpressens wird das Bindemittel erweicht (möglicherweise verflüssigt), und das gestattet, daß die Schicht 31 unter Druck durch die Öffnungen 23, 24 und 25 in den Fingern 22 und in die Aussparungen 15, in die Schlitze 19 und durch die Öffnungen 17 und 18 fließt, um die Scheibe auf der Basis 30 zu verankern. Die acht äußeren Schichten 32 bilden eine Kontaktfläche mit den Bürsten eines Motors und den eingebetteten Teilchen 33, die teilweise freigelegt sind, dienen dazu, den Zwischenschichtwiderstand zwischen den Bürsten und den Segmenten zu verringern und liefern einen besseren Stromfluß.
Mit Bezugnahme auf 6 wird darin ein Gehäuse 35 für die Klemmenabschnitte 21 der Anschlußklemmen 20 gezeigt. Dieses Gehäuse 35 ist von einer kronenartigen Form und weist eine mittlere Nabe 36 für das Aufnehmen der Ankerwelle und acht sich radial nach außen erstreckende Gehäuseabschnitte 37 auf, die um den Umfang der Nabe 36 gleich beabstandet sind. Jeder der Gehäuseabschnitte 37 definiert eine Gehäuseaussparung 38 und wird benutzt, um eine Verbindung zwischen einem entsprechenden Abschnitt der Ankerwicklung und einem der Klemmenabschnitte 21 der Anschlußklemmen 20 zu bewirken. Jeder Gehäuseabschnitt 37 weist Seitenwände 39, eine Stirnwand 40 und eine Abdeckung 41 auf. Die Seitenwände 39 verlaufen parallel zur Längsachse der Nabe 36.
Ein Stumpf 42 ragt mittig aus der Innenfläche der Stirnwand 40 heraus und erstreckt sich innerhalb des Gehäuseabschnittes 37 über annähernd die halbe Länge der Seitenwände 39. Der Stumpf 42 erstreckt sich parallel zur Längsachse der Nabe 36 und ist nur mit dem Gehäuse 35 durch die Stirnwand 40 verbunden. Jede Seitenwand 39 weist einen Schlitz 43 auf, der sich parallel zur Längsachse der Nabe 36 vom Kommutatorende des Gehäuses 35 über eine Länge erstreckt, die auf dem Niveau des freien Endes des Stumpfes 42 endet. Ein Abschnitt einer Ankerwicklung kann durch die Schlitze 43 geführt werden, so daß der Wicklungsabschnitt auf dem Ende des Stumpfes aufliegt.
Während der Montage des Ankers eines Elektromotors wird das Gehäuse 35 auf der Ankerwelle angeordnet. Der Anschlußdraht der Ankerwicklung wird in einen der Gehäuseabschnitte 37 eingesetzt, indem das Ende des Drahtes in die Schlitze 43 gelegt wird, die in den Seitenwänden 39 vorhanden sind. Der Draht wird in den Gehäuseabschnitt 37 zurückgezogen, bis er am Stumpf 42 anliegt. Von da an wird die erste Ankerspule gewickelt. Am Ende der ersten Spulenwicklung wird der Anker weitergeschaltet, und der Draht wird in der gleichen Weise in den nächsten Gehäuseabschnitt 37 gelegt, ohne daß die Kontinuität des Drahtes unterbrochen wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Spulen gewickelt sind, und das hintere Ende der Wicklung wird danach in die Schlitze 43 des ersten Gehäuseabschnittes 37 gelegt und zurückgedrückt, bis es dem vorderen Ende benachbart ist, das am Stumpf 42 zu Beginn des Wickelvorganges angeordnet wurde. Der Draht wird danach geschnitten, und der Anker wird aus der Wickelmaschine genommen.
Das Gehäuse 35 weist jetzt einen Wickelabschnitt auf, der isolierten Draht aufweist, der in jedem der Gehäuseabschnitte 37 liegt. Jeder Wickelabschnitt ist unter Zugspannung und wird gegen den entsprechenden Stumpf 42 festgezogen. Die Kommutatorbasis 10 wird danach zusammen mit den Anschlußklemmen 20 und den Kommutatorsegmenten 30 längs der Ankerwelle so verschoben, daß die Klemmenabschnitte 21 der Anschlußklemmen in die entsprechenden Gehäuseabschnitte 37 gelangen und die Gehäuseabschnitte zwischen den Rippen 14 liegen. Während sich jeder Klemmenabschnitt 21 einem Wickelabschnitt nähert, der in einem Gehäuseabschnitt 37 gehalten wird, bewegen sich die Schlitze 27 über den Draht. Die Schneidmittel 28 trennen die Isolierung auf dem Draht ab, der verformt wird, während sich die Schlitze über den Draht bewegen. Ein inniger Metall-Metall-Kontakt wird dadurch zwischen dem Draht und den Klemmenabschnitten 20 bewirkt. Die Widerhaken 29 erfassen die Abdeckung 41 des Gehäuses 35 und halten daher die Klemmenabschnitte 21 innerhalb des Gehäuses 35.
Der in 7 gezeigte Kommutator ist mit dem in 1 gezeigten identisch, abgesehen von den Segmenten 30a. Die Segmente 30a weisen zwei Schichten 31a und 32a unterstrichen auf. Die Schicht 32a ist eine vorgeformte Schicht aus gesintertem Graphit. Diese Schicht 32a wird anfangs als eine Scheibe ausgebildet, die durch Warmpressen auf die Basis 10 geformt wird, wobei sich die Schicht 31a, die formbarer Graphit ist, dazwischen befindet. Wie gezeigt wird, weist die Schicht 32a vorzugsweise eine Vielzahl von ringförmigen konzentrischen Rippen 34 auf ihrer hinteren Fläche auf, die in die Schicht 31a ragen. Das hilft dabei, die Schicht 32a auf der Schicht 31a zu befestigen und vergrößert den Durchlaßquerschnitt des Stromes von einer Schicht zur anderen. Die Schichten 3la und 32a werden danach geschnitten, um acht einzelne Kommutatorsegmente 30a zu bilden.
Der in 8 gezeigte Kommutator ist ebenfalls mit dem in 1 gezeigten identisch, abgesehen von den Kommutatorsegmenten 30b. Die Segmente 30b weisen eine Masse 31b aus formbarem Graphit und mindestens ein, aber typischerweise fünf konzentrische kreisförmige Elemente 32b auf, die in der Außenfläche der Masse 31b eingebettet sind. Die konzentrischen kreisförmigen Elemente 32b werden aus gesintertem Graphit vorgeformt und durch Warmpressen auf der Basis mittels der formbaren Graphitmasse 31b geformt. Die Masse 31b wird danach zusammen mit den kreisförmigen Elementen 32b geteilt, indem sie in acht einzelne Segmente geschnitten wird.
Der in 9 gezeigte Kommutator ist ein zylindrischer Kommutator im Gegensatz zu einem planaren Kommutator. Der Kommutator weist eine Basis 10c, Anschlußklemmen 20c und Kohlekommutatorsegmente 30c auf. Die Segmente 30c weisen zwei Schichten 31c und 32c auf, die miteinander kaltgepreßt wurden. Die Schicht 31c besteht aus geformtem Graphit, der ein Bindemittel einschließt, und die Schicht 32c ist eine Schicht aus formbarem Graphit, der wiederum ein Bindemittel enthält, die aber ebenfalls zerkleinerte, gesinterte Graphitteilchen 33c enthält, gleich dem in 1 gezeigten Kommutator. Die eingebetteten Teilchen 33c werden, wie die in 1 gezeigten Teilchen 33, teilweise freigelegt und dienen dazu, den Zwischenschichtwiderstand zwischen den Bürsten und den Segmenten zu verringern und einen besseren Stromfluß zu liefern.
Die vorangehend beschriebenen Kommutatoren weisen Klemmenabschnitte auf, die eine mechanische Verbindung mit der Wicklung eines Motors herstellen. Die Kommutatorklemmen könnten alternativ mit konventionellen Mitnehmern versehen sein, mit denen die Ankerwicklung mittels traditioneller Verfahren verbunden werden kann, wie beispielsweise durch Löten, warmes Vernieten durch Prägen oder Quetschen.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungen werden nur als Beispiel vorgelegt, und verschiedene Abwandlungen werden für die Fachleute offensichtlich sein, ohne daß man vom Bereich der Erfindung abweicht, wie er in den als Anhang beigefügten Patentansprüchen definiert wird.

Claims

Kommutator, der aufweist: eine Kommutatorbasis (10) aus Isoliermaterial; eine Vielzahl von Kommutatorklemmen (20), von denen eine jede einen Klemmenabschnitt (21) und einen Kontaktabschnitt (22) aufweist; und eine Vielzahl von Kohlesegmenten (30), die an der Basis und bzw. über den Kontaktabschnitten der Anschlussklemmen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kohlesegment einen inneren Abschnitt (31, 31a, 31b, 31c) aus geformtem Graphit angrenzend an die Basis und einen oder mehrere äußere freigelegte Abschnitte (32, 32a, 32b, 32c) aufweist, die gesintertes Graphit (33, 33c) enthalten oder daraus gebildet werden.
Kommutator nach Anspruch 1, bei dem jedes Kohlesegment eine erste innere Schicht (31) aus geformtem Graphit, die den inneren Abschnitt bildet, und eine zweite äußere Schicht (32, 32c) aus geformtem Graphit aufweist, die gesinterte Graphitteilchen (33, 33c) enthält, die den äußeren Abschnitt bilden.
Kommutator nach Anspruch 1, bei dem jedes Kohlesegment eine erste innere Schicht (31a) aus geformtem Graphit, die den inneren Abschnitt bildet, und eine zweite äußere Schicht (32a) aus geformtem Graphit aufweist, die den äußeren Abschnitt bildet.
Kommutator nach Anspruch 3, bei dem die zweite äußere Schicht (32a) Teile (34) umfaßt, die in die erste innere Schicht (31a) hineinragen.
Kommutator nach Anspruch 1, bei dem jedes Kommutatorsegment eine Schicht aus geformtem Graphit, die den inneren Abschnitt (31b) bildet, und ein oder mehrere gesinterte Graphitelemente (32b) aufweist, die im ersten Abschnitt eingebettet sind und die äußeren Abschnitte bilden.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Form eines planaren Kommutators.
Kommutator nach Anspruch 6, bei dem die Basis (10) eine Rotationsachse und eine vordere und hintere Fläche aufweist, die sich mindestens teilweise quer zur Rotationsachse erstrecken, und bei dem sich der Kontaktabschnitt (22) einer jeden Anschlussklemme (20) durch eine entsprechende erste Öffnung (16) in der Basis erstreckt und so gebogen wird, daß er an der oder in nächster Nähe zur vorderen Fläche der Basis liegt, und wobei der Klemmenabschnitt (21) einer jeden Anschlussklemme (20) eine Schneidkante (28) für das Schneiden der Isolierung an einem Verbinderabschnitt einer Wicklung und einen Schlitz (27) aufweist, der bei Benutzung den Verbinderabschnitt überbrückt und ergreift.
Kommutator nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wenn vom Anspruch 3 oder Anspruch 4 abhängig, bei dem die zweiten äußeren Schichten (32a) der Kohlesegmente einen Scheibenschlitz radial definieren, um die einzelnen Kommutatorsegmente zu bilden.
Kommutator nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wenn vom Anspruch 5 abhängig, bei dem eine Vielzahl von teilkreisförmigen gesinterten Graphitelementen (32b) vorhanden ist, die konzentrisch mit Bezugnahme auf die Rotationsachse der Basis angeordnet sind.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Form eines zylindrischen Kommutators.
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators nach Anspruch 6, wenn vom Anspruch 2 abhängig, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Kaltpressen einer Schicht aus formbarem Graphit (31) zusammen mit einer Schicht aus formbarem Graphit (32), das gesinterte Graphitteilchen (33) enthält, um eine Scheibe zu bilden; (b) Verbinden der Anschlussklemmen (20) mit der Basis (10); danach (c) Formen der Scheibe auf der Basis (10); danach (d) Aufteilen der Scheibe in eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten (30).
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators nach Anspruch 6, wenn vom Anspruch 3 oder Anspruch 4 abhängig, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bilden einer Scheibe (32a) aus gesintertem Graphit; (b) Verbinden der Anschlussklemmen (20) mit der Basis (10); und danach (c) Formen der Scheibe (32a) aus gesintertem Graphit auf der Basis mit einer Schicht (31a) aus formbarem Graphit dazwischen; danach (d) Aufteilen der geformten und gesinterten Graphitschichten in eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten (30).
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators nach Anspruch 6, wenn vom Anspruch 5 abhängig, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bilden einer Vielzahl von kreisförmigen Elementen (32b) aus gesintertem Graphit, wobei die Elemente von unterschiedlichem Durchmesser sind; (b) Verbinden der Anschlussklemmen (20) mit der Basis (10); und danach (c) Formen der kreisförmigen Elemente (32b) in einer beabstandeten konzentrischen Weise auf der Basis (10) mit einer Schicht aus formbarem Graphit (31b); und danach (d) Aufteilen der geformten Graphit- und gesinterten Graphitelemente in eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten (30).