AT501305B1 - Gleitreibungsfreier, mechanischer multiplex-umschalter (kommutator) für elektrische maschinen - Google Patents

Description

2 AT 501 305 B1

Die Erfindung hat zum Ziel, eine kostengünstige und langlebige Variante von elektrischen Stellmotoren für Fahrzeuge und Roboter bereitzustellen. Bürstenlose Servomotoren benötigen eine aufwändige (teure) Leistungs- und Steuerungselekt-5 ronik, um ein Drehfeld zu erzeugen bzw. um die Polwendung zum richtigen Zeitpunkt durchzuführen. Bürstenmotoren haben den Nachteil, nicht wartungsfrei zu sein, weil die Kohlebürsten durch Abrieb und durch Abbrand verschleißen. Auch wenn die heute bereits eingesetzten Kohle-io Kommutatoren in Verbindung mit Kohlebürsten (statt der Kombination Kohlebürste und metallischer Kommutatoroberfläche) eine Vervielfachung der Lebensdauer von Bürstenmotoren erzielt, wird die Langlebigkeit von bürstenlosen Motoren nicht erreicht.

Um diese Probleme zu lösen, wurden bereits in der Vergangenheit Lösungen erdacht, die die 15 gleitenden Kontakte durch rollende Kontakte ersetzen und dadurch dem Abrieb gut kontaktierender aber aneinander schleifenden Materialpaarungen Einhalt gebieten. Dabei sind drei Kategorien von Rollkontakten unterscheidbar: 1. Die Patente CH 446 473 A, DE 1 638 243 A1, DE 102 23 361 C1, DE 4 307 629 A1, 20 US 3341726 stellen den elektrischen Kontakt durch Abrollen zweier Zylinder- oder Kegelflä chen aufeinander her, bzw. nutzen das Abrollen zweier Zahnräder mit Evolventenverzahnung. Diese Verfahren haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die erwünschte Kontaktfläche zu einer (nahezu) eindimensionalen Geometrie degeneriert, und dadurch große Ströme nicht effizient übertragen werden können. Abbrechender Kontakt führt zum Ab- 25 brand der Kontakte. Auch das Abrollen eines Zylinders an der Innenfläche eines (zweiten) Hohlzylinders verbessert diesen Zustand nicht wesentlich. 2. Die Patentschrift SU 1361655 A1 zeigt eine Wechselstromlichtmaschine (ohne Kommutierung), an der der bei niedrigen Drehzahlen schleifende Kontakt mit Schmiermittel verbessert wird. Bei höherer Drehzahl geht der schleifende Kontakt durch die Fliehkraft des leicht ex- 30 zentrisch gelagerten Rotors teilweise in eine abrollende Bewegung der Rotorachse über, wie es bei Gleitlagern möglich ist. Auch diese Anordnung weist nur Linienkontakt zwischen den metallischen Kontaktelementen auf, jedoch wird der Abbrand durch die Anwesenheit des Schmiermittels - es wird Glycerin genannt - vermindert. 3. Besser - im Sinne eines niedrigen Kontaktwiderstandes - geeignet sind Kontakträder mit 35 nachgiebiger Oberfläche, die durch permanente Verformung eine geometrische Anpassung zwischen Kommutatoroberfläche und Stromzuführungsrad ermöglichen wie bei DE 2 327 793. In dieser Patenschrift rollen allerdings zwei nachgiebige Kontaktzylinder an ihrer Außenmantelfläche ab, was den nutzbaren Stromquerschnitt wieder unnötig begrenzt. Der Verformungsgrad für metallische Werkstoffe im Kontaktbereich ist außerdem so hoch, 40 dass nur sehr dünne Wandstärken der Dauerverformung standhalten.

Eine weitere elektromechanische Lösung zur Vermeidung von schleifenden Kontakten ist der Einsatz von oszillierenden Schaltkontakten, die von den Nocken einer rotierenden Nockenwelle betätigt werden - ausgeführt in Patentschrift GB 239 031. Diese Lösung ist für die Kommutie-45 rung von Gleichstrommotoren jedoch sehr aufwändig und geräuschintensiv.

Die vorliegende Erfindung behebt die beschriebenen Mängel in folgender vorteilhafter Anordnung: so Zwei elektrisch leitfähige und gegeneinander unbewegliche Kontaktflächen, die einander gegenüber liegen und die mit einem bestimmten Anpressdruck zusammen gedrückt werden, besitzen einen bestimmten Übergangswiderstand (Kontaktwiderstand), der vom berührenden Material, dessen Oberflächenbeschaffenheit, der Größe der Kontaktfläche und dem Anpressdruck abhängig ist. 55 3 AT 501 305 B1 Für ein elektrisch leitfähiges Band, das ein elektrisch leitfähigen Rad über einen bestimmten Winkel umschlingt und das bei Drehung des Rades um seine Achse auf dem Rad schlupffrei abrollt - daher ebenfalls keine Relativbewegung gegen das Rad ausführt - gelten ähnlich günstige Kontakt-Bedingungen wie für zwei gegeneinander ruhende Kontaktflächen. 5

Die zu beschreibende Erfindung besitzt statt eines Schleifkommutators (1, Figur 2), bei dem zwei feststehende Kohlebürsten (2, Figur 2) an einem rotierenden Kommutator (1, Figur 2) schleifen (Innenläufermotor), zwei parallele Multiplex-Umschalter, in der vorliegenden Ausführung Bandkommutator genannt (3, Figur 1, 4), bei dem zwei elektrisch leitfähige Bänder io (4, Figur 1, 3, 4) mit ausreichender Steifigkeit an der feststehenden Kommutatoroberfläche (Außenläufermotor mit Permanentmagneten am Außenläufer) abrollen. Der Kommutator (3, Figur 1, 4) besitzt auf seinem Zylindermantel vier elektrisch leitfähige und voneinander isolierte Bahnen (5, 6, 7, 8, Figur 1, 5), wobei die Bahn (6) und die Bahn (8) der Stromversorgung (+, -) dienen und entlang ihres Umfanges nicht unterbrochen sind. Die Bahnen (5) und (7) sind 15 im Winkel von 120° drei mal unterbrochen, gegeneinander um 180° versetzt, und jede Kommutatorlamelle von Bahn (5) ist mit der (schräg) gegenüberliegenden Lamelle von Bahn (7) leitfähig verbunden (siehe Figuren 4 und 5, die elektrisch leitfähigen Teile einer Phase sind in Figur 4 schwarz eingefärbt). Die Andruckeinheit (9, Figur 1, 4) ist starr mit dem Außenläufer (10, Figur 1, 3) verbunden und drückt mit den Rollen (11, Figur 1, 4) die Bänder (4, Figur 1, 3, 4) 2o gegen die Fläche des Kommutatormantels. Die Bänder (4, Figur 1, 3, 4) bilden im mechanisch unbelasteten Zustand einen zylindrischen Ring mit größerem Durchmesser als der Kommutator. Die Andruckeinheit (9, Figur 1, 4) und die Steifheit des Bandes bewirken, dass dieses nur im Bereich der Andruckeinheit aufliegt, sonst sich aber in einem gegen elektrostatischen Überschlag sicheren Abstand zum Kommutator (3, Figur 1, 4) befindet. 25

Durch die Rotation des Außenläufers (10, Figur 1, 3) mit der Andruckeinheit (9, Figur 1, 4) verbindet je ein Band (4, Figur 1, 3, 4) immereine oder zwei Kommutatorlamellen der dreigeteilten Kommutator-Bahn (5, 7, Figur 1, 5) mit der benachbarten Stromversorgungs-Bahn (6, 8, Figur 1, 5) galvanisch. Das Kommutierungsschema ist in den Figuren 2 und 3 ersichtlich. 30 Figur 2 zeigt phasenweise eine Vierteldrehung eines herkömmlichen 3-poligen Kohlekommutators (Innenläufer), Figur 3 die analoge Geometrie des hier zu beschreibenden Rollenkommutators (Aussenläufermotor). Jedes der beiden Bänder (4, Figur 1, 3, 4) übernimmt die Funktion einer der beiden Kohlebürsten (2, Figur 2) des herkömmlichen Motors. Damit sich die beiden Bänder (4, Figur 1, 3, 4) gegenseitig nicht im Weg sind, sind sie in Axialrichtung des Motors 35 versetzt, so als wären die Kohlekommutatoren (2, Figur 2) axial nebeneinander und nicht radial gegenüber, wie in Figur 2 und bei herkömmlichen Kohlebürstenmotoren dieser Bauart.

In Figur 5 sind, damit die elektrischen Verbindungen erkennbar werden, die elektrisch leitfähigen Teile des Kommutators (3, Figur 1, 4) zusammen mit den Statorwicklungen des Motors 40 dargestellt (die isolierenden Teile wurden weggelassen).

Die Bänder (4, Figur 1, 3, 4) werden beim Eintritt in den Bereich der Andruckrollen durch Biegung so verformt, dass sie sich dem im Vergleich zu ihrem unbelasteten Durchmesser kleineren Durchmesser des Kommutatormantels anpassen und dort anliegen. Die Stärke des Bandes ist 45 so zu bemessen, dass einerseits die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den übrigen Leitungsquerschnitten ausreichend ist, andererseits aber nur so stark, dass die permanente Verformung im Betrieb zu keiner Materialermüdung führt. Dies ist bei herkömmlichen metallischen Materialen möglich. Um die Kontakt-Andruckkraft zu erhöhen, kann dass Band durch Kaltwalzen mit einer Vorspannung versehen werden. 50

Da die elektrisch leitfähigen Bänder (4, Figur 1, 3, 4) beim Ein- und Austritt in und aus dem Bereich der Andruckrollen von der Kommutatoroberfläche tangential abheben, war unter Berücksichtigung der elektrischen Überschlagslänge in (feuchter, ggf. verunreinigter Luft) die Geometrie so zu bemessen, dass es auch im ungünstigsten Fall zu keinem Kurzschluss der 55 beiden Versorgungspotenziale kommt.

Claims (3)

1. 4 AT 501 305 B1 Patentansprüche: 1. Gleitreibungsarmer oder gleitreibungsfreier mechanischer Multiplex-Umschalter für elektrische Maschinen und Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, 5 dass zwei ortsfeste, an ihrer Außenfläche zylindrische, parallele und elektrisch leitfähige Bahnen (5, 6), die voneinander elektrisch isoliert sind, wobei mindestens eine der Bahnen mindestens an zwei Stellen ihres Umfanges quer zur Bahn galvanisch unterbrochen ist, wodurch Lamellen entstehen, dass beide Bahnen durch ein elektrisch leitfähiges und in sich geschlossenes Band (4) io oder eine bandähnliche Konstruktion, das (die) entlang eines Teils des Bahnumfangs auf liegt und dort beide Bahnen galvanisch quer miteinander verbindet, wobei das Band (4) oder die bandähnliche Konstruktion durch eine konzentrisch um die Bahnen (5, 6) rotierende Andruckeinheit (9) mit ein, zwei oder mehreren Rollen (11) an die Bahnen angedrückt wird und durch die Rotation der Andruckeinheit auf den Bahnen abrollt, 15 dass der Bereich, in dem das Band (4) während eines Umlaufs der Andruckeinheit (9) auf den Kommutatorbahnen (5, 6) aufliegt, durch die Geometrie der Andruckeinheit (9) definiert ist, außerhalb dieses Bereichs wird der elektrische Kontakt zwischen beiden Bahnen (5, 6) verlässlich unterbrochen, wobei Voraussetzung ist, dass das Band (4) oder die bandähnliche Konstruktion einen größeren Umfang besitzt als die Zylindermäntel der Bahnen (5, 6). 20
2. 2. Multiplex-Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei auf derselben Achse nebeneinander liegende Bahnpaare (5, 6, 7, 8) mit je einem elektrisch leitfähigen Band (4) und entsprechender Andruckeinheit (9) zur Kommutierung einer Gleichstrommaschine oder einer Wechselstrommaschine ähnlichen Aufbaues 25 eingesetzt werden, wobei jeweils eine Bahn (6, 8) eines Bahnpaares entlang ihres gesamten Umfanges in sich geschlossen und mit der jeweiligen Anschlussklemme der Maschine verbunden ist, dass die andere Bahn (5, 7) eines Bahnpaares die der Polzahl der Maschine entsprechende Anzahl von Kommutator-Lamellen (12) besitzt, die in der für herkömmliche Kommuta-30 tormaschinen üblichen Weise mit den Wicklungen der Maschine verbunden sind, wobei ein Bahnpaar mit seinem Band die Funktion eines sonst üblichen Bürstenkommutators übernimmt. dass die Wicklungen Bestandteil des Stators sind, stromführende Teile der Maschine also keine Bewegung ausführen, der Rotor (10) außer Elementarströmen oder induzierten 35 Strömen keinen Strom führt und dass die Andruckeinheit (9) mit dem Rotor (10) starr oder federn verbunden ist.
3. 3. Multiplex-Umschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (4) bei der Herstellung durch plastische Verformung so gebogen wird, dass 40 eine dadurch erzielte Vorspannung die Kontakt-Andruckkraft zwischen den Andruckrollen (11) der Andruckeinheit (9) erhöht. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 45 50 55