Kommutatoranordnung an einem Mikromotor Mikromotoren äusserst kleiner Abmessungen wer den heute in verschiedenen automatischen Steuervor richtungen und in Miniaturtonbandgeräten verwendet. Infolge der sehr kleinen Abmessungen der Motoren soll die Kommutatoranordnung sehr kleine Reibungs verluste und Spannungsabfälle erzeugen, und sie soll einfach im Aufbau, in der Fabrikation und im Unter halt während längerer Lebensdauer sein.
Die bisher verwendeten, aus Silber-Kupfer-Legierungen, Phos phorbronze oder dergleichen Legierungen bestehenden Kommutatoranordnungen von Mikromotoren weisen nur beschränkte Lebensdauer auf, weil die Bürsten und der Kommutator durch Funkenbildung und mechanische Reibung rasch abgenützt wurden.
Es werden bereits seit langer Zeit Versuche zur Verwendung drahtförmiger Bürsten in Mikromotoren durchgeführt, da solche Bürsten den Aufbau verein fachen und die Reibungsverluste herabsetzen. Bisher hat jedoch die Verwendung drahtförmiger Bürsten zu übermässig rascher Abnützung und Zerstörung des Kommutators und der Bürsten geführt, so dass die Kommutatoranordnung nach kurzer Betriebszeit un brauchbar wurde. Solche Kommutatoranordnungen wurden daher lediglich in Spielzeugmotoren verwen det, während man von ihrer Verwendung absehen musste, wenn von den Mikromotoren höhere Lebens dauer und hohe Betriebssicherheit verlangt wird.
Aus naheliegenden Gründen sollen die fadenför- migen Bürsten zur Erzielung besonders niedriger Rei bungsverluste so fein als möglich ausgebildet sein und mit möglichst niedrigem Kontaktdruck ange- presst werden. Bisher wurden jedoch im Hinblick auf die Abnützung durch Reibung und Bürstenfeuer verhältnismässig dicke Bürsten verwendet, wodurch jedoch die Reibungsverluste zwischen dem Kommu- tator und den Bürsten so hoch ausfielen, dass sie die Arbeitsweise des Mikromotors wesentlich beein trächtigten.
Da ausserdem die Kommutatoranordnung von Mikromotoren äusserst kleine Abmessungen aufweist, wird die Herstellung der Bürsten und des Kommutators wesentlich erschwert. Insbesondere ist das Herausarbeiten des Isoliermaterials zwischen be nachbarten Kommutatorsegmenten nicht nur äusserst schwierig durchzuführen, sondern auch unerwünscht, weil die dadurch entstehenden axialen Nuten in der Kommutatoroberfläche Vibrationen der auf dem Kom- mutator schleifenden Bürsten hervorrufen.
Bei be kannten Kommutatoranordnungen war jedoch dieses herausarbeiten der Isolation zwischen den Kommu- tatorsegmenten unerlässlich, weil ohne diese Mass- nahme das Isoliermaterial zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten mit den letzteren bündig ver lief, wobei es vorkommen konnte, dass der Mikro motor nich mehr von selbst anlief, wenn eine Bürste erwähnten Schwierigkeiten herkömmlicher Kommu- tatorsegmenten befindliche Isoliermaterial auflag.
Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, die oben erwähnten Schwierigkeiten herkömmlicher Kommu- tatoranordnungen an Mikromotoren zu überwinden. Die erfindungsgemässe Kommutatoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten als Drähte mit einem Durchmesser von v^,05-0,25 mm ausgebildet sind und mit einem Druck von 0,5 bis 3 Gramm angepresst werden.
Diese Bürsten hoher Biegsamkeit können jede durch die Drehung des Kommutators hervorgerufene Vibration aufnehmen.
Zur Erzielung einer Kommutatoranordnung mit wesentlich erhöhtem Widerstand gegen Abnützung durch mechanische Reibung und Bürstenfeuer können ausserdem die Kommutatorsegmente vorzugsweise aus einer Silber-Palladium-Legierung enthaltend 80 bis 60 % Silber und 20 bis 40 % Palladium und die Bürsten aus einer Platin-Iridium-Legierung enthaltend 25 bis 70 % Platin und 5 bis 30 % Iridium bestehen.
Die Kommutatorsegmente können auch aus einer Silber-Palladium-Legierung enthaltend 80 bis 60 % Silber und 20 bis 40 % Palladium und die Bürsten aus einer Legierung enthaltend 50 bis 80 % Gold, 5 bis 20 % Platin und 10 bis 15 % Kupfer bestehen.
Um das Ausräumen der Isolation zwischen be nachbarten Kommutatorsegmenten unnötig zu ma chen, können Bürsten verwendet werden, von welchen jede einzelne Leiter aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie den Kommutator an in Umfangsrichtung desselben im Abstand voneinander liegenden Stellen berühren.
Weitere Ziele, Lösungsgedanken und Vorteile sind aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich, welche ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel des erfindungsgemässen Mikromotors darstellt und worin: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines mit der erfindungsgemässen Kontaktordnung ausge rüsteten Mikromotors darstellt.
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach Linie 11-1I in Fig. 1 und Fig. 3 zeigt ein Schaltschema des Mikromotors. Der dargestellte Mikromotor besitzt ein zylin drisches Gehäuse 1, in welchem ein ringförmiger Sta- tor 2 befestigt ist. Der Anker oder Rotor 3 ist auf einer Welle 4 innerhalb des Stators 2 befestigt und ist mit einer in nicht dargestellten Nuten liegenden Wicklung 5 versehen. Die Wicklung 5 ist mittels Verbindungsleitern 6 mit den Lötfahnen 8 des Kom- mutators 7 verbunden.
Der Kommutator 7 weist Kom- mutatorsegmente 9 auf, die aus einer Legierung enthaltend 70% Silber und 30%, Palladium hergestellt sind und die radial um die Welle 4 auf einer isolie renden Hülse 10 angeordnet sind. Im Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Bürstenträger 11 aus Isoliermaterial angeordnet, an dessen einer Stirnseite mittels Schrau ben 12 an diametral gegenüberliegenden Stellen me tallische Bürstenhalter 13 befestigt sind.
Jeder Bür stenhalter 13 ist mit einem Lappen 14 versehen, an welchem zwei feine, drahtförmige Bürsten 15 und 16 derart festgelötet sind, dass sie einen kleinen Winkel unter sich einschliessen und in entsprechendem Ab stand voneinander tangential an den Kommutator anliegen.
Bei dieser Ausführung sind die Bürsten 15 und 16 als Drähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm ausgebildet und bestehen aus einer Legierung ent haltend 80 % Platin und 20 % Iridium. Diese Legie rung weist eine Vickershärte von ungefähr 270 auf. Der Bürstenträger 11 ist mittels Schrauben 18 am Gehäuse 1 befestigt von welchen jede mittels einer Hülse 17 aus Isoliermaterial vom Gehäuse isoliert ist und von aussen festgezogen werden kann. Die Schrau ben 18 stehen in elektrischer Verbindung mit den ent sprechenden Schrauben 12 und stehen somit über die Schrauben 12 mit den Bürstenhaltern 13 bzw. mit den Bürsten in Verbindung und dienen als Anschlussklem- men für diese Bürsten.
In der Nähe des einen Endes ist das Gehäuse 1 an der Innenwand mit einer Ringnut 20 versehen, in welche ein Anschlagring 21 eingesetzt ist. Innerhalb des Rings 21 befindet sich im Gehäuse eine Scheibe 20, die mittels Bolzen 23 mit einem Lagerschild 19 verschraubt ist, wobei die Teile 21 und 19 mittels der Schrauben 23 von entgegengesetzten Seiten gegen den Ring 21 gepresst werden. Zwischen dem Lager schild 19 und der Welle 4 ist ein Kugellager 24 angeordnet. Ein ölschleuderring 26 ist an der dem Kugellager 24 gegenüberliegenden Seite der Scheibe 22 auf der Welle montiert, und wirkt mit dem inneren Teil 25 der Scheibe 22 zusammen. Die Welle 4 ragt auf der andern Seite über das Kugellager 24 hinaus und trägt dort einen weiteren ölschleuderring 27.
Auf dem beim Kugellager 24 vorragenden Ende der Welle 4 ist eine Reglerscheibe 28 befestigt, in deren axialen Fortsatz eine zentrische Elektrode 29 eingesetzt ist, welche von einem isoliert angeordneten Schleifring 30 umgeben ist. Mittels eines einen beweglichen Kontakt 32 tragenden, elastischen Arms ist an der Reglerscheibe 28 eine Fliehkraftmasse 31 angeordnet. Dem beweglichen Kontakt 32 liegt ein fester Gegen kontakt 33 gegenüber. Die Kontakte 32 und 33 sind elektrisch mit der Elektrode 29 bzw. mit dem Schleif ring 30 verbunden. Während des Betriebs des Motors kann sich die Masse 31 radial nach aussen bewegen.
Auf das dem Regler 34 zugewandte Ende des Gehäuses 1 ist ein Reglergehäuse 34 aufgesetzt. In diesem Gehäuse 34 ist im Bereiche der Elektrode 29 und des Schleif rings 30 ein isolierender Montagering 35 angeordnet, in welchem zwei zylindrische, elektrisch leitende Einsätze 37 befestigt sind, die an diametral gegen überliegenden Stellen den Ring 35 durchsetzen. Jeder der Einsätze 37 ist mit einer durchgehenden Gewin debohrung 36 versehen. Auf der einen Seite des Rings 35 ist ein Bürstenhalter 38 mittels einer in der Gewin debohrung 36 verankerten Schraube 39 mit dem Einsatz 37 verbunden. Mit dem Bürstenhalter 38 verbundene Bürsten 40 stehen mit dem Schleifring 30 in Verbindung. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rings 35 ist mittels einer Schraube 43 eine lei tende, elastische Lamelle 42 mit dem Einsatz 37 verbunden.
Die Lamelle 42 ist mit einem Kontakt 44 versehen, welcher durch die elastische Lamelle 42 gegen die Elektrode 29 gepresst wird.
Der Ring 35 ist mittels Schrauben 46 mit dem Reglergehäuse 34 verbunden. Beide Schrauben 46 sind mittels Isolierhülsen 45 vom Reglergehäuse isoliert. Sie stehen je mit einem der Einsätze 37 in elektrisch leitender Verbindung und dienen als von aussen zugängliche Anschlussklemmen.
Das gegenüberliegende Ende der Welle 4 ist mittels eines Kugellagers 48 in einem mit dem gegenüberlie- genden Ende des Gehäuses 1 verbundenen Lagerschild 47 gelagert. Das Gehäuse 1 weist an diesem Ende ebenfalls eine Ringnut 49 auf, in welche ein Halte ring 50 eingesetzt ist. Ein von innen gegen den Ring 50 anliegender Ring 51 ist mittels Schrauben 52 mit dem Lagerschild 47 verbunden, womit der Lager schild 47 gegen die Schultern am anliegenden Ge häuseende gepresst wird.
Die Schaltung des Mikromotors ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Die eine, den Bürstenträger 11 haltende Schraube 18, ist durch eine Zuleitung 53 direkt mit der einen Klemme einer Gleichstromquelle verbunden, während die andere Schraube 18 mit einer der Schrauben 46 und über einen Widerstand 54 von ungefähr 300 Ohm mit der andern Schraube 46 verbunden ist, welche ihrerseits durch eine Leitung 55 mit der andern Klem me der Stromquelle verbunden ist.
Bei einem Mikromotor der dargestellten und oben beschriebenen Art wird die Zuverlässigkeit der Ar beitsweise und die Lebensdauer vorwiegend durch die Kommutatoranordnung bestimmt. Gemäss vorliegen der Erfindung weist der Kommutator 7 eine rein zylindrische Oberfläche auf, weil die Isolation zwi schen einzelnen Kommutatorsegmenten nicht entfernt ist, wodurch Radialbewegungen der Bürsten vermieden werden.
Das Isoliermaterial zwischen den einzelnen Kommutatorsegmenten kann belassen werden, weil die Bürstenpaare 15, 16 derart mit den Lappen 14 der Bürstenhalter 13 verlötet sind, dass sie im Abstand voneinander tangential auf den Kommutator 7 auflie gen. Dank dieser Anordnung kann die Stromzufuhr zur Rotorwicklung 5 nie vollständig unterbrochen sein, selbst wenn die eine Bürste des einen oder beider Bürstenpaare auf die Isolation zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten 9 zu liegen kommt, weil die andere Bürste des betreffenden Bürstenpaares in diesem Fall sicher auf ein leitendes Kommutator- segment aufliegt.
Die Kombination der Materialien aus welchen die Kommutatorsegmente 9 bzw. die Bürsten 15 und 16 hergestellt sind, stellt einen äusserst wichtigen Faktor für die Lebensdauer der Kommutatoranordnung dar. Bei der dargestellten Ausführungsform sind Lebens dauern von 4.000 Stunden und mehr erreicht worden, wenn die Kommutatorsegmente aus einer Legierung enthaltend 70 % Silber und 30 % Palladium und die Bürsten 15 und 16 aus der Legierung enthaltend 80 % Platin und 20 % Iridium hergestellt wurden.
Um diese Lebensdauer sicherzustellen, kann das Legie rungsverhältnis für das Material der Kommutatorseg- m#mte 80 bis 60 % Silber und 20 bis 40 % Palladium und das Legierungsverhältnis für das Material der Bürsten 95 bis 70 % Platin und 5 bis 30 % Iridium aufweisen. Ähnliche Ergebnisse werden erreicht, wenn die Bürsten aus einer Legierung enthaltend 50 bis 80 % Gold, 5 bis 20 % Platin und 10 bis 15 % Kupfer hergestellt werden.
Es wurden beispielsweise Lebens dauern von 4.000 Stunden und mehr erreicht, wenn die Kommutatorsegmente 9 aus einer Legierung enthaltend 70<B>%</B> Silber und 30 % Palladium erstellt wurden, und wenn Bürsten 15 und 16 von 0, 1 mm Durchmesser aus einer unter der Handelsbezeichnung Pallini enthaltend 58 % Gold, 16 % Platin, 9 % Silber, 12 % Kupfer, 4 % Palladium und 1 % Zink verwendet wurden.
Tatsächlich hängt die Lebensdauer der Kommutatoranordnung mehr oder weniger auch vom Kontaktdruck zwischen dem Kommutator und den Bürsten und vom Durchmesser der Bürsten 15 und 16 ab, doch ist von wesentlich grösserer Bedeu tung die Kombination der für den Kommutator und die Bürsten verwendeten Materialien. Es wurde auch festgestellt, dass wenn die oben angegebenen Mate rialien in umgekehrter Kombination verwendet wer den, die Lebensdauer erheblich verkürzt würde, d. h., dass die Verwendung der angegebenen Materialien weitgehend nutzlos würde.
Der Kontaktdruck zwischen dem Kommutator und den Bürsten hat ebenfalls einen Einfluss auf die Lebensdauer der Kommutatoranordnung des Mikro motors, aber er beeinflusst auch den übergangswi- derstand und damit den Strom in der Rotorwicklung 5. Eine Herabsetzung des Kontaktdruckes der Bürsten 15 und 16 wirkt sich natürlich günstig auf die Reibungs verluste am Kommutator aus. Demgegenüber wird der elektrische Übergangswiderstand erhöht. Unter die sen Umständen muss üblicherweise ein Kompromiss für einen optimalen Bürstendruck gefunden werden, bei welchem die Reibungsverluste und der elektrische Übergangswiderstand in tragbaren Grenzen bleiben.
Praktisch erzeugt der Kommutator eine wenn auch nur geringe Vibration der aufliegenden Bürsten. Ausserdem nimmt die elastische Durchbiegung der Bürsten und damit der Kontaktdruck mit zunehmen der Abnützung der Bürsten und des Kommutators etwas ab. Um diese Einflüsse nach Möglichkeit un wirksam zu machen, sollen die Bürsten 15 und 16 genügende Elastizität und Biegsamkeit aufweisen. Das könnte durch extreme Reduktion des Bürsten durchmessers erreicht werden, was jedoch anderseits die Lebensdauer der Bürsten wesentlich herabsetzen würde.
Es wurde festgestellt, dass bei der erfindungs- gemässen Kommutatoranordnung mit den oben ange gebenen Kombinationen von Legierungen ein Kontakt druck von 0,5 bis 3 Gramm einen befriedigenden Stromübergang von den Bürsten auf den Kommutator zur Rotorwicklung gewährleistet. Bei diesen Bürsten drücken ist auch eine befriedigende Elastizität und Biegsamkeit der Bürsten 15 und 16 möglich, wenn dieselben als Drähte mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,25 mm ausgebildet werden.
Der Bürstendruck von 0,5 bis 3 Gramm kann im allgemeinen durch eine ziemlich starke Biegung der drahtförmigen Bürsten erreicht werden, selbst wenn diese dünn genug ausge führt werden, um genügende Biegsamkeit aufzuweisen. Solche dünne drahtförmige Bürsten können jedoch keine genügend hohe Lebensdauer gewährleisten, weil sie starker Abnützung ausgesetzt sind. Die oben angegebenen Bürstendurchmesser von 0,05 bis 0,25 mm können daher nur praktisch angewendet werden, wenn die Kombination von Materialien gemäss der Erfindung verwendet wird.
Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass die Erfindung verschiedene wesent liche Vorteile, insbesondere kleine Abmessungen, einfache Herstellung und hohe Lebensdauer der Kommutatoranordnung von Mikromotoren, an wel che sowohl bei der Fabrikation als insbesondere im Betrieb hohe Anforderungen gestellt werden, bietet.