DE10144040B4

DE10144040B4 - Kommutator für Elektrokleinmotor

Info

Publication number: DE10144040B4
Application number: DE2001144040
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. Langguth; Kathrin Dr.-Ing. Langguth; Valerij Dipl.-Ing. Korsuchin
Original assignee: Sintertechnik GmbH
Current assignee: Sintertechnik GmbH
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: DE10144040A1

Abstract

Kommutator für einen Elektrokleinmotor, wobei auf einer Kommutatorhülse (4) mehrere Kommutatorlamellen (5) aufgenommen und jede der Kommutatorlamellen (5) mit mindestens einer diskreten Kapazität elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Kapazitäten in Form einer ersten Ringscheibe (10) ausgebildete Multi-Layer-Kondensatoren sind, die aus übereinander gestapelten ersten (29) und zweiten Kondensator-Ringscheiben (30) hergestellt sind, wobei die erste Kondensator-Ringscheibe (29) auf ihrer Oberseite segmentierte erste Kontaktflächen (31) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Kondensator-Ringscheibe (30) an ihrer Oberseite eine nicht segmentierte zweite Kontaktfläche (32) aufweist und die erste Ringscheibe (10) auf einer aus Keramik hergestellten Trägerscheibe (7) aufgenommen ist,
wobei die Ausdehnungskoeffizienten der ersten Ringscheibe (10) sowie der Trägerscheibe (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der ersten Ringscheibe (10) vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kommutator für einen Elektrokleinmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kommutator ist aus der EP 0 551 740 B1 bekannt. Dabei sind Multi-Layer-Kondensatoren auf einer Welle aufgenommen.

Aus der GB 1 178 912 A sind Multi-Layer-Kondensatoren bekannt, welche auf einer Trägerscheibe aufgenommen sind.

Bei Elektrokleinmotoren, insbesondere bei Gleichstrommotoren, erfolgt die Stromzuführung über Schleifkontakte. Die Schleifkontakte sind z.B. aus Kohle- oder Edelmetallbürsten gebildet, die gegen auf einer Kommutatorhülse aufgenommene Kommutatorlamellen drücken. Bei der Stromwendung oder Kommutierung kommt es zur Funkenbildung. Eine solche Funkenbildung ist unerwünscht. Sie verursacht eine Erosion insbesondere der Schleifkontakte sowie eine elektromagnetische Störstrahlung.

Aus dem in der DE 199 34 685 A1 erwähnten Stand der Technik ist es bekannt, zur Unterdrückung der Funkenbildung eine Ringscheibe mit kapazitiven Eigenschaften vorzusehen. Diese sogenannte Kondensator- oder CLL-Scheibe ist aus einer halbleitenden Keramik hergestellt, deren Oberfläche eine Sperrschicht aufweist. Auf der Sperrschicht ist pro Teilwicklung bzw. pro Kommutatorlamelle eine Kontaktfläche aufgebracht. Die Größe der Kontaktfläche definiert eine Kapazität. Die Kontaktfläche ist elektrisch leitend verbunden mit der ihr zugeordneten Kommutatorlamelle. Das Innere der Keramik ist üblicherweise n- oder p-halbleitend und wird durch eine isolierende Sperrschicht von den äußeren Kontaktflächen getrennt. Durch die Dicke d der Sperrschicht wird die Kapazität der einzelnen Kontaktflächen bestimmt gemäß C = ε₀ ε_r A/d; im Inneren der Keramik kann durch die halbleitenden Eigenschaften ständig ein Ladungsausgleich erfolgen. – Die aus Kommutatorscheibe, -hülse, -lamellen und Schleifkontakten gebildete Anordnung wird auch als Kommutatorsystem oder Kommutator bezeichnet.

Die nach dem Stand der Technik bekannten CLL-Scheiben sind mechanisch nicht besonders fest. Sie müssen in einer relativ großen Dicke von etwa 1,0 bis 1,5 mm gefertigt werden. Üblicherweise ist zur Aufnahme einer solchen CLL-Scheibe eine an der Welle des Elektrokleinmotors angespritzte Kunststoffträgerscheibe vorgesehen. Das erhöht weiter die Dicke der Kommutatorscheibenanordnung auf etwa 2,5 bis 3,5 mm. Insbesondere bei Motoren mit eisenloser Wicklung, z.B. Glockenwicklungsmotoren, muß der Permanentmagnet in seiner Länge entsprechend begrenzt werden bzw. der Motor muß in seiner Gesamtlänge vergrößert werden. Das Leistungspotenzial des Elektrokleinmotors kann nicht vollständig ausgeschöpft werden. Schließlich sind die bekannten CLL-Scheiben in ihrer Kapazität beschränkt. Bei bestimmten Anwendungen oder Betriebsweisen kann die unerwünschte Funkenbildung nicht ausreichend unterdrückt werden.

Ein Kommutator ist aus der DE 199 34 685 A1 bekannt. Beim bekannten Kommutator sind zur Funkenunterdrückung eine Trägerscheibe mit darauf aufgenommenen, in Form von diskreten SMD-Bauteilen ausgebildeten Kondensatorelementen vorgesehen. Die Trägerscheibe besteht hier aus einem Leiterplattenmaterial.

Beim praktischen Einsatz können die Dielektrikumsschichten der Kondensatorelemente aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplattenmaterial und Kondensatorelement reißen, d.h. die Funktion der Kondensatorelemente ist durch Kapazitätsverluste nicht mehr gewährleistet. Die Lebensdauer bzw. die Funkentstörung des Motors werden somit verschlechtert.

Aus der EP 0 505 046 B1 ist es bekannt, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander zu verbindender leitender und isolierender keramischer Grünkörper aufeinander abzustimmen, um beim Sintern Risse zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst haltbaren Kommutator anzugeben, mit dem eine Funkenbildung an den Kommutatorlamellen zuverlässig unterdrückt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, daß die zweite Kondensator-Ringscheibe an ihrer Oberseite eine nicht segmentierte zweite Kontaktfläche aufweist und die erste Ringscheibe auf einer aus Keramik hergestellten Trägerscheibe aufgenommen ist, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der ersten Ringscheibe sowie der Trägerscheibe so aufeinander abgestimmt sind, dass bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der ersten Ringscheibe vermieden wird. Die Trägerscheibe kann bei einer relativ geringen Dicke von bereits 0,5 mm mit einer sehr hohen Festigkeit hergestellt werden. Auch bei einem andauernden Betrieb des Elektrokleinmotors unter Höchstlast kommt es nicht zum Ablö sen oder zur Funktionsuntüchtigkeit der auf der Trägerscheibe aufgenommenen Kapazitäten. Die Trägerscheibe kann relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die erste Ringscheibe ist z.B. aus einer Keramik mit kapazitiven Eigenschaften hergestellt, wobei jede diskrete Kapazität durch an der Ober- und Unterseite in einander gegenüberliegender Anordnung vorgesehene Kontaktflächen definiert ist. Derartige Ringscheiben können zur Erhöhung der Kapazität auch gestapelt werden. Ferner ist es möglich, die Kapazitäten in Form von Multi-Layer-Kondensatoren auszubilden. Die Multi-Layer Kondensatoren können einstückig in Form einer ersten Ringscheibe zusammengefasst sein. Durch das Aufeinanderabstimmen der Ausdehnungskoeffizienten der ersten Ringscheibe sowie der Trägerscheibe kann bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der ersten Ringscheibe vermieden werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kommutatorhülse aus spritzgegossenem Kunststoff hergestellt. Die Trägerscheibe kann an der Kommutatorhülse durch beim Spritzgießen der Kommutatorhülse erfolgendes abschnittsweises Umspritzen befestigt sein. Durch die Herstellung der Kommutatorhülse und die gleichzeitige Befestigung der Trägerscheibe durch abschnittsweises Umspritzen derselben wird ein Fertigungsschritt eingespart. Die Trägerscheibe muß nicht mehr nach der Herstellung der Kommutatorhülse gesondert an der Welle oder an der Kommutatorhülse befestigt werden.

Zweckmäßigerweise weist die Trägerscheibe einen zentralen Durchbruch auf, der vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Durchbruch kann z.B. quadratisch ausgebildet sein. Eine solche Trägerscheibe kann mit verbesserter Sicherheit gegen Verdrehen an der Kommutatorhülse befestigt werden. Z.B. ist es möglich, an der Kommutatorhülse ein zum zentralen Durchbruch korrespondierendes Profil vorzusehen, auf das die Trägerscheibe verdrehsicher aufsteckbar ist. Die Trägerscheibe kann anschließend an der Kommutatorhülse durch Verkleben gesichert werden.

Zweckmäßigerweise ist jeder mit einer Kommutatorlamelle verbundenen Kapazität in Reihe mindestens eine diskrete Induktivität vor- oder nachgeschaltet. Das Vorsehen einer Induktivität trägt zu einer besonders wirksamen Unterdrückung der Funkenbildung an den Kommutatorlamellen bei. Die Induktivitäten können einstückig in Form einer zweiten Ringscheibe ausgebildet sein. Die zweite Ringscheibe ist zweckmäßigerweise aus einem hochpermeablen Magnetwerkstoff, z.B. einem Weichferrit, hergestellt, und jede der Induktivitäten ist durch eine darauf aufgebrachte leitfähige Struktur gebildet. Die leitfähige Struktur kann z.B. durch Aufbringen einer leitfähigen Schicht und nachfolgendes abschnittsweises Entfernen der leitfähigen Schicht mittels Laser erfolgen. So kann auf einfache Weise die Struktur einer Wicklung auf dem Magnetwerkstoff hergestellt werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der leitfähigen Struktur eine aus einem Draht hergestellte Wicklung vorzusehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann jeder mit einer Kommutatorlamelle verbundenen Kapazität in Reihe mindestens ein Widerstand mit nichtlinearer U/I-Kennlinie vor- oder nachgeschaltet sein. Ein solcher Widerstand kann aus einem elektrokeramischen Material mit Varistoreigenschaften gebildet sein. Ein solches Material ermöglicht die Ableitung von Spannungsspitzen und damit den Schutz von Bauelementen, die der Ansteuerung des Elektrokleinmotors dienen. Geeignete Materialien sind bekannte elektrokeramische Zusammensetzungen (z.B. auf der Basis von dotierten Mischtitanaten aus den Elementen der II. Hauptgruppe oder dotiertem SrTiO₃ oder dotiertem ZnO). Zweckmäßigerweise sind auch die nichtlinearen Widerstände einstückig in Form einer dritten Ringscheibe ausgebildet. Das erleichtert deren Herstellung und Montage.

Die Kapazitäten sind zweckmäßigerweise, ggf. unter Zwischenschaltung der Induktivitäten und/oder der nichtlinearen Widerstände, zusammengeschaltet. Sie können z.B. mit der Welle des Elektrokleinmotors verbunden sein.

Die Kapazitäten, Induktivitäten oder nichtlinearen Widerstände werden im folgenden auch als Bauelemente bezeichnet. Die Bauelemente können zu ihrem Schutz mit einem Polymer abgedeckt sein (z.B. Epoxydharz). Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Ausdehnungskoeffizienten von Bauelementen oder der zweiten und/oder dritten Ringscheibe sowie der Trägerscheibe so aufeinander abgestimmt, daß bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der Bauelemente oder der zweiten und/oder dritten Ringscheibe vermieden wird. Eine nach dem Stand der Technik mitunter auftretende Funktionsuntüchtigkeit von Kondensatorelementen oder anderen Bauelementen wird vermieden. Auch wird eine durch thermische Spannungen verursachte Funktionsuntüchtigkeit der Kondensatorelemente selbst vermieden.

Die Bauelemente oder Ringscheibe/n können in einer an der Trägerscheibe vorgesehenen Vertiefung aufgenommen sein. Die Vertiefung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß die Bauelemente oder Ringscheiben darin eingelegt werden können. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist/sind die Ringscheibe/n konzentrisch zur Trägerscheibe angeordnet. Es wird eine Unwucht in der Trägerscheibe vermieden.

Die Keramik weist zweckmäßigerweise eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1,0 bis 300 W/mK auf. Durch die Auswahl einer Keramik mit einer geeigneten Wärmeleitfähigkeit wird ein unerwünschter Wärmestau im Bereich des Kommutators vermieden. Überschüssige Wärme kann sowohl aus dem Bereich der Wicklungen als auch aus dem Bereich der Kommutatorlamellen wechselweise abgeleitet werden.

Nach einer konstruktiven Ausgestaltung können die Kommutatorlamellen axial über die Kommutatorhülse hinausstehen und an ihren überstehenden Enden von einem an der Trägerplatte randlich sich erstreckenden umlaufenden Absatz umgriffen sein. Die vorgeschlagene Ausführung ermöglicht auf einfache Weise eine Kontaktierung der Kommutatorlamellen mit der Trägerplatte. Die Kommutatorlamellen können mit den Kapazitäten insbesondere über auf der Trägerscheibe aufgebrachte Leiterbahnen kontaktiert sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Keramik aus Steatit, Cordierit, Forsterit, Elektroporzellan, ZrO₂ (MgO, CaO, CeO₂, Y₂O₃-stabilisiert), Al₂O₃ (50% bis 99,999%), AlN, BeO, SiC, Si₃N₄, Dispersionskeramik, Al₂TiO₅ oder einem hartferritischen Material gebildet ist. Die Keramik kann aber auch aus einem Material mit einer spannungsabhängigen Widerstandscharakteristik hergestellt sein.

Der erfindungsgemäße Kommutator kann ferner mit einer aus einem Hartferrit gebildeten Magnetscheibe kombiniert sein. Eine solche Magnetscheibe ermöglicht es, die Anzahl der vom Elektrokleinmotor durchgeführten Umdrehungen bzw. die Stellung des Ankers mittels einer geeigneten nachgeschalteten Auswerteelektronik zu ermitteln.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Ersatzschaltbild eines Kommutators nach dem Stand der Technik,
2 ein schematisches Ersatzschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Kommutators,
3 ein schematisches Ersatzschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Kommutators,
4a, 4b ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kommutators,
5a, 5b ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kommutators,
6 eine Draufsicht auf eine erste Trägerscheibe,
7 eine Draufsicht auf eine zweite Trägerscheibe,
8 eine schematische Teilquerschnittsansicht durch eine erste Ringscheibe und
9a, 9b eine Unter- und Draufsicht nach 8.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer herkömmlichen CLL-Scheibe. Die Kapazitäten sind mit C, der ohmsche Widerstand des halbleitenden Materials mit R_C bezeichnet. Eine Motorteilwicklung 1 weist eine elektromagnetische Kapazität U_M, einen Wicklungswiderstand R_M und eine Motorinduktivität L_M auf. Die Kapazitäten C sind über das im Inneren der CLL-Scheibe befindliche n- oder p-halbleitende Material leitend verbunden. Die entsprechende Ringverbindung ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Mit U_N ist eine Motornennspannung, mit U_L eine Lamellenspannung und mit K die Kontaktpunkte der Kommutatorlamellen mit den Teilwicklungen und den Kontaktflächen bezeichnet. Mit 3 ist eine Welle bezeichnet.
2 zeigt das Ersatzschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung. Jeder der Kontaktpunkte K der Kommutatorlamellen ist hier mit parallel geschalteten Kondensatoren verbunden. Die anderen Kontakte der Kapazitäten C sind jeweils mit der Ringverbindung 2 bzw. einer weiteren Ringverbindung 2a verbunden. Die Ringverbindung 2 und die weitere Ringverbindung 2a können über eine Brücke 2b miteinander elektrisch leitend verbunden sein. Die Ringverbindungen 2 und 2a werden bei Verwendung halbleitender Keramik durch das Innere der Ringscheiben gebildet. Die Brücke 2b unter anderem auch kann durch die Welle 3 gebildet sein, wenn die Sperrschicht abgeschliffen ist.
Zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten K sind hier vier Kapazitäten C geschaltet, wobei jeweils zwei Kapazitäten C parallel geschaltet sind. Durch die Parallelschaltung jeweils zweier Kapazitäten C kann die Gesamtkapazität zwischen den beiden Kontaktpunkten K drastisch erhöht werden. Bei einer Parallelschaltung von Kapazitäten C entspricht die Gesamtkapazität der Summe der Einzelkapazitäten. Eine solche Parallelschaltung kann z.B. durch Stapeln herkömmlicher CLL-Scheiben realisiert werden. Beim Stapeln von n Kondensator-Ringscheiben können n Kapazitäten parallel geschaltet werden.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung. Die mit dem Bezugszeichen A, B, C bezeichneten Bauelemente können in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein. Mit "A" ist eine Induktivität, mit "B" ein ohmscher Widerstand oder ein Widerstand mit nicht nichtlinearer U/I-Kennlinie und mit "C" eine Kapazität bezeichnet. Die vorgeschlagene Schaltung, nämlich das Vorsehen einer Kapazität und einer in Reihe dazu geschalteten Induktivität zwischen einer Kommutatorlamelle und einer gemeinsamen Ringleitung kann auch Gegenstand einer gesonderten Erfindung sein, d.h. eine solche Schaltung kann auch unter Weglassung der erfindungsgemäß beanspruchten keramischen Trägerscheibe realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht bei dieser Schaltung im Vorsehen eines zusätzlichen in Reihe geschalteten Widerstands, welcher eine nichtlineare U/I-Kennlinie aufweisen kann. Bei den verwendeten Kapazitäten kann es sich um Multi-Layer-Kondensatoren handeln.
Die 4a und 4b zeigen in einem Bild zwei verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Auf der Welle 3 ist eine, zweckmäßigerweise aus spritzgegossenem Kunststoff hergestellte, Kommutatorhülse 4 angebracht. Auf der Kommutatorhülse 4 sind Kommutatorlamellen 5 befestigt. Im Bereich eines flanschartigen umlaufenden Vorsprungs 6 der Kommutatorhülse 4 stehen die Kommutatorlamellen 5 radial hervor. An der Kommutatorhülse 4 ist ferner eine aus einer Keramik hergestellte Trägerscheibe 7 angebracht. Die Trägerscheibe 7 weist an einer Oberseite 8 eine Ausnehmung 9 auf, in die eine erste Ringscheibe 10 mittels eines Polymers 11 eingeklebt ist. Bei dem Polymer 11 kann es sich um ein Epoxydharz handeln. Die erste Ringscheibe 10 weist pro Kontaktlamelle 5 je einen Multi-Layer-Kondensator (hier nicht gezeigt) auf. Der Multi-Layer-Kondensator ist mittels eines Lots 12 mit der Kommutatorlamelle 5 elektrisch leitend verbunden. Statt des Lots 12 kann auch ein Leitkleber oder dgl. verwendet werden. Statt der ersten Ringscheibe 10 können auch einzelne in SMD-Technik hergestellte Multi-Layer-Kondensatoren in der Ausnehmung 9 aufgenommen und mit den Kommutatorlamellen 5 kontaktiert sein.
4b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier ist die Ausnehmung 9 an einer Unterseite der Trägerscheibe 7 vorgesehen. In der Ausnehmung 9 ist eine erste Ringscheibe 10 aufgenommen. In konzentrischer Anordnung dazu ist in der Ausnehmung 9 eine zweite Ringscheibe 13 ebenfalls mit dem Polymer 11 eingeklebt. Die zweite Ringscheibe 13 weist pro Kommutatorlamelle 5 eine Induktivität (hier nicht gezeigt) auf. Die Kommutatorlamelle ist mit dem Lot 12 mit einer auf der Trägerscheibe 7 vorgesehenen ersten Leiterbahn 14 kontaktiert. Die erste Leiterbahn 14 ist über den äußeren Umfangsrand der Trägerscheibe 7 bis an deren Unterseite geführt. Sie ist dort mit einem Kontakt einer auf der zweiten Ringscheibe 13 befindlichen Induktivität kontaktiert. Der andere Kontakt der Induktivität ist mit einem Anschluß z.B. einer Kapazität, welche Bestandteil der ersten Ringscheibe 10 ist, über eine Kontaktbrücke 15 verbunden.
Die in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsformen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Glockenwicklungsmotoren. Dazu kann – wie in 4b gezeigt – ein Kunststoffträgerring 16 an der Unterseite der Trägerscheibe 7 angespritzt sein, der eine Glockenwicklung 17 aufnimmt.
Die 5a und 5b zeigen in einem Bild ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf der Welle 3 ist die Kommutatorhülse 4 befestigt, an deren Außenseite die Kommutatorlamellen 5 angebracht sind. Mit 18 ist ein, z.B. aus Graphit hergestellter, Schleifkontakt angedeutet. Die Kommutatorlamellen 5 erstrecken sich hier axial über die Kommutatorhülse 4 hinweg. Erste Enden E1 der Kommutatorlamellen 5 weisen zur Befestigung eines Wicklungsdrahts (hier nicht gezeigt) Wickelhaken bzw. Umbiegungen 19 auf. Die Trägerscheibe 7 ist bei dem in 5a gezeigten dritten Ausführungsbeispiel mit einer äußeren 20 und einer inneren umlaufenden Wand 21 versehen. Die äußere Wand 20 umgreift zweite Enden E2 der Kommutatorlamellen 5. An einer Innenseite der äußeren Wand 20 ist eine zweite Leiterbahn 22 vorgesehen, die mit in SMD-Technik hergestellten Multi-Layer-Kondensatoren 10a elektrisch leitend verbunden ist. Der Kontakt zwischen den Kommutatorlamellen 5 und der zweiten Leiterbahn 22 kann kraftschlüssig durch die Federwirkung der Kommutatorlamellen 5 erfolgen. Er kann aber auch durch Löten oder durch Kontaktierung mit Leitkleber realisiert werden. Die Ausnehmung 9 ist hier zwischen der äußeren 20 und der inneren Wand 21 gebildet. In der Ausnehmung 9 sind die Multi-Layer-Kondensatoren 10a aufgenommen. Jeder Multi-Layer-Kondensator 10a ist mit der zweiten Leiterbahn 22 und einem Ringkontakt 23 kontaktiert. Der Ringkontakt 23 verbindet sämtliche Multi-Layer-Kondensatoren 10a. Die Multi-Layer-Kondensatoren 10a können auch einstückig in Form einer ersten Ringscheibe 10 ausgeführt sein. In diesem Fall ist das Vorsehen eines Ringkontakts 23 nicht erforderlich. Bestandteil der ersten Ringscheibe 10 ist in diesem Fall eine Ringelektrode, welche sämtliche Multi-Layer-Kondensatoren miteinander verbindet.
Mit 24 ist eine weitere Ringscheibe bezeichnet, welche radial verlaufende Magnetstreifen aufweist. Mit einer solchen Ringscheibe kann mittels eines geeigneten Sensors sowie einer nachgeschalteten Auswerteelektronik die Stellung des Kommutators und/oder die Anzahl der vom Kommutator durchgeführten Umdrehungen ermittelt werden. Bei dem in 5b gezeigten vierten Ausführungsbeispiel sind ähnlich eine erste 10 und eine zweite Ringscheibe 13 in der Ausnehmung 9 aufgenommen. Aus Platzgründen ist hier die innere Wand 21 weggelassen worden. Pro Kommutatorlamelle sind je ein in SMD-Technik hergestellter Multi-Layer-Kondensator 10a sowie eine diskrete Induktivität 13a in Reihe geschaltet. Auch hier verbindet der Ringkontakt 23 die Multi-Layer-Kondensatoren 10a miteinander. Statt der separaten Bauelemente können die Induktivitäten 13a auch in Form einer zweiten Ringscheibe 13 und die Multi-Layer-Kondensatoren 10a in Form einer ersten Ringscheibe 10 ausgebildet sein. Die in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsformen eignen sich besonders zur Herstellung von Eisenkernmotoren (T-Ankermotoren).
6 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Trägerscheibe 7. Sie ist mit einem zentralen Durchbruch 25 versehen, welcher von weiteren Durchbrüchen 26 umgeben ist. Die weiteren Durchbrüche 26 dienen der Durchführung von Haltemitteln zur Befestigung der Trägerscheibe 7 an der Kommutatorhülse 4. Mit 14 sind die auf der Trägerplatte 7 aufgebrachten Leiterbahnen bezeichnet. Mit 9 ist die Ausnehmung angedeutet. Eine im äußeren Umfang der Trägerscheibe 7 vorgesehene Aussparung 27 dient der Justierung der Trägerscheibe 7 gegenüber der Welle 3 bei der Montage.
7 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Trägerscheibe. Der zentrale Durchbruch 25 ist hier rechteckig ausgeführt. Die Trägerscheibe 7 weist ferner in radialer Anordnung rechteckige Durchbrüche 28 auf, in denen Bauelemente, wie Kapazitäten, Widerstände oder Induktivitäten, aufgenommen werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind am äußeren Umfangsrand 5 Aussparungen 27 zur Justierung der Trägerscheibe vorgesehen.
Die Trägerscheibe 7 kann z.B. aus Al₂O₃ 92% bis 99%, ZrO₂ oder dgl. hergestellt sein. Sie weist eine hohe mechanische Festigkeit auf; sie ist extrem verwindungssteif und schützt die darauf aufgenommenen elektrisch wirksamen Ringscheiben vor einer mechanischen Beschädigung und ist vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf den Ringscheibenwerkstoff abgestimmt.
In den 8, 9a und 9b ist eine erste Ringscheibe 10 mit Multi-Layer-Kondensatoren gezeigt. Die Trägerscheibe 7 ist der Übersichtlichkeit halber nur in der linken Hälfte der Abbildung angedeutet. Die Trägerscheibe 7 ist hier unmittelbar an der Welle 3 angebracht. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Trägerscheibe 7 anders anzuordnen, sie insbesondere auch an der Kollektorhülse 4 zu befestigen. Dabei sind aus einem dielektrischen Material hergestellte erste 29 und zweite 30 Kondensator-Ringscheiben übereinander gestapelt. Bei dem dielektrischen Material kann es sich um herkömmliche zur Herstellung von Multi-Layer-Kondensatoren geeignete Materialien handeln. In diesem Fall kann R_C bei Bedarf z.B. durch Aufbringen von Elektroden mit resistiven Eigenschaften (ohmsche oder spannungsabhängige Charakteristik) gezielt eingestellt werden. Auf der Oberseite der ersten Kondensator-Ringscheibe 29 vorgesehene erste Kontaktflächen 31 erstrecken sich jeweils bis an den Außenumfang der Kondensator-Ringscheiben 29, 30. An der Oberseite der zweiten Kondensator-Ringscheibe 30 vorgesehene zweite Kontaktflächen 32 reichen nicht bis an den Außenumfang der Kondensator-Ringscheiben 29, 30. Sie erstrecken sich dagegen bis zum Innenumfang der Kondensator-Ringscheiben 29, 30. Die an der Oberseite der ersten Kondensator-Ringscheiben 29 vorgesehenen ersten Kontaktflächen 31 sind in 9b nochmals schematisch gezeigt. Die ersten Kontaktflächen 31 sind mittels isolierender Streifen 33 voreinander getrennt, so daß hier fünf separate erste Kontaktflächen 31 gebildet sind.
Die ersten Kontaktflächen 31 sind am Außenumfang der Kondensator-Ringscheiben 29, 30 mittels einer äußeren Kontaktierung 34 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die an der obersten Oberseite der Kondensator-Ringscheiben befindlichen ersten Kontaktflächen 31 sind in einem radial innen liegenden Abschnitt mit den Kommutatorlamellen 5 elektrisch leitend verbunden.
Zweite Kontaktflächen 32 reichen bis zum Innenumfang der Kondensator-Ringscheiben 29, 30 und können dort über eine innere Kontaktierung 35 elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Die innere Kontaktierung 35 kann wiederum mit der Welle 3 elektrisch leitend verbunden sein. Die Ausbildung der zweiten Kontaktflächen 32 ist in 9a gezeigt. Die zweiten Kontaktflächen 32 sind nicht segmentiert.
Die segmentierten ersten Kontaktflächen 31 und die nicht segmentierten zweiten Kontaktflächen 32 sind jeweils durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt. Dabei kann es sich um eine dielektrische Kondensatormasse handeln. Es kann aber auch als isolierende Schicht eine Kunststoffolie oder dgl. verwendet werden.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung kann der Widerstand R_C durch die Leitfähigkeit der zweiten Kontaktflächen 32 gezielt eingestellt werden. Es kann zur Herstellung der zweiten Kontaktflächen 32 eine Elektrode mit einer resistiven Charakteristik (ohmsches bzw. spannungsabhängiges Verhalten) eingesetzt werden, wobei zweckmäßigerweise R_C im Bereich von 1 Ω bis 1.000 Ω eingestellt wird.
Insbesondere die nach dem vorstehenden Ausführungsbeispiel vorgeschlagene erste Ringscheibe 10 ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik eine Steigerung der erzielbaren Kapazitäten um ein Vielfaches. Baut man z.B. auf einer hochfesten keramischen Trägerscheibe 7, die aus CeO₂-stabilisiertem ZrO₂ oder dgl. bestehen kann, mit einer Dicke von 0,4 mm einen Vielschicht-Kondensator aus einer dielektrischen Masse, z.B. X7R, Y5V, Z5U, COG, NPO und dgl. auf und nimmt für die Kondensator-Ringscheibe 10 eine Dicke von 20 μm an, womit eine Spannungsfestigkeit von mehreren 100 V sicher gewährleistet ist, dann ergibt sich bei einem Außendurchmesser der ersten Ringscheibe 10 von z.B. 16 mm und einem Innendurchmesser des Durchbruchs 25 von 3,5 mm und bei neun Teilwicklungen eines Elektrokleinmotors eine Fläche von 9 × 15 mm² der ersten Kontaktflächen 31. Unter Berücksichtigung einer Breite des isolierenden Streifens 33 von 1,0 mm zwischen den ersten Kontaktflächen 31 ergibt sich die aus der nachstehenden Tabelle ersichtliche Leistungsmatrix. Im angegebenen Fall beträgt die relative Dielektrizitätskonstante für das X7R-Dielektrikum ε_r = 4.500, für das Y5V-Dielektrikum beträgt ε_r = 7.500.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, kann mit einer ersten Ringscheibe 10 mit einer Dicke von 2,0 mm Dicke eine Kapazität von 9 × 2.400 nF bzw. 9 × 3.600 nF erzielt werden. Derart große Kapazitäten werden aller Voraussicht nach für Elektrokleinmotoren nicht benötigt. Das Beispiel zeigt jedoch, daß prinzipiell alle gewünschten Kapazitäten im Bereich von Elektrokleinmotoren mit der ersten Ringscheibe 10 erzeugt werden können. Das läßt eine erhebliche Reduzierung der elektromagnetischen Emissionen und eine Lebensdauerverlängerung von Elektrokleinmotoren erwarten. Mit den erfindungsgemäß realisierbaren hohen Kapazitäten kann eine besonders hohe Reduzierung der elektromagnetischen Emissionen erreicht werden, weil der Resonanzbereich des aus der Motorteilwicklung und der Kapazität gebildeten Schwingkreises in den Frequenzbereich von 150 kHz bis 150 MHz verschoben werden kann.

1: Motorteilwicklung
2: Ringverbindung
2a: weitere Ringverbindung
2b: Brücke
3: Welle
4: Kommutatorhülse
5: Kommutatorlamelle
6: flanschartiger Vorsprung
7: Trägerplatte
8: Oberseite
9: Ausnehmung
10: erste Ringscheibe
10a: SMD Multi-Layer-Kondensator
11: Polymer
12: Lot
13: zweite Ringscheibe
13a: SMD Induktivität
14: erste Leiterbahn
15: Kontaktbrücke
16: Kunststoffträgerring
17: Glockenwicklung
18: Schleifkontakt
19: Umbiegung
20: äußere Wand
21: innere Wand
22: zweite Leiterbahn
23: Ringkontakt
24: weitere Ringscheibe
25: Durchbruch
26: weiterer Durchbruch
27: Aussparung
28: radialer Durchbruch
29: erste Kondensator-Ringscheibe
30: zweite Kondensator-Ringscheibe
31: erste Kontaktfläche
32: zweite Kontaktfläche
33: isolierender Streifen
34: äußere Kontaktierung
35: innere Kontaktierung
A, B, C: Bauelemente
E1: erstes Ende
E2: zweites Ende
C: Kapazität
R_C: Reihenwiderstand der Kapazität
U_M: elektromagnetische Kapazität
L_M: Motorinduktivität
U_L: Lamellenspannung
K: Kontaktpunkte
RS: Ringscheibe
R_M: Wicklungswiderstand
U_N: Motornennspannung

Claims

Kommutator für einen Elektrokleinmotor, wobei auf einer Kommutatorhülse (4) mehrere Kommutatorlamellen (5) aufgenommen und jede der Kommutatorlamellen (5) mit mindestens einer diskreten Kapazität elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Kapazitäten in Form einer ersten Ringscheibe (10) ausgebildete Multi-Layer-Kondensatoren sind, die aus übereinander gestapelten ersten (29) und zweiten Kondensator-Ringscheiben (30) hergestellt sind, wobei die erste Kondensator-Ringscheibe (29) auf ihrer Oberseite segmentierte erste Kontaktflächen (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kondensator-Ringscheibe (30) an ihrer Oberseite eine nicht segmentierte zweite Kontaktfläche (32) aufweist und die erste Ringscheibe (10) auf einer aus Keramik hergestellten Trägerscheibe (7) aufgenommen ist, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der ersten Ringscheibe (10) sowie der Trägerscheibe (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der ersten Ringscheibe (10) vermieden wird.
Kommutator für Elektrokleinmotor nach Anspruch 1, wobei die Kommutatorhülse (4) aus spritzgegossenem Kunststoff hergestellt ist.
Kommutator nach Anspruch 2, wobei die Trägerscheibe (7) an der Kommutatorhülse (4) durch beim Spritzgießen der Kommutatorhülse (4) erfolgendes abschnittsweises Umspritzen befestigt ist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerscheibe (7) einen zentralen Durchbruch (25) aufweist, der vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder mit einer Kommutatorlamelle (5) verbundenen Kapazität in Reihe mindestens eine diskrete Induktivität vor- oder nachgeschaltet ist.
Kommutator nach Anspruch 5, wobei die diskreten Induktivitäten einstückig in Form einer zweiten Ringscheibe (13) ausgebildet sind.
Kommutator nach Anspruch 6, wobei die zweite Ringscheibe (13) aus einem hochpermeablen Magnetwerkstoff hergestellt ist und jede der Induktivitäten durch eine darauf aufgebrachte leitfähige Struktur gebildet ist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder mit einer Kommutatorlamelle (5) verbundenen Kapazität in Reihe mindestens ein Widerstand mit nichtlinearer U/I-Kennlinie vor- oder nachgeschaltet ist.
Kommutator nach Anspruch 8, wobei die nichtlinearen Widerstände einstückig in Form einer dritten Ringscheibe ausgebildet sind.
Kommutator nach den Ansprüchen 5 und 8 oder 5 und 9, wobei die Kapazitäten, vorteilhafterweise unter Zwischenschaltung der Induktivitäten und/oder der nichtlinearen Widerstände, zusammengeschaltet sind.
Kommutator nach den Ansprüchen 6 und 9 oder 6, 9 und 10, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der zweiten (13) und/oder dritten Ringscheibe sowie der Trägerscheibe (7) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei betriebsüblichen Temperaturen eine thermisch bedingte Funktionsuntüchtigkeit der zweiten (13) und/oder dritten Ringscheibe vermieden wird.
Kommutator nach Anspruch 11, wobei die Ringscheibe (10) in einer an der Trägerscheibe (7) vorgesehenen Vertiefung (9) aufgenommen ist/sind.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringscheibe (10) konzentrisch zur Trägerscheibe (7) angeordnet ist/sind.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 100 bis 300 W/mK aufweist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommutatorlamellen (5) über die Kommutatorhülse (4) hinausstehen und an ihren überstehenden Enden (E2) von einem von der Trägerplatte (7) randlich sich erstreckenden umlaufenden Absatz (20) umgriffen sind.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommutatorlamellen (5) mit den Kapazitäten über auf der Trägerscheibe (7) aufgebrachte Leiterbahnen (14) kontaktiert sind.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik aus Steatit, Cordierit, Forsterit, Elektroporzellan, ZrO₂, Al₂O₃ (50% bis 99, 999%), AlN, BeO, SiC, Si₃N₄, Dispersionskeramik, Al₂TiO₅ oder einem ferritischen Material gebildet ist.