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Die
Erfindung betrifft eine Kommutierungsvorrichtung für einen
Gleichstrommotor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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In
Kraftfahrzeugen werden Gleichstrommotoren beispielsweise für Hilfs-,
Stell- und/oder
Komfortantriebe eingesetzt. Derartige Motoren weisen einen Kommutator
zur abwechselnden Bestromung der mit den Kommutatorlamellen des
Kommutators verbundenen Spulen einer Ankerwicklung auf. Während des
Kommutierungsvorgangs kommt es jedoch im Allgemeinen zu einem so
genannten Bürstenfeuer zwischen
den Kommutatorlamellen und den mit ihnen wechselweise elektrisch
verbundenen und mit einer Gleichspannungsquelle kontaktierten Kohlebürsten. Dieses
Bürstenfeuer
kann Störungen
im Lang-, Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwellenbereich bewirken, die
es aufgrund der zunehmend in Kraftfahrzeugen verbauten elektronischen
Bauteile zu vermeiden bzw. zu dämpfen
gilt. Daher ist es erforderlich, hohe Anforderungen an die Gleichstrommotoren
hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit zu stellen.
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Aus
der
DE-A-103 18 734 ist
eine Entstörleitplatte
für eine
elektrische Maschine bekannt, welche mit SMD-Bauteilen bestückt ist,
wobei die SMD-Bauteile als Entstörbauteile
ausgebildet sind, um elektrische Störungen zu dämpfen.
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Weiterhin
ist in der
DE-A-102
09 114 ein Kommutator für
eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor, gezeigt,
der einen Isolierkörper
und eine Vielzahl von auf diesem festgelegten, in Umfangrichtung
mit Spaltabstand nebeneinander angeordneten Kommutatorlamellen mit Anschlusshaken
für eine
Ankerwicklung sowie eine koaxial angeordnete Entstörscheibe
aufweist, wobei Anschlusselektroden der Entstörscheibe mit den Kommutatorlamellen
elektrisch leitend verbunden sind. Zur Rationalisierung der Kommutatorfertigung ist
die Entstörscheibe
in unmittelbarer Nähe
der Anschlusshaken angeordnet und an den Kommutatorlamellen direkt
oder über
ein Stanzgitter mechanisch und elektrisch befestigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenüber dem
genannten Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Kommutierungsvorrichtung
für einen
Gleichstrommotor, mit einem eine Mehrzahl von Kommutatorlamellen
aufweisenden Kommutator und mit auf einem Bürstenträger angeordneten Bürsten zur
elektrischen Kontaktierung der Kommutatorlamellen den Vorteil auf,
dass eine sehr wirksame Abschirmung in unmittelbarer Nähe des Kommutators
möglich
ist ohne die Notwendigkeit aufwändiger
elektronischer Entstörschaltungen
oder baulicher Veränderungen
am sich im Betrieb des Gleichstrommotors drehenden Kommutator. Dazu
ist ein elektromagnetisches Abschirmmittel derart um den Kommutator
angeordnet, dass es zumindest den Bereich eines am Aufpunkt der
Bürsten
auf den Kommutatorlamellen entstehenden Bürstenfeuers abdeckt. Auf diese
Weise bietet sich zudem der Vorteil einer sehr kompakten Bauform
des elektromagnetischen Abschirmmittels. Weiterhin resultiert hieraus die
Möglichkeit,
ein Gehäuse
für den
Gleichstrommotor zu verwenden, das zumindest teilweise aus Kunststoff
besteht und eine nicht unerhebliche Gewichts- sowie Kostenersparnis
bietet.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
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So
erstreckt sich das elektromagnetische Abschirmmittel in vorteilhafter
Weise in axialer Richtung des Kommutators mindestens über die
Länge der
Kommutatorlamellen, um eine möglichst
hohe Dämpfung
der Störemissionen
zu erzielen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektromagnetische Abschirmmittel
Aussparungen auf, die beispielsweise für die Bürsten vorgesehen sind. Dies
gestattet eine mechanische Verbindung des elektromagnetischen Abschirmmittels
mit dem Bürstenträger und/oder
einem Gehäuse
des Gleichstrommotors derart, dass es in radialer Richtung des Kommutators
zumindest abschnittsweise zwischen dem Kommutator und dem Bürstenträger angeordnet
werden kann. Weiterhin können
die Aussparungen auch eine Kühlung
des Kommutators durch eine entsprechende Luftzirkulation bewirken.
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Obwohl
das Bürstenfeuer
im Wesentlichen nur an den Stellen auftritt, an denen die Bürsten im wechselweisen
elektrischen Kontakt mit den Kommutatorlamellen treten, ergibt sich
ein Vorteil, wenn das elektromagnetische Abschirmmittel den Kommutator
in vollem Umfang umschließt;
und zwar derart, dass eine Dämpfung
der elektrischen Störemissionen
in alle Richtungen des Gleichstrommotors nahezu gleichermaßen erfolgt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist es aber auch möglich, dass
das elektromagnetische Abschirmmittel den Kommutator lediglich über Teile
seines Umfangs umschließt.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich der Gleichstrommotor
an einem Einbauort befindet, an dem lediglich eine Dämpfung der
Störstrahlen
in eine bestimmte Richtung erforderlich ist, oder wenn der Gleichstrommotor
bereits ein Gehäuse
aufweist, dass zumindest teilweise aus Metall oder einem metallbedampften
bzw. -durchsetzten Kunststoffmaterial besteht. Darüber hinaus
erlaubt eine teilweise Umschließung
des Kommutators eine einfachere Kühlung desselben.
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Wird
das elektromagnetische Abschirmmittel elektrisch mit einem Spannungspotential
verbunden, so ist in besonders vorteilhafter Weise eine effektive Aufnahme
und Ableitung der Störemissionen
möglich.
Eine derartige Verschaltung führt
somit zu einer Unterdrückung
schneller impulsartiger Störungen,
da die resultierende Kapazität
zwischen dem Kommutator und dem elektromagnetischen Abschirmmittel
bei hohen Frequenzen einen Kurzschluss bewirkt.
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Eine
möglichst
hohe Dämpfung
der Störemissionen
wird erzielt, wenn das elektromagnetische Abschirmmittel aus zumindest
einem Metallblech besteht. Ebenso ist es auch möglich, das elektromagnetische
Abschirmmittel aus mehreren, einzelnen Metallblechen herzustellen,
die dann elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Neben der
guten Abschirmwirkung bieten Metallbleche zudem den Vorteil einer
besseren Wärmeabfuhr.
Steht dagegen eine Gewichtsersparnis im Vordergrund, so kann das elektromagnetische
Abschirmmittel aber auch aus einem metallisch bedampften oder durchsetzten Kunststoffmaterial
bestehen, das einstückig
oder aus mehreren Einzelteilen ausgestaltet ist.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 7 beispielhaft
erläutert,
wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile
mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung,
deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten
und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird
ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen
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1:
eine schematische Darstellung eines Rotors oder Ankers eines Gleichstrommotors
mit der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung,
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2:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung
in einer Draufsicht des in der 1 angegebenen Schnitts
AA',
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3:
eine schematische Darstellung eines Schnitts der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung
in einer Seitenansicht,
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4:
eine alternative Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung in
einer Seitenansicht gemäß 3 und
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5 bis 7:
jeweils ein Ausführungsbeispiel
für ein
elektromagnetisches Abschirmmittel.
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In 1 ist
ein Anker oder Rotor 10 (im Folgenden wird stets der Begriff
Anker verwendet) eines Gleichstrommotors gezeigt, der in bekannter
Weise einen auf einer Ankerwelle 11 drehfest angeordneten,
lamellierten Ankerkörper 12 mit
einer in Nuten des Ankerkörpers 12 eingelegten
Ankerwicklung 14 sowie einen an die Ankerwicklung 14 angeschlossenen
Kommutator 16 aufweist. Für die wechselweise Stromzufuhr
der einzelnen Spulen der Ankerwicklung 14 liegen auf den
Umfang des Kommutators 16 Kohlebürsten 18 (der Einfachheit
halber auch Bürsten
genannt) auf, die in räumlich
feststehenden, radial zum Kommutator 16 ausgerichteten
Köchern 20 axial
verschiebbar geführt
sind und von Bürstenandruckfedern 22 (siehe 2 bis 4)
auf den Kommutator 16 aufgepresst werden. Die Köcher 20 und
demzufolge auch die Bürsten 18 sind
auf einem Bürstenträger 23 derart
angeordnet, dass zur Erzielung einer Drehbewegung der Ankerwelle 11 mit
einer definierten Drehzahl und/oder einem definierten Drehmoment ein
Stromfluss von einem Pluspol einer nicht gezeigten Gleichstromquelle
durch die entsprechenden Spulen der Ankerwicklung 14 zu
einem Minuspol der Gleichstromquelle erfolgt. Zu diesem Zweck sind
die Bürsten 18 über Leitungen 24 mit
der Gleichstromquelle verbunden.
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Der
Kommutator 16 besteht aus einem zylindrischen Isolierkörper 26 (siehe 2 bis 4),
der drehfest auf der Ankerwelle 11 des Ankers 10 befestigt
ist. Auf dem Mantel des Isolierkörpers 26 sind
nebeneinander in Umfangsrichtung mit Spaltabstand eine Vielzahl
von verankerten Kommutatorlamellen 28 angeordnet. Diese
weisen jeweils einen Anschlusshaken 30 auf, in den in bekannter
Weise die Spulen der Ankerwicklung 14 eingehängt und
mit diesem mechanisch und elektrisch verbunden sind, wobei die Verbindung üblicherweise
im so genannten hot staking – einem
Heißpressverfahren,
bei dem die ursprünglich
abstehenden Anschlusshaken 30 auf die Kommutatorlamellen 28 aufgedrückt werden
und dabei gleichzeitig im Bereich der Anschlusshaken 30 die
Isolation des Ankerwicklungsdrahts abschmilzt – erfolgt.
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Während des
Betriebs des Gleichstrommotors entstehen bei jeder Kommutierung,
also beim Stromübergang
zweier benachbarter Kommutatorlamellen 28, Funken, da die
jeweils mit den Kommutatorlamellen 28 verbundenen Spulen
der Ankerwicklung 14 für
eine sehr kurze Zeitspanne von den Bürsten 18 kurzgeschlossen
werden und dann deren Kurzschluss wieder aufgerissen wird. Diese
als Bürstenfeuer
bezeichnete Funkenbildung führt
zu einer Verringerung der Lebensdauer infolge Kontaktabbrand an
den Bürsten 18 und
zu einer elektromagnetischen Störabstrahlung.
Um diese Störemission
zu vermeiden oder zumindest zu dämpfen,
ist nun erfindungsgemäß ein elektromagnetisches
Abschirmmittel 32 derart um den Kommutator 16 angeordnet, dass
es zumindest den Bereich des am Aufpunkt 34 (vgl. 2 bis 4)
der Bürsten 18 auf
den Kommutatorlamellen 28 entstehenden Bürstenfeuers
abdeckt. Das elektromagnetische Abschirmmittel 32 sollte
demnach den Kommutator 16 so dicht wie möglich umgeben.
Andererseits muss jedoch auch ein Spalt zwischen den Kommutatorlamellen 28,
insbesondere den Lamellenhaken 30, und dem elektromagnetischen
Abschirmmittel 32 verbleiben, um eventuelle Fertigungstoleranzen
und demzufolge Kurzschlüsse
zwischen den Kommutatorlamellen 28 zu vermeiden. Zudem
ist durch eine entsprechende Auslegung des Spalts eine Kühlung des
Kommutators 16 sowie eine ausreichende Abtragung des Bürstenabbrandes
gewährleistet.
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1 ist
weiterhin zu entnehmen, dass das elektromagnetische Abschirmmittel 32 derart
mit dem Bürstenträger 23 verbunden
ist, dass es in radialer Richtung des Kommutators 16 zumindest
abschnittsweise zwischen dem Kommutator 16 und dem Bürstenträger 23 angeordnet
ist. Dabei kann des elektromagnetische Abschirmmittel 32 mittels
einer Kleb-, Schraub-, Niet-, Schweißverbindung oder dergleichen über ein
entsprechend ausgelegtes Befestigungsmittel 36, auf das
im Zusammenhang mit den 5 bis 7 noch näher eingegangen
werden soll, an dem Bürstenträger 23 befestigt
sein.
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Damit
die Bürsten 18 in
elektrischen Kontakt mit den Kommutatorlamellen 28 treten
können,
weist das elektromagnetische Abschirmmittel 32 Aussparungen 38 auf,
durch die die Bürsten 18 hindurchtreten.
Auf diese Weise ist eine sehr enge Ummantellung des Kommutators 16 durch
das elektromagnetische Abschirmmittel 32 möglich.
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Der
Kommutator 16 mit den Kommutatorlamellen 28 sowie
der Bürstenträger 23 mit
den darauf in den Köchern 20 federnd
gelagerten Bürsten 18 und
das elektromagnetische Abschirmmittel 32 sind Bestandteile
der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung 40,
auf die im Folgenden im Zusammenhang mit den 2 bis 7 näher eingegangen
werden soll.
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2 zeigt
eine Draufsicht der Kommutierungsvorrichtung 40 an dem
in der 1 dargestellten Schnitt AA'. Zu erkennen ist der auf der Ankerwelle 11 drehfest
montierte Kommutator 16 mit den über den Umfang verteilten,
an dem Mantel des Isolierkörpers 26 befestigten
Kommutatorlamellen 28, die jeweils einen Anschlusshaken 30 zur
elektrischen Kontaktierung mit den Spulen der Ankerwicklung 14 aufweisen.
Der Kommutator 16 ist in vollem Umfang umgeben von dem
elektromagnetischen Abschirmmittel 32, das mittels der
Befestigungsmittel 36 wie oben beschrieben an dem Bürstenträger 23 befestigt
und zumindest abschnittsweise zwischen Kommutator 16 und
Bürstenträger 23 angeordnet
ist. Die Bürsten 18 werden
in radial zum Kommutator 16 ausgerichteten, und auf dem
Bürstenträger 23 befestigten
Köchern 20 axial
verschiebbar geführt
und mittels der Bürstenandruckfedern 22 durch
die Aussparungen 38 des elektromagnetischen Abschirmmittels 32 hindurch auf
den Kommutator 16 aufgepresst.
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In
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kommutierungsvorrichtung 40 drei Bürsten 18 auf.
Dies ist dann zweckmäßig, wenn
der Gleichstrommotor beispielsweise ein mehrstufiger Wischermotor
ist, der für
zwei unterschiedliche Drehzahlen ausgelegt sein muss. Die Anzahl
der Bürsten 18 ist
jedoch nicht einschränkend
für die
Erfindung zu verstehen. So ist es ebenso möglich, das elektromagnetische
Abschirmmittel 32 für
einen Gleichstrommotor mit nur zwei oder mit mehr als drei Bürsten 18 zu
verwenden.
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Kommt
es infolge der Kommutierung zu einem Bürstenfeuer am Aufpunkt 34 der
Bürsten 18 auf den
Kommutatorlamellen 28, so entstehen elektromagnetische
Störstrahlungen,
die es mit Hilfe des elektromagnetischen Abschirmmittels 32 zu
dämpfen bzw.
zu unterdrücken
gilt. Dazu besteht das elektromagnetische Abschirmmittel 32 aus
einem Metallblech das beispielsweise über die Befestigungsmittel 36 und über Leiterbahnen 42 des
Bürstenträgers 23 elektrisch
mit einem Spannungspotential verbunden ist. Die jeweilige Kommutatorlamelle 28 und
das elektromagnetische Abschirmmittel 32 entsprechen daher
einem Kondensator mit geringer Kapazität, der für die impulsartigen und damit
hochfrequenten Signale wie ein Kurzschluss wirkt. In einer alternativen Ausgestaltung
kann das elektromagnetische Abschirmmittel 32 auch aus
einem metallbedampften oder -durchsetzten Kunststoff bestehen, der
entsprechend mit dem Bürstenträger 23 und
den sich darauf befindenden Leiterbahnen 42 verbunden ist.
Statt der Leiterbahnen 42 können natürlich auch andere Verbindungsmittel
wie Kabel, etc. zum Einsatz kommen.
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In 3 ist
eine Seitenansicht der Kommutierungsvorrichtung 40 in einem
Schnitt durch den Mittelpunkt der Ankerwelle 11 gezeigt.
Da die Anordnung derjeniegen aus 2 entspricht,
soll auf ihre erneute Beschreibung verzichtet werden. Im Unterschied
zu 1 bietet 3 jedoch
eine bessere Darstellung des Aufpunktes 34 der Bürsten 18 auf den
Kommutatorlamellen 28. Zudem wird deutlich, dass sich das
elektromagnetische Abschirmmittel 32 in axialer Richtung
des Kommutators 16 in etwa über die Länge der Kommutatorlamellen 28 erstreckt.
Es ist aber auch möglich,
dass das elektromagnetische Abschirmmittel 32 lediglich
eine Länge
aufweist, die den Bereich des am Aufpunkt 34 entstehenden
Bürstenfeuers
abdeckt. Ebenso kann das elektromagnetische Abschirmmittel 32 auch
deutlich länger
als die Kommutatorlamellen 28 ausgebildet sein. Dies ist beispielsweise
dann von Vorteil, wenn – wie
in 4 gezeigt – das
elektromagnetische Abschirmmittel 32 mittels des Befestigungsmittels 36 an
einem Gehäuse 42 des
Gleichstrommotors befestigt wird. In diesem Fall kann das Gehäuse 42 auf
dem Spannungspotential, zum Beispiel einem Massepotential, liegen, so
dass die Verwendung von Leiterbahnen 42 auf dem Bürstenträger 23 zwar
möglich
aber nicht notwendig ist. In 4 ist die
Ankerwelle 11 durch ein an ihrem Ende befestigtes Kugellager 44 in
radialer Richtung geführt.
Zur Vermeidung einer axialen Bewegung kann zusätlich auch noch ein am Gehäuse 42 befestigter
Lagerspiegel 46 vorgesehen sein. Alternativ ist es auch
möglich,
dass sich die Ankerwelle 11 noch deutlich über den
Kommutator 16 hinaus erstreckt. Dies ist beispielsweise
dann der Fall, wenn auf ihr noch eine Spindel zum Antrieb eines
Getriebes befestigt werden soll. Das Gehäuse 42 kann in diesem
Fall als ein Getriebegehäuse
ausgebildet sein, mit dem das elektromagnetische Abschirmmittel 32 mechanisch
und/oder elektrisch verbunden ist.
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Die 5 bis 7 zeigen
unterschiedliche Ausführungsbeispiele
des elektromagnetischen Abschirmmittels 32. Neben den Aussparungen 38 für die Bürsten 18 weist
es noch weitere Aussparungen 38 auf, die zum Einen eine
Kühlung
des Kommutators 16 bewirken und/oder eine Abtragung des
Bürstenabbrands
gewährleisten
und zum Anderen eine partielle Dämpfung
der Störemissionen
ermöglichen, wenn
beispielsweise das Gehäuse 42 des
Gleichstrommotors zum Teil selbst elektromagnetisch dampfend ausgestaltet
ist.
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Insbesondere
im Falle eines Metallblechs kann das Befestigungsmittel 36 direkt
aus dem elektromagnetischen Abschirmmittel 32 herausgeschnitten
und -gebogen werden. Eine elektrische Verbindung mit dem Spannungspotential,
beispielsweise über
die Leiterbahnen 42 des Bürstenträgers 23, ist somit
sehr einfach realisierbar. Die Anzahl und die Anordnung der Befestigungsmittel 36 ist
dabei abhängig
von der Stabilität
des elektromagnetischen Abschirmmittels 32 und kann beliebig
je nach den gegebenen Platzverhältnissen
variiert werden. Eine entsprechende Ausgestaltung der Befestigungsmittel 36 ist
auch für
ein metallbedampftes bzw. -durchzogenes Kunststoffmaterial möglich.
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Auch
die Anzahl und Form der Aussparungen 38 kann in Abhängigkeit
der jeweiligen Anforderungen an die Luftzirkulation und/oder die
elektromagnetische Verträglichkeit
(EMC) des Gleichstrommotors verändert
werden. Während
zum Beispiel in 5 neben den beiden Aussparungen 38 für die Bürsten vier
weitere, axial ausgerichtete Aussparungen 38 vorgesehen
sind, weist das elektromagnetische Abschirmmittel 32 in 6 lediglich
zwei weitere, schräg
verlaufende Aussparungen 38 auf. Die Aussparungen 38 können natürlich auch
als deultich schmalere Schlitze ausgebildet sein. Zudem ist es möglich, die
Anzahl und Form der Aussparungen 38 für die Bürsten 18 je nach Anforderung
bzw. Wunsch ohne Einschränkung
der Erfindung abzuwandeln.
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In 7 ist
schließlich
ein elektromagnetisches Abschirmmittel 32 dargestellt,
dass aus mehreren Einzelteilen besteht, die mittels der jeweiligen Befestigungsmittel 36 an
dem Bürstenträger 23 und/oder
dem Gehäuse 42 fixiert
werden. Auch in diesem Fall ist eine Abdeckung zumindest des Bereichs
des am Aufpunkt 34 der Bürsten 18 auf den Kommutatorlamellen 28 entstehenden
Bürstenfeuers gewährleistet,
selbst, wenn das elektromagnetische Abschirmmittel 32 den
Kommutator 16 nur über
Teile seines Umfangs umschließt.
Eine derartige Ausgestaltung kann beispielsweise dann von Vorteil
sein, wenn das Gehäuse 42 des
Gleichstrommotors im Bereich der größten Aussparung 38 des
elektromagnetischen Abschirmmittels 32 selbst als Abschirmung dient
oder, wenn besondere Anforderungen an die Kühlung des Kommutators 16,
insbesondere bei einem sehr hochdrehenden Gleichstrommotor, gestellt werden.
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Es
sei abschließend
noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 7 noch
auf die Anzahl und Form der Bürsten 18 sowie
der Befestigungsmittel 36 und Aussparungen 38 des
elektromagnetischen Abschirmmittels 32 beschränkt ist.
Auch die dargestellte Form des Bürstenträgers 23 ist
nicht einschränkend für die Erfindung
zu betrachten.