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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kommutator aus einem auf der Ankerwelle der Maschine befestigten Lamellenträger und einer Vielzahl von auf dem Umfang des Lamellenträgers verteilt und voneinander isoliert befestigten Lamellen.
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Eine solche Maschine ist aus
GB 1 505 806 bekannt. Kommutatoren erhitzen sich bekanntermaßen aufgrund von hoher Reibung zwischen den Bürsten und den Lamellen sowie – was noch bedeutender ist – aufgrund häufig auftretender Lichtbögen zwischen den Bürsten und den Lamellen. In der bekannten Maschine ist der Lamellenträger zugunsten der besseren Durchlüftung und Wärmeabfuhr aus drei auf einer Hülse befestigten Scheiben gebildet, durch die zwei ringförmige Kammern unter den aufmontierten Lamellen entstehen. Durch etwa koaxial zur Ankerwelle in den Scheiben angebrachte Durchgangslöcher sind die Kammern untereinander und mit der Außenumgebung lufttechnisch verbunden. Die Belüftung eines solchen Ankers ist zwar sehr gut; jedoch hat diese Konstruktion erhebliche Mängel in Bezug auf ihre Festigkeit. Die Kommutator-Lamellen können damit nicht ausreichend sicher gegen die vom Bürstenschleifer verursachten Schwingungen fixiert werden, die im Betrieb zu unangenehmen Geräuschen und schnellerem Verschleiß führen.
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Eine andere bekannte Maschine (
JP 02097252 A ) hat demgegenüber einen Lamellenträger aus einer auf der Ankerwelle befestigten Hülse aus Vollmaterial, in deren Mantel die Lamellen mittels einer sehr sicheren Formschlussverbindung auf der gesamten Mantellänge gehalten sind. Zur Kühlung des Kommutators sind hierin der Länge der Hülse nach Durchgangslöcher in der Hülse vorgesehen, die eine Luftströmung während der Drehung des Ankers zulassen. Damit eine Eigenströmung aufgrund von Zentrifugalkräften zustande kommt, haben die Achsen der Durchgangslöcher eine Neigung gegenüber der Achse der Ankerwelle. Bei solchen Durchgangslöchern besteht allerdings die Gefahr, dass Verwirbelungen durch sich drehende Teile der Maschine – z. B. durch den Anker – die gleichmäßige Strömung der Kühlluft durch die Durchgangslöcher beeinträchtigen. Eine theoretische Berechnung der Kühlleistung ist daher kaum möglich; denn gewickelte Maschinenanker sind nicht in allen Einzelheiten, die eine Luftströmung verursachen können, reproduzierbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Kommutator im Betrieb eine gute Kühlung erfährt, dennoch aber die Lamellen absolut schwingungsfrei auf dem Lamellenträger gehalten werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in der Weise gelöst, dass der Lamellenträger auf seiner gesamten Mantellänge unmittelbaren Formschluss mit den Lamellen hält und auf der vom Anker abweisenden Stirnseite mit einer Mehrzahl von gleichmäßig auf einer oder mehreren Kreislinien verteilten und im Wesentlichen in Richtung der Ankerwelle ausgerichteten Sacklöchern versehen ist.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Vergrößerung der abstrahlenden Fläche am Lamellenträger bereits zu einer erheblichen Kühlwirkung beiträgt. Diese Flächenvergrößerung und Erhöhung der Kühlwirkung findet schon durch die erfindungsgemäße Anbringung von Sacklöchern im nennenswerten Maße statt. Von besonderer Bedeutung ist aber, dass die Anbringung von Sacklöchern die innere Festigkeit des Lamellenträgers so gut wie nicht beeinträchtigt, so dass die Lamellen dennoch sicher und schwingungsfrei auf dem Lamellenträger sitzen. Da auf der vom Anker wegweisenden Seite des Kommutators die weniger erhitzte Luft strömt, ist die Kühlung des Kommutators effektiver, wenn die Sacklöcher auf dieser Seite angebracht sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sacklöcher mit einer gegenüber den Sacklöchern erweiterten Eingangsöffnung versehen. Eine solche Erweiterung der Eingangöffnungen fördert einerseits die Belüftung der Sacklöcher und verhindert die Bildung von Pfeifgeräuschen beim Drehen des Kommutators.
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In besonderer Weise werden diese Vorteile ausgespielt, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Eingangsöffnung eine nach außen sich erweiternde Trichterform aufweist. Einfache Kegelsenkungen der Eingangsöffnungen lassen bereits eine gute Wirkung erkennen. Vorteilhaft ist jedoch eine über das übliche Maß hinaus vergrößerte Kegelsenkung.
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In einer den Luftaustausch im Innenraum des Sackloches verstärkenden Weise ist die Erfindung dadurch besonders vorteilhaft weiterzubilden, wenn die Trichterform derart asymmetrisch ausgebildet ist, dass ihre Eingangsöffnung gegenüber dem Querschnitt des zugehörigen Sackloches gegen die Drehrichtung des Ankers versetzt ist. Vor allem aufgrund der asymmetrischen Ausbildung wird bereits eine eigendynamische Luftströmung von außen in das Sackloch und von dort wieder nach außen gefördert. Die Kühlungswirkung kann dadurch im erheblichen Maße gesteigert werden. Außerdem ist eine solche Ausformung resistent gegen Schwingungen einer Luftsäule im Sackloch.
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Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Sacklöcher eine von einer Zylinderform abweichende Form aufweisen, wird innerhalb der Sacklöcher die Strömungsbildung nochmals unterstützt. Dabei kann die abweichende Form eine Kegelform sein oder eine konische Form mit nicht kreisrundem Querschnitt.
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Insbesondere bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Luftströmung im Betrieb sehr vorteilhaft dadurch gebildet bzw. unterstützt werden, dass die Eingangsöffnung von der Achse der Ankerwelle weiter entfernt ist als der Boden des Sackloches.
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Anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Erfindung nachstehend erläutert. Es zeigen
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1 einen aufgeschnitten dargestellten Kommutator ohne Ankerwelle, so dass die Querschnitte der Lamellen und des Lamellenträgers zu erkennen sind,
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2 bis 5 mehrere unterschiedliche Ausführungsformen für die Innenkontur eines Sackloches.
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Der Kommutator in 1 besteht im Wesentlichen aus einem Lamellenträger 1 und mit ihm verbunden Lamellen 2. Der Lamellenträger 1 kann aus einem stabilen metallischen Körper bestehen, wenn dafür gesorgt ist, dass die Lamellen 2 alle einzeln gegen den Lamellenträger galvanisch getrennt sind. Jede Lamelle 2 hat eine elektrische Verbindung mit der elektrischen Motorspeisung, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Lamellen 2 bestehen regelmäßig aus einer Kupferlegierung und sind durch zwischen den Lamellen 2 eingebettete Isolierkörper 3 galvanisch voneinander getrennt. Die Lamellen 2 und die Isolierkörper 3 sind durch eine so genannte Schwalbenschwanzführung aus Formstrukturen 4 in den Lamellenträger 1 eingefädelt und über einen strammen Passsitz miteinander verbunden. Dies ergibt einen sehr sicheren Sitz der Lamellen 2 auf dem Lamellenträger 1 und eine schwingungsfreie, kompakte Verbindung.
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Auf der vom Anker wegweisenden Stirnseite 1.1 sind in den Lamellenträger 1 kreisringförmig zwölf Sacklöcher 5 eingebracht, die im Wesentlichen parallel zur Achse 7 des Lamellenträgers 1, die mit der Achse der nicht dargestellten Ankerwelle identisch ist – angeordnet sind.
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Bei (6) sind die Sacklöcher 5 geschnitten erkennbar und stellen sich hier als schwach keglige Löcher dar. Sie haben an ihren Eingangsöffnungen 8 erweiterte Eingänge in Form von Kegelsenkungen 9, die ein Pfeifen der Sacklöcher beim Drehen des Kommutators bereits weitgehend verhindern. Die Sacklöcher 5 gemäß 1 vergrößern die abstrahlende Fläche des Lamellenträgers 1 auf fast das Doppelte, so dass sie wesentlich zur Kühlung des Kommutators beitragen.
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Die Orientierung der Sacklöcher 5 auf einem Kreisring kann, sofern im Lamellenträger 1 genügend Platz ist und die Festigkeit darunter nicht leidet, zugunsten einer Anordnung eines zweiten Kreisrings erweitert werden. Dabei können die Sacklöcher 5 der beiden Kreisringe platzsparend versetzt zueinander angebracht sein.
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In den 2 bis 5 sind von je einem Sackloch 5 nur die Innenkonturen dargestellt. In 2 hat das zylindrische Sackloch 5 eine Eingangsöffnung 8, die im Gegensatz zur üblichen Kegelsenkung 9 zur Brechung einer scharfen Ringkante durch eine Kegelsenkung 10 größeren Ausmaßes gekennzeichnet ist. Eine solche größere Kegelsenkung 10 lässt bereits eine Luftzirkulation 11 zu, die durch eine Anströmung der in Bewegungsrichtung 12 des Kommutators vorn liegenden Kante 10.1 der Eingangsöffnung 8 entsteht, mehr oder weniger weit in das Sackloch 5 eindringt und an der Ausströmungskante 10.2 auf der gegenüber liegenden Seite wieder ins Freie tritt. Auf diese Weise kann weitere Wärmeenergie abgeführt werden.
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Weiter verbessern lässt sich die Abführung der Wärmeenergie in einem Beispiel gemäß 3, bei dem die Trichterform der Kegelsenkung 14 des Sackloches 5 derart asymmetrisch verformt ist, dass ihre Eingangsöffnung 8 gegenüber dem Querschnitt des zugehörigen Sackloches 5 gegen die Drehrichtung 12 des Ankers versetzt ist. Die Achsen 15 des Sackloches 5 und 16 der Kegelsenkung 14 verdeutlichen dies. Durch eine in die Zeichnungsebene geklappte Ovallinie 17, die den Rand der Kegelsenkung 14 symbolisiert, ist diese Versetzung ebenfalls erkennbar. Hier dringt die Luftzirkulation 18, die prinzipiell denselben Gesetzen wie die Strömung der Luftzirkulation 11 in 2 folgt, tiefer in das Sackloch 5 ein und kann dadurch noch mehr Wärmeenergie aufnehmen und abführen.
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Das Sackloch 5 in 4 ist kegelig geformt. Es vermeidet dadurch zusätzlich Pfeifgeräusche. Wichtiger aber ist hier der Vorteil, dass die Strömung der Luftzirkulation 19 noch tiefer in das Sackloch 5 eindringen kann und zusätzliche Wärmeenergie abführt, indem die Strömung noch eine Twistbewegung 20 ausführt.
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Eine weitere Steigerung der Wärmeabfuhr ist durch eine Formung des Sackloches 5 als Kegel oder als einer Kegelform ähnlicher Hohlraum mit nicht kreisrundem Querschnitt möglich, dessen Achse 21 gegen die Drehrichtung 12 des Kommutators geneigt ist. Dadurch ist diese Achse 21 in Höhe der Eingangsöffnung 8 weiter von der Drehachse des Kommutators entfernt als in Höhe des Bodens 22 des Sackloches 5. Hierdurch wirken die Zentrifugalkräfte der weiter von der Drehachse entfernten Luftsäule in der Nähe der Eingangsöffnung 8 gegenüber den Luftmassen tiefer im Sackloch 5 beschleunigend auf die Bewegung der Luftzirkulation 23, die dadurch intensiviert wird. Dies ist durch eine fettere gestrichelte Linie gegenüber den entsprechenden Linien in 2 bis 4 angedeutet.
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Der Boden 22 ist in 5 gegenüber den anderen Beispielen auch noch intensiver verrundet, was die Strömung der tief in das Sackloch eindringenden Luftzirkulation 23 fördert. In den Beispielen der 2 bis 5 kann es außerdem für die Luftzirkulation förderlich sein, wenn die Innenwände der Sacklöcher 5 poliert sind, was die Reibung der Luftströmungen an den Wänden verringert. Einzelne Merkmale dieser Art sind auf andere Ausführungsbeispiele übertragbar, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1505806 [0002]
- JP 02097252 A [0003]
