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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Kommutatoren zur Stromwendung und -übertragung auf Ankerwicklungen in elektrischen Maschinen, die gemeinsam mit dem Rotor umlaufen. Der Kommutator umfasst einen ankerseitigen, zylindrischen Kollektor mit über den Umfang verteilten Lamellen, an denen zur Stromübertragung Kohlebürsten in Schleifkontakt anliegen.
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Als Überlastschutz können Thermoschalter oder verhältnismäßig schwach dimensionierte Bürstenlitzen, über die die Kohlebürsten mit Strom versorgt werden, eingesetzt werden. Bei einem erhöhten Wärmeeintrag schmilzt die Litze durch, wobei aufgrund der Querschnittsreduzierung die verbleibenden Querschnitte in den Bürstenlitzen gleicher Polarität nach kurzer Ansprechzeit ebenfalls unterbrochen werden und damit der Stromfluss unterbunden wird. Es besteht allerdings die Gefahr glühender Litzen außerhalb des Motorgehäuses der elektrischen Maschine.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen wirksamen Überlastschutz in einer elektrischen Maschine zu schaffen, wobei zugleich ein verbesserter Schutz gegen glühende Teile außerhalb des Motorgehäuses gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Kommutator wird in elektrischen Maschinen zur Stromübertragung und -wendung auf ankerseitige Wicklungen, welche mit dem Rotor umlaufen, eingesetzt. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine.
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Der Kommutator weist einen ankerseitigen Kollektor mit über den Umfang verteilten Lamellen auf, mit denen die Wicklungsenden der Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind. Benachbart, segmentförmig ausgebildete Lamellen des Kollektors sind elektrisch voneinander separiert. An der Mantelfläche des Kollektors liegen Bürsten an, üblicherweise Kohlebürsten, die in Schleifkontakt mit dem Kollektor stehen und über die die Stromübertragung erfolgt. Der ankerseitige Kollektor und die Bürsten bilden gemeinsam den Kommutator für die elektrische Maschine.
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Als thermische Überlastsicherung ist ein im normalen Betrieb elektrisch isoliertes, thermisch verformbares Kurzschlusselement am Kollektor angeordnet, das mit einer elektrisch leitenden Kontaktbrücke versehen ist. Im Falle des Überschreitens einer Grenztemperatur wird die Kontaktbrücke am Kurzschlusselement in eine mindestens zwei Lamellen am Kollektor kurzschließende Kurzschlussposition überführt.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Auslösung des Kurzschlusses von der Temperatur des Ankers abhängt und nicht durch sonstige Wärmequellen und -kapazitäten wie den Bürsten oder Litzen zur Stromversorgung der Bürsten abhängt. Ein weiterer Vorteil liegt in der Position des Kurzschlusselementes unmittelbar am Kollektor, so dass ein Glühen von Teilen außerhalb des Motorgehäuses vermieden wird. Der Kurzschluss erfolgt über die Kontaktbrücke des Kurzschlusselementes in der Regel direkt zwischen benachbarten Lamellen des Kollektors, woraufhin die Bürstenlitzen durch den auftretenden Kurzschlussstrom innerhalb kurzer Zeit sicher zerstört werden und der Starterstrom unterbrochen wird. Die Auslösung der Stromunterbrechung wird durch Kurzschluss von mehreren Kommutatorlamellen und damit deutlicher Stromerhöhung durch sehr schnelles Durchbrennen der Bürstenlitzen durch das Zusatzelement auf dem Kollektor übertragen.
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Da die Bürstenlitzen selbst keine auslösende Funktion für den Überlastschutz besitzen, können diese mit größeren Querschnitten ausgeführt werden, wodurch sich die Leistung der elektrischen Maschine erhöht und die Bürsten sich weniger stark durch die Verluste in den Litzen aufheizen.
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Das Kurzschlusselement steht im Normalfall in einer Außerfunktionsposition und wird im Überlastfall thermisch verformt, woraufhin die elektrisch leitende Kontaktbrücke am Kurzschlusselement in die Kurzschlussposition überführt wird, in der mindestens zwei Lamellen am Kollektor kurzgeschlossen sind. Der Kurzschluss erfolgt üblicherweise durch unmittelbaren Kontakt zwischen der Kontaktbrücke und den benachbarten Lamellen. Möglich ist aber auch ein mittelbarer Kontakt zwischen den Lamellen über die Kontaktbrücke, beispielsweise indem die Kontaktbrücke an Wicklungsenden der Ankerwicklung anliegt, die unterschiedlichen Lamellen zugeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass das Kurzschlusselement als ein Bimetallelement ausgebildet ist bzw. ein Bimetallelement umfasst. Mit Übersteigen einer Grenztemperatur verformt sich das Bimetallelement, wodurch die Kurzschlussposition der Kontaktbrücke erreicht wird. Dies kann mit einem sogenannten Knackfrosch-Effekt einhergehen, bei dem das Bimetallelement mit dem Überschreiten der Grenztemperatur schlagartig aus der Außerfunktionsposition in die Kurzschlussposition überführt wird.
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Möglich sind sowohl Ausführungen, in denen das gesamte Kurzschlusselement als Bimetallelement ausgeführt ist als auch Ausführungen, in denen lediglich ein Teil des Kurzschlusselements als Bimetallelement ausgebildet ist. Im letztgenannten Fall besteht beispielsweise die Kontaktbrücke aus einem Bimetallelement. Möglich ist es aber auch, nicht die Kontaktbrücke als Bimetallelement auszuführen, sondern die Kontaktbrücke mit einem Bimetallelement zu verbinden, beispielsweise mit den Enden der Kontaktbrücke, wobei die Kontaktbrücke durch die thermisch ausgelöste Verformung des Bimetallelementes in die Kurzschlussposition gebracht wird.
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Grundsätzlich kommen aber auch andere thermisch verformbare Materialien in Betracht, soweit diese geeignet sind, mit dem Überschreiten der Grenztemperatur die Kontaktbrücke in die Kurzschlussposition zu beaufschlagen. Beispielsweise ist es möglich, die Kontaktbrücke aus Metall unter Vorspannung in einem Kunststoff-Kurzschlusselement anzuordnen, wobei der Kunststoff mit Überschreiten der Grenztemperatur weich wird bzw. schmilzt, so dass die Kontaktbrücke durch ihre Vorspannung in die Kurzschlussposition überführt wird.
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Die Kontaktbrücke ist, gemäß vorteilhafter Ausführung, als ein Kreisringsegment ausgebildet, das mindestens zwei benachbarte Lamellen, gegebenenfalls auch eine größere Anzahl an Lamellen am Kollektor in der Kurzschlussposition verbindet. Möglich ist auch eine Ausführung der Kontaktbrücke als umlaufender, elektrisch leitender Ring.
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Der Kollektor weist zweckmäßigerweise einen radial verbreiterten Kommutatorbund auf, an dem die Wicklungsenden der Ankerwicklung aufgenommen sind. Hierzu weist der Bund beispielsweise radial verlaufende Aufnahmenuten auf, in die die Wicklungsenden eingesetzt sind. Das Kurzschlusselement ist so angeordnet, dass die Kontaktbrücke in der Kurzschlussposition an der Stirnseite des Bundes des Kollektors anliegt. Die Segmentierung des Kollektors setzt sich auch im Bund fort, so dass die stirnseitig anliegende Kontaktbrücke in der Kurzschlussposition zwei Segmente bzw. Lamellen miteinander verbindet und kurzschließt.
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Das Kurzschlusselement ist insbesondere in der Ausführung des Kollektors mit einem radial verbreiterten Bund zweckmäßigerweise unmittelbar benachbart zu den Wicklungsenden der Ankerwicklung angeordnet, insbesondere in der Weise, dass das Kurzschlusselement als ein ringförmiges Bauteil ausgebildet ist, das auf den zylindrischen Kommutatorbund des Kollektors bis zur Stirnseite des Bundes aufgeschoben ist. Das Kurzschlusselement bildet eine Kappe und umgreift die Wicklungsenden radial, so dass das Kurzschlusselement zusätzlich zu seiner Überlastfunktion auch eine die Wicklungsenden gegen radiales Herausschleudern sichernde Funktion übernimmt.
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Um in der Außerfunktionsposition einen Kurzschluss zu vermeiden, ist das Kurzschlusselement an seiner Innenseite zweckmäßigerweise elektrisch isolierend ausgeführt, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung. Lediglich die Kontaktbrücke ist elektrisch leitend ausgebildet; diese befindet sich aber in der Außerfunktionsposition mit Abstand zu den Lamellen am Kollektor und gelangt nur in der Kurzschlussposition auf Kontakt zu den Lamellen.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung weist das Kurzschlusselement einen Stützabschnitt auf, der sich am Kollektor abstützt. In der Ausführung des Kollektors mit radial erweitertem Bund befindet sich der Stützabschnitt vorteilhafterweise an der umlaufenden, radial außen liegenden Stirnkante des Bundes und ermöglicht die beabstandete Außerfunktionsposition der Kontaktbrücke zu den Lamellen bzw. Segmenten an der Stirnseite des Bundes.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine elektrische Maschine in Seitenansicht mit einem Kommutator, welcher einen ankerseitigen Kollektor und Bürsten zur Stromübertragung umfasst, mit einem thermisch verformbaren Kurzschlusselement in Form einer auf den Kollektor aufgeschobenen Kappe,
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2 eine 1 entsprechende Darstellung einer elektrischen Maschine, jedoch mit dem Kurzschlusselement in einer alternativen Ausführung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 gezeigte Anker einer elektrischen Maschine ist Teil eines Startermotors 1 für eine Brennkraftmaschine und weist in einem nicht dargestellten Motorgehäuse eine drehbar gelagerte Ankerwelle 3 auf, auf die ein Ankerpaket 2 mit Ankerleitern 9 aufgeschoben ist. Die Leiter der Ankerwicklungen werden über einen Kommutierungseinrichtung 4 mit Strom versorgt, die einen ankerseitigen Kollektor 5 sowie Bürsten 6 umfasst, die auf Schleifkontakt zur Mantelfläche des zylindrischen Kollektors 5 liegen. Der Kollektor 5 weist über seinen Umfang aus einer Vielzahl von Lamellen 7 auf, wobei benachbarte Lamellen 7 elektrisch voneinander isoliert sind. Der Kollektor 5 weist des Weiteren auf der Ankerseite einen radial überstehenden Bund 8 auf, der die gleiche Segmentierung wie die Lamellen 7 aufweist und an dessen radialer Außenseite sich in Axialrichtung erstreckende Nuten zur Aufnahme von Ankerleiterenden 9 eingebracht sind, die elektrisch in Kontakt mit den Lamellen stehen.
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Des Weiteren ist ein Kurzschlusselement 10 in Form einer ringförmigen, auf den Kollektor 5 aufschiebbaren Kappe vorgesehen, wobei das Kurzschlusselement 10 mit einem zylindrischen Abschnitt 11 die radiale Außenseite des Bundes 8 des Kollektors übergreift und damit die Ankerleiterenden 9 in den Aufnahmennuten im Bund gegen ein Herausschleudern sichert. Der als Ringscheibe ausgeführte, sich in Radialrichtung erstreckende Teil des Kurzschlusselementes 10 weist ein Bimetallelement 12 auf, mit dem eine Kontaktbrücke 13 in Form eines Kreisringsegmentes verbunden ist, wobei die Kontaktbrücke 13 aus einem elektrisch leitenden Material besteht und im regulären Betrieb auf Abstand zu der Stirnseite des Bundes 8 liegt. Diese Position stellt die Außerfunktionsposition des Kurzschlusselementes 10 dar, in der ein Kurzschluss zwischen benachbarten Lamellen vermieden ist. Das Bimetallelement 12 und die Kontaktbrücke 13 sind als einteiliges Bauteil ausgeführt.
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Bei einer Erwärmung des Bimetallelementes, ausgelöst durch eine Wärmeübertragung vom Anker, verformt sich das Bimetallelement 12 und beaufschlagt die Kontaktbrücke 13 in eine auf Kontakt zur Stirnseite des Bundes 8 liegende Kurzschlussposition, in der mindestens zwei benachbarte, segmentförmige Lamellen elektrisch verbunden und dadurch kurzgeschlossen sind.
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Der Übergang zwischen dem radial außen liegenden zylindrischen Abschnitt 11 und dem sich in Radialrichtung erstreckenden, ringscheibenförmigen Abschnitt des Kurzschlusselementes, welcher das Bimetallelement 12 sowie die Kontaktbrücke 13 enthält, wird von einem Stützabschnitt 14 gebildet, der sich unmittelbar an dem Bund 8 abstützt. Der Stützabschnitt 14 befindet sich benachbart zur radialen Außenseite an der Stirnkante des Bundes 8 und stellt sicher, dass in der Außerfunktionsposition ein ausreichend großer Abstand zwischen der Kontaktbrücke 13 und der benachbarten Stirnseite des Bundes 8 gegeben ist.
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Der ringscheibenförmige Abschnitt des Kurzschlusselementes 10 kann über den Umfang verteilt eine Mehrzahl radialer Schlitze aufweisen, welche den ringscheibenförmigen Abschnitt in Ringsegmente unterteilen, in denen jeweils ein Bimetallelement 12 sowie eine Kontaktbrücke 13 in Form eines Ringes oder Kreisringsegments angeordnet ist. Bei einer Erwärmung verformt sich das betreffende Bimetallelement 12 und drückt die Kontaktbrücke 13 gegen die Stirnseite des Kommutatorbundes 8. Im Anlagebereich von Kommutatorbund 8 und den Abschnitten 11 und 14 des Kurzschlusselementes 10 kann eine Isolationsschicht vorhanden sein.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Kurzschlusselement 10 im Bereich seiner sich in Radialrichtung erstreckenden Ringscheibe ebenfalls ein Bimetallelement 12 und eine Kontaktbrücke 13 aufweist, die von dem Bimetallelement 12 im Falle des Überschreitens einer Grenztemperatur in die Kurzschlussposition verstellt wird, in der die Kontaktbrücke 13 auf Kontakt zur Stirnseite des radial erweiterten Kommutatorbundes 8 anliegt. Das Bimetallelement 12 weist in Radialrichtung nach Art einer ringförmigen Barometermembrane eine konzentrische Wellenstruktur auf, welche beim Überschreiten der Grenztemperatur die Kontaktbrücke 13 in Richtung auf den Kommutatorbund 8 verstellt. Die ringförmigen Strukturen, die der Stirnseite des Kommutatorbundes 8 zugewandt sind, bilden die Kontaktbrücken, welche in der Außerfunktionsposition auf Abstand und in der Kurzschlussposition auf Kontakt zur Stirnseite des Kommutatorbundes 8 liegen.
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In beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 können die Kontaktbrücken 13 einteilig mit dem Bimetallelement 12 ausgebildet sein. Möglich ist aber auch eine Ausführung als eigenständiges Bauteil, das separat von dem Bimetallelement ausgebildet ist und von diesem in Richtung der Kurzschlussposition beaufschlagt wird.
