-
Die Erfindung betrifft einen Kommutator für eine rotierende elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor.
-
Bei derartigen Kommutatoren handelt es sich jeweils um einen Kommutatorlamellen umfassenden Teil einer Stromumkehrvorrichtung, die mit Bürsten der jeweiligen elektrischen Maschine zusammen wirkt. Die Bürsten sind beispielsweise als federnd gelagerte Kontaktstücke ausgebildet, die an einem zylindrischen Umfang des Kommutators schleifen und wechselweise verschiedene Kommutatorlamellen kontaktieren.
-
Ein derartiger Kommutator eines Elektromotors ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 007 611 A1 bekannt. Der dortige Kommutator weist einzelne Lamellen auf, die mit einem nabenartigen Tragring verbunden sind. Zudem sind dort Entstörkondensatoren vorgesehen, die mit den einzelnen Lamellen elektrisch leitend verbunden sind. Die Kondensatoren wirken mit einer Entstörschaltung zusammen, die dort mit den Bürsten des Motors verbunden ist.
-
Aus der gattungsgemäßen
DE 103 06 516 A1 ist ein Kommutator für eine rotierende elektrische Maschine mit Kommutatorlamellen zur Kontaktierung von Bürsten und mit je zwei Anschlusskontakte aufweisenden Kondensatoren bekannt, der mit zwei einander benachbarten Kommutatorlamellen mittels je eines Anschlusskontaktes elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Kommutatorlamellen jeweils Anschlussflächen aufweisen, die bezüglich der Rotationsachse radial nach innen weisen und mit denen je ein Kondensator elektrisch kontaktiert ist. Ein federnder Kontakt zu den Kondensatoren wir dort durch federnde Fortsätze der Kommutatorlamellen hergestellt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, bei einem Kommutator mit einer Mehrzahl von Kommutatorlamellen und mit wenigstens einem Kondensator einen möglichst einfachen Aufbau zu schaffen, der einfach montierbar und funktionssicher sein sollte.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie jeweils mit den Merkmalen der übrigen unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Dazu ist bei einem Kommutator der eingangs genannten Art für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einer Rotationsachse und mit mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten, gegeneinander elektrisch isolierten Kommutatorlamellen zur Kontaktierung von Bürsten und mit wenigstens einem, zwei Anschlusskontakte aufweisenden Kondensator, der mit zwei einander mittelbar oder unmittelbar benachbarten Kommutatorlamellen mittels je eines Anschlusskontaktes elektrisch leitend verbunden ist, ein Axialabschnitt vorgesehen, in dem die Kommutatorlamellen Kontaktflächen aufweisen, die bezüglich der Rotationsachse radial nach innen weisen und mit denen ein Kondensator in elektrischem Kontakt steht. Zur Lösung der Aufgabe ist zudem ein Spreizelement vorgesehen, das in dem ersten Axialabschnitt derart in Bezug auf die Rotationsachse radial nach innen elastisch komprimierbar und zwischen den Kontaktflächen radial innen einklemmbar ist, dass es den/die Kondensator(en) mit ihren Anschlusskontakten radial nach außen gegen die Anschlussflächen drückt.
-
Derartige Kommutatoren können beispielsweise bei Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren, vorgesehen werden, die im Automobilbereich eingesetzt werden und müssen dann vorzugsweise gut elektrisch entstört werden. Zu diesem Zweck kann ein oder eine Mehrzahl von Kondensatoren zwischen den Kommutatorlamellen derart vorgesehen sein, dass jeweils zwei Lamellen über einem Kondensator elektrisch miteinander verbunden sind. Ein erfindungsgemäßes Spreizelement erlaubt ein Anpressen eines Kondensators bezüglich der Kommutatorachse gesehen radial von innen gegen die Kontaktflächen der Kommutatorlamellen, die radial nach innen weisen. Die Kondensatoren können ausschließlich durch den Anpressdruck mit ihren Anschlusskontakten gegen die Anschlussflächen der Kommutatorlamellen gedrückt und somit kontaktiert werden. Es kann jedoch optional zusätzlich auch noch eine andere Art der Verbindung hergestellt werden, beispielsweise durch Einfügen von thermisch leitenden Pasten oder durch zusätzliches Verlöten oder leitendes Verkleben.
-
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Kommutatorlamellen fest mit einem isolierenden Tragring in Form einer Nabe verbunden, vorteilhaft mit diesem vergossen sind.
-
Diese Konstruktion ist eine bei Kommutatoren an sich übliche Ausführungsform, wobei der Tragring eine Nabe bildet, die mit einer Welle verbunden oder auf diese aufgeschoben sein kann, und wobei der Tragring typischerweise aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem Thermoplast oder einem Harz besteht.
-
Die Kommutatorlamellen können zur besseren Verankerung in der Kunststoffmatrix auch radial nach innen weisende Formschlusselemente aufweisen. Diese können beispielsweise auch Hinterschneidungen aufweisen, um eine formschlüssige Verbindung mit dem Tragring zu ermöglichen.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Kommutator an der radial inneren Seite der Kommutatorlamellen vor den Anschlussflächen Ausnehmungen für Kondensatoren aufweist. Diese Ausnehmungen können dazu dienen, die Kondensatoren zunächst zu positionieren, bevor das Spreizelement zur endgültigen Fixierung eingesetzt wird. Die Ausnehmungen können auch zusätzlich zur genauen Positionierung der Kondensatoren in Umfangsrichtung dienen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlussflächen in einem ersten Axialabschnitt der Kommutatorlamellen angeordnet sind, der axial über den Tragring hinausragt. Der Tragring ist dann insgesamt etwas kürzer in Axialrichtung gearbeitet als die Kommutatorlamellen, so dass die Kommutatorlamellen in dem ersten Axialabschnitt einen über den Tragring hinausragenden äußeren Rand des Kommutators bilden. An dem dem ersten Axialabschnitt gegenüberliegenden Ende des Kommutators können die Kommutatorlamellen beispielsweise zur besseren Kontaktierung einer Wicklung des Rotors so genannte Haken aufweisen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass jede Kommutatorlamelle radial innen zwei Anschlussflächen aufweist, die durch eine zwischen ihnen radial nach innen ragende Rippe getrennt sind, wobei insbesondere die Rippe als integraler Bestandteil der Kommutatorlamelle ausgebildet ist.
-
Grundsätzlich kann das Vorsehen einer radialen Rippe bei den Kommutatorlamellen diese stabilisieren und jeweils das radial nach innen weisende und in den Tragring eingegossene Teil der Kontaktlamellen bilden. Im Bereich des ersten Axialabschnittes können die Rippen dann zur Trennung der Räume für verschiedene Kondensatoren dienen.
-
Die Kondensatoren sind vorteilhaft als SMD-Bauteile (surface-mounted-device) ausgeführt, mit flächenartigen Anschlusskontakten, die leicht durch Anpressen mit den Anschlussflächen der Kommutatorlamellen in elektrischen Kontakt gebracht werden können.
-
Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, dass der/die Kondensator(en) zusätzlich mit den Kommutatorlamellen, insbesondere im Bereich der Anschlussflächen, verlötet ist/sind. Zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass wenigstens vier, insbesondere wenigstens zehn Kommutatorlamellen vorgesehen sind. Es können beispielsweise auch sechs, acht oder zwölf Kommutatorlamellen vorgesehen sein.
-
Zudem kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass wenigstens zwei, insbesondere wenigstens vier, vorzugsweise wenigstens zehn Kondensatoren vorgesehen sind. Die Zahl der Kondensatoren entspricht vorzugsweise der Zahl der Kommutatorlamellen. Dabei sind vorzugsweise die jeweils unmittelbar einander benachbarten Kommutatorlamellen mittels eines Kondensators miteinander elektrisch verbunden.
-
Die Erfindung bezieht sich zusätzlich auf einen Kommutator gemäß den obigen Ausführungen auch auf einen Elektromotor mit einem derartigen Kommutator. Der Elektromotor weist dann entsprechende Bürsten zur Kontaktierung des Kommutators und beispielsweise auch eine mit den Bürsten verbundene Entstörschaltung auf, die jeweils mit den Kondensatoren des Kommutators zusammen wirkt.
-
Die Erfindung bezieht sich zusätzlich zu einem Kommutator und einem Elektromotor mit einem solchen Kommutator auch auf einen Spreizkörper für einen entsprechenden Kommutator der oben genannten Art, der wenigstens einen kreisringförmigen Stützring aufweist. Der kreisringförmige Stützring kann dazu dienen, direkt oder mittelbar die Kondensatoren in radialer Richtung gegenüber den Anschlussflächen zu verklemmen.
-
Besonders vorteilhaft können einzelne, an dem Stützring abgestützte, von diesem radial nach außen weisende, jeweils in Radialrichtung elastisch komprimierbare Federkörper vorgesehen sein.
-
Derartige Federkörper können an den Stützring anmontiert oder mit diesem einstückig zusammenhängend ausgebildet sein. Die radiale Elastizität der Federkörper kann beispielsweise durch Biegen der Federkörper oder durch Materialelastizität realisiert sein, wenn die Federkörper beispielsweise aus einem gummiartigen Werkstoff oder einem Schaumstoff bestehen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht einen den Stützring radial umgebenden, an diesem insbesondere mittels der Federkörper abgestützten Federring vor, der in Radialrichtung elastisch komprimierbar und dafür eingerichtet ist, radial gegen wenigstens einen Kondensator zu drücken.
-
Besonders vorteilhaft können dann die Federkörper zwischen dem Stützring und dem Federring vorgesehen sein, um eine radial gerichtete Federkraft auf die Kondensatoren ausüben zu können. Ein Spreizkörper der genannten Art kann vorteilhaft beispielsweise als Spritzgussteil aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
-
Gemäß der Erfindung kann zudem bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kommutators vorgesehen sein, dass zunächst an radial nach innen weisenden Anschlussflächen der Kommutatorlamellen Kondensatoren platziert, diese dann mittels eines Spreizkörpers der oben beschriebenen Art verklemmt und darauf folgend mit den Anschlussflächen verlötet werden.
-
Der Spreizkörper kann somit als Hilfsmittel bei der Herstellung des Kommutators verwendet werden. Er kann entweder vorübergehend in den Kommutator eingesetzt und nach dem Verlöten der Kondensatoren entnommen werden oder auch dort selbst nach dem Verlöten der Kondensatoren zur zusätzlichen Sicherung verbleiben.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einem Längsschnitt schematisch Teile einen Elektromotor mit einem Kommutator,
-
2 einen Kommutator in einer perspektivischen Ansicht mit Kommutatorlamellen und an diesen angeordneten Kondensatoren,
-
3 einen Kommutator gemäß 2 in perspektivischer Ansicht mit einem Spreizelement,
-
4 eine Draufsicht in axialer Richtung des Kommutators auf ein Spreizelement,
-
5 einen Längsschnitt durch ein Spreizelement,
-
6 ein Detail aus einem Spreizelement mit einem Federkörper,
-
7 eine weitere Ausgestaltung eines Federkörpers, und
-
8 eine dritte Ausgestaltung eines Federkörpers an einem Spreizkörper.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt im Längsschnitt Teile eines Elektromotors, im Detail einen Kommutator 1, schematisch eine Rotorwicklung 2 sowie eine Statorwicklung 3 und angedeutet eine Welle 4, auf der der Kommutator 1 und die Rotorwicklung 2 befestigt sind.
-
Die Teile sind überwiegend schematisch dargestellt, um lediglich ihre jeweilige Position relativ zu einander zu verdeutlichen.
-
Zudem ist ein in einem (nicht dargestellten) Motorgehäuse angeordneter Bürstenhalter 5 mit einer Bürste 6 dargestellt. Elektrisch sind die Bürsten 6 im dargestellten Beispiel mit einer Entstörschaltung 7 verbunden.
-
Der Kommutator 1 weist Kommutatorlamellen 8, 9, 10 auf, die jeweils aus Metall bestehen und die mit einem aus einem Kunststoff bestehenden Tragring 11 durch Vergießen fest verbunden sind. Bei der im Schnitt dargestellten ersten Kommutatorlamelle 8 sind Formschlusselemente 12, 13 in Form von radial nach innen in Bezug auf die Rotorachse 14 ragenden Fortsätzen der Kommutatorlamelle 8 dargestellt. Diese sorgen für einen praktischen unlösbaren Verbund der Kommutatorlamellen 8, 9, 10 mit dem Tragring 11.
-
Der Tragring 11 kann beispielsweise aus einem Harz, insbesondere einem Gießharz, jedoch auch aus einem Thermoplast oder allgemein aus einem anderen Kunststoff bestehen. Es ist auch denkbar, den Tragring 11 aus einem anderen isolierenden Werkstoff zu formen, beispielsweise aus einer gesinterten Keramik.
-
In einem axialen Abschnitt, der in der 1 am oberen Ende des Kommutators 1 dargestellt ist, weist der Tragring 11 einen Absatz 15 an seiner inneren zylindrischen Mantelfläche auf, in den ein Teil eines Spreizkörpers 16 eingesetzt ist. Der eingesetzte Teil des Spreizkörpers 16 ist der Stützring, auf den weiter unten bei der genaueren Beschreibung des Spreizkörpers 16 noch detaillierter eingegangen wird.
-
In der Darstellung der 1 ist zusätzlich zum Stützring auch noch eine Vielzahl von Federkörpern sowie ein äußerer Federring zu erkennen.
-
Es ist zudem zu erkennen, dass der Tragring 11 axial kürzer ausgestaltet ist als die Kommutatorlamellen 8, 9, 10, so dass in dem ersten axialen Abschnitt 17 die Kommutatorlamellen 8, 9, 10 über den Tragring 11 axial hinausragen und gemeinsam einen äußeren umlaufenden Rand des zylindrischen Gesamtkörpers bilden.
-
An dem derart gebildeten Rand im ersten Axialabschnitt 17 sind an der Innenseite der Kommutatorlamellen 8, 9, 10 im Bereich von deren nicht näher bezeichneten Anschlussflächen jeweils als SMD-Bauteile ausgebildete Kondensatoren 18 angeordnet. Diese sind mittels des Spreizkörpers 16 radial nach außen verklemmt.
-
In 1 ist auch die zentrische hohlzylindrische Ausnehmung des Kommutators 1 zu erkennen, der die Fortsetzung der Welle 4 aufnimmt und somit die drehbare Lagerung des Rotors des Elektromotors ermöglicht.
-
In 2 ist in perspektivischer Ansicht der Kommutator 1 mit den Kommutatorlamellen 8, 9, 10 dargestellt, wobei jeweils zwischen zwei der Lamellen ein Kondensator 19, 20 angeordnet ist. Die Kondensatoren 19, 20 stehen mit den Anschlussflächen 21, 22, 23, 24 der Kommutatorlamellen 8, 9, 10 in elektrisch leitendem Kontakt. Jeder der Kondensatoren 19, 20 weist an seinen beiden Enden zu diesem Zweck leitende, nicht näher bezeichnete Anschlusskontakte auf.
-
Die Kondensatoren 19, 20, die an dem Kommutator 1 am Umfang umlaufend angeordnet sind, sind dort jeweils in so genannten Taschen, das heißt Ausnehmungen des Tragrings 11, eingelegt und positioniert. Zudem sind die Kondensatoren 19, 20 jeweils durch radial nach innen ragende Rippen 25, 26 der einzelnen Kommutatorlamellen voneinander getrennt.
-
Die Kommutatorlamellen 8, 9, 10 bilden gemeinsam eine zylindrische Außenfläche des Kommutators 1 aus, an dem bei Rotation des Rotors des Elektromotors die Bürsten 6 schleifend kontaktiert sind. Die Kommutatorlamellen 8, 9, 10 weisen an ihren axial jeweils der Rotorwicklung 2 zugewandten Enden Haken 27, 28 auf, die der Kontaktierung und Verbindung der Lamellen 8, 9, 10 mit der Rotorwicklung 2 dienen.
-
3 zeigt ebenfalls in perspektivischer Ansicht eine sehr ähnliche Ausgestaltung wie 2, wobei zusätzlich ein Spreizkörper 16 dargestellt ist, der beispielsweise aus einem Spritzgusswerkstoff besteht.
-
Der Spreizkörper 16 kann allein durch die Klemmung zwischen den Kondensatoren 19, 20 positioniert sein. Er kann jedoch auch, wie in 1 bereits dargestellt, alternativ oder zusätzlich an einem Absatz des Tragrings 11 positioniert und befestigt sein.
-
Der Spreizkörper 16 weist zu diesem Zweck einen Stützring 29 auf, an dem Federkörper 30, 31, jeweils radial nach außen gerichtet, befestigt sind. Die Federkörper 30, 31 sind jeweils an ihren radial äußeren Enden mit einem Federring 33, 33a verbunden, der anhand der 4 bis 8 näher erläutert ist.
-
Mittels des Spreizkörpers 16 sind die Kondensatoren 19, 20 kontaktierend gegen die Anschlussflächen der Kommutatorlamellen 8, 9, 10 gedrückt. Die Kondensatoren 19, 20 können durch diesen Anpressdruck allein kontaktiert und festgehalten werden. Sie können jedoch zusätzlich auch mit den Anschlussflächen verlötet oder leitend verklebt oder anderweitig mit diesen zusammengefügt sein.
-
In 4 ist der Spreizkörper 16 detaillierter dargestellt. Durch die Bruchlinie 32 ist die Darstellung in zwei Varianten geteilt, wobei auf der linken Seite der Bruchlinie 32 ein einstückiger Spreizkörper 16 mit einem Stützring 29, Federkörper 30, 31 und einem Federring 33 gezeigt ist.
-
Die Federkörper 30, 31 sind derart ausgebildet, dass sie radial nach außen, ausgehend von dem Stützkörper 29 eine mechanische Federwirkung ausüben können. Jeder Federkörper 30 sollte soweit verformbar sein, dass der Spreizkörper 16 insgesamt in radialer Richtung ein Stück weit elastisch ausgeweitet oder komprimiert werden kann, um bei einer Verklemmung eine elastische Federkraft in Radialrichtung ausüben zu können. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise insbesondere der Federring 33 verformbar.
-
Auf der rechten Seite der Bruchlinie 32 ist eine Variante dargestellt, bei der der Federring 33a in Umfangsrichtung an mehreren Stellen unterbrochen ist, um eine radiale Aufweitung zu erleichtern.
-
5 zeigt einen Schnitt durch einen Spreizkörper 16, bei dem der Stützring 29 und der Federring 33 deutlich zu erkennen sind, wobei die Federkörper 30 als gebogene Rippen ausgebildet sind. Im Querschnitt des Spreizkörpers 16 sind die Federkörper 30 beispielsweise radial gerade verlaufend ausgebildet.
-
Im Gegensatz dazu zeigt 6 ein Detail mit einer Draufsicht in Axialrichtung auf einen Ausschnitt eines Spreizkörpers 16 mit einem Stützring 29 und einem Federring 33, wobei ein zweiarmiger Federkörper 34 mit gegeneinander in einer Radialebene des Spreizkörpers 16 gebogenen Armen dargestellt ist.
-
7 zeigt ebenfalls einen Ausschnitt aus einem Spreizkörper 16 mit einem Federkörper 35, der innerhalb der Radialebene mäander- oder zickzackförmig abgewinkelt und damit in Radialrichtung komprimierbar ist.
-
8 schließlich zeigt einen Federkörper 36, der lediglich innerhalb der Radialebene gebogen ist und damit eine Bewegung des Federrings 33 gegenüber dem Stützring 29 in Radialrichtung erlaubt. Es ist beispielsweise vorstellbar, den Federring 33 gegenüber dem Stützring 29 zu verdrehen, um die Federkörper 36 zu biegen und damit eine Kompression beziehungsweise Expansion des Federrings 33 zu bewirken.
-
Gemäß einem vorteilhaften Verfahren kann ein Spreizkörper 16 der beschriebenen Art in einen Kommutator 1 mit Kondensatoren 19, 20 eingesetzt werden, um die Kondensatoren 19, 20 gegenüber den Kommutatorlamellen 8, 9, 10 zu fixieren. Darauf können die Kondensatoren 19, 20 in dem fixierten Zustand zusätzlich mit den Anschlussflächen der Kommutatorlamellen 8, 9, 10 verlötet werden. Darauf kann der Spreizkörper 16 entnommen werden. Er kann jedoch auch zur weiteren Verwendung und Fixierung des Kommutators 1 an diesem verbleiben.
-
Die Erfindung ermöglicht mit einfachen konstruktiven Mitteln eine zuverlässige Kontaktierung von Kondensatoren 19, 20, die beispielsweise der elektrischen Entstörung dienen können, an einem Kommutator 1. Der hierfür benötigte Spreizkörper 16 ist einfach herzustellen, gut handhabbar und sehr kostengünstig.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kommutator
- 2
- Rotorwicklung
- 3
- Statorwicklung
- 4
- Welle
- 5
- Bürstenhalter
- 6
- Bürste
- 7
- Entstörschaltung
- 8, 9, 10
- Kommutatorlamellen
- 11
- Tragring
- 12, 13
- Formschlusselemente
- 14
- Rotorachse
- 15
- Absatz
- 16
- Spreizkörper
- 17
- Axialer Abschnitt
- 18, 19, 20
- Kondensatoren
- 21, 22, 23, 24
- Anschlussflächen
- 25, 26
- Rippen
- 27, 28
- Haken
- 29
- Stützring
- 30, 31
- Federkörper
- 32
- Bruchlinie
- 33, 33a
- Federring
- 34
- Zweiarmiger Federkörper
- 35, 35
- Federkörper
