DE102013109960A1

DE102013109960A1 - Bürstenmotorkommutator mit Funkenunterdrückung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102013109960A1
Application number: DE102013109960.2A
Authority: DE
Inventors: James Ching Sik Lau; Wilfried Gorlt
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-03-13
Also published as: US20140070660A1; US9362698B2; JP6262476B2; JP2014057509A

Abstract

Ein Kommutator (10, 40, 54, 60, 64, 70, 76, 78) für einen Bürstenmotor umfasst eine zylindrische Isolierbasis (12), eine Vielzahl von Segmenten (14), die an einer Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) angeordnet sind, in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und eine Vielzahl von Schlitzen (42) zwischen benachbarten Segmenten (14) definieren, und eine Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24), die geeignet sind, ein Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und die an der Außenfläche (68) der zylindrischen Isolierbasis (12) angeordnet sind. Jedes Gasabgabeelement (24) liegt zwischen einem entsprechenden Paar der Vielzahl von Segmenten (14), hat eine Gasfreisetzungsfläche (26) zwischen dem entsprechenden Paar von Segmenten (14), die niedriger ist als eine Außenfläche (28) des entsprechenden Paares von Segmenten (14). Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators angegeben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Kommutator für Bürstenmotoren und insbesondere eine Funkenunterdrückungsanordnung für den Kommutator.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein typischer Bürstenmotor hat einen Ständer und einen Läufer. Der Läufer hat eine Welle, einen an der Welle befestigten Läuferkern, einen dem Läuferkern benachbart an der Welle befestigten Kommutator und Läuferwicklungen, die um die Zähne des Läuferkerns herumgeführt und mit dem Kommutator elektrisch verbunden sind. Der Ständer hat Ständermagnetpole, Stromanschlüsse und mindestens ein Bürstenpaar, das sich in Gleitkontakt mit Segmenten des Kommutators befindet. Die Läuferwicklungen werden über die Stromanschlüsse, die Bürsten und den Kommutator mit externer Energie versorgt. Wenn den Läuferwicklungen Strom zugeführt wird, bilden sie ein Läufermagnetfeld, das für den Drehantrieb des Läufers mit dem Ständermagnetfeld zusammenwirkt.
Wenn während der Kommutierung eine Bürste ein Segment des Kommutators verlässt, führt dies zu einer abrupten Änderung des durch die entsprechende Läuferwicklung fließenden Stroms, wodurch eine hohe induzierte elektromotorische Kraft und ein starkes elektrisches Feld über einem Luftspalt zwischen der Bürste und dem Segment erzeugt werden. Die Luft rund um die Bürste und das Segment kann unter dem starken elektrischen Feld ionisiert werden und einen Entladungsweg bilden und Funken erzeugen. Die Funken können den Gleitkontakt zwischen der Bürste und dem Kommutator schädigen, wodurch sich die Abnutzung der Bürste und des Kommutators erhöht. Aus diesem Grund ist ein Kommutator mit einer verminderten Funkenbildung erwünscht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator für einen Bürstenmotor angegeben, der eine zylindrische Isolierbasis, eine Vielzahl von Segmenten, die an einer Außenfläche der Isolierbasis angeordnet sind, in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und eine Vielzahl von Schlitzen zwischen benachbarten Segmenten definieren, und eine Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen umfasst, die ein Gas freisetzen können, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und die an der Außenfläche der zylindrischen Isolierbasis angeordnet sind. Jedes Gasabgabeelement liegt zwischen einem entsprechenden Paar der Vielzahl von Segmenten und hat eine Gasfreisetzungsfläche zwischen dem entsprechenden Paar von Segmenten, die niedriger als die Außenflächen des entsprechenden Paars von Segmenten ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die Vielzahl von Gasabgabeelementen zumindest teilweise in die Vielzahl von Schlitzen zwischen benachbarten Segmenten.
Vorzugsweise hat zumindest eine der beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen eines Paares von Segmenten eine Ausnehmung, und ein Gasabgabeelement der Vielzahl von Gasabgabeelementen erstreckt sich in die Ausnehmung.
Vorzugsweise hat die Gasfreisetzungsfläche eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen eine Seitenfläche, die mit einer der beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten einen Umfangsspalt definiert.
Vorzugsweise erstreckt sich eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen in eine Nut in der Außenfläche der zylindrischen Isolierbasis und ist radial durch Innenflächen eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten begrenzt.
Vorzugsweise ist die Gasfreisetzungsfläche eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen niedriger als oder fluchtet mit Innenflächen eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten.
Vorzugsweise hat die Gasfreisetzungsfläche eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen eine unebene Fläche.
Vorzugsweise sind zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen eines Paares von benachbarten Segmenten relativ zu einer radialen Richtung der zylindrischen Isolierbasis geneigt, und ein Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen vergrößert sich allmählich entlang der radialen Richtung.
Vorzugsweise sind die Vielzahl von Gasabgabeelementen und die zylindrische Isolierbasis als monolithisches Element ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Vielzahl von Gasabgabeelementen und die zylindrische Isolierbasis lösbar zusammengefügt.
Vorzugsweise ist die Vielzahl von Gasabgabeelementen aus dem gleichen Material wie die zylindrische Isolierbasis hergestellt.
Vorzugsweise sind die Vielzahl von Gasabgabeelementen und die zylindrische Isolierbasis aus unterschiedlichen Materialien hergestellt.
Vorzugsweise besteht die Vielzahl von Gasabgabeelementen aus einem thermoplastischen Material, das geeignet ist, spontan ein Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft.
Vorzugsweise besteht die Vielzahl von Gasabgabeelementen aus Polyamid 66.
Vorzugsweise besteht die zylindrische Isolierbasis aus einem wärmehärtenden Material.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators angegeben, umfassend das Identifizieren einer Isolierbasis, das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten in Umfangsrichtung beabstandet an einer Außenfläche der Isolierbasis und das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen, die geeignet sind, ein Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und die in Abständen an der Außenfläche der Isolierbasis zwischen entsprechenden Paaren von benachbarten Segmenten angeordnet werden, wobei Gasfreisetzungsflächen niedriger sind als Außenflächen von Segmenten.
Vorzugsweise umfasst das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen ferner das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelementen zumindest teilweise in einem Schlitz zwischen entsprechenden Paaren von benachbarten Segmenten.
Vorzugsweise umfasst das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten in umfangsseitigen Abständen. Das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen umfasst das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelementen zumindest teilweise in einem Schlitz zwischen einem entsprechenden Paar von benachbarten Segmenten, und das Identifizieren einer Isolierbasis umfasst das Anordnen einer Isolierbasis an den Gasabgabeelementen und an den Innenflächen der Segmente.
Vorzugsweise umfasst das Identifizieren einer Isolierbasis ferner das Bilden einer Vielzahl von Nuten an der Außenfläche der Isolierbasis. Das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten umfasst ferner das Platzieren von zwei benachbarten Semgenten auf gegenüberliegenden Seiten einer Nut der Vielzahl von Nuten an der Außenfläche der Isolierbasis, und das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen umfasst ferner das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelemente zumindest teilweise in einer entsprechenden Nut an der Außenfläche der Isolierbasis.
Vorzugsweise umfasst das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten das Vorsehen eines Metallrings. Das Identifizieren einer Isolierbasis umfasst das Anordnen einer Isolierbasis an einer Innenfläche des Metallrings, wobei die Isolierbasis eine Vielzahl von Nuten oder Öffnungen an ihrer äußeren Peripherie hat, und das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen umfasst das Anordnen der Vielzahl von Gasabgabeelementen in der Vielzahl von Nuten oder Öffnungen, und das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten umfasst ferner das Bilden einer Vielzahl von Durchgangsschlitzen in dem Metallring, um die Segmente zu bilden und die Gasabgabeelemente freizulegen.
Vorzugsweise umfasst das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten das Vorsehen eines Metallrings. Das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen umfasst das Anordnen der Vielzahl von Gasabgabeelementen an einer Innenfläche des Metallrings. Das Identifizieren einer Isolierbasis umfasst das Anordnen einer Isolierbasis an den Gasabgabeelementen und an einer Innenfläche des Metallrings, und das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten umfasst ferner das Bilden einer Vielzahl von Durchgangsschlitzen in dem Metallring, um die Segmente zu bilden und die Gasabgabeelemente freizulegen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen identische Strukturen, Elemente oder Teile mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sein können. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
1 zeigt einen Kommutator für einen Bürstenmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Flächenansicht des in 1 dargestellten Kommutators;
3 zeigt eine Isolierbasis des in 1 dargestellten Kommutators;
4 zeigt ein Segment des in 1 dargestellten Kommutators;
5 zeigt ein Gasabgabeelement an dem in 1 dargestellten Kommutator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist die Darstellung eines Funkenunterdrückungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Flächenansicht eines Kommutators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 bis 10 zeigen jeweils beispielhafte Verfahren zum Bilden des in 7 dargestellten Kommutators;
11 ist eine Flächenansicht eines Kommutators gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 bis 15 zeigen jeweils beispielhafte Verfahren zum Bilden des in 11 dargestellten Kommutators;
16 bis 18 zeigen jeweils beispielhafte Verfahren zum Bildens eines Kommutators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
19 bis 22 zeigen jeweils in Umfangsrichtung gestreckte Längen von Kommutatoren gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILBESCHREIBUNG
1 zeigt einen Kommutator 10 für einen Bürstenmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Flächenansicht der Kommutators 10. Die 3, 4 und 5 zeigen jeweils eine Isolierbasis 12, ein Segment 14 und ein Gasabgabeelement 24 des Kommutators 10. Der Kommutator 10 hat eine hohle Isolierbasis 12 und eine Vielzahl von Segmenten 14, die an der Außenfläche der Isolierbasis 12 angeordnet sind. Für die radiale Positionierung der Segmente 14 ist ein Ring 16 dicht sitzend über die Außenflächen der Segmente 14 geschoben. Jedes Segment 14 hat an einem Ende einen Anschluss 18 für die elektrische Verbindung mit einer Läuferwicklung 36 (in 6 gezeigt) des Motors.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Nuten 20 in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen in der Außenfläche der Isolierbasis 12 gebildet. Die Segmente 14 sind zwischen benachbarten Nuten 20 angeordnet. Der umfangsseitige Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 ist kleiner als die Umfangsbreite der Nut 20, so dass die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der benachbarten Segmente 14 und die entsprechende Nut 20 einen umgekehrt T-förmigen Schlitz definieren. Ein umgekehrt T-förmiges isolierendes Gasabgabeelement 24 ist in dem umgekehrt T-förmigen Schlitz angeordnet.
Vorzugsweise sind die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Gasabgabeelemente 24 aus einem thermoplastischen Material, zum Beispiel Polyamid 66, das häufig auch als PA66 bezeichnet wird und das spontan Gas freisetzen kann, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft. Der Bereich der Außenfläche eines Gasabgabeelements 24 zwischen zwei entsprechenden benachbarten Segmenten 14 bildet eine Gasfreisetzungsfläche 26. Die Gasfreisetzungsfläche 26 ist radial niedriger als die Außenflächen 28 der Segmente 14, so dass die Gasfreisetzungsfläche 26 und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 von zwei benachbarten Segmenten 14 einen Raum 30 definieren, durch welchen sich das von dem Gasabgabeelement 24 freigesetzte Gas ausbreitet. Die umgekehrt T-förmige Konfiguration begrenzt die Gasabgabeelemente 24 radial und verhindert, dass die Gasabgabeelemente 24 während der schnellen Drehung des Kommutators 10 herausgeschleudert werden. Auch vergrößert sie die Gasabgabeelemente 24, wodurch die Lebensdauer der Gasabgabeelemente 24 verlängert und/oder die Menge des von den Gasabgabeelementen 24 freigesetzten Gases vergrößert wird.
6 zeigt einen Funkenunterdrückungsprozess des Kommutators 10. Während des Betriebs des Motors setzen die Gasabgabeelemente 24 in dem Kommutator 10 über die Gasfreisetzungsfläche 26 spontan ein Gas 34 frei, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft. Das Gas breitet sich zwischen den benachbarten Segmenten 14 und den zwischen den Kommutatorsegmenten 14 und der Bürste 32 des Motors aus. Wenn die Läuferwicklungen 36 des Motors während der Kommutierung eine hohe induktive elektromotorische Kraft erzeugen, würde das Gas 34 mit seiner geringen Leitfähigkeit die zwischen zwei benachbarten Segmenten 14 und zwischen dem Segment 14 und der Bürste 32 erzeugte Gas-Ionisierung (auch als Bogenentladung bezeichnet) reduzieren oder vermindern. Mit anderen Worten: die Bogenentladung in der Luft verringert sich, wodurch die Abnutzung der Bürste 32 und der Segmente 14 reduziert wird. Durch die Konfiguration der Gasfreisetzungsfläche 26 derart, dass diese radial niedriger ist als die Außenfläche der Segmente 14, wird eine Reibung zwischen dem Gasabgabeelement 24 und der Bürste 32 vermieden, und es fallen kein Pulver- oder Feststoffpartikel des Gasabgabeelements an, die sich an den Außenflächen 28 der Segmente 14 anlegen und die Leitfähigkeit zwischen den Segmenten 14 und der Bürste 32 beeinträchtigen.
Der Kommutator 10 kann durch das nachstehend beschriebene beispielhafte Verfahren gebildet werden. Die Segmente 14, der Ring 16, die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 mit den Nuten 20 werden zuerst separat hergestellt. Die Gasabgabeelemente 24 werden dann in die Nuten 20 in der Außenfläche der Isolierbasis 12 eingesetzt. Danach werden die Segmente 14 an der Außenfläche der Isolierbasis 12 und zwischen benachbarten Gasabgabeelementen 24 montiert, und der Ring 16 wird auf die Außenfläche der Segmente 14 geschoben, um die Segmente 14 an der Basis 12 radial zu begrenzen.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 in die umgekehrt T-förmigen Schlitze, die durch die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 von zwei benachbarten Segmenten 14 und die entsprechende Nut 20 in der Basis 12 definiert werden, eingesetzt, nachdem die Segmente 14 an der Außenfläche der Isolierbasis 12 montiert wurden.
Bei den vorstehend beschriebenen beispielhaften Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 unabhängig gebildet und in die entsprechenden Nuten 20 in der Basis 12 eingesetzt, so dass die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 voneinander lösbare Elemente bilden. Gemäß einem weiteren beispielhaften Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 in den Nuten 20 in der Isolierbasis 12 spritzgegossen, bevor oder nachdem die Segmente 14 an der Isolierbasis 12 montiert werden, so dass die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 ein untrennbares oder unlösbares Einzelteil bilden.
7 zeigt einen Kommutator 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kommutator 40 hat eine hohle Isolierbasis 12 und eine Vielzahl von Segmenten 14, die mit einem Durchgangsschlitz 42 zwischen benachbarten Segmenten 14 an der Außenfläche der Isolierbasis 12 angeordnet sind. Eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Nuten 20 ist in der Außenfläche der Isolierbasis 12 in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen gebildet. Jede Nut 20 ist mit einem entsprechenden Durchgangsschlitz 42 verbunden. Das Gasabgabeelement 24 ist vollständig in der Nut 20 angeordnet. Der Bereich der Außenfläche des Gasabgabeelements 24, der zwischen zwei benachbarten Segmenten 14 liegt, bildet eine Gasfreisetzungsfläche 26, die radial niedriger ist als die Innenflächen 44 der Segmente 14. Die Gasfreisetzungsfläche 26 und zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 definieren einen Raum 30, durch welchen sich das von dem Gasabgabeelement 24 freigesetzte Gas verbreitet.
Die 8 bis 10 zeigen ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden des Kommutators 40. Zunächst werden ein Metallring 46 (in 8 gezeigt) und eine Vielzahl von Gasabgabeelementen 24 (in 9 gezeigt) separat hergestellt. Der Metallring 46 hat eine Vielzahl von radialen Vorsprüngen 48, die von seiner Innenfläche vorspringen. Das Gasabgabeelement 24 ist ein längliches Element mit einem kreisförmigen Querschnitt. Wie in 10 gezeigt ist, wird zweites in einem Überspritzungsverfahren die Isolierbasis 12 an der Innenfläche des Metallrings 46 angeformt, wobei an der äußeren Peripherie der Isolierbasis 12 eine Vielzahl von Öffnungen 50 gebildet wird und wobei die Vorsprünge 48 in der Isolierbasis 12 eingebettet werden. Die Öffnungen 50 können hergestellt werden, indem die Isolierbasis 12 einer Form, die eine Vielzahl von entsprechenden Vorsprüngen aufweist, entnommen wird, nachdem die Isolierbasis 12 an der Innenfläche der Innenfläche des Metallrings 46 und an den Vorsprüngen an der Form angeformt wurde. Die Vorsprünge 48 an der Innenfläche des Metallrings 46 verstärken die Verbindung zwischen der Isolierbasis 12 und dem Metallring 46. Wahlweise können die Öffnungen 50 durch Nuten in der Außenfläche der Isolierbasis 12 ersetzt werden. Es versteht sich, dass die Isolierbasis 12 auf andere bekannte Weise an der Innenfläche des Metallrings 46 gebildet werden kann, um mit dem Metallring 46 ein nicht trennbares oder lösbares Einzelteil zu bilden. Dann werden die Gasabgabeelemente 24 in die Öffnungen 50 oder die Nuten in der Isolierbasis 12 eingesetzt. Abschließend werden Durchgangsschlitze 42 in dem Metallring 46 gebildet, um Segmente 14 zu bilden und die Gasabgabeelemente 24 freizulegen. Vorzugsweise werden die Durchgangsschlitze 42 durch die Anwendung eines schneidenden Verfahrens gebildet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren werden die Durchgangsschlitze 42 gebildet, nachdem die Gasabgabeelemente 24 in die Öffnungen 50 oder die Nuten in der Isolierbasis 12 eingesetzt wurden. Gemäß einem weiteren beispielhaften Verfahren werden die Durchgangsschlitze 42 derart gebildet, dass sie an die Öffnungen 50 oder Nuten in der Isolierbasis 12 anschließen, bevor die Gasabgabeelemente 24 in die Öffnungen 50 oder Nuten eingesetzt werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 unabhängig gebildet und dann in entsprechende Öffnungen 50 oder Nuten eingesetzt, so dass die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 voneinander lösbar sind. Wahlweise werden die Gasabgabeelemente 42 in den Öffnungen 50 oder den Nuten in der Isolierbasis 12 spritzgegossen, so dass die Gasabgabeelemente 24 und die Isolierbasis 12 ein untrennbares oder unlösbares Einzelteil bilden.
11 zeigt einen Kommutator 54 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Isolierbasis 12 des Kommutators 54 an den Gasabgabeelementen 24 und der Innenseite der Segmente 14 angeordnet. Die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 und eine entsprechende Nut 20 in der Außenfläche der Isolierbasis 12 definieren einen umgekehrt T-förmigen Schlitz. Die Gasabgabeelemente 24 sind vollständig in den Nuten 20 angeordnet. Die Gasfreisetzungsfläche 26 der Gasabgabeelemente 24 zwischen zwei benachbarten Segmenten 14 ist radial höher als die Innenfläche, jedoch niedriger als die Außenflächen 28 der Segmente 14. Die Gasfreisetzungsfläche 26 und die gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 definieren einen Raum 30, durch welchen sich das von dem Gasabgabeelement 24 freigesetzte Gas ausbreitet.
Die 12 bis 15 zeigen ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden des Kommutators 54. Zunächst werden ein Metallring 46 (in 12 gezeigt) und eine Vielzahl von Gasabgabeelementen 24 (in 13 gezeigt) separat gefertigt. Eine Vielzahl von Positionsschlitzen 56 und Vorsprüngen 48 wird im Wechsel an der Innenfläche des Metallrings 46 gebildet. Das Gasabgabeelement 24 ist ein längliches Element mit einem umgekehrt T-förmigen Querschnitt, wie in 13 gezeigt. Zweitens werden die schmalen Bereiche der umgekehrt T-förmigen Gasabgabeelemente 24 in die Positionsschlitze 56 in dem Metallring 46 eingesetzt, wie in 14 gezeigt. Drittens wird die Isolierbasis 12 an den Gasabgabeelementen 24 und der Innenseite des Metallrings 46 angeformt, wobei die Vorsprünge 48 in der Isolierbasis 12 eingebettet werden. Die Vorsprünge 48 an der Innenfläche des Metallrings 46 verstärken die Verbindung zwischen der Isolierbasis 12 und dem Metallring 46. Es versteht sich, dass die Isolierbasis 12 und der Metallring 46 auf andere Weise als unlösbares Einzelteil ausgebildet werden können. Dann werden Durchgangsschlitze 42 in dem Metallring 46 gebildet, um die Gasabgabeelemente 24 freizulegen. Vorzugsweise werden die Durchgangsschlitze 42 durch die Anwendung eines schneidenden Verfahrens hergestellt.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 unabhängig gebildet und dann in die Positionsschlitze 56 eingefügt. Bei einem weiteren beispielhaften Verfahren werden die Gasabgabeelemente 24 direkt in den Positionsschlitzen 56 spritzgegossen.
Die 16 bis 18 zeigen ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden des Kommutators 60. Zunächst werden eine Vielzahl von Segmenten 14, wie in 16 gezeigt, und eine Vielzahl von Gasabgabeelementen 24, wie in 5 gezeigt, getrennt voneinander hergestellt. Das Segment 14 hat einen Vorsprung 48, der von seiner Innenfläche vorspringt. Das Gasabgabeelement 24 ist ein längliches Element mit einem umgekehrt T-förmigen Querschnitt. Zweitens werden die schmalen Bereiche der umgekehrt T-förmigen Gasabgabeelemente 24, wie in 17 gezeigt, zwischen die benachbarten Segmente 14 geschaltet, so dass die Segmente 14 und die Gasabgabeelemente 24 im Wechsel angeordnet sind und einen Ring bilden. Wie 18 zeigt, wird die Isolierbasis 12 dann an den Gasabgabeelementen 24 und an der Innenseite der Segmente 14 angeformt, wobei die Vorsprünge 48 in der Isolierbasis 12 eingebettet werden. Die Vorsprünge 48 an den Innenflächen der Segmente 14 verstärken die Verbindung zwischen der Isolierbasis 12 und den Segmenten 14.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Gasabgabeelemente 24 durch einen Verbindungsring miteinander verbunden. Nach dem Anformen der Isolierbasis 12 an den Gasabgabeelementen 24 und den Segmenten 14 kann der Verbindungsring verbleiben oder entfernt werden.
19 zeigt eine in Umfangsrichtung gestreckte Länge eines Kommutators 64 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform haben beide einander gegenüberliegende Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 an der Außenfläche 68 der Isolierbasis 12 eine Ausnehmung 66. Das Gasabgabeelement 24 ist zwischen den benachbarten Segmenten 14 angeordnet und erstreckt sich in die Ausnehmung 66, so dass es während der schnellen Drehung des Kommutators 64 nicht herausgeschleudert werden kann. Die Ausnehmung 66 ist für die Aufnahme eines größeren Gasabgabeelements 24 geeignet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat lediglich eine der beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der beiden benachbarten Segmente 14 die Ausnehmung 66.
20 zeigt eine in Umfangsrichtung gestreckte Länge eines Kommutators 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gasabgabeelemente 24 sind aus dem gleichen Material wie die Isolierbasis 12 hergestellt und erstrecken sich von der Außenfläche der Isolierbasis 12 in die Durchgangsschlitze 42 zwischen den benachbarten Segmenten 14. Die Gasfreigabefläche 26 der Gasabgabeelemente 24 hat zwei Seitenflächen 72, die den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der benachbarten Segmente 14 über einen Umfangsspalt 74 zugewandt sind, der zwischen der Seitenfläche 72 der Gasfreisetzungsfläche 26 und der der Fläche 72 zugewandten Seitenfläche 22 des Segments 14 definiert ist. Durch diese Konfiguration vergrößert sich der Bereich der Gasfreisetzungsfläche 26, so dass sich auch die Menge des von der Gasfreisetzungsfläche 26 freigesetzten Gases vergrößert. Es versteht sich, dass nur eine Seitenfläche 72 der Gasfreisetzungsfläche 26 mit der der Seitenfläche 72 zugewandten Seitenfläche 22 des Segments 14 den Umfangsspalt 14 bilden kann. Ebenso kann die Gasfreisetzungsfläche 26, um die Fläche zu vergrößern, eine unebene Fläche sein.
Die 21 und 22 zeigen jeweils eine in Umfangsrichtung gestreckte Länge der Kommutatoren 76 und 78 gemäß zwei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In 21 ist das Gasabgabeelement 24 des Kommutators 76 in der Nut 20 in der Außenfläche der Isolierbasis 12 angeordnet, wobei die Gasfreisetzungsfläche 26 relativ zu den Innenflächen 44 der benachbarten Segmente 14 konkav ausgebildet ist. In 22 ist das Gasabgabeelement 24 des Kommutators 78 in der Nut 20 in der Außenfläche der Isolierbasis 12 angeordnet, wobei die Gasfreisetzungsfläche 26 und die Außenfläche der Isolierbasis 12 an der Außenfläche desselben gedachten Zylinders liegen.
Der Kommutator gemäß den Ausführungsformen vorliegender Erfindung ist speziell für Hochleistungsmotor-Awendungen geeignet. In diesem Zusammenhang kann die Isolierbasis 12 aus einem wärmehärtbaren Material hergestellt sein, um in Umgebungen mit hohen Temperaturen für einen stabilen Halt der Segmente 14 zu sorgen. Die Gasabgabeelemente 24 bestehen vorzugsweise aus einem Isoliermaterial, das unter Bedingungen bei niedrigen Temperaturen spontan Gas freisetzen kann, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und das eine noch größere Menge dieses Gases freisetzen kann, wenn die Temperaturen hoch sind. Es versteht sich, dass der Kommutator gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch bei leistungsarmen Motoren einsetzbar ist.
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, weshalb der Schutzumfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
Zum Beispiel können die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 22 der benachbarten Elemente 14 relativ zur radialen Richtung geneigt sein, und der Abstand zwischen den beiden Seitenflächen 22 vergrößert sich allmählich entlang der Richtung von der Innenfläche 44 zur Außenfläche 28 der Segmente 14.
In einem weiteren Beispiel kann die Gasfreisetzungsfläche 26 uneben sein, um dadurch die Fläche zu vergrößern und die Menge des freigesetzten Gases zu erhöhen.

Claims

Kommutator (10, 40, 54, 60, 64, 70, 76, 78) für einen Bürstenmotor, umfassend: eine zylindrische Isolierbasis (12); und eine Vielzahl von Segmenten (14), die an einer Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) angeordnet sind, in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und eine Vielzahl von Schlitzen (42) zwischen benachbarten Segmenten (14) definieren, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Gasabgabeelementen (24), die geeignet sind, Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und die an der Außenfläche (68) der zylindrischen Isolierbasis (12) angeordnet sind, jeweils zwischen einem entsprechenden Paar der Vielzahl von Segmenten (14) liegen, eine Gasfreisetzungsfläche (26) zwischen dem entsprechenden Paar von Segmenten (14) aufweisen und niedriger sind als Außenflächen (28) des entsprechenden Paares von Segmenten (14).
Kommutator nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) sich zumindest teilweise in die Vielzahl von Schlitzen (42) zwischen benachbarten Segmenten erstreckt.
Kommutator nach Anspruch 1 oder 2, wobei: mindestens eine von zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (22) eines Paares von benachbarten Segmenten (14) eine Ausnehmung (66) aufweist; und ein Gasabgabeelement der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) sich in die Ausnehmung (66) erstreckt.
Kommutator nach Anspruch 2, wobei die Gasfreisetzungsfläche (26) eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) eine Seitenfläche (72) hat, die mit einer der beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen (22) eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten (14) einen umfangsseitigen Spalt (74) bildet.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) sich in eine Nut (20) in der Außenfläche der zylindrischen Isolierbasis (12) erstreckt und radial durch Innenflächen (44) eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten (14) begrenzt ist.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gasfreisetzungsfläche (26) eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) niedriger als Innenflächen (44) eines entsprechenden Paares von benachbarten Segmenten (14) ist oder mit diesen fluchtet.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gasfreisetzungsfläche (26) eines der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) eine unebene Fläche aufweist.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen (22) eines Paares von benachbarten Segmenten (14) relativ zu einer radialen Richtung der zylindrischen Isolierbasis (12) geneigt sind; und ein Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen (22) entlang der radialen Richtung sich allmählich vergrößert.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) und die zylindrische Isolierbasis (12) lösbar zusammengefügt sind.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) und die zylindrische Isolierbasis (12) als monolithisches Element ausgebildet sind.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) aus dem gleichen Material wie die zylindrische Isolierbasis (12) hergestellt ist.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) und die zylindrische Isolierbasis (12) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, das geeignet ist, spontan ein Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) aus Polyamid 66 hergestellt ist.
Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die zylindrische Isolierbasis (12) aus einem wärmehärtenden Material hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators, umfassend: das Identifizieren einer Isolierbasis (12); und das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) in Umfangsrichtung beabstandet an einer Außenfläche (68) der Isolierbasis (12), gekennzeichnet durch das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24), die geeignet sind, ein Gas freizusetzen, dessen Leitfähigkeit geringer ist als die von Luft, und die in Abständen an der Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) zwischen entsprechenden Paaren von benachbarten Segmenten (14) angeordnet werden, wobei Gasfreisetzungsflächen (26) niedriger sind als Außenflächen (28) der Segmente (14).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24) ferner das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) zumindest teilweise in einem Schlitz (42) zwischen einem entsprechenden Paar von benachbarten Segmenten (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) in umfangsseitigen Abständen umfasst; das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24) das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) zumindest teilweise in einem Schlitz (42) zwischen einem entsprechenden Paar von benachbarten Segmenten (14) umfasst; und das Identifizieren einer Isolierbasis (12) das Anordnen einer Isolierbasis (12) an den Gasabgabeelementen (24) und den Innenflächen (44) der Segmente (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: das Identifizieren einer Isolierbasis (12) ferner das Bilden einer Vielzahl von Nuten (20) an der Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) umfasst; das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) ferner das Platzieren von zwei benachbarten Segmenten (14) auf gegenüberliegenden Seiten einer Nut der Vielzahl von Nuten (20) an der Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) umfasst; und das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24) ferner das Anordnen eines Gasabgabeelements der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) zumindest teilweise in einer entsprechenden Nut (20) an der Außenfläche (68) der Isolierbasis (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) das Vorsehen eines Metallrings (46) umfasst; das Identifizieren einer Isolierbasis (12) das Anordnen einer Isolierbasis (12) an einer Innenfläche des Metallrings (46) umfasst, wobei die Isolierbasis (12) an ihrer äußeren Peripherie eine Vielzahl von Nuten (20) oder Öffnungen hat; das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24) das Anordnen der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) in der Vielzahl von Nuten (20) oder Öffnungen umfasst; und das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) ferner das Bilden einer Vielzahl von Durchgangsschlitzen (42) in dem Metallring (46) zum Bilden der Segmente (14) und zum Freilegen der Gasabgabeelemente (24) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) das Vorsehen eines Metallrings (46) umfasst; das Anordnen einer Vielzahl von isolierenden Gasabgabeelementen (24) das Anordnen der Vielzahl von Gasabgabeelementen (24) an einer Innenfläche des Metallrings (46) umfasst; das Identifizieren einer Isolierbasis (12) das Anordnen einer Isolierbasis (12) an den Gasabgabeelementen (24) und an einer Innenfläche des Metallrings (46) umfasst; und das Anordnen einer Vielzahl von Segmenten (14) ferner das Bilden einer Vielzahl von Durchgangsschlitzen (42) in dem Metallring (46) zum Bilden der Segmente (14) und zum Freilegen der Gasabgabeelemente (24) umfasst.