-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Kommutator für einen Elektromotor, speziell für einen Mikrogleichstrommotor oder einen Gleichstromkleinstmotor.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Wie in 5 gezeigt ist, können während des Betriebs eines Gleichstrom-Kommutatormotors zwischen einem Kommutator und einer Kohlebürste Funken entstehen, die elektromagnetische Interferenzen (EMI) hervorrufen können. Eine typische Maßnahme zum Unterdrücken oder Eliminieren von EMI ist die Anordnung einer Konstruktion aus einem EMI-dampfenden Material in dem Motor und rund um den Kommutator. Dadurch erhöht sich jedoch das Gewicht des Motors, was nicht wünschenswert ist. Hinzu kommt, dass die EMI-Unterdrückungskonstruktion und ihre zugehörige Befestigungskonstruktion die Konstruktion des Motors komplizierter machen. Letzteres führt zu einem komplexeren Herstellungsverfahren und zu höheren Herstellungskosten.
-
ÜBERSICHT
-
Aus diesem Grund wird eine einfachere Lösung für die Dämpfung von EMI in einem Gleichstrom-Kommutatormotor gewünscht.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator angegeben, umfassend: eine leitende Schicht, eine Segmentschicht mit einer Vielzahl von Kommutatorsegmenten und eine zwischen der leitenden Schicht und der Segmentschicht festgelegte Isolierschicht, wobei die Isolierschicht die Segmentschicht von der leitenden Schicht elektrisch isoliert und wobei die leitende Schicht, die Isolierschicht und die Segmentschicht einen Kondensator bilden, der die Kommutatorsegmente mit der Erde verbindet.
-
Vorzugsweise hat die Isolierschicht zwischen der leitenden Schicht und der Segmentschicht eine Dicke in dem Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm, und höchst vorzugsweise beträgt die Dicke 1,0 mm.
-
Vorzugsweise ist eine konkav-konvexe Eingriffskonstruktion an Kontaktflächen zwischen der leitenden Schicht und der Isolierschicht und/oder zwischen der Isolierschicht und der Segmentschicht gebildet, um den Flächenbereich der jeweiligen Kontaktflächen zu vergrößern.
-
Vorzugsweise ist die leitende Schicht elektrisch geerdet.
-
Vorzugsweise ist der Kommutator ein Planscheibenkommutator, und die leitende Schicht und die Segmentschicht sind im Wesentlichen plan.
-
Vorzugsweise ist der Kommutator ein zylindrischer Kommutator, und die leitende Schicht bildet einen Innenring, der von der Isolierschicht radial umschlossen ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Läufer angegeben, der eine Motorwelle und einen Kommutator wie vorstehend beschrieben umfasst, der an der Motorwelle befestigt ist, wobei die Motorwelle durch eine in dem Kommutator gebildete Befestigungsöffnung hindurchgeführt ist.
-
Vorzugsweise besteht die Motorwelle aus einem leitenden Material, und die leitende Schicht ist durch die Motorwelle indirekt elektrisch geerdet.
-
Alternativ besteht die Motorwelle aus einem Isoliermaterial und definiert eine Durchgangsöffnung. Ein Leiter erstreckt sich von der leitenden Schicht, verläuft durch die Durchgangsöffnung in der Motorwelle und ist dann elektrisch geerdet.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor angegeben, umfassend einen Ständer und einen Läufer wie vorstehend beschrieben.
-
Vorzugsweise hat der Ständer ein Gehäuse, und die leitende Schicht des Kommutators ist durch das Gehäuse geerdet.
-
Wird diese erfindungsgemäße Lösung übernommen, bildet die dreischichtige Struktur des Kommutators einen Kondensator mit einem vergrößerten gegenüberstehenden Bereich und einem verringerten Plattenzwischenabstand. Die Kapazität des Kondensators ist daher größer und desgleichen das EMI-Dämpfungsvermögen. Auf diese Weise ist es möglich, EMI ohne zusätzliche EMI-dämpfende Elemente außerhalb des Kommutators zu dämpfen. Die EMI können unterdrückt werden durch eine direkte Erdung der leitenden Schicht, durch eine elektrische Erdung der Motorwelle oder durch eine indirekte Erdung der leitenden Schicht durch die Motorwelle und das Gehäuse. Die EMI-Unterdrückung lässt sich erfolgreich erzielen, indem die übrigen ursprünglichen Teile und die ursprüngliche Konstruktion ohne jede Modifikation oder mit einer nur geringfügigen Modifikation der Konstruktion des Motors verwendet werden. Solchermaßen erübrigen sich die zusätzliche EMI-dämpfende Konstruktion und/oder hinzugefügte Komponenten bei dem Motor konventioneller Bauart. Das Entfernen der ursprünglichen EMI-dämpfenden Konstruktion kann das Gewicht des Motors verringern und ebenso die Konstruktion des Motors sowie dessen Herstellungsverfahren vereinfachen. Es versteht sich, dass für eine sorgfältige EMI-Unterdrückung die zusätzliche EMI-dämpfende Konstruktion bzw. die Komponenten, die üblicherweise hinzugefügt werden, ganz oder teilweise in dem Motor verbleiben können, für den die erfindungsgemäße Konstruktion übernommen wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
-
1 ist eine Endansicht eines Kommutators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Läufers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Läufers des Motors von 3;
-
5 zeigt einen zylindrischen Kommutator gemäß vorliegender Erfindung;
-
6 ist eine Schnittansicht des Kommutators von 5;
-
7 zeigt einen Plankommutator gemäß vorliegender Erfindung;
-
8 ist eine Schnittansicht des Kommutators von 7;
-
9 zeigt einen weiteren Plankommutator gemäß vorliegender Erfindung;
-
10 ist eine Schnittansicht des Kommutators von 9;
-
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Kommutators bekannter Bauart;
-
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 ist eine Endansicht eines Kommutators 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kommutator entspricht dem zylindrischen Typ und hat eine leitende Schicht 11 in Form eines Innenrings, eine die leitende Schicht 11 radial umschließende Isolierschicht 12 und eine die Isolierschicht 12 radial umschließende Segmentschicht 13. Eine Befestigungsöffnung 10, die für die Befestigung des Kommutators an der Motorwelle verwendet wird, ist entlang einer Achse des Kommutators gebildet. Die leitende Schicht 11 und die Segmentschicht 13 sind durch die Isolierschicht 12 voneinander isoliert. Die Segmentschicht 13 enthält mehrere Kommutatorsegmente 16. Die Segmentschicht 13 kann aus Kupfer bestehen, die Isolierschicht 12 kann aus einem Harzmaterial bestehen, und die leitende Schicht 11 kann aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material bestehen. Die leitende Schicht 11 und die Segmentschicht 13 sind durch die Isolierschicht 12 elektrisch isoliert und bilden solchermaßen einen Kondensator, wobei die leitende Schicht und die Segmentschicht die Polplatten des Kondensators bilden. Die Kapazität des Kondensators ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials und ist außerdem direkt proportional zu den gegenüberstehenden Flächenbereichen der leitenden Schicht 11 und der Segmentschicht 13 auf gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht 12 und ist umgekehrt proportional zu einem Plattenzwischenabstand zwischen der leitenden Schicht 11 und der Segmentschicht 13. Das Hinzufügen der leitenden Schicht 11 vergrößert nicht nur den gegenüberstehenden Flächenbereich der Leiter auf gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht 12, sondern verringert auch den Plattenzwischenabstand zwischen den Leitern, wodurch ein Kondensator mit einer größeren Kapazität bereitgestellt wird.
-
Nach der Befestigung des Kommutators 1 der vorliegenden Ausführungsform an der Motorwelle 2, wie in 2 und 4 dargestellt, erfolgt die direkte oder indirekte Erdung der leitenden Schicht 11 oder der Segmentschicht 13 des Kommutators. Während des Betriebs des Motors generierte EMI werden durch den Kondensator, dessen Kapazität größer ist, gedämpft und durch die Verbindung mit der Erde freigesetzt. Das Ergebnis ist, dass die nachteilige Wirkung, die durch die EMI hervorgerufen wird, deutlich verringert oder eliminiert wird.
-
Theoretisch, aus der Perspektive des Kondensators, hat die Isolierschicht 12 eine einheitliche radiale Dicke (i. e. Schichtdicke) und einen einheitlichen radialen Abstand zwischen einer Innenfläche der Isolierschicht 12 und der Achse, wodurch über die gesamte Isolierschicht 12 die gleiche Kapazität gebildet wird, um das gleiche EMI-Dämpfungsvermögen sicherzustellen. Zieht man jedoch die Komplexität des Verfahrens und die Notwendigkeit der Montage und Festlegung der Isolierschicht 12 jeweils an der leitenden Schicht 11 und an der Segmentschicht 13 in Erwägung, ist die Schichtdicke der Isolierschicht 12 gegebenenfalls nicht über die gesamte Isolierschicht 12 einheitlich.
-
Die Dicke der Isolierschicht 12 liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,8 bis 2 mm. Ist die Dicke zu groß, bilden die leitende Schicht 11 und die Segmentschicht 13 eine Kapazität, die für die Dämpfung der EMI zu gering ist. Ist die Dicke zu gering, kann diese durch die derzeitigen Herstellungsverfahren nicht garantiert werden. Mehr bevorzugt wird eine Dicke von 1 mm, wobei sich in diesem Fall ohne zu hohe Anforderungen an das Herstellungsverfahren eine hohe Kapazität zwischen den Platten erzielen lässt (beim Testen eines modellgleichen Kommutators wurde festgestellt, dass die Kapazität mit 5 pF bis 40 nF möglichst hoch ist).
-
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, können die leitende Schicht 11 und die Isolierschicht 12 und die Isolierschicht 12 und die Segmentschicht 13 auf verschiedene Weise befestigt sein, unter anderem zum Beispiel durch eine Presspassung, eine Haftverbindung oder eine Schnappverbindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind konkav-konvexe Eingriffskonstruktionen 14 an jeder der kontaktierenden Flächen zwischen der leitenden Schicht 11 und der Isolierschicht 12 und der kontaktierenden Flächen zwischen der Isolierschicht 12 und der Segmentschicht 13 gebildet. Der Zweck der konkav-konvexen Eingriffskonstruktionen ist die Verbesserung der Verbindungsdichte zwischen den beiden verbundenen Schichten, indem die Bindekraft oder die Reibungskraft zwischen den kontaktierenden Flächen der beiden verbundenen Schichten vergrößert wird. In einer alternativen Ausführungsform kann eines oder können beide der zwei Kontaktflächenpaare auf andere Weise verbunden sein. Die konkav-konvexen Eingriffskonstruktionen vergrößern auch die Kontaktflächenbereiche zwischen den Schichten.
-
Es wird auf 2 Bezug genommen. Ein Läufer 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine Motorwelle 2 und den Kommutator 1 der vorstehenden Ausführungsform. Der Kommutator 1 ist an der Motorwelle 2 montiert, die durch die Motorwellenbefestigungsöffnung 10 hindurchgeführt ist. Die Motorwelle 2 und der Kommutator 1 können durch verschiedene Vorgehensweisen aneinander befestigt sein. In der vorliegenden Ausführungsform bildet die Motorwelle 2 bevorzugt eine Presspassung an der Motorwellenbefestigungsöffnung 10, um sicherzustellen, dass sich der Kommutator 1 mit der Motorwelle 2 dreht. Hinzu kommt, dass die Presspassungsverbindung einen Spalt zwischen der Motorwelle 2 und der Befestigungsöffnung 10 vermeidet, der andernfalls dazu führen würde, dass der Kommutator 1 an der Motorwelle 2 wackelt.
-
In dieser Ausführungsform können zur Eliminierung der EMI die Segmentschicht 13 oder die leitende Schicht 11 direkt geerdet sein. Wie zum Beispiel in 2 dargestellt ist, kann in der Motorwelle 2 eine Durchgangsöffnung 20 definiert sein, wenn die Motorwelle 2 nichtleitend ist. Ein Ende eines Leiters 5 verläuft durch die Durchgangsöffnung 20 und ist mit der leitenden Schicht 11 des Kommutators 1 elektrisch verbunden, und das andere Ende ist elektrisch geerdet. Solchermaßen kann der Kommutator 1 ohne nachteiligen Einfluss auf die Herstellung und Funktion von anderen Motorteilen elektrisch geerdet sein, indem der Vorteil der stabförmigen Ausbildung der Motorwelle 2 genutzt wird.
-
Besteht die Motorwelle 2 aus einem leitenden Material und befindet sich die leitende Schicht 11 mit der Motorwelle 2 in einem elektrischen Kontakt, dann kann die Erdung der leitenden Schicht durch die Erdung der Motorwelle 2 erfolgen. Solchermaßen kann die leitende Schicht 11 durch die Motorwelle 2 indirekt elektrisch geerdet sein. Die elektrische Erdung der leitenden Schicht 11 des Kommutators 1 lässt sich somit ohne eine Modifikation der Konstruktion der Motorwelle 2 realisieren.
-
Wenn die Motorwelle 2 aus einem leitenden Material besteht und mit einem Kommutator 1' üblicher Bauart (11) versehen ist, der eine Isolierschicht 12' und eine Segmentschicht 13', jedoch keine leitende Schicht besitzt, bilden die Isolierschicht 12', die leitende Segementschicht 13 und die leitende Motorwelle 2 ebenfalls einen Kondensator. Jedoch hat der Kondensator eine geringe Kapazität, weil die Motorwelle 2 einen relativ kleinen Durchmesser hat und ihr der Kommutatorschicht 13' und den Kommutatorsegmenten 13a' gegenüberstehender Flächenbereich klein und der Abstand zwischen der Motorwelle 2 und der Segmentschicht 13' (d. h. die radiale Dicke der Isolierschicht 12') groß ist. Beim Testen eines ähnlich großen Kommutators hat man festgestellt, dass der Kondensator geringer als 1 pF ist, wenn die Dicke der Isolierschicht 4,5 mm beträgt. Das durch den Kommutator 1' und die Kohlebürste 3 generierte EMI-Signal hat eine niedrige Frequenz, die gewöhnlich unter 6 GHz liegt und durch den Kondensator mit einer derart geringen Kapazität kaum gedämpft werden kann. Deshalb hat man in der Fachwelt nicht erkannt, dass das EMI-Signal durch einen Kondensator gedämpft und abgeleitet werden kann, der durch den Kommutator alleine oder in Kombination mit der Motorwelle gebildet wird.
-
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Motors 8 der vorliegenden Erfindung. Der dargestellte Motor ist ein Außenläufermotor und hat einen Ständer mit einem Gehäuse 4 und einen Läufer 9. Das Gehäuse 4 stützt den Läufer über ein oder mehrere Lager und stützt auch den Ständerkern, die Ständerwicklungen, die Bürsten etc. Der Läufer ist ferner in 4 dargestellt. Der Läufer hat eine Motorwelle 2, die den Kommutator 1 trägt, und einen Läuferkern 7. Nicht dargestellte Magnete sind an einer Innenfläche des Läuferkerns befestigt. Zwei Bürsten 3 und Bürstenfedern, die Teil des Ständers sind, sind schematisch dargestellt und dienen lediglich als Referenz. Der Kommutator 1 dieser Ausführungsform ist ein spezieller Kommutator mit Kommutatorsegmenten und Schleifringen.
-
In dieser Ausführungsform können zur Eliminierung von EMI die Segmentschicht 13 oder die leitende Schicht 11 direkt elektrisch geerdet sein. Wenn das Gehäuse 4 aus einem leitenden Material besteht, können die Segmentschicht 13 oder die leitende Schicht 11 ferner mit dem Gehäuse 4 elektrisch verbunden sein, und das Gehäuse 4 ist elektrisch geerdet. Solchermaßen können die Segmentschicht 13 oder die leitende Schicht 11 durch das Gehäuse 4 indirekt elektrisch geerdet sein, wodurch die EMI über das Gehäuse abgeleitet werden können.
-
Die Segmentschicht 13 oder die leitende Schicht 11 können zur Eliminierung von EMI direkt elektrisch geerdet sein. Wenn zum Beispiel die Motorwelle 2 und der Läuferkern 7 aus einem Isoliermaterial bestehen, kann durch die Motorwelle 2 hindurch eine Durchgangsöffnung definiert sein, wobei ein Ende eines Leiters 15 für eine elektrische Verbindung mit der leitenden Schicht 11 des Kommutators 1 durch die Durchgangsöffnung 20 hindurchgeführt ist und das andere Ende elektrisch geerdet ist.
-
Ähnlich verläuft ein Ende des Leiters 15 für eine elektrische Verbindung mit der leitenden Schicht 11 des Kommutators 1 durch die Durchgangsöffnung 20, und das andere Ende ist mit dem Läuferkern 7 elektrisch verbunden, wenn der Läuferkern 7 aus einem leitenden Material und die Motorwelle 2 aus einem Isoliermaterial besteht. Dadurch kann der Kommutator 1 ohne Einfluss auf die Herstellung und die Funktion von anderen Motorteilen geerdet sein, indem der Vorteil der stabförmigen Konstruktion der Motorwelle 2 genutzt wird. Wenn sowohl das Gehäuse 4 als auch die Motorwelle 2 aus einem leitenden Material bestehen, wie in 4 gezeigt, ist die Motorwelle 2 mit der leitenden Schicht 11 und dem Gehäuse 4 elektrisch verbunden, wodurch eine Erdung der leitenden Schicht durch das Gehäuse möglich ist. Dadurch können die durch den Kondensator gedämpften EMI unter Nutzung der stromleitenden Motorwelle 2 und des Gehäuses 4 erfolgreich abgeleitet werden, ohne konstruktive Änderungen an dem Motor vorzunehmen.
-
Die Erfindung ist auch auf andere Kommutatortypen anwendbar. 5 und 6 zeigen einen standardmäßigen Kommutator des zylindrischen Typs, und die 7 bis 10 zeigen zwei standardmäßige Plankommutatoren, die erfindungsgemäß modifiziert sind.
-
Der zylindrische Kommutator von 5 hat eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten 16, die um eine Außenfläche eines Kommutatorkörpers derart angeordnet sind, dass eine zylindrische Bürstenkontaktfläche gebildet wird. Der Kommutatorkörper umfasst die leitende Schicht 11 in Form eines Innenrings und die isolierende Schicht 12, die radial um den Innenring gebildet ist. Der Innenring hat eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Scheiben, die sich in Richtung auf die Segmentschicht erstrecken und mit sich radial erstreckenden Fingern ineinandergreifen, die an den Kommutatorsegmenten gebildet sind und diskontinuierliche Scheiben bilden, die sich radial in Richtung auf den Innenring erstrecken. Die ineinandergreifenden Scheiben vergrößern deutlich die Kontaktflächenbereiche mit der Isolierschicht und ermöglichen eine Steuerung der Dicke der Isolierschicht zwischen der Segmentschicht und der leitenden Schicht auf eine geringe Dimension.
-
7 zeigt einen dünnen Plankommutator 1. Die aus einer Vielzahl von Kommutatorsegmenten 16 gebildete Segmentschicht 13 bildet eine ebene Bürstenkontaktfläche. Wie in der Schnittansicht von 8 gezeigt ist, ist die leitende Schicht eine flache Scheibe, die durch die Isolierschicht 12 von der Segmentschicht 13 getrennt ist. In dieser Ausführungsform bildet die Isolierschicht 12 den Körper des Kommutators und ist direkt an der Segmentschicht und an der leitenden Schicht angeformt, um diese beiden Schichten in einem Abstandsverhältnis zueinander festzulegen. Die Segmentschicht ist eine einstückige Scheibe, wenn die Isolierschicht angespritzt wird, und wird anschließend in einzelne Kommutatorsegmente geschnitten. Die leitende Schicht ist in der Wellenbefestigungsöffnung 10 für einen direkten elektrischen Kontakt mit der Motorwelle exponiert, sofern die Motorwelle elektrisch leitend ist.
-
9 zeigt einen dicken Plankommutator 1. Wie in der Schnittansicht von 10 dargestellt ist, ist die leitende Schicht 11 becherförmig, wobei sich die Basis des Bechers radial erstreckt und sich die Wellenbefestigungsöffnung 10 durch die Basis erstreckt. Für eine elektrische Verbindung mit der Welle kann die leitende Schicht 11 in der Wellenbefestigungsöffnung wiederum exponiert sein. Die Kommutatorsegmente der Segmentschicht 13 bilden zwei diskontinuierliche Ringe, die den Seiten des zylindrischen Bereichs des Bechers gegenüberstehen. Die Isolierschicht ist zwischen der leitenden Schicht und der Segmentschicht angeordnet, um diese Teile zu halten und um das Dielektrikum des Kondensators zu bilden, während die gegenüberstehenden Bereiche der Segmentschicht und der leitenden Schicht 11 die Pole des Kondensators bilden. Dies vergrößert den Flächenbereich der Pole und somit die Kapazität des Kondensators.
-
Der hierin verwendete Begriff ”direkt geerdet” bedeutet elektrisch geerdet ohne Verwendung einer leitenden Konstruktion des Motors oder in Verbindung mit dem Motor. Der hierin verwendete Begriff ”indirekt geerdet” bedeutet elektrisch geerdet durch eine leitende Konstruktion des Motors oder in Verbindung mit dem Motor. Da die Segmentschicht 13 hauptsächlich mehrere separate Kommutatorsegmente 16 umfasst, ist die Erdung der Segmentschicht 13 schwierig und komplex. Aus diesem Grund ist es bevorzugt die leitende Schicht 11, die direkt oder indirekt geerdet ist.
-
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Synonyme, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, drücken aus, dass das genannte Element oder Merkmal vorhanden ist, sie schließen jedoch nicht aus, dass auch weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
-
Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber im Kontext einzelner Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze der Beschreibung halber im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso getrennt oder in zweckmäßigen Unterkombinationen vorgesehen sein können.
-
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich ein Beispiel dar. Der Fachmann wird erkennen, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, verschiedene weitere Modifikationen möglich sind.
