-
Stromwendevorrichtnng, insbesondere für Gleichstrom-Kleinstmotoren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromwendevorrichtungen für Gleichstrommaschinen,
insbesondere sehr kleine Gleichstrommotoren, die beispielsweise einen Rotordurchmesser
von nur etwa 8 mm haben.
-
Bei den üblichen Stromwendevorrichtungen für Gleichstrommotoren steht
der Stromwender entweder in Kontakt mit einem bürstenförmigen Kollektor oder mit
der Umfangsfläche eines Reibradkollektors, über welchen der elektrische Strom zu-
oder abgeführt werden kann.
-
Jedoch muß bei einem Stromwender mit Bürstenkollektoren, auch wenn
alle Teile sehr klein sind, ein genügend hoher Kontaktdruck ausgeübt werden, um
den elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktflächen aufrechtzuerhalten, und es
ist daher nicht möglich, die hierbei auftretenden Reibungsverluste zu vermindern.
-
Das Verhältnis dieser Reibungsverluste, bezogen auf die Ausgangsleistung
eines Motors normaler Größe, ist so gering, daß sich in der Praxis keine Beanstandungen
ergeben. Bei sehr kleinen Motoren jedoch, die einen Rotordurchmesser von nur 8 mm
besitzen, auf welche sich die Erfindung in erster Linie bezieht, kann der erforderliche
Kontaktdruck nicht unter eine bestimmte Grenze abgesenkt werden, obwohl schon das
erzeugte Drehmoment selbst sehr -gering ist. Deshalb steigt das Verhältnis der Reibungsverluste
zum erzeugten Drehmoment beträchtlich an, so daß sich eine solche Konstruktion für
den Betrieb nicht eignet.
-
Steht der Stromwender in Kontakt mit einem Reibradkollektor, so ergibt
sich eine relativ große wirksame Masse, da zu der Masse des Reibrades selbst noch
die Masse des Lagers und der Stützmittel hinzukommt, die notwendig sind, um das
Reibrad dauernd in Rollkontakt mit dem Umfang des Stromwenders zu halten. Ferner
wird die Rollberührung durch eine nicht zu vermeidende Exzentrizität der Stromwenderfläche,
die Unebenheit zwischen verschiedenen Segmenten des Stromwenders und schließlich
der Exzentrizität des Reibrades beeinflußt. Damit das Reibrad in zufriedenstellender
Weise dynamisch dem Umfang des Stromwenders folgen, gleichzeitig aber einen beständigen
Kontakt herstellen kann ist es notwendig, daß das Reibrad mit einem beträchtlichen
Kontaktdruck auf den Umfang des Stromwenders gedrückt wird. Fehlt dieser große Kontaktdruck,
so fängt das Reibrad an zu schlagen, es treten Unterbrechungen des elektrischen
Stromes auf, und es ergibt sich schließlich ein dauernd schlechter Kontakt auf Grund
der durch Funkenbildung aufgerauhten Kontaktflächen. Wenn andererseits der Kontaktdruck
groß gemacht wird, kommt zu der in Verbindung mit Bürsten erwähnten Herabsetzung
des nutzbaren Drehmoments noch die Verkürzung der Lebensdauer auf Grund von Abnutzung
hinzu.
-
Die vorgenannten Schwierigkeiten sind bei Kleinstmotoren besonders
schwerwiegend, weil die Reibungsverluste hier einen so großen Teil des erzeugten
Drehmoments ausmachen können, daß der Motor gar nicht erst anläuft, und weil diese
Motoren gegenüber Abnutzung besonders empfindlich sind. Deshalb sind für Kleinstmotoren
Reibradkollektoren bisher nicht angewandt worden.
-
Es gibt Stromwendevorrichtungen, bei denen die Reibräder am freien
Ende eines einseitig angelenkten Hebelarmes gelagert sind. Bei diesem System muß
jeweils eine relativ große Masse bewegt und aus diesem Grunde umgekehrt eine relativ
große Anpreßkraft durch Federn oder Magnetkräfte vorgesehen werden-Es gibt ferner
Stromwendevorrichtungen mit rotierendem Stromwender und Stromabnehmern in Form von
Reibrädern deren Wellen in stationären Lagern geführt und drehbar gelagert sind.
Hierbei war es aber bislang nicht möglich, die einmal eingestellte Lage der Reibräder
gegenüber dem Stromwender zu ändern, so daß starke Schläge mit kontaktlosen Zeiten
abwechseln.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromwendevorrichtung des letztgenannten
Typs, wobei diese dadurch verbessert ist, daß die Reibräder unter :der Wirkung einer
in Richtung ihrer Drehachse wirkenden, an der Reibradwelle angreifenden Federkraft
über Randflansche mit der kontaktgebenden Mantelfläche des rotierenden Stromwenders
in rollendem Eingriff stehen.
Bei dieser Konstruktion ist es möglich,
die Masse der beweglichen Teile des Kollektors infolge der starren Lagerung so klein
wie möglich zu halten, trotzdem aber ein leichtes Folgen der Reibräder hinsichtlich
der Stromwenderoberfläche zu gewährleisten, ohne daß ein übermäßiger Kontaktdruck
notwendig ist. Auf diese Weise ergibt sich ein absolut sicheres Arbeiten, geringer
Verschleiß und eine lange Lebensdauer. Die Anordnung selbst läßt sich äußerst klein
ausbilden, so daß sie mit bestem Ergebnis bei elektrischen Kleinstmaschinen höchster
Drehzahl Verwendung finden kann. Es wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung ein Wirkungsgrad von 65 0/o erzielt werden kann, wie er bisher niemals
für Gleichstrom-Kleinstmaschinen mit einem Rotor von etwa 8 mm Durchmesser erreicht
wurde. Es ergibt sich ein stabiler Betrieb und eine sehr große Lebensdauer, beispielsweise
von mehr als zweitausend Stunden.
-
Es ist zwar eine Stromwendovorrichtung bekannt, bei der eine Taumelscheibe
mittels senkrecht zur Scheibe wirkenden Federdrucks gegen eine feststehende in einer
Ringfläche liegende Stromwendevorrichtung gedrückt wird. Hierbei tritt aber eine
nur sehr geringe Abwälzgeschwindigkeit zwischen Stromwenderfläche und Taumelscheibe
auf, so daß sich leicht Staubteilchen oder Oxyde dazwischen absetzen können. Außerdem
ist Aufbau und Lagerung einer solchen Taumelscheibe sehr kompliziert, so daß sie
für Kleinstmotoren nicht in Frage kommt. Schließlich ist die Taumelscheibe über
einen Kurbelarm mit der Rotorwelle gekuppelt, so daß bei hoher Drehzahl auf Grund
der Zentrifugalkraft starke Reibungswiderstände auftreten.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im
Zusammenhang mit der Zeichnung, in welcher zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
der Erfindung, Fig.2 eine Teildraufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1 und
Fig.3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
-
In Fig. 1 bildet das Polpaar A und B einen Feldmagneten, der in Pfeilrichtung
wirkt. Das Feld wird vorzugsweise durch einen Dauermagneten erzeugt, kann aber auch
durch einen Elektromagneten hervorgerufen sein. Zwischen den Feldmagnetpolen A und
B befindet sich der Rotor 2. Die Segmente des kleinen Stromwenders 4 haben einen
Durchmesser in der Größenordnung der Rotorwelle 1 und sind an entsprechenden Stellen
15 mit einer Wicklung des Rotors 2 verbunden. Ein Lager für die Rotorwelle 1 ist
schematisch bei 3 veranschaulicht. Ein mehrstufiger Ölabstreifer 12 verhindert,
daß Lageröl in die Stromwendevorrichtung eindringt.
-
Als Kollektor dient ein Reibrad 5 geringer Masse. Dessen metallische
Welle 6 ist in Lagern 8 gehalten. An dem vorderen Ende der Welle 7 befindet sich
ein konisches Metallkontaktstück 7, gegen das ein konkaves Kontaktstück 9 mit geringer
Masse in Richtung der Welle 6 mittels einer Druckfeder 10 gedrückt wird.
-
Die äußere Fläche des Reibrades 5 steht, wie in Fig.2 gezeigt, mit
dem Umfang des Stromwenders über eine Breite T in Kontakt, und das Reibrad 5 dreht
sich gemäß der Drehung des Stromwenders 2.
-
Der Kontaktdruck zwischen dem Reibrad 5 und dem Stromwender 4 kann
durch entsprechendes Vor- oder Zurückschrauben einer Stellschraube 11 für die Druckfeder
10 genau einjustiert werden. Wenn E in Fig. 1 mit einer Gleichstromquelle verbunden
wird, erzeugt der Rotort als Motor ein Drehmoment. Wenn eine elektrische Belastung
bei E angeschlossen und die Welle 1 gedreht wird, erzeugt der Rotor als Generator
eine elektromotorische Kraft und führt der Belastung elektrische Leistung zu.
-
Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung ist es, daß das Reibrad
eine sehr einfache Konstruktion hat und ihm lediglich ein Kontaktflansch und eine
dünne Welle zugeordnet sind und daß die Richtung der Welle 6 des Reibrades mit derjenigen
Richtung übereinstimmt, in der sich das Reibrad bewegt, wenn es auf Grund von Unebenheiten
an der Oberfläche des Stromwenders 4 dynamisch ausweichen muß. Die Lager 8 für die
Welle 6 des Reibrades 5 sind stationär am Gehäuse befestigt, so- daß lediglich die
dünne Welle 6, die mit dem Reibrad 5 fest verbunden ist. einer solchen Ausweichbewegung
zu folgen braucht. Demgemäß ist die Gesamtmasse der bewegten Teile stark vermindert,
und zwar um die Masse der Lager und anderer Stützteile, verglichen mit der wirksamen
Masse bekannter Stromwendevorrichtungen, bei denen das Reibrad am freien Ende eines
Schwenkhebels angeordnet ist, so daß sowohl das Schwingungsverhalten und die Reibungsverluste
verbessert werden.
-
Des weiteren benötigt man als Folge der Verminderung der wirksamen
Masse der schwingenden Teile nur einen sehr geringen Kontaktdruck, d. h. eine verhältnismäßig
schwache Druckfeder 10. Aus diesem Grunde kann auch der Durchmesser der Welle 6
hinsichtlich der mechanischen Festigkeit sehr klein gewählt werden. Demnach folgt
die Vorrichtung beim Drehen genau den Unebenheiten des Stromwenders 4 bei sehr geringem
Kontaktdruck, es tritt kein Schlagen und/oder ein plötzliches Abheben auf, wie es
bei den bekannten Vorrichtungen der Fall war. Außerdem ist die Abnutzung der Teile
auch bei langem Lauf sehr gering, da nur ein geringer Kontaktdruck zwischen dem
Ende der Welle 6 und dem Kontaktstück 9 erforderlich ist. Somit kann bei gutem Kontakt
eine lange Betriebszeit bei hohen Umdrehungen gewährleistet werden.
-
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß
die Federkraft der einzelnen Druckfeder 10 dreierlei Zwecken dient, nämlich erstens
als Rückführkraft für die Folgebewegung, welche das Reibrad durchführen muß, wenn
es den Exzentrizitäten und Unebenheiten des Stromwenders folgt, zweitens dem elektrischen
Kontaktdruck zwischen der Welle 6 und dem Kontaktstück 9 und schließlich dem Kontaktdruck
zwischen dem Stromwender 4 und dem Reibrad 5. Da die Stromzuführvorrichtung mit
dem Kontaktflansch und der Welle eine sehr einfache Konstruktion hat und deshalb
mit sehr geringem Gewicht bei kleinster wirksamer Masse hergestellt werden kann,
verglichen mit den bekannten Vorrichtungen, bei denen zusätzlich ein Lager und Stützmittel
von einer Feder mit angedrückt werden müssen, wenn der äußere Umfang des Reibrades
mit dem Stromwender in Eingriff steht, ist bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
die in der Druckfeder bei einer Folgebewegung zu speichernde Federenergie gering
und die die Folgebewegung begleitende Reibung außerordentlich niedrig. Somit ergibt
sich ein höherer Wirkungsgrad auch bei einem Kleinstmotor mit geringerAusgangsleistung,
und man erhält bei niedrigem Kontaktdruck einen beständigen Kontakt über einen langen
Zeitraum, so daß eine lange Lebensdauer erzielbar ist.
-
Der Flanschteil des Reibrades 14 in Fig. 3 ist konisch und wird an
einen konischen Stromwender 13
gedrückt. Die Konstruktion der entsprechenden
Wellen der Reibräder 14, der Lager, der konkaven Kontaktstücke, die gegen das Wellenende
anliegen, der Druckfeder usw. sind ähnlich denjenigen Teilen, die in dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1- und 2 gezeigt sind. Aus diesem Grunde sind sie in Fig. 3 fortgelassen.
Auch hinsichtlich der drei Funktionen der Druckfeder, welche gegen das Wellenende
des Reibrades 14 über das konkave Kontaktstück drückt, d. h. den Kontaktdruck zwischen
Kontaktstück und Wellenende herzustellen, den Kontaktdruck zwischen Reibrad und
Stromwender herzustellen und Rückführkräfte für die Folgebewegung des Reibrades
zu speichern, sind bei der Vorrichtung in Fig.3 äquivalent denjenigen der Fig. 1
und 2. Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann die Welle des Reibrades
nur in Richtung ihrer Achse verschoben werden, wenn die konische Fläche des Reibrades
über Exzentrizitäten und Unebenheiten des konischen Stromwenders hinwegrollt. Somit
stimmt die Richtung, in welcher das Reibrad die Folgebewegung ausführt, mit der
Richtung der Welle des Reibrades überein, also genauso wie im Falle des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 1.
-
Wie bereits erwähnt, ist die Stromwendevorrichtung für elektrische
Maschinen, insbesondere solche sehr geringer Größe, einschließlich elektrischer
Generatoren dadurch charakterisiert, daß eine drehbare Welle 6 in wenigstens einem
festen Lager gehalten ist, daß ein Reibradkollektor 5 vorgesehen ist, der einen
Randflansch in Rollkontakt mit dem Umfang eines Stromwenders besitzt und an einem
Ende der erwähnten Welle befestigt ist, wobei ferner ein elastisches Glied 10 mit
einem Kontaktstück 9 vorgesehen ist, das nicht nur das Reibrads in Kontakt mit dem
Stromwender 4 drückt, sondern gleichzeitig auch den elektrischen Kontakt zur Welle
6 herstellt und ferner däß das Reibrad 5 nicht nur in rollendem Kontakt mit dem
Umfang des Stromwenders 4 steht, sondern ferner so angeordnet ist, daß es sich frei
in Richtung der Welle 6 dieses Reibrades verschieben kann, um dadurch beim Drehen
zusammen mit dem Stromwender 4 den Unregelmäßigkeiten seiner Oberfläche zu folgen.
-
Um die Lage der Kontaktpunkte zwischen Welle 6 und Kontaktstück 9
zu stabilisieren und um die Reibungsverluste auf ein Minimum herabzusetzen, wird
dem Kontaktstück 9 vorzugsweise auf der mit der Welle 6 des Reibrades 5 in Berührung
stehenden Seite eine konkave Form gegeben. Damit der elektrische Widerstand klein
ist, kann man das Kontaktstück aus einem elektrisch gut leitenden Material herstellen
oder aber die Spitze 7 der Welle 6 des Reibrades mit einem gute elektrische Eigenschaften
besitzenden Material überziehen. Auf diese Weise wirkt das Kontaktstück 9 als elektrisch
leitendes Drucklager.
-
Wenn die Stromwendevorrichtung gemäß der Erfindung in der vorstehend
beschriebenen Weise aufgebaut ist, kommt ein Teil der Außenfläche des Stromwenders
4 mit einem Teil des Reibrades in Eingriff, während sich beide drehen; die Richtung
der Reibradwelle liegt derart, daß sie mit derjenigen Richtung übereinstimmt, in
welcher das Reibrad beim Überrollen von Exzentrizitäten und Unebenheiten der Stromwenderkontaktfläche
eine Nachfolgebewegung durchführt. Und da ein sehr leichtes Reibrad an dem einen
Ende der Welle 6 verwendet wird, dient der auf die Spitze 7 der sich drehenden Reibradwelle
ausgeübte Druck gleichzeitig dazu, den elektrischen Kontaktdruck an dieser Stelle
und auch zwischen Reibrad 5 und Stromwenderumfang herzustellen. Des weiteren kann
die Stromwendevorrichtung nach der Erfindung ein Reibrad von äußerst einfacher Konstruktion
besitzen, das lediglich mit einem Kontaktflansch und einer dünnen Welle ausgestattet
ist.
-
Da gemäß der Erfindung die Stromwendevorrichtung sehr leicht hergestellt
werden kann, ist auch ihr mechanischer Widerstand gering. Da ferner das Reibrad,
während es in rollendem Kontakt mit dem Stromwender steht, zusammen mit seiner Welle
beim Drehen in dem ölfreien Lager gleiten und auch bei kleinen Kontaktdrücken den
Unebenheiten der Stromwenderoberfläche folgen kann, werden gute elektrische Kontakte
zwischen Stromwender und Reibrad auch bei hoher Drehzahl ohne das Auftreten von
Stößen oder übermäßiger Abnutzung erzielt.
-
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die vorbeschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiele beschränkt sein, es können Änderungen vorgenommen werden, ohne
vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Winkel zwischen
der Reibradwelle 6 und der Welle 1 des Rotors irgendeinen beliebigen Wert zwischen
90 und 180° zwischen der Reibradwelle 6 und der Ankerwelle 1 haben.