DE19606878A1 - Kommutator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator bzw. Kollektor für den Einsatz bei einem Kommutatormotor (Kollektormotor).

Bei der Erfüllung der seit kurzem vorhandenen Anforderungen hinsichtlich eines miniaturi­ sierten Kommutatormotors mit hoher Ausgangsleistung oder hoher Drehzahl tritt das Problem auf, daß häufig zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten eines Kom­ mutators Funken auftreten. Eine solche Funkenbildung kann auch zur Erzeugung von elektrischen Störsignalen führen und kann darüber hinaus die Lebensdauer einer Bürste verringern. Damit eine solche Funkenbildung verhindert wird, wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, die Kommutatorsegmente miteinander durch ein Störunterdrüc­ kungselement wie etwa ein Widerstandselement, ein Varistorelement oder ein Kapazitäts­ element elektrisch zu verbinden.

Als Beispiel ist in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 51-44082 ein Kommu­ tator für den Einsatz bei einem Mikromotor offenbart. Der in dieser Druckschrift be­ schriebene Kommunikator bzw. Kommutator weist einen Ring auf, der zwischen einer Drehwelle (Ankerwelle) und Kommutatorsegmenten eingefügt ist. Der Ring weist einen an ihm ausgebildeten Widerstandsfilm auf und ist auf die Drehwelle passend aufgebracht, so daß die Kommutatorsegmente elektrisch miteinander durch den Widerstandsfilm verbunden sind.

Wenn jedoch die Drehwelle bei dieser herkömmlichen Ausgestaltung mit hoher Drehzahl gedreht wird, wird eine große Zentrifugalkraft auf den Ring ausgeübt, so daß der Ring be­ schädigt oder in einzelne Teile zerlegt werden kann. Dies bedeutet, daß die elektrische Verbindung, die durch den Widerstandsfilm zwischen zwei benachbarten Kommutatorseg­ menten hervorgerufen wird, nicht zuverlässig aufrechterhalten werden kann.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kommutator zu schaf­ fen, bei dem die Erzeugung von Funken zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten zuverlässig verhindert wird.

Es ist eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Kommutator zu schaf­ fen, der Störungsunterdrückungselemente aufweist, die nicht beschädigt oder zerstört werden, wenn der Kommutator mit hoher Drehzahl gedreht wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator geschaffen, der
eine Mehrzahl von Kommutatorsegmenten, die in kreisförmiger Ausgestaltung angeordnet und mit gleichen gegenseitigen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet sind,
eine Mehrzahl von Zwischenelementen, die jeweils zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten in berührungsmäßiger Beziehung mit diesen angeordnet sind, und
eine zylindrische Nabe aufweist, die aus Kunstharz hergestellt ist und mit den Kommutatorsegmenten und den Zwischenelementen vergossen ist,
wobei jedes der Zwischenelemente aus einem Material zur elektrischen Unter­ drückung der Erzeugung von Störsignalen zwischen zwei benachbarten Kommutatorseg­ menten hergestellt ist.

Bei dieser Ausgestaltung können die Zwischenelemente und auch die Kommutatorsegmente durch die Zentrifugalkraft, die während einer Umdrehung des Motors mit hoher Drehzahl erzeugt werden kann, nicht verlagert oder beschädigt werden.

Daher kann die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten durch das Zwischenelement zuverlässig aufrechterhalten werden, so daß die Erzeugung von Funken zuverlässig unterdrückt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Kommutators gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht, die entlang einer Linie II-II in Fig. 1 aufgenommen ist,

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines Kommutators gemäß einem zweiten Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4 eine Schnittansicht, die entlang einer Linie IV-IV in Fig. 3 aufgenommen ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Kommutators (Kollektors) 1 gezeigt. Der Kommutator 1 enthält eine Mehrzahl von Kommutatorsegmenten 2, die kreisförmig angeordnet und mit gleichen gegenseitigen Abständen voneinander in der Umfangsrichtung beabstandet sind. Jedes der Kommutatorsegmente 2 enthält einen Kontaktabschnitt 2a für den Kontakt mit einer Bürste (nicht gezeigt) sowie ein Paar von Ankerabschnitten 3, die sich von dem Kontaktabschnitt 2a in der radialen Richtung des Kommutators 1 nach innen erstrecken und die weiterhin in einer axialen Richtung des Kommutators 1 verlaufen. Jedes der Kommutatorsegmente 2 weist zwei Ausnehmungen 3a auf, die zwischen dem Kontakt­ abschnitt 2a und den Ankerabschnitten 3 ausgebildet sind und auf beiden Seiten derart angeordnet sind, daß sie einander in der axialen Richtung des Kommutators 1 entgegen­ gesetzt gegenüberliegen. Jede Ausnehmung 3a ist dazu ausgelegt, eine Kugel 6 teilweise aufzunehmen. Hierbei ist die Kugel 6 zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 angeordnet und wird teilweise durch ihre Ausnehmungen 3a aufgenommen, die benach­ bart zueinander angeordnet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Eine zylindrische Nabe 4, die aus Kunstharz hergestellt ist, ist integral bzw. einstückig mit den Ankerabschnitten 3 der Kommutatorsegmente 2 und den Kugeln 6 vergossen bzw. in Gießtechnik verbunden. Eine Buchse oder Hülse 5 ist in die Nabe 4 in enger Beziehung eingepaßt und ist dazu ausgelegt, auf eine Drehwelle oder eine Ankerwelle (nicht gezeigt) eines Motors passend aufgebracht zu werden. Jeder der Kontaktabschnitte 2a der Kommu­ tatorsegmente 2 besitzt einen J-förmigen Anschluß 8 für die Verbindung mit einem Ende eines Drahts (nicht gezeigt), der um den Kommutator 1 gewunden oder zu winden ist.

Das Verfahren zur Herstellung des Kommutators 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die nachfolgenden Schritte:

• (1) Es wird eine Mehrzahl von noch nicht vollständig endbearbeiteten, d. h. halbfertigen Kommutatorsegmenten kreisförmig angeordnet, die die gleiche Gestaltung wie die Kom­ mutatorsegmente 2 besitzen, jedoch Kontaktabschnitte aufweisen, deren Breite in der Umfangsrichtung größer ist als diejenige der Kontaktabschnitte 2a der Kommutatorsegmen­ te 2, so daß die Kontaktabschnitte der noch nicht vollständig endbearbeiteten Kommutator­ segmente einander in der Umfangsrichtung berühren.
• (2) Es werden die Kugeln 6 jeweils zwischen die Ausnehmungen 3a von zwei benach­ barten, teilweise fertiggestellten (noch nicht vollständig endbearbeiteten) Kommutatorseg­ menten eingefügt. Die Kugeln 6 werden in der axialen Richtung tiefer in die Ausnehmun­ gen 3a zu einer Zeit bzw. zur gleichen Zeit auf jeder axialen Seite unter Kraftaufwendung eingedrückt, wobei ein geeignetes Werkzeug wie etwa ein Ring verwendet wird.
• (3) Die Nabe 4 wird integral bzw. einstückig mit den Ankerabschnitten 3 und den Kugeln 6 vergossen.
• (4) Die Buchse bzw. Hülse 5 wird unter Kraftausübung in die Nabe 4 eingepaßt.
• (5) Es werden sich berührende Teile von benachbarten Kontaktabschnitten der noch nicht vollständig fertiggestellten Kommutatorsegmente durch ein Trenn- bzw. Schneidgerät abgetrennt, so daß Spalten zwischen benachbarten Kontaktabschnitten geschaffen werden.

Hierdurch können die in Fig. 2 dargestellten Kontaktabschnitte 2a erhalten werden.

Folglich werden bei diesem Ausführungsbeispiel die Ankerabschnitte 3 der Kommutator­ segmente 2 und die Kugeln 6 einstückig (integral) mit der zu der zylindrischen Nabe 4 vergossen, so daß sowohl die Ankerabschnitte 3 als auch die Kugeln 6 in ihrer Position in einem Zustand festgelegt werden, bei dem die Ankerabschnitte 3 miteinander durch die Kugeln 6 verbunden sind, die unter Kraftausübung in zwei benachbarte Ausnehmungen 3a eingeführt sind. Daher wird die Verbindung zwischen den Kommutatorsegmenten 2 durch die Kugeln 6 zuverlässig aufrechterhalten.

Hierbei sind die Kugeln 6 aus Materialien hergestellt, die dazu dienen, die Entstehung von Störsignalen bzw. Störungen zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 elektrisch zu unterdrücken. Solche Materialien können Materialien mit einem vorbestimm­ ten elektrischen Widerstandswert, Materialien, die eine Varistor-Eigenschaft haben, und Materialien enthalten, die eine Kapazitätseigenschaft aufweisen. Anders ausgedrückt sind zwei benachbarte Kommutatorsegmente 2 durch einen Widerstand, einen Varistor oder eine Kapazität elektrisch miteinander verbunden.

Wie vorstehend erläutert wurde, sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei benachbarte Kommutatorsegmente 2 durch die Kugel 6, die unter Kraftausübung in die Ausnehmungen 3a von zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 eingedrückt bzw. eingepaßt wurden, elektrisch miteinander verbunden, wobei die Kugel 6 als ein Widerstand, ein Varistor oder eine Kapazität wirkt und integral mit der Nabe 4, die aus Kunstharz besteht, vergossen ist. Daher kann die Kugel 6 selbst bei einer Drehung der Ankerwelle mit hoher Drehzahl nicht beschädigt oder verlagert werden, so daß die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 zuverlässig aufrechterhalten werden kann.

Demzufolge kann die Entstehung von Störungen bzw. Störsignalen oder Funken zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 während der Drehung der Ankerwelle zuver­ lässig verhindert werden.

Die Materialien zur Bereitstellung der Funktion der Kugel 6 als Widerstand kann Silizium­ karbid (SiC) und Molybdendisilicid (MoSi₂) enthalten, die keramische Materialien mit Halbleitereigenschaften sind.

Materialien, die der Kugel 6 die Funktion bzw. Eigenschaft als Varistor verleihen, können Zinkoxyd (ZnO) enthalten, was ein keramisches Material ist, das eine spannungsabhängige Leitfähigkeit besitzt.

Die Materialien, die der Kugel 6 die Funktion als Kapazität verleihen können, können Bariumtitanat (BaTiO₃) enthalten, was ein keramisches Material ist, das eine hohe Dielek­ trizitätseigenschaft und einen hohen Kapazitätswert aufweist.

Anstelle dieser keramischen Materialien können auch organische Materialien eingesetzt werden, falls diese Halbleitereigenschaften, Varistoreigenschaften oder Kapazitätseigen­ schaften aufweisen.

Weiterhin werden die Kommutatorsegmente 2 zuverlässig darin gehindert, zu fließen bzw. sich in ihrer Position zu verlagern, und es wird die kreisförmige Anordnung der Kom­ mutatorsegmente 2 mit gleichen gegenseitigen Abständen zuverlässig und korrekt aufrech­ terhalten. Dies liegt daran, daß der Kommutator 1 bei diesem Ausführungsbeispiel Anker­ abschnitte 3 aufweist, die zuverlässig an der Nabe 4 festgelegt sind.

Daher lassen sich die vorteilhaften Merkmale und Eigenheiten des Kommutators 1 für eine lange Zeitdauer aufrechterhalten.

Da weiterhin die Kugeln 6 einen gleichförmigen Durchmesser besitzen und jede Kugel 6 zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 eingefügt ist, sind die Kommutator­ segmente 2 zuverlässig mit gleichen gegenseitigen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet, so daß der Kommutator 1, der die vorstehend angegebenen vorteilhaften Merkmale aufweist, einfach hergestellt werden kann.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 wird nachstehend ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels dar. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.

Ein Kommutator 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Kommutator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Bereitstellung von verstärkenden Ringen 7, die aus isolierenden Materialien hergestellt sind. Jeder der Ringe 7 ist in die Ausnehmungen 3a eingeführt, die auf einer Seite in der axialen Richtung des Kommutators 10 angeordnet sind, und erstreckt sich zwischen diesen Ausnehmungen 3a.

Jeder Ring 7 ist derart angeordnet, daß er die unteren Oberflächen der Kontaktabschnitte 2a der Kommutatorsegmente 2 nicht kontaktiert, und dient dazu, die Kugeln 6 an ihre entsprechenden Ankerabschnitte 3 zu drücken. Als Ergebnis dieser Ausgestaltung ist die Länge der Ankerabschnitte 3 in der radialen Richtung des Kommutators 10 größer als diejenige der Ankerabschnitte 3 bei dem Kommutator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbei­ spiel.

Der Kommutator 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann durch den gleichen Her­ stellungsprozeß wie der Kommutator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden, mit Ausnahme der Hinzufügung des Schritts der Einführung der Ringe 7 in die Ausnehmungen 3a auf beiden Seiten in der axialen Richtung des Kommutators 10, wobei dieser Schritt vor dem Schritt des Vergießens der Nabe 4 durchgeführt wird. Folglich werden bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Ringe 7 als auch die Ankerabschnitte 3 und die Kugeln 6 mit der Nabe 4, die aus Kunstharz hergestellt ist, vergossen.

Da die Ringe 7 bei diesem Ausführungsbeispiel dazu dienen, die Kugeln 8 an ihre zu­ gehörigen Ankerabschnitte 3 der Kommutatorsegmente 2 zu drücken, kann jedes der beiden benachbarten Kommutatorsegmente 2 zuverlässig durch die bzw. mit der Kugel 6 in Eingriff gebracht werden. Daher kann die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 2 durch die Kugel 6 weiterhin zuverlässig aufrech­ terhalten werden.

Zusätzlich können die Ankerabschnitte 3 aufgrund des Vorsehens der Ringe 7 weiterhin zuverlässig in ihrer Position relativ zu der Nabe 4 festgehalten werden. Daher sind die Kommutatorsegmente 2 noch zusätzlich zuverlässig daran gehindert, sich in ihrer Position zu verlagern (zu schwimmen), und es wird die kreisförmige Anordnung der Kommutator­ segmente 2 mit gleichen gegenseitigen Abständen zusätzlich zuverlässig und korrekt aufrechterhalten.

Auch wenn sich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Kugeln 6 in Eingriff mit den Ausnehmungen 3a der Ankerabschnitte 3 auf beiden Seiten in der axialen Richtung befinden, können die Kugeln 6, die auf einer Seite angeordnet sind, durch Kugeln ersetzt werden, die aus isolierenden Materialien hergestellt sind.

Auch wenn bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen jedes Kommutator­ segment 2 zwei Ankerabschnitte 3 enthält, können ferner auch drei oder mehr Anker­ abschnitte 3 vorgesehen sein.

Der beschriebene Kommutator weist somit eine Mehrzahl von Kommutatorsegmenten auf, die in kreisförmiger Anordnung mit gleichen gegenseitigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sind. Der Kommutator verfügt über eine Mehrzahl von Zwischenelementen, die jeweils zwischen zwei benachbarte Kommutatorsegmente eingefügt sind und mit diesen in Berührung stehen. Eine zylindrische, aus Kunstharz hergestellte Nabe ist mit den Kom­ mutatorsegmenten und den Zwischenelementen vergossen. Jedes der Zwischenelemente ist aus einem Material hergestellt, das die Erzeugung von Störungen zwischen zwei benach­ barten Kommutatorsegmenten elektrisch unterdrücken kann.

Claims (8)

1. Kommutator mit
einer Mehrzahl von Kommutatorsegmenten (2), die in kreisförmiger Anordnung und mit gleichen gegenseitigen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet sind,
einer Mehrzahl von Zwischenelementen (6), die jeweils zwischen zwei benach­ barten Kommutatorsegmenten (2) angeordnet sind und mit diesen in Berührung stehen, und
einer zylindrischen Nabe (4), die aus Kunstharz besteht und mit den Kom­ mutatorsegmenten (2) und den Zwischenelementen (6) vergossen ist,
wobei jedes der Zwischenelemente (6) aus einem Material besteht, das die Erzeugung von Störungen bzw. Störsignalen zwischen zwei benachbarten Kommutatorseg­ menten elektrisch unterdrückt.

2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelemente (6) aus Materialien hergestellt sind, die einen vorbestimmten elek­ trischen Widerstandswert besitzen.

3. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelemente (6) aus Materialien bestehen, die eine Varistor-Charakteristik besitzen.

4. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelemente (6) aus Materialien hergestellt sind, die eine Kapazität-Charakteristik besitzen.

5. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenelemente (6) Kugeln sind.

6. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenelemente (6) aus keramischem Material bestehen.

7. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes Kommutatorsegment (2) einen Ankerabschnitt (3) aufweist, der in der Nabe (4) eingebettet ist, und daß der Ankerabschnitt (3) eine Aus­ nehmung (3a) für den Eingriff mit jedem bzw. einem jeweiligen Zwischenelement (6) aufweist, derart, daß jedes Zwischenelement (6) teilweise mit den Ausnehmungen (3a) in Eingriff steht bzw. von diesen aufgenommen ist, die in den Ankerabschnitten (3) von zwei benachbarten Kommutatorsegmenten (2) ausgebildet sind.

8. Kommutator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (7) vorgesehen ist, der aus isolierendem Material hergestellt ist und in die Aus­ nehmungen (3a) der Ankerabschnitte (3) derart eingefügt ist, daß er sich zwischen diesen erstreckt, wobei der Ring (7) an einem äußeren Teil jedes insbesondere als Kugel ausgebil­ deten Zwischenelements (6) in der radialen Richtung des Kommutators anliegt, wobei der Ring (7) mit der Nabe (4) vergossen ist.