DE1960864C3 - Kontaktfeder für elektrische Kleinst- und Miniaturmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktfeder aus dünnem, in Kontaktstreifen auslaufendem Federblech, für elektrische Kleinst- und Miniaturmotoren, zum Beispiel für Uhrwerke oder Filmkameras. Von derartigen Motoren wird eine hohe Verschleißfestigkeit, eine besondere Laufruhc und der Betrieb aus kleinen Stromquellen verlangt.

Um eine bessere Kommutierung zu erreichen, sind die heute verwendeten Kontaktfedern für die eingangs genannten Kleinstmotoren an ihrem Kontaktende häufig in Längsrichtung geschlitzt, so daß mehrere schmale Federarme entstehen, deren freie Enden in der Regel auf- oder eingewalzte Kontakte traget Derartige Kontaktfedern sind durch Stanzen billi herstellbar. Mit Verkleinerung der Motortypen erge ben sich jedoch mit der bekannten Kontaktfeder di Nachteile einer herabgesetzten Lebensdauer um einer schlechten Kommutierung. Eingehende Unter suchungen an serienmäßig hergestellten Kleinstmoto ren gleicher Bauart haben ergeben, daß in der Korn mutierung erhebliche Unterschiede auftreten, die ein

ίο deutig unterschiedliche Qualität der Ausführung de Kontaktfedern, auf ihre Herstellungstoleranzen unt auf ihre Einspannung und Vorspannung zurückzu führen sind. Hinzu kommen die für die Serienherstel lung erforderlichen, bei Kleinst- und Miniaturmoto

ren relativ weiten Toleranzen, insbesondere bei dei Rotorlagerung, beim Rundlauf des KoUektors unc bei der Unwucht des Rotors. Unter solchen Bedin gungen treten Fehler auf, die sich bei Verwenduni der bekannten Kontaktfedern nur schwer und in zeit

ao raubender Kleinarbeit durch Justieren der Federn an jedem einzelnen Motor teilweise beheben lassen. Daher war man bisher gezwungen, entweder teuere Justierarbeit in Kauf zu nehmen oder die Fertigungstoleranzen aller Motorteile stark einzuengen. Beides führt zu einer erlieblichen Verteuerung eines Kleinst motors.

Fin anderer Nachteil der bekannten Kontaktfedern ist ihre Geräuschentwicklung. Selbst dann, wenn der Andruck der Federn an den Kollektor für die Kommutierung optimal eingestellt ist, wirkt die Feder in Verbindung mit dem Kollektor als Geräuschquelle und leitet gleichzeitig diese Geräusche an die anderen Motorteile, insbesondere aber an das Motorgehäuse weiter, das als Resonator diese Geräusche verstärkt abstrahlt. Die Ursache der Geräuschentstehung sind die Unebenheiten und Rieten auf der Kollektorflache. Gleitet ein Federzinken einer Kontaktfeder über eine stärkere Erhebung auf der Kollektor-Kontaktfläche, so wird er angehoben, wobei die benachharten Zinken dieser Bewegung teilweise folgen und, sobald die Erhebung den genannten Zinken passiert hat, fast gleichzeitig mit diesem auf die Kollektor-Kontaktfläche wieder auftreffen. Legt man die Kontaktfeder so weich aus, daß die gegenseitige Beeinflussung der Zinken gemildert erscheint, so entsteht ein zu geringer Kontaktandruck am Kollektor.

Stehen die Zinken einer Kontaktfeder nicht auf einer Linie, die parallel zur Kontaktfläche des Kollektors verläuft, so kommt es vor, daß zeitweise nur einer der Zinken an der Kollektorfläche kontaktiert und somit den vollen Strom führen muß. Dies aber führt zu einem frühen Verschleiß von Kollektor-Kontaktfläche und Kontaktfeder. Außerdem nimmt die Gerauschentwicklung erheblich zu.

Oic Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eingangs genannte Kontaktfeder soweit zu verbessern, daß auch bei Kleinst- und Miniaturmotoren mit den dort relativ großen Toleranzbereichen eine hinsichtlich eines gleichmäßigen Andrucks einwandfreie Kommutierung zwecks Erzielung einer hohen Drehzahlstabilität und Lebensdauer erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Kontaktfeder der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktfeder einen Stamm aufweist, dessen einseitiges Ende als an sich bekannte Befestigung im Motor ausgebildet ist, während sein anderseitiges Ende sich in zunächst etwa quer zur Stammrichtung verlaufende Äste verzweigt, die anschlie-

Bend im wesentlichen wieder in Stammrichtung verlaufen, um sich dann zumindest teilweise in der vorbeschriebenen Art weiter zu verzweigen, wobei von den Verzweigungsenden aus wiederum längsgerichtet die Kontaktstreifen ausgehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Kontaktfeder werden darin gesehen, daß die Breiten der Äste und Kontaktstreifen von Verzweigungsstufe zu Verzweigungsstufe in Richtung auf die Enden vorzugsweise derart gemindert sind, daß eine wenigstens annähernd konstante Biegefest'gkeit über die gesamte Länge der Kontaktfeder erreicht wird.

Für den Betrieb in Verbindung mit Walzenkollektoren kann eine Kontaktfeder mit in Längsrichtung symmetrischer Form gewählt werden, wogegen für den Betrieb in Verbindung mit Plankollektoren vorteilhaft eine in Längsrichtung unsymmetrische Form derart gewählt wird, daß mit zunehmendem radialen Abstand von der Wellenmitte die Brei.c der Kontaktstreifen abnimmt.

Die Kontaktstreifen können eine Edelmetallauflage an sich bekannter Art, zum Beispiel in das Federblech eingewalzte Edelmetallkontaktstreifen, aufvveisen oder, in Verbindung mit Plankollektoren, im Bereich der Kontaktstellen gegen den Kollektor zu halbkreisförmig gewölbt sein.

Die Herstellung der Kontaktfeder kann gratfrei durch beidseitige Ätzung eines Federblechbande^ erfolgen.

In den Fig. 1 bis 4 sind einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele erläutert. Die F i g. 5 und 6 dienen zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens. An Hand der Fig. 1 wird die Form der Kontaktfeder in ihren Grundzügen beschrieben:

Die Kontaktfeder besitzt einen Stammteil 1, dessen unteres F.nde 2 für die mechanische Befestigung der Feder am Motorchasr.is und für den elektrischen Anschluß, zum Beispiel einen Lötanschluß vorgesehen ist. Das obere Ende 3 des Stammteils 1 verzweigt sich senkrecht zur Längsachse der Feder in die Arme 4 und 5. Von deren Enden verlaufen wiedeium parallel zur Längsachse der Feder weitere Arme 6 irid7, so daß eine Gabel entsteht. Die Enden 8 und 9 der Arme 6 und 7 vc-zweigen sich wiederum über 10, 11, 12 und 13 auf die gleiche Art wie die des Stammteils 1 durch 4 und 6 beziehungsweise S und 7. Es entstehen zwei weitere Gabeln, an deren freien Enden 18, 19, 20, 21 sich die Kontaktflächen für die Kommutierung befinden.

Die Funktion der erfindiingsjieniaiien Kontaktfeder beruht auf ihrer geschmeidigen Beweglichkeit und auf der gegenseitigen mechanischen Entkopplung der Kontaktsteilen.

Die Erschütterungen, die durch die Kommutierung en den Kontaktstellen 18 und 19 beziehungsweise 20 und 21 entstehen, werden zunächst in den Gabelarmen 14, IS, 16 und 17 gedämpft und heben sich in den Gabelstellen 8 und 9 auf Grund der gegenläufigen Bewegungen der Arme 10 und 11 bezieliungsweise 12 und 13 zum größten Teil bereiis auf. Es tritt also in der Gab<'!:.'.ufe B eine Kompensation der Erschütterungcn ;ui, ό daß die Kontaktstellen 18 und 19 beziehungsweise 20 und 2i voneinander stark entkoppelt jhid. Es zeigen daher auch einfache Bürsten, die im Aufbau eine· Gabelstufe B mit einem Arm (6 oder 7) entsprechen, bereits verhältnismäßig gute Eigenschaften. In der weiteren Gabelstufe A kornpensie >.n sieh auf die gleiche Weise die Resterschütterungen, die in den Gabelstellen 8 und 9 noch vorhanden sind. Durch die Gabelstufe A sind die beiden Gabeln der Stufe B entkoppelt, so daß sich die Kontaktstelien 18 und 19 praktisch vollkommen unabhängig von den Kontaktstellen 20 und 21 bewegen können. Die Erschütterungen durch die Kommutierung, die durch den Stammteil 1 der Kontaktfeder noch auf das Motorchassis übertragen werden, sind fast Null. Dadurch ergibt sich ein überraschend geräuscharmer Lauf des Motors. Durch Entkopplung der Kontaktstellen voneinander ist darüber hinaus die Entstehung von Geräuschen stark vermindert. Andererseits bewirkt die Entkopplung eine elektrisch einwandfreie Kontaktierung zwischen den Kontaktstellen 18, 19, 20, 21 der Gabelfeder und dem KoI- lektor. Dadurch geht auch der Abbrand an den Kontaktstelien stark zurück, so S ,3 sich auch die Lebensdauer und die Betriebssicheriiei* eines mit den erfirrdungsgemäßen Kontaktfedern ausgerüsteten Motors erheblich erhöhen.

Die erfindungsgemäße Kontaktfeder führt wegen d's geringen Kontaktverschleißes nicht nur zu einer stets gleichbleibenden Kommutation und damit zu einer auffallenden Konstanz der Betriebsdaten, sondem auch zu größeren zulässigen Toleranzen bei der Herstellung der Einzelteile und der Montage eines Kleinstmotors und damit zu einer erheblichen Senkung der Herstellungskosten. Die Verbesserung der Kommutierung hat schließlich auch eine Steigerung des Wirkungsgrades zur Folge. Erhöhter Wirkungsgrad bedeutet bei batteriegespeisten Kleinstmotoren unter anderem aber eine Steigerung der Lebensdauer der Batterie.

Eine zweckmäßige Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kontaktfeder besteht darin, daß die Gabelzinken von Gabelstufe zu Gabelstufe schmäler werden, wie es Fig. 2 anschaulich zeigt. Dadurch erreicht man — ähnlich wie bei sogenannten TrapezBlattfedern — eine ausgewogene Biegebeanspruchung, d. h. eine von Stufe zu Stufe annähernd konstante Biegefestigkeit der KontaKtfeder über ihre Gesamtlänge. Es ist auch eine kontinuierlich konstante Biegefestigkeit zu erreichen, wenn der Stammteil und die Gabelzinken trapezförmig ausgebildet werden. Für Walzenkollektoren werden im allgemeinen symmetrisch gestaltete Kontaktfedern — wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt — verwendet, da alle Kontaktstellen der Kontaktfeder von der Einspannstelle dir Kontaktfedern gleich weit entfernt sind, und da die Umfangsgeschwindigkeit der Kontaktbahnen auf dem WalzenKollektor gleich ist.

Für Plankollektoren dagegen erscheint es /weckmäßig, die Kontaktfedern unsymmetrisch zu gestiil· ten, wie es ''ie Fig. 3 und 4 zeigen, weil beim Plankollektor an den äußeren Kontaktbahnen die Umfangsgeschwindigkeit größer ist, als bei den inneren Bahnen. Die Unsymmetrie besteht bei einer Kontaktfeder nach Fig. 3 darin, daß die Kontaktarme von links nach rechts gesehen breiter werden. Damit werden unterschiedliche Kontaktkräfte erzeugt. Die Breite eines jeden Kontaktarmes ist dabei so zu wählen, daß das durch die Reibung an der Kollektoifläche erzeugte Drehmoment für jeden Kontaktarm wenigstens annähernd gleich ist. Das jeweilige Drehmoment ergibt sich aus der Kontaklkraft miillipliziii t mit dem Abstand des betreffenden Kontaktarms von der Motorachse. Durch diese Unsymmetrie wird eine gleichmäßige Abnutzung an den Kontaktstellen der

Kontaktfedern und auf der Kollektor-Kontaktfläche erzielt. Eine weitere Möglichkeit der unsymmetrischen Gestaltung der Kontaktfeder zeigt F i g. 4. Diese Formgebung ist vorzugsweise anzuwenden, wenn der Durchmesser des Plankollektors aus konstruktiven Gründen bereits so klein gewählt werden muß, daß eine Kontaktfeder mit vier Kontaktarmen gemäß F i g. 3 nicht mehr eingesetzt werden kann. Auch bei einer Kontaktfeder nach Fig. 4 können die Kontaktarme unterschiedlich breit sein, um eine konstante Biegefestigkeit über die Länge zu erreichen.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Unsymmetrie besteht darin, daß man für die Kontaktarme unterschiedliche Längen wählt, so daß die Kontaktstellen vom Einspannpunkt der Kontaktfeder unterschiedlich weit entfernt sind. Natürlich muß in einem solchen Fall der Befestigungsqrt für die Kontaktfeder am Lagerschild oder am Motorchassis so gewählt sein, daß die Kontaktstellen der Kontaktfeder auf einer gemeinsamen gedachten Linie parallel zur Motorachse liegen.

Für besondere Fälle ist die Verwendung einer Kontaktfeder auch mit mehr als zwei Verzweigungsstufen (A, B) denkbar.

Die Herstellung von Kontaktfedern gemäß dieser Erfindung kann durch ein gratfreies Feinstanzverfahren erfolgen. Billiger und in weitaus besserer Qualität lassen sich die Kontaktfedern durch Ätzverfahren herstellen. Erforderlich ist lediglich eine maßstäbliche Druckvorlage, die von jedem Zeichner mit hoher Genauigkeit erstellt werden kann. Man spart also komplizierte Schnittwerkzeuge und ist dadurch in der Lage, gegebenenfalls die Federkontur beliebig oft und ohne große Kosten zu ändern, bis die optimale Federgestalt gefunden ist. Wie die Koritaktfedern in einem Ätzstreifen angeordnet sein können, zeigt die

ίο Fig. 5. Mit einem einfachen Schnittwerkzeug werden die Kontaktfedern en bloc freigeschnitten. Ätzstreifen entsprechend F i g. 5 können zum Beispiel bis zu 200 Kontaktfedern enthalten. Die Überlegenheit des Ätzvcrfahrcns gegenüber dem Stanzverfahren zeigt sich

vor allem in der absoluten Gratfreiheit des Endprodukts. Während beim Stanzverfahren scharfe Konturen verbleiben, die zur Riefenbildung auf der Kommutierungsfläche des Kollektors führen, werden alle Kanten der Kontaktfeder beim Atzvorgang abgerun-

det, so daß sich auf der Kommutierungsflächc des Kollektors ein minimaler Verschleiß ergibt. F i g. fi zeigt im Querschnitt einen Kontaktarm einer geätzten Kontaktfeder. Man erkennt die abgerundeten Kanten 22, 23, 24 und 25. Durch diese bleibt der Verschleiß

as am Kollektor sehr gering, so daß stabile Übergangswiderstände zwischen den Fedcrkontaktstellen und der Lauffläche des Kollektors erreicht werden.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 S60 864 Patentansprüche:

1. Kontaktfeder aus dünnem, in Kontaktstreifen auslaufendem Federblech, für elektrische Kleinst- und Miniaturmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Stamm (1) aufweist, dessen einseitiges Ende (2) als an sich· bekannte Befestigung im Motor ausgebildet ist, während sein anderseitiges Ende (3) sich in zunächst etwa quer zur StammriJitung verlaufende Äste (4 und 5) verzweigt, die anschließend im wesentlichen wieder in Stammrichtung (6,7) verlaufen, um sich dann zumindest teilweise in der vorbeschriebenen Art weiter zu verzweigen (8 bis 13), wobei von den Verzweigungsenden aus wiederum längsgerichtet die Kontaktstreifen (14 bis 17) ausgehen.

2. Kontaktfeder nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Äste und Kontaktstreifen (6,7, 14, 15, 16. 17) von Verzweigungsstufe zu Verzweigungsstufe in Richtung auf die Enden (18, 19, 20, 21) vermindert (Fig. 2) sind.

3. Kontaktfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Äste und Kontaktstreifen (6, 7, 14, 15, 16, 17) derart vermindert sind, daß eine wenigstens annähernd konstante Biegefestigkeit über die Gesamtlänge der Kontaktfeder erreicht wird (F i g. 2).

4. Kontaktfeder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, daduich gekennzeichnet, daß für den Betrieb in Verbindung i.iit Walzenkollektoren eine in Längsrichtung symmetrische Form gewählt ist (Fig. 1,2).

5. Kontaktfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb in Verbindung mit Plankollektoren eine in Längsrichtung unsymmetrische Form derart gewählt ist, daß mit zunehmendem radialen Abstand von der Motorwellenmitte die Breite der Kontaktstreifen abnimmt (Fig. 3, 4).

6. Kontaktfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakistreifen eine Fdelmetallauflage an sich bekannter Art aufweisen.

7. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch beidseitige Ätzung eines Federblechbandes.