DE19614219A1 - Gleichstromelektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromelektromotor mit einer Motorwelle und mit zu einer Kollektorhülse im Abstand zueinander um einen Bereich der Motorwelle gruppierten Kollek­ torlamellen.

Eine derartige Ausgestaltung des Kollektors eines Gleichstrom­ motors wird insbesondere bei kleinen Elektromotoren angewandt. Bei diesem wird die Motorwelle zusammen mit den Kollektorlamel­ len in eine Spritzgußform eingelegt und durch anschließendes Umspritzen mit Kunststoff miteinander verbunden. Dabei muß ein Teil der zu einer Kollektorhülse formierten Kollektorlamellen nach außen hin frei bleiben, damit die Kollektorbürsten elek­ trischen Kontakt gebend auf diesen Bereich aufgesetzt werden können. Des weiteren ist hierbei wichtig, daß die Motorwelle nicht im Kurzschluß mit den Kollektorlamellen steht, was durch die Kunststoffumspritzung auch verhindert wird. Die Kunst­ stoffumspritzung übernimmt somit die Aufgaben der Isolierung, Positionierung und Halterung der Kollektorlamellen relativ zur Motorwelle. Bei der so gebildeten Kollektorhülse und den Kol­ lektorbürsten handelt es sich um Verschleißteile, da diese in ständigem Reibkontakt miteinander stehen. Die Lebensdauer die­ ser Verschleißteile bestimmt die Lebensdauer des Motors. Aus diesem Grunde bestehen im Stand der Technik ständige Bestrebun­ gen, die Lebensdauer der Kollektorhülsen bzw. der Kollektorbür­ sten - in Metall- oder Kohleausbildung - zu verlängern.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gleichstromelektromotor der eingangs genannten Art so zu ver­ bessern, daß er eine höhere Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Be­ reich der Kollektorhülse der Querschnitt der Motorwelle redu­ ziert ist.

Diese auf den ersten Blick einfach erscheinende Maßnahme bietet den enormen Vorteil, daß parallel zur Reduzierung des Quer­ schnitts der Motorwelle auch der Durchmesser der Kollektorhülse reduziert werden kann, ohne auf eine entsprechend isolierende Kunststoffschicht oder ähnliches zwischen Kollektorlamellen und Motorwelle verzichten zu müssen. Durch diese Ausgestaltung hat der Erfinder erreicht, daß die Umfangsgeschwindigkeit an der Kollektorhülse sich gegenüber Elektromotoren mit gleich großer Motorwelle drastisch reduzieren läßt. Hierdurch liegen auch günstigere Reibverhältnisse vor, die entsprechend zu geringerem Verschleiß und somit längeren Lebensdauern führen. Mit dem In­ nendurchmesser der Kollektorhülse ist eine Idealisierung ge­ meint, da diese von einzelnen, in aller Regel geradlinigen Kol­ lektorlamellen definiert wird, die gemeinsam eher einen Poly­ gonquerschnitt umschreiben.

Vorteilhafterweise können die Kollektorlamellen in ihrer axia­ len und radialen Lage durch eine Kunststoffumspritzung relativ zur Motorwelle gehalten und mit dieser verbunden sein. Dies ist eine besonders bei kleinen Elektromotoren kostengünstige und einfach herzustellende Verbindungstechnik bei größeren Stück­ zahlen.

Ergänzend sei noch erwähnt, daß Versuche gezeigt haben, daß die Festigkeit der Motorwelle nicht eingeschränkt wird, da durch das Ausfüllen der Reduzierung mit Kunststoffmasse und den Kol­ lektorlamellen eine Stabilisierung erfolgt.

Günstigerweise kann die Außenkontur im Bereich der Reduzierung der Motorwelle in Längsrichtung gesehen größtenteils an die In­ nenkontur der Kollektorhülse angepaßt sein. Hierdurch wird der Tatsache am besten Rechnung getragen, daß lediglich der Teil der Kollektorhülse, der mit den Kollektorbürsten in Berührung steht, im Durchmesser reduziert sein muß.

Von Vorteil ist es bei einer Variante auch, wenn der Innen­ durchmesser der Kollektorhülse gleichgroß oder kleiner ist als der nicht reduzierte Motorwellendurchmesser. Hierdurch können Außendurchmesser der Kollektorhülse erreicht werden, die im Be­ reich des Motorwellenaußendurchmessers liegen. Hierdurch sind ohne weiteres Durchmesserverkleinerungen der Kollektorhülse ge­ genüber herkömmlichen Elektromotoren von bis zu 30% oder noch darüber durchführbar, womit Reibungsminderungen und Lebens­ dauererhöhungen in ähnlicher Größenordnung verbunden sind.

Um eine möglichst große Stabilität zu erlangen, kann die durch die Reduzierung gebildete Ringnut im wesentlichen vollständig mit einem Teil der Kunststoffumspritzung und einem Teil der Kollektorlamellen ausgefüllt sein. Wichtig ist hierbei, daß keine abrupten Durchmesseränderungen der Motorwelle nach außen hin freibleiben.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Kollektorlamellen jeweils eine L-Form aufweisen, wobei ein L-Schenkel parallel zur Motorwellenachse im Bereich der Re­ duzierung angeordnet ist und der zweite L-Schenkel radial von der Motorwelle absteht. Das gesamte Kollektorsystem ist somit mit einfachen Bauteilen aufgebaut, die entsprechend nah um die Motorwelle herum gruppiert werden können.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er­ findung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Motorwelle mit Kollektorhülse für einen Gleich­ stromelektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Vorderansicht,

Fig. 2 die Welle und die Kollektorhülse aus Fig. 1 entlang der Linie II-II geschnitten,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Variante einer Motorwelle mit Kollektorhülse in einer Schnittdar­ stellung ähnlich Fig. 2 und

Fig. 4 eine dritte Variante der Motorwelle und Kollektorhül­ se in schematischer Darstellung ähnlich Fig. 3.

Der Kollektor 1 des erfindungsgemäßen Gleichstromelektromotors wird gemäß Fig. 1 und Fig. 2 im wesentlichen gebildet von ei­ ner scheibenförmigen Kunststoffumspritzung 2, die fest auf ei­ ner Motorwelle 3 aufsitzt und mehreren, zu einer Kollektorhülse 4 gleichmäßig im Abstand zueinander um die Motorwelle 3 grup­ pierte Kollektorlamellen 5. Die Kollektorlamellen 5 sind be­ reichsweise in der Kunststoffumspritzung 2 eingebettet, von dieser positioniert und gehalten. Des weiteren weisen diese ei­ ne L-Form mit einem radial bezüglich der Motorwellenachse ab­ stehenden L-Schenkel 6 und einer parallel zur Motorwellenachse angeordneten L-Schenkel 7 auf. Die Anordnung der Kollektorla­ mellen 5 erfolgt derart, daß diese sowohl von der Motorwelle 3 als auch jeweils zur benachbarten Kollektorlamelle 5 durch die Kunststoffumspritzung 2 isoliert sind. Im Bereich der durch hauptsächlich die axialen L-Schenkel 7 gebildeten Kollektorhül­ se 4 sind die Kollektorlamellen 5 von außen frei zugänglich, so daß nicht dargestellte Kollektorbürsten, Metall- oder Kohlebür­ sten, aufsetzbar sind.

Die freien Enden der radialen L-Schenkel 6 der Kollektorlamel­ len 5 dienen unter Zuhilfenahme der Durchbrüche 8 in der Kunst­ stoffumspritzung 2 zum elektrischen Anschluß an die nicht dar­ gestellte Motorwicklung. Die Motorwicklung kann z. B. nach Art eines eisenlosen Läufers ausgebildet sein.

Anhand der Fig. 2 ist zu sehen, daß die Motorwelle 3 einen Profilbereich 9 und eine Ringnut 10 aufweist. Der Profilbereich 9 kann als Rändelung oder als Keilnutenprofil ausgestaltet sein. Sowohl die Ringnut 10 als auch der Profilbereich 9 dienen zur genauen Positionierung und Verankerung der Kunststoffum­ spritzung 2 auf der Motorwelle 3, da sich beim Spritzgußvorgang die Kunststoffmasse paßgenau an diese Bereiche anlegt.

Darüber hinaus weist die Motorwelle 3 im Bereich der Kollektor­ hülse 4 einen Bereich 11 mit gegenüber der übrigen Motorwelle reduziertem Querschnitt bzw. Durchmesser auf. Dessen Länge ist so gewählt, daß zumindest die axialen L-Schenkel 7, unter Bei­ behaltung einer entsprechend dicken Kunststoffschicht in dieser angeordnet sein können bzw. die axialen L-Schenkel 7 so nahe an die Motorwellenachse angeordnet werden können, wie es im Ab­ triebsbereich 12 der Motorwelle 3 nicht möglich wäre.

Im folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ein entscheidendes Kriterium für die Lebensdauer derartiger Gleichstromelektromotoren sind die Reibungsverhältnisse im Be­ reich der Kollektorhülse 4. Hier sitzen nämlich die Kollektor­ bürsten auf und reiben an den sich darunter hinwegdrehenden Kollektorlamellen 5. Einen entscheidenden Einfluß auf die Rei­ bungsverhältnisse hat die Umfangsgeschwindigkeit der Kollektor­ hülse 4. Durch die vorliegende Erfindung wird nunmehr erreicht, daß durch die zumindest teilweise Einbettung der axialen L- Schenkel 7 der Kollektorlamellen 5 innerhalb der Durchmesserre­ duzierung 11 auch eine Reduzierung des Durchmessers der Kollek­ torhülse 4 und somit eine Verminderung der Umfangsgeschwindig­ keit bei gleicher Drehzahl erreicht wird. Hierbei sind keine Festigkeitsnachteile hinzunehmen, da der in der Durchmesserre­ duzierung 11 eingespritzte Kunststoff und die darin angeordne­ ten axialen L-Schenkel 7 für eine entsprechende Stabilisierung sorgen.

Im folgenden werden zwei weitere Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen insbesondere die unterschied­ lichen Möglichkeiten der Durchmesserreduzierung aufzeigen und unterscheiden sich daher nur geringfügig vom vorangegangenen Ausführungsbeispiel. Aus diesem Grunde werden, um Wiederholun­ gen zu vermeiden, für gleiche und ähnliche Bauteile gleiche Be­ zugsziffern verwendet und es wird nur auf die wesentlichen Un­ terschiede eingegangen.

Da es sich bei den Fig. 3 und 4 um schematische Darstellun­ gen handelt, wurde auf die Darstellung von Details, wie z. B. die Durchbrüche 8, den Profilbereich 9 und die Ringnut 10 ver­ zichtet.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 ist zu erkennen, daß der idealisierte Innendurchmesser D_K der Kollektorhülse 4 in etwa gleichgroß ist wie der Durchmesser D_M eines benachbarten, axial über die Kollektorhülse 4 hinausstehenden Bereichs 12 der Motorwelle 3. Der Durchmesser D_K ist deshalb idealisiert, weil die Kollektorlamellen 5 aufgrund ihrer Form eher ein Polygon formen. Der Durchmesser D_K wird deshalb durch einen Zylinder definiert, der gerade noch zwischen die Kollektorlamellen 5 einschiebbar ist.

Eine derartige Anordnung der axialen L-Schenkel 7 der Kollek­ torlamellen 5 kann unter Beibehaltung einer entsprechenden iso­ lierenden Kunststoffschicht die gewünschten Verbesserungen der Reibungsverhältnisse bewirken.

Anhand des Ausführungsbeispieles der Fig. 4 kann erkannt wer­ den, daß selbst durch eine noch weitere Reduzierung des Durch­ messers der Motorwelle im Bereich 11 der Fall erreicht wird, daß der Durchmesser D_A nur geringfügig größer ist als der Durchmesser D_M des benachbarten Bereichs 12 der Motorwelle 3. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Querschnittsschwächung der Motorwelle 3 im Bereich 11 der Durchmesserreduzierung durch das Ausfüllen der so gebildeten Ringnut durch Kunststoff und die Einbettung der axialen L-Schenkel 7 kompensiert.

Anhand der beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiele ist zu erkennen, daß dem Hersteller ein weites Feld zur Durch­ messerreduzierung der Motorwelle 3 im Bereich der Kollektorhül­ se 4 gegeben ist, wodurch sich jeweils entsprechend günstige Reibungsverhältnisse einstellen lassen. Es wurde festgestellt, daß Durchmesserreduzierungen gegenüber herkömmlichen Kollekto­ ren erreicht werden konnten, die bei ca. 30% liegen. Diese Durchmesserreduzierung hat einen direkten Einfluß auf die Le­ bensdauer des Kollektors 1, wodurch eine Lebensdauererhöhung in derselben Größenordnung erreicht wird.

In der obigen Beschreibung enthaltene Angaben zu einer der of­ fenbarten Ausführungsformen gelten, soweit sinnvoll und in sinnvoller Übertragung, jeweils auch für andere Ausführungsfor­ men. Insbesondere liegt in diesen Angaben keine Einschränkung.

Claims (6)

1. Gleichstromelektormotor mit einer Motorwelle (3) und mit zu einer Kollektorhülse (4) im Abstand zueinander um einen Bereich der Motorwelle (3) gruppierten Kollektorlamellen (5), dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Kollektorhülse (4) der Querschnitt der Mo­ torwelle (3) reduziert ist.

2. Gleichstromelektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorlamellen (5) in ihrer axialen und radialen La­ ge durch eine Kunststoffumspritzung (2) relativ zur Motorwelle (3) gehalten und mit dieser verbunden sind.

3. Gleichstromelektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur im Bereich (11) der Reduzierung der Motor­ welle (3) in Längsrichtung gesehen größtenteils an die Innen­ kontur der Kollektorhülse (4) angepaßt ist.

4. Gleichstromelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (D_K) der Kollektorhülse (4) gleichgroß oder kleiner ist als der nicht reduzierte Motorwellendurchmes­ ser (D_M).

5. Gleichstromelektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Reduzierung im Bereich (11) gebildete Ringnut im wesentlichen vollständig mit einem Teil der Kunststoffum­ spritzung (2) und einem Teil der Kollektorlamellen (5) ausge­ füllt ist.

6. Gleichstromelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorlamellen (5) jeweils eine L-Form aufweisen, wobei ein L-Schenkel (7) parallel zur Motorwellenachse im Be­ reich (11) der Reduzierung angeordnet ist und der zweite L- Schenkel (6) radial von der Motorwelle (3) absteht.