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Die Erfindung betrifft einen Kommutator für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, sowie eine Maschine bzw. einen Elektromotor mit einem solchen Kommutator.
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Bei derartigen Kommutatoren handelt es sich jeweils um einen Kommutatorlamellen umfassenden Teil einer Stromumkehrvorrichtung, die mit Bürsten der jeweiligen elektrischen Maschine zusammen wirkt. Die Bürsten sind beispielsweise als federnd gelagerte Kontaktstücke ausgebildet, die an einem zylindrischen Umfang des Kommutators schleifen und wechselweise verschiedene Kommutatorlamellen kontaktieren.
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Ein derartiger Kommutator eines Elektromotors ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 007 611 A1 bekannt. Der dortige Kommutator weist einzelne Lamellen auf, die mit einem nabenartigen Tragring verbunden sind. Zudem sind dort Entstörkondensatoren vorgesehen, die mit den einzelnen Lamellen elektrisch leitend verbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Kommutator mit einer Mehrzahl von Kommutatorlamellen für eine elektrische Maschine anzugeben. Insbesondere soll der Kommutator mit diesen zugeordneten Kondensatoren kostengünstig, einfach herstellbar, funktionssicher und einfach montierbar sein. Des Weiteren soll eine elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, mit einem solchen Kommutator angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie jeweils mit den Merkmalen der übrigen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Kondensatoren dienen insbesondere zur Entstörung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren und werden hierzu am Kommutator eingesetzt. Die Kondensatoren können zwei benachbarte Lamellen (Kommutatorlamellen) des Kommutators verbinden. Vorzugsweise sind diese jedoch in einer sogenannten Sternschaltung be- oder verschaltet, d. h. dass ein Kondensatorkontakt jeweils eine Kommutatorlamelle kontaktiert, während die jeweils zweiten Kondensatorkontakte miteinander verbunden sind, wobei beide Schaltungsvarianten realisiert werden können.
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Durch die Ausführungsform eines Kondensatorringes mit einer entsprechenden Anzahl von umfangsseitig nebeneinander angeordneten Kondensatoren können filigrane Kontaktierungselemente vermieden werden, die in der Regel vergleichsweise kostenintensiv und hinsichtlich der Kontaktierung unsicher sind. Zudem ist ein solcher Kondensatorring vorteilhaft gegen Umwelteinflüsse geschützt.
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Die Kommutatorlamellen sind geeigneterweise mit einem isolierenden Träger (Tragring) in Form einer Nabe, vorzugsweise mechanisch, verbunden. Insbesondere sind die Kommutatorlamellen mit diesem Träger vergossen oder an diesem über eine Steckverbindung, vorzugsweise als oder nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung, gehalten.
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Der Kondensatorring kontaktiert mit dessen Kontaktpads oder -anschlüssen axial direkt auf die oder mit den Kommutatorlamellen. Die Kontaktstellen an den Lamellen sind als Fortsätze ausgeführt, die aus einer Kommutatorpressmasse (Träger oder Trägerkörper) axial und/oder radial herausragen. Die Kommutatorpressmasse kann realisiert sein bzw. ist vorzugsweise realisiert durch einen im Querschnitt ringförmigen, zylindrischen Tragkörper. Die Fortsätze können beispielsweise Verankerungsglieder der Lamellen bzw. Teile hiervon sein. Der Kondensatorring wird auf die Lamellenkontaktstellen aufgelegt.
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Der Kondensatorring ist geeigneterweise ausgeführt als oder besteht aus einer in SMD-Technik (Surface-mounted device) mit Kondensatoren bestückten Platine oder Leiterplatte (PCB, printed circed board). Unter Leiterplatte bzw. Platine wird hierbei jede Form eines geeigneten Tragkörpers verstanden, in dem die Kondensatoren oder entsprechende Elemente angeordnet, eingelegt bzw. integriert sind.
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Nachdem der Kondensatorring auf die Lamellenkontakte aufgelegt ist, wird anschließend vorzugsweise ein Deckel auf die Platine bzw. Leiterplatte aufgepresst. Der Deckel besteht geeigneterweise aus einem Kunststoff mit ähnlichen Eigenschaften wie die Pressmasse (Träger- oder Tragkörper), ist jedoch geeigneterweise vergleichsweise duktil. Der Deckel drückt oder presst die Platine (Leiterplatte) auf die Kontaktstellen der Lamellen. Der Deckel für den Kondensatorring weist vorzugsweise einen Kragen auf. Dieser dient insbesondere als Isolierhülse und zweckmäßigerweise zur Wellenabdichtung.
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Geeigneterweise ist zwischen dem Kondensatorring und dem Deckel ein federndes Element, z. B. eine ringförmige Blattfeder, eingelegt. Dieses federnde Element ist dazu vorgesehen und eingerichtet, einen ausreichenden Kontaktierdruck zu gewährleisten. Hierdurch kann über die Lebensdauer und die Temperaturzyklen eine einwandfreie Kontaktierung der Leiterplatte (Platine) bzw. des Kondensatorrings gegenüber den Kommutatorlamellen gewährleistet werden.
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Besonders bevorzugt sind die Lamellenkontaktstellen derart weit oder tief in den Kommutator versenkt, dass mit dem aufgesetzten Deckel der Kondensatorring im Kommutator gekapselt ist. Da eine zentrale Bohrung des Deckels zum Aufsetzen oder Auffädeln auf eine Motorwelle zusätzlich eine Dichtfunktion gegenüber der Welle aufweist, ist sichergestellt, dass die Platine (Leiterplatte) bzw. der Kondensatorring gegenüber Verschmutzungen geschützt ist.
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An Stelle des federnden Elementes zwischen dem Kommutatorring (Platine/Leiterplatte) und dem Deckel kann die Federwirkung auch direkt in dem Deckel integriert sein, z. B. indem der Schaft oder Kragen des Deckels zur Welle federnd ausgelegt wird.
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Der Kondensatorring kann sowohl auf der Rückseite (Hakenseite) des Kommutators als auch auf dessen Vorderseite, also der den Haken der Kommutatorlamellen gegenüberliegenden Stirnseite, appliziert werden. Bei der Variante der Integration auf der Hakenseite übernimmt der Deckel insbesondere auch die Funktion der Abstürzung von Kräften beim Heißverstemmen in radialer Richtung. Die aus der Pressmasse (Träger) des Kommutators herausragenden Lamellenfortsätze können dadurch realisiert werden, dass die Pressmasse (Träger) entsprechend in den Kommutatorring eingespritzt wird. Alternativ können auch Einzellamellen in die Pressmasse (Träger) eingesteckt werden (Steckkommutator). Ein entsprechendes Fügen wird geeigneterweise durch eine schwalbenschwanzförmige Nut-Feder-Verbindung zwischen den Kommutatorlamellen und dem Presskörper (Träger) realisiert.
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Die Leiterplatte bzw. der Kondensatorring kann auf die Lamellenkontaktstellen auch mit einem leitenden Kleber aufgeklebt sein. Auch kann Leiterplatte bzw. der Kondensatorring mit einem Antioxydationsfett auf die Lamellenkontaktstellen appliziert sein. Im Falle der Verklebung sollten die Pressmasse und die Leiterplatte ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine kostengünstige Kontaktierung ohne Zusatzkontaktierelemente ermöglicht ist. Zudem sind Toleranzen relativ einfach einzuhalten. Des Weiteren ist ein guter Schutz des Kondensatorrings und damit der Kondensatoren gegenüber Verschmutzungen gewährleistet. Ferner kann der Kondensatorring vorteilhaft in den Kommutator integriert werden. Dies ermöglicht, dass keine axiale Bauraumvergrößerung des Kommutators erforderlich ist. Zudem lässt sich dieser im Fertigungsprozess definiert mit Anschlag gegen den Rotor oder ein entsprechendes Ankerpaket eines Elektromotors schieben.
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Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass bei der Variante mit einem federnden Element (Blattfeder) eine Langzeitstabilität der Kontaktierung gewährleistet ist. Bei der Variante in Form der Anordnung des Kondensatorrings am Hakenende des Kommutators ist keine oder eine allenfalls geringe axiale Verlängerung des Kommutators bzw. Läufer notwendig. Bei der Variante mittels Kleben und/oder Fetten ist gewährleistet, dass die Kontaktstellen nicht durch Oxidationsprozesse beeinträchtigt werden, was eine Langzeitstabilität der Entstörungswirkung sicherstellt. Bei der Variante mit Anordnung des Kondensatorrings an der Hakenseite des Kommutators kann dieser weiterhin als Axiallager verwendet werden, z. B. für eine Anlaufscheibe.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in perspektivischer Darstellung einen Kommutator eines Elektromotors vor Einbau eines Kondensatorrings,
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2 den Kommutator gemäß 1 in einer Schnittdarstellung,
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3 in einer Darstellung gemäß 1 den Kommutator mit eingebautem Kondensatorring,
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4 in perspektivischer Darstellung den Kommutator mit einem Deckel,
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5 den Kommutator inklusive Deckel gemäß 4 in einer perspektivischen Schnittdarstellung,
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6 einen Ausschnitt aus 4 in größerem Massstab,
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7 den Kommutator inklusive Deckel und Federelement in einer weiteren Schnittdarstellung,
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8 einen Ausschnitt aus 7 in größerem Massstab,
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9 einen vergrößerten Ausschnitt IX aus 10,
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10 eine weitere Schnittdarstellung des Kommutators gemäß 4,
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11 in einer Schnittdarstellung den auf einer Motorwelle sitzenden Kommutator gemäß 4,
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12 in perspektivischer Darstellung einen auf einer Motorwelle sitzenden Steckkommutator mit Blick auf die Lamellenhaken gegenüberliegende Stirnseite,
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13 den Kommutator gemäß 11 mit an dieser Stirnseite montiertem Kondensatorring, und
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14 den Kommutator gemäß 11 inklusive Deckel.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Kommutator 1 mit beispielhaft vierundzwanzig Kommutatorlamellen 2, die an einer Stirnseite (Hakenseite) des Kommutators 1 mit Lamellenhaken 3 versehen sind oder solche ausbilden. Die Kommutatorlamellen 2 sind an einem zentralen, im Querschnitt ringförmigen, zylindrischen Träger (Pressmasse) 4 umfangsseitig verteilt nebeneinander angeordnet und dabei untereinander elektrisch nicht miteinander verbunden, also gegeneinander elektrisch isoliert.
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Wie aus 2, die eine Schnittdarstellung des Kommutators 1 gemäß 1 zeigt, vergleichsweise deutliche ersichtlich ist, greifen die Lamellen 2 mit steg- oder zapfenartigen Fortsetzen 5 durch einen ringförmigen Abschnitt des Trägers 4 hindurch und bilden dort Kontaktstellen 6 für Kondensatoren bzw. Kondensatoranschlüssen 7 von Kondensatoren aus, die in einen Kondensatorring 8 integriert sind.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst der Kondensatorring 8 oder besteht der Kondensatorring 8 aus einer ringförmigen Leiterplatte mit integrierten oder oberflächenmontierten Kondensatoren 9. Die einer zentralen Achse (Rotationsachse) 10 zugewandten Kontaktflächen 11 der Kondensatoren 9 sind miteinander über eine ringförmige Leiterbahn 12 oder dergleichen elektrisch leitend verbunden.
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Eine zusätzliche Verankerung der Lamellen 2 im Träger 4 erfolgt über weitere Hakenelemente 13 oder dergleichen, wie in 2 gezeigt ist. In 2 zudem erkennbar ist eine Dichtkontur 14 im Träger 4 für einen Deckel (Niederhaltedeckel) 15, der in den 4 bis 11 gezeigt ist. Der Deckel 15 ist nach Art einer Manschette ausgebildet und dichtet gegen den Kommutator 1 ab. Der Deckel 15 weist hierzu einen Kragen 16 auf, der als Isolierhülse dient und gegen eine Motorwelle 20 (11) ab, auf der ein Rotor (Ankerpaket) eines Elektromotors sitzt.
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Wie aus den 5 bis 8 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, drückt der Deckel 15 den Kondensatorring 8 an die Kontaktstellen 6 der entsprechenden Lamellen 2. Aus 6 ist zudem vergleichsweise deutlich ersichtlich, dass ein korrespondierendes Leiterplatten- oder Kontaktpfad 17 in Ausbildung der kondensatorseitigen Kontaktstelle 7 mit der Kontaktstelle 6 bzw. dem Fortsatz 5 der entsprechenden Lamelle 2 kontaktiert.
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Gemäß der Ausführungsform nach den 7 bis 10 ist zwischen dem Deckel 15 und dem Kondensatorring 8 ein federndes Element 18 vorgesehen, das vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildet und beispielsweise als Blattfeder ausgeführt ist. Das federnde Element oder Federelement 18 dient zur Aufrechterhaltung der Kontaktierung des Kontaktrings 8 bzw. dessen Leiterplatte (Platine) gegen die Lamelle 2.
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Aus den 9 und 10 ist vergleichsweise deutlich ersichtlich, dass der zur Durchführung der Motorwelle 20 zentral gelochte Deckel 15 vorzugsweise einen Absatz 19 aufweist. Hierdurch kann der Kommutator 1 bis zum Anschlag an ein Rotor- oder Ankerpaket des Elektromotors gedrückt werden, ohne den Kondensatorring 8 zu beschädigen.
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11 zeigt den erfindungsgemäßen Kommutator 1 inklusive Motorwelle 20 in einem Längsschnitt (Axialschnitt).
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Die 12 bis 14 zeigen eine Variante des Kommutators 1 als Steckkommutator. Dort sind die Lamellen 2 nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung 21 im Träger 4 verankert. Bei dieser Ausführungsform weist der Kommutator 1 beispielhaft zwölf Lamellen 2 auf. Die Schwalbenschwanzverbindung 21 ist realisiert durch eine entsprechend schwalbenschwanzförmige Ausbildung von Federelementen 21a an der jeweiligen Lamelle 2 und korrespondierenden, schwalbenschwanzförmigen Nuten 21b, die umfangsseitig in den Träger 4 eingebracht sind.
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Bei dieser Ausführungsform als Steckkommutator 1 ist der Kondensatorring 8 vorzugsweise auf der den Haken 3 der Lamellen 2 gegenüberliegenden Stirnseite des Kommutators 1 angeordnet. Die Kontaktierung der entsprechenden Kontaktflächen der Kondensatoren 9 erfolgt mit den schwalbenschwanzförmigen Ansätzen 21a der Lamellen 2, d. h. mit deren schwalbenschwanzförmigen Stirnseiten.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist wiederum ein Deckel (Niederhaltedeckel) 15 auf die Welle 20 aufgesetzt. Der Deckel 15 ist wiederum ringförmig ausgeführt. Dieser Deckel 15 muss nicht zwingend einen entsprechenden Schaft oder Kragen 16 gemäß der Ausführungsform nach 4 aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005007611 A1 [0003]
