DE20380215U1

DE20380215U1 - Hochleistungs-Gleichstrommotor mit Kollektor und Kohlebürsten, insbesondere für ein Modell-Rennfahrzeug

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Publication number: DE20380215U1
Application number: DE20380215U
Authority: DE
Original assignee: Team Orion Europe SA
Current assignee: Team Orion Europe SA
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: GB2408852B; JP2006503531A; JP4368306B2; US7218027B2; CH695974A5; DE10392166D2; US20050029895A1; WO2004036722A1; AU2003264229A1; GB0504867D0; GB2408852A; CN1326310C; CN1689212A

Abstract

Hochleistungs-Gleichstrommotor (30, 40), insbesondere für Modell-Rennfahrzeuge, mit einem Rotor (11), welcher in einem Gehäuse (16) um eine Achse (29) drehbar gelagert ist und wenigstens eine Wicklung (13) aufweist, die über einen auf dem Rotor (11) angeordneten Kollektor (14, 59) sowie auf dem Kollektor (14) aufsitzende Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) in wechselnden Richtungen von aussen mit Gleichstrom beaufschlagt wird, wobei der Kollektor (14) mehrere auf einem Zylindermantel um die Achse (29) liegende, stromleitende Kollektorsegmente (20) umfasst und die Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) relativ zum Kollektor (14) beweglich gelagert sind und durch Federdruck auf den Kollektor (14) gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Massnahmen getroffen sind, durch welche die Bewegung der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) entgegen dem Federdruck gedämpft wird, während die Bewegung der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) mit dem Federdruck weitgehend unbeeinflusst bleibt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gleichstrommotoren. Sie betrifft einen Hochleistungs-Gleichstrommotor, insbesondere für Modell-Rennfahrzeuge gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Kleine, extrem leistungsstarke Gleichstrommotoren mit hoher Drehzahl werden heute als Antrieb für batteriebetriebene Modell-Rennautos, Modellboote oder Modellflugzeuge eingesetzt. Beispiele für derartige Hochleistungs-Gleichstrommotoren für Modell-Rennautos sind die Typen RC2140 oder RC2141 der amerikanischen Firma Trinity Products, Inc. Edison, NJ (USA), oder die Motorreihe „Chrome Touring" der Anmelderin. Der beispielhafte Aufbau solcher Gleichstrommotoren aus dem Stand der Technik ist in 1 in vereinfachter Form ausschnittweise wiedergegeben, wobei die Teilfigur 1A den Längsschnitt durch den Motor und die Teilfigur 1B die Draufsicht in Achsrichtung auf den Motorkopf zeigt. Der Gleichstrommotor 10 der 1 weist ein Gehäuse 16 mit an der Innenseite angeordneten Magneten 17 (der fixe Teil) auf, in dem ein Rotor 11 (der drehende Teil des Motors) um eine Achse 29 drehbar gelagert ist. Der Rotor 11 umfasst eine zentrale Welle 15, einen Anker 12 mit entsprechenden Wicklungen 13 und einen Kollektor 14 (von den Wicklungen ist der Einfachheit halber nur eine eingezeichnet).
Der Anker 12 besteht in bekannter Weise aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität. Die Wicklungen 13 werden von einem elektrischen Strom durchflossen und erzeugen, wenn der Gleichstrommotor 10 mit Strom versorgt wird, ein magnetisches Feld, das mit den Magneten (Permanentmagneten) 17 am Gehäuse 16 wechselwirkt . Der Kollektor 14 besteht aus einzelnen stromleitenden Kollektorsegmenten 20, üblicherweise aus Metal, die voneinander isoliert und auf einer Zylindermantelfläche um die Achse 29 angeordnet sind. Die Kollektorsegmente 20 sind in vorgegebener Weise über Wicklungsanschlüsse 18 elektrisch mit den Wicklungen 13 verbunden. Über den Kollektor werden Zeitdauer und Richtung des Stromflusses durch die Wicklungen 13 gesteuert, derart, dass die je nach Magnetfeldrichtung im Anker 12 und Polung der Magnete 17 anziehenden und abstossenden Kräfte den Rotor 11 in Drehung versetzen.
Das Gehäuse 16 des Gleichstrommotors 10 ist an beiden Enden mit Gleitlagern, Kugellagern 21 oder ähnlichen Lagern versehen, welche die zentrale Welle 15 des Rotors 11 führen. Weiterhin sind im Motorkopf 19, in welchem der Kollektor 14 untergebracht ist; gegenüberliegend sich in radialer Richtung erstreckende Bürstenschächte 24 angeordnet, in welchen Kohlebürsten 22, 23 geführt werden. Die Kohlebürsten 22, 23 können ihrem Namen gemäss aus Kohle bestehen. Sie können aber auch aus einem anderem Material als Kohle, insbesondere auch aus einer Materialmischung, z.B. aus Kohle, Graphit, Cu, Ag o.ä., hergestellt sein. Die Kohlebürsten 22, 23 sitzen mit den inneren Enden auf dem Kollektor 14 auf und führen so den Strom vom starren Teil des Motors über den Kollektor 14 zu den Wicklungen 13 des Rotors 11. Die Kohlebürsten 22, 23 werden durch Anpressfedern 27 gegen den Kollektor 14 gedrückt und sind über Stromführungslitzen 25 mit Stromanschlusspolen 26 elektrisch leitend verbunden.
Beim Betrieb des Gleichstrommotors 10 wirken auf den Rotor Fliehkräfte, die in der Regel dazu führen, dass die zentrale Welle 15 nicht mehr zentrisch dreht. Das radiale Spiel zwischen der zentralen Welle 15 des Rotors 11 und den Lagern, insbesondere das Spiel in den Kugellagern 21, ermöglichen die radiale Verschiebung der Achse des Rotors 11 und das unrunde Drehen des Rotors 11. Bei Verwendung von Gleitlagern vergrössert sich das Spiel mit der Abnutzung der Gleitlager.
Ein dynamisches Auswuchten des Rotors 11 verbessert nur teilweise die Situation. Das Verschieben des Zentrums kann auch durch die ungleichen magnetischen Kräfte herbeigeführt werden. Die Antriebskraft des Motors wird im eingebauten Zustand des Motors auf andere rotierende Teile übertragen. Bei der Entnahme der Kraft entsteht eine Hebelwirkung, die den Rotor 11 gegen die Lagerwände drückt. Bei Beschleunigungen und Bremsungen kann die Hebelwirkung noch grösser werden. Diese Kräfte verändern sich im Laufe des Betriebes des Motors und drücken den Rotor 11 vom idealen Zentrum weg.
Das nicht zentrierte Drehen der Welle 15 des Rotors 11 bringt es mit sich, dass der Kollektor 14 auch nicht zentriert dreht, d.h., er läuft unrund. Die Kohlebürsten 22, 23 werden durch Anpressfedern 27 gegen die Kollektorsegmente 20 gedrückt. Die Kohlebürsten 22, 23 müssen also beim unrunden Lauf des Rotors 11 dem Hin und Her des Kollektors 14 folgen. Bei niedrigen Drehzahlen können die Kohlebürsten 22, 23 in ihren Bürstenschächten 24 durch Hin- und Herbewegungen in der Bewegungsrichtung 28 (1B ) folgen und der Kontakt zwischen den Kohlebürsten 22, 23 und den Kollektorsegmenten 20 ist gleichbleibend gut.
Sobald aber die Drehzahl steigt, werden die Kohlebürsten 22, 23 vom Kollektor 14 in der Bewegungsrichtung 28 weggeschlagen, heben vom Kollektor 14 ab und kommen erst mit Verspätung wieder in Kontakt mit dem nächsten Kollektorsegment 20. Der elektrische Kontakt wird mit zeitlichem Verzug hergestellt und die Leistung des Motors sinkt.
Wenn die Kohlebürsten 22, 23 nicht gleichmässig von einem Kollektorsegment 20 auf das nächste gleiten, wird der elektrische Kontakt zeitweise unterbrochen. Der Unterbruch und die erneute Herstellung des Kontaktes führen zu Funkenbildung zwischen den Kohlebürsten 22, 23 und den Kollektorsegmenten 20. Diese Funken verbrennen die Kollektorsegmente 20. Die Kollektorsegmente 20 werden beschädigt, die Qualität der Stromübertragung leidet und sinkt. Der Kollektor 14 wird frühzeitig abgenutzt und die Leistung des Motors verringert sich dauerhaft. Durch die Funken und durch die beschädigten Kollektorsegmente 20 werden auch die Kohlebürsten 22, 23 stark abgenutzt und überhitzt.
Funken bilden zudem eine Hitzequelle, sodass die Kollektorsegmente sich verformen und unregelmässig abgenutzt werden. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer des Motors und verringert seine Leistung.
Die Funken sind auch Ursache von Radiostörungen und können die Empfangsanlagen von Fernsteuerungen stören, oder sogar unbrauchbar machen, wenn solche Motoren in der Nähe von Radioempfängern betrieben werden.
Aus der WO-A1-01/69760 oder der JP-A-07-194067 ist es bereits bekannt, die Hin- und Herbewegungen der Kohlebürsten zu dämpfen, indem die sich mitbewegenden Federn durch eine dämpfende Substanz (z.B. ein thixotropes Material) geführt werden. Es ist weiterhin bekannt, die Bewegung der Kohlebürsten durch mechanische Reibung zu bremsen, indem eine Blattfeder auf die Seite der Kohlebürsten drückt. Die Dämpfung wie auch die Bremsung ist symmetrisch, d.h., gleich stark in beiden Bewegungsrichtungen der Kohlebürsten. Es wird also sowohl die Bewegung der Kohlebürsten weg vom Kollektor, als auch die Bewegung der Kohlebürsten in Richtung auf den Kollektor gedämpft bzw. gebremst. Diese Dämpfung (Bremsung) verzögert somit das erneute Einsetzen des Kontaktes zwischen den Kohlebürsten und den Kollektorsegmenten. Verbesserungen können auf diese Weise nicht erreicht werden. Was auf der einen Seite (beim Abheben der Kohlebürsten vom Kollektor) gewonnen wird, wird auf der anderen Seite (beim Aufsetzen der Kohlebürsten auf den Kollektor) verschlechtert.
Ferner wird üblicherweise der Strom über eine Stromübertragungslitze (25 in 1B), die in der Kohlebürste fixiert ist, in die Kohlebürste und dann durch die Kohlebürste bis zum Kollektor geleitet. Das Ganze bildet einen elektrischen Widerstand. Wenn dieser elektrische Widerstand verkleinert werden könnte, so hätte der Motor mehr Leistung. Die bekannten Lösungen zum Dämpfen bzw. Bremsen der Hin und Herbewegung der Kohlebürsten ermöglichen hinsichtlich der Verkleinerung des Widerstandes keinerlei Verbesserungen.
In der US-A-2,991,379 bzw. der parallelen DE-AS-1 122 625 wird ein Bürstenhalter für einen Servomotor beschrieben, bei dem die Längsachsen der Kohlebürsten in den Bürstenschächten mit der Motorachse einen Winkel von etwa 45° bilden. Um einen verstärkten Abbrand der Kohlebürsten zu vermeiden und erhöhte Leerlaufdrehzahlen zu erreichen, ohne den Bürstendruck erhöhen zu müssen, wird eine verbesserte Führung der Bürsten in den Bürstenschächten vorgeschlagen. Dazu werden die Bürstenschächte gemäss einer Ausführungsform (1) mit einem mehreckigen (quadratischen, sechseckigen) Querschnitt ausgeführt, derart, dass die Motorachse in der durch zwei gegenüberliegende Kanten der Bürstenschächte gehenden Ebene liegt. Die Bürsten haben eine entsprechende Querschnittsform und werden mit zwei gegenüberliegenden Längskanten in den durch die Ecken gebildeten Rinnen der Bürstenhalter geführt. Durch die Kantenführung der Bürsten ergibt sich eine stark verringerte Kontaktfläche zwischen den Bürsten und den Bürstenschächten, die einerseits eine wirkungsvolle Reibungsdämpfung der Bürstenbewegung verhindert und andererseits die Stromzuführung zur Bürstenspitze über den Bürstenschacht erschwert.
Bei einer zweiten Ausführungsform der US-A-2,991,379 (2) wird die Bürste in einem auf der einen Seite offenen, schienenförmigen Führungselement mit einem Querschnitt in Form eines rechten Winkels geführt. Die den Bürstendruck aufbauende Feder ist derart gegen die Längsachse des Führungselementes geneigt, dass die Bürste nicht nur von den Kollektorkräften, sondern auch von den entgegengesetzten Federkräften in das rinnenförmige Führungselement gedrückt wird. Dies hat zwar eine erhöhte Reibungsdämpfung zur Folge, jedoch ist die Reibungsdämpfung unabhängig von der Bewegungsrichtung der Bürste.
In der US-A-5,696,418 wird eine elektrische Kommutatormaschine beschrieben, bei der die zwei Bürsten aus der zur Maschinenachse radialen Richtung heraus versetzt angeordnet sind. Vorgeschlagen wird eine spezielle Befestigung der Bürstenschächte auf einer die Maschinenachse umgebenden und senkrecht zur Maschinenachse stehenden Platte. Die aus Blech gebogenen Bürstenschächte haben einen rechteckigen Querschnitt und werden mittels an der Unterseite senkrecht herausstehender Laschen in entsprechende Schlitze in der Platte eingesetzt und befestigt. In einer Seitenwand des Bürstenschachtes ist eine federnde Zunge ausgeformt (5, 6), welche einseitig auf die im Bürstenschacht liegende Bürste drückt und diese so gegen die gegenüberliegende Wand des Bürstenschachtes drückt. Durch diesen Andruckmechanismus wird die Bürste nicht nur im Schacht fixiert, sondern es wird eine gleichmässige Reibung an der gegenüberliegenden Wand erzeugt, die von der Bewegungsrichtung der Bürste unabhängig ist.
Die FR-A-2 723 481 schliesslich offenbart eine Bürstenhalterung für Kommutatormaschinen mit zwei möglichen Drehrichtungen, bei der zwei Paare von Bürstenschächten vorgesehen sind, die jeweils aus der zur Motorachse radialen Richtung heraus versetzt angeordnet sind. Die Bürstenhalterung ist aus einem Kunststoff als Spritzgussteil hergestellt. Die einzelnen Bürstenschächte haben einen quadratischen Querschnitt und sind an den Ecken mit nach innen hervorstehenden Schienen (42) versehen, in welchen die Bürsten mit ihren Kanten geführt werden. Durch die Herstellung der Halterung aus Kunststoff und die spezielle Art der Kantenlagerung ist die Halterung für den Einsatz bei Hochleistungsmotoren nicht geeignet, weil die am Kollektor entstehende Wärme in den Bürsten nicht effektiv abgeleitet werden kann, weil der Strom nicht direkt bis in den vorderen Teil der Bürste geführt werden kann, und weil sich nur eine geringe Reibungsdämpfung für die sich bewegende Bürste ergibt.
Die Lösung der bei Hochleistungs-Gleichstrommotoren für Modell-Rennautos auftretenden Probleme an den Bürsten wird dadurch massiv erschwert, dass die Motoren aufgrund von bestehenden Vorschriften (für den Rennbetrieb) einerseits massiven Beschränkungen hinsichtlich der Geometrie (äussere Abmessungen) und elektrischen und mechanischen Auslegung unterliegen und andererseits zumindest über Zeiträume von einigen Minuten extreme Leistungswerte (Drehzahl, Hochlaufzeit; Drehmoment etc.) erreichen müssen. Die Motoren können dabei Drehzahlen bis zu 60.000 U/min erreichen und aus dem ebenfalls Beschränkungen unterliegenden Batterie- oder Akkusatz bis zu 120 A Strom ziehen. Die Motorköpfe, in denen die Bürsten angeordnet sind, können dabei bis zu 100°C heiss werden. Im Extremfall halten die Bürsten nur für ein einziges Rennen, das lediglich 5,5 Min dauert.
Für die Rennen von Modellrennautos mit elektrischem Antrieb gibt es international gültige Regeln, die sogenannten ROAR (Remotely Operated Auto Racers) Rules, in denen u.a. die für elektrische Antriebe geltenden Beschränkungen und Randbedingungen festgelegt sind. Die ROAR Rules legen fest, dass der Motor einen Aussendurchmesser von maximal 36,02 mm und eine maximale Länge von 53 mm, gemessen von der Montageplatte am einen Ende bis zum äussersten Punkt des Motorkopfes, haben darf. Der Durchmesser der zentralen Welle muss 1/8 inch betragen. Es sind nur keramische Magnete erlaubt. Der Kollektor darf nur 3 Sektoren aufweisen. Desgleichen ist eine bestimmte Anzahl von Windungen vorgeschrieben. Ausgehend von gewissen Basismotortypen können innerhalb der Vorschriften technische Änderungen an den Motoren vorgenommen werden, die je nach Motorklasse einen unterschiedlichen Umfang haben. Dabei wird unterschieden zwischen sogenannten „Stock Motors", „Rebuildable Stock Motors" und „Modified Motors". Die umfassendsten Änderungen, die insbesondere auch Änderungen an den Bürsten und im inneren Aufbau des Motors einschliessen, können in der letztgenannten Motorklasse vorgenommen werden. Gleichwohl sind Modifikationen an den Bürsten wegen der extremen Platzbeschränkung nur unter grossen Schwierigkeiten zu verwirklichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hochleistungs-Gleichstrommotor mit Kollektor und Kohlebürsten für Modell-Rennfahrzeuge, insbesondere Modell-Rennautos, zu schaffen, welcher die Nachteile bekannter Gleichstrommotoren vermeidet und insbesondere bei hohen Drehzahlen einer Verringerung der Motorleistung aufgrund der Bewegung der Kohlebürsten entgegenwirkt und zugleich eine Verminderung des elektrischen Widerstandes in den Stromzuführungen zum Kollektor ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Massnahmen getroffen sind, durch welche die Bewegung der Kohlebürsten entgegen dem Federdruck gedämpft bzw. gebremst wird, während die Bewegung der Kohlebürsten mit dem Federdruck weitgehend unbeeinflusst bleibt. Hierdurch wird ein Wegstossen der Kohlebürsten durch die rotierenden Kollektorsegmente behindert bzw. unterdrückt, während eine einmal weggestossene Kohlebürste durch den Federdruck ungehindert und schnell wieder in Kontakt mit den Kollektorsegmenten gebracht wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürsten jeweils in Bürstenschächten in einer durch die Bürstenschächte vorgegebenen Bewegungsrichtung gleitend gelagert sind, und dass die Bewegungsrichtung der Kohlebürsten von der im Bezug auf die Achse radialen Richtung derart abweicht, dass die Kohlebürsten in ihren Bürstenschächten bei einer durch den Kollektor verursachten Bewegung entgegen dem Federdruck einer erhöhten Gleitreibung an wenigstens einer Wand der Bürstenschächte ausgesetzt sind. Übt der Kollektor auf die Kohlebürsten eine abstossende Kraft auf, werden die Kohlebürsten aufgrund der Schrägstellung der Bürstenschächte gegen die wenigstens eine Wand der Bürstenschächte gedrückt und durch eine erhöhte Reibung an der wenigsten einen Wand in der Bewegung im Schacht behindert (gebremst, gedämpft). Endet die abstossende Kraft, werden die Kohlebürsten durch die Federkraft der Anpressfedern zurück auf den Kollektor gepresst, ohne dass eine spürbare Wandreibung auftritt.
Bevorzugt schliessen die Bewegungsrichtungen der Kohlebürsten jeweils mit der im Bezug auf die Achse radialen Richtung einen Winkel (α) im Bereich zwischen 15° und 75° ein. Insbesondere beträgt der Winkel (α) etwa 45°.
Eine erste alternative Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewegungsrichtungen der Kohlebürsten in einer gemeinsamen, durch die Achse des Gleichstrommotors gehenden Ebene liegen. Insbesondere wird eine gute Zugänglichkeit zu den Kohlebürsten in diesem Zusammenhang dadurch erreicht, dass die Bewegungsrichtungen der Kohlebürsten schräg nach aussen gerichtet sind.
Eine zweite alternative Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen der Kohlebürsten in einer gemeinsamen, senkrecht zur Achse des Gleichstrommotors stehenden Ebene liegen.
Besonders einfach ist der Aufbau dabei, wenn zwei Kohlebürsten vorgesehen sind, welche sich gegenüberliegend derart angeordnet sind, dass sie durch eine Drehung um 180° um die Achse des Gleichstrommotors ineinander überführt werden können.
Eine Verringerung des Widerstandes bei der Stromzuführung und damit eine Verbesserung der Motorleistung wird im Zusammenhang mit der verstärkten Reibung an den Bürstenschächten dadurch erreicht, dass die Wände der Bürstenschächte aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, sind. Die Bürstenschächte bilden einen elektrisch gut leitenden Bypass für den Strom, der so mit verringertem Widerstand direkt bis zu den auf dem Kollektor aufsitzenden Spitzen der Kohlebürsten geführt werden kann. Besonders günstig ist es, wenn die Bürstenschächte mit entsprechenden Vorrichtungen zum Zuführen von elektrischem Strom leitend verbunden sind. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Wärmeableitung und der Stromzuleitung ist es, wenn die Wände der Bürstenschächte Cu hergestellt sind.
Die im Bereich des Kollektors und der Kohlebürsten beim Betrieb entstehende Wärme lässt sich insbesondere dadurch schnell und zuverlässig abführen, dass die Bürstenschächte in einem schalenförmigen Motorkopf angeordnet sind, dass der Motorkopf aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere einem Metall, hergestellt ist, und dass die Bürstenschächte im Motorkopf elektrisch isoliert gelagert sind. Besonders einfach im Aufbau und aus thermischen Gesichtspunkten vorteilhaft ist es, wenn der Motorkopf aus Aluminium besteht, und die Bürstenschächte vom Motorkopf durch eine eloxierte Zwischenschicht elektrisch isoliert sind.
Eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr lässt sich dadurch erreichen, dass der Motorkopf auf der Aussenseite zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebung Kühlrippen aufweist, wobei die Kühlrippen vorzugsweise konzentrisch zur Achse des Gleichstrommotors ausgebildet sind.
Zusätzlich zu der passiven Wärmeabführung über den Motorkopf und die Bürstenschächte kann eine wirkungsvolle aktive Kühlung dadurch erreicht werden, dass im Motorkopf Lüftungskanäle zur Zufuhr von Kühlluft in den Innenraum des Gleichstrommotors vorgesehen sind, dass die Wicklung des Gleichstrommotors über Wicklungsanschlüsse mit dem Kollektor elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Wicklungsanschlüsse so gestaltet sind, dass sie bei normaler Laufrichtung des Motors als Lüfterflügel wirken. und durch die Lüftungskanäle Kühlluft ansaugen, und dass die Lüftungskanäle in Form von Schraubenlinien ausgebildet sind.
Um eine sich automatisch einstellende präzise Lagerung des Rotors zu erreichen und damit die Funkenbildung am Kollektor günstig zu beeinflussen, ist es von Vorteil, wenn die zentrale Welle des Rotors an dem beim Kollektor befindlichen Ende in einem Kugellager drehbar gelagert ist, und das Kugellager selbst elastisch gelagert ist. Bevorzugt wird dies so ausgeführt, dass das Kugellager in radialer und axialer Richtung elastisch gelagert ist, und dass die elastische Lagerung mittels O-Ringen bewirkt wird, welche einerseits das Kugellager aussen konzentrisch umgeben und andererseits zur Abstützung des Kugellagers in axialer Richtung dienen.
Besonders einfach gestaltet sich die Montage bei gleichzeitig verbesserten Federeigenschaften, wenn zur Erzeugung des Federdrucks auf die Kohlebürsten Anpressfedern in Form von sich zu den Kohlebürsten hin konisch verjüngenden Spiralfedern vorgesehen sind, wenn sich die Anpressfedern mit ihren den Kohlebürsten abgewandten Enden an einer Hinterschneidung in den Bürstenschächten abstützen, und wenn die Anpressfedern aus einem INOX-Draht hergestellt sind.
Bei den hohen Strömen zum Motor ist es wünschenswert, die Leitungswege für den Strom möglichst kurz zu halten, um Verluste zu minimieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Bürstenschächte jeweils eine Vorrichtung umfassen, an welche alle von aussen kommenden Leitungen für den jeweiligen Pol elektrisch anschliessbar sind. Bevorzugt ist die Vorrichtung zum Anschliessen der von aussen kommenden Leitungen als den Bürstenschacht umschliessender, vorzugsweise in mehrere Sektoren unterteilter Flansch ausgebildet.
Die am Kollektor auftretenden Funken bilden eine funktechnische Störquelle. Um trotz der beengten Platzverhältnisse beim Modellmotor eine wirkungsvolle Entstörung zu gewährleisten, ist im Inneren des Motorkopfes eine gedruckte Schaltungsplatte angeordnet, welche eine Schaltung zur Entstörung des Motors umfasst, wobei die Schaltungsplatte über Kontaktfedern, welche auf die Bürstenschächte drücken, mit den Bürstenschächten elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich kann auf der Schaltungsplatte eine von aussen sichtbare Leuchtdiode zur Drehrichtungskontrolle des Motors angeordnet sein.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen Gleichstrommotor mit Kollektor und Kohlebürsten nach dem Stand der Technik im Längsschnitt (1A) und in der Draufsicht von vorn (1B );
2 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung einen Gleichstrommotor gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 die Bürstenanordnung aus 2A in einer vergrösserten Detailansicht;
4 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung einen Gleichstrommotor gemäss einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 die Bürstenanordnung aus 4B in einer vergrösserten Detailansicht;
6 in der Seitenansicht (6A) und im Längsschnitt (6B) einen Motorkopf sowie in der Draufsicht von oben (6C) einen Bürstenschacht für einen Gleichstrommotor gemäss einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich durch eine Vielzahl von zusätzlichen leistungsverbessernden Massnahmen auszeichnet; und
7 Aufbau und Anordnung der Bürsten im Motorkopf nach 6 im zerlegten Zustand (7A) und im zusammengebauten Zustand (7B).
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wie bereits erwähnt, werden gemäss der Erfindung beim Gleichstrommotor mit Kollektor und Kohlebürsten Massnahmen getroffen, durch welche bei dem Wegdrücken der Kohlebürsten durch die Kollektorsegmente automatisch eine Bremskraft (Reibung) das Abheben der Kohlebürsten vom Kollektor behindert, und welche gleichzeitig das Zurückgleiten der Kohlebürsten in Richtung der Kollektorsegmente automatisch unbehindert stattfindet, sobald das Wegdrücken der Kohlebürsten beendet ist.
Um das zu erreichen, müssen die Bürstenschächte der Kohlebürsten in einem Winkel zu der (radialen) Normalen auf das betreffende Kollektorsegment gestellt werden, d.h. die Bürstenschächte stehen nicht länger senkrecht auf dem betreffenden Kollektorsegment.
Der Druck der Kollektorsegmente auf die Kohlebürsten verursacht, dank der Winkelstellung der Bürstenschächte, in der Nähe des Kollektors einen starken Anpresskontakt zwischen dem Bürstenschacht und der darin befindlichen Kohlebürste. Ist der Bürstenschacht aus einem elektrisch gut leitenden Material (z.B. Metall, insbesondere Cu), und ist der Bürstenschacht mit einem entsprechenden Stromanschlusspol zum Zuführen von Strom leitend verbunden, wird ein wesentlicher Teil des Stromes über den gut leitenden Bürstenschacht auf die Kohlebürste in der Nähe des Kollektors geführt. Dadurch ist ein kleiner Widerstand für den zum Kollektor geführten Strom gewährleistet.
Dank der Winkelstellung der Bürstenschächte kann die Wegdrückkraft, welche der Kollektor auf die Kohlebürste ausübt, in 2 Vektoren aufgeteilt werden. Der eine Vektor presst die Kohlebürste gegen die Wand des Schachtes und erhöht so die Reibung der Bürste an der Wand oder an mehreren Wänden, während der andere Vektor in Richtung der Längsachse des Schachtes liegt und so die Bewegung der Kohlebürste im Schacht bewirkt. Der erste Vektor führt wegen der Wandreibung zu einer Hemmung der Längsbewegung und einer teilweisen Vernichtung der Bewegungsenergie. Dadurch wird das Abheben der Kohlebürsten vom Kollektor verringert. Wenn der Druck des Kollektors aufhört, wird die Kohlebürste durch die Annpressfeder, jetzt ohne Dämpfung, zurück auf den Kollektor gedrückt, um sofort wieder den Strom zu leiten.
Dank der Winkelstellung der Bürstenschächte und der damit verbundenen Bewegungshemmung wird auch den radialen Bewegungen des Rotors entgegengewirkt, die so kleiner ausfallen. Damit läuft der Rotor insgesamt runder.
In 2 ist in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein Gleichstrommotor gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, wobei die Teilfigur 2A einen Längsschnitt durch den Motor und die Teilfigur 2B eine Draufsicht von vorn in Achsenrichtung darstellt. Gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. 3 zeigt in einer vergrösserten Detailansicht eine der Kohlebürsten aus 2A.
Der in 2 gezeigte Gleichstrommotor 30 unterscheidet sich von dem bekannten Motor aus 1 durch die Anordnung der Kohlebürsten 32, 33 relativ zum (nicht veränderten) Kollektor 14. Die Kohlebürsten 32, 33 sind mit ihren zugehörigen Bürstenschächten 34 schräg nach aussen orientiert, so dass ihre durch die Bürstenschächte 34 vorgegebene Bewegungsrichtung 39 (Doppelpfeil in 3), die gleich der Richtung des Kraftvektors C im in 3 eingezeichneten Kräfteparalle logramm ist, mit der radialen Richtung im Bezug auf die Achse 29, die zugleich die Richtung der Normalen auf den Kollektor 14 ist (gestrichelt im Kräfteparallelogramm der 3), einen Winkel α einschliesst, der zwischen 15° und 75° liegt und vorzugsweise etwa 45° beträgt. Die beiden sich gegenüberliegenden Kohlebürsten 32, 33 liegen dabei – wie aus 2B hervorgeht – in einer durch die Achse 29 gehenden gemeinsamen Ebene. Sie können durch eine Drehung um die Achse 29 von 180° ineinander überführt werden (Rotationssymmetrie).
Die Kohlebürsten 32, 33 werden durch entsprechende Anpressfedern (im gezeigten Beispiel Spiralfedern) 37 schräg gegen die Kollektorsegmente 20 des Kollektors 14 gepresst. Die Anpressfedern 37 sind in den Bürstenschächten 34 durch entsprechende Federarretierungen 38 gesichert. Die Kohlebürsten 32, 33 sind elektrisch durch Stromführungslitzen 35 mit Stromanschlusspolen 36 verbunden. Durch die Schrägstellung der Bürstenschächte 34 und damit der Bewegungsrichtung 39 lässt sich gemäss Kräfteparallelogramm die von dem Kollektor 14 auf die Kohlenbürste 32 ausgeübte radiale Kraft A in eine parallel zur Bewegungsrichtung 39 wirkende Kraft C und eine senkrecht zur Bewegungsrichtung 39 wirkende Kraft B zerlegen. Diese senkrecht zur Wand des Bürstenschachtes 34 wirkende Kraft B drückt die Kohlebürste 32 gegen die Wand und erhöht so die Reibung zwischen Bürstenschacht 34 und Kohlebürste 32 bei einer Bewegung der Bürste in der Bewegungsrichtung 39. Hierdurch wird eine Reibungsdämpfung verursacht, welche das Abheben der Kohlebürsten vom Kollektor 14 bremst und dämpft. Fällt die radiale Kraft A weg, wird die Kohlenbürste 32 durch die Anpressfeder 37 parallel zur Bewegungsrichtung 39 in Richtung des Kollektors 14 geschoben, wobei die Kohlenbürste 32 frei im Bürstenschacht 34 gleiten kann, ohne einer besonderen Reibungs- oder sonstigen Dämpfung ausgesetzt zu sein. Die Abhebedistanz und daher auch die Abhebezeit der Kohlebürste vom Kollektor 14 ist somit geringer, wodurch die Leistung des Motors gesteigert wird.
Sobald die Kohlebürsten 32, 33 wieder mit dem Kollektor 14 in Kontakt stehen, wird, insbesondere, wenn die Bürstenschächte 34 mit den entsprechenden Stromanschlusspolen 36 leitend verbunden sind, der Strom durch den unteren Teil der Bürstenschächte 34 auf den kollektornahen unteren Teil der Kohlebürsten geführt. Der Strom fliesst durch die elektrisch gut leitenden Schachtwände direkter und mit weniger Widerstand zum Kollektor 14. Auch hierdurch wird die Leistung des Motors gesteigert.
In 4 ist in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung ein Gleichstrommotor 40 gemäss einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, wobei die Teilfigur 4A einen Längsschnitt durch den Motor und die Teilfigur 4B eine Draufsicht von vorn in Achsenrichtung darstellt. Gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. 5 zeigt in einer vergrösserten Detailansicht eine der Kohlebürsten aus 4B.
Wie aus 4B hervorgeht, liegen die Kohlebürsten 42, 43 mit ihren Bürstenschächten 44 nicht länger in einer durch die Achse 29 gehenden gemeinsamen Ebene, sonder in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zur Achse 29 steht (siehe 4A). Die Schrägstellung der Bewegungsrichtung 41 (5) relativ zur radialen Richtung (gestrichelt im Kräfteparallelogramm der 5) wird hier dadurch erreicht, dass beide Kohlebürsten 42, 43 in entgegengesetzte Richtung aus der in 1B gezeigten Position seitlich parallel versetzt angeordnet sind. Auch in diesem Fall ergibt sich ein Kippwinkel α, der zu einer Zerlegung der radialen Kraft A in zwei zueinander senkrechte Kräfte B und C führt, die zu der erfindungsgemässen Dämpfung der Abhebebewegung führen, die Rückkehrbewegung der Bürsten dagegen unbeeinflusst lassen. Auch in diesem Fall liegt der Winkel α im Bereich zwischen 15° und 75°, vorzugsweise bei etwa 45°. Die Verringerung des elektrischen Widerstandes für den zum Kollektor 14 geführten Strom ist hier ebenfalls gegeben. Die Kohlebürsten 42, 43 sind in gleicher Weise über Stromführungslitzen 45 mit Stromanschlusspolen 46 verbunden. Als Anpressfedern 47 kommen hier Drehfedern zum Einsatz. Gleichzeitig sind die Bürstenschächte 44 mit den entsprechenden Stromanschlusspolen 46 leitend verbunden.
Ausgehend von einer Bürstenkonfiguration gemäss 2, bei der die Längsachsen der Kohlebürsten 32, 33 mit der Achse 29 des Motors einen Winkel von etwa 45° einschliessen und mit der Achse 29 zusammen in einer Ebene liegen, lassen sich trotz der stark eingeschränkten Platzverhältnisse weitere Verbesserungen bezüglich der Motorleistung und der thermischen Auslegung des Motors erreichen, wenn ein Motorkopf mit Bürstenschächten und Kohlebürsten gemäss dem in 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Der Motorkopf 48 gemäss 6 ist als Schale ausgebildet. Er besteht aus Gründen der guten thermischen Leitfähigkeit aus Aluminium und ist auf der Aussenseite mit einer Mehrzahl von Kühlrippen 49 versehen, die als zur Achse 29 konzentrische Ringe ausgebildet sind. Die Kühlrippen 49 vergrössern in an sich bekannter Weise die Wärmeübergangsfläche zwischen Motorkopf 48 und Umgebungsluft.
Im Zentrum des Motorkopfes 48 verläuft in axialer Richtung eine Bohrung, welche ein Kugellager 55 zur Lagerung der zentralen Welle 58 des Rotors aufnimmt. Das Kugellager 55 selbst ist im Motorkopf 48 in radialer und axialer Richtung elastisch gelagert, um bei den hohen Drehzahlen von bis zu 60.000 U/min eine sich automatisch einstellende präzise Lagerung zu ermöglichen und das Wegschlagen der Kohlebürsten aufgrund eines unrunden Laufes zu minimieren. Zur elastischen Lagerung werden zwei O-Ringe 56 und 57 verwendet (6B). Der eine O-Ring 56 sitzt in axialer Richtung zwischen dem Kugellager 55 und einer Hinterschneidung in der zentralen Bohrung des Motorkopfes. Er bewirkt, dass sich das Kugellager 55 in axialer Richtung elastisch an der Hinterschneidung abstützen kann. Der andere O-Ring 57 umgibt die äussere Schale des Kugellagers 55 konzentrisch und ermöglicht so eine elastische Lagerung des Kugellagers in der Bohrung.
Zur Aufnahme der rohrförmigen Bürstenschächte 50, 51 sind im Motorkopf 48 entsprechend schräge Bohrungen vorgesehen. Die Innenwände dieser Bohrungen sind eloxiert und bilden so eine dünne elektrische Isolationsschicht, welche die in den Bohrungen steckenden Bürstenschächte 50, 51 elektrisch vom Motorkopf 48 isoliert, ohne jedoch den guten thermischen Kontakt zwischen Bürstenschächten 50, 51 und Motorkopf 48 wesentlich zu beeinträchtigen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Bürstenschächte 50, 51 als Stromzuführungen zu den Kohlebürsten (63 in 7) eingesetzt werden können und gleichzeitig von den Kohlebürsten aufgenommen Wärme wirksam an den Motorkopf 48 und von dort über die Kühlrippen 49 an die Umgebung abgeben können. Die Bürstenschächte 50, 51 sind zudem an ihrem unteren Ende bis ganz nahe an den Kollektor 59 herangeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass über die Bürstenschächte 50, 51 einerseits Strom widerstandsarm bis zu den Spitzen der Kohlebürsten 63 geleitet wird und andererseits Wärme direkt von den Spitzen der Kohlebürsten 63 an den Motorkopf 48 abgeleitet wird.
Eine weitere wirkungsvolle Massnahme zur Kühlung des Kollektors 59 und Motorkopfes 48, in dem während des Rennbetriebs Temperaturen von bis zu 100°C auftreten können, sind in den Motorkopf 48 eingefräste, schraubenlinienartig verlaufende Lüftungskanäle 66 (6A), die den Innenraum des Motorkopfes 48 mit der Umgebung verbinden. Der Drehsinn der Schraubenlinien von aussen nach innen entspricht dabei der Drehrichtung des Motors. Durch die Lüftungskanäle 66 kann Kühlluft von aussen in den Innenraum des Motorkopfes 48 gesaugt werden, axial durch den Motor strömen und auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Motors wieder austreten. Die Ansaugung wird auf einfache Weise dadurch ermöglicht, dass die zum Kollektor 59 geführten Wicklungsanschlüsse (18 in 2) der Wicklungen (13 in 2A) so gebogen sind, dass sie bei normaler Laufrichtung des Motors als Lüfterflügel wirken, welche die Luft in axialer Richtung durch die Wicklungen drücken.
Auf der elektrischen Seite sind ebenfalls neuartige Vorkehrungen getroffen worden, um den Strom möglichst verlustarm zum Kollektor 59 zu bringen. Bei herkömmlichen Rennmotoren sind die Bürstenschächte mit zwei örtlich getrennt angeordneten Anschlussfahnen leitend verbunden, die zum Anschluss des eigentlichen Stromzuführungskabels und einer Reglerleitung dienen. Die in die Kohlebürsten eingebettete Stromführungslitze (64 in 7) wird an einem dritten Ort angelötet. Dadurch ergeben sich relativ lange Leitungswege, die sich bei den hohen auftretenden Stromstärken nachteilig auswirken. Bei dem in 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel werden dagegen zur Verwirklichung kurzer Wege alle elektrischen Leitungen pro Pol (Stromzuführungskabel, Reglerleitung und Stromführungslitze) an einem einzigen Ort direkt am jeweiligen Bürstenschacht angeschlossen. Dazu ist jeder der Bürstenschächte 50, 51 unmittelbar an der Stelle, wo er aus dem Motorkopf 48 nach aussen heraustritt, mit einem ringförmigen Flansch 54 versehen (siehe auch 6C), an dem die Leitungen festgelötet werden. Damit die Leitungen ohne Schwierigkeiten einzeln an den Flansch 54 angelötet werden können, hat der Flansch 54 eine genau definierte Dicke und ist in einzelne Sektoren 68 unterteilt, die voneinander thermisch entkoppelt sind.
Durch die Art des Aufbaus bedingt wird der Strom an jedem Pol in vorteilhafter Weise auf drei verschiedenen Wegen zur Spitze der Kohlebürste geleitet, nämlich (i) über die Stromführungslitze 64 und die Kohlebürste 63, (ii) über den Bürstenschacht 50, 51, und (iii) über die Anpressfeder 65 und die Kohlebürste 63.
Zur leichteren Montage der Kohlebürsten, die wegen dem hohen Verschleiss während des Rennbetriebes öfter ausgewechselt werden müssen, sind die Bürstenschächte 50, 51 und die Anpressfedern 65 bei dem Ausführungsbeispiel der 6 und 7 in spezieller Weise ausgebildet: Vor dem äusseren Ende des Bürstenschachtes 50, 51 ist ein (erweiterter) Abschnitt 62 mit einem vergrösserten Innendurchmesser angeordnet. Durch die Erweiterung bildet sich im Bürstenschacht 50, 51 eine Hinterschneidung aus, an der sich die Anpressfeder 65 mit ihrem äusseren Ende abstützen kann. Damit die Anpressfeder 65 von aussen ohne Schwierigkeiten in den Bürstenschacht 50, 51 eingeführt werden und hinter der Hinterschneidung einrasten kann, ist sie nach innen leicht konisch zulaufend ausgebildet. Die konische Form verhindert zusätzlich, dass die Anpressfeder 65 in unerwünschte Resonanzschwingungen gerät. Die Anpressfeder 65 ist vorteilhafterweise aus einem INOX-Draht gefertigt, so dass die Federkonstante über den auftretenden weiten Temperaturbereich weitgehend stabil bleibt. Zur Montage einer Kohlebürste 63 wird – ausgehend von 7A – die Anpressfeder 65 über die Stromführungslitze 64 geschoben, bis sie mit dem vorderen Ende an der Kohlebürste 63 anstösst. Kohlebürste 63 und Anpressfeder 65 werden dann in den Bürstenschacht 50 so weit eingeführt, bis die Anpressfeder 65 mit ihrem äusseren Ende an der Hinterschneidung des Abschnitts 62 einrastet (7B). Die Stromführungslitze 64 wird schliesslich durch einen am äusseren Ende des Bürstenschachtes 50 angeordneten Schlitz 52 nach aussen geführt, zur Zugentlastung unterhalb eines Kragens 53 mehrmals um den Bürstenschacht 50 gewickelt und dann am Flansch 54 festgelötet.
Der durch den schalenartigen Motorkopf 48 zur Verfügung stehende Innenraum kann dazu benutzt werden, auf platzsparende Art und Weise Mittel zur Entstörung des Motors unterzubringen. Die Entstörmittel, die Kondensatoren umfassen, sind auf einer gedruckten Schaltungsplatte 62 angeordnet, die den Kollektor 59 halbkreisförmig umgibt. Der elektrische Anschluss der Entstörschaltung erfolgt direkt über geeignet gebogene Kontaktfedern 60, die kontaktierend über den Rand der Schaltungsplatte 61 geschoben werden und direkt auf die Bürstenschächte 50, 51 drücken (6B). Auf der Schaltungsplatte 61 kann zusätzlich eine von aussen sichtbare Leuchtdiode (LED) 67 vorgesehen werden, die der Drehrichtungskontrolle dient und nur dann leuchtet, wenn der Motor richtig gepolt angeschlossen ist. Alle Bauelemente auf der Schaltungsplatte 61 sind aus Platzgründen vorzugsweise als SMD-Elemente ausgebildet.
Insgesamt zeichnet sich die Erfindung durch folgende Eigenschaften und Vorteile aus:

– Der Druck der Kollektorsegmente auf die Kohlenbürsten verursacht wegen der Winkelstellung der Bürstenschächte ganz unten beim Kollektor einen starken Kontakt zwischen dem Bürstenschacht und der Kohlenbürste. Ein Teil des Stromes wird also über den gut leitenden Bürstenschacht auf die Kohlebürste in der Nähe des Kollektors geführt. Dadurch wird Widerstand verkleinert.
– Dank der Winkelstellung der Bürstenschächte wird die Wegdruckkraft, welche der Kollektor auf die Kohlebürste ausüben kann, in 2 Vektoren aufgeteilt. Der eine Vektor presst die Kohlebürste gegen wenigstens eine Wand des Schach tes, in welchem die Kohlebürste sich entsprechend dem zweiten Vektor (Längsrichtung der Kohle) bewegen kann. Die Reibung an der Wand vernichtet einen Teil der Energie. Dadurch wird das Abheben der Kohlebürsten vom Kollektor behindert. Wenn der Druck des Kollektors aufhört, so wird die Kohlenbürste durch die normale Anpressfeder ohne Dämpfung auf den Kollektor gedrückt, um sofort den Strom zu leiten.
– Dank der Winkelstellung der Bürstenschächte wird den radialen Bewegungen des Rotors entgegengewirkt; diese Bewegungen werden klein gehalten. Damit läuft der Kollektor runder.
– Es ist von Vorteil, dass keine zusätzlichen beweglichen Teile erforderlich sind. Die Masse der Kohlenbürsten muss so klein gehalten werden wie nur möglich um das Trägheitsmoment klein zu halten. Zum Beispiel sind hydraulische Stossdämpfer ungeeignet, da das Gewicht der beweglichen Teile die Resultate verschlechtern würden.
– Der optimale Anstellwinkel für die Kohlebürsten kann definiert werden mit 45° ± 30°.
– Je nach Anstellwinkel kann die Stärke der Dämpfung eingestellt werden.
– Bei senkrechter Einstellung (die Bürstenschächte stehen senkrecht gegenüber dem Kollektorsegment; α=0) ist die Dämpfung Null. Je grösser der Anstellwinkel eingestellt wird, je grösser wird die Dämpfung.

10: Gleichstrommotor
11: Rotor
12: Anker
13: Wicklung
14,59: Kollektor
15,58: zentrale Welle
16: Gehäuse
17: Magnet
18: Wicklungsanschluss
19,48: Motorkopf
20: Kollektorsegment (stromleitend)
21,55: Kugellager
22,23: Kohlebürste
24: Bürstenschacht
25: Stromführungslitze
26: Stromanschlusspol
27: Anpressfeder
28: Bewegungsrichtung
29: Achse
30: Gleichstrommotor
32,33: Kohlebürste
34: Bürstenschacht
35: Stromführungslitze
36: Stromanschlusspol
37: Anpressfeder
38: Federarretierung
39: Bewegungsrichtung
40: Gleichstrommotor
41: Bewegungsrichtung
42,43: Kohlebürste
44: Bürstenschacht
45,64: Stromführungslitze
46: Stromanschlusspol
47,65: Anpressfeder
49: Kühlrippe
50,51: Bürstenschacht
52: Schlitz
53: Kragen
54: Flansch
56,57: O-Ring
60: Kontaktfeder
61: Schaltungsplatte
62: erweiterter Abschnitt
63: Kohlebürste
66: Lüftungskanal
67: Leuchtdiode (LED)
68: Sektor (Flansch)
α (alpha): Winkel (zwischen Bewegungsrichtung und radialer Richtung)

Claims

Hochleistungs-Gleichstrommotor (30, 40), insbesondere für Modell-Rennfahrzeuge, mit einem Rotor (11), welcher in einem Gehäuse (16) um eine Achse (29) drehbar gelagert ist und wenigstens eine Wicklung (13) aufweist, die über einen auf dem Rotor (11) angeordneten Kollektor (14, 59) sowie auf dem Kollektor (14) aufsitzende Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) in wechselnden Richtungen von aussen mit Gleichstrom beaufschlagt wird, wobei der Kollektor (14) mehrere auf einem Zylindermantel um die Achse (29) liegende, stromleitende Kollektorsegmente (20) umfasst und die Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) relativ zum Kollektor (14) beweglich gelagert sind und durch Federdruck auf den Kollektor (14) gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Massnahmen getroffen sind, durch welche die Bewegung der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) entgegen dem Federdruck gedämpft wird, während die Bewegung der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) mit dem Federdruck weitgehend unbeeinflusst bleibt.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) jeweils in Bürstenschächten (34, 44; 50, 51) in einer durch die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) vorgegebenen Bewegungsrichtung (39, 41) gleitend gelagert sind, und dass die Bewegungsrichtung (39, 41) der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) von der im Bezug auf die Achse (29) radialen Richtung derart abweicht, dass die Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) in ihren Bürstenschächten (34, 44; 50, 51) bei einer durch den Kollektor (14) verursachten Bewegung entgegen dem Federdruck einer erhöhten Gleitreibung an wenigstens einer Wand der Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) ausgesetzt sind.
Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen (39, 41) der Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) jeweils mit der im Bezug auf die Achse (29) radialen Richtung einen Winkel (α) im Bereich zwischen 15° und 75° einschliessen.
Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) etwa 45° beträgt.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen (39) der Kohlebürsten (32, 33; 63) in einer gemeinsamen, durch die Achse (29) des Gleichstrommotors (30) gehenden Ebene liegen.
Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen (39) der Kohlebürsten (32, 33; 63) schräg nach aussen gerichtet sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen (41) der Kohlebürsten (42, 43) in einer gemeinsamen, senkrecht zur Achse (29) des Gleichstrommotors (40) stehenden Ebene liegen.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) vorgesehen sind, welche sich gegenüberliegend derart angeordnet sind, dass sie durch eine Drehung um 180° um die Achse (29) des Gleichstrommotors (30, 40) ineinander überführt werden können.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, sind, und dass die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) mit Vorrichtungen (36, 46) zum Zuführen von elektrischem Strom leitend verbunden sind.
Gleichstrommotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) aus Cu hergestellt sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) und die Kohlebürsten (32, 33; 42, 43; 63) jeweils einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) in einem schalenförmigen Motorkopf (19, 48) angeordnet sind, dass der Motorkopf (19, 48) aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere einem Metall, hergestellt ist, und dass die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) im Motorkopf elektrisch isoliert gelagert sind.
Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkopf (19, 48) aus Aluminium besteht, und dass die Bürstenschächte (34, 44; 50, 51) vom Motorkopf (19, 48) durch eine eloxierte Zwischenschicht elektrisch isoliert sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkopf (48) auf der Aussenseite zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebung Kühlrippen (49) aufweist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (49) konzentrisch zur Achse (29) des Gleichstrommotors (30, 40) ausgebildet sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorkopf (48) Lüftungskanäle (66) zur Zufuhr von Kühlluft in den Innenraum des Gleichstrommotors (30, 40) vorgesehen sind.
Gleichstrommotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (13) des Gleichstrommotors (30, 40) über Wicklungsanschlüsse (18) mit dem Kollektor elektrisch leitend verbunden ist, und dass die Wicklungsanschlüsse (18) so gestaltet sind, dass sie bei normaler Laufrichtung des Motors als Lüfterflügel wirken und durch die Lüftungskanäle (66) Kühlluft ansaugen.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungskanäle (66) in Form von Schraubenlinien ausgebildet sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Welle (15, 58) des Rotors (11) an dem beim Kollektor (14, 59) befindlichen Ende in einem Kugellager (21, 55) drehbar gelagert ist, und dass das Kugellager (55) selbst elastisch gelagert ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager (55) in radialer und axialer Richtung elastisch gelagert ist, und dass die elastische Lagerung mittels O-Ringen (56, 57) bewirkt wird, welche einerseits das Kugellager (55) aussen konzentrisch umgeben und andererseits zur Abstützung des Kugellagers (55) in axialer Richtung dienen.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Federdrucks auf die Kohlebürsten (63) Anpressfedern (65) in Form von sich zu den Kohlebürsten (63) hin konisch verjüngenden Spiralfedern vorgesehen sind, dass sich die Anpressfedern (65) mit ihren den Kohlebürsten (63) abgewandten Enden an einer Hinterschneidung (62) in den Bürstenschächten (50, 51) abstützen, und dass die Anpressfedern (65) aus einem INOX-Draht hergestellt sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenschächte (50, 51) jeweils eine Vorrichtung (54) umfassen, an welche alle von aussen kommenden Leitungen für den jeweiligen Pol elektrisch anschliessbar sind.
Gleichstrommotor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Anschliessen der von aussen kommenden Leitungen als den Bürstenschacht (50, 51) umschliessender, vorzugsweise in mehrere Sektoren (68) unterteilter Flansch (54) ausgebildet ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Motorkopfes (48) eine gedruckte Schaltungsplatte (61) angeordnet ist, welche eine Schaltung zur Entstörung des Motors umfasst, und dass die Schaltungsplatte (61) über Kontaktfedern (60), welche auf die Bürstenschächte (50, 51) drücken, mit den Bürstenschächten elektrisch leitend verbunden ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schaltungsplatte (61) eine von aussen sichtbare Leuchtdiode (67) zur Drehrichtungskontrolle des Motors angeordnet ist.