DE2242528A1 - Kommutator fuer rotierende elektrische maschinen - Google Patents

Description

General Electric Company Schenectady N.Y. VStA.

Kommutator für rotierende elektrische Maschinen.

Die Erfindung bezieht sich auf mit Schleifbürsten versehene rotierende elektrische Maschinen und betrifft einen für diese Maschinen bestimmten Kommutator mit in gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Segmenten, die mit den Ankerwicklungen der Maschine verbundden sind.

Der elektrische Strom, der in rotierenden elektrischen Maschinen der Bürstenbauart kommutiert wird₅ ist seiner Natur nach induktiv und daher bestrebt, Überschlagspannungen zwischen Kommutatorsegment und Bürste zu erzeugen₉ wenn beide sich trennen, was zu Funkenbildung Anlass gibt«, Das Problem der Funkenbildung zwischen Kommutator und Bürste ninmt im allgemeinen zu, je stärker die Maschine belastet ist_o Das Funken oder Feuern an der Oberfläche des Kommutators führt

ω zur Überhitzung des Kommutators, zur Zerstörung der Komxou-

to tatorstäbe und zu Hochfrequenz- bzw«, Radiostörungen und kann ^ Lichtbögen bei hohen Stromstärken ergeben,, um einige der mög~ ° liehen Nachteile zu nexnien,, die alle den Wirkungsgrad der . ο Maschine begrenzen. Zahlreiche Torstöße sind "bisher gemacht

_j .worden, um das Kommutatorfeuer herabzusetzen^ wie verbessert©

^tn Ausbildung dee Kommutators land Anwendung von Wena®pol@n und 'elektronischen Konrautierungssehaltungenj, άοοίι wird die

bildung noch häufig als zu stark angesehen. Die Erfindung widmet sich ebenfalls dieser Aufgabe und gibt einen grundlegend neuen Weg an, wobei sie von folgenden Überlegungen ausgeht.

Bei den gebräuchlichen rotierenden Maschinen der Bürstenbauart ist das Material zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten als elektrischer Isolator wirksam. Gerade dieser Umstand ist aber für die Funkenerzeugung vorwiegend verantwortlich. Nun sind einige Werkstoffe bekannt, die nichtlineare Widerstandscharakteristiken besitzen und für die auf die folgende Gleichung zurückgegriffen werden muß, um Strom und Spannung quantitativ miteinander in Beziehung zu

/V
setzen: I = / -

■ar·

Hierin bedeuten

V die Spannung zwischen zwei Punkten, die durch einen Körper des in Betracht gezogenen Materials getrennt sind,

I der zwischen den beiden Punkten fliessende Strom, C eine Konstante und
oi/ (alpha) einen Exponenten, der grosser als 1 ist.

Sowohl C als auch alpha sind Punktonen der geometrischen Form des aus dem Material gebildeten Körpers sowie der Zusammensetzung desselben, wobei C in erster Linie eine Funktion der Korngröße des Materials ist, während alpha in erster Linie eine Funktion der Korngienze ist. Stoffe wie Siliziumkarbid besitzen nichtlineare oder exponentiale Widerstandscharakteristiken und werden für handelsübliche Siliziumkarbidvaristoren verwendet, jedoch ist für diese nichtmetallischen Varistoren ein Exponent alpha von nicht mehr als 6 charakteristisch.

Eine neue Gattung von Varistormaterialien mit alpha-Exponenten über 10 in dem Stromdichtebereich von 10 ^ bis 10 Amper je QuadratZentimeter ist kürzlich aus Metalloxiden hergestellt worden, wobei allerdings bis jetzt sehr wenige

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Anwendungen für dieses neue Metalloxidvaristor-Material abgekürzt MOY-Material - gefunden worden sind. Obwohl die alpha-Werte der MÖV-Materialien auf den Stromdichtebereich von 10 ^J bis 10 Amper je Quadtratzentimeter bezogen sind, in welchem alpha im wesentlichen konstant bleibt, ist zu beachten, daß die Alphawerte auch bei stärkeren und,schwächeren Strömen hoch bleiben, wenn auch eine gewisse Abweichung von den höchsten Alphawerten auftreten kann. Das MOV-Material ist ein polykristallines Keramikmaterial, das jeweils in der Hauptsache aus einem bestimmten Metalloxid besteht, dem kleine Mengen eines öfter Mehrerer anderer Metalloxide zugesetzt sind. Beispielsweise ist das vorherrschende Metalloxid Zinkoxid mit Zusatz einer kleinen Menge Wismutoxid. Andere Zusätze können Aluminiumoxid, Bisenoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid sein, um weitere Beispiele zu nennen. Das vorherrschende Metalloxid wird mit dem Zusatzoxid oder den Zusatzoxiden gesintert, um einen keramischen Metalloxid-Sinterkörper zu bilden. Oa das MOV-Material als keramisches Pulver hergestellt wird, kann es in eine Vielfalt von Formen verschiedener Größen gepresst werden. Wegen der polykristallinen Beschaffenheit sind die Eigenschaften des Metalloxidvaristors durch die Korn (Kristall)-Größe, Kornzusammensetzung, Korngrenzenzusammensetzung und Korngrenzendicke festgelegt, wobei alle diese Faktoren beim keramischen Herstellungsvorgang geregelt werden können.

Me nichtlineare Widerstandcharakteristik des Metalloxidvaristors ist so beschaffen, daß ,der Widerstand sehr hoch ist (bis zu annähernd 10 000"Megohm) bei sehr niedrigem Stromniveau im Mikroamper-Bereich und auf nicht lineare Weise in einen äußerst niedrigen Wert (einige Zehntel 0hm) bei hohem Stromniveau übergeht. Der Widerstand ist außerdem stärker nichtlinear mit zunehmenden Werten von alpha. Diese nichtlinearen Widerstandscharakteristiken ergeben Spannungs-r Strom-Kurven, bei denen die Spannung wirksam begrenzt ist, wobei die die Spannung begrenzende oder festhaltende Wirkung

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betonter ist bei den höheren Werten des Exponenten alpha, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Somit ist die die Spannung über dem Strom wiedergebende Charakteristik des Metalloxid-Varistors ähnlich derjenigen der Zenerdiode mit der zusätzlichen Eigenschaft, in beiden Richtungen symmetrisch zu sein. Der Mechanismus des SpannungsZusammenbruchs beim Metalloxid-Varistor ist noch nicht klar verständlich, ist jedoch völlig anders als der Lawinen-Mechanismus in Zenerdioden, wobei eine theoretische Erklärung seiner Arbeitsweise die eines durch Raumladung begrenzten Stromes ist. Die Durchbruchsspannung einer MOV-Vorrichtung ist bestimmt durch die besondere Zusammensetzung des MOV-Materials und die Dicke, auf die es beim Herstellungsverfahren gepresst wird. Der Metalloxid-Varistor weist Leistungsänderungen an den Korngrenzen auf, was den Vorteil eines Massenphenomens ergibt, das eine große Anpassungsfähigkeit in der Konstruktion für spezifische Anwendungen ermöglicht, indem einfach die Abmessungen des Körpers aus MOV-Material abgeändert werden. Das heißt die Stromleitung in Abwesenheit von in engem Abstand angeordneten Elektroden längs einer fläche des MOV-Körpers erfolgt durch die Masse desselben. Die Masseneigenschaft des MOV-Körpers gestattet außerdem ein viel höheres Energieaufnahmevermögen im Vergleich zu Grenzschicht- bzw. Sperrschichtvorrichtungen. Da somit eine MOV-Vorrichtung in jeder gewünschten Dicke ausgebildet werden kann, kann sie bei viel höheren Spannungen als die Sperrschichtvorrichtung der Zenerdiode betrieben werden und in einem Bereich von wenigen Volt bis zu mehreren Kilovolt benutzt werden. Die Spannungsänderungen an einer Siliziumkarbidvaristor- Vorrichtung sind viel größer als an einer Metalloxidvaristor-Vorrichtung für eine gegebene Stromänderung, und somit hat der Siliziumkarbid-Varistor einen viel kleineren Spannungsarbeitsbereich, weshalb seine Anwendungen begrenzt sind. Die Wärmeleitfähigkeit des MOV-Materials ist ziemlich hoch (annähernd halb so groß wie die von Aluminiumoxid), so daß es ein viel größeres Leistungs-

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aufnahmevermögen als Siliziumkarbid hat und eine zu vernachlässigende Schaltzeit besitzt, da seine Ansprechzeit im · Bereich unter einer Nanosekunde liegt. Schließlich können das MQV-Material und daraus hergestellte Vorrichtungen genau "bearbeitet, geschweißt und bei sehr niedrigen Spannungen betrieben werden, Fähigkeiten, die das grobkörnige Siliziumkarbid nicht aufweist.

Auf Grund dieser Erkenntnisse sieht die Erfindung in erster Linie einen verbesserten Kommutator vor, der zur Funkenunterdrückung einen Körper aus MOV-Material aufweist, um die KommutatorSegmente voneinander zu isolieren. Hierzu wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein MQV-Material verwendet, dessen Exponent alpha über 10 liegt.

Der den Gegenstand der Erfindung bildende'Kommutator kann einen zylindrischen Körper aus MOV-Material aufweisen, der mit den leitenden Kommutatorsegmenten versehen ist. Auch können Kommutatoren gebräuchlicher Art mit gesonderten MOV-Vorrichtungen zur Verbindung benachbarter Kommutatorsegmente ausgestattet sein.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verbesserung der Drehzahlregelung für Universalmotoren unter Verwendung von MOV-Vorrichtungen zur Funkenunterdrückung.

Gemäß der Erfindung ist also ein verbesserter Kommutator für rotierende Maschinen der Bürstenbauart verwirklicht, bei dem ein MOV-Material dazu dient, die elektrisch leitenden Segmente am Kommutator voneinander zu isolieren. Das MOV-Material hat einen Alphaweirt von über 10, um dadurch eine stark nichtlineare Widerstandcharakteristik zu erhalten, indem der Widerstand des MOV-Materials bei dem normalen Betriebsstrom der Maschine niedrig ist und so dem Strom einen Weg von niedrigem Widerstand bietet, wenn die Kommutatorsegmente und die Bürsten sich zu trennen beginnen. Durch diese nicht- ·

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lineare Widerstandcharakteristik wird die Spannung begrenzt, die durch die Trennung der Kommutatorseginente und Bürsten hervorgerufen wird, wodurch eine weitgehende Unterdrückung des Kommutatorfeuers "beim Arbeiten der rotierenden Maschine gewährleistet ist. Der Körper aus MOV-Material kann ein massiver, allgemein zylindrisch geformter Körper sein, der fest mit der Ankerwelle der Maschine verbunden ist, oder kann ein hohler Körper sein, der mit Mitteln zur.festen Verbindung mit der Welle versehen ist. Die elektrisch leitenden Segmente können leitende Lamellen aus dicken Filmen oder Folien sein, die an der Außenseite des Zylinders aus MOV-Material angebracht sind, oder können elektrisch leitende Stäbe sein, die in im MOV-Material ausgebildete Nuten fest eingesetzt sind. Auch können gesonderte Vorrichtungen aus MOV-Material verwendet werden, um benachbarte Kommutatorsegmente von Kommutatoren gebräuchlicher Art zu verbinden und dadurch die Herstellung von Kommutatoren mit weniger Segmenten zu gestatten.

Die Merkmale der Erfindung, auf die sich der Schutz erstreckt, sind in den Patentansprüchen herausgestellt. Der Gegenstand der Erfindung ist hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise nebst weiteren Merkmalen und Vorteilen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen zu entnehmen, in denen gleiche Teile in den einzelnen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der nichtlinearen Widerstands- und entsprechenden Spannungscharakteristiken des MOV-Materials für verschiedene Werte des Exponenten alpha, aufgetragen in Werten von Volt über Amper in logarithmischen Maßstäben für beide Ordinaten;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des Kommutators der Erfindung, bei der das MOV-Material ein massiver Körper ist;

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Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Kommutators der Erfindung mit massivem Körper aus MOV-Material;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des Kommutators der Erfindung mit einem hohlen Körper aus MOV-Material;

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des Kommutators der Erfindung mit einzelnen.Stäben aus MOV-Material;

Fig. 6 ein Schema einer gebräuchlichen rotierenden Univeral* maschine der Bürstenbauart, die an eine Wechselstrom-Energiequelle angeschlossen ist;

Fig. 7 ein Schema der Universalmaschine, die in üblicher Weise zum Betrieb aus einer Gleichstrom-Energiequelle geschaltet und mit einem Zentrifugalschalter für Drehzahlregelung im Bürstenkreis versehen ist;

Fig. 8 ein Schema der Universalmaschine der Fig. 7 mit einem verbesserten Zentrifugalschalter und einem verbesserten Kommutator gemäß der Erfindung·

Die Volt über Amper wiedergebenden Kennlinien in Fig. 1 veranschaulichen die nichtlinearen oder exponentialen Widerstandscharakteristiken des MOV-Materials und lassen insbesondere die zunehmende Mchtlinearität und gesteigerte Spannungsbegrenzung erkennen, die mit zunehmenden Werten des Exponenten alpha erhalten werden. Die Volt-Werte der Abszisse beziehen sich auf den Spannungsabfall von Bürste zu Kommutatorsegment und die Amper-Werte der Ordinate auf den Strom oder die Stromdichte. Obwohl die Anwendung von linearen Maßstäben in dem Diagramm die abnehmenden Gefälle (abnehmenden Widerstandswerte) mit zunehmenden Strömen und die sich daraus ergebende Spannungsbegrenzung zeigen würden, können solche Kurven schnell durch die Wahl der Maßstäbe erhalten werden, und aus diesem Grunde sind logarithmische Maßstäbe für beide

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Koordinaten gewählt, um eine Kurvenschar zu erhalten, von denen jede innerhalb des angegebenen Strombereichs im wesentlichen geradlinig bleibt. Die Volt- und Araperwerte sind für typische kleine hochturige rotierende Maschinen der Bürstenbauart (beispielsweise bis hinauf zu etwa 1 HP oder 1 PS Nennleistung und zu Geschwindigkeiten von 20 000 Umdrehungen je Minute), die von besonderem Interesse im Rahmen der Erfindung sind, obwohl die Erfindung auch bei Masohinen von größerer Leistung und/oder kleinerer Geschwindigkeit anwendbar ist. Aus dem Kurvenverlauf in Pig. 1 geht hervor, daß der von dem MOV-Material dargebotene Widerstand ganz hoch ist bei niedrigem Stromniveau und in nichtlinearer exponentialer Weise zunehmend kleiner wird mit steigendem Stromniveau, wobei diese Niohtlinearität stärker ist für größere Werte des Exponenten alpha. Eine Ausdehnung der Kurven zu tieferen und höheren Stromniveaus würde offensichtlich entsprechend viel größere bzw, kleinere Widerstände ausweisen und der Betrieb der Maschine kann auch auf diese Bereiche ausgedehnt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung betrifft insbesondere einen Kommutator, bei dem das MOV-Material einen massiven Körper 10 von zylindrischer Form bildet. Der Körper 10 ist starr mit einer Ankerwelle 11 einer rotierenden Bürsten- bzw. Kommutatormaschine auf geeignete Weise verbunden. So kann der Körper 10 auf die Welle 11 aufgekeilt, mit Preßsitz aufgebracht oder mit Bindemittel befestigt sein, um typische Beispiele der Verbindung zu nennen. Obwohl der Körper 10 als massiver Zylinder beschrieben ist, so kann doch die Welle 11 durch die Mitte des Körpers 10 vollständig hindurchgehen oder sich nur teilweise in diese erstrecken. Die elektrisch leitenden Kommutatorsegmente werden von einer Mehrzahl von elektrisch leitenden dicken Film- oder Foliestreifen 12 gebildet, die in gegenseitigem Abstand parallel zueinander längs des Umfange des MOV-Körpers 10 angeordnet sind und vorzugsweise parallel

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zur Längsachse desselben verlaufen, Die dicken Foliestreifen 12 erstrecken sich vorzugsweise bis zu "beiden Enden des Körpers 10 aus MOV-Material, können jedoch gegebenenfalls kürzer sein, entsprechend der Anlagefläche der Bürste oder Bürsten. Die Kommutatorstreifen 12 besitzen vorzugsweise gleichen Abstand voneinander sowie gleiche und gleichmäßige Breite. Geeignete elektrische Leiter 15» allgemein als Bürstenfahnen bekannt, sind an den dicken FiImsegmenten 12 an demjenigen Ende des Kommutators, das den Ankerwicklungen der Bürstenmaschine benachbart ist, angebracht, um die Ankerwicklungen mit den Kommutatorsegmenten zu verbinden. Stattdessen können die Leiter 13 auch die Ankerdrähte sein, die an ihren Enden abgeplattet sind und an die Segmente 12 oder an angrenzende metallisierte Teile der Oberfläche des MOV-Körpers angeschweißt bzw. angelötet sind. Die Segmente 12 haben im Fall der Erfindung eine Dicke, die allgemein im Bereich von 0,0005 bis 0,001 Zoll (etwa 0,012 bis 0,025 mm) liegt im Gegensatz zu den gebräuchlichen kleinen hochtourigen Maschinen, bei denen die Dicke wenigstens 0,002 Zoll (etwa 0,05mm) beträgt. Somit ergibt die Erfindung einen sehr glatten Kommutator, was für hochtourige Bürstenmaschinen eine höchst wünschenswerte Eigenschaft darstellt.

Die Verwendung von elektrisch leitenden dicken Foliestreifen für die Kommutatorsegmente bei der Ausführungsform der Fig.2 ist allgemein auf Maschinen kleinerer Größe bzw. Leistung beschränkt wegen des begrenzten Stromes, der durch diese dicke Folie fliessen kann. Eine Ausführungsform des Kommutators, die besonders für Maschinen höherer Leistung mit größeren Stromstärken brauchbar ist, ist in Fig. 3 dargestellt, wobei hier der Körper 10 aus MOV-Material längs seines Umfangs genutet ist. Die Nuten H sind in der gleichen Weise wie die elektrisch leitenden dicken Foliestreifen in Fig. 2 ausgerichtet, indem sie in gleichen Abständen voneinander und parallel zueinander um den Umfang des Körpers 10 herum, parallel zur Längsachse desselben angeordnet sind«.

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Jede Nut 14 hat eine gleichmäßige Tiefe, Breite und Querschnittsform und erstreckt sich vorzugsweise über, die ganze Länge des Körpers 10. Die Nuten 14 können beispielsweise quadratischen, rechteckigen oder keilförmigen Querschnitt haben. Die Nuten können bereits bei der Herstellung des MOV-Körpers 10 in einer Form oder nach einem anderen Verfahren vorgesehen werden oder durch einen nachträglichen Bearbeitungsvorgang ausgebildet werden. Ein elektrisch leitender Stab 15, etwa ein Kupferstab, von der selben Querschnittsform und -größe wie die Nut wird in jede Nut festsitzend eingebracht.

Die Außenflächen der Stäbe 15 können mit den benachbarten Umfangsflachen des Körpers 10 fluchten oder geringfügig sich über diese erheben, um eine rückspringende Kommutatorflache zu erhalten.

Der massive MOV-Körper 10, der bei den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 zur Anwendung gelangt, hat den Vorteil, daß er konzentrisch bleibt im Gegensatz zu den gebräuchlichen Kommutatoren, die aus einer großen Anzahl von Teilen hergestellt sind. So behalten die in Pig. 2 und 3 abgebildeten Kommutatoren ihre Konzentrizität, Glätte und Stabilität im Dauerbetrieb im Gegensatz zu den gebräuchlichen Kommutatoren, die diese Eigenschaft nicht besitzen und daher eine übermäßige Bürstenabnutzung, erhöhte Kommutatorabnutzung und -erhitzung und höhere Reibungsverluste ergeben. Die größere Wärmeleitfähigkeit des MOV-Materials ermöglicht ausserdem ein kühleres Arbeiten des Kommutators und demgemäß eine höhere Leistungsaufnahme als bei den mit gebräuchlichen Kommutatoren ausgerüsteten Maschinen gleicher Leistung. Der Hauptvorteil der Erfindung ist natürlich die stärkere Unterdrückung von Funken und Bögen, die sich besonders zwischen den Rückenkanten der Bürsten und der Kommutatorsegmente auszubilden suchen. Diese bessere Unterdrückung von Funken und Bögen wird in erster Linie auf Grund der folgenden drei außergewöhnlichen Eigenschaften des MOV-Materials erzielt: (1) die Widerstandscharakteristiken sind hochgradig nichtlinear (alpha größer als 10) über einen weiten Strombereioh

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und ergeben einen hohen G-rad der Spannung§be.gr§nzung,

(2) die Ansprechzeit ist zu vernachlässigen, und

(3) die hohe Wärmeleitfähigkeit gestattet eine schnelle Abführung der Wärme, die durch das Phänomen der Funkenerzeugung, zwischen Kommutator und Bürste erzeugt wird.

Bei der üblichen Kommutierung kann zu Beginn der Trennung von Kommutatorsegment und Bürste der Strom sich nicht äugen«"\ blicklich ändern und die induktive Spannung e - L ·|| muß ansteigen, damit derselbe Stromfüiß fortdauert, wodurch die Funkenbildung und daraus möglicherweise eine Bogenbildung erzeugt wird. Dagegen wird im Fall der Erfindung durch das MOV-Material der Spannungsanstieg zwischen den sich trennen-' den Segmenten und Bürsten begrenzt und ein Weg von verhältnismäßig geringem Widerstand für den Strom vorgesehen, der daraufhin mit einer Geschwindigkeit abklingt, die in erster Linie durch die LE-Zeltkonstante der Maschine bestimmt ist, oder bis der Uullwert des Stromes erreicht ist, wobei der Widerstand des MQV-Körpers zunimmt, im wesentlichen in dem Maße, wie die Spannung und in erster Linie der Strom abnehmen. Auf diese Weise ist das Kommutator-Bürsten-Feuer im wesentlichen beseitigt oder zumindest beträchtlich herabgesetzt mit dem Kommutator der Erfindung im Vergleich zu den gebräuchlichen Kommutatoren.

Die Bearbeitbarkeit des MOV-Materials, insbesondere die Ausbildung der Nuten bei der Ausführungsform, der Fig. 3 ist eine beachtliche Verbesserung gegenüber der Verwendung eines " anderen nichtlinearen Widerstandsmaterials wie Siliziumkarbid, das die Eignung zur Bearbeitung nicht besitzt. Schließlich ist der Arbeitsaufwand beim Zusammenbau des Kommutators aus einem massiven MOV-Körper (aber auch bei der Ausführungsförm der Fig. 4) beachtlich geringer als für gebräuchliche Kommutatoren.

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Bei der dritten Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung, die in Pig. 4 dargestellt ist, ist der Körper 10 aus MOV-Material nicht massiv, sondern hohl, wodurch eine geringere Menge dieses Materials gebraucht wird und niedrigere Kosten anfallen. Der hohlzylindrische Körper 10 aus MOV-Material ist starr an einem inneren hohlzylindrischen Teil 16 befestigt, das der Abstützung des Körpers 10 und dessen Verbindung mit der Ankerwelle 11 dient. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das hohlzylindrische Teil 16 aus Stahl hergestellt sein und den Kommutator abstützende Speichen 17 können in geeigneter Weise mit dem Teil 16 und der Welle 11 verbunden sein, um eine Drehung des Kommutators mit der Ankerwelle zu ermöglichen. Die elektrisch leitenden Segmente 12 können von der Art der dicken Foliestreifen gemäß Fig. 2 oder der in Nuten eingesetzten kräftigen Leiterstäbe gemäß Pig. 3 ausgeführt sein.

Schließlich kann der Hohlkörper aus MOV-Material, der zwecks Aufnahme von elektrisch leitenden Kommutatorstäben Nuten aufweist, einen Innendurchmesser erhalten, der bis zu dem Grenzwert vergrößert ist, bei dem die Innenfläche des MOV-Körpers mit den Innenflächen der elektrisch leitenden Stäbe 15 fluchtet, wie in Pig. 5 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Innenflächen der einzelnen Körper 10 aus MOV-Material und der elektrisch leitenden Stäbe 15 mit der Außenfläche des hohlzylindrischen Stützteils 16 fest verbunden. Der äußere Teil des Kommutators bei der Aueführungsform der Fig. 5 weist daher abwechselnd Stäbe aus MOV-Material 10 und aus elektrisch leitendem Material 15 auf· Das hohle Stützteil 16 muß aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, um ein Kurzschließen der Kommutatorstäbe 15 zu verhindern, oder stattdessen sind die Innenflächen der Stäbe 15 in geeigneter Weise mit Isoliermaterial beschichtet, oder ein isolierender Hohlzylinder 18 ist zwischen dem Teil 16 und dem durch die Elemente 10 und 15 gebildeten äußeren Hohlzylinder fest angebracht· Die Aueführungsform nach Pig. 5 zeichnet sich durch das geringste Gewicht aller angegebenen

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Ausführungsfomen aus, erfordert jedoch einen größeren Arbeitsaufwand für die Herstellung der Stäbe aus MOV-Material

und aus elektrisch leitendem Material und für ;'■ den Zusammenbau derselben zum Kommutator. Dabei müssen die MOV-Stäbe 10 mit den elektrisch leitenden Stäben 15 bei der Ausführungsform nach Fig. 5 durch Bindemittel oder auf andere geeignete Weise fest verbunden werden. Die Verbindung kann durch Löten bzw. Schweißen bei niedriger Temperatur oder durch Aneinanderpressen bewirkt werden, um zwei Beispiele zu nennen, wobei in beiden Fällen eine metallisierte Oberfläche auf dem MOV-Material benutzt wird. Die metallische Oberfläche wird beispielsweise erhalten durch Aufspritzen einer dünnen Schicht aus Glas- und Silberteilchen auf die Oberfläche des MOV-Materials. Ohm'sche Berührung wird im allgemeinen angewendet, um den Vorteil des Massenphänomens für das Arbeiten des MOV-Materials auszunutzen.

Fig. 6 zeigt ein Schema einer gebräuchlichen Universalmaschine vom Bürstentyp, die unter anderen Anwendungen als Motor für den Antrieb kleiner Haushaltsgeräte, z.B. elektrischer Küchenmixer benutzt wird. Jedoch ist zu beachten, daß die nachstehenden Erläuterungen nicht auf diese Maschine beschränkt sind, sondern ebenso auf Gleichstrom- Nebenschluß- und -Reihenschluß-Maschinen anwendbar sind, sowie auf Dauermagneterregung aus gleichgerichteten oder reinen Gleichstromquellen, z.B. Batterien. In der Darstellung weist die Maschine eine Mehrzahl von Kommutatorsegmenten 20 auf, die mit den Ankerwicklungen 20 verbunden sind. Ein Paar Bürsten 22 dienen der Zuführung des Stroms zu den Ankerwicklungen über die Kommutatoren bei einer Betriebsweise als Motor und der Abnahme des Stroms bei einer Betriebsweise als Generator. Zur Vereinfachung wird hier nur der Motorbetrieb besprochen. Die Bürsten 22 sind an eine geeignete Energiequelle 25 für Wechselstrom angeschlossen, wenn die Maschine im Weohselstrombetrieb arbeiten soll.

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Da ein Gleichstrombetrieb im allgemeinen bei höheren Geschwindigkeiten, bei denen Vorrichtungen wie ein elektrischer Küchenmixer gewöhnlich arbeiten, zur Drehzahlregelung und aus Drehmomentüberlegungen erwünscht ist, ist es üblich, zum Gleichstrombetrieb überzugehen durch Zusatz einer geeigneten Diodenbrückenschaltung 24 zwischen der Wechselstromquelle 23 und den Bürsten 22, wie in Pig. 7 dargestellt. Zur Dreh- · zahlregelung für den Motor des Mischergeräts ist gewöhnlich ein üblicher Zentrifugalschalter vorgesehen, der zwischen die Diodenbrückenschaltung 24 und eine der Maschinenbürsten 22 eingefügt ist. Das Problem, das das Arbeiten des Motors in Pig. 7 bei Drehzahländerungen aufwirft, ist das Auftreten von Funken- und Bögen zwischen den Kontakten des Schalters 25. Diese Funken- und Bogenbildung erfolgt sogar beim Wechselstrombetrieb des Motors mit dem Ergebnis einer kurzen Lebensdauer der Kontakte und des Auftretens von Radiofrequenzstörungen, und gewöhnlich werden Kondensator-Widerstands-Netzwerke herangezogen, um dieses Problem zu bekämpfen.

Pig. 8 veranschaulicht eine Anordnung nach der Erfindung, mit der die Funken- und Bogenbildung an den Kontakten des Schalters 25 wesentlich herabgesetzt, wenn nicht ganz unterbunden werden kann. Dazu ist vor allem eine besondere Metalloxidvaristor- Vorrichtung 26 mit den Kontakten des Schalter 25, diese überbrückend,verbunden. Die besondere MOV-Vorrichtung 26 ist ein Körper aus dem oben beschriebenen MOV-Material, das so geformt ist, daß eine erste Hauptfläche und eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche gebildet werden und die Hauptflächen durch eine Materialdicke getrennt sind, die das Spannungsmaß der MOV-Vorrichtung bestimmt, das heißt die Durchbruohspannung, die zwischen Elektroden auftritt, die an den gegenüberliegenden Hauptflächen mit ohm'scher (unter Umständen Jedoch nichtohm¹scher) Berührung angreifen, wie es der besondere Anwendungsfall verlangt. Die Anbringung von Elektroden an gegenüberliegenden Flächen der MOV-Vorrichtung ruft Stromleitung durch die Masse des

Metalloxidvaristor-Materials hervor, worin die erwünschte

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Arbeitsweise für Anwendungen bei höherer Leistung besteht, wie bereits erläutert wurde. Die Wirkung der MOV-Vorrichtung 26 ist die gleiche, wie sie bezüglich der Arbeitsweise des Körpers aus MOV-Material bei den Ausführungsformen der Fig·2 bis 5 beschrieben wurde, indem die Vorrichtung 26 den Spannungsabfall am Schalter 25 begrenzt und einen niedrigen Widerstand bietet, wenn die Kontakte des Schalters 25 sich gerade trennen, so daß der verhältnismäßig hohe Strom durch Vorrichtung 26 umgeleitet wird, dagegen einen höheren Widerstand bietet, wenn die Kontakte sich weiter entfernen, wodurch ein im wesentlichen offener Kreis' parallel zu den offenen Kontakten des Schalters entsteht.

Das MOV-Material führt ausserdem eine neue Freizügigkeit in die Konstruktion von rotierenden elektrischen Maschinen der Bürstenbauart ein. Gebräuchliche Maschinen sind im allge-.. meinen mit einer großen Anzahl von Kummutatorsegmenten oder -stäben ausgeführt, um den Voltanteil je Stab so niedrig wie möglich zu halten aus Gründen der Isolierung, die das Problem des Zusammenbaus des Kommutators zu einem kleinen konzentrischen Rotationskörper erschwert. Die Verwendung, des Körpers aus MOV-Material bei den Ausführungsformen · der Fig. 2 bis 0 ist ein Mittel, um einen Kommutator mit ' wenigen Kommutatorstäben bauen zu können. Ein anderes Mittel, .um dieses angestrebte Ergebnis zu erzielen, ist die Verwendung von besonderen MOV-Vorrichtungen 27 zur Verbindung benachbarter Kommutatorstäbe, wie in Fig. 8 veranschaulicht. Die Varistor-Vorrichtungen 27 sind von der Art, wie sie mit Bezug auf Vorrichtung 26 beschrieben wurde, und eine Mehrzahl dieser Varistor-Vorrichtungen gleich der Anzahl der vorhandenen Kommutatorstäbe wird in jeder Maschine verwendet. Der Kommutator kann in diesem Fall nach Art der gebräuchlichen Kommutatoren, aber mit weit weniger Kommutatorstäben ausgeführt sein, und die gesonderten MOV-Vorrichtungen sind vorzugsweise im Nebenschluß zu den Ankerwicklungen, die an den Kummutatorstäben liegen, angeschlossen. Ein Arbeiten

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der Maschine mit höherer Drehzahl ist mit dem festeren und gleichmäßigeren Kommutator infolge seiner geringeren Anzahl Ton Kommutatorstäben möglich. Ein weiterer Vorteil dieser Kommutatorbauweise sind eine längere Lebensdauer und geringere Rundfunkstörungen durch Nebengeräusche. Selbstverständlich können die Metalloxidvarietoren auf jede andere Weise, aus einer Anzahl von Möglichkeiten, in den Kommutator einbezogen werden.

Die in Fig. 8 dargestellte Universalmaschine kann als Reihen-Hebenschluß- oder Kompoundmaschine betrieben werden, was durch den Anschluß der Feldwicklung festgelegt ist. Eine in Reihe geschaltete Feldwicklung 28 braucht eine kleinere Anzahl von Windungen und eine entsprechend kleine Induktivität, weil der gesamte Ankerstrom hindurchfliesst* Ein im Nebenschluß liegende Feldwicklung 29t die vorzugsweise unmittelbar an die Schleifbürsten angeschlossen ist, braucht eine größere Anzahl von Windungen und eine entsprechend größere Induktivität, die damit eine viel bessere Filterwirkung für den pulsierenden Wellenstrom gewährleistet, der am Ausgang des Diodenbrückenkreises 24 erzeugt wird. Bei allen obigen Anwendungen wir der MOV Körper für eine normale Betriebsspannung gewählt, die gerade etwas über dem erwarteten Spannungsabfall von Segment zu Segment (oder Bürste) des Kommutators liegt.

Obwohl verschiedenen AusfUhrungsformen des Kommutators der Erfindung beschrieben wurden, bei denen Metalloxidvaristor-Material dazu verwendet wird, die elektrisch leitenden Segmente des Kommutators verneinender zu isolieren, liegt es im Rahmen der Erfindung, dieses MOV-Material bei Spezialausführungen von Kommutatoren, wie sie in besonderen Anwendungsfällen erforderlich werden, zu verwenden. Auoh können die elektrisch leitenden Segmente andere Formen erhalten als die dargestellten dicken Foliestreifen oder keilförmigen Stäbe. Überhaupt kann der Faohmann alle ihm zugäng-

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lichen Änderungen und Abwandlungen vornehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die Patentansprüche festgelegt ist.

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Claims (10)

2242529 Patentansprüche, 7182

1. ^Commutator für mit Schleifbursten versehene rotierende, Neitiktrische Maschinen, mit in gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Segmenten, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten leitenden Segmente durch einen Körper aus Metalloxidvaristor-Material mit nichtlinearer Widerstandscharakteristik zur Begrenzung der zwischen den leitenden Segmenten und den Bürsten während der Kommutierung auftretenden Spannung verbunden sind.

2.) Kommutator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Körper aus Metalloxidvaristor-Material zwischen den in gegenseitigem Abstand angeordneten leitenden Segmenten eingesetzt sind, derart daß sie gemeinsam mit den leitenden Segmenten eine Umfangsfläche für die Bürsten bilden.

3.) Kommutator nach Anspruch T,

dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxidvaristor-Material eine allgemein zylindrische Form hat und die leitenden Segmente in gegenseitigem Abstand auf dem Umfang des Körpers aus Metalloxidvaristor-Material angeordnet sind.

4.) Kommutator nach Anspruch 3_t

dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Metalloxidvaristor-Material ein massiver, allgemain zylindrischer Körper ist.

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5.) Kommutator nach. Anspruch 3,

dadurch-gekennzeichnet, daß der Körper aus Metalloxidvaristor-Material ein hohler, allgemein zylindrischer Körper ist.

6_O) Kommutator nach Anspruch 5, " '

dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Metalloxidvaristor-Material eine Mehrzahl von Stäben dieses Materials in gegenseitigem Abstand aufweist und die elektrisch leitenden Segmente in einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Stäben bestehen, die in abwechselnder Folge mit den Stäben aus Metalloxidvaristor-Material angeordnet sind, wobei benachbarte Stäbe aus Metalloxidvaristor-Material und Stäbe aus leitendem Material miteinander zu einem hohlen, allgemein zylindrischen Körper verbunden sind, und daß Mittel zur Unterstützung des von den abwechselnd aufeinander folgenden Stäben aus Metalloxidvaristor-Material und aus leitendem Material gebildeten hohlen zylindrischen Körpers und zur starren Verbindung desselben mit einer Ankerwelle vorgesehen sind.

7·) Kommutator nach Anspruch 3»
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Metalloxidvaristor-Material mit in gegenseitigem Abstand parallel zur Längsachse des Körpers verlaufenden Nuten versehen ist und die Mehrzehl der Segmente in einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Stäben besteht, die in die Nuten fest eingesetzt sind.

8.) Kommutator nach Anspruch 7»

dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Mehrzahl elektrisch leitender Stäbe gegenüber den angrenzenden nicht genuteten Oberflächen des Körpers aus Metalloxidvaristor-Material etwas herausragen derart, daß eine rückspringende Kommutatorfläche gebildet wird.

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9.) Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet! daß

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das Metalloxidvaristor-Material einen Exponenten Alpha über 10 besitzt.

10.) Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, für elektrische Maschinen der Bürstenbauart mit einem Zentrifugalschalter, der zwischen einer Bürste der rotierenden Maschine und einem Speisespannungsanschluß eingeschaltet ist, um eine Drehzahlregelung der rotierenden Masohine zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Körper aus Metalloxidvaristor-Material parallel zu dem Zentrifugalschalter angeschlossen ist, um die Bogenbildung zwischen den Kontakten des Zentrifugaleehalters beim Arbeiten desselben herabzumindern bzw· zu unterdrücken.

RENEU/Kö.

309810/0815

L e e r s e i t e