DE2357127C3

DE2357127C3 - Anordnung zur Funkenunterdrückung für einen Gleichstrommotor geringer Größe

Info

Publication number: DE2357127C3
Application number: DE2357127A
Authority: DE
Inventors: Michihiro Nishioka; Mikiya Ono; Kanichi Tachibana
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1972-11-15
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1980-06-12
Also published as: DE2357127A1; FR2206616A1; US3924148A; JPS4971402A; DE2357127B2; FR2206616B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Funkenunterdrückung für einen Gleichstrommotor geringer Größe mit einem Kommutator, welche Varistorclemente enthält.

Durch die US-PS 34 88 538 ist eine Anordnung zur Funkenunterdrückung an Kommutatoren bekanntgeworden, bei welcher SiC-Varistoren verwendet wurden und die Funkcnunlerdrückung auf der Ausnutzung der nichllinearcn Widcrslandscharakteristik des Varistors selbst beruht.

Weiter ist durch die US-PS 36 93 053 eine Mehrphascnvorrichlung zur Unterdrückung von Übergangsspannungen mit einem Variitorkörper uus ZnO als Hauptkomponente bekanntgeworden. Auch hier wird der Sinterkörper selbst zum Unterdrücken der Übergangsspannung verwendet.

Gleichstrommotoren geringer Größe unter Verwendung üblicher Kommutaloren haben einen schwachen Punkt darin, daß der Kommutator und dessen Bürste sich abnützen. Bei solchen Motoren bewirkt die Drehung des Läufers, daß der Kommutator und die Bürste bei jeder Umdrehung ein elektrisches Schließen und Öffnen bewirken, was zu einer Abgabe der in den Wicklungen des Läufers angesammelten induzierten Energie und zur gleichen Zeit zur Erzeugung von Funken zwischen dem Kommutator und der Bürste führt. Diese Erzeugung von Funken fördert die Abnutzung des Kommutators und der Bürste. Weiter ergibt sich infolge der Funken eine Erzeugung von elektrischen Geräuschen. Als Gegenmaßnahme gegen derartige Funkenbildungen wurden, wie in den F i g. I bis 3 gezeigt, Verfahren >.um Verringern des zwischen dem Kommutator und der Bürste fließenden Fimkenstromes verwendet, bei welchen zwei Kommutalorscgmente 1, 2 durch ein Element wie einen Widersland 3, einen Kondensator 4 oder einen SiC-Varistor 5 verbunden wurden. Bei diesen üblichen Verfahren vergrößert sich jedoch, wenn der Widerstand 3 oder der Kondensator 4, wie in den F i g. I oder 2 gezeigt, verwendet werden, der Stromverbrauch infolge der Parallelanordnung des Widerstandes 3 oder des Kondensators 4 zu der Wicklung 2. Wenn ein SiC-Varistor 5, wie in F i g. 3 dargestellt, verwendet wird, kann die Erzeugung von Funken fast ohne Vergrößerung des Stromverbrauchs infolge der Eigenschuften des Varistors unterdrückt werden, dessen Widerstand bei niedrigen Spannungen hoch ist und bei zunehmender Spannung schnell abnimmt. Jedoch sind z. B. für den in F i g. 3 gezeigten Fall, daß drei Elemente mit den entsprechenden Kommutatorsegmenten verbunden sind, Vorgänge wie Löten, Kleben und dergleichen erforderlich, um diese Elemente getrennt mit dem Wicklungsteil zu verbinden. Weiter muß ein Gewichtsausgleich zwischen diesen drei Elementen in Betracht gezogen werden.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Funkenunterdrückung für einen Gleichstrommotor geringer Größe zu schaffen, welche die Erzeugung von Funken zwischen dem Kommutator und der Bürste vollständig unterdrückt. Dabei soll der Gleichstrommotor kein Geräusch erzeugen, eine lange Lebensdauer aufweisen und billig in der Herstellung sein.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kommutator aus einem zylinderförmigen, gesinterten Oxydkörper, bestehend aus einer Mischung aus Eisenoxyd und Kupferoxyd in einem Mischungsverhältnis im Bereich von 2 : 1 bis 1 :2 mit einem negativen Widerstand, einem spezifischen Widcrstand R₁₁ in V.CI cm bei 273" K und einer Thermistorkonslante B in °K, welche die Beziehung Ri,x B S 1050 kn cm" K erfüllen, und aus an mehreren Punkte der Oberfläche des zylinderförmigen, gesinterten Oxydkörpers angebrachten Kupferstücken mit einem Grenzschichtwiderstand an der Oberfläche des gesinterten Oxydkörpers /wischen diesem und den Kupferslücken besteht.

Vorteile der Anordnung zur Funkcnunlerdrückung für einen Gleichstrommotor geringer Größe gemäß der Erfindung sind:

(1) Der funkeiuinterdrückende Mechanismus basiert auf der Ausnutzung einer elektrischen Grenzschicht, welche an der Oberfläche des als Grundkörper des Kommutators verwendeten gcsintertcn Oxydkörpers auftritt, wobei die elektrische Grenzschicht eine bemerkenswert stabile Stromspannungskcnnlinie hat, welche den Funkenunlcrdrückungscffckl vollständig macht.

(2) das funkciuintcrdrückendc Element ist leicht anzubringen und erfordert keinen übermäßigen Platzbcdarf,

(3) die Herstellungskosten sind sehr gering.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im der Zeichnung dargestellt und im folgenden zur näheren Erläuterung der Merkmale der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

(■'ig. I bis 3 Ersatzschallbilder für den Anschluß von Widerständen, Kondensatoren oder Varistoren,

F i g. 4 eine für einen Varistor geeignete Stromspannungskcnnlinie,

I·'i g. 5 ein durch Überlagerung zweier gesinterter Oxydkörper hergestelltes Element.

I" i g. 6 eine für einen Vaiisior ungeeignete Strompannungskennlinie.

Fig. 7(a) eine Seitenansicht eines Kommutators, welcher aus einem zylinderförmigen, gcsinterien Oxyd-

körper. Metall- oder Legierungsstücken und einem Ring aus Kunststoff besteht und an einer sich drehenden Welle befestigt ist,

F i g. 7(b) eine Vorderansicht des Kommutators nach Fig.7(a),

Fig.8 einen unter Verwendung des Kommutators nach F i g. 7 aufgebauten Läufer, und

Fig.9 Oszillogramme der Wellenformen des Stromes eines Motors, wobei der Motor bei (a) lcein funkenunterdrückendes Element aufweist, und bei (b) ein Motor mit einem Kommutator gemäß der Erfindung vorgesehen ist.

In den Fig.4 und 5 ist als Abszisse die Spannung E und als Ordinate der Strom /aufgetragen.

Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Gleichstrommotors geringer Größe, bei welchem ein zylilnderförmiger, gesinterter Oxydkörper als Grundkorper des Kommutators und Metall- oder Legierungsstücke als Kommutatorsegmente verwendet werden, der zylinderförmige, gesinterte Körper in Kontakt mit den Metall- oder Legierungsstücken gebracht wird, um zwischen beiden eine Kontaktfläche auszubilden, und die Stromspannungskennlinie der Kontaktfläche zum Unterdrücken der Erzeugung von Funken zwischen dem Kommutator und der Bürste Verwendung findet. Allgemein wird an der Oberfläche eines gesinterten Oxydkörpers eine elektrische Grenzschicht, d. h. ein Grenzschichtwiderstand ausgebildet, so daß sich die Eigenschaften eines Halbleiters ergeben. Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß für den Fall, daß ein solcher gesinterter Oxydkörper in Kontakt mit Metalloder Legierungsstücken gebracht wird, und an die Metall- oder Legierungsstücke als Elektroden eine Spannung angelegt wird, der Grcnzschichtwiderstancl merklich abnimmt, und sich eine Stromspannungskennlinie wie in Fig.4 gerzeigt ergibt, wenn die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Ziel der Erfindung ist es, die Erzeugung von Funken eines Gleichstrommotors geringer Größe durch Ausnutzung dieser Eigenschaften zu unterdrücken. Die Stromspan· nungskennlinie des Elements ist, wie u,- Fig. 4 gezeigt, ähnlich der eines Varistors.

Die gesinterten Oxydkörper als Grundkörper des Kommutators, wie sie gemäß der Erfindung wie oben beschrieben verwendet werden, haben einen negativen Widerstand und weisen eine Thennistorkonsiante ß[ K] und einen spezifischen Widerstand R» [küem] bei 273" K auf. welche die Beziehung /?„x B--= 10 000 k£l cm K erfüllen, und sind vorzugsweise gesinterte Körper von Mischungen aus Eisenoxyd und Kupferoxyd, Kobaltoxyd und Nickeloxyd, Eisenoxyd und Tilanoxyd usw. Auf tier anderen Seite sind die Metall- oder l.egierungssegmentc, welche st;;rk korrosionshindcrnd sind und eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, vorzugsweise Metalle wie Kupier, Zink, Nickel usw. oder Legierungen wie Messing, Phosphorbronze. Neusilber usw. Daher sind die Einzelteile des Kommutators nach der Erfindung beide gering in den Kosten.

Da das Element der Erfindung eine elektrische Grenzschicht ausnutzt, wie ■'■. .. ■■' der Oberfläche des gesinterten Körpers auftritt, d.h. einen Gren/schichtwidersiand, wirl seine Schwellwertspannung stabilisiert und zeigt fast kvine Streuung, verglichen mit derjenigen von SiC- Varistoren und anderen Varistoren, bei welchen ein Kontaktwidcrsiiind /wischen festen Teilchen verwendet wird. Die (Qualität des Elements ist daher auch sehr stabil.

Sund Ro, wie sie oben beschrieben sind, sind durch die folgende Gleichung gegeben:

Hierbei ist ßdie Thermistorkonstante [⁰K], und R ist der spezifische Widerstand [kn cm] bei T= 273° K.

Die Stromspannungskennlinie eines solchen Varistors, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist, kann durch folgende Gleichung angenähert werden:

Dabei ist /der durch den Varistor fließende Strom, I' die Spannung über dem Varistor, V₀ die an entgegengesetzten Oberflächen des Varistors bei / = /J[mA] angelegte Spannung, d. h. eine Schwellwertspannung, und λ ein Index, welcher die Nichtlinearität darstellt und gewöhnlich den Wert 3 bis 5 hat.

Es ist eine notwendige Bedingung zum Erzielen eines ausgezeichneten nichtlinearen Widerstandes, daß /?u χ B eines gesinterten Oxydkörpers kleiner als 10 000 kQcm'K ist, wie es in dem unten erwähnten Beispiel gezeigt ist. Ein solcher an der Kontaktfläche zwischen dem gesinterten Oxydkörper und dem Metalloder Legierungsstück erzeugter nichtlinearcr Widerstand basiert, wie oben beschrieben, auf dem Grenzschichtwidersti'.nd, welcher an der Oberfläche des gesinterten Oxydkörpers gebildet wird. Im einzelnen zeigt die Slromspannungskennlinie des Kontaktwidcrstandelements, welches durch Überlagern zweier solcher gesinterter Körper und Aufsintern von Silberelektroden auf beiden Seiten des Elements hergestellt ist, wie in I- i g. 5 dargestellt, die gleiche Änderung wie das Element nach Fig. 4, wobei der Wert λ der Gleichung(2) stabil bei etwa 5 liegt.

Dieser gesinterte Körper ist der gleiche wie bei dem im folgenden beschriebenen Beispiel verwendet. Wenn eine Elektrode lediglich in Ohm'schen Kontakt mit einem solchen gesinterten Körper gebracht wird, um R_n zu messen, gehorcht R_u dem Ohm'schen Gesetz und zeigt den Wert von 0,01 bis 0,5 kn cm entsprechend der Zusammensetzung des gesinterten Körpers. Aus diesen Tatsachen wurde nach der Erfindung erkannt, daß eine elektrische Grenzschicht an der Oberfläche eines solchen gesinterten Oxydkörpers wie oben beschrieben besteht und eine nichtlineare Widcrstandskennlinie erzeugt. Auf der anderen Seite wird die Stromspannungskennlinie, wie in F i g. 6 gezeigt, instabil, wenn /V¹HxB=IOOOOkQCm¹K ist. Dies ist zurückzuführen auf die Tatsache, daß, wenn der Strom ansteigt, der kalorische Wert des gesinterten Körpers proportional RP zunimmt, und wenn B ansteigt, die Abnahme des Widerstands infolge des Anstiegs der Temperatur scharf wird. Insbesondere hat es sich gezeigt, daß die Slromspannungskennlinie um so schlechter wird, je größer R₁, χ B ist. Weiter ist der Gleichstrommotor geringer Größe gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß weder ein Sintern von Elektroden noch ein l.öteii von Dnihtleiiungen zum Anbringen dieses Elementes notwendig ist, und daß auch keine zusätzlichen Teile erforderlich sind, da der Motor auf solche Weise aufgehaiit ist, daß der isolierende Teil des Ilauntkörners eines üblichen Kommutators oinfarh

durch dieses Element ersetzt ist. Daher macht es der Gleichstrommotor geringer Größe gemäß der Erfindung nicht erforderlich, einen besonderen Gewichtsausgleich zwischen diesen Elementen vorzusehen, wie es beim Anbringen von üblichen funkenunterdrückenden Elementen erforderlich ist. Als Folge dieser Vorteile werden, verbunden mit niedrigen Materialkosten, die Herstellungskosten erheblich verringert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Zusammenhang mit den Fig. 7 und 8 näher erläutert. Ein zylinderfönniger, gesinterter Körper 6b, wie in F i g. 7 dargestellt, wird auf übliche Weise vorbereitet. Dann wird ein Läufer dadurch zusammengestellt, daß ein Kommutatorsegment 11 aus Kupfer usw. an dem gesinterten Körper 6b unter Verwendung eines Ringes 16 aus Kunststoff befestigt und der gesinterte Körper 6b an der sich drehenden Welle 12 des Motors mit einem isolierenden Klebemittel 17 angebracht wird. In diesem Falle wird es erforderlich, einen gesinterten Körper zu verwenden, der eine Stromspannungskennlinie, wie in Fig.4 dargestellt, zeigt. Entsprechend einem Oszillogramm ist in Fig.9 (a) die Wellenform des Stromes eines üblichen Gleichstrommotors geringer Größe gezeigt, welcher die Erzeugung von Funken nicht unterdrücken kann. Der Strom eines Gleichstrommotors geringer Größe gemäß der Erfindung, bei welchem ein Läufer, wie in F i g. 8 gezeigt, verwendet wird, nimmt eine Form, wie in F i g. 9 (b) dargestellt, an, was zeigt, daß die Erzeugung von Funken vollständig unterdrückt ist. In F i g. 8 ist weiter eine Bürste 13 gezeigt.

Die oben beschriebene Erfindung führt zu einem Gleichstrommotor geringer Größe, welcher billig herzustellen ist und ein funkenunterdrückendes Element enthält, das den Motor langlebig und geräuschlos zu machen vermag. Die Erfindung hat daher einen großen industriellen Wert.

Ein noch besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich in Zusammenhang mit dem folgenden Beispiel, welches lediglich zur näheren Erläuterung der Erfin dung und nicht zu deren Einschränkung vorgesehen ist.

Beispiel

Jedes der Ausgangsmaterialien der in Tabelle 1 definierten Mischung wird in einer Topfmühle gemischt um eine homogene Mischung zu erzeugen. Dk Mischung wird in einem Trockner getrocknet, in einei

in Form bei einem Druck von 1000 kg/cm² gepreßt, und ir Luft bei einer Temperatur größer als 1000⁰C gesintert so daß man die gesinterten Körper 6a oder 6b wie in der F i g. 5 oder 7 dargestellt erhält. Wie F i g. 5 zeigt, ist eine Silberelektrode 7 auf eine Seite des scheibenartiger gesinterten Körpers 6a aufgesintert, und ein Leitungs draht 9 ist mit Lot 8 an der Silberelektrode 7 befestigt während das ganze Element mit Epoxyharz IC überzogen ist. Weiter sind, wie die Fig. 7(a) und (fr zeigen, Kupferstücke 11 als Kommutatorsegmente ar dem zylinderförmigen, gesinterten Körper 6b unter Verwendung eines Ringes 16 aus Kunststoff befestigt und ein Klebemittel 17 aus Venylacetat als isolierendes Klebemittel ist in einen Spalt zwischen dem gesinterten Körper 66 und der Welle 12 eingebracht. In diesen Fällen existiert eine Oberflächengrenzschicht an der Kontaktfläche zwischen den zwei gesinterten Körpern 6a. 66, welche wie in F i g. 5 gezeigt überlagert sind, oder an der Kontaktfläche zwischen dem gesinterten Körper 6b und den Kupferstücken 11, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Folglich erhält man einen hohen Widerstand /?i[kn] bei niedrigen Spannungen und Stromänderungen bei Vergrößerung der Spannung, wie in F i g. 4 gezeigt. Das Kontaktwiderstandelement ist, wie in Fig. 5 gezeigt, aufgebaut, und seine gemessenen Werte von Ru Vo und

y, χ sind in Tabelle 1 gezeigt. Weiter sind in Tabelle 1 auch der auf übliche Weise gemessene spezifische Widerstand /?o[kQ] des gesinterten Körpers 6a zusammen mit dessen Thermistorkonstante S[⁰K] und Ra x ßdargestellt.

Tabelle 1	Beispiel Nr.	66	II	50	III	40	IV	34
	I	34	50	60	66
	0,5	0,1	0,04	0,01
Fe₂O., (Mol-%)	2100	1900	1100	1500
CuO (Mol-%)	20	19	17	16
R_u (kt> cm)	19	18	16	15
ß(°K)	5	5	4	4
R₁ (k<>)	1050	190	44	15

a(-)
R₀ X B (ki> cm°K)

Wie Tabelle 1 zeigt sind die Werte von R₀ x B der Beispiele I bis IV alle nicht größer als 10 000 k Ω cm°K. jedes der Kontaktwiderstandselemente, welche durch bo Oberlagern zweier scheibenartiger gesinterter Körper 6a, 6a wie in F i g. 5 gezeigt oder durch Inkontaktbringen der Metall- oder Legierungsstücke bzw. Kupferstücke 11 mit dem zylinderförmigen, gesinterten Körper 66 wie in Fig.7 gezeigt hergestellt sind, zeigt eine bemerkenswert stabile Stromsp*annungskennlinie und ist für einen Varistor geeignet Wie Fi g. 7 zeigt ist der Kommutator, bestehend aus dem zylinderförmigen.

gesinterten Körper 6a als Hauptkörper des Kommutators, den Kupferstücken 11 als Kommutatorsegmenten und dem Ring 16 aus Kunststoff an der Welle 12 mit Hilfe des Klebemittels 17 aus Vinylacetat als isolierendem Klebemittel befestigt Dann wird, wie in F i g. 8 gezeigt ein Läufer dadurch hergestellt daß dieser Kommutator, eine Wicklung 14 und ein Eisenkern 15 zusammengefügt werden. In diesem Falle sind die Kommutatorsegmente in Form von Kupferstücken 11 und die Wicklung 14 elektrisch in einer Schaltung, wie in F i g. 3 gezeigt verbunden.

Zum Vergleich mit dem obenerwähnten Beispiel wurden Beispiele V bis VIII durch Verwendung von Ausgangsmaterialien in der Mischung, wie in Tabelle 2 definiert, vorbereitet. Die auf gleiche Weise wie in dem obenerwähnten Beispiel gemessenen Werte von R₀, B und'λ dieser Beispiele V bis VIII sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2	Beispiel Nr.	80	VI	O	VII	O	—	VIII	—
	V	0	80	66	6X10"	50	2,1 X 10"
	20	20	34		O
Fe₂O₃ (Mol-%)	1000	1000	10		50
MnO₂ (Mol-%)	4500	4500	6000	6
CoO (Mol-%)	2100	2000	30	3500
R₀ (ki> cm)	_	—	25
B(⁰K)	4,5 X ΙΟ⁶	4,5 x ΙΟ⁶
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/t,Xß(kl2 cm⁰K)

Wie Tabelle 2 zeigt, sind die Werte von Ro x B der Beispiele V bis VIII alle größer als IOOOOkncm" K. Insbesondere können die Beispiele V und VI, deren Widerstände hoch sind, die Erzeugung von Funken nicht unterdrücken, wenn sie an dem Motor angebracht werden. Die Beispiele VII und VIII, deren Widerstände infolge der in F i g. 6 gezeigten Selbsterwärmung gering sind, können zwar die Erzeugung von Funken unterdrücken, vergrößern jedoch den Strom, wenn sie an dem Motor angebracht werden.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung einen Gleichstrommotor geringer Größe, welcher als funkenunterdrückendes Element einen Kommutator, zusammengesetzt aus einem zylinderförmigen, gesinterten Oxydkör-

■ per mit bemerkenswert stabiler Stromspannungskennlinie als Grundkörper des Kommutators und einer Vielzahl von Metall- oder Legierungsstücken als Kommutatorsegmenten umfaßt. Das funkenunterdrük-

jo kende Element benutzt eine elektrische Grenzschicht, welche an der Kontaktfläche zwischen dem gesinterten Oxydkörper und den Metall- oder Legierungsstücken auftritt, und vermag die Erzeugung von Funken zwischen dem Kommutator und der Bürste vollständig

si zu unterdrücken, wodurch der Motor langlebig und geräuschlos wird. Weiter ist dieses Element leicht anzubringen und billig in den Herstellungskosten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Funkenunterdrückung für einen Gleichstrommotor geringer Größe mit einem Kommutator, welche Varistorelemente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutator aus einem zylinderförmigen, gesinterten Oxydkörper (6b), bestehend aus einer Mischung aus Eisenoxyd (Fe2C>3) und Kupferoxyd (CuO) in einem Mischungsverhältnis im Bereich von 2 : 1 bis I : 2 mit einem negativen Widerstand, einem soezifischen Widerstand R₀ in kiicm bei 273° K und einer Thermictorkonstante B in ° K, welche die Beziehung R₀ χ B < 1050 kn cm⁰ K erfüllen, und aus an mehreren Punkten der Oberfläche des zylinderförmigen, gesinterten Oxydkörpers (6b)angebrachten Kupferstücken (U) mit einem Grenzschichtwiderstand an der Oberfläche des gesinterten Oxydkörpers (6b) zwischen diesem und den Kupferstücken (11) besteht.