DE2423162C2 - Kommutierungsvorrichtung an einer Gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Übertragung des elektrischen Stromes von dem einen auf ein anderes hierzu relativ bewegtes Teil verzichtet werden, obwohl hier bereits Rollkontakte zur Anwendung gelangen, die- in Eingriff mit einem Teil einer leitenden Oberfläche stehen, die sich zusammen mit dem Rollkontakt dreht, während die zweite leitende Oberfläche, die am zweiten Teil festsitzt, in galvanischer Verbindung nur über das Quersilber oder eine andere leitende Flüssigkeit steht Auch diese bekannte Kommutierungsvorrichtung läßt sich nicht sinnvoll auf in Uer Massenfertigung hergestellte Gleichstrommaschinen mit den modernen Anforderungen bezüglich der Störunanfälligkeit und der Servicefreundlichkeit übertragen.

Eine noch weitere bekannte Kommutierungseinrichtung für rotierende elektrische Maschinen (DE-OS 16 38 243) besteht aus einem aus Leitersegmenten und diese voneinander trennenden Isolationssegmenten aufgebauten Kommutator, auf welchem Kontaktstücke aufliegen, und geeigneten Schaltmitteln zuj Unterbrechung der Stromzufuhr zu den Kontaktstücken, jeweils dann, wenn diese ein Leitersegment verlassen, wobei die Kontaktstücke in Form frei umlaufender Rollen oder Räder vorliegen, welche mit dem Kommutator in rollender Berührung stehen. An der Läuferwelle der Vorrichtung ist ein Querstück befestigt, welches mit dieser umlaufend an seinen beiden entgegengesetzten freien Enden über Achsen die genannten sich frei drehenden Rollen oder Rädchen hält, welche einen Kontakt mit der Innenfläche eines feststehenden Schleifringes herstellen und somit unter Einbeziehung der auftretenden Fliehkräfte die erforderliche galvanische Verbindung sicherstellen sollen. Die Vielzahl der alternierend mit leitenden und isolierenden Segmenten des Kommutators in Eingriff tretenden umlaufenden Rädchen führt zu einer störanfälligen Betriebsweise, wobei eine solche Anordnung zur Dauerkontaktierung im Sinne eines Kommutators für die hier interessierenden Gleichstrommaschinen insbesondere dann, wenn es gilt auch höhere Stromleistungen zu übertragen, nicht verwendbar ist. Auch ist darauf hinzuweisen, daß die frei umlaufenden Rollenpaare bei der bekannten Vorrichtung nur als Zwischenübertragungselemente für die Stromführung dienen, die einer leichten Abnutzung auch durch Funkenbildung und der damit bedingten häufigen Wartung unterliegen.

Schließlich soll noch auf einen Stromaufnehmer für elektrische Maschinen (DE-PS 1 22 795) verwiesen werden, dessen iContaktstücke derart konzentrisch um die Maschinenachse angeordnet sind, daß sie einen Hohlraum mit glatter Wandung bilden, welcher zur Aufnahme eines oder mehrerer Stromschlußstücke dienen kann, wobei die Stromschlußstücke in dem genannten Hohlraum frei rotierende Körper oind, deren Lagerung durch die Schwerkraft bedingt wird, so daß sie bei Drehung unter deren Einwirkung um sich selbst rotieren, wobei Reibungswiderstände weitgehend vermieden werden. Auch eine solche Stromübertragung läßt sich jedoch für Gleichstrommaschinen der eingangs genannten Art nicht anwenden, zumal auch diese mit to Stromübertragern, die mit Quecksilber oder anderen leitenden Übertragungsflüssigkeiten arbeiten, zusammenwirken und sich beispielsweise hierdurch als zwingende Voraussetzung die stets waagerechte Montage des Gleichstrommotors ergibt, was wiederum zu einem sehr eingeschränkten Anwendungsbereich für solche Motoren führen würde.

Ausgehend von der Problematik, die sich für eine Gleichstrommaschine ergibi, bei der der Rotor mit Permanentmagneten versehen ist, während der Stator die laminierten Kerne mit Wicklungsspulen trägt, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kommutierungsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß im Sinne moderner industrieller Fertigung sich bei einem möglichst einfachen störungsanfälligen Aufbau geringstmögliche Reibungsverluste oder andere Abnutzungserscheinungen ergeben und sich dennoch problemfrei auch hohe Stromwerte übertragen lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verwendung von Kontaktrollenkörpern, die wechselseitig mit Schleifringen, die am feststehenden Kommutator angeordnet sind, in Eingriff stehen, führt nicht nur zu einem außerordentlich harmonisierten Gleichlauf der Gleichstrommaschine und zu praktisch vernachlässigbar geringen Abnutzungserscheinungen, sondern auch zu einem kompakten raumsparenden und störunanfälligen Gesamtaufbau der Kommutatorvorrichtung.

Anhand der Zeichnungen soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, wobei es sich hier um nur beispielsweise Ausgestaltungen handelt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Gleichstrommaschine mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Kommutierungsvorrichtung ;

F i g. 2 eine schematisierte Draufsicht auf einen Teil des Kommutators mit in diesen eingebrachten Kommutatorlamellen;

F i g. 3 eine Teilwiedergabe des Umfangs der Lauffläche des Kommutators;

F i g. 4 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung der Kontaktrollenvorrichtung der Kommutierungsvorrichtung; und

F i g. 5 einen Längsschnitt durch einen Kontaktrollenkörper in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Entsprechend der Darstellung in F i g. 1 besteht die Gleichstrommaschine 10 mit der Kommutierungsvorrichtung 18 im wesentlichen aus dem stillstehenden Teil 16, das stirnseitig jeweils teilweise von den beiden Gehäuseteilen 11 und 12 übergriffen ist, und dem rotierenden Teil mit der Achse 15, dem Permanentmagneten 23 und der hiermit umlaufenden Kommutierungsvorrichtung 18. Die Achse 15 des Läufers ist in jedem der Gehäuseteile 11 und 12 jeweils in einem Lager 13 und 14 gelagert, deren zugehöriger Lagersitz Ha und 12a durch entsprechende flanschartige Ausnehmungen innerhalb der Gehäuseteile 11 und 12 definiert ist. Der Kern des stillstehenden Teils 16 setzt sich aus einer Vielzahl von Lamellen 16a zusammen, wobei die zugehörige Mehrzahl von Wicklungsspulen 17 des Stators hier zur besseren Übersichtlichkeit nur schematisiert wiedergegeben ist.

Das Gehäuseteil 12 umschließt die gesamte Kommutierungsvorrichtung 18 zusammen mit dem im Stator ortsfest angeordneten Kommutator 20, der vorteilhaft als Kunststoffkörper ausgebildet eine Vielzahl von Kommutatorlamellen 19 aufnimmt. Die einzelnen Kommutatorlamellen sind in üblicher Weise mit den Enden der Wicklungsspulen 17 galvanisch verbunden. Die zu der Kommutierungsvorrichtung gehörende, mit der Achse 15 und den Permanentmagneten 23 umlaufende Kontaktrollenvorrichtung wird in Verbin-

dung mit F i g. 2 später näher erläutert.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, sind die Kommutatorlamellen 19 unter einem Winkel zur Läuferachse in den Kunststoffkörper des Kommutators 20 eingelassen, so daß die parallel zur Läuferachse liegenden Kontaklrollenkörper 31 bei ihrer Rollbewegung entlang der inneren Umfangsfläche des Kommutators 20 stets vor Verlassen einer bestimmten Kommutatorlamelle mit der darauffolgenden Kommutatorlamelle in Kontakt treten. Zusätzlich wird durch diese Winkelstellung der stirnseitigen Flächen der Kommutatorlamellen 19 auch der Gleichlauf der Maschine verbessert und damit jegliches störendes Rattern vermieden.

Das permanentmagnetische Material des Permanentmagneten 23 auf der Achse 15 des Läufers besteht aus laminiertem Bisen und der Luftspalt C trennt die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten 23 von der inneren Umfangsfläche des laminierten Kerns 16.

Sich in Achsrichtung gegenüberliegend sind auf dem Kunststoffkörper des Kommutators 19 zwei Schleifringe 21 und 22 vorgesehen und in entsprechenden Ausnehmungen befestigt. Jeder der Schleifringe ist mit einem Pol der nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden. Anstelle der dargestellten Anordnung der beiden Schleifringe 21 und 22 auf den in axialer Richtung gesehen sich gegenüberliegenden Enden des Kunststoffkörpers des Kommutators 20 ist es auch möglich, diese im isolierenden Abstand zueinander auf ein und derselben Seite des Kommutators 20 anzuordnen.

Die Kontaktrollenvorrichtung 24 der Kommutierungsvorrichtung 18 ist in perspektivisch vereinfachter Darstellung näher aus Fig.4 zu ersehen. Danach besteht die Kontaktrollenvorrichtung 24 aus einer zylindrischen Trommel 25 mit einer mittleren zentralen Bohrung 24a, durch die die Achse 15 des rotierenden Teiles der Gleichstrommaschine 10 hindurchgeführt und befestigt ist. Durch zwei stirnseitig angeordnete, die zylindrische Trommel 25 radial erweiternde Ringflansche 26 und 27 sind fluchtend zueinander und im Abstand eine Mehrzahl von Achsbohrungen 28 und 29 vorgesehen, wobei durch jeweils zwei einander zugeordnete fluchtende Achsbohrungen 28 und 29 ein Schaft 30 bzw. 30' gehalten wird, von denen jeder einen Kontaktrollenkörper 31 bzw.31' aufnimmt.

Die Kontaktrollenkörper 31 bzw. 31' sind auf ihrem jeweils zugehörigen Schaft 30 bzw. 30' mittels Lagern 32 (s. F i g. 1) frei drehbar, jedoch in axialer Richtung fixiert befestigt. Jeder Kontaktrollenkörper besteht vorzugsweise aus Elektrographitkohie, Silbergraphit, Silberkadmiumoxyd oder auch einer Silberwolframlegierung. Die inneren Laufflächen der einzelnen Lager 32 sind am Schaft 30 bzw. 30' derart befestigt, daß die genannte Festlegung jedes Kontaktrollenkörpers gegen eine Axialverschiebung sichergestellt ist. Jeder Kontaklrollenkörper 31 ist auf dem zugehörigen Schaft 30 so befestigt, daß er während des Abrollvorganges in fortwährender Anlage mit dem Schleifring 21 und aufeinanderfolgend mit den Kommutatorlamellen 19 steht, während die Kontaktrollenkörper 31', die die andere Hälfte der Gesamtheit der Kontaktrollenkörper bilden, im steten Eingriff mit dem Schleifring 22 und im entsprechend aufeinanderfolgenden Kontakt mit den Kommutatorlamellen 19 stehen. Es handelt sich damit bei den Kontaktrollenkörpern 31 und 31' um zwei hälftige Sätze von Kontaktrollenkörpern, von denen in Fig.4 aus Gründen besserer Übersichtlichkeit nur jeweils einer dargestellt ist. Der Winkelabstand zwischen den Kontaktrollenkörpern 31 und 3Γ ist so bemessen, daß Kontakt gleichzeitig mit je einer einer Ständerwicklung zugeordneten Kommutatorlamelle 19 sichergestellt ist und damit mit der mit dieser verbundenen Klemme der Gleichstromquelle.

Der Schaft 30 ist an jedem Ende durch Federn 33 und 34 vorgespannt, so daß die Kontaktrollenkörper 31 bzw. 3V in stets festem elektrischen Kontakt mit dem diesem zugeordneten Schleifring aus elektrisch leitendem Material unter Spannung stehen, wobei bei zunehmender Drehzahl des rotierenden Teiles der vorgespannte Andruck und damit die elektrische Kontaktnahme durch die sich vergrößernde Zentrifugalkraft zunehmend unterstützt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kontaktrollenkröpers 35 ist in F i g. 5 dargestellt. Hiernach besteht der Kontaktrollenkörper aus einer elektrisch leitenden Hülse 36, die auf dem Schaft 30 mittels Lagern 37 und 38 drehbar befestigt ist. Auf die äußere Umfangsfläche der Hülse 36 sind zwei muffenartige Beläge 39 und 40 aufgebracht, wobei der radial kürzere Belag 39 aus Kontaktmaterial auf der Hülse 36 so angeordnet ist, daß er mit seiner gesamten Breite mit einem der Schleifringe 21 oder 22 in Rollkontakt steht, während der zweite axial längere Belag aus jedenfalls einem anderen Kontaktmaterial im Abstand hierzu auf der Hülse 36 derart befestigt ist, daß er im Betrieb fortschreitend elektrischen Kontakt zu den Kommutatorlamellen 19 herstellt Dadurch, daß zwei getrennt voneinander angeordnete muffenartige Beläge 39 und 40 verwendet werden, kann in Abstimmung zu dem Material der Schleifringe 21 und 22 und dem Kommutator 19 für den jeweiligen Verwendungszweck das optimal geeignete Kontaktmaterial ausgewählt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 25

1. Kommutierungsvorrichtung an einer permanentmagneterregten Gleichstrommaschine mit einem stillstehenden und einem rotierenden Teil, jo wobei der rotierende Teil Permanentmagnete und der stillstehende Teil einen lamellierten Kern mit Wicklungsspulen und zwei Schleifringe sowie einen aus Lamellen geschichteten Kommutator mit zylindrischer Kontaktfläche aufweist, mit dessen Lamellen 3$ die Spulenenden verbunden sind, und wobei die Kommutierungsvorrichtung eine Anzahl drehbar gelagerter Kontaktrollenkörper besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktrollenkörper (31, 31', 35) aus Elektro- bzw. Silbergraphit bestehen und an Kontaktführungseinrichtungen (32, 37, 38) angeordnet sind, die mit der Achse (15) des rotierenden Teils (15, 23, 24) der Gleichstrommaschine (10) verbunden sind, wobei die Kontaktrollenkörper (31,31', 35) mit ihrer halben Anzahl gegen die andere halbe Anzahl axial versetzt und die beiden Schleifringe (21, 22) am Kommutator (20) mit Anschlußklemmen leitend verbunden sind, und die Kommutatorlamellen (19) beim Lauf der Gleichstrommaschine (10) über die eine halbe Anzahl Kontaktrollen-Körper (31) mit dem einen Schleifring (21) und über die andere halbe Anzahl Kontaktrollenkörper (3Γ) mit dem anderen Schleifring (22) in Verbindung stehen.

2. Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktrollenführungseinrichtung (37, 38) drehbare leitende Hülsen (36) trägt, die ihrerseits mit wenigstens einem Belag (39, 40) in Hohlzylinderform aus Kontaktmaterial beaufschlagt sind.

3. Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (36) lediglich im Kontaktbereich mit dem zugeordneten Schleifring (21 bzw. 22) und im Kontaktbereich mit den Kommutatorlamellen (19) mit Kontaktmaterial beaufschlagt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungsvorrichtung an einer Gleichstrommaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind eine Mehrzahl von unterschiedlichst aufgebauten Gleichstrommaschinen mit Stator und Rotor bekannt, unter anderem auch solche, bei denen der Rotor mit Permanentmagneten versehen ist, während der Stator die Wickelspulen mit laminiertem Kern trägt, wobei auch für solche Ausführungen verschiedene Kommutatorvorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Anwendung gelangen.

So ist es für die Stromübertragung von dem rotierenden Teil zum stillstehenden Teil oder umgekehrt neben dem üblichen Bürstenabgriff oder dem federvorgespannten Abgriff mittels Schleifkohlen bei der Stromzuführung zu nicht umlaufenden Kommutatoren (DE-AS 10 74 141) beispielsweise bekannt, die Stromzuführung über frei bewegliche Kontaktstücke in der Form sicherzustellen, daß Segmentringen der Kommutatoren paarweise koaxiale Stromzuführungsringe in einem zur gemeinsamen Halterung dienenden zylindrischen Gehäuse gegenüberliegend angeordnet sind und mit jedem aus Segmentring und Zuführungsring bestehenden Ringpaar ein frei beweglicher Rollenoder Gleitkontaktkörper zusammenarbeitet Dieser Gleitkontaktkörper übt durch kreisende Bewegung der in sich nicht rotierenden Kommutatoranordnung eine Schleuderbewegungen einleitende und aufrechterhaltende Orbijalbewegung aus, wobei aufeinanderfolgende Segmente jedes Segmentringes nacheinander über die Gleitkontaktkörper mit dem zugehörigen Stromzuführungsring in leitende Verbindung gelangen. Dadurch, daß bei dieser Anordnung in einem Gehäuse paarweise die Segmentringe der Kommutatoren und der koaxialen Stromzuführungsringe sowie jedem Paar zugeordnet frei bewegliche Roll- bzw. Gleitkontaktkörper untergebracht sein müssen und dieses ohne selbst zu rotieren eine Umlaufbewegung ausführen muß, so daß infolge einer exzentrischen Schleuderbewegung die Kontaktkörper jeweils in Kontakt mit den zugehörigen Segmentringen und Stromzuführungsringen gelangen, ergibt sich ein außerordentlich aufwendiger und im Betrieb auch anfälliger Aufbau, der für die moderne Massenfertigung kaum praktikabel sein dürfte.

Des weiteren ist eine elektrische Stromabnahmeanordnung, die ganz allgemein der Überleitung eines Stromes von einem ersten Leiter zu einem zweiten relativ dazu bewegten Leiter dient, bekannt (DE-OS 21 57 548), die sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, daß eine oder mehrere kreisförmig ausgebildete Bürsten mit einer Vielzahl leitender Borsten mit dem einen Leiter mit solcher Drehzahl drehbar in Eingriff stehen, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen den freien Borstenenden und diesem Leiter geringer als die Größe der Relativgeschwindigkeit zwischen diesem Leiter und dem zweiten Leiter ist. Für eine solche Anordnung sind erhebliche Verschleißerscheinungen unumgänglich, und es kommt noch hinzu, daß zumindest teilweise die Übertragung des elektrischen Stromes über in Quecksilberbäder eintauchende Achsstummel erfolgen muß, so daß die Anwendung einer solchen Anordnung auf die Kommutatorvorrichtung einer Gleichstrommaschine der hier interessierenden Art als gänzlich ungeeignet bezeichnet werden muß.

Auch bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zum Übertragen elektrischen Stromes zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen (CH-PS 3 54 158) kann nicht auf die Verwendung von Quecksilber zur