DE2525416A1

DE2525416A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: DE2525416A1
Application number: DE19752525416
Authority: DE
Inventors: James John Bates
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1974-06-10
Filing date: 1975-06-07
Publication date: 1975-12-18
Also published as: AU8190375A; NL7506838A; GB1478883A; DE2525416C2; JPS5821393B2; FR2274148A1; FR2274148B1; JPS5110301A; IT1036259B; AU500552B2; ZA753534B

Description

FATH BTAIfWAM

)iPL. ing. K. HOLZEK PO A DOSBUHG

N,249

Augsburg, den 5. Juni 1975

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London SWl, England

Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kommutator, der eine Vielzahl voneinander elektrisch isolierter leitfähiger Segmente aufweist, und mit Bürsten, die mit dem Kommutator zusammenwirken.

Eine besonderes Anwendungsgebiet für die Erfindung sind

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elektrische Kleinmaschinen mit Kohlefaserbürsten.

Der Zweck der Kommutierung ist die Umkehrung der Stromrichtung in den aufeinanderfolgenden Spulen einer Ankerwicklung, wenn sich diese Spulen an einer bestimmten Stelle vorbeibewegen, so daß in der jeweils rechts von dieser Stelle befindlichen Spule der Ankerwicklung eine stets gleichbleibende Stromrichtung und in der jeweils links von dieser Stelle gelegenen Ankerwicklung ebenfalls eine stets gleichbleibende Stromrichtung vorhanden ist. Die Spulen der Ankerwicklung sind an eine Anzahl von mit engem gegenseitigem Abstand angeordneten leitfähigen Segmenten auf der Ankerwelle angeschlossen, welche in schleifendem Kontakt mit einer als Kohleblock ausgebildeten, an einen äußeren Stromkreis angeschlossenen Bürste stehen» Dasjenige Segment, mit welchem die Bürste in irgendeinem Zeitpunkt gerade Kontakt hat, wird die genannte Bezugsstelle für den Vorgang der Stromrichtungsumkehr, Die Segmente sind gewöhnlich auf der Mantelfläche einer Trommel angeordnet, wobei die, die Segmente voneinander trennenden Isolationen die Form gerader, zur Drehachse paralleler Linien haben« Alternativ dazu kann der Kommutator eine in einer zur Drehachse senkrechten Ebene liegende Stirnfläche aufweisen, in welcher die Grenzen zwischen den Segmenten radiale Linien sind.

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Bei sich drehendem Anker hat die Bürste abwechselnd mit jeweils nur einem einzigen Segment und dann gleichzeitig mit diesem Segment und dem nachfolgenden Segment Kontakt. Während der zweitgenannten Phase soll im Idealfall die Stromdichte an der Bürstenhinterkante stets unterhalb eines bestimmten Wertes, bei welchem Funkenbildung auftreten würde, bleiben und bis auf Null abfallen, bevor der Kontakt unterbrochen wird. Einer der diese Bedingungen bestimmenden Paktoren ist die Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes zwischen der Bürste und jedem der beiden Segmente. Bei Verwendung einer üblichen massiven Kohlebürste hängt der übergangswiderstand vom Kontakt einiger weniger zufällig verteilter Punkte auf der Bürstenkontaktfläche ab und es ist nicht möglich, die Änderungs— geschwindigkeit genau zu steuern. Eine Kohlefaserbürste (oder eine andere Bürstenbauart mit flexiblen Elementen) weist dagegen viele gleichförmig verteilte Berührungspunkte auf, so daß sich der Bürstenwiderstand in viel genauerem Maße umgekehrt proportional zur Kontaktfläche ändert. Damit ist es möglich, die Widerstandsänderung zu beherrschen«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung der Änderung des Bürstenübergangswiderstandes im Sinne einer Optimierung der Stromdichte an der Bürstenkontaktfläche zu ermöglichen.

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrische Maschine der eingangs dargelegten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kommutatorsegment so ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Kommutatordrehrichtung und gleichmäßig aufliegenden Bürsten die Kontaktfläche zwischen einer Bürste und einem Kommutatorsegment sich jeweils zuerst im wesentlichen sprungartig und anschließend in mittlerem, fortschreitend geringer werdendem Maße vergrößert.

Gemäß einer alternativen Lösung der genannten Aufgabe ist eine elektrische Maschine der eingangs dargelegten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kommutatorsegment so ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Kommutatordrehrichtung und gleichmäßig aufliegenden Bürsten die Kontaktfläche zwischen einer Bürste und einem Kommutatorsegment zuerst im wesentlichen sprungartig und anschließend im wesentlichen linear vergrößert. Vorzugsweise liegt in beiden Fällen die anfängliche sprungartige Kontaktflächenzunahme im Bereich vom 0,25-fachen bis zum 0,75-fachen der maximalen Kontaktfläche.

Eine elektrische Maschine mit einem Kommutator gemäß der erstgenannten Ausführungsform der Erfindung kann so ausgebildet sein, daß bei einer bestimmten Drehzahl die

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mittlere Stromdichte in der Kontaktfläche zwischen dem hinteren Bürstenabschnitt und einem Kommutatorsegment während der Kommutierung im wesentlichen konstant ist.

Eine elektrische Maschine mit einem Kommutator gemäß der zweitgenannten Ausführungsform der Erfindung kann so ausgebildet sein, daß bei einer bestimmten Drehzahl der Anfangswert und der Endwert der Stromdichte in der Berührungsfläche zwischen dem hinteren Bürstenabschnitt und einem Kommutatorsegment während der Kommutierung im wesentlichen gleich sind.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Arbeitsweise werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben« Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Stirnansicht

eines scheibenförmigen Kommutators nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Teilansicht

der Stirnfläche eines scheibenförmigen Kommutators der in Fig« I dargestellten Art mit einer ihm

- 5 509851/0435

252541a 4

zugeordneten Wicklung,

Pig· 3 eine graphische Darstellung,

welche die Änderung der Bürstenstromdichte während der Kommutierung in Abhängigkeit von der Form der Kommutatorsegmente zeigt,

die Fig. 4a und 4b eine schematische Darstellung

der Form von Kommutatorsegmenten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung

von möglichen Abwandlungen der in Fig. 1 oder den Fig. 4a und 4b dargestellten Segmentformen, und

Fig. 6 eine schematische Abbildung einer

Kohlefaserbürste zur Verwendung bei Kommutatoren der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Bauart.

- 6 -509851/CU35

Gemäß Fig. 1 weist ein scheibenförmiger Kommutator 1 eine aus Isoliermaterial bestehende Scheibe 2 auf, die für die Anbringung auf der Welle eines nicht dargestellten Kleinmotors mit einer mittigen Bohrung 3 versehen ist. Auf der Stirnfläche der Scheibe 2 sind fünf Segmente 4 aus elektrisch leitfähigem Material aufgebracht, die gleichförmig um die mittlere Bohrung 3 herum verteilt zwischen dem inneren Rand 5 und dem äußeren Rand 6 der Scheibenstirnfläche angeordnet sind. Die Segmente 4 sind elektrisch voneinander isoliert, sie weisen jedoch nur kleine Abstände voneinander auf und haben ein zueinander komplementäres Profil, so daß zwei benachbarte Segmente ¹I jeweils durch einen Isolierspalt 7 voneinander getrennt sind. Die Isolierspalte 7 verlaufen vom inneren Scheibenrand 5 etwa um die halbe Distanz zwischen dem inneren Rand 5 und dem äußeren Rand 6 radial nach außen und setzen sich dann sanft in Form einer Kurve im Uhrzeigersinn fort, wobei diese Kurve an einer um 60° mit Bezug auf die ursprüngliche Radialrichtung winkelversetzten Stelle 8 am äußeren Rand 6 endigt. Die Radiallage jedes Punktes auf der Kurve steht in linearem Zusammenhang mit seinem Winkelversatz von der anfänglichen Radialrichtung. Von einer Stelle 9 am Rand 6 aus, die um 10° im Gegenuhrzeigersinn mit Bezug auf den Punkt 8 winkelversetzt ist, ist ein kleiner Leiterflächenbereich zwischen der Grenze 7 und dem Rand 6

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radial abgeschnitten. Die schraffierten Flächen 10 stellen jeweils genau die Kontaktfläche einer nicht dargestellten geneigten Kohlefaserbürste dar, deren Hauptabmessung in Radialrichtung zwischen den Rändern 5 und 6 der Kommutatorscheibe verläuft; jedoch seien hier diese Plächenbereiche der Einfachheit halber als Darstellung der Bürsten selbst betrachtet. Die Bürstenabmessungen sind so gewählt, daß der Kontakt einer Bürste 10 während der Kommutatordrehung nacheinander jeweils kurzzeitig auf eines der Segmente 4 beschränkt ist und daß an keiner Stelle der Kommutatordrehung mehr als zwei Segmente H gleichzeitig mit einer Bürste Kontakt haben. Bei einem Kommutator 1 mit einem Durchmesser von 2,5 cm können die Abmessungen der Bürstenkontakt fläche 10 beispielsweise 0,8 cm χ 0,2 cm betragen. Die Form der Segmente 4 schließt die Verwendung des Kommutators 1 in anderer Drehrichtung als dem Gegenuhrzeigersinn aus, jedoch kann die Form der Segmente 4 selbstverständlich in ähnlicher Weise für eine Drehung um Uhrzeigersinn gewählt sein.

Ein scheibenförmiger Kommutator ist besonders zweckmäßig, da seine Abmessungen nicht durch die Größe des Motors festgelegt sind und entsprechend den jeweils erforderlichen Maße der Auflösung des Segmentbildes in Abhängigkeit von der Größe der Bürsten gewählt werden

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können.

Ein zylindrischer Kommutator kann in gleicher Weise ein Segmentbild aufweisen, welches analog zu dem für den scheibenförmigen Kommutator vorgesehenen Segmentbild abgewandelt ist. Das Segmentbild kann in beiden Fällen mittels der bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen bekannten Techniken hergestellt werden.

Zum Verständnis der Ableitung der hier beschriebenen Segmentbilder ist es notwendig, den Mechanismus der Kommutierung kurz zu betrachten. In Pig. 2 ist eine grundsätzliche Maschine dargestellt, bei welcher zwei benachbarte Segmente ¹Ia und 4b eines Kommutators 1 mit einer Spule 11 einer geschlossenen Ankerwicklung verbunden sind. Eine radial angeordnete Kohlefaserbürste 10 hat gemäß der Darstellung vollständig mit dem Segment 4a Kontakt, bevor sie bei Drehung des Kommutators 1 im Gegenuhrzeigersinn mit dem Segment 4b in Kontakt kommt. Der Strom im Segment 4a in dem Zeitpunkt, in welchem die Bürste 10 noch vollständig mit diesem Segment Kontakt hat, wird nachstehend als I und die stationäre Stromdichte über der Gesamtfläche der Bürste als J bezeichnet. Die Bürste 10 hat nur innerhalb eines schmalen Sektors des Kommutators 1 vollständig mit dem

- 9 509851/0435

25254 1 B

Segment 4a Kontakt, und der Zeitraum, während welchem die Bürste lOaus dieser Stellung auf eine entsprechende Position auf dem Segment 4b gelangt, ist die Kommutierungs~

zeit T · Die sich ändernde Stromdichte innerhalb einer sich c

verringernden Kontaktfläche zwischen der Bürste 10 und dem Segment 4a während der Kommutierungszeit T ist mit J be-

C el

zeichnet, die Induktivität der Spule 11 ist mit L und der Kontaktwiderstand für die vollständige Kontaktfläche der Bürste 10 mit R bezeichnet.

Es ist zu bemerken, daß unter dem Ausdruck "Widerstand" im Zusammenhang mit dem Kontakt zwischen einer Kohlebürste und einer leitfähigen Fläche in einem stromführenden Stromkreis das differentielle Verhältnis von Spannungsabfall zu Stromstärke gemeint ist und einen festen Spannungsabfall nicht berücksichtigt.

Für ein Material wie beispielsweise Kohlefasern als Werkstoff für die Bürste 10 ist es charakteristisch, daß im Mikrobereich ein gleichförmiger Kontakt erzielt wird, was bei herkömmlichen massiven Bürsten weniger wahrscheinlich ist. Da der Kommutator umläuft, verteilt sich der Widerstand R der Bürste lOumgekehrt proportional zu den Kontaktflächenanteilen auf die Segmente 4a und 4b und,

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wenn keine Induktivität L vorhanden wäre, würde sich der Strom I direkt proportional zu den jeweiligen Kontaktflächenanteilen auf die Segmente ¹Ia und 4b verteilen.
Die Induktivität L bewirkt eine Verzögerung sowohl des
Abfalls des zum Segment 4a fließenden Stromes als auch
des Anstiegs des zum Segment 4b fließenden Stromes, Bei
hoher Drehzahl veringert sich selbstverständlich der
Kontaktflächenanteil auf dem Segment 4a schnell, während der in dieses Segment fließende Strom nur langsam abfällt, weshalb sich unerwünscht hohe Werte der Stromdichte J
ergeben. Im allgemeinen ist die Umlaufgeschwindigkeit so gewählt, daß die Kommutierungszeit T mindestens mit der induktiven Zeitkonstante T vergleichbar ist, die gleich dem Verhältnis L/R ist, wobei angenommen ist, daß der Widerstand der Spule 11 vernachlässigbar sei.

Die Werte von 3/3 während der Kommutierungsdauer T sind für verschiedene Segmentformen berechnet worden und die Ergebnisse sind in Pig, 3 graphisch dargestellt. Die Kurve A bezieht sich auf die Segmentform der in den Pig, und 2 dargestellten Ausfuhrungsform, bei welcher der anfängliche radiale Begrenzungsabschnitt zwischen benachbarten Segmenten die Hälfte des gesamten Radialabstands
zwischen den Rändern 5 und 6 ist. Wird dieses Verhältnis als r = 0,5 r_Q bezeichnet, so entspricht die Kurve B der

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Bedingung r = 0,75 r_Q, die Kurve C der Bedingung r = 0,25 r_Q und die Kurve D der Bedingung r = 0, bei welch letzerer überhaupt kein radialer Anfangsabschnitt vorhanden ist und die Segmentbegrenzung sofort als Kurve beginnt.

Der gekrümmte Teil der Segmentgrenze folgt in allen Fällen dem gleichen Gesetz, wonach Radialabstand und Winkelversatz der einzelnen Kurvenpunkte in linearem Zusammenhang miteinander stehen, und in allen Fällen ist die Zeitkonstante T gleich der Kommutierungszeit T .

Nachstehend werden wiederum mit Bezug auf Fig. 2 die Bedingungen betrachtet, die sich ergeben, wenn die Bürste 10 sich von ihrer dargestellten Anfangsstellung gerade über die Grenze 7 zwischen dem Segment 4a und dem Segment ¹Ib in eine Position 12 verschiebt. Eine Hälfte der Bürstenfläche hat nun mit dem Segment 4b Kontakt, während die andere Hälfte der Bürstenfläche noch mit dem Segment 4a Kontakt hat. In diesem Augenblick, in welchem noch kein Ansteigen des Stromes im Segment 4b vorhanden ist, fließt der Strom I noch mit voller Stromstärke in das Segment 4a und die Stromdichte J_n steigt daher auf den Wert 2J . Dieser Zustand

et O

entspricht in Fig. 3 dem Anfangswert (J-/J ,) = 2 für die Kurve A. Die Ableitung der anfänglichen Werte von J-/J für andere Segmentprofile kann in gleicher Weise dargestellt

- 12 509851/0435

41 2525418

werden, wobei der Zusammenhang einfach durch die Gleichung

- r/r₀

ausgedrückt werden kann. Es ist einzusehen, daß die Stromdichte in dem auf dem nächstfolgenden Segment aufliegenden Flächenbereich der Bürste 10 den Wert J niemals über-

steigen kann. Das zu lösende Problem besteht darin, den Wert des Verhältnisses von ^J _a/J_o in d: auf einen sicheren Wert zu begrenzen·

Wert des Verhältnisses von J /J in diesem Flächenbereich

a ο

Es ist klar, daß im allgemeinen eine langsame Änderung des Segmentprofils bei Beginn des KommutierungsZeitraums ein niedriges Verhältnis J /J ermöglicht, jedoch auf Kosten

St O

von höheren Werten dieses Verhältnisses an der Stelle des Kontaktabbruches. Ein steiler radialer Schritt, beispielsweise bei r = 0,75 r_Q, muß einen anfänglich höheren Wert von J_/J herbeiführen, ermöglicht jedoch im späteren

et O

Abschnitt der Kommutierungsphase niedrige Werte und ist daher gegenüber den Möglichkeiten r = 0 oder r = 0,25 r_Q zu bevorzugen. Selbst wenn das Verhältnis T/T auf zwei oder drei anwächst, wird durch die Bemessung r = 0,75 Tq eine übermäßige Stromdichte vermieden«

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Es kann gezeigt werden, daß die Stromdichte am Ende des Koiaautierungszeitraums durch den Ausdruck

1 - ξ (1 - r/r₀) c

bestimmt ist und daher zu sehr hohen Werten neigt, wenn sich (T/T_c)(l - r/r_Q) dem Wert 1 nähert. Höhere Werte der radialen Abstufung sind daher bei höheren Werten von T/T zur Begrenzung des Wertes von (J /J ),,geeignet.

et O^

Pur einen Wert von T/T , der jedoch 1 nicht übersteigt, ergibt die Segmentform, bei welcher r = 0,5 r_n ist, von den betrachteten Möglichkeiten die besten Ergebnisse und die Anfangs- und Endwerte von J./J sind einander gleich und befriedigend niedrig. Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß Leistung und Drehzahl eines Motors bestimmter Größe
verdoppelt werden können, ohne daß sich der Klemmenstrom vergrößert, indem eine Segmentform entsprechend der Kurve A anstelle einer herkömmlichen Radialsegmentform oder einer Segmentform entsprechend der Kurve D angewandt wird.

Es ist einzusehen, daß, obwohl bei der Erörterung der Kurven nach Fig. 3 einige Segmentformen einer besonderen Segmentfornfamilie gegenüber anderen als zu bevorzugen
dargestellt worden sind, sich die mit Bezug auf die

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Pig. 1, 2 und 3 beschriebene Ausführungsform der Erfindung nicht auf diese Segmentformen oder diese Segmentformfamilie beschränkt, sondern auch alle diejenigen Fälle umfaßt, in welchen die Kontaktfläche zwischen der Bürste und einem Segment anfänglich stufenartig zunimmt und sich dann in irgendeiner, mit der Baugröße in Beziehung stehender Weise etwa linear weiter vergrößert.

Es hat sich gezeigt, daß diese Segmentbauart im Gegensatz zur üblichen Segmentform im Betrieb erhebliche Vorteile ergibt und trotzdem eine einfache Konstruktion aufweist. Die obige Diskussion bildet jedoch die Grundlage für die Betrachtung einer allgemeineren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung anhand der Pig. ¹Ia und 4b. Analog zu den scheibenförmigen Kommutator nach Fig. 1 ist in Fig. 4a ein Teil der abgewickelten Mantelfläche eines zylindrischen Kommutators 14 dargestellt. Wenn nun der Axialabstand zwischen den Rändern 15 und 16 als r_Q betrachtet wird, so verläuft der Abschnitt 17 der isolierenden Grenze zwischen benachbarten Segmenten 18 und 19 von einer Stelle 20 am Rand aus über eine Strecke r in Axialrichtung. Anschließend folgt diese Grenze einer geraden Linie 21, die unter einem Winkel zur Achse geneigt ist und den Rand 16 an einer Stelle 22 innerhalb der Basisbreite des Segments 19 erreicht.

- 15 -509851 /CK35

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Wenn r/r_Q = 0,5 ist und die Drehzahl so gewählt ist, daß T/T = 1 ist, so ist die Kurve A in Fig. 3 anwendbar. Diese Kurve zeigt, daß der Anfangswert und der Endwert des Stromdichtenverhältnisses 3_&/3 einander gleich sind, daß aber an den dazwischen liegenden Stellen 3/3 kleiner ist.

OL O

Es ergibt sich daher die Möglichkeit, den Maschinenwirkungsgrad zu verbessern, indem die Anordnung so getroffen wird, daß 3/3 während des gesamten Kommutierungs-

el O

Zeitraums gleichförmig bleibt. Dieses Ergebnis wird erreicht, indem gemäß Fig. 4b die Fläche des Segments 18, die von der Bürste 23 nach dem Passieren des Grenzabschnittes 17 bestrichen wird, örtlich verringert wird, so daß die Stromdichte größer werden muß. Die erforderliche Flächenverringerung erhält man durch Änderung des Verlaufs des Grenzabschnittes in eine konvexe Form 24, Es kann gezeigt werden, daß die Koordinaten x, y jedes Punktes auf der erforderlichen Kurve 24, wenn y vom Punkt 20aus in Axialrichtung gemessen wird, durch den Ausdruck

y²-

= (r/r₀)² +Ql- (r/r_Q)²T χ (Gleichung 1)

gegeben sind. Nimmt man, wie vorher, an, daß die kommutierte Wicklung 11 (Fig. 2) einen vernachlässigbaren Widerstand

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hat, so ergibt ein Segment mit einer Stufe 17, auf welche eine Kurve 24 folgt, bei gegebener Drehzahl eine konstante Stromdichte während der Kommutierung, so daß

2 r/r_n

»—(Gleichung 2)

- (r/r_o)2

Folglich gilt für die Segmentform nach Fig. 4a bei r/r_Q = 0,5 die Kurve A in Fig· 3, und es ergibt sich ein maximales Stromdichtenverhältnis J /J =2 für eine gewählte Dreh-

a ο

zahl, so daß T/T = 1 ist. Bei dem gleichen Wert von r/r_n ergibt die Grenze 24 nach Fig. 4b eine konstante Stromdichte

mit J /J =2 bei einer gewählten Drehzahl, so daß T/T =4/3 a ο c

ist, so daß die Drehzahl sicher um 33 % erhöht werden kann. Was die Größe der Abweichung zwischen den Linien 21 und 24 betrifft, so beträgt die maximale Abweichung bei einer axialen Länge von 25 mm etwa 1 mm, was einer Verringerung der Axialabmessung des Segments an dieser Stelle um 50 % entspricht.

Der Konstrukteur ist daher in der Lage, in erster Näherung den Wert r/r_Q, für welchen die Stromdichte konstant ist, durch Einsetzen der Zeitkonstante T des jeweils kommutierten Teils der Maschinenwicklung bei einer gegebenen

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Drehzahl in die Gleichung 2 abzuleiten. Mit Hilfe dieses Wertes von ρ/σ*₀ kann die entsprechende Kurve 24 durch Anwendung der Gleichung 1 konstruiert werden.

Der Widerstand der Wicklung 11 (Fig. 2) wurde bisher als vernachlässigbar angenommen, jedoch ist dieser Widerstand in der Praxis beträchtlich und es muß deshalb eine Korrektur der sich folglich verringernden Zeitkonstante T vorgenommen werden. Es kann gezeigt werden, daß sich als Auswirkung der sich verengende Teil des Segments 18 bei Aufrechterhaltung einer konstanten Stromdichte bei einer gewählten Drehzahl weiter verkleinern läßt.

Ein bisher nicht verfügbares allgemeines Konstruktionsverfahren ist abgeleitet worden und wird anhand der nachstehenden Schritte 1 bis 9 erläutert. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine verbesserte Trennlinie 25 zu bestimmen, wobei der Wicklungswiderstand und andere Parameter des Maschinenstromkreises Berücksichtigung finden. Es sei angenommen, daß die Segmente 18 und 19 an eine Wicklung 11, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, angeschlossen sind. Das Konstruktionsverfahren weist folgende Schritte auf:

1, Für den mit dem vorhergehenden Segment 18 in Kontakt

- 18 -

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stehenden Abschnitt der Bürstenkontaktfläche wird ein Wert für die Stromdichte J festgelegt, der während der Kommutierung gerade unterhalb eines Pegels gehalten werden soll, an welchem Funkenbildung auftreten würde.

2. Für die vorläufige Berechnung wird ein Stufenverhältnis r/r_Q = a gewählt.

3. Im Segment 19 beträgt die anfängliche Stromdichte 0 und die Endstromdichte J = J (1 - a). Der Spannungsabfall V

O ei

zwischen einer Bürste mit der Breite r_Q und gleichförmiger Dicke und dem Segmentwerkstoff wird experimentell für die

Stromdichten 0 (V.), J (V₀) und J (V..) ermittelt. Ein Faktor R,

1 ο 2 a 3

der dem different!eilen Widerstand entspricht, wird dann graphisch als (V₂ - V₁)ZJ₀ ^r ₀ ^ermittelt.

4. Die Induktivität L der Wicklung 11 wird zur Festlegung der Zeitkonstante T = L/R bestimmt·

5. Der Widerstand R der Wicklung 11 wird bestimmt, so daß sich ein Verhältnis R₁ = R /R ergibt.

6. Die auftretenden Spannungen, welche die Kommutierung unterstützen, bzw. dieser entgegenwirken, sind

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I) E₀ =

- V

II) eine in der konmutierten Spule 11 wirksame Spannung mit dem Reinwert E, welche positiv sein kann, wenn die Gegenwirkung der Selbstinduktion durch Verschiebung der Bürsten in das Magnetfeld der Maschine überwunden wird, welche jedoch bei manchen Betriebsarten und manchen Maschinenbauarten negativ sein kann. Ist der zu koranutierende Strom I, so ergibt sich ein Wert

e = (E₀ - E)/RI 7. Zur Vereinfachung der Beziehungen wird gesetzt:

c = (1 + a)R₁/2 + (1 - a)e -

d = (c + 4 a R₁)⁷

Die Koordinaten X₁, Y₁ eines Punktes auf der Kurve 25 sind dann durch den Ausdruck gegeben:

(c/dHog,

-C) (d-2R₁a+c)

(d-2R₁y₁+c)(d+2R₁a-c

-log.

^Rl^yl "^cvi"^a

(c/d)log.

(d+2R₁-c) (d-2R₁a+c)

(d-2R₁+c) (d+2R₁a-c)

"log (Gleichung 3)

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Dieser Ausdruck kann in der Form
(c/d) log [λ] - log

X₄ =

(c/d) log_e [c] - log
dargestellt werden.

8. Die Gleichung 3 bestimmt die Segmentform, bei welcher J

bei einer Drehzahl konstant gehalten wird, für welche gilt:

(c/d) log_e fcj - log_e [D]

(Gleichung 4)

9. Es kann sich ergeben, daß für die anfänglich gewählten Werte von r_Q und a keine Lösung der Gleichungen 3 und 4 existiert und es notwendig ist, die Berechnung durch Probieren so lange zu wiederholen, bis man zufriedenstellende Werte für r_Q und a gefunden hat.

Eine weitere Möglichkeit, die beim Schritt 3 in Betracht gezogen werden kann, liegt darin, das Segment mit ungleichförmigem Widerstand auszubilden. Alternativ dazu kann die normalerweise wünschenswerte Eigenschaft einer aus Kohlefasern bestehenden Bürste oder anderer flexibler Elemente, daß der Kontaktwiderstand sich in genau umgekehrtem Verhältnis zur Kontaktfläche ändert, abgewandelt werden. Es ergibt sich ein weiterer Vorteil, wenn der Widerstand der Bürste an dem zuerst

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mit dem folgenden Segment in Kontakt kommenden Bürstenabschnitt so klein wie möglich gemacht wird und im übrigen Bürstenabschnitt verhältnismäßig größer ist. Gemäß Pig. 6 weist eine Kohlefaserbürste 30 eine Reihe von gleichartigen Faserbüscheln 32a bis 32e auf, die in einem leitfähigen Bürstengehäuse 33 angeordnet sind, welch letzteres eine Montage- und Anschluß vor richtung 3¹I für die äußere Verdrahtung aufweist· Die Bürste 30 ist im Betrieb so angeordnet, daß die Faserbüschel nahe dem endständigen Faserbüschel 32a den bezüglich der Kommutierung führenden Bürstenabschnitt bilden und die nahe dem endständigen Büschel 32e den nachfolgenden Bürstenabschnitt bilden. Die Fasern des dem Bürstenende 32a am nächsten liegenden Teil der Bürste 30 sind so angeordnet, daß sie unmittelbar mit dem leitenden Bürstengehäuse 33 Kontakt haben. Die Fasern nahe dem Bürstenende 32e werden jedoch mittels einer Isolierschicht 35, die zwischen ihnen und dem Gehäuse 33 angeordnet ist, an einer direkten Berührung mit dem Gehäuse 33 gehindert. Der Strompfad durch die Bürste 30 von dem nahe dem Ende 32e befindlichen Flächenbereich bis zum anderen Ende des Gehäuses 33 hängt daher vom seitlichen Kontakt zwischen den Fasern ab, bei welchem der Widerstand viel größer als der Widerstand entlang den Fasern ist»

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Es ist also eine Segmentform für einen zylindrischen Kommutator abgeleitet worden und in Fig. 4b dargestellt, welche die größtmögliche Drehzahl bei gleichförmiger Stromdichte ermöglicht· Die Grenzliniengleichung kann selbstverständlich auch für einen scheibenförmigen Kommutator in ein Polarkoordinatensystem transformiert werden, wobei die grundsätzliche Maschine mit dem Kommutator dann sehr ähnlich der Darstellung nach Fig. 2 ist, wobei die Grenzlinie 7 so abgewandelt ist, daß die Gleichung der Grenzlinie 25 in Fig. ¹Ib erfüllt ist. Es hat sich gezeigt, daß bei dem Segment 19 hinsichtlich des Oberflächenzustands ein Unterschied zwischen dem von der Bürste 23 nach dem überqueren der schrägen isolierenden Grenzlinie 25 überstrichenen Flächenbereich und dem von den Bürsten 23 nach dem überqueren des Grenzabschnittes 17 bestrichenen Flächenbereich besteht. Der Oberflächenzustand scheint mit dem Bürstenverschleiß in Beziehung zu stehen. Der Oberflächenzustand kann gleichmäßiger gemacht werden und die Bürstenlebensdauer kann vergrößert werden, indem die Grenzlinie in Form einer Reihe von kleinen stufenartigen Abschnitten ausgebildet wird. Fig. 5 zeigt eine derartige stufenartige Grenzlinie 26, für welche die Kurve 25 eine Mittellinie darstellt.

Fig. 5 zeigt außerdem einen Ansatz des Segments 18

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in Form eines schmalen Streifens 27, der axial vom Rand aus verläuft und einen Ausläufer der Grenzlinie 25 bildet. Der Zweck des Streifens 27 liegt in der Verringerung der Auswirkungen einer Neigung zur Funkenbildung, die auftreten könnte, wenn der nachlaufende Kontaktflächenabschnitt der Bürste 23 das Segment 18 verläßt, indem der Strom an dieser Stelle, auf einen größeren Flächenbereich verteilt wird. Der Streifen 27 kann vorzugsweise ebenso breit wie die Bürste 23 sein und eine Länge aufweisen, die zwischen einem Drittel und der Hälfte der Bürstenlänge liegt.

Ähnliche Abwandlungen wie die abgestufte Grenzlinie und der Streifen 27 gemäß Fig. 5 können in gleicher Weise bei den Grenzlinien, beispielsweise beim geradlinigen Teil der Grenzlinie 7, der Segmente des Kommutators nach Fig. 1 Anwendung finden.

Allgemein betrifft die Erfindung die Konstruktion von Kommutatorformen und von diese Kommutatoren aufweisenden Maschinen, welche die Fähigkeit haben, einen gegebenen Strom in der kleinstmöglichen Zeit und folglich bei der höchstmöglichen Drehzahl ohne Funkenbildung zu wenden. Diese Fähigkeit wird gemäß der Erfindung dadurch sichergestellt, daß die Kommutatorsegmente so ausgebildet

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sind, daß die Stromdichte im nachlaufenden Bereich der Bürstenfläche auf einem im wesentlichen konstanten Wert gerade unterhalb der Grenze, an welcher die Funkenbildung beginnt, gehalten wird. Eine Segmentform, welche dieser Idealbedingung mit enger Annäherung gerecht wird, ist mit Bezug auf die Fig. 4a und 4b beschrieben worden, und eine Segmentform von praktischem Wert, bei welcher die Idealbedingung angenähert erreicht wird, ist mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben worden.

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Claims

Patentansprüche

/ 1./Elektrische Maschine mit einem Kommutator, der eine Vielzahl voneinander elektrisch isolierter leitfähiger Segmente aufweist, und mit Bürsten, die mit dem Kommutator zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Komrautatorsegment (¹I; 18, 19) so ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Kommutatordrehrichtung und gleichmäßig aufliegenden Bürsten (10; 23) die Kontaktfläche zwischen einer Bürste und einem Kommutatorsegment sich jeweils zuerst im wesentlichen sprungartig und anschließend in mittlerem, fortschreitend geringer werdendem Maße vergrößert.
2. Elektrische Maschine mit einem Kommutator, der eine Vielzahl voneinander elektrisch isolierter leitfähiger Segmente aufweist, und mit Bürsten, die mit dem Kommutator zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kommutatorsegment (4; 18, 19) so ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Kommutatordrehrichtung und gleichmäßig aufliegenden Bürsten (10; 23) die Kontaktfläche zwischen einer Bürste und einem Kommutatorsegment sich jeweils zuerst im wesentlichen sprungartig und anschließend im wesentlichen linear vergrößert.

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3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche sprungartige Zunahme der Kontaktfläche zwischen der Bürste und dem Kommutatorsegment im Bereich vom 0,25-fachen bis 0,75-fachen der maximalen Kontaktfläche liegt und vorzugsweise das 0,5-fache dieser maximalen Fläche beträgt,
¹U Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kommutatorsegment so geformt ist, daß eine Bürste die isolierende Grenzlinie zwischen benachbarten Segmenten nur an Stellen überquert, an denen diese Grenzlinie im wesentlichen parallel zur Bürste verläuft, derart, daß die Grenzlinie eine anfängliche Stufe und anschließend ein abgestuftes Profil aufweist, welch letzteres kleine Auslenkungen über dem gewünschten mittleren Verlauf der Grenzlinie aufweist (Fig. 5).
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutatorsegmente (4; 18, 19) derart mit Bezug auf die Bürsten (16, 23) bemessen sind, daß eine Bürste in keinem Zeitpunkt mehr als zwei Kommutatorsegmente gleichzeitig berührt.

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6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kommutatorsegmente so gewählt ist, daß die mittlere Stromdichte in der Kontaktfläche zwischen der Bürste und dem jeweils von der Bürste gerade zu verlassenden Kommutatorsegment während der Kommutierung bei einer gegebenen Kommutatordrehzahl im wesentlichen konstant ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten (Pig· 6) so ausgebildet sind, daß sie flexibel auf den Kontaktdruck in jedem Flächenelement der Kontaktfläche zwischen Bürste und Kommutatorsegment ansprechen.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten (Fig· 6) aus Kohlefasern oder Schichtwerkstoff bestehen,
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten jeweils ein Kohlefaserpaket aufweisen, das elektrisch derart angeschlossen ist, daß der Strompfad zu dem jeweils mit dem nächstfolgenden Kommutatorsegment zuerst in Kontakt kommenden Bürstenteil einen größeren Widerstand als der übrige Bürstenteil hat·

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