DE3119654C2

DE3119654C2 - Kollektor mit Haupt- und Zusatzlamellen

Info

Publication number: DE3119654C2
Application number: DE3119654A
Authority: DE
Inventors: El'vira Romanovna Moskau/Moskva &Scaron;egaj; Vladimir Michajlovi&ccaron; Biznyja; Boris Archil'evi&ccaron; Borisov; Geb. Krepkova Galina Maksimovna Dulickaja; Georgij Nikolaevi&ccaron; Fridman; Vladilen Konstantinovi&ccaron; Kala&scaron;nikov; Efim Michajlovi&ccaron; Kovarskij; Valentin Aleksandrovi&ccaron; Moskva Maly&scaron;ev; Lev Sergeevi&ccaron; Semenov; Lev Nikolaevi&ccaron; Moskau/Moskva Staskevi&ccaron;; Nikolaj Sergeevi&ccaron; Voronin; Evgenij Fedorovi&ccaron; &Zcaron;eleznodoro&zcaron;nyj Moskovskaja oblast' Zinin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-16
Filing date: 1981-05-16
Publication date: 1985-09-05
Also published as: FR2507407A1; US4406962A; FR2507407B1; CH658149A5; DE3119654A1

Abstract

Es ist eine elektrische Kollektormaschine vorgeschlagen, die einen mit einem eine Wicklung (3) aufweisenden Anker (2) elektromagnetisch gekoppelten Induktor (1), einen Kollektor (4) enthält, der Hauptlamellen (5) und wenigstens eine Zusatzlamelle (6) für jede Hauptlamelle besitzt, die miteinander durch eine stromleitende Zwischenlage (7) der Lamellen verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zwischen den stromleitenden Zwischenlagen (7) der Lamellen und den Lamellen (5, 6) des Kollektors (4) über die Seitenfläche der Lamellen (5, 6) erfolgt und mit Hilfe des im Herstellungsverfahren für den Kollektor (4) entstehenden Drucks zustande kommt. Die Hauptlamelle (5) ist außerdem mit den Teilen der Wicklung (3) des Ankers (2) verbunden, und am Kollektor (4) sind Bürsten (9) angeordnet. Die Erfindung kann im Elektromaschinenbau ausgenutzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kollektor für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Kollektor ist aus der DE-PS 1 13 022 bekannt Er kann verwendet werden in elektrischen Kollektormaschinen mit schweren Kommutationsbedingungen, aber auch in den meisten anderen Gleichstrom- und Wechselstrommaschinen, ζ. B. in-Traktions- und Walzwerksmotoren sowie in Kleinstmaschinen, beispielsweise für die Heimelektrik.

Bei der bekannten Ausbildung ist die elektrische Kopplung der Haupt- und Zusatzlamellen zustandegebracht durch Zusatzwiderstände, die die Hauptlamellen und die Zusatzlamelien elektrisch mieinander verbinden. Dabei sind die Hauptlamellen von den Hilfslamellen durch eine Zwischenlamellenisolierung isoliert, und nur die zu der Zwischenlamellenisolierung parallel geschalteten Zusatzwiderstände stellen die elektrische Verbindung her.

Eine solche Ausbildung ist sehr arbeitsaufwendig bei der Fertigung, und es ergibt sich eine recht schwere und voluminöse Konstruktion. Das gleiche gilt für eine aus der DE-PS 9 02 999 bekannte Ausbildung.

Der Anschluß der Zusatzwiderstände an den Kollektor erfolgt bei der bekannten Ausbildung durch Löten oder Schweißen. Darüber hinaus müssen die Zusatzwiderstände am rotierenden Kollektor mittels Bandagen oder einer anderen Vorrichtung festgehalten werden. Dies kompliziert die Herstellung weiter und vergrößert nochmals die Masse und die Abmessungen der Elektro-

maschine im ganzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen Kollektor der gattungsgemäßen Bauart konstruktiv zu vereinfachen und dabei gleichzeitig betriebszuverlässiger zu machen, wobei sich auch eine Verringerung des Gewichts und der Abmessungen ergeben solL Außerdem soll Kupfer eingespart werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im keLozeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale. Bei einer derartigen Konstruktion des Kollektors erfordert die Unterbringung und Befestigung der Zusatzwiderstände keinen zusätzlichen Platz, und die stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen vergrößern die Abis Pressungen des Kollektors nicht Außerdem entfällt deren Anlötung oder Anschweißung an die Haupt- und Zusatzlamellen, weil der zuverlässige elektrische Kontakt zwischen ihnen durch die im normalen Herstellungsverfahren für den Kollektor entstehende Flächenpressung zustandekommt Damit ist der erfindungsgemäße Kollektor auch sehr geeignet für die Serienfertigung.

Eine weitere Besonderheit der erfindunsgemäßen Ausbildung liegt darin, daß die stromleitenden Zwischenlagen gegenüber der Oberfläche der Lamellen versenkt sein können und dann im Gegensatz zu den bekannten Konstruktionen keinen unmittelbaren Kontakt mit den Bürsten haben. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit der neuartigen Zerstreuung und Ableitung der gegen Ende eines Kommutierungsvorgangs freiwerdenden Wärmeenergie, wie dies weiter unten noch beschrieben ist

Im Zusammenhang hiermit steht die Bedeutung der in Patentanspruch 2 vorgeschlagenen Weiterbildung, wonach zweckmäßigerweise als Werkstoff für die Kollektorlamellen antimagnetische, korrosionsbeständige Antifriktionsstähle verwendet werden.

Während üblicherweise der Werkstoff von Kollektorlamellen eine elektrisch gut leitendf Legierung auf der Grundlage des Kupfers ist, ergeben sich vorliegend überraschenderweise Vorteile durch die Verwendung von antimagnetischen korrosionsfesten Stählen. Die Ausführung der Kollektorlamellen aus festeren, verschleißfesteren, wenn auch gegenüber Kupfer und dessen Legierungen weniger stromleitenden Werkstoffen wird möglich, weil die sich in den stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen zu Ende des Kommutierungsvorgangs entwickelnde Wärme gleichmäßig über die gesamte Seitenfläche der Kollektorlamellen abgeleitet wird. Dies ist ein grundsätzlicher Unterschied zu den Kommutierungsvorgängen in den herkömmlichen elektrischen Kollektormaschinen, wo gegen Ende des Kommutierungsvorgangs hohe Stromdichten an den Ablaufkanten der Bürste und der Kollektorlamellen entstehen.

Bei der vorgeschlagenen Ausbildung ist die Dichte der sich in den stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen entwickelnden Energie vernachlässigbar klein, und dies ergibt eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit und der Lebensdauer der Kollektoren, die einhergeht mit einer Einsparung des Kupferverbrauchs um 20 bis 30%, bezogen auf die gesamte Maschine.

Wenn gemäß Patentanspruch 3 für elektrische Kollektormaschinen ohne Wendepole die Anzahl der an die Hauptlamelle des Kollektors mittels der stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen angeschlossenen Zusatzlamellen 1 bis 3 beträgt, so ergibt sich bei der größeren Anzahl der Zusatzlamellen, deren jede mittels der stromleitenden Einsätze zwischen den Lamellen in Rei-

he an die Haapilamelle geschaltet ist, eine Äquivalenz zur Verwirklichung einer entsprechenden Anzahl von Stufen eines betragsmäßig zunehmenden chmschen Widerstandes im Kurzschlußkreis des Ankerwicklungsteiles bei Ende des Kommutierungsvorgangs. Dies verbessert die Schaltfähigkeit wesentlich und gestattet es, den Anwendungsbereich der Maschinen ohne Wendepole zu erweitern, die billiger als die elektrischen Kollektormaschinen mit Wendepolen sind.

Wenn gemäß Anspruch 4 die stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen zweckmäßigerweise aus 0,1 bis 2,0 mm dicken stromleitenden Polymerisationsmassen mit einem ohmschen Widerstand von 0,1 bis 20 Ohm hergestellt sind, so ermöglicht dies die Herstellung des Kollektors mit dem minimal möglichen Durchmesser.

Ebenso ist es zur Erzielung eines minimalen Durchmessers der Kontaktfläche des Kollektors erwünscht, daß die Breite der Kontaktfläche der Zusatzlamellen 0,1 bis 1.0 der Breite der Hauptlamellen ausmacht

Die Erfindung wird nachstehend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Prinzipschaltung des Kollektorbereichs einer elektrischen Kollektormaschine in einer nichtumkehrbaren Ausführung ohne Wendepole,

F i g. 2, 3 die Prinzipschaltung des Kollektorbereichs einer elektrischen Kollektormaschine in einer umkehrbaren Ausführung mit Wendepolen,

F i g. 4 eine Baueinheit aus Hauptlamelle mit Zusatzlamellen einer Kollektorteilung mit stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen,

F i g. 5 bis 14 Beispiele für den Aufbau von Kollektorteilungen aus einer Hauptlamelle und Zusatzlamellen und mit stromleitenden Zwischenlagen der Lamellen.

Die elektrische Koiiektormaschine gemäß F i g. i hat einen Induktor 1 ohne Wendepole, innerhalb dessen ein Anker 2 mit einer unterteilten Wicklung 3 angeordnet ist, einen Kollektor 4, in dem jede Kollektorteilung aus einer Hauptlamelle 5 und drei Zusatzlamellen 6 besteht, die auf einer Seite der Hauptlamelle 5 angeordnet sind. Sie sind miteinander und mit der Hauptlamelle 5 durch stromleitende Zwischenlagen 7 verbunden.

In der magnetisch neutralen Zone 8 zwischen den Hauptpolen des Induktors 1 liegt die ablaufende Seite C einer Bürste 9.

Bei der Drehung des Ankers 2 in der Richtung V_k von rechts nach links kommt es, wenn die Bürsten 9 am Ende eines Kommutierungsvorgangs von der Hauptlamelle 5 ablaufen, nicht zu einer plötzlichen öffnung des Kurzschlußkreises des Stroms k eines Wicklungsteiles 10, sondern es werden in diesen nacheinander drei Slufen eines erhöhten ohmschen Widerstandes, den die drei stromleitenden Zv.ischenlagen 7 der Lamellen besitzen, eingeführt. Diese Einführung eines sich vergrößernden ohmschen Widerstandes in den Kommutierungsstromkreis beschleunigt den Kommutiemngsvorgang und begrenzt schroff die Kommutierungsströms h unabhängig von deren Spannung. Der Wert des ohmschen Wider-Standes der stromleitenden Zwischenlagen 7 der Lamellen kann derart gewählt werden, daß das Ablaufen der Bürste 9 sowohl von der Hauptlamelle 5 als auch der Reihe nach von allen Zusatzlamellen 6 ohne Lichtbogenbildung oder mit nur einem gefahrlosen Funken erfolgt.

In F i g. 2 und 3 ist die Ausbildung bei einer umkehrbaren Kollektormaschine gezeigt, deren Induktor 1 mit WendeDolen IJ versehen ist, innerhalb dessen der Anker 2 mit dem Wicklungsteil 3 und der Kollektor 4 liegt, und in dem jede Kollektorteilung aus einer Hauptlame'-Ie 5 und zwei Zusatzlamellen 6 besteht, die beiderseits der Hauptlamelle 5 jeder Kollektorteilung angeordnet

und mit der Hauptlamelle 5 durch stromleitende Zwischenlagen 7 der Lamellen verbunden sind. In der magnetisch neutralen Zone 8 Jiegt in der Mitte des Wendepols 11 die ablaufende Seite Cder Bürste 9.
Bei der Drehung des Ankers 2 in einer der beiden

ίο möglichen Drehrichtungen kommt es, wenn die Bürste 9 am Ende des Kommutierungsvorgangs von der Hauptlamelle 5 auf die Zusatzlamelle 6 abgleitet, nicht zu einer plötzlichen Öffnung des Kurzschlußkreises des Wicklungsteiles 10, sondern es wird in diesen der erhöhte

ohmsche Widerstand eingeführt, den die stromleitende Zwischenlage 7 der Lamellen besitzt

Die Wendepole 11 des Induktors 1 werden derart eingestellt, daß zum Zeitpunkt des Abgleitens der ablaufenden Seits Cder Bürste 9 von der Hauptlamelle 5 auf die Zusatzlamelle 6 der Kommutierr.v !jsvorgang bereits zu Ende ist Im Wicklungsteil 1Ö bleibt rs\ diesem Zeitpunkt eine Reserve unkompensierter elektromagnetischer Energie, die nur auf die Nichtidentität der Schaltspiele der einzelnen Wäcklungsteile des Ankers 2 zurückzufr-hren ist

Der Wert des ohmschen Widerstandes des Kurzschlußkreises des Wicklungsteiles 10 des Ankers 2 in den elektrischen Kollektormaschinen mit Wendepolen 11 ist gewöhnlich wesentlich kleiner als in den elektrisehen Kollektormaschinen ohne Wendepole. Es reicht deshalb zur Gewährleistung eines funkenfreien Betriebs in den elektrischen Kollektormaschinen mit Wendepolen 11 in den meisten Fällen aus, im Kollektor 4 für jede Kollektorteilung und für jede Drehrichtung je eine mit der Hauptlamelle 5 durch, eine stromleitende Zwischenlage 7 der Lamellen verbundene Zusatzlameüe 6 vorzusehen.

In den nichtumkehrbaren Ausführungen kann die Zahl der zusätzlichen Kollektorlamellen 6 bei den elektrischen Kollektormaschinen ohne Wendepole auf zwei unu mehr erhöht werden.

In den beiden Ausführungen der elektrischen Kollektormaschine nach Fig. 1, 2 und 3 liegt die Breite der Bürsten 9 nicht unter dem Anderthalbfachen oder Doppelten der Kollektorteilung. Dadurch kann der Arbeitsstrom die Hauptlameller. 5 des Kollektors 4 ungehindert durchfließen. Über die Zusatzlamellen 6 und über die stromleitenden Zwischenlagen 7 der Lamellen fließen die Ströme erst gegen Ende des Kommutierungsvorgangs. Die hierbei freigesetzte, im Kommutierungsvorgang nicht-kompensierte elektromagnetische Energie des Kurzschlußkreises vrird in den stromleitenden Zwisihe.'.iagen 7 der Lamellen in Joulesche Wärme umgesetzt.

Die Dichte der -„ich in den stromleitenden Zwischcnlagen 7 der Lamellen entwickelnden Energie ist aufgrund ihres elektrischen Kontaktes mit der Hauptlamelle 5 und den Zusatzlamellen 6 des Kollektors 4 über die Seitenfläche veriiachlässigbar klein. Die Kollektorlamellen müssen daher nicht aus Kupfer und dessen Legierungen bestehen, sondern können aus hochfesten und verschleißfesten, wenn auch weniger wärme- und stromleitenden Werkstoffen, beispielsweise aus antimagnetischen, korrosionsbeständigen und Antifriktionsstählen hergestellt werden. Verwendbar als Werkstoff der Haupt- und Zusatzlamellen des Kollektors sind beispielsweise die Legierungen folgender Zusammensetzung (in Gew.-%):

	Beispiel I
Kohlenstoff C	0,12
Chrom Cr	13 bis 15
Mangan Mn	13 bis 15
Nickel Ni	1 bis 13
Eisen Fe	der Rest
	Beispiel 2
Kohlenstoff C	0,15
Chrom Cr	16 bis 18
Mangan Mn	13,5 bis 15,5
Nickel Ni	<0.6
Stickstoff N	03 bis 0,4
Eisen Fe	der Rest
	Beispiel 3
Kohlenstoff C	0,16 bis 0.24
Chrom Cr	12 bis 14
Mangan Mn	0.6
Silizium Si	0.6
Eisen Fe	der Rest

Die Verwendung von Hauptlamellen 5 und Zusatzlamellen 6 aus Stahl gestattet es, auöer der beträchtlichen Kupfereinsparung und der hieraus resultierenden Verbilligung der Herstellung auch die mechanische Festigkeit, Starrheit und Betriebsdauer der Kollektoren und der Elektromaschinen im ganzen um ein Mehrfaches zu erhöhen.

Die stromleitenden Zwischenlagen 7 der Lamellen im Kollektor gestatten es, auch in Kollektormaschinen mit schweren Kommutierungsbedingungen Bürsten aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff und mit einem

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sonst nur bei Elektromaschinen mit erleichterten Betriebsbedingungen möglich ist. Es kommen z. B. bekannte Metallkohlenbürsten oder rein metallene Bürsten in Frage, was es gestattet, durch Erhöhung der Stromdichte an den Bürsten die gesamten Kontaktverluste um eine Größenordnung zu verringern und die Abmessungen der Kollektorbürstenbaugruppe um ein Mehrfaches zu reduzieren, wobei gleichzeitig die Oberhitzungen des Kollektors vermindert werden und der gesamte Wirkungsgrad der elektrischen Kollektormaschine erhöht wird.

In den üblicherweise ohne Wendepole ausgeführten Kleinstmaschinen kann die Anzahl der Zusatzlamellen 6 im Kollektor mit einer Drehrichtung auf drei erhöht werden, was es gestattet, die Anzahl der Hauptlamellen 5 des Kollektors 4 zu verringern, und zwar durch die bekannte Verschiebung der Bürsten 9 aus der magnetisch neutralen Zone 8. Es kann so ein funkenfreies Arbeiten unter schwereren Betriebsverhältnissen erzielt werden.

Die stromleitende Zwischenlage 7 der Lamellen muß nicht metallisch sein; es kann vorteilhaft sein, sie aus stromleitenden Polymerisationsmassen herzustellen. Es kommen beispielsweise mit Polymerisationsharz gepreßte Elektrographitgewebe (Epoxyde, Polyester u. ä.) in Form dünner, blattartiger, stromleitender Schichtstoffe in Frage, oder sie werden aus vergießbaren, strotnisiteRden Koiripoundmassen hergesteflt

Der Bereich der zweckmäßigen Dicken der stromleitenden Zwischenlagen 7 der Lamellen beträgt 0,1 bis 2,0 mm. Die ohmschen Widerstände der fertigen stromleitenden Zwischenlagen 7 der Lamellen liegen am besten zwischen 0,1 und 20 Ohm.

Enthält der Kollektor 4 mehrere Zusatzlamellen 6 pro Hauptlamelle 5, so wird die die Hauptlamelle 5 des KoI-lektors mit der ersten Zuatzlameile 6 verbindende Zwischenlage 7 der Lamellen mit einem niedrigeren ohmschen Widerstand ausgeführt, während der Widerstand jeder nachfolgenden stromleitenden Zwischenlage 7 ein Vielfaches des Widerstands der vorhergehenden beträgt.

Zur Verringerung des Durchmessers des Kollektors 4 kann die Breite der Haupt- und Zusatzlamellen 5 bzw. 6 im Vergleich zu den Abmessungen der Kollektorlamellen bei bekannten elektrischen Kollektormaschinen we· sentlich reduziert werden. Dies ist in F i g. 4 zu sehen, die eine einer Kollektorteilung entsprechende Baueinheit zeigt.

Die minimale Breite Λ der Kollektorteilung wird, wie

aus F I g. 4 ci'siCnuiCn, durch die CrCitC der FaimC !2 der Hauptlamelle 5 des Kollektors 4 zur Einlötung eines Teiles der Wicklung 3 des Ankers 2 bestimmt. Die Breite der Hauptlamelle 5 ist kleiner als die Breite h der Kollektorteilung, und zwar wegen der beidseits an die Hauptlamelle 5 anschließenden stromleitenden Zwischenlagcn 7 und Zusatzlameller. 6.

Die verschiedenen Konstruktionsausführungen der Hauptlamelle 5 und der Zusatzlamellen 6 in den Grenzen eine} Xollektorteilung sind in Fig.5 bis 14 dargestellt.

F i g. 5, 6 und 7 zeigt die Gesamtanordnung der Hauptlamelle 5 un<1 der Zusatz!;:melle 6, und zwar F i g. 6 für eine umkehrbare Ausführung und F i g. 7 für eine nicht umkehrbare Ausführuni». Entsprechend zeigen F i g. 8 und 9 Ausführungsformen der Fahnen 12, die durch Löten, Schweißen, Nieten oder auf andere geeignete Weise an die Hauptlamelle 5 des Kollektors 4 angeschlossen werden.

Fig. 10, 11, 12 und 13, 14 zeigen im Schnitt mehrere Ausführungsformen der Profile der Haupt- und Zusatzlamellen 5 bzw. 6 des Kollektors 4 und deren Kombinationen in den Grenzen einer Kollektorteilung, nämlich Hauptlamellen 5, Zusatzlameilen 6, Zwischenlagen 7 und Glimmerzwischenlagen 13. Wie aus Fig. 10 bis 14 zu ersehen ist, können die Hauptlamellen 5 wie auch die Zusatzlamellen 6 entweder aus Blättern oder aus Profilstreifen hergestellt werden; es muß nur jede Kollektorteilung insgesamt das erforderliche Trapezprofil aufweisen.

Die Breite der Kontaktfläche der Zusatzlamellen kann in allen Ausführungsformen 0,1 bis 1,0 der Breite der Kontaktfläche der Hauptlamellen betragen.

Eine einfache Montage des Kollektors ergibt sich mit dem symmetrischen Profil der Lamellen gemäß F i g. 14.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kollektor für eine elektrische Maschine mit elektrisch miteinander gekoppelten Haupt- und Zusatzlamellen, wobei die Hauptlamellen mit Ankerwicklungsteilen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hauptlamelle (5) und mindestens eine Zusatzlamelle (β) miteinander durch eine stromleitende Zwischenlage (7) verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zwischen den stromleitenden Zwischenlagen (7) und den Lamellen (5,6) über eine Seitenfläche der Lamellen (5,6) durch den bei der Kollektorfertigung aufgebrachten Druck herstellbar ist

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Zusatzlamellen (5 bzw. 6) aus antimagnetischen, korrosionsbeständigen Antifriktionsstählen bestehen.

3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das für elektrische Maschinen ohne Wendepole die Anzahl der an die Hauptlamelle (5) des Kollektors (4) mittels der stromleitenden Zwischenlagen (7) der Lamellen angeschlossenen Zusatzlamellen (6) 1 bis 3 beträgt

4. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleitenden Zwischenlagen (7) der Lamellen aus stromleitenden, 0,1 bis 2,0 mm dikken Polymerisationsmassen mit einem ohmschen Widerstand von 0,1 bis 20 Ohm hergestellt sind.

5. Kollektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Kontaktfläche der Zusatzlamellen (6> 0,1 bsa 1,0 der Breite der Hauptlamellen (5) ausmacht.