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Diese Erfindung bezieht sich auf eine
Ankerantriebswellen-Anordnung für einen Elektromotor und findet besonders Anwendung für einen
Elektromotor zum Einsatz in einem Motorfahrzeug. Solche Elektromotoren
sind gewöhnlich Permanentmagnet-Motoren und umfassen diejenigen,
welche für die Scheibenwischer-, Kühlergebläseventilator-,
Luftgebläseventilator-, Fensterhebe-Motoren etc. verwendet werden.
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Es ist bekannt, daß von Elektromotoren Radiofrequenz- (RF)
Rauschspannungen durch die Wirkung des kommutatorerzeugten Funkens
an der Kontaktstelle des Kommutators und der Bürsten erzeugt werden.
Funken wird erzeugt durch die Wirkung der den Kommutator schaltenden,
sukzessiven Ankerwindungen auf die Versorgungsspannung zur Drehung des
Ankers. Dieses Bereitstellen und Unterbrechen der
Anker-Versorgungsspannung erzeugt einen rapiden Anstieg und danach Abfall in dem mit dem Anker
assozierten Magnetfeld. Jedesmal wenn dieses Magnetfeld zusammenbricht,
wird eine hohe Spannung in umgekehrter Richtung zur
Versorgungsspannung erzeugt. Dies bringt einen hohen, im wesentlichen momentanen Strom
dazu, im Versorgungsspannungskreis zu fließen, der ein Funken zwischen
dem Kommutator und den Bürsten erzeugt. Dies hat zwei Effekte; erstens
generiert sie einen RF-Strom in dem externen Versorgungsspannungskreis, der
Radiointerferenz verursacht, und zweitens generiert sie einen
Hochspannungsüberschlag, da jedes Kommutatorsegment eine Ankerwindung des
Versorgungsspannungskreises schaltet. Dieses Problem tritt besonders dann auf,
wenn der Elektromotor ausgeschaltet wird und wenn eine hohe Rück-EMK
oder umgekehrte Spannung generiert wird.
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Bisher bekannte Anordnungen zur Unterdrückung oder
Reduzierung dieser RF-Ströme beruhen auf dem Einsatz von über den Bürsten, extern
zur Ankerantriebswellen-Anordnung plazierten Komponeneten. Diese
bekannten Anordnungen waren teuer und sind nicht immer effektiv.
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Es ist Ziel dieser Erfindung, die oben erwähnten zwei Effekte und
die damit verbundenen Nachteile auf eine kosteneffektive Art wesentlich zu
reduzieren.
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Die Patentanmeldungen GB-A-2 087 661, US-A-3 487 248
und DE-A-1 929 984 veröffentlichen Anordnungen zur Reduzierung
elektrischen Rauschens und Bürsten-Funkens in Kommutator-Elektromotoren, worin
die Segmente des Kommutators durch elektrisch widerstandsbehaftete
Überzüge miteinander verbunden sind. Es ist von GB Patent Nr. 1337343 bekannt,
daß ein Kommutator mit spannungsabhängigen Widerstands-Charakteristiken
geschaffen wurde. Dies erfordert den Einsatz eines speziellen Kommutators
und daher Änderungen gegenüber dem ursprünglichen Entwurf. Desweiteren
unterdrückt oder reduziert der Einsatz von spannungsabhängigen
Widerstands-Charakteristiken RF-Ströme nicht effizient.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die obigen
Nachteile zu überwinden.
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Zu diesem Zweck weist eine Ankerantriebswellen-Anordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung eine Antriebswelle; einen Anker mit auf
die Antriebswelle gewundenen Ankerwindungen; einen Kommutator, der auf
der Antriebswelle positioniert ist und Kommutatorsegmente aufweist, die mit
den Ankerwindungen verbunden sind; und ein die Kommutatorsegmente
verbindender Widerstandsüberzug, um dazwischen einen Pfad linearen
Widerstandes zu schaffen, auf; worin die Antriebswelle an die elektrische Erde
anschließbar ist und worin der Widerstandsüberzug die Kommutatorsegmente
mit der Antriebswelle verbindet.
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Durch Tests ist gezeigt worden, daß ein simpler und effektiver Weg der
Reduzierung der durch RF-Spannungen generierten Ströme in der Schaffung
eines alternativen Pfades für diese RF-Ströme innerhalb des Gehäuses des
Elektromotors durch Zurückhalten der RF-Ströme innerhalb des Gehäuses
besteht. Die vorliegende Erfindung reduziert nicht nur die RF-Ströme, sie
schafft auch eine Anordnung, wodurch die RF-Ströme innerhalb des
Gehäuses des Elektromotors durch effektives Plazieren eines Pfades linearen
Widerstandes über jede Ankerwindung und an das Gehäuse mittels der
Antriebswelle zurückgehalten werden können. Die vorliegende Erfindung hat
den weiteren Vorteil des Haltens der Rück-EMK-Spannungen unter 150 Volt
beim Ausschalten, was die elektrische Erosion an der Kontaktstelle von
Bürsten und Kommutator signifikant reduziert und dadurch die Lebensdauer der
Bürsten und des Elektromotors verlängert. Weiter kann die vorliegende
Erfindung noch in Standard-Elektromotoren ohne die Verwendung eines
speziellen Kommutators eingesetzt werden. Der Widerstandsüberzug schafft einen
Pfad linearen Widerstandes zwischen den Kommutatorsegmenten, der nicht
spannungsabhängig ist und der weit effizienter in der Reduzierung von
Strömen ist.
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Vorzugsweise überzieht der Widerstandsüberzug jedes
Umfangsende des Kommutators, um jedes Ende jedes Kommutatorsegments
direkt mit der Antriebswelle zu verbinden und um jedes Ende jeder
Ankerwindung direkt mit der Antriebswelle zu verbinden. Alternativ ist der
Widerstandsüberzug nur auf einem Umfangsende des Kommutators und wurde in diesem
Fall vorzugsweise vor dem Winden des Ankers aufgebracht.
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Der Widerstandsüberzug schafft vorzugsweise einen linearen
Widerstand zwischen jedem Kommutatorsegment und der Antriebswelle, falls
gewünscht im Bereich von 25 bis 200 Ohm, obwohl die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Werte eingeschränkt ist.
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Vorzugsweise ist der Widerstandsüberzug durch Sprühen
aufgebracht worden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Elektromotor mit
einer Ankerantriebswellen-Anordnung wie hierin definiert.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mittels eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen :-
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Figur 1 eine Seitenansicht einer bekannten
Ankerantriebswellen-Anordnung ist;
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Figur 2 eine schematische Darstellung des elektrischen Kreises
der in Figur 1 gezeigten Ankerantriebswellen-Anordnung ist;
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Figur 3 eine Seitenansicht einer
Ankerantriebswellen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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Figur 4 eine schematische Darstellung des elektrischen Kreises
der in Figur 3 gezeigten Ankerantriebswellen-Anordnung ist.
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Bezugnehmend auf Figur 1 weist die bekannte Art einer
Ankerantriebswellen-Anordnung 10 eine Antriebswelle 11, einen Anker 12 mit
Ankerwindungen 14 und einen Kommutator 15 mit individuell an eine
Ankerwindung angeschlossenen Kommutatorsegmenten 16 auf.
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Der äquivalente, in Figur 2 gezeigte elektrische Kreis umfasst die
Antriebswelle 11 und ein an ein Paar Ankerwindungen 14 angeschlossenes
Paar von Kommutatorsegmenten 16. Ebenso gezeigt ist ein Paar mit dem
Kommutatorverbundener Bürsten 17, die über Klemmen 18 an einen
Versorgungsspannungskreis
(nicht gezeigt) angeschlossen sind, und ein Paar
Permanentmagnete 20. Obwohl nur ein Paar von Kommutatorsegmenten und
Ankerwindungen gezeigt ist, ist zu bemerken, daß die Anordnung für alle
Kommutatorsegmente und Ankerwindungen die gleiche ist.
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In dieser bekannten Anordnung generiert zwischen den
Kommutatorsegmenten 16 und den Bürsten 17 generiertes Funken RF-Spannungen
mit einem durch die mit RF beschrifteten Pfeile verdeutlichten Strompfad.
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Die vorliegende Erfindung ist, wie verdeutlicht durch die in Figur
3 gezeigte Verkörperung, eine Ankerantriebswellen-Anordnung 50 mit einer
Antriebswelle 51, einem Anker 52 mit Ankerwindungen 54 und einem
Kommutator 55 mit Kommutatorsegmenten 56. Ein Pfad linearen Widerstandes
zwischen den Ankerwindungen 54 und zwischen den Kommutatorsegmenten
56 und der Antriebswelle 51 wird durch einen Widerstandsüberzug 70
geschaffen. Die Antriebswelle 51 ist mit dem Gehäuse (nicht gezeigt) des
Elektromotors verbunden und daher an Erde mittels Lagerschalen 72 für die
Antriebswelle.
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Wie aus dem äquivalenten, in Figur 4 gezeigten elektrischen
Kreis zu entnehmen, der auch ein Paar Bürsten 57, Klemmen 58 an einen
Versorgungsspannungskreis (nicht gezeigt) und Permanentmagnete 60 zeigt,
schafft der Widerstandsüberzug einen Widerstandspfad R zwischen den
Kommutatorsegmenten 56 und der Antriebswelle 51. Als Konsequenz geht der RF-
Strompfad nun durch die Antriebswelle 51 und das Gehäuse zur Erde und
nicht durch den Versorgungsspannungskreis.
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Die Verwendung eines Widerstandsüberzugs 70 ist eindeutig
weit praktischer als diskrete, innerhalb der Anordnung plazierte Widerstände,
da diskrete Widerstände Probleme mit der Ausbalancierung der Anordnung
bei hohen Geschwindigkeiten verursachen würden. Der Vorteil der
vorliegenden Erfindung ist, daß eine Widerstandsanordnung innerhalb der
Konstruktion ohne Beeinflussung der Ausbalancierung der Konstruktion geschaffen
werden kann und daß eine Standardanordnung leicht modifiziert werden
kann, um die vorliegende Erfindung unterzubringen. Nachgewiesenermaßen
reduziert dies das Funken am Kommutator 55 dadurch, daß die Größe der an
dieser Quelle generierte RF-Ströme reduziert und ferner das meiste der RF-
Ströme innerhalb der Anordnung selbst zurückgehalten wird. Für die
vorliegende
Erfindung wurde festgestellt, daß sie den zusätzlichen Vorteil der
Reduzierung der Rück-EMK, die generiert wird, wenn der Elektromotor
ausgeschaltet wird, durch Schaffung eines Widerstandspfads für die generierten
Ströme zur Erde hat.
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Der Widerstandsüberzug 70 kann auf den Kommutator 55 durch
Sprühen aufgebracht und zur Antriebswelle 51 ausgedehnt werden, entweder
bevor oder nachdem der Anker 52 gewickelt wurde. Der Kommutator 55 wird
dann abgestreift und ausgeschnitten, um einen Bereich für den Kontakt der
Bürsten 57 freizulegen. Geeignete Alternativmethoden des Aufbringens des
Widerstandsüberzuges können natürlich benutzt werden.
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Geeignete Materialien für den Widerstandssüberzug 70
umfassen einen Nickelüberzug mit näherungsweise 0,7 Ohm/sq. Ein
Graphitüberzug mit näherungsweise 20 ohm/sq.ergibt ebenso akzeptable Ergebnisse.
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Der bevorzugte Bereich des linearen Widerstands R zwischen
jedem Kommutatorsegment 56 und der Antriebswelle 51 eines Elektromotors
für einen Scheibenwischer eines Motorfahrzeugs ist 25 bis 200 Ohm. Dies
schafft einen Kompromiß zwischen adäquater Unterdrückung des durch RF-
Spannung generierten Rauschens ohne großen Anstieg des
Versorgungsstroms. Dieser Bereich kann eingestellt werden, um sich anderen
Anwendungen von Elektromotoren anzupassen. Es wurde eine Verbesserung in der
Unterdrückung um 10 dB als typisch für einen Widerstandsüberzug mit einem
Widerstand von 25 Ohm festgestellt. Außerdem wurde festgestellt, daß die
Ausschalt-Transiente unter 150 Volt durch Reduzierung der elektrischen
Erosion an der Kommutator-Bürsten-Kontakstelle reduziert wird, mit einem
nachfolgenden Anstieg von Bürsten- und Motor-Lebensdauer.