DE68910422T2 - Eine Ankerantriebswellen-Einheit. - Google Patents

Eine Ankerantriebswellen-Einheit.

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DE68910422T2 DE1989610422 DE68910422T DE68910422T2 DE 68910422 T2 DE68910422 T2 DE 68910422T2 DE 1989610422 DE1989610422 DE 1989610422 DE 68910422 T DE68910422 T DE 68910422T DE 68910422 T2 DE68910422 T2 DE 68910422T2
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/02Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for suppression of electromagnetic interference
    • H02K11/028Suppressors associated with the rotor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/10Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation
    • H02K13/105Spark suppressors associated with the commutator

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Dc Machiner (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist Ziel dieser Erfindung, die oben erwähnten zwei Effekte und die damit verbundenen Nachteile auf eine kosteneffektive Art wesentlich zu reduzieren.
  • 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.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile zu überwinden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise ist der Widerstandsüberzug durch Sprühen aufgebracht worden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Elektromotor mit einer Ankerantriebswellen-Anordnung wie hierin definiert.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mittels eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen :-
  • Figur 1 eine Seitenansicht einer bekannten Ankerantriebswellen-Anordnung ist;
  • Figur 2 eine schematische Darstellung des elektrischen Kreises der in Figur 1 gezeigten Ankerantriebswellen-Anordnung ist;
  • Figur 3 eine Seitenansicht einer Ankerantriebswellen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • Figur 4 eine schematische Darstellung des elektrischen Kreises der in Figur 3 gezeigten Ankerantriebswellen-Anordnung ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Eine Ankerantriebswellen-Anordnung (50) für einen Elektromotor, mit einer Antriebswelle (51); einem Anker (52) mit auf die Antriebswelle gewickelten Ankerwindungen (54); einem Kommutator (55), der auf der Antriebswelle positioniert ist und Kommutatorsegmente (56) aufweist, die mit den Ankerwindungen verbunden sind; einem Widerstandsüberzug (70), der die Kommutatorsegmente (56) verbindet, um dazwischen einen Linear-Widerstands-Pfad (R) zu schaffen; dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (51) an die elektrische Erde verbindbar ist und daß der Widerstandsüberzug (70) die Kommutatorsegmente (56) mit der Antriebswelle verbindet.
2. Eine Ankerantriebswellen-Anordnung wie beansprucht in Anspruch 1, worin der Widerstandsüberzug (70) jedes Umfangsende des Kommutators (55) überzieht, um jedes Ende jedes Kommutatorsegments (56) direkt mit der Antriebswelle (51) zu verbinden und um jedes Ende jeder Ankerwindung (54) direkt mit der Antriebswelle zu verbinden.
3. Eine Ankerantriebswellen-Anordnung wie beansprucht in Anspruch 1, worin der Widerstandsüberzug (70) sich nur auf einem Umfangsende des Kommutators (55) befindet und worin der Widerstandsüberzug vor dem Wickeln des Ankers (52) aufgebracht wurde.
4. Eine Ankerantriebswellen-Anordnung wie beansprucht in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Widerstandsüberzug (70) einen linearen Widerstand (R) im Bereich 25 bis 200 Ohm zwischen jedem Kommutatorsegment (56) und der Antriebswelle (51) schafft.
5. Eine Ankerantriebswellen-Anordnung wie beansprucht in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Widerstandsüberzug (70) durch Sprühen aufgebracht wurde.
6. Ein Elektromotor mit einer Ankerantriebswellen-Anordnung wie beansprucht in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche.
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