EP1111734B1 - Moulded flat commutator - Google Patents
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- H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
- H01R39/02—Details for dynamo electric machines
- H01R39/04—Commutators
Definitions
- the invention relates to a commutator-coal brush combination according to the preamble of claim 1.
- Such a combination is for example from the document DE-PS 955 072 known.
- Commutators in particular as large-series products for universal motors in AC operation, have experienced a steady development to higher electrical outputs, higher speeds and longer service lives, as the requirements for the collector special product - with simultaneous pressure on prices - have steadily increased with technical progress.
- advances of this kind can be devalued by the fact that other components of electric motors do not keep up with the development and thus limit the performance or service life of the engine. This is especially true for carbon brushes, which are to be used in conjunction with the commutator and thereby regularly the weaker, i. give off susceptible limb.
- carbon brushes have also been further developed in terms of electrical performance and mechanical strength and stability, on the one hand occurring during commutation on a carbon brush between two simultaneously contacted commutator short-circuit currents by higher set contact resistance - at the same time as high current carrying capacity - were given, for the brushes have been divided into two or three layers (stratified carbons), between which the contact resistances are to be kept as high as possible.
- stratified carbons stratified carbons
- individual fins 1 of a commutator are illustrated with its cross-section or outline, as it is conventionally formed and arranged to a carbon brush 2, the two layers 3.4 with an electrically not conductive, in any case, high-resistance intermediate layer 5 is formed.
- the carbon brush is made obliquely against a indicated by an arrow 6 main running direction, but this is only a known measure against the risk of jamming in a (not shown) brush holder.
- the brush 2 is pressed in a known manner by spring pressure or the like. Against the surfaces of the commutator bars 1 and nachgeschoben in full-surface wear of the carbon brush 2.
- FIG. 2 now shows collector lamellae 12 (in the form of a straight elongated development mold) in juxtaposition to a layered carbon brush 13, wherein the surfaces of the lamellae 12 are lowered towards intermediate insulating gaps 14 with oblique edge surfaces 15.
- the layered carbon brush 13 is maintained in its width, which is technically difficult to change and thus receives a wide circulation on the slideway 18, usually on two fins 12, so that the coal is not as on a " Moguls slope "flutters.
- the lowering of the lamellar surfaces created here by sloping surfaces 15 can basically also be stepped, however, the oblique shape over a stepped shape has the advantage of mechanically softer transitions for greater smoothness of coal and ease of manufacture in view of the small slat width usually less than or equal to 3 mm.
- the transition edges are appropriately rounded.
- oblique edge surfaces 15 lies in the fact that the brush firing with its separating spark on the side of the copper passes immediately on the inclined surfaces and these, uncritical lying outside of the grinding path 18 areas are relatively robust. In any case, however, eroded material finds a lot of space in the insulating gaps which are opened and widened with the depressions, so that fillings, bridging and the associated short circuits are largely ruled out.
- the width of the copper lamellae as a whole has been maintained, even though the surface used for the grinding lane 18 has been reduced. This has advantages over a reduction of the lamella width certainly advantages in terms of the available copper mass against mechanical and thermal stresses as well as with respect to the electrical line with corresponding cross-sections.
- Fig. 4 shows one of many case by case advantageous variants with slats 19 with asymmetric design, with an obliquely lowered edge surface 20 is much larger than one on the other side lowered edge surface 21 and also for a slideway 22 only a relatively narrow median strip left.
- Such cross-sectional designs take particular account of the predominant directions of rotation consideration. In the simplest case, it may be sufficient to provide only a one-sided lowering, in particular bevel, in order to catch especially the brush fire with such a lowering of the edge at a fixed predetermined direction of rotation.
- angles between the lowered inclined surfaces are below 50 ° (or as an obtuse angle calculated over 130 °), resulting in relatively large inclined surfaces.
- the contact areas remaining for the grinding path are narrower as the intermediate areas of inclined surfaces and insulating gaps.
- Fig. 5 shows the copper fins 23 of another collector in its cross-sectional contour, which is shown enlarged in Fig. 6 as a development. In both cases, the commutator cohesive insulating compound is not shown, which leaves in any case between the fins 23 still insulating gaps.
- the fins 23 have relatively large lowered sloping surfaces 24 with a relatively low inclination relative to a central strip for a grinding path 25.
- a monolayer carbon brush 26 can be provided even with advantage for the production cost and the size of the coal. This is especially true when provided for a low-backlash storage of coal 26.
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- Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betriff eine Kommutator-kohle bürste Kombination gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a commutator-coal brush combination according to the preamble of
Eine derartige Kombination ist beispielsweise aus dem Dokument
Kommutatoren haben insbesondere als Großserienprodukte für Universalmotoren im Wechselstrombetrieb eine stetige Entwicklung zu höheren elektrischen Leistungen, höheren Drehzahlen und höheren Lebensdauern erfahren, indem die Anforderungen an das Spezialprodukt Kollektor - bei gleichzeitigem Preisdruck - mit dem technischen Fortschritt jeweils immer weiter gestiegen sind. Fortschritte dieser Art können allerdings dadurch entwertet werden, daß andere Komponenten von Elektromotoren mit der Entwicklung nicht Schritt halten und damit die Leistungsfähigkeit oder die Lebensdauer des Motors begrenzen. Dies gilt insbesondere für Kohlebürsten, die im Zusammenspiel mit dem Kommutator einzusetzen sind und dabei regelmäßig das schwächere, d.h. verschleißanfällige Glied abgeben.Commutators, in particular as large-series products for universal motors in AC operation, have experienced a steady development to higher electrical outputs, higher speeds and longer service lives, as the requirements for the collector special product - with simultaneous pressure on prices - have steadily increased with technical progress. However, advances of this kind can be devalued by the fact that other components of electric motors do not keep up with the development and thus limit the performance or service life of the engine. This is especially true for carbon brushes, which are to be used in conjunction with the commutator and thereby regularly the weaker, i. give off susceptible limb.
Dabei sind Kohlebürsten gleichfalls im Sinne der elektrischen Leistungsfähigkeit und der mechanischen Belastbarkeit und Standfestigkeit weiterentwickelt worden, wobei zum einen die bei der Kommutierung an einer Kohlenbürste zwischen zwei gleichzeitig kontaktierten Kommutatorlamellen auftretenden Kurzschlußströme durch höher eingestellte Übergangswiderstände - bei gleichzeitig möglichst hoher Strombelastbarkeit - vorgegeben wurden, zum anderen die Bürsten in zwei oder drei Schichten (Schichtkohlen) unterteilt wurden, zwischen denen die Übergangswiderstände möglichst hoch zu halten sind. Gleichwohl treten an den Kohlebürsten beim langsamen, insbesondere auch reversierenden Betrieb wie etwa bei Waschmaschinen große Leistungsverluste insbesondere in der jeweiligen Anfangsphase des Betriebs und starke Abbrände an den Kohlebürsten auf. Weiterhin werden die Kohlebürsten insbesondere bei hohen Drehzahlen durch "Bürstenfeuer" verschlissen, wobei sich der Abbrand der Kohlebürsten und auch teilweise der Kupferlamellen in den Isolierspalten zwischen den Kupferlamellen ablagert und die Gefahr von Kurzschlüssen hervorruft.In this case, carbon brushes have also been further developed in terms of electrical performance and mechanical strength and stability, on the one hand occurring during commutation on a carbon brush between two simultaneously contacted commutator short-circuit currents by higher set contact resistance - at the same time as high current carrying capacity - were given, for the brushes have been divided into two or three layers (stratified carbons), between which the contact resistances are to be kept as high as possible. Nevertheless, at the carbon brushes during slow, in particular also reversing operation, such as in washing machines, large power losses occur, in particular in the respective initial phase of operation, and strong ones Burns on the carbon brushes on. Furthermore, the carbon brushes are worn, especially at high speeds by "brush fire", wherein the erosion of the carbon brushes and also partially deposits the copper fins in the insulating gaps between the copper fins and causes the risk of short circuits.
Nach dem Stand der Technik gemäß der
Mit einer Veränderung der Isolierspalten sollte u.a. auch die Bildung von Bürstenfeuern reduziert werden. Dies ist allerdings allein mit einer Veränderung an den Lamellen und Zwischenräumen nicht zu erreichen, ohne die Kohlebürste jeweils einzubeziehen.With a change in the insulating gaps u.a. also the formation of brush fires can be reduced. However, this can not be achieved solely with a change to the lamellae and gaps, without involving the carbon brush in each case.
Gemäß der Erfindung wird nun von der Kollektorseite her mit Blick auf das Zusammenspiel von Kollektor und Kohlebürsten eine wesentliche Verbesserung der Kommutatoreigenschaften insgesamt unter Einschluß der Kohlebürsten insbesondere im Hinblick auf eine Verminderung der Verlustleistungen und des Kohlebürstenverschleisses mit einem Kommutator-Kohle bürste-Kombination nach dem Anspruch 1 erzielt.According to the invention is now from the collector side with a view to the interaction of collector and carbon brushes a significant improvement in Kommutatoreigenschaften total including the carbon brushes in particular with a view to reducing the power losses and the carbon brush wear with a commutator carbon brush combination according to the
Durch bereichsweises Absenken der Lamellen-Oberfläche zu den Isolierspalten hin läßt sich bei gegebener Grundbauform von Kommutator und Kohlebürste eine effektiv geringere Überdeckung erreichen, d.h., die Auflage der Kohlebürste in Umfangsrichtung im Verhältnis zur Teiligkeit der Kommutatorlamellen verringern. Damit verringern sich auch insbesondere bei wechselstrombetriebenen Motoren die besonders bürstenfressenden Kurzschlußströme. Gleichzeitig sind solche Absenkungen geeignet, bei hohen Drehzahlen das Bürstenfeuern zu verringern und auch die entsprechenden Überschläge aus dem kritischen Bereich der Lamellenkanten und der Isolierspalte heraus zu verlagern. Die Kupferlamellen werden wenig erodiert und, was beim Bürstenfeuern noch an Abbrand anfällt, findet neben den Isolierspalten noch Aufnahmeraum im Bereich der Absenkungen.By partially lowering the fin surface to the Isolierspalten can be achieved with a given basic design of commutator and carbon brush effectively lower coverage, i.e., reduce the support of the carbon brush in the circumferential direction in proportion to the parting of the commutator. This reduces the especially brush-eating short-circuit currents, especially in AC-powered motors. At the same time, such reductions are suitable for reducing brush firing at high speeds and also for shifting the corresponding flashovers out of the critical area of the lamella edges and the insulating gaps. The copper lamellae are little eroded and, which is still the case of brush firing to burn, found next to the insulating gaps still receiving space in the region of the subsidence.
Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise vor allem der hohe Leistungsbedarf am Anfang des langsamen Reversierbetriebs, z.B. bei Waschmaschinen, reduziert wird. Die entsprechenden Leistungen waren dabei als Verlustleistungen angefallen, die sich in den Kohlebürsten mit entsprechender Abnutzung niederschlugen, so daß nunmehr in diesem Bereich eine verschleißarme Wirkungsweise erzielt wird. Daneben oder auch zusätzlich ist mit einer solchen Absenkung ein Kupfer- und Kohle-Verschleiß allgemein und vor allem bei hohen Drehzahlen zu verringern. Gleichzeitig eröffnet sich damit die Möglichkeit, von den aufwendigen Schichtkohle-Bürsten zumindest weniger kritischen Fällen auf einfachere, einstückige Kohlebürsten überzugehen.It has been found that, in this way, especially the high power requirement at the beginning of the slow reversing operation, for example in washing machines, is reduced. The corresponding services were incurred as power losses, which were reflected in the carbon brushes with appropriate wear, so that now in this area a low-wear operation is achieved. In addition or in addition, with such a reduction, a copper and carbon wear in general and especially at high speeds to reduce. At the same time, this opens up the possibility of switching from the elaborate layered carbon brushes, at least less critical cases, to simpler, integral carbon brushes.
In der
Auch die mit der Ausgestaltung von Kommutatoren bei Miniaturmotoren befaßte
Neben einem Beispiel für eine herkömmliche Ausführungsform von Kommutator bzw. Kommutatorlamellen gegenüber einer Kohlenbürste sind mehrere Ausführungsformen zum Gegenstand der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen in jeweils vereinfachter konturierter Form und jeweils in achsparalleler Ansicht bzw. Teilansicht
- Fig. 1
- Kommutatorlamellen und Kohlebürste bei einer herkömmlichen Ausführungsform,
- Fig. 2
- Kommutatorlamellen und Kohlebürste bei einem Kommutator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung (Abwicklung),
- Fig. 3
- Kommutatorlamellen (vergrößert) bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 (Abwicklung),
- Fig. 4
- eine abgewandelte (zweite) Ausführungsform von Kommutatorlamellen (Abwicklung),
- Fig. 5
- Form und Anordnung von Kommutatorlamellen bei einer dritten Ausführungsform und
- Fig. 6
- Teilansicht der Kommutatorlamellen gemäß Fig. 5 (Abwicklung) und Kohlebürste dazu.
- Fig. 1
- Commutator bars and carbon brush in a conventional embodiment,
- Fig. 2
- Commutator and carbon brush in a commutator according to a first embodiment of the invention (development),
- Fig. 3
- Commutator bars (enlarged) in the embodiment according to FIG. 2 (unwinding),
- Fig. 4
- a modified (second) embodiment of commutator bars (unwinding),
- Fig. 5
- Form and arrangement of commutator bars in a third embodiment and
- Fig. 6
- Partial view of the commutator bars according to FIG. 5 (unwinding) and carbon brush.
In Fig. 1 sind einzelne Lamellen 1 eines Kommutators mit ihrem Querschnitt bzw. Umriß veranschaulicht, wie er herkömmlich ausgebildet und zu einer Kohlebürste 2 angeordnet ist, die aus zwei Schichten 3,4 mit einer elektrisch nicht leitenden jedenfalls hochohmigen Zwischenschicht 5 ausgebildet ist. Die Kohlebürste ist schräg gegen eine durch einen Pfeil 6 angezeigte Hauptlaufrichtung angestellt, was aber nur eine bekannte Maßnahme gegen die Gefahr eines Verklemmens in einem (nicht dargestellten) Bürstenhalter darstellt. Die Bürste 2 wird in bekannter Weise durch Federandruck oder dgl. gegen die Oberflächen der Kommutatorlamellen 1 angedrückt und bei vollflächiger Abnutzung der Kohlebürste 2 nachgeschoben.In Fig. 1,
Allerdings hat es sich bisher schon gezeigt, daß die Abnutzung der Kohlebürste 2 nicht einheitlich erfolgt, wie man es etwa bei einem rein mechanischen Abschleifen annehmen könnte.However, it has hitherto been shown that the wear of the
Bei hohen Drehzahlen ergeben sich induktive Restspannungen aus Ankerwicklungen, die an die Lamellen 1 elektrisch angeschlossen sind, mit entsprechenden Abreißfunken ("Bürstenfeuern") zwischen in Drehrichtung hinten liegenden Kanten 7 bzw. 8 von Kohlebürste 2 und Lamellen 1 mit Funkenerosionen und Materialverformungen sowohl an der Bürste 2 wie auch an der Kupferlamelle 1. Besonders gefährlich ist, daß sich das Material dann in Isolierspalten 9 zwischen den Lamellen 1 ablagert und die Lamellen untereinander kurzschließt.At high speeds, inductive residual stresses resulting from armature windings, which are electrically connected to the
Eine andere Form der Kohlebürsten-Beanspruchung entsteht insbesondere bei reversierendem Betrieb und durchaus auch bei verringerten Drehzahlen. Dabei gibt es Abtragungsbereiche 10, 11 an der Kohlebürste, die beide Schichten von den Außenseiten her an den Kontaktflächen unterwandern und die Kontaktbereiche in Umfangsrichtung reduzieren. Dies ist offenbar auf Kurzschlußströme zurückzuführen, da auch bei Unterteilung der Kohlebürste 2 in Schichten 3 und 4 jede Schicht noch beim Umlauf der Lamellen 1 benachbarte Lamellen gleichzeitig überdeckt und mit beiden Kontakt erhält. Die elektrischen Leistungsverluste sind bei einer solchen Konstellation insbesondere am Anfang eines reversierenden Betriebs deutlich höher, wobei die Verlustleistung wesentlich in die Zerstörung der Kohle in den Bereichen 10 und 11 eingeht und erst später kleiner wird, wenn nur ein Teilbereich der Kohle zur Kontaktierung der Lamellen zur Verfügung steht.Another form of carbon brush stress arises in particular in reversing operation and certainly at reduced speeds. There are
Fig. 2 zeigt nun Kollektorlamellen 12 (als gerade gestreckte Abwicklungsform) in Gegenüberstellung zu einer Schichtkohlebürste 13, wobei die Oberflächen der Lamellen 12 zu zwischenliegenden Isolierspalten 14 hin mit schrägen Randflächen 15 abgesenkt sind. Dabei ergibt sich aus der Gegenüberstellung (hier nur beispielsweise senkrecht angestellten) Schichtkohle-Bürste 13 mit Kohleschichten 16 und 17, daß diese Kohleschichten 16,17 eine Schleifbahn 18 aus den verbleibenden Oberflächen der Lamellen 12 vorfinden, bei der sie jedenfalls überwiegend über eine Lamelle 12 mit einer der Kohleschichten 16 oder 17 kontaktieren. Auf der anderen Seite bleibt aber die Schichtkohle-Bürste 13 in ihrer Breite erhalten, was technisch auch schwer zu ändern ist und erhält damit eine breite Auflage auf der Schleifbahn 18, meistens auf zwei Lamellen 12, so daß die Kohle nicht etwa wie auf einer "Buckelpiste" flattert.FIG. 2 now shows collector lamellae 12 (in the form of a straight elongated development mold) in juxtaposition to a
Es versteht sich, daß die hier durch schräge Flächen 15 geschaffene Absenkung der Lamellen-Oberflächen grundsätzlich auch gestuft erfolgen kann, allerdings hat die schrage Form gegenüber einer Stufenform den Vorteil mechanisch weicherer Übergänge für eine größere Laufruhe der Kohle und der leichteren Herstellbarkeit angesichts der geringen Lamellenbreite von üblicherweise unter oder bis 3 mm. Dabei sind die Übergangskanten zweckmäßig abgerundet.It is understood that the lowering of the lamellar surfaces created here by sloping
Ein anderer besonderer Vorteil der schrägen Randflächen 15 liegt auch darin, daß das Bürstenfeuern mit seinen Trennfunken auf seiten des Kupfers sofort auf die Schrägflächen übergeht und diese, unkritisch außerhalb der Schleifbahn 18 liegenden Bereiche relativ robust sind. In jedem Fall aber findet erodiertes Material in den mit den Absenkungen geöffneten und verbreiterten Isolierspalten viel Platz, so daß Auffüllungen, Brückenbildungen und damit einhergehende Kurzschlüsse weitgehend auszuschließen sind.Another particular advantage of the oblique edge surfaces 15 lies in the fact that the brush firing with its separating spark on the side of the copper passes immediately on the inclined surfaces and these, uncritical lying outside of the grinding
Die Breite der Kupferlamellen im ganzen ist beibehalten worden, auch wenn die für die Schleifbahn 18 genutzte Oberfläche reduziert worden ist. Dies hat gegenüber einer Reduzierung der Lamellenbreite durchaus Vorteile in bezug auf die zur Verfügung stehende Kupfermasse gegenüber mechanischen und thermischen Beanspruchungen wie auch in bezug auf die elektrische Leitung mit entsprechenden Querschnitten.The width of the copper lamellae as a whole has been maintained, even though the surface used for the grinding
Gegenüber den in Fig. 3 noch einmal vergrößert wiedergegebenen Lamellen 12 mit einer symmetrischen Ausgestaltung zeigt die Fig. 4 eine von vielen fallweise vorteilhaften Varianten mit Lamellen 19 mit asymmetrischer Gestaltung, wobei eine schräg abgesenkte Randfläche 20 sehr viel größer ist als eine auf der anderen Seite abgesenkte Randfläche 21 und auch für eine Schleifbahn 22 nur einen relativ schmalen Mittelstreifen übrigläßt. Solche Querschnittsgestaltungen nehmen insbesondere auf die überwiegenden Drehrichtungen Rücksicht. Im einfachsten Fall kann es genügen, nur eine einseitige Absenkung, insbesondere Abschrägung, vorzusehen, um vor allem das Bürstenfeuern mit einer solchen Randabsenkung bei fest vorgegebener Drehrichtung aufzufangen. In beiden Fällen sind Winkel zwischen den abgesenkten Schrägflächen unter 50° (bzw. als stumpfe Winkel gerechnet über 130°), womit sich relativ große Schrägflächen ergeben. Die für die Schleifbahn verbleibenden kontaktierenden Bereiche sind schmaler als die Zwischenbereiche aus Schrägflächen und Isolierspalten.Compared to the enlarged in Fig. 3 reproduced
Fig. 5 zeigt die Kupferlamellen 23 eines weiteren Kollektors in ihrer Querschnittskontur, die in Fig. 6 vergrößert als Abwicklung wiedergegeben ist. In beiden Fällen ist die den Kommutator zusammenhaltende Isoliermasse nicht eingezeichnet, die in jedem Fall zwischen den Lamellen 23 noch Isolierspalte freiläßt.Fig. 5 shows the
Die Lamellen 23 weisen relativ große abgesenkte Schrägflachen 24 mit relativ geringer Neigung gegenüber einem Mittelstreifen für eine Schleifbahn 25 auf. Eine gerade in einer Übergangsstellung zwischen zwei Lamellen 23 eingezeichnete Kohlebürste 26 kontaktiert allenfalls in einem sehr kurzen Moment beide Lamellen 23, so daß Kurzschlußstrome vernachlässigbar sind, gleichzeitig aber eine mechanische durchgehende Abstützung auf der Schleifbahn 25, gebildet durch die jeweils außenliegenden Mittelstreifen der Lamellen 23 zwischen den Absenkungen, gewährleistet ist. In diesem Fall kann sogar mit Vorteil für den Herstellungsaufwand und die Baugröße der Kohle eine Einschicht-Kohlebürste 26 vorgesehen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn für eine spielarme Lagerung der Kohle 26 gesorgt wird.The
Claims (5)
- Commutator and carbon brush combination for an electric motor, having commutator bars (12, 19, 23) made of copper or a similar electrically conductive material, which bars (12, 19, 23) are held in insulation belonging to a commutator body In axial symmetry to an axis of the commutator and each form, at a surface, part of a concentric slide track (18, 22, 25) for carbon brushes (13, 26), around which slide track the bars (12, 19, 23) are separated from one another by interstices which each have, in an outer region facing towards the slide track (18, 22, 25) for brushes, a gap in insulation (14) free of insulating material and, in a deeper region facing towards the axis of the commutator, insulation which forms a boundary of the gap in insulation, the surfaces of the bars (12, 19, 23) each having on at least one side, around the slide track (18, 22, 25), regions (15, 20, 21, 24) which are lowered towards the gaps in insulation, characterised in that the lowered regions on the bars are of a size such, in relation to the carbon brushes, that, although continuous support is still ensured for the carbon brushes on the slide track as they cross between two bars, they contact the two adjacent bars by one layer of carbon at most very briefly, and in that the commutator is in the form of a moulded commutator having moulded insulation.
- Commutator according to claim 1, characterised in that the surfaces of the bars (12, 19, 23) are lowered in the form of edge faces (15, 20, 21, 24) which slope down obliquely to the gaps in insulation,
- Commutator according to one of claims 1 to 4, characterised in that the edge faces (15, 20, 21, 24) which slope down obliquely make an angle of less than 50° with the slide track.
- Commutator according to one of claims 1 to 3, characterised in that the lowered regions have edges which are rounded in relation to the contacting regions of the slide track (18, 22, 25).
- Commutator according to one of claims 1 to 4, characterised in that the contacting regions (18, 22, 25) of the bars (12, 19, 23) are narrower than the width, added together if required, of the lowered regions.
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