WO2008043830A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

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brush
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motor
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Uwe Caldewey
Christian Lichau
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Vorwerk & Co. Interholding Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a DC motor with a rotor and a stator, wherein for contacting a contacting of the rotor is provided by means of brushes.
  • DC motor increases the wear of the brushes, especially at high loads of the minus brush and low loads of the plus brush.
  • intersection point displacement of the plus brush in the rotor rotation direction and an intersection point displacement of the minus carbon brush against the rotor rotation direction are provided.
  • the longitudinal center axis of the brush intersects the rotor longitudinal axis. This is achieved by shifting the point of intersection by rotating the brush about the rotor longitudinal axis, this further by shortening the one free brushless circumference between the brushes with respect to the opposite free circumferential dimension. In an arrangement of two brushes, such can be achieved by corresponding rotation of one or both brushes about the rotor longitudinal axis, either towards each other or over different angles of rotation with respect to a diametrically opposite arrangement.
  • the longitudinal center axis of the brush can pass through the rotor at a distance from the rotor longitudinal axis, as far as secant, which can be achieved, for example, by a parallel displacement of one or two opposing brushes from a diametrically opposite position.
  • This also shifts the points of intersection of the longitudinal central axes of the brushes with the circumference of the rotor on the circumferential line of the rotor, this further reducing the one free brushless circumferential dimension and corresponding enlargement of the opposite circumferential dimension.
  • tilting of the brushes about the respective point of intersection can take place from this parallel shifted position, with the result that the brush longitudinal central axis does not necessarily have to cut the rotor longitudinal axis.
  • a distributed winding is preferably used.
  • the optimal connection angle of a specific rotor is without staggered quiver at about 12.5 °, so on at about 11 ° to 11.5 °, for example, 11.35 °.
  • the plus brush is shifted to 7 ° to 11 ° in the direction of smaller angles, so for example.
  • At 8 - 10 ° further example.
  • At 7 - 8 ° preferably 7.5 °, 7.6 °, 7.7 °, 7.8 ° or 7.9 °.
  • the operation of the DC motor is carried out with a DC link electrolytic capacitor, which receives an NTC and resistors for discharging after switching off the supply voltage to charge current limiting.
  • Figure 2 is a schematic representation of the cross section along the line II - II in Figure 1, relating to a first embodiment of the brush assembly.
  • Fig. 3 is a sectional view corresponding to FIG. 2, a second
  • Embodiment of the brush assembly concerning.
  • a DC motor 1 is shown and described first with reference to FIG. 1.
  • the DC motor 1 has a rotor 3 with a rotor shaft 4, on which rotor shaft 4 on one side end a collector 5 is arranged non-rotatably. Further, a stator 6 is provided for cooperation with the rotor.
  • the collector 5 commutates with approximately oppositely arranged brushes 7. These are mounted in brush boxes 8 and loaded via rear compression springs 9 in the direction of the collector 5.
  • the brushes 7 are not aligned with respect to the rotor axis x in strictly diametrically opposed arrangement according to the present invention, but rather arranged offset thereto.
  • the reference axis z which crosses the longitudinal axis of the rotor x, denotes the axis which, in the case of a conventional diametrically opposite arrangement of the brushes 7, is connected to its brush axis.
  • Longitudinal central axes y would be aligned.
  • the axis y - extends - is in overlap with the rotor 3, a diameter line D.
  • both brushes 8 for example counterclockwise, without changing the circumferential distance and the relative orientation between the brushes 8, until the axis y or the line passing through the rotor center point and an intersection point S (FIG. 2) in the case of a brush 8 coincides with the axis z, one obtains the combined displacement of the intersection S of both brushes 8 with the circumference of the rotor.
  • the combined offset is in the range of 3-10 °, for example at
  • Embodiment at 5.1 ° The latter composed, in the embodiment, of a displacement of the plus brush by 3.4 ° and the minus coal by 1.7 ° (in terms of a common sense of rotation is the first grade minus and the second set with plus).
  • FIG. 2 an embodiment is shown, in which the opposing brushes 7 and their quiver 8 are arranged displaced parallel out of the diametrical position, so that their brush longitudinal center axes y occupy a parallel distance a to the axis z.
  • a displacement of the respective intersection point S of the brush longitudinal central axis y is achieved with the circumference of the rotor or the collector 5 in the plus brush in the rotor rotation direction r and the minus brush 7 against the rotor rotation direction r.
  • This further results in a change in the free circumferential dimensions between the brushes 7, which circumferential dimensions in the usual strict diametrical arrangement of
  • the displacement of the points of intersection S can also take place by rotating the brushes 7 or the quiver 8 about the longitudinal axis x, with the result that the brush longitudinal center axes y each intersect the rotor longitudinal axis x.
  • the brushes 7 are arranged offset to one another, corresponding to the plus brush 7 in the direction of rotation of the rotor r and the minus brush 7 opposite to the direction of the rotor r.
  • the hereby adjusting angles ⁇ and ⁇ with respect to the axis z correspond dimensionally in approximately the embodiment described above, resulting in accordance with the different Umf ganges ui and U 2 result.
  • the offset dimensions may be different from the original diametrical counter-overlay, such that, for example, the plus brush is pivoted about the rotor longitudinal axis x, or so displaced parallel to the axis z, that the angle .alpha is to be adjusting with appropriate displacement of the other brush 7 angle ß.
  • a smaller pre-ignition for the plus brush and a larger pre-ignition of the minus brush is selected to optimize the commutation over the load range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor (1) mit einem Rotor (3) und einem Stator (6), wobei zur Kommutierung eine Kontaktierung des Rotors (3) mittels Bürsten (7) vorgesehen ist. Um einen derartigen Gleichstrommotor hinsichtlich der Bürstenstandzeit zu verbessern, schlägt die Erfindung vor, dass die Schnittpunkte (S) der Längsmittelachsen (y) der Bürsten (7) mit dem Umfang des Rotors (3) zusammengefasst 3-10° bezüglich einer durch einen der Schnittpunkte (S) laufenden Durchmesserlinie (D) zueinander versetzt sind.

Description

Gleichstrommotor
Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit einem Rotor und einem Stator, wobei zur Kommutierung eine Kontaktierung des Rotors mittels Bürsten vorgesehen ist.
Bei den Gleichstrommotoren der in Rede stehenden Art ist eine starke Abhängigkeit der Bürstenstandzeit von der Belastung des Elektromotors bekannt. So wird eine hohe Bürstenstandzeit nur in einem kleinen Leistungsbereich erreicht. Bei höheren und niedrigeren Belastungen des
Gleichstrommotors steigt der Verschleiß der Bürsten an, so insbesondere bei hohen Belastungen der Minus-Bürste und bei niedrigen Belastungen der Plus- Bürste.
Aus der DE 1763023 Al ist eine Anordnung von Bürsten an einer elektrischen Maschine bekannt, bei welcher die Bürsten in einer zeichnerischen Darstellung, die gegebenenfalls als Zusammenwirkung der Bürsten mit einem Schleifring aufgefasst werden kann, betreffend eine Umfangslinie des Schleifrings rund 18° versetzt sind. Bei einem Gleichstrommotor mit Kollektoren ist eine solche Anordnung im Hinblick auf eine erwünschte hohe Bürstenstandzeit nicht sinnvoll, da es aufgrund erhöhter Funkenbildung zu einem raschen Verschleiß der Kohlebürsten käme.
Aus der US 4344072 Al ist eine versetzte Anordnung der Bürsten bekannt, derart, dass die Mittellinien der Bürsten sich nicht schneiden. Jedoch ist der Umfangsabstand zwischen den Schnittpunkten der Längsmittelachsen der Bürsten und dem Rotor jeweils gleich. Aus der GB 1537567 A ist eine Anordnung mit drei Bürsten bekannt. Zwischen zwei Bürsten ist der Umfangs abstand 60° bzw. 120°. Eine vergleichbare Anordnung zeigt auch die US 5852352.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik beschäftigt sich die
Erfindung mit der technischen Aufgabe, einen Gleichstrommotor der in Rede stehenden Art hinsichtlich der Bürstenstandzeit zu verbessern.
Eine mögliche Lösung der Aufgabe ist durch den Gegenstand des Anspruches 1 gegeben, wobei in diesem Fall darauf abgestellt ist, dass die Schnittpunkte der Längsmittelachsen der Bürsten mit dem Umfang des Rotors zusammengefasst 3° bis 10° bezüglich einer durch einen der Schnittpunkte laufenden Durchmesserlinie zueinander versetzt sind. Überraschend wurde gefunden, dass in dem angegebenen Winkelbereich sich eine deutliche Erhöhung der Standzeiten ergibt, im Sinne einer relativ gleichmäßigen Abnutzung, auch wenn die Benutzung über einen großen wechselnden Lastbereich erfolgt. Eine erhöhte Funkenbildung ist nicht festzustellen. Bevorzugt sind nur zwei Bürsten vorgesehen. Der zwischen den Bürsten verbleibende umfangsmäßig kleinere bürstenfreie Bereich entspricht etwa 82 bis 98% des Umfangsmaßes des größeren bürstenfreien Bereiches (winkelmäßige Versetzung) bzw. bei
Parallelversetzung (siehe nachstehend Fig. 2). In letzterem Fall kann man für die Ermittlung des gesamten Verhältnisses so vorgehen, dass die eine Bürste fluchtend ist und die andere um den Abstand a soweit parallel versetzt wird, dass der Winkel 3° bzw. 10° ergibt. Hier ergibt sich speziell ein Bereich von 82 bis 93%.
Weiter ist bevorzugt, dass eine Schnittpunktverlagerung der Plus-Bürste in Rotordrehrichtung und eine Schnittpunktverlagerung der Minus-Kohlebürste entgegen der Rotordrehrichtung vorgesehen ist. Die Gegenstände der weiteren Ansprüche sind nachstehend in Bezug zu dem Gegenstand des Anspruches 1 erläutert, können aber auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.
So ist weiter vorgesehen, dass die Längsmittelachse der Bürste die Rotor- Längsachse schneidet. Dies ist erreicht durch Verlagerung des Schnittpunktes durch Verdrehen der Bürste um die Rotor-Längsachse, dies weiter unter Verkürzen des einen freien bürstenlosen Umfangsmaßes zwischen den Bürsten gegenüber dem gegenüberliegenden freien Umfangsmaß. Bei einer Anordnung von zwei Bürsten lässt sich solches durch entsprechendes Verdrehen einer oder beider Bürsten um die Rotor-Längsachse erreichen, entweder aufeinander zu oder über unterschiedliche Verdrehwinkel gegenüber einer diametral gegenüberliegenden Anordnung. Alternativ oder auch kombinativ hierzu kann die Längsmittelachse der Bürste mit Abstand zu der Rotor-Längsachse den Rotor durchsetzen, so weiter sekantenartig, was bspw. durch eine Parallelverschiebung einer oder zweier sich gegenüberliegender Bürsten aus einer diametral gegenüberliegenden Stellung heraus erreicht sein kann. Auch hierdurch werden die Schnittpunkte der Längsmittelachsen der Bürsten mit dem Umfang des Rotors auf der Umfangslinie des Rotors verlagert, dies weiter unter Verringerung des einen freien bürstenlosen Umfangsmaßes und entsprechender Vergrößerung des gegenüberliegenden Umfangsmaßes. Aus dieser parallel verschobenen Stellung heraus kann zusätzlich noch eine Verkippung der Bürsten um den jeweiligen Schnittpunkt erfolgen, wobei hiernach die Bürsten-Längsmittelachse nicht zwingend die Rotor-Längsachse schneiden muss. Durch eine reine Parallelverschiebung der gegenüberliegenden Bürsten, wonach die Längsmittelachsen der Bürsten sekantenartig den Rotor durchsetzen, ist weiterhin ein vereinfachtes Einfügen der Bürsten in die Bürstenbrücke erreichbar, da die entsprechenden Köcher streng gegenüberliegend angeordnet und ausgerichtet sind.
Neben den versetzten Bürsten bzw. Köchern zur Aufnahme der Bürsten durch radiale oder parallele Verschiebung derselben wird bevorzugt eine verteilte Wicklung eingesetzt. Hierdurch ist ein verbessertes Verhalten insbesondere im Zusammenhang mit den versetzten Köchern bzw. Bürsten erreichbar. Der optimale Verschaltungswinkel eines konkreten Rotors liegt ohne versetzte Köcher bei ca. 12,5°, so weiter bei etwa 11° bis 11,5°, bspw. 11,35°. Zufolge der vorgeschlagenen Erfindung ist die Plus-Bürste auf 7° bis 11° in Richtung kleinerer Winkel verschoben, so bspw. auf 8 - 10°, weiter bspw. auf 7 - 8°, bevorzugt 7,5°, 7,6°, 7,7° 7,8° oder 7,9°. Hierbei sind in die Offenbarung auch sämtliche Zwischenwerte eingeschlossen, und zwar insbesondere in 1/10°- Schritten. Die Minus-Bürste ist in Richtung größerer Winkel auf 10° bis 17° verschoben, so weiter bspw. auf 13 - 16°, bevorzugt etwa 14,4°, 14,5°,
14,6°,14,7°, 14,8°, 14,9° oder 15°. Auch hierbei sind des weiteren sämtliche Zwischenwerte, insbesondere in l/10°-Schritten einbezogen. Die betragsmäßige Gesamtverschiebung beider Bürsten liegt in dem Bereich von 3-10°, wobei auch hier wiederum sämtliche Zwischenschritte, insbesondere in l/10°-Schritten, in die Offenbarung einbezogen sind.
Der Betrieb des Gleichstrommotors erfolgt mit einem Zwischenkreis-Elektrolytkondensator, der zur Ladestrombegrenzung einen NTC sowie Widerstände zur Entladung nach Abschalten der Versorgungsspannung erhält.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Gleichstrommotor als Teil eines Elektro-Gebläses;
Fig. 2 in schematischer Darstellung den Querschnitt gemäß der Linie II - II in Fig. 1, eine erste Ausführungsform der Bürstenanordnung betreffend;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittdarstellung, eine zweite
Ausführungsform der Bürstenanordnung betreffend.
Dargestellt und beschrieben ist zunächst mit Bezug zu Fig. 1 ein Gleichstrommotor 1. Der Gleichstrommotor 1 weist einen Rotor 3 mit einer Rotorwelle 4 auf, auf welcher Rotorwelle 4 einseitig endseitig ein Kollektor 5 drehfest angeordnet ist. Weiter ist ein Stator 6 vorgesehen, zur Zusammenwirkung mit dem Rotor.
Der Kollektor 5 kommutiert mit etwa gegenüberliegend angeordneten Bürsten 7. Diese sind in Bürstenköchern 8 gehaltert und über rückwärtige Druckfedern 9 in Richtung auf den Kollektor 5 belastet.
Um auch bei unterschiedlichen Belastungen, bevorzugt über den gesamt zulässigen Belastungsbereich des Gleichstrommotors 1 eine hohe Bürstenstandzeit zu erreichen, sind gemäß vorliegender Erfindung die Bürsten 7 nicht mit Bezug auf die Rotordrehachse x in streng diametral gegenüberliegender Anordnung ausgerichtet, sondern vielmehr hierzu versetzt angeordnet. In den Darstellungen in den Figuren 2 und 3 bezeichnet die die Rotor-Längsachse x querende Bezugsachse z die Achse, die bei einer üblichen diametral gegenüberliegenden Anordnung der Bürsten 7 mit deren Bürsten- Längsmittelachsen y fluchten würde. Die Achse y - verlängert - ist in Überdeckung zu dem Rotor 3 eine Durchmesserlinie D.
Dreht man nun beide Bürsten 8, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, ohne den Umfangsabstand und die Relativausrichtung zwischen den Bürsten 8 zu verändern, bis die Achse y bzw. die durch den Rotormittelpunkt und einen Schnittpunkt S gehende Line (Fig. 2) bei einer Bürste 8 mit der Achse z zusammenfällt, erhält man die zusammengefasste Versetzung der Schnittpunkt S beider Bürsten 8 mit dem Umfang des Rotors. Die zusammengefasste Versetzung liegt im Bereich von 3-10°, beispielsweise beim
Ausführungsbeispiel bei 5,1°. Letzteres zusammengesetzt, beim Ausführungsbeispiel, aus einer Verschiebung der Plus-Bürste um 3,4° und der Minus-Kohle um 1,7° (im Bezug auf einen gemeinsamen Drehsinn ist die erste Gradzahl mit Minus und die zweite mit Plus anzusetzen).
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die sich gegenüberliegenden Bürsten 7 bzw. deren Köcher 8 parallel aus der Diametralstellung heraus verschoben angeordnet sind, so dass deren Bürsten- Längsmittelachsen y einen Parallelabstand a zu der Achse z einnehmen. Durch diese Parallelverschiebung der Bürsten 7 wird eine Verlagerung des jeweiligen Schnittpunktes S der Bürsten-Längsmittelachse y mit dem Umfang des Rotors bzw. des Kollektors 5 bei der Plus-Bürste in Rotordrehrichtung r und bei der Minus-Bürste 7 entgegen der Rotordrehrichtung r erreicht. Hieraus resultiert weiter eine Veränderung der freien Umfangsmaße zwischen den Bürsten 7, welche Umfangsmaße bei üblicher strenger diametraler Anordnung der
Bürsten gleich ist. Durch die Schnittpunktverlagerung ist eine Verringerung des einen Umf angsmaßes ui bei gleichzeitiger Vergrößerung des anderen freien Umfangsmaßes U2 erreicht. Durch die Parallelverschiebung der Bürsten 7 schneiden deren Längsmittelachsen y den Rotor bzw. den Kollektor 5 sekantenartig mit Abstand a zu der Rotor-Längsachse x, wobei der Abstand a so gewählt ist, dass sich ein Winkel α bzw. ß zwischen der Achse z und der sowohl den jeweiligen Schnittpunkt S als auch die Rotor-Längsachse x schneidenden Linie von 0,5 - 12°, so weiter etwa 5° - 10° einstellt. Hieraus resultiert weiter, dass eine Verlagerung des Schnittpunktes S etwa um 1 % bis 5 % des Umfangsmaßes des Kollektors 5 vorgenommen wird. Durch die hierbei vorgesehene Versetzung der beiden Schnittpunkte S mit Bezug auf die Umfangslinie aufeinander zu wird entsprechend ein freies Umfangsmaß ui erzielt, welches etwa dem 0,6- bis 0,95-Fachen des gegen-überliegenden freien Umfangsmaßes U2 entspricht.
Alternativ kann wie in Fig. 3 dargestellt die Verlagerung der Schnittpunkte S auch durch Verdrehen der Bürsten 7 bzw. der Köcher 8 um die Längsachse x erfolgen, woraus resultiert, dass die Bürsten-Längsmittelachsen y jeweils die Rotor-Längsachse x schneiden. Auch hierbei sind die Bürsten 7 aufeinander zu versetzt angeordnet, entsprechend die Plus-Bürste 7 in Rotordrehrichtung r und die Minus-Bürste 7 entgegen Rotorrichtung r. Die sich hierbei einstellenden Winkel α und ß gegenüber der Achse z entsprechen maßlich in etwa dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, woraus entsprechend auch die unterschiedlichen Umf angsmaße ui und U2 resultieren.
Darüber hinaus können ausgehend von der Ausführungsform in Fig. 2 nach einer Parallelverschiebung der Bürsten 7 diese auch zusätzlich noch um die erreichten Schnittpunkte S gekippt werden, wonach die Bürsten-Mittellängsachsen y nicht zwingend die Rotorachse x schneiden, sondern vielmehr weiter sekantenartig den Rotor bzw. Kollektor 5 schneiden können. Auch können die Versatzmaße aus der ursprünglichen diametralen Gegenüberlage heraus unterschiedlich sein, so derart, dass bspw. die Plus- Bürste so um die Rotor-Längsachse x geschwenkt bzw. so parallel zu der Achse z verschoben ist, dass der sich hiernach einstellende Winkel α unterschiedlich ist zu dem sich bei entsprechender Versetzung der anderen Bürste 7 einstellenden Winkel ß.
In den Figuren der Zeichnung sind die genannten Winkel zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt.
Zufolge der vorgeschlagenen Lösung ist zur Optimierung der Kommutierung über den Lastbereich eine kleinere Frühzündung für die Plus-Bürste sowie eine größere Frühzündung der Minus-Bürste gewählt.
Nachstehend sind beispielhafte Werte tabellenartig aufgeführt, für eine Initialverschaltung von 12,5 bzw. 11,35° eine Verschiebung der Plus-Kohle und der Minus-Kohle, eine Aufteilung der tatsächlich für beide Kohlen jeweils gegebenen Verschiebung und eine Angabe der Leistung (Minimum bzw. Maximum) über 1.000 Stunden.
Figure imgf000009_0001
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Gleichstrommotor (1) mit einem Rotor (3) und einem Stator (6), wobei zur
Kommutierung eine Kontaktierung des Rotors (3) mittels Bürsten (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkte (S) der
Längsmittelachsen (y) der Bürsten (7) mit dem Umfang des Rotors (3) zusammengefasst 3-10° bezüglich einer durch einen der Schnittpunkte (S) laufenden Durchmesserlinie (D) zueinander versetzt sind.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachse (y) der Bürste (7) die Rotor- Längsachse (x) schneidet.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachse (y) der Bürste (7) mit
Abstand (a) zu der Rotor-Längsachse (x) den Rotor (3) durchsetzt.
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