WO2012022623A1 - Elektrische maschine mit einem kommutator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrical machine with a commutator of a mounted on the armature shaft of the machine disk carrier and a plurality of distributed on the circumference of the disk carrier and insulated from each other fixed slats.
- Such a machine is known from GB 1 505 806.
- Commutators are known to heat due to high friction between the brushes and the fins, and more importantly, due to frequent arcing between the brushes and the fins.
- the disk carrier is formed in favor of better ventilation and heat dissipation of three disks mounted on a sleeve, arise through the two annular chambers under the mounted lamellae.
- the chambers are connected to each other and with the outside environment airtight.
- the ventilation of such an anchor is indeed very good;
- this construction has significant deficiencies in terms of their strength.
- the commutator fins can thus not be sufficiently secured against the vibrations caused by the brush grinder, which lead to unpleasant noises and faster wear during operation.
- JP 02097252 A has a plate carrier made of a sleeve of solid material fastened on the armature shaft, in the casing of which the plates are held on the entire length of the casing by means of a very secure positive connection.
- the length of the sleeve are provided after through holes in the sleeve, which allow air flow during the rotation of the armature.
- the axes of the through-holes have a slope relative to the axis of the armature shaft.
- the invention has the object of providing an electrical machine of the type mentioned in such a way that the commutator undergoes good cooling during operation, but still the slats are held absolutely free of vibration on the plate carrier.
- this object is achieved by the characterizing features of claim 1 in such a way that the plate carrier holds on its entire shell length immediate positive engagement with the lamellae and distributed on the armature repellent end face with a plurality of evenly on one or more circular lines and is provided in substantially aligned in the direction of the armature shaft blind holes.
- the blind holes are provided with an opposite the blind holes enlarged entrance opening. Such an extension of the inlet openings promotes the one hand, the ventilation of the blind holes and prevents the formation of whistling when turning the commutator.
- the input opening has an outwardly flared funnel shape.
- Simple countersinking of the entrance openings already show a good effect.
- an advantage over the usual extent increased cone countersink.
- the invention is particularly advantageous to develop if the funnel shape is formed asymmetrically so that its input opening is offset from the cross section of the associated blind hole against the direction of rotation of the armature.
- the funnel shape is formed asymmetrically so that its input opening is offset from the cross section of the associated blind hole against the direction of rotation of the armature.
- the blind holes have a deviating from a cylindrical shape, the flow formation is supported again within the blind holes.
- the deviating form may be a conical shape or a conical shape with a non-circular cross section.
- the air flow during operation can be very advantageously formed or supported by the fact that the input opening of the axis of the armature shaft is farther away than the bottom of the blind hole.
- Fig. 2 to 5 several different embodiments for the inner contour of a blind hole.
- the commutator in Fig. 1 consists essentially of a plate carrier 1 and associated with it slats 2.
- the plate carrier 1 may consist of a stable metallic body, if it is ensured that the slats 2 all individually are galvanically isolated against the plate carrier.
- Each lamella 2 has an electrical connection to the electric motor supply, which is not shown here for reasons of clarity.
- the slats 2 are made regularly of a copper alloy and are electrically isolated from each other by embedded between the slats 2 insulator 3.
- the slats 2 and the insulator 3 are threaded through a so-called dovetail guide of mold structures 4 in the plate carrier 1 and connected to each other via a tight fit. This results in a very secure fit of the slats 2 on the plate carrier 1 and a vibration-free, compact connection.
- the blind holes 5 are cut and recognizable here are as weak keglige holes. They have at their entrance openings 8 advanced inputs in the form of countersinks 9, which already largely prevent whistling of the blind holes when turning the commutator.
- the blind holes 5 of FIG. 1 increase the radiating surface of the disk carrier 1 to almost twice, so that they contribute significantly to the cooling of the commutator.
- the orientation of the blind holes 5 on a circular ring if there is enough space in the plate carrier 1 and the strength does not suffer therefrom, be extended in favor of an arrangement of a second annulus.
- the blind holes 5 of the two circular rings can be mounted to save space to each other.
- the cylindrical blind hole 5 has an inlet opening 8, which is characterized in contrast to the conventional countersink 9 for refraction of a sharp edge of the ring by a countersink 10 larger extent.
- a larger countersink 10 already allows an air circulation 11 which arises due to an incident flow of the edge 10.1 of the inlet opening 8 lying in the direction of movement 12 of the commutator, penetrates more or less into the blind hole 5 and stops at the outlet. Flow edge 10.2 on the opposite side back into the open. In this way, more heat energy can be dissipated.
- the blind hole 5 in Fig. 4 is conically shaped. It avoids additional whistling noise. But more important here is the advantage that the flow of air circulation 19 can penetrate deeper into the blind hole 5 and dissipates additional heat energy by the flow still performs a twist movement 20.
- the blind hole 5 is a cone or as a conical shape similar cavity with non-circular cross-section, the axis 21 is inclined against the direction of rotation 12 of the commutator.
- this axis 21 at the level of the inlet opening 8 is further away from the axis of rotation of the commutator than at the level of the bottom 22 of the blind hole 5.
- the centrifugal forces of the air column further away from the axis of rotation in the vicinity of the inlet opening 8 with respect to the air masses deeper in the blind hole 5 accelerating to the movement of the air circulation 23, which is thereby intensified. This is indicated by a bold dashed line in relation to the corresponding lines in FIGS. 2 to 4.
- the bottom 22 is rounded even more intense in Fig. 5 compared to the other examples, which promotes the flow of deep into the blind hole penetrating air circulation 23.
- it may also be conducive to air circulation when the inner walls of the blind holes 5 are polished, which reduces the friction of the air flows on the walls. Individual features of this nature are on other embodiments can be transferred without departing from the spirit of the invention.
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Abstract
Eine elektrische Maschine mit einem Kommutator, der im Wesentlichen aus einem auf der Ankerwelle der Maschine befestigten Lamellenträger 1 und einer Vielzahl von auf dem Umfang des Lamellenträgers 1 verteilt und voneinander isoliert befestigten Lamellen 2 besteht, soll im Hinblick auf die Kühlung des Kommutators bei unverminderter Festigkeit und Schwingungsarmut verbessert werden. Dazu hält der Lamellenträger 1 einerseits auf seiner gesamten Mantellänge unmittelbaren Formschluss mit den Lamellen 2. Andererseits ist der Lamellenträger 1 auf seiner vom Anker abweisenden Stirnseite 1.1 mit einer Mehrzahl von gleichmäßig auf einer oder mehreren Kreislinien verteilten und im Wesentlichen in Richtung der Ankerwelle ausgerichteten Sacklöchern 5 versehen.
Description
Elektrische Maschine mit einem Kommutator
[0001 ] Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kommutator aus einem auf der Ankerwelle der Maschine befestigten Lamellenträger und einer Vielzahl von auf dem Umfang des Lamellenträgers verteilt und voneinander isoliert befestigten Lamellen.
[0002] Eine solche Maschine ist aus GB 1 505 806 bekannt. Kommutatoren erhitzen sich bekanntermaßen aufgrund von hoher Reibung zwischen den Bürsten und den Lamellen sowie - was noch bedeutender ist - aufgrund häufig auftretender Lichtbögen zwischen den Bürsten und den Lamellen. In der bekannten Maschine ist der Lamellenträger zugunsten der besseren Durchlüftung und Wärmeabfuhr aus drei auf einer Hülse befestigten Scheiben gebildet, durch die zwei ringförmige Kammern unter den aufmon- tierten Lamellen entstehen. Durch etwa koaxial zur Ankerwelle in den Scheiben angebrachte Durchgangslöcher sind die Kammern untereinander und mit der Außenumgebung lufttechnisch verbunden. Die Belüftung eines solchen Ankers ist zwar sehr gut; jedoch hat diese Konstruktion erhebliche Mängel in Bezug auf ihre Festigkeit. Die Kommutator-Lamellen können damit nicht ausreichend sicher gegen die vom Bürsten- Schleifer verursachten Schwingungen fixiert werden, die im Betrieb zu unangenehmen Geräuschen und schnellerem Verschleiß führen.
[0003] Eine andere bekannte Maschine (JP 02097252 A) hat demgegenüber einen Lamellenträger aus einer auf der Ankerwelle befestigten Hülse aus Vollmaterial, in deren Mantel die Lamellen mittels einer sehr sicheren Formschlussverbindung auf der ge- samten Mantellänge gehalten sind. Zur Kühlung des Kommutators sind hierin der Länge der Hülse nach Durchgangslöcher in der Hülse vorgesehen, die eine Luftströmung während der Drehung des Ankers zulassen. Damit eine Eigenströmung aufgrund von Zentrifugalkräften zustande kommt, haben die Achsen der Durchgangslöcher eine Neigung gegenüber der Achse der Ankerwelle. Bei solchen Durchgangslöchern besteht aller- dings die Gefahr, dass Verwirbelungen durch sich drehende Teile der Maschine - z. B.
durch den Anker - die gleichmäßige Strömung der Kühlluft durch die Durchgangslöcher beeinträchtigen. Eine theoretische Berechnung der Kühlleistung ist daher kaum möglich; denn gewickelte Maschinenanker sind nicht in allen Einzelheiten, die eine Luftströmung verursachen können, reproduzierbar.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Kommutator im Betrieb eine gute Kühlung erfährt, dennoch aber die Lamellen absolut schwingungsfrei auf dem Lamellenträger gehalten werden.
[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in der Weise gelöst, dass der Lamellenträger auf seiner gesamten Mantellänge unmittelbaren Formschluss mit den Lamellen hält und auf der vom Anker abweisenden Stirnseite mit einer Mehrzahl von gleichmäßig auf einer oder mehreren Kreislinien verteilten und im Wesentlichen in Richtung der Ankerwelle ausgerichteten Sacklöchern versehen ist.
[0006] Es hat sich gezeigt, dass eine Vergrößerung der abstrahlenden Fläche am Lamellenträger bereits zu einer erheblichen Kühlwirkung beiträgt. Diese Flächenvergrößerung und Erhöhung der Kühlwirkung findet schon durch die erfindungsgemäße Anbringung von Sacklöchern im nennenswerten Maße statt. Von besonderer Bedeutung ist aber, dass die Anbringung von Sacklöchern die innere Festigkeit des Lamellenträ- gers so gut wie nicht beeinträchtigt, so dass die Lamellen dennoch sicher und schwingungsfrei auf dem Lamellenträger sitzen. Da auf der vom Anker wegweisenden Seite des Kommutators die weniger erhitzte Luft strömt, ist die Kühlung des Kommutators effektiver, wenn die Sacklöcher auf dieser Seite angebracht sind.
[0007] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sacklöcher mit einer gegenüber den Sacklöchern erweiterten Eingangsöffnung versehen. Eine solche Erweiterung der Eingangöffnungen fördert einerseits die Belüftung der Sacklöcher und verhindert die Bildung von Pfeifgeräuschen beim Drehen des Kommutators.
[0008] In besonderer Weise werden diese Vorteile ausgespielt, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Eingangsöffnung eine nach außen sich erweiternde Trichterform aufweist. Einfache Kegelsenkungen der Eingangsöffnungen
lassen bereits eine gute Wirkung erkennen. Vorteilhaft ist jedoch eine über das übliche Maß hinaus vergrößerte Kegelsenkung.
[0009] In einer den Luftaustausch im Innenraum des Sackloches verstärkenden Weise ist die Erfindung dadurch besonders vorteilhaft weiterzubilden, wenn die Trichter- form derart asymmetrisch ausgebildet ist, dass ihre Eingangsöffnung gegenüber dem Querschnitt des zugehörigen Sackloches gegen die Drehrichtung des Ankers versetzt ist. Vor allem aufgrund der asymmetrischen Ausbildung wird bereits eine eigendynamische Luftströmung von außen in das Sackloch und von dort wieder nach außen gefördert. Die Kühlungswirkung kann dadurch im erheblichen Maße gesteigert werden. Au- ßerdem ist eine solche Ausformung resistent gegen Schwingungen einer Luftsäule im Sackloch.
[0010] Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Sacklöcher eine von einer Zylinderform abweichende Form aufweisen, wird innerhalb der Sacklöcher die Strömungsbildung nochmals unterstützt. Dabei kann die abweichen- de Form eine Kegelform sein oder eine konische Form mit nicht kreisrundem Querschnitt.
[001 1 ] Insbesondere bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Luftströmung im Betrieb sehr vorteilhaft dadurch gebildet bzw. unterstützt werden, dass die Eingangsöffnung von der Achse der Ankerwelle weiter entfernt ist als der Boden des Sackloches.
[0012] Anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Erfindung nachstehend erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen aufgeschnitten dargestellten Kommutator ohne Ankerwelle, so dass die Querschnitte der Lamellen und des Lamellenträgers zu er- kennen sind,
Fig. 2 bis 5 mehrere unterschiedliche Ausführungsformen für die Innenkontur eines Sackloches.
[0013] Der Kommutator in Fig. 1 besteht im Wesentlichen aus einem Lamellenträger 1 und mit ihm verbunden Lamellen 2. Der Lamellenträger 1 kann aus einem stabilen metallischen Körper bestehen, wenn dafür gesorgt ist, dass die Lamellen 2 alle einzeln
gegen den Lamellenträger galvanisch getrennt sind. Jede Lamelle 2 hat eine elektrische Verbindung mit der elektrischen Motorspeisung, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Lamellen 2 bestehen regelmäßig aus einer Kupferlegierung und sind durch zwischen den Lamellen 2 eingebettete Isolierkörper 3 galvanisch voneinander getrennt. Die Lamellen 2 und die Isolierkörper 3 sind durch eine so genannte Schwalbenschwanzführung aus Formstrukturen 4 in den Lamellenträger 1 eingefädelt und über einen strammen Passsitz miteinander verbunden. Dies ergibt einen sehr sicheren Sitz der Lamellen 2 auf dem Lamellenträger 1 und eine schwingungsfreie, kompakte Verbindung.
[0014] Auf der vom Anker wegweisenden Stirnseite 1 .1 sind in den Lamellenträger 1 kreisringförmig zwölf Sacklöcher 5 eingebracht, die im Wesentlichen parallel zur Achse 7 des Lamellenträgers 1 , die mit der Achse der nicht dargestellten Ankerwelle identisch ist - angeordnet sind.
[0015] Bei (6) sind die Sacklöcher 5 geschnitten erkennbar und stellen sich hier als schwach keglige Löcher dar. Sie haben an ihren Eingangsöffnungen 8 erweiterte Eingänge in Form von Kegelsenkungen 9, die ein Pfeifen der Sacklöcher beim Drehen des Kommutators bereits weitgehend verhindern. Die Sacklöcher 5 gemäß Fig. 1 vergrößern die abstrahlende Fläche des Lamellenträgers 1 auf fast das Doppelte, so dass sie wesentlich zur Kühlung des Kommutators beitragen.
[0016] Die Orientierung der Sacklöcher 5 auf einem Kreisring kann, sofern im Lamellenträger 1 genügend Platz ist und die Festigkeit darunter nicht leidet, zugunsten einer Anordnung eines zweiten Kreisrings erweitert werden. Dabei können die Sacklöcher 5 der beiden Kreisringe platzsparend versetzt zueinander angebracht sein.
[0017] In den Figuren 2 bis 5 sind von je einem Sackloch 5 nur die Innenkonturen dargestellt. In Fig. 2 hat das zylindrische Sackloch 5 eine Eingangsöffnung 8, die im Gegensatz zur üblichen Kegelsenkung 9 zur Brechung einer scharfen Ringkante durch eine Kegelsenkung 10 größeren Ausmaßes gekennzeichnet ist. Eine solche größere Kegelsenkung 10 lässt bereits eine Luftzirkulation 1 1 zu, die durch eine Anströmung der in Bewegungsrichtung 12 des Kommutators vorn liegenden Kante 10.1 der Eingangs- Öffnung 8 entsteht, mehr oder weniger weit in das Sackloch 5 eindringt und an der Aus-
Strömungskante 10.2 auf der gegenüber liegenden Seite wieder ins Freie tritt. Auf diese Weise kann weitere Wärmeenergie abgeführt werden.
[0018] Weiter verbessern lässt sich die Abführung der Wärmeenergie in einem Beispiel gemäß Fig. 3, bei dem die Trichterform der Kegelsenkung 14 des Sackloches 5 derart asymmetrisch verformt ist, dass ihre Eingangsöffnung 8 gegenüber dem Querschnitt des zugehörigen Sackloches 5 gegen die Drehrichtung 12 des Ankers versetzt ist. Die Achsen 15 des Sackloches 5 und 16 der Kegelsenkung 14 verdeutlichen dies. Durch eine in die Zeichnungsebene geklappte Ovallinie 17, die den Rand der Kegelsenkung 14 symbolisiert, ist diese Versetzung ebenfalls erkennbar. Hier dringt die Luftzirku- lation 18, die prinzipiell denselben Gesetzen wie die Strömung der Luftzirkulation 1 1 in Fig. 2 folgt, tiefer in das Sackloch 5 ein und kann dadurch noch mehr Wärmeenergie aufnehmen und abführen.
[0019] Das Sackloch 5 in Fig. 4 ist kegelig geformt. Es vermeidet dadurch zusätzlich Pfeifgeräusche. Wichtiger aber ist hier der Vorteil, dass die Strömung der Luftzirkulation 19 noch tiefer in das Sackloch 5 eindringen kann und zusätzliche Wärmeenergie abführt, indem die Strömung noch eine Twistbewegung 20 ausführt.
[0020] Eine weitere Steigerung der Wärmeabfuhr ist durch eine Formung des Sackloches 5 als Kegel oder als einer Kegelform ähnlicher Hohlraum mit nicht kreisrundem Querschnitt möglich, dessen Achse 21 gegen die Drehrichtung 12 des Kommutators geneigt ist. Dadurch ist diese Achse 21 in Höhe der Eingangsöffnung 8 weiter von der Drehachse des Kommutators entfernt als in Höhe des Bodens 22 des Sackloches 5. Hierdurch wirken die Zentrifugalkräfte der weiter von der Drehachse entfernten Luftsäule in der Nähe der Eingangsöffnung 8 gegenüber den Luftmassen tiefer im Sackloch 5 beschleunigend auf die Bewegung der Luftzirkulation 23, die dadurch intensiviert wird. Dies ist durch eine fettere gestrichelte Linie gegenüber den entsprechenden Linien in Fig. 2 bis 4 angedeutet.
[0021 ] Der Boden 22 ist in Fig. 5 gegenüber den anderen Beispielen auch noch intensiver verrundet, was die Strömung der tief in das Sackloch eindringenden Luftzirkulation 23 fördert. In den Beispielen der Fig. 2 bis 5 kann es außerdem für die Luftzirkulati- on förderlich sein, wenn die Innenwände der Sacklöcher 5 poliert sind, was die Reibung der Luftströmungen an den Wänden verringert. Einzelne Merkmale dieser Art sind auf
andere Ausführungsbeispiele übertragbar, ohne vom Erfindungsgedanken abzuwei-
Claims
1 . Elektrische Maschine mit einem Kommutator aus einem auf der Ankerwelle der Maschine befestigten Lamellenträger (1 ) und einer Vielzahl von auf dem Umfang des Lamellenträgers (1 ) verteilt und voneinander isoliert befestigten Lamellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenträger (1 ) auf seiner gesamten Mantellänge unmittelbaren Formschluss mit den Lamellen (2) hält und auf der vom Anker abweisenden Stirnseite (1 .1 ) mit einer Mehrzahl von gleichmäßig auf einer oder mehreren Kreislinien verteilten und im Wesentlichen in Richtung der Ankerwelle ausgerichteten Sacklöchern (5) versehen ist.
2. Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklöcher (5) mit einer gegenüber den Sacklöchern (5) erweiterten Eingangsöffnung (8) versehen sind.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (8) eine nach außen sich erweiternde Trichterform (9, 10, 14) aufweist.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trichterform
(14) derart asymmetrisch ausgebildet ist, dass ihre Eingangsöffnung (8) gegenüber dem Querschnitt des zugehörigen Sackloches (5) gegen die Drehrichtung (12) des Ankers versetzt ist.
5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Trichterform (14) eine von einem Kreis abweichende Form aufweist.
6. Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklöcher (5) eine von einer Zylinderform abweichende Form aufweisen. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abweichende Form eine Kegelform ist.
Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (8) von der Achse (7) der Ankerwelle weiter entfernt ist als der Boden (23) des Sackloches (5).
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