WO2016189008A1 - Kommutator für einen bürstenkommutierten elektromotor mit verlängertem kommutierungsintervall - Google Patents

Kommutator für einen bürstenkommutierten elektromotor mit verlängertem kommutierungsintervall Download PDF

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András VERNES
Georg Vorlaufer
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Ac2T Research Gmbh
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    • H02K13/10—Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation

Definitions

  • the invention relates to a disk commutator and a drum commutator for an electric motor with at least two commutator blades, which in turn comprise an abrasive surface segment for contacting a carbon brush, wherein the abrasive surface segments are electrically separated from one another.
  • the object of the present invention is therefore to design a commutator for electric motors in such a way that an improved commutation behavior is achieved.
  • This object is achieved by referring to a pulley commutator in conjunction with the preamble of claim 1 in that the electrical separation of the grinding surface segments is inclined at an angle ⁇ to a commutator diameter.
  • the invention is solved in conjunction with the preamble of claim 3 in that the electrical separation of the key surfaces in the longitudinal direction of the drum commutator inclines at an angle .beta.
  • Drum commutator includes. Due to the new geometry of the commutator, d. H.
  • the electrical separation in practice corresponds to a gap between two grinding surface segments - a longer commutation time is achieved ,
  • the angular interval is increased, in which the carbon brush is in contact with (a plurality of grinding surface segments of) a plurality of commutator bars - and thereby increases the duration (commutation duration) in which at least one coil is short-circuited.
  • the electrical separation between the individual grinding surface segments does not extend from the commutator axis of rotation radially outward, but is inclined at an angle ⁇ with respect to the commutator diameter.
  • the optimization is based on the calculation of an optimal geometry for the longest possible commutation time of the grinding surface segments under consideration of cost-effective manufacturability.
  • the angles .alpha. Or .beta. Therefore have values which are optimized under the criterion of a possibly long commutation duration.
  • 1 shows the geometry of the grinding surface segments and the arrangement of their electrical separation (column) of a Scheib enkommutators according to the prior art
  • 2 shows the geometry of the grinding surface segments and the arrangement of their electrical separation (column) of the disk commutator according to the invention
  • FIG. 3 shows a three-dimensional view of the geometry of the closing surface segments and the arrangement of their electrical separation (column) of the disk commutator according to the invention with a carbon brush,
  • Fig. 6 a
  • the pulley commutator 1 shows schematically the geometry of the grinding surface segments 4 of a disk commutator 1 according to the prior art.
  • the pulley commutator 1 has eight commutator blades 3 with j there is an abrasive surface segment 4, the individual commutator blades 3 and their abrasive surface segments 4 being separated from each other by radially extending electrical separations 6 (gaps). This results in a achsensymmetri cal subdivision of the disc surface in turn achsensymmetri cal grinding surface segments. 4
  • the electrical separations 6 (gaps) between the commutator disks 3 and the grinding surface segments 4 are inclined at an angle ⁇ to a commutator diameter.
  • 3 shows a three-dimensional view of the geometry of the grinding surface segments 4 of the disk commutator 2 according to the invention with a carbon brush 8.
  • FIG. 5 shows the decay behavior of the current of a coil through the transverse resistance of the brush, simulated on the new commutator 2 (inventive commutator geometry) and on the commutator 1 according to the prior art for comparison. It can be seen that, based on the relative decay behavior of the current, it is approximately 1 5% higher reduction is achieved. It can be seen from the time axis (X-axis) in FIG. 5 that the commutation at the same rotational speed (9000 rpm) on the novel commutator 2 is approximately 0.1 ms, thus approximately 10 % s lasts on the geometry of the prior art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheibenkommutator und einen Trommelkommutator für einen Elektromotor mit mindestens zwei Kommutatorlamellen, die jeweils ein Schleifflächensegment zur Kontaktierung einer Kohlebürste aufweisen, wobei die Schleifflächensegmente elektrisch voneinander getrennt sind. Bei dem Scheibenkommutator verläuft die elektrische Trennung zwischen den Schleifflächensegmenten unter einem Winkel α geneigt zu einem Kommutator-Durchmesser. Bei dem Trommelkommutator ist die elektrische Trennung der Schleifflächensegmente in Längsrichtung des Trommelkommutators geneigt und schließt einen Winkel ß mit einer Projektion der Trommelkommutator-Drehachse auf die Mantelfläche des Trommelkommutators ein.

Description

Kommutator für einen bürstenkommutierten Elektromotor mit verlängertem
Kommutierungsintervall
Die Erfindung b etrifft einen Scheibenkommutator und einen Trommelkommutator für einen Elektromotor mit mindestens zwei Kommutatorlamellen, die j eweil s ein Schleifflächensegment zur Kontaktierung einer Kohlebürste aufwei sen, wobei die Schleifflächensegmente elektri sch voneinander getrennt sind .
Durch die Rotationsbewegung eines Elektromotors mit Kohlebürsten werden b ei der Kommuti erung (Stromwendung) zwei oder mehrere benachbarte Kommutatorlamellen kurzgeschlossen. Das bewirkt, dass di e Flussrichtung des Stromes in der kurzgeschlossenen Spule bezüglich der ursprünglichen Flussri chtung umgekehrt wird. Um die in der kurzgeschlossenen Spule gespeicherte Energie während der Stromwendung abzubauen, sollte die Kommutierung über eine möglichst lange Zeit andauern. Ist am Ende des Kommutierungsvorgangs, d. h. bei Trennung des Kurzschlusses zwi schen den benachb arten Kommutatorlamellen, der Strom der kurzgeschlossenen Spule noch nicht voll ständig gewendet, kann das zu einer Funkenausbildung zwi schen Kohlebürste und Kommutatorlamelle, und damit zu erhöhtem Materialabtrag, al so höherem
Verschleiß und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Kohlebürste, bzw. des Kommutators, führen. Darüber hinaus beeinflusst die Funken- ausbildung die Funktionalität und den Wirkungsgrad der Maschine negativ.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgab e zu Grunde, einen Kommutator für Elektromotoren so zu gestalten, dass ein verbessertes Kommutierungsverhalten erzielt wird . Di ese Aufgabe wird b ezogen auf einen Scheibenkommutator in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die elektri sche Trennung der Schleifflächensegmente unter einem Winkel α geneigt zu einem Kommutator-Durchmesser verläuft.
B ezogen auf einen Trommelkommutator wird die Erfindung in Verbin- dung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 3 dadurch gelöst, dass die elektri sche Trennung der Schl eiffl ächensegmente in Längsrichtung des Trommelkommutators geneigt einen Winkel ß mit einer Proj ektion der Trommelkommutator-Drehachse auf die Mantelfläche des Trommelkommutators einschließt. Durch die neue Geometri e des Kommutators, d . h. durch die gezielte Geometrie der Schleifflächensegmente mittel s erfindungsgemäßem Ausrichten der elektri schen Trennung zwi schen den einzelnen (Schl eifflächensegmenten der) Kommutatorlamellen - die elektri sche Trennung entspri cht in der Praxi s einem Spalt zwi schen zwei Schleifflächenseg- menten -, wird eine längere Kommutierungsdauer erreicht. Durch diese Maßnahme kann einer möglichen Funkenausbildung beim Öffnen der Lamellenkontaktierung vorgebeugt werden, was zu einer erhöhten Lebensdauer und verbesserten Laufeigenschaften der elektri schen Maschine führen kann. Insbesondere wird das Winkelintervall vergrößert, in dem die Kohlebürste in Kontakt mit (mehreren Schleiffl ächensegmenten von) mehreren Kommutatorlamellen i st - und dadurch die Zeitdauer (Kommutierungsdauer) erhöht, in der zumindest eine Spule kurzgeschlossen wird. Das hat zur Folge, dass die Quell spannung im Wirkungsast über weniger Spulenwiderstände abfällt und die Maschine dadurch eine - j e nach dem Verhältni s zwi schen Kontaktwiderstand und Spulenwiderstand - höhere elektri sche Lei stung aufnimmt.
Im Fall des Scheibenkommutators verläuft die elektri sche Trennung zwi schen den einzelnen Schleifflächensegmenten nicht mehr von der Kommutator-Drehachse radial nach außen, sondern i st um einen Winkel α gegenüber dem Kommutator-Durchmesser geneigt.
Im Falle des Trommelkommutators i st die elektri sche Trennung der Schleifflächensegmente - betrachtet auf der abgewickelten Mantelfläche - nicht mehr parallel zur Kommutator-Drehachse ausgerichtet, sondern schließt mit einer Proj ektion der Trommelkommutator-Drehachse auf di e Mantelfläche des Trommelkommutators einen Winkel ß ein.
Die Optimierung basiert auf der Berechnung einer für eine möglichst lange Kommutierungsdauer optimalen Geometri e der Schleiffl ächensegmente unter B erücksichtigung einer kostengünstigen Herstellbarkeit. Die Winkel α bzw. ß wei sen daher Werte auf, die unter dem Kriterium einer mögli chst langen Kommutierungsdauer optimiert sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung am B ei spiel eines Scheibenkommutators erläutern. Es zeigen :
Fig. 1 : die Geometrie der Schleifflächensegmente und die Anordnung deren elektri schen Trennung (Spalte) eines Scheib enkommutators nach dem Stand der Technik, Fig. 2 : die Geometrie der Schleifflächensegmente und die Anordnung deren elektri schen Trennung (Spalte) des erfindungsgemäßen Scheibenkommutators,
Fig. 3 : eine dreidimensi onale Ansicht der Geometrie der Schl eifflächensegmente und die Anordnung deren elektri schen Trennung (Spalte) des erfindungsgemäßen Scheibenkommutators mit einer Kohlebürste,
Fig. 4 : Simulationsergebni sse für Querwiderstände,
Fig. 5 : das Abklingverhalten des Stroms einer Spul e über die Wi derstände aus Fig . 4 und
Fig. 6 : eine abgewi ckelte Mantelfläche eines erfindungsgemäßen
Trommelkommutators mit der Geometrie der Schleifflächensegmente und die Anordnung deren elektri schen Trennung (Spalte) .
Fig. 1 zeigt schemati sch die Geometrie der Schleifflächensegmente 4 eines Scheib enkommutators 1 nach dem Stand der Technik. Der Scheibenkommutator 1 wei st acht Kommutatorl amellen 3 mit j eweil s einem Schleifflächensegment 4 auf, wobei die einzelnen Kommutatorlamellen 3 bzw. deren Schleifflächensegmente 4 durch radial verlaufende elektrische Trennungen 6 (Spalte) elektri sch voneinander getrennt sind. Hierdurch ergibt sich eine achsensymmetri sche Unterteilung der Scheibenfläche in wiederum achsensymmetri sche Schleifflächensegmente 4.
Demgegenüb er verlaufen bei der in Fig. 2 dargestellten Geometri e der Schleifflächensegmente 4 des erfindungsgemäßen Scheibenkommutators 2 die elektri schen Trennungen 6 (Spalte) zwi schen den Kommutatorlamellen 3 bzw. den Schleifflächensegmenten 4 unter einem Winkel α geneigt zu einem Kommutator-Durchmesser. Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Geometrie der Schleifflächensegmente 4 des erfindungsgemäßen Scheibenkommutators 2 mit einer Kohlebürste 8.
Im Vergleich zur Geometrie der Schl eifflächensegmente 4 eines Schei- benkommutators 1 nach dem Stand der Technik ergibt sich eine verlängerte Kommutierungsdauer (Fig. 4). Das bedeutet, dass bei gl eicher Drehzahl des Elektromotors eine l ängere Zeit zur Kommutierung des Stromes der kurzgeschlossenen Spul e zur Verfügung steht. Zudem kann eine höhere aufgenommene elektri sche Lei stung folgen. In Fig. 4 sind in einem Diagramm Simul ationsergebni sse für Querwiderstände einer Standard-Kohlebürste 8 al s Funktion des Drehwinkel s φ dargestellt.
Der berechnete Verlauf der Querwiderstände der Kohlebürste auf einem Kommutator 1 nach dem Stand der Technik i st dem Verlauf auf dem optimierten Kommutator 2 (erfindungsgemäße Kommutatorgeometrie) gegenübergestellt. Aus diesen Verl äufen i st zu erkennen, dass sich der Widerstand am Anfang und am Ende des Kommutierungsvorgangs (Drehwinkel l °-6° und 62°-68°) erhöht. Dies ergibt sich daraus, dass die nominellen Kontaktflächen in diesen Bereichen der Stromwendung bei der optimierten Kommutatorgeometrie kleiner sind al s bei der aus dem Stand der Technik b ekannten Geometrie. Darüber hinaus kann man an der X-Achse in Fig. 4 (Drehwinkel φ) erkennen, dass der Kontakt zwischen Kohlebürste 8 und Schleifflächensegment 4 der Kommutatorlamelle 3 auf dem neuartigen Kommutator um 13 ° verlängert i st gegenüber der bekannten Geometrie nach dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt das Abklingverhalten des Stromes einer Spule durch den Querwiderstand der Bürste, simuliert auf dem neuen Kommutator 2 (erfindungsgemäße Kommutatorgeometrie) und auf dem Kommutator 1 nach dem Stand der Technik zum Vergleich. Es i st zu erkennen, dass bezogen auf das relative Abklingverhalten des Stromes eine um ca. 1 5 % höhere Reduktion erreicht wird. An der Zeit-Achse (X-Achse) in Fig. 5 i st zu erkennen, dass di e Kommutierung b ei gleicher Drehzahl (9000 U/min) auf dem neuartigen Kommutator 2 ca. 0, 1 ms, al so ca. 10 % länger dauert al s auf der Geometrie nach dem Stand der Technik. Fig. 6 zeigt eine abgewickelte Mantelfläche eines erfindungsgemäßen Trommelkondensators 12. Die elektri schen Trennungen 6 (Spalte) zwischen den Schl eifflächensegmenten 4 der Kommutatorlamell en 3 schließen mit einer Proj ektion der Trommelkommutator-Drehachse 14 auf die Mantelfläche des Trommelkommutators ( 12) einem Winkel ß ein.

Claims

Patentansprüche
1. Scheibenkommutator (2) für einen Elektromotor mit mindestens zwei Kommutatorlamellen (3), die jeweils ein Schleifflächensegment (4) zur Kontaktierung einer Kohlebürste (8) aufweisen, wobei die
Schleifflächensegmente (4) elektrisch voneinander getrennt (6) sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass die elektrische Trennung (6) der Schleifflächensegmente (4) unter einem Winkel α geneigt zu einem Kommutator-Durchmesser verläuft.
2. Scheibenkommutator (2) für einen Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Winkel α einen Wert aufweist, der unter dem Kriterium einer möglichst langen Kommutierungsdauer optimiert ist.
3. Trommelkommutator (12) für einen Elektromotor mit mindestens zwei Kommutatorlamellen (3), die jeweils ein Schleifflächensegment (4) zur Kontaktierung einer Kohlebürste aufweisen, wobei die
Schleifflächensegmente (4) elektrisch voneinander getrennt (6) sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Trennung (6) der Schleifflächensegmente (4) in Längsrichtung des Trommelkommutators (12) geneigt einen Winkel ß mit einer Projektion der Trommelkommutator-Drehachse (14) auf die Mantelfläche des Trommelkommutators (12) einschließt. Trommelkommutator (12) für einen Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Winkel ß einen Wert aufweist, der unter dem Kriterium einer möglichst langen Kommutierungsdauer optimiert ist.
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