Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einer Stromwendevorrichtung für elektrische Maschinen
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
[0002] Solche Stromwendevorrichtung, wie sie beispielsweise in der DE 40 16 662 C2 beschrieben
sind, besitzen üblicherweise einen zylinderförmigen Kommutator, auch Kollektor oder
Stromwender genannt, der aus einer Vielzahl von axial ausgerichteten Lamellen zusammengesetzt
ist, die gegeneinander isoliert sind und an jeweils einer Windung einer Ankerwicklung
angeschlossen sind. Die Ankerwicklung ist in in einem Eisenblechpaket ausgestanzten
Ankernuten eines Rotors oder Läufers aufgenommen, der zusammen mit dem Kommutator
drehfest auf einer Rotor-, Anker- oder Läuferwelle sitzt, die bei elektrischen Motoren
die Abtriebswelle und bei elektrischen Generatoren die Antriebswelle der elektrischen
Maschine darstellt. Die Bürsten, als Kohle-, Stromwender-, Kollektor- oder Kommutatorbürsten
bezeichnet, sind in sog. Bürstenköchern axial verschieblich aufgenommen und werden
durch sog. Bürstenfedern mit ihrer dem Kommutator zugekehrten Andruck- oder Aufpreßfläche
auf den Außenmantel des Kommutators aufgepreßt. Die radial ausgerichteten Bürstenköcher
sind an einem Bürstenhalter befestigt. Bei rotierendem Kommutator führen die Bürsten
je nach Bauart des Bürstenhalters mehr oder weniger große Schwingungen aus, die zu
einer nicht unbeträchtlichen Geräuschentwicklung führen. Gleichzeitig wird aber dadurch
auch der Stromübergang zwischen Kollektorlamellen und den Bürsten beeinträchtigt,
was zu einer höheren Stromdichte an der Übergangsstelle führt, die sich wiederum negativ
auf den Verschleiß und die Lebensdauer der Bürsten sowie auf den Wirkungsgrad der
Maschine auswirkt.
Vorteile der Erfindung
[0003] Die erfindungsgemäße Stromwendevorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß durch
die konkave Ausformung des Kommutators längs seines Außenmantels die Schwingungsamplitude
der Bürsten in axialer Richtung erheblich eingeschränkt werden. Dies wird noch dadurch
verbessert, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Außenmantel
des Kommutators mit einer Rillung oder Riffelung versehen wird, die eine Art Zwangsführung
der Bürsten auf der Kommutatoroberfläche bewirkt. Diese Zwangsführung ist optimal,
wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Aufpreßfläche der Kommutatorbürsten
mit einer gleichartigen Rillung oder Riffelung versehen wird, so daß die Bürsten über
die beiden nunmehr in Eingriff stehenden Rillungen oder Riffelungen quasi in Umfangsrichtung
des Kommutators spurgeführt sind. Bei nicht mit einer Rillung versehenen Bürsten wird
sich eine solche Spurführung erst nach kurzem Gebrauch mit dem ersten Abrieb der Bürsten
in der Größenordnung der Rillentiefe einstellen.
[0004] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Stromwendevorrichtung möglich.
[0005] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Lamellen des Kommutators
schräg zur Kommutatorachse ausgerichtet. Durch dieses Schrägstellen der Kommutatorlamellen
wird der Gleitübergang der Bürsten von einer Lamelle zu nächsten verbessert und sog.
Lamellensprünge, die aus toleranzbedingten, unterschiedlichen Radialhöhen der Kommutatorlamellen
resultieren, abgemildert, wodurch das Schwingungsverhalten der Bürsten in Radialrichtung
verbessert wird.
[0006] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Aufpreßfläche der
Bürsten so ausgebildet, daß ihre axiale Breite von der auflaufenden Kante aus über
mindestens einen Teil der in Drehrichtung des Kommutators sich erstreckenden Tiefe
der Aufpreßfläche stetig zunimmt. Die auflaufende Kante der Bürste ist die in Drehrichtung
des Kommutators vorn liegende Kante der Bürsten. Mit dieser konstruktiven Gestaltung
der Bürsten-Aufpreßfläche wird ein ähnlicher Effekt, wie vorstehend beschrieben, erzielt
und damit ebenfalls die Schwingung der Bürsten in Radialrichtung gedämpft.
Zeichnung
[0007] Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
- Fig. 1
- eine Seitenansicht einer Stromwendevorrichtung für eine elektrische Maschine,
- Fig. 2 und 3
- jeweils eine Seitenansicht eines Kommutators der Stromwendevorrichtung in Fig. 1 gemäß
zweier weiterer Ausführungsbeispiele,
- Fig. 4
- eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts IV in Fig. 2 im Längsschnitt,
- Fig. 5
- eine gleiche Darstellung wie in Fig. 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- Fig. 6 bis 11
- jeweils eine Draufsicht einer Bürstenaufpreßfläche einer Bürste der Stromwendevorrichtung
in Fig. 1 in sechs verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0008] Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Stromwendevorrichtung für eine elektrische
Maschine umfaßt einen Kommutator 10, der drehtest auf einer hier nicht dargestellten
Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine sitzt, sowie mindestens zwei Bürsten
11 zur Stromführung, die undrehbar im Gehäuse der elektrischen Maschine gehalten sind.
Der Kommutator 10 ist aus einer Vielzahl von zur Kommutatorachse 18 axial ausgerichteten,
stromleitenden Kommutatorlamellen 12 zusammengesetzt, die in Umfangsrichtung des Kommutators
10 aneinanderliegen und gegeneinander isoliert sind. Die Isolierflächen sind mit 13
bezeichnet. An dem einen Stirnende des Kommutators 10 laufen die Lamellen 12 in Lamellenhaken
14 auf, die zum Anschluß der Rotorwicklung dienen.
[0009] Die Bürsten 11 sind in Bürstenköchern 15 axial verschieblich aufgenommen, wobei die
Bürstenköcher 15 an einem im Maschinengehäuse drehtest gehaltenen Bürstenhalter 16
so befestigt sind, daß die Bürsten 11 radial zum Kommutator 10 ausgerichtet sind.
Eine hier nicht dargestellte Bürstenfeder, die auf der vom Kommutator 10 abgekehrten
Stirnseite der Bürste 11 mit Federdruck aufliegt, preßt die Bürste 11 mit ihrer Aufpreßfläche
111 kraftschlüssig auf den Umfang des Kommutators 10 auf.
[0010] Um die beim Rotieren des Kommutators 10 entstehenden Bürstenschwingungen zu bedämpfen
und die Schwingungsamplitude möglichst klein zu halten, ist der Außenmantel des Kommutators
10 nicht zylinderförmig ausgeführt, sondern konkav geformt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Kommutator 10 ist noch zusätzlich der Außenmantel mit einer Riffelung oder Rillung
17 versehen, die in Fig. 4 ausschnittweise vergrößert im Schnitt dargestellt ist.
Wie dort zu erkennen ist, ist die Rillung 17 als Geradverzahnung mit symmetrischen
Zahnflanken ausgeführt, wobei der Rillenabstand a, also der Abstand zwischen zwei
Zahnspitzen, ca. 0,2 - 0,6mm und die Rillentiefe t, also der Abstand von Zahnspitze
und Zahngrund, ca. 0,1 - 0,4mm beträgt. In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine Rillung 17 dargestellt. Hier weist die Rillung eine sinusförmige Wellung
auf, wobei der Rillenabstand a und Rillentiefe t wie in Fig. 4 bemessen sind.
[0011] Wie hier nicht weiter dargestellt ist, ist es vorteilhaft, auch die Aufpreßfläche
111 der Bürsten 11 mit einer solchen Rillung, wie beschrieben, zu versehen, so daß
beim kraftschlüssigen Aufpressen der Bürsten 11 auf den Kommuator 10 die an der Aufpreßfläche
111 vorhandene Rillung und die Rillung 17 am Kommutator 10 ineinandergreifen, wodurch
die Bürsten 11 über die beiden Rillungen quasi spurgeführt werden und in Richtung
der Kommutatorachse 18 nicht nennenswert schwingen können.
[0012] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Kommutator 10 sind die Lamellen 12 nicht wie bei
den beiden Kommutatoren 10 in Fig. 1 und 2 parallel zur Kommutatorachse 18 ausgerichtet,
sondern unter einem kleinen spitzen Winkel α gegen die Kommutatorachse 18 angestellt,
so daß sie zwar wiederum parallel zueinander aber zur Kommutatorachse 18 schräg verlaufen.
Durch diese Schrägstellung der Kommutatorlamellen 12 wird der Gleitübergang der Bürsten
11 von einer Lamelle 12 zur nächsten verbessert und sog. Lamellensprünge, die aus
toleranzbedingten, unterschiedlichen Radialhöhen der Kommutatorlamellen 12 resultieren,
wesentlich abgemildert, was sich günstig auf das Schwingungsverhalten der Bürste 11
auswirkt.
[0013] In Fig. 6 - 11 sind verschiedene Ausführungen der Aufpreßfläche 111 der Bürsten 11
dargestellt, wobei die Aufpreßfläche 111 der Querschnittsfläche der Bürsten 11 entspricht.
In Fig. 6 ist die Aufpreßfläche 111 elliptisch oder oval, in Fig. 7 trapezförmig und
in Fig. 8 keilförmig ausgebildet. In Fig. 9 ist die Aufpreßfläche aus einem ovalen
Flächenabschnitt 19 und einem rechteckförmigen Flächenabschnitt 20 zusammengesetzt.
In Fig. 10 weist die Aufpreßfläche 111 einen trapezförmigen Flächenabschnitt 21 und
einen rechteckförmigen Flächenabschnitt 20 auf, während die Aufpreßfläche 111 in Fig.
11 einen dreieckförmigen Flächenabschnitt 22 und einen rechteckförmigen Flächenabschnitt
20 hat. Der rechteckförmige Flächenabschnitt 20 kann in allen Ausführungsbeispielen
auch quadratisch ausgebildet werden. Allen Varianten der Aufpreßfläche 111 der Bürsten
11 ist gemeinsam, daß die axiale Breite der Aufpreßfläche 11, ausgehend von der auflaufenden
Kante 24 der Bürste 11 über mindestens einen Teil der in Drehrichtung des Kommutators
10 sich erstreckenden Tiefe der Aufpreßfläche 111 stetig zunimmt. In Fig. 6 - 11 ist
die Drehrichtung des Kommutators 10 durch den Pfeil 23 gekennzeichnet. Die auflaufende
Kante 24 der Bürste 11 ist die in Drehrichtung vordere Kante der Bürste 11. Auch diese
Gestaltung der Aufpreßfläche 111 der Bürsten 11 verbessert das Schwingungsverhalten
der Bürsten 11 im Betrieb der elektrischen Maschine.
1. Stromwendevorrichtung für elektrische Maschinen mit einem aus stromleitenden Lamellen
(12) zusammengesetzten Kommutator (10) und mit im wesentlichen radial zur Kommutatorachse
(18) ausgerichteten, stromführenden Bürsten (11), die mit Aufpreßdruck auf dem Außenmantel
des Kommutators (10) aufsitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel des Kommutators
(10) konkav geformt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel des Kommutators
(10) mit einer Rillung (17) versehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillung (17) eine Zahnung
mit symmetrischen Zahnflanken oder eine sinusförmige Wellung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillentiefe (t)
ca. 0,1 - 0,4mm und der Rillenabstand (a) ca. 0,2 - 0,6mm beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem
Außenmantel des Kommutators (10) aufliegende Aufpreßfläche (111) der Bürste (11) eine
gleiche Rillung trägt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen
(12) des Kommutators (10) schräg zur Kommutatorachse (18) ausgerichtet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale
Breite der auf dem Außenmantel des Kommutators (10) aufsitzenden Aufpreßfläche (111)
der Bürsten (11), ausgehend von der in Drehrichtung (23) des Kommutators (10) gesehen
auflaufenden Kante (24) aus, über mindestens einen Teil der in Drehrichtung (23) des
Kommutators (10) sich erstreckenden Tiefe der Aufpreßfläche (111) stetig zunimmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufpreßfläche (111) trapezförmig,
keilförmig oder oval ist oder aus einem rechteckigen oder quadratischen Flächenabschnitt
(20) und aus einem trapezförmigen, dreieckförmigen oder ovalen Flächenabschnitt (21,22,19)
zusammengesetzt ist.