Die Erfindung geht aus von einer Stromwendevorrichtung für elektrische Maschinen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Solche Stromwendevorrichtungen, wie sie beispielsweise in der DE 40 16 663 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.
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.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Stromwendevorrichtung möglich.
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.
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.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Stromwendevorrichtung für eine elektrische Maschine umfaßt einen Kommutator 10, der drehfest 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.
Die Bürsten 11 sind in Bürstenköchern 15 axial verschieblich aufgenommen, wobei die Bürstenköcher 15 an einem im Maschinengehäuse drehfest 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.
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 - 0,6 mm und die Rillentiefe t, also der Abstand von Zahnspitze und Zahngrund, ca. 0,1 - 0,4 mm 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.
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.
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 Bürsten 11 auswirkt.
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 Bürsten 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 Bürsten 11 ist die in Drehrichtung vordere Kante der Bürsten 11. Auch diese Gestaltung der Aufpreßfläche 111 der Bürsten 11 verbessert das Schwingungsverhalten der Bürsten 11 im Betrieb der elektrischen Maschine.