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.