DE1613093C3 - Kommutator für Gleichstrommaschinen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator für Gleichstrommaschinen, insbesondere solche für Kreisel- und Trägheitsplattformen, deren Ankerwicklungen in axial verlaufenden Nuten eines ringförmigen Rotors eingelegt sind, welcher konzentrisch um einen ringförmigen, auf seiner äußeren Mantelfläche mit Permanentmagneten versehenen Stator drehbar ist, wobei die Lamellenflächen des Kommutators senkrecht zur Rotorachse liegen und von einer Isoliermasse unter

stützt sind, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Kommutatoren mit senkrecht zur Rotationsachse liegenden Kommutatorlamellen, die von einer Isoliermasse unterstützt an axial außerhalb des Rotors angeordneten Bürsten schleifen, sind bekannt (GB-PS 902 557). Ferner sind Anker für elektrische Maschinen bekannt, bei denen jeweils zwei Ankerleitungsenden zu rechteckigen Segmenten zusammengefaßt sind, welche, in Imfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse des Ankers gleichmäßig verteilt, mit ihren äußeren axialen oder radialen Kontaktflächen an Bürsten anliegen, die außerhalb des von den Segmenten umgrenzten Raumes angebracht sind (US-PS 1 416 256).

Dieser bekannte Kommutator bzw. Anker ist jedoch nur für elektrische Maschinen mit innen laufendem Rotor geeignet. Außerdem verhindern die axial oder radial außen liegenden Bürsten eine kompakte Anordnung der Rotor-Stator-Anordnung.
Aus der DT-PS 920 431 geht eine elektrische Maschine mit einem außenliegenden ringförmigen Rotor als bekannt hervor, der einen als Mantelkommutator ausgebildeten zylindrischen Kommutator aufweist, auf dessen Innenseite die Bürsten angreifen. Die derart getroffene Kommutatoranordnung schließt jedoch auch bei dieser bekannten Maschine eine kompakte, flache Bauform aus, wie sie insbesondere für Gleichstrommaschinen für Kreisel- und Trägheitsplattformen gefordert wird.

Bei herkömmlichen Gleichstrommaschinen ist darüber hinaus jede Lamellenfläche des Kommutators mit dem einen Ende einer Zuführungsleitung verlötet, deren anderes Ende mit jeweils zwei der Wicklungen verlötet ist. Bei derartigen Gleichstrommaschinen besteht daher wegen der großen Zahl von Verbindungsstellen die Gefahr kalter Lötstellen. Beispielsweise hat eine übliche zwölfpolige Maschine oft 49 Kommutatorstäbe mit 49 Zuleitungsdrähten und 98 Lötverbindungen. Durch Verringerung der Anzahl dieser Verbindungen kann die Zuverlässigkeit wesentlich heraufgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kommutator der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der zu kompakt aufgebauten und zuverlässig arbeitenden Gleichstrommaschinen führt.

Dies ist erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Rotor als Hohlring mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist, welcher die Permanentmagneten und die Ankerwicklungen einschließt, und daß die an den Stirnseiten der Permanentmagneten vorgesehenen Bürsten auf Kommutatorsegmentflächen schleifen, welche von den radial nach außen ragenden Schenkeln L-förmiger Metallstäbe gebildet sind, deren axial gerichteter zweiter Schenkel in die zugehörige Ankerwicklungsnut eingreift und mit jeweils einem Ende der Ankerwicklung in dieser Nut un der Ankerwicklung in der benachbarten Nut verbunden ist, wobei die radialen Schenkel mit der Außenseite an der Stirnfläche einer ringförmigen Isolierscheibe befestigt sind.

Die L-förmigen Metallstäbe sind in ihrem mittleren Bereich vorzugsweise jeweils mit einer Isolierschicht bedeckt und aus Metallfolienstreifen mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm gebildet.

Des weiteren ist es vorteilhaft, die L-förmigen Metallstäbe jeweils in Umfangsrichtung mit verbreiterten

^fi5 Kontaktflächen für die Bürsten zu versehen sowie in die Nuten Isolierfolien einzulegen, die die Verbindungsstellen zwischen Metallstab und Wicklungsenden umhüllen.

Der erfindungsgemäße Kommutator wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß auf eine ringförmige Isolierscheibe eine ebenfalls ringförmige Metallfolie etwa gleichen Innendurchmessers und mit wesentlich größerem Außendurchmesser aufgebracht wird, aus der durch einen Ätzprozeß einzelne radiale Streifen hervorgebracht werden, wonach die äußeren Enden der Streifen um 90° aufgebogen werden.

Beim erfindungsgemäßen Kommutator können die L-förmigen Kommutatorstäbe einerseits in axialer Richtung bis zu den Ankerwicklungen herangeführt werden und andererseits radiale Kontaktlamellen bilden.

Der erfindungsgemäße Kommutator ermöglicht den Bau platzsparender, flacher Gleichstrommotoren, wie sie insbesondere für Kreisel- und Trägheitsplattformen Verwendung finden. Darüber hinaus wird durch das Heranführen der L-förmigen Metallstäbe des Kommutators an die Ankerwicklungen die Zahl der Lötstellen verringert, was sich in einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Kommutator versehenen Gleichstrommaschinen niederschlägt.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Gleichstrommaschine,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

F i g. 3 einen Ausschnitt aus F i g. I in größerem Maßstab, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 3,

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 der F i g. 3 und

F i g. 6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 der F i g. 3.

Wie in der Zeichnung dargestellt, besteht die Gleichstrommaschine 10 aus einem Stator 12 mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 20 und einem Bürstenpaar 58, 60 sowie aus einem demgegenüber drehbaren Rotor 28 mit einem Anker 40 und einem Kommutator 52. Eine Maschine dieses Typs ist in der USA.-Patentschrift 3 178 599 beschrieben.

Der aus magnetisch permeablem Material bestehende Stator 12 hat einen inneren zylindrischen Mantel 14 mit einer Achse 15, einen dazu koaxialen äußeren zylindrischen Mantel 16, der den magnetischen Rückschluß bildet, sowie eine konzentrische ringförmige Stirnwand 18. Die die Polstücke bildenden Permanentmagnete 20 sind auf der in radialer Richtung äußeren Seite des Mantels 16 des Stators 12 angebracht. In der dargestellten Ausführungsform sind vorzugsweise zwölf Magnete vorgesehen, die eine zwölfpolige Magnetgruppe bilden. Konzentrisch in dem Mantel 14 ist ein Lager 22 angeordnet, das zwischen einer Schulter 24 in dem Mantel 14 und einer gegenüberliegenden Mutter 26 eingespannt ist.

Der Rotor 28 wird von dem Lager 22 getragen. Er besteht ebenfalls aus magnetisch permeablem Material und ist zu dem Stator 12 bezüglich der Achse 15 koaxial angeordnet; er weist einen inneren zylindrischen Mantel 30, einen äußeren zylindrischen Mantel 32 und eine ringförmige Stirnwand 34 auf. Der Mantel 30 ist mit einem Absatz 36 versehen und trägt zur Befestigung des Lagers 22 auf der anderen Seite eine Mutter oder einen Klemmring 38.

Der von dem Rotor 28 getragene, gewickelte vielpolige Anker 40 umfaßt einen aus einzelnen Blechen bestehenden Ankerring 42 mit einer Vielzahl von Nuten 44 und von Wicklungen 46; in der gezeigten Ausführungsform hat er 49 Nuten und 49 Wicklungen, die mit den zwölf Magneten zusammenarbeiten.

Der Kommutator 52 wird von dem Ankerring 42 bezüglich der Achse 15 konzentrisch getragen und liegt an der Wand 34 an.

Die von den Magneten 20 unterstützten Bürsten 58, 60 sind mit einem Haltering 62 verbunden, der auf der axial äußeren Fläche der Magnete 20 aufgekittet ist. Die Bürste 58 ist in der Zwölf-Uhr-Stellung der F i g. 2 angeordnet und führt dem Kommutator 52 den Strom zu, während die Bürste 60 nahe der Sechs-Uhr-Stellung der F i g. 2 vorgesehen ist und den Strom aus dem Kommutator 52 wegleitet. Die Bürste 58 hat eine Zuleitung 64 und die Bürste 60 eine Zuleitung 66. Die Bürsten 58, 60 sind vorzugsweise federnd unterstützt und haben eine Kontaktfläche aus Silbergraphit.

Die Wicklungen 46 setzen sich aus mehreren Windungen eines Stranges eines fortlaufend gewickelten Drahtes zusammen und sind in Serie geschaltet. Jede Wicklung 46 umschließt vier Pole und überlappt vier benachbarte Wicklungen. Ihr Ende 68 (Fig.4) ist jeweils mit einem Ende 70 der in der Reihe folgenden Wicklungen verbunden.

Der Stator 12 ist ferner mit einem Deckel 73 versehen, der auf der radial äußeren Seite des Mantels 16 abnehmbar montiert ist und einen Schlitz 71 aufweist, durch den die Zuleitungen 64 und 66 geführt sind.

Weitere Einzelheiten der Bauweise der Maschine 10 sind in der erwähnten USA.-Patentschrift 3 178 599 beschrieben.

Erfindungsgemäß weist der sternförmige, mit dem Anker 40 bezüglich der Achse 15 konzentrische Kommutator 52 eine ringförmige Isolierscheibe 72 auf, die eine Vielzahl von auf ihr befestigten L-förmigen Metallstäben 74 unterstützt. ■ , ....

Die Stäbe 74, die in Umfangsrichtung bezüglich der Achse 15 gleichmäßig verteilt sind und vorzugsweise aus Metallfolienstreifen nach Art einer gedruckten Schaltung ausgeführt sind, haben jeweils radial nach außen ragende Schenkel 76, axial gerichtete Schenkel 78 sowie einen L-förmig gebogenen mittleren Bereich 80, der die Schenkel 76 und 78 miteinander verbindet.

Die Schenkel 76 weisen Außenseiten 82 und Kommutatorsegmentflächen 84 auf. Die Kommutatorsegmentflächen 84 der Schenkel 76 verlaufen zu den Außenseiten 82 parallel und liegen an den gegenüberstehenden Flächen der Bürsten 58,60 auf. Die Schenkel 76 haben im Profil die Form eines Spatens oder Trapezes, wobei die größere Breite in Umfangsrichtung eine größere Kontaktfläche für die Bürsten 58,60 darstellt.

Die Schenkel 78 sind jeweils reibschlüssig in die Nuten 44 eingelegt, tragen somit den Kommutator 52 vom Anker 40 her und machen besondere Isolierhalterungen überflüssig. Die Schenkel 78 bilden ferner jeweils Drei-Weg-Verbindungen mit den Wicklungsenden 68, 70, wobei die Verbindungsstellen 86 zur leichteren Abisolierung und Unterstützung gegen Erschütterungen innerhalb der Nuten 44 angeordnet sind. Auf diese Weise werden besondere Zuführungsdrähte von den Verbindungsstellen der Wicklungsenden durch die Nuten zum Kommutator vermieden, wie sie bei Maschinen der herkömmlichen Art erforderlich sind. Außerdem kann jeweils ein Paar von Lötverbindungen für jeden dieser bei den bekannten Maschinen benötigten Zuführungsdrähte eingespart werden. Verglichen mit den bekannten Maschinen werden also durch die erfindungsgemäße Bauweise 49 besondere Verbindungs-

drähte mit 49 eigenen Lötstellen vermieden. Dadurch werden die Zuverlässigkeit der Maschine 10 erhöht und die Herstellungskosten verringert. Die Schenkel 78 haben ferner äußere Flächen 88, die in radialer Richtung nach außen weisen, wodurch sich das Lot 87 an den Verbindungsstellen 86 zwischen den Wicklungsenden 68 und 70 einerseits und diesen Flächen 88 andererseits leichter aufbringen läßt.

Die Isolierscheibe 72 hat eine Stirnfläche 90, auf die die Schenkel 76 mit ihrer Außenseite 82 aufgekittet sind. Bei dieser Bauweise stellt der Kommutator 52 eine topfförmige Einheit mit festem Profil dar. Zur weiteren Halterung gegen Erschütterungen ist die Isolierscheibe 72 vorzugsweise auch auf die Wand 34 aufgekittet.

Die mittleren Bereiche 80 der Metallstäbe 74 weisen Isolierschichten oder -überzüge 92 auf, die vorzugsweise auf die äußeren Flächen aufgebracht sind, um die Abschnitte gegenüber dem Ring 42, dem Mantel 32 und der Wand 34 zu isolieren. Die Überzüge 92 sind aus hitzebeständigem, elektrisch isolierenden Material wie Epoxydharz od. dgl. hergestellt.

Die Wicklungsenden 68, 70 und die Stäbe 74 sind an denjenigen Stellen, an denen sie in die Nuten 44 eingelegt sind, zur Isolierung der Verbindungsstellen 86 in eine Isolierfolie 94 eingewickelt. Die Folie 94 isoliert auch Teile der in der Nut angeordneten Wicklung 46 und vermittelt einen Haftsitz der Schenkel 78 innerhalb der Nuten 44. Eine gegossene Isolation 96 bedeckt alle Teile der Wicklungen 46 innerhalb und außerhalb der Nuten, Die Isolation 96 besteht aus kreisförmigen Ringteilen, die an den axial äußeren Seiten des Ankers 40 angeordnet sind. Die Stäbe 74 sind den äußeren Flächen der benachbarten Teile der Isolation 96 gemäß F i g. 3 angepaßt, so daß Verschiebungen zwischen dem Kommutator 52 und dem Anker 40 so klein wie möglich gemacht werden und eine steife Kommutator-Anker-Einheit erreicht wird.

Zur Herstellung des Kommutators 52 eignet sich vorzugsweise das folgende Verfahren:
1. Eine dünne ringförmige Kupferfolie wird auf die Stirnfläche einer ringförmigen Isolierscheibe aufgebracht, die im wesentlichen den gleichen Innendurchmesser, aber einen geringeren Außendurchmesser aufweist als die Folie.

ίο 2. Durch ein herkömmliches Verfahren wie bei der Herstellung gedruckter Schaltungen, beispielsweise einen Ätzprozeß, werden gleichmäßig verteilte radiale Streifen aus der Metallfolie entfernt bzw. herausgeätzt, so daß eine Vielzahl von radial gleichmäßig verteilten Metallfolienstreifen übrig

bleibt, deren radial innen gelegene Abschnitte von der ringförmigen Isolierscheibe getragen werden.
3. Die äußeren Enden der Metallfolienstreifen werden um 90° gebogen, so daß die radial verlaufenden Schenkel im wesentlichen in der Ebene der besagten Isolierscheibe liegen, an der sie befestigt sind, und die axial verlaufenden Schenkel auf dieser Ebene im wesentlichen senkrecht stehen und von der Isolierscheibe hervorstehen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Maschine 10 im Vergleich zu Maschinen nach dem Stand der Technik infolge der verringerten Anzahl von Kommutatoranschlüssen und der geringeren Zahl von Bauteilen insbesondere durch Vermeidung der Zuleitungsdrähte zwischen Kommutator und Wicklungen eine höhere Zuverlässigkeit aufweist; gleichzeitig werden besondere Halterungsmittel zwischen dem Kommutator und dem Anker eingespart. Die erhöhte Zuverlässigkeit der Maschine beruht auch darauf, daß die Verbindungsstellen zwischen Kommutator und Wicklungen erschütterungsfest angebracht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kommutator für Gleichstrommaschinen, insbesondere solche für Kreisel- und Trägheitsplattformen, deren Ankerwicklungen in axial verlaufenden Nuten eines ringförmigen Rotors eingelegt sind, welcher konzentrisch um einen ringförmigen, auf seiner äußeren Mantelfläche mit Permanentmagneten versehenen Stator drehbar ist, wobei die Lamellenflächen des Kommutators senkrecht zur Rotorachse liegen und von einer Isoliermasse unterstützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Hohlring mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist, welcher die Permanentmagneten (20) und die Ankerwicklungen (46) einschließt, und daß die an den Stirnseiten der Permanentmagneten (20) vorgesehenen Bürsten (58, 60) auf Kommutatorsegmentflächen (84) schleifen, welche von den radial nach außen ragenden Schenkeln (76) L-förmiger Metallstäbe (74) gebildet sind, deren axial gerichteter zweiter Schenkel (78) in die zugehörige Ankerwicklungsnut (44) eingreift und mit jeweils einem Ende (68, 70) der Ankerwicklung (46) in dieser Nut (44) und der Ankerwicklung (46) in der benachbarten Nut (44) verbunden ist, wobei die radialen Schenkel (76) mit der Außenseite (82) an der Stirnfläche (90) einer ringförmigen Isolierscheibe (72) befestigt sind.

2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe (74) im mittleren Bereich (80) jeweils mit einer Isolierschicht (92) bedeckt sind.

3. Kommutator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe (74) aus Metallfolienstreifen mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm bestehen.

4. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe (74) jeweils eine in Umfangsrichtung verbreiterte Kontaktfläche für die Bürsten (58,60) aufweisen.

5. Kommutator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nuten (44) eine die Verbindungsstellen (86) zwischen Metallstab (74) und Wicklungsenden (68, 70) umhüllende Isolierfolie (94) eingelegt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine ringförmige Isolierscheibe eine ebenfalls ringförmige Metallfolie etwa gleichen Innendurchmessers und mit wesentlich größerem Außendurchmesser aufgebracht wird, aus der durch einen Ätzprozeß einzelne radiale Streifen hervorgebracht werden, wonach die äußeren Enden der Streifen um 90° aufgebogen werden.