Gleichstrommaschine In Gleichstrommaschinen mit Bürsten und Kommu tatoren entsteht allgemein Bürstenfeuer, welches den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigt, Geräusch verursacht und die Lebensdauer des Kommutators und der Bürsten herabsetzt. Das Bürstenfeuer verursacht auch Stromschwankungen, die sich in entsprechenden Drehzahlschwankungen des Motors auswirken.
Es ist bereits versucht worden, das Bürstenfeuer bei Gleichstrommotoren dadurch herabzusetzen, dass der Übergangswiderstand zwischen den Kommutatorsegmen ten und den Bürsten erhöht wird. Dabei bestehen die Kommutatorsegmente im allgemeinen aus Metall, bei- spidsweise Kupfer oder Phosphorbronze und die Bür sten aus Material mit geringer Leitfähigkeit, beispiels weise Kohle, Silber-Kohle oder dergileichen.
Da jedoch diese Bürsten mit jedem Kommutatorseg ment nur an einigen Punkten in Berührung stehen, wer den die Kontaktbedingungen unstabil, wenn. die Kon taktstellen sich schnell über die umlaufenden Kommu tatorsegmente verschieben, und es hat sich als schwierig erwiesen, mit diesen Massnahmen das Bürstenfeuer zu unterdrücken.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, eine Gleichstrommaschine, insbesondere einen Gleichstrommotor mit geringem Bürstenfeuer und damit hoher Lebensdauer, geräuscharmem Lauf und konstan ter Drehzahl zu schaffen. Die erfindungsgemässe Gleich strommaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Bürste eine Mehrzahl von elektrisch getrennten Bürsten elementen aufweist, die mit Kommutatorsegmenten in Berührung stehen, und dass Mittel vorgesehen sind, um verschieden starke Ströme durch die einzelnen Bürsten elemente zu leiten und damit das Bürstenfeuer zu ver kleinern.
Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise an hand der Zeichnungen näher erläutert.
Fi8. 1 zeigt schematisch ein herkömmliches Kom- mutationissystem, Fig. 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Spulenstroms während des Kommutationsvorgangs bei herkömmlichen Kommutationssystemen, Fig. 3 zeigt einen Gleichstrommotor mit erfindungs- gemässer Kommutationsvorrichtung, Fig. 4 ist eine vergrösserte Darstellung des Kommu tationssystems nach Fig. 3, Fig. 5 zeit den Aufbau der Bürsten der erfindungs- gemässen Kommutationsvorrichtung, Fig. 6 ist ein Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 5, Fig.
7 zeigt eine Ausführungsvariante der erfin- dungsgemässen Kommutationsvorrichtung und Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Er findung.
Bei dem in Fig. 1 in Abwicklung schematisch darge stellten herkömmlichen Kommutationssystem sind die Kommutatorsegmente I1, I2, I3, ... In um die Drehachse des Gleichstrommotors in bestimmten gegenseitigen Ab ständen angeordnet. Die Rotorwidklungen L1, L2, Ls ... Ln liegen in Serie zwischen den einzelnen Kommutator segmenten und weisen innere Widerstände R1, R2, R, ... Rn auf.
Wenn in diesem System der Kommutator in Rich tung des Pfeils in Fig. 1 bewegt wird und dabei die Bürste 2 vom Segment Il zum Segment I2 übertritt, wird die Wicklung L1 kurzgeschlossen, wenn die Bürste beide Kommutatorsegmente h und I, gleichzeitig berührt. Ausserdem kehrt die Stromrichtung um, wenn die Bürste 2 vollständig vom Kommutatorsegment h auf das Kommutatorsegment I, übertritt. Wenn somit der Übergangswiderstand zwischen den Kommutatorsegmen ten und der Bürste gering ist, treten in der Wicklung L1 rasche Stromänderungen auf, wie in Fig. 2 durch die treppenartige Kurve A angedeutet ist, so dass in der Wicklung L1 hohe Induktiongspannungen entstehen.
Im Augenblick des Ablaufens,der Bürste 2 von einem Kom- mutatorsegment entstehen daher Funken, die Geräusch verursachen und die Lebensdauer des Kommutators und der Bürsten herabsetzt.
Die Filg. 3 und 4 zeigen einen Gleichstrommotor 10 gemäss voAiegender Erfindung mit einem Stator S und einem Rotor 11. Der Rotor 11 ist auf der Welle 3 ange ordnet. Bei dieser Ausführung sind zwei Bürsten, die je aus einer Mehrzahl von Bürstenelementen bestehen, be züglich des Kommutators symmetrisch angeordnet und stehen an einer Stelle in Berührung mit dem Kommuta tor. Mit den einzelnen Bürstenelementen sind Wider stände in Serie geschaltet.
Die Anschlüsse der Rotor- wäcklungen sind mit den Kommutatorsegmenten ver bunden. Der Kommutator besteht aus einer Anzahl von Segmenten 4A, 4B, 4C ... 4N mit Flanschen 4A', 4B', 4C'... 4N', wie Fig. 4 zeigt. Die Segmente 4A ... 4N sind voneinander elektrisch isoliert und können die dar gestellte leichte Wendelform aufweisen. Die Wicklungs anschlüsse L1 ... Ln sind mit den Flanschen 4A' ... 4N' des Kommutators verbunden. Die beiden Bürsten 12, von welchen in den Fig. 3 und 4 nur je eine dargestellt isst, weisen Endteile 13 und 14 auf, die an mit dem Sta tor S verbundenen isolierenden Trägern 16 und 17 be festigt sind. Zwischen den Endteilen 13 und 14 ist je eine Anzahl streifenförmiger Bürstenelemente 7A, 7B, 7C ... 7N angeordnet.
Der grösste Teil der Bürstenele mente 7A ... 7N besteht aus gut leitendem Material, beispielsweise Beryllium-Kupfer, aber die Enden RA, RB, RC ... RN der Elemente 7A ... 7N beim Endteil 13 bestehen aus einem Material mit verhältnismässig hohem spezifischem Widerstand und liegen zwischen den Endteilen 13 und 14 in Serie mit den Elementen 7A ... 7N.
Die Bürsten 12 sind so angeordnet, dass jedes Ele ment 7A ... 7N den Kommutator berührst und bei Dre hung des Kommutators gleitest jedes Bürstenelement 7A ... 7N nacheinander über die verschiedenen Kom- mutatorsagmente. Die Stromzufuhr erfolgt über ein flexibles Kabel 18, von welchem der eine Leiter mit dem Endteil 13 verbunden ist.
Wenn die mit den Bürstenelementen in Serie ge schalteten Widerstände RA, RB, RC ... RN gleiche Werte aufweisen, entsteht ein Kommutationsverlauf ge- mäss Kurve B in Fig. 2. Es ist ersichtlich, dass gemäss Kurve B eine weniger plötzliche Änderung des Spulen stromes erfolgt als bei der herkömmlichen Kommutation gemäss Kurve A.
Es wurde ferner festgestellt, dass wenn der Wider standswert der in Serie geschalteten Widerstände RA, RB, RC ... RN vom Zentrum der Bürste nach beiden Seiten verschieden gewählt wird, eine lineare Strom änderung gemäss Kurve C in Fig. 2 erzielt werden kann. Wenn beispielsweise zehn Bürstenelemente 7A ... 7N vorhanden sind, so werden die Werte der Widerstände RA ... RN von der einen Seite der Bürste zur anderen 40, 20, 10, 5, 0, 0, 5, 10, 20 und 40 Ohm betragen. Diese Abstufung der ergibt eine lineare Stromänderung gemäss Kurve C in Fig. 2, wo durch die Induktionsspannungen auf ein Minimum her abgesetzt und damit Bürstenfeuer praktisch vermieden werden kann.
Fig. 5 und 6 zeigen ein Verfahren zur Herstellung der Bürgten 12. Eine Grundlatte 21 aus Isoliermaterial, beispielsweise oberflächlich oxidiertem Aluminium, wird mit einer dünnen. Widerstandsschicht RJ aus Oxyd ver sehen. Diese Widerstandsschicht RJ kann beispielsweise photographisch geätzt werden, um die einzelnen Wider stände RA ... RN zu bilden. Die Enden 11A der Widerstände RA ... RN können mit Silber oder einem anderen guten Leiter in der dargestellten Weise be schichtet werden. Die anderen Endender Widerstände RA ... RN können mit leitenden Streifen 11B be- schichtet werden. Die Beschichtung 11A ist für alle Widerstände RA ... RN gemeinsam, während einzelne Beschichtungen 11B in Serie mit den Widerständen ein Bürstenelement bilden. Die Beschichtungen 11B decken die Widerstände RA ...
RN auf verschiedene Längen ab, womit die erwünschten verschiedenen Widerstands werte entsprechend der verbleibenden Länge urbe- schichteter Streifen der Widerstandsschicht erzielt werden.
Fing. 7 zeigt, wie die Bürsten aus einem Blech 22 aus Beryllium Kupfer von beispielsweise 0,15 mm Dicke hergestellt werden können. Die Bürstenelemente 7A ... 7N können durch Ätzung und Anschluss jedes Elemen tes an einen Widerstand RA ... RN durch Schweissen oder Löten mittels Rhodium erzeugt werden. Wie be schrieben, werden gemäss vorliegender Erfindung Widerstände in Serie mit den einzelnen Bürstenelemen ten der Bürsten 12 geschaltet und jedes Bürstenelement steht an einer Stelle mit den Kommutätorsegmenten in Berührung und bildet dort einen Punktkontakt, welcher nacheinander von einem Kommutatorsegment zum nächsten wechselt. Dadurch wird erzielt, dass der Spu lenstrom allmählich gemäss einer Kurve oder einer Ge raden ändert.
Dadurch können die induktiven Spannun gen in den Wicklungen und damit das Bürstenfeuer wirksam herabgesetzt werden, und damit wird die Le bensdauer der Kommutationsvorrichtung erhöht und die Arbeitsweise des Motors stabilisiert. Durchgeführte Ver suche haben ergeben, dass bei Anwendung der Erfin durig bei einem Motor mit einer Lebensdauer von nur 1000-1500 Stunden die Lebensdauer auf über 3000 Stunden erhöht werden konnte.
Obwohl beim Ausführungsbeispiel Beryllium-Kupfer als Bürstenmaterial angegeben ist, kann selbstverständ lich anderes geeignetes Material verwendet werden, wel ches genügend verschleissfest und elastisch ist und wel- dhres Bünstenfeuer nach Möglichkeit unterdrückt. Die beschriebenen Massnahmen sind selbstverständlich auch dort anwendbar, wo die Kommutatorsegmente parallel zur Welle 3 stehen und nicht die Spiralform gemäss Fig. 3 und 4 aufweisen.
Wie Fig. 8 schematisch darstellt, können die Bür sten auch die Flanschen 4A' ... 4N' des Kommutators berühren und die Enden der Bürstenelemente 7A ... 7N können auf verschiedene Länge geschnitten sein.
Der Wert der Widerstände RA ... RN kann ver schieden gewählt werden und den mittleren Bürsiten- elementen können keine Widerstände vorgeschaltet sein. Es bestehen auch verschiedene Möglichkeiten, um die Widerstände mit den Bürstenelementen zu verbinden. Es ist auch möglich, den Kommutator aus Widerstands material herzustellen, beispielsweise aus Sintermateral aus Kohle und Ton.
Wie oben erläutert, ermöglicht die beschriebene Kommutationsvorrichtung, das Bürstenfeuer und die damfit verbundenen Geräusche praktisch zu vermeiden und eine isehr (hohe Lebensdauer der Kommutation:svor- richtung zu erziehen.
DC machine In DC machines with brushes and commutators, brush fire generally occurs, which affects the efficiency of the machine, causes noise and reduces the service life of the commutator and brushes. The brush fire also causes current fluctuations, which result in corresponding fluctuations in the speed of the motor.
Attempts have already been made to reduce the brush fire in direct current motors by increasing the contact resistance between the commutator segments and the brushes. The commutator segments are generally made of metal, for example copper or phosphor bronze, and the brushes are made of material with low conductivity, for example carbon, silver-carbon or the like.
However, since these brushes are only in contact with each commutator segment at a few points, if the contact conditions are unstable. the contact points move quickly over the circumferential commutator segments, and it has proven difficult to suppress the brush fire with these measures.
The present invention is based on the object of creating a DC machine, in particular a DC motor with low brush fire and thus long service life, low-noise operation and constant speed. The DC machine according to the invention is characterized in that each brush has a plurality of electrically separate brush elements that are in contact with commutator segments, and that means are provided to conduct currents of different strength through the individual brush elements and thus to ver the brush fire smaller.
In the following the invention is explained in more detail, for example with reference to the drawings.
Fi8. 1 schematically shows a conventional commutation system, FIG. 2 is a diagram to illustrate the coil current during the commutation process in conventional commutation systems, FIG. 3 shows a direct current motor with a commutation device according to the invention, FIG 3, 5 show the structure of the brushes of the commutation device according to the invention, FIG. 6 is a section along line VI-VI in FIG. 5, FIG.
7 shows a variant embodiment of the commutation device according to the invention and FIG. 8 shows a further variant embodiment of the invention.
In the case of the conventional commutation system shown schematically in FIG. 1 in the development Darge, the commutator segments I1, I2, I3, ... In are arranged around the axis of rotation of the DC motor in certain mutual distances. The rotor resistance L1, L2, Ls ... Ln are in series between the individual commutator segments and have internal resistances R1, R2, R, ... Rn.
If in this system the commutator is moved in the direction of the arrow in Fig. 1 and the brush 2 crosses from segment II to segment I2, winding L1 is short-circuited when the brush touches both commutator segments h and I at the same time. In addition, the direction of the current is reversed when the brush 2 crosses completely from the commutator segment h to the commutator segment I. If the contact resistance between the commutator segments and the brush is low, rapid current changes occur in winding L1, as indicated in FIG. 2 by the step-like curve A, so that high induction voltages arise in winding L1.
At the moment when the brush 2 runs off a commutator segment, sparks are generated which cause noise and reduce the service life of the commutator and the brushes.
The filg. 3 and 4 show a direct current motor 10 according to the present invention with a stator S and a rotor 11. The rotor 11 is arranged on the shaft 3. In this embodiment, two brushes, each consisting of a plurality of brush elements, be symmetrically arranged with respect to the commutator and are at one point in contact with the commutator. Resistors are connected in series with the individual brush elements.
The connections of the rotor movements are connected to the commutator segments. The commutator consists of a number of segments 4A, 4B, 4C ... 4N with flanges 4A ', 4B', 4C '... 4N', as shown in FIG. The segments 4A ... 4N are electrically isolated from one another and can have the slight helical shape presented. The winding connections L1 ... Ln are connected to the flanges 4A '... 4N' of the commutator. The two brushes 12, of which only one is shown in FIGS. 3 and 4, have end parts 13 and 14 which are fastened to insulating supports 16 and 17 connected to the Sta tor S. A number of strip-shaped brush elements 7A, 7B, 7C ... 7N are arranged between the end parts 13 and 14.
Most of the Bürstenele elements 7A ... 7N consists of a highly conductive material, for example beryllium copper, but the ends RA, RB, RC ... RN of the elements 7A ... 7N in the end part 13 consist of a material with a relatively high resistivity and are located between the end parts 13 and 14 in series with the elements 7A ... 7N.
The brushes 12 are arranged in such a way that each element 7A ... 7N touches the commutator and when the commutator rotates, each brush element 7A ... 7N slides one after the other over the various commutator segments. Power is supplied via a flexible cable 18, of which one conductor is connected to the end part 13.
If the resistors RA, RB, RC ... RN connected in series with the brush elements have the same values, a commutation curve according to curve B in FIG. 2 arises. It can be seen that according to curve B there is a less sudden change in the coil current takes place than with conventional commutation according to curve A.
It was also found that if the resistance value of the series-connected resistors RA, RB, RC ... RN from the center of the brush is selected to be different on both sides, a linear current change according to curve C in FIG. 2 can be achieved. For example, if there are ten brush elements 7A ... 7N, the values of the resistors RA ... RN from one side of the brush to the other become 40, 20, 10, 5, 0, 0, 5, 10, 20 and 40 Ohms. This gradation of results in a linear change in current according to curve C in FIG. 2, where the induction voltages can be reduced to a minimum and brush fires can be practically avoided.
5 and 6 show a method for producing the guarantee 12. A base lath 21 made of insulating material, for example aluminum that has been oxidized on the surface, is covered with a thin. See resistance layer RJ made of oxide. This resistance layer RJ can be etched photographically, for example, in order to form the individual resistances RA ... RN. The ends 11A of the resistors RA ... RN can be coated with silver or another good conductor in the manner shown. The other ends of the resistors RA ... RN can be coated with conductive strips 11B. The coating 11A is common to all resistors RA ... RN, while individual coatings 11B in series with the resistors form a brush element. The coatings 11B cover the resistors RA ...
RN to different lengths, with which the desired different resistance values are achieved according to the remaining length of the uncoated strips of the resistance layer.
Fing. 7 shows how the brushes can be made from a sheet 22 made of beryllium copper, for example 0.15 mm thick. The brush elements 7A ... 7N can be produced by etching and connecting each element to a resistor RA ... RN by welding or soldering using rhodium. As described be, according to the present invention resistors are connected in series with the individual Bürstenelemen th of the brushes 12 and each brush element is in contact at one point with the commutator segments and there forms a point contact, which successively changes from one commutator segment to the next. This ensures that the coil current gradually changes according to a curve or a straight line.
As a result, the inductive voltages in the windings and thus the brush fire can be effectively reduced, and thus the life of the commutation device is increased and the operation of the motor is stabilized. Tests carried out have shown that when using the invention durig for an engine with a service life of only 1000-1500 hours, the service life could be increased to over 3000 hours.
Although beryllium-copper is specified as the brush material in the exemplary embodiment, other suitable material can of course be used which is sufficiently wear-resistant and elastic and which suppresses buffing if possible. The measures described can of course also be used where the commutator segments are parallel to the shaft 3 and do not have the spiral shape according to FIGS. 3 and 4.
As Fig. 8 shows schematically, the Bür most of the flanges 4A '... 4N' of the commutator touch and the ends of the brush elements 7A ... 7N can be cut to different lengths.
The value of the resistors RA ... RN can be chosen differently and no resistors can be connected upstream of the middle burite elements. There are also various ways of connecting the resistors to the brush elements. It is also possible to manufacture the commutator from resistance material, for example from sintered material made of carbon and clay.
As explained above, the described commutation device enables the brush fire and the noises associated with it to be practically avoided and a very long service life of the commutation device to be achieved.