DE10322975A1 - Gleichstrommotor mit in einer isolierenden Verbindung fest eingebetteten Kommutatorsegmenten - Google Patents

Abstract

Ein Gleichstrommotor (M) enthält einen Stator (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und einen Rotor (20), der einen Anker aufweist und sich innerhalb des Stators dreht. Ein Kommutator (30) zur Stromversorgung des Ankers ist mit dem Rotor verbunden. Der Kommutator (30) besteht aus mehreren Kommutatorsegmenten (31), die mit einem isolierenden Harz (32) miteinander verbunden sind. Jedes Kommuntatorsegment (31) enthält einen an einer radialen Innenseite ausgebildeten Ankerabschnitt (314) und einen sich in einer axialen Richtung erstreckenden Vorsprung (313), die jeweils in das isolierende Harz eingebettet sind. Die Kommutatorsegmente sind mit dem isolierenden Harz fest verbunden, und die Festigkeit der Verbindung wird ohne Vergrößerung des Kommutators erhöht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit in einer isolierenden Verbindung (insulation bond) fest eingebetteten Kommutatorsegmenten und insbesondere einen derartigen Gleichstrommotor zur Verwendung in einem Anlasser zum Anlassen einer Brennkraftmaschine.
• Ein Gleichstrommotor wird üblicherweise zum Antreiben verschiedener Einrichtungen verwendet, und es besteht stets der Bedarf, den Gleichstrommotor hinsichtlich seiner Größe kompakt zu bauen. Bei einem Gleichstrommotor, der in einem Anlasser zum Anlassen einer Brennkraftmaschine verwendet wird, besteht zum Beispiel der Bedarf, den Gleichstrommotor klein zu gestalten und seine Drehgeschwindigkeit zu erhöhen. Damit der Gleichstrommotor eine geringe Größe aufweist, müssen dessen Komponenten einschließlich einem Kommutator klein sein.
• Es ist üblich, einen Kommutator, der aus mehreren Kommutatorsegmenten zusammengesetzt ist, die kreisförmig angeordnet und mit einem wärmeaushärtendem Harz wie zum Beispiel einem Epoxidharz zusammen ausgeformt bzw. vergossen sind, zu verwenden. Da der Kommutator mit einem sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Rotator verbunden ist, ist es notwendig, dass der Kommutator eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, damit er einer hohen Zentrifugalkraft standhält. Kommutatorsegmente, die einfach mit einem Gießharz (molding resin) miteinander verbunden sind, können einer hohen Zentrifugalkraft nicht standhalten. Aufgrund der hohen Zentrifugalkraft kann ein einzelnes Kommutatorsegment von einem derart ausgebildeten Kommutator losgelöst werden, wenn der Kommutator mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird.
• Es gibt verschiedene Vorschläge, die Festigkeit der Verbindung der Kommutatorsegmente zu erhöhen. Es wurde zum Beispiel vorgeschlagen, auf einem Kommutatorsegment eine Klammer bzw. Kralle auszubilden, so dass die Kralle im Gießharz eingebettet ist, um dadurch die Festigkeit der Verbindung gegenüber der Zentrifugalkraft zu erhöhen. Es ist jedoch schwierig, eine derartige Kralle auszubilden, ohne den Kommutator zu vergrößern, da die Kralle an einer radialen Innenseite des Segmentes ausgebildet werden muß, wo wenig Raum zur Verfügung steht. Mit anderen Worten ist es unvermeidlich, bei Ausbildung einer derartigen Kralle mit ausreichender mechanischer Festigkeit den Kommutator zu vergrößern.
• Ein anderer Vorschlag ist in der JP-A-1-283043 beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, zusätzlich zu einer im Gießharz eingebetteten Kralle einen Vorsprung auszubilden, der sich zu einer gegenüberliegenden Seite einer Kommutatorfahne (riser) hin erstreckt, mit der Ankerwicklungsenden verbunden sind. Der auf einer gegenüberliegenden Seite einer Kommutatorfahne ausgebildete Vorsprung ist jedoch nicht in der Lage, die Festigkeit der Verbindung gegenüber der Zentrifugalkraft ausreichend zu erhöhen. Die Ursache dafür liegt darin, dass auf die Kommutatorfahne, die größer als der übrige Abschnitt des Segmentes ist, eine größere Zentrifugalkraft wirkt. Wenn die Segmente sich vom verbindenen Harz (bonding resin) ablösen, nutzen sich die Bürsten, die die Segmente kontaktieren, übermäßig ab, so dass keine normale Kommutation durchgeführt werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Kommutator vorzusehen, der eine ausreichende Festigkeit gegenüber einer Zentrifugalkraft besitzt, ohne den Kommutator zu vergrößern. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Anlasser zum Anlassen einer Brennkraftmaschine vorzusehen, in dem ein Gleichstrommotor mit dem verbesserten Kommutator verwendet wird.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Gleichstrommotor vorgesehen ist, der aufweist: Einen Stator zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einen sich innerhalb des Stators drehenden Rotors mit Ankerwicklungen, einen mit dem Rotor verbundenen Kommutator, Bürsten, die zur Stromversorgung der Ankerwicklungen den Kommutator gleitend kontaktieren, und andere zugehörige Komponenten. Diese Komponenten sind sämtlich in einem Motorgehäuse untergebracht. Der Kommutator besteht aus mehreren Kommutatorsegmenten, die kreisförmig angeordnet sind, und aus einer isolierenden Verbindung zur Verbindung der Kommutatorsegmente zu einem einzigen Kommutatorkörper. Die isolierende Verbindung wird durch Vergießen (molding) eines Harzes ausgebildet.
• Jedes Kommutatorsegment besteht aus Kupfer und enthält einen die Bürsten kontaktierenden verlängerten Kontaktabschnitt, einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung der Anklerwicklungsenden mit dem Kontaktabschnitt, einen in die isolierende Verbindung eingebetteten Ankerabschnitt und einen Vorsprung, der ebenfalls in die isolierende Verbindung eingebettet ist und die Festigkeit der Verbindung gegenüber einer auf den Kommutator wirkenden Zentrifugalkraft erhöht. Der Verbindungsabschnitt erstreckt sich in radialer Richtung von einem axialen Ende des Kontaktabschnitts. Der Ankerabschnitt ist an einer radialen Innenseite des Kontaktabschnitts ausgebildet, und der Vorsprung erstreckt sich von einem Fuß bzw. einer Basis des Verbindungsabschnitts in einer axialen Richtung, die der Richtung, in der sich der Kontaktabschnitt erstreckt, entgegengesetzt ist.
• Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit der Verbindung kann eine Vertiefung an einem axialen Ende des Ankerabschnitts ausgebildet sein, so dass ein kreisförmiges Band in einer kreisförmigen Nut, die durch Vertiefungen mehrerer Kommutatorsegmente gebildet wird, angeordnet ist. Das kreisförmige Band ist ebenfalls in die isolierende Verbindung eingebettet. Die Vertiefungen können an beiden axialen Enden des Ankerabschnitts ausgebildet sein, so dass zwei kreisförmige Bänder in den an beiden axialen Enden ausgebildeten kreisförmigen Nuten angeordnet sind.
• Da nicht nur der Ankerabschnitt, sondern auch der Vorsprung in die isolierende Verbindung eingebettet ist, werden die Kommutatorsegmente durch die isolierende Verbindung fest miteinander verbunden. Daher ist eine ausreichende Festigkeit der Verbindung, die einer großen auf den Kommutator wirkenden Zentrifugalkraft standhält, ohne Vergrößerung des Kommutators gewährleistet. Der sich mit einer hohen Geschwindigkeit drehende Gleichstrommotor kann ohne Vergrößerung des Kommutators realisiert werden. Außerdem wird ein kompakter Hochgeschwindigkeitsanlasser zum Anlassen einer Brennkraftmaschine durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors realisiert.
• Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen deutlich.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht eines Anlassers zum Anlassen einer Brennkraftmaschine,
• Fig. 2A einen Querschnitt eines Kommutators eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors entlang der Linie IIA-IIA der Fig. 2B,
• Fig. 2B eine Draufsicht auf den Kommutator, von der rechten Seite der Fig. 2A gesehen,
• Fig. 3A eine Seitenansicht eines im Kommutator der Fig. 2A und 2B verwendeten Kommutatorsegmentes, und
• Fig. 3B eine Stirnansicht des Kommutatorsegmentes, von der rechten Seite der Fig. 3A gesehen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Anhand von Fig. 1 wird zunächst ein Gesamtaufbau eines Anlassers S kurz beschrieben. Der Anlasser S besteht hauptsächlich aus einem Gleichstrommotor M, einem Magnetschalter SW, einem Planetengetriebegeschwindigkeitsverringerungsmechanismus (nicht gezeigt), einer Freilaufkupplung (nicht gezeigt) und einem Ritzel P. Diese Komponenten des Anlassers S befinden sich in einem Anlassergehäuse C.
• Auf die Betätigung eines Zündschlüssels einer Brennkraftmaschine hin wird dem Magnetschalter SW Energie zugeführt, um einen im Magnetschalter SW enthaltenen Tauchkolben anzutreiben. Auf die Bewegung des Tauchkolbens hin werden Relaiskontakte geschlossen, um dem Gleichstrommotor M elektrische Leistung zuzuführen. Gleichzeitig werden die Freilaufkupplung und das Ritzel P durch den Tauchkolben in Richtung eines Hohlrades der Maschine (in Richtung der linken Seite der Fig. 1) getrieben. Dadurch greift das Ritzel P in das Hohlrad ein, und die Maschine wird angelassen.
• Der Gleichstrommotor M besteht aus einem Stator 10, einem Rotor 20, einem Kommutator 30, Bürsten 40, einem Gehäuse 50 und anderen zugehörigen Komponenten. Das Gehäuse 50 wirkt auch als Joch des Motors M. Der Stator 10 (Einzelheiten sind nicht gezeigt) enthält Polkerne 11, die im Gehäuse mittels Presspassung angebracht sind, und eine Feldspule 12, die um die Polkerne gewickelt ist. Wenn der Feldspule 12 von einer bordinternen Batterie durch das Schließen des Magnetschalters SW Gleichstrom zugeführt wird, wird im Stator 10 ein Magnetfeld erzeugt. Der Rotor 20 enthält einen an einer Motorwelle 23 befestigten Ankerkern 21 und Ankerwicklungen 22, die in um den äußeren Umfang des Ankerkerns 21 ausgebildeten Schlitzen angeordnet sind. Der Rotor 20 ist unter Belassen eines gewissen Luftspaltes innerhalb des Stators angeordnet und im Gehäuse 10 drehbar gelagert. Auf das Schließen des Magnetschalters SW hin wird den Ankerwicklungen 22 durch den Kommutator 30 und die den Kommutator gleitend kontaktierenden Bürsten 40 Gleichstrom zugeführt. Somit wird der Rotor 20 in dem im Anlasser 10 erzeugten Magnetfeld gedreht.
• Der Kommutator 30 besteht aus mehreren kreisförmig angeordneten Kommutatorsegmenten 31 (in dieser speziellen Ausführungsform werden 29 Segmente verwendet) und einer ringförmigen isolierenden Verbindung 32, das aus einem Gießharz besteht, das die Segmente 31 zu einem Stück verbindet und gleichzeitig die einzelnen Segmente gegeneinander isoliert. Der Kommutator 30 ist mit der Motorwelle 23 verbunden. Die Bürsten 40 bestehen aus Metallgraphit und werden durch einen Bürstenhalter gehalten, so daß die Bürsten 40 den äußeren Umfang des Kommutators 30 gleitend kontaktieren. In dieser speziellen Ausführungsform werden vier Bürsten, die zwei Paare bilden, verwendet. Jedes Bürstenpaar 40 besteht aus einer positiven Bürste, die mit einem positiven Anschluss der bordinternen Batterie durch den Magnetschalter SW verbunden wird, und einer negativen Bürste, die mit einem Masseanschluss verbunden ist.
• Im folgenden wird der Kommutator 30 näher mit Bezug auf die Fig. 2A-3B beschrieben. In Fig. 2B sind mehrere Kommutatorsegmente 31 gezeigt, die kreisförmig in gleichen Abständen angeordnet sind, und es ist eine Isolierschicht 321 im jeweiligen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Segmenten 31 ausgebildet. Die Isolierschichten 321 sind durch Vergießen einstückig mit der isolierenden Verbindung 32 ausgebildet. Jedes Segment 31 besteht aus Kupfer und besitzt eine im wesentlichen L-förmige Gestalt, wie es in Fig. 3A zu sehen ist. Das Segment 31 enthält einen Kontaktabschnitt 311 (der die Bürsten 40 kontaktiert), einen Verbindungsabschnitt 312 (der mit den Enden der Ankerwicklungen 22 verbunden wird), einen Vorsprung 313 (der in Richtung auf die Ankerseite vorsteht) und einen Ankerabschnitt 314 (eingebettet in die isolierende Verbindung 32).
• Der Kontaktabschnitt 311 dehnt sich in axialer Richtung aus und besitzt eine kreisförmige äußere Oberfläche, auf der die Bürsten 40 gleiten. Der Verbindungsabschnitt 312 ist an der Ankerseite (an der linken Seite der Fig. 2A) des verlängerten Kontaktabschnitts 311 ausgebildet und erstreckt sich in radialer Richtung. Im Verbindungsabschnitt 312 ist ein Schlitz 312a ausgebildet, wie es in Fig. 3B zu sehen ist. Die Enden der Ankerwicklungen 22 sind in den Schlitz 312a eingezwängt und durch Schmelzen elektrisch mit dem Verbindungsabschnitt 312 verbunden. Der Vorsprung 313 steht von einem. Basisabschnitt des Verbindungsabschnitts 312 in axialer Richtung zur Ankerseite hin vor. Der Vorsprung 313 besitzt eine im wesentlichen rechtwinklige Säulenform. Die radiale Außenseite und die radiale Innenseite des Vorsprungs decken sich jeweils im wesentlichen mit denen des Kontaktabschnitts 311, wie es in Fig. 3A zu sehen ist. Der Vorsprung 313 ist vollständig von der isolierenden Verbindung 32 bedeckt und in diese eingebettet, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.
• Der Ankerabschnitt 314 ist an einer radialen Innenseite des Kontaktabschnitts 311 und parallel zu diesem ausgebildet. Der Ankerabschnitt 314 enthält ein Ankerschwanzstück 314c, der mit dem Kontaktabschnitt 311 mittels einer Wand verbunden ist, die dünner als das Ankerschwanzstück 314c ist, wie es in Fig. 3A und 3B gezeigt ist. An beiden axialen Enden des Ankerabschnitts 314 sind Vertiefungen 314a, 314b ausgebildet. Das Ankerschwanzstück 314c ist vollständig in die isolierende Verbindung 32 eingebettet, und die Vertiefungen 314a, 314b sind mit der isolierenden Verbindung 32 gefüllt. Daher werden die Kommutatorsegmente fest durch die isolierende Verbindung 32 gehalten, und es ist gewährleistet, daß die Festigkeit der Verbindung einer hohen Zentrifugalkraft standhält.
• Zur weiteren Erhöhung der Stärke der Verbindung sind kreisförmige Bänder 33, 34 in kreisförmigen Nuten 35, 36, die durch die Vertiefungen 314a, 314b an beiden axialen Enden des Kommutators 30 gebildet werden, angeordnet, wie es in Fig. 2A gezeigt ist. Die kreisförmigen Bänder 33, 34 bestehen aus einem mit einem Isoliermaterial beschichteten Metall. Die kreisförmigen Bänder 33, 34 sind ebenfalls in die isolierende Verbindung 32 eingebettet. Somit wird das Kommutatorsegment 31 nicht nur durch den in die isolierende Verbindung 32 eingebetteten Ankerabschnitt 314, sondern auch durch die in den kreisförmigen Nuten 35, 36 angeordneten kreisförmigen Bänder 33, 34 fest gehalten. Es ist auch möglich, ein einziges kreisförmiges Band zu verwenden, das in einer an einem axialen Ende des Verbindungsabschnitts ausgebildeten Nut angeordnet ist.
• Wie in Fig. 3A gezeigt, ist eine Länge t1 des Vorsprungs 313 gleich oder größer als eine Tiefe t2 der Vertiefung 314b. Da die Länge t1 größer wird, kann der Verbindungsabschnitt, der groß ist, mit einer höheren Verbindungskraft durch den Vorsprung 313 gehalten werden. Durch die Verringerung der Tiefe t2 kann ein Abstand t3 (in Fig. 3A dargestellt) vergrößert werden. Obwohl auf den dem Abstand t3 entsprechenden Basisabschnitt des Verbindungsabschnitts 312 eine höhere Zentrifugalkraft ausgeübt wird, wird eine ausreichende Festigkeit der Verbindung durch einen ausreichend großen Abstand t3 gewährleistet. Da der Vorsprung 313 an der Ankerseite ausgebildet ist, steht ein relativ großer Raum für den Vorsprung zur Verfügung. Dementsprechend kann der Vorsprung 313 groß ausgebildet werden, um die Wärmedissipation des Kommutators 30 zu unterstützen.
• Erfindungsgemäß wird ein Kommutator 30, der einer großen Zentrifugalkraft standhält, realisiert, der eine geringe Größe besitzt. Dementsprechend kann der sich mit einer hohen Geschwindigkeit drehende Gleichstrommotor klein gestaltet werden. Es kann ein sich mit hoher Geschwindigkeit drehender Anlasser zum Anlassen einer Brennkraftmaschine von kleiner Größe durch Verwendung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors realisiert werden.
• Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die obige bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann ersichtlich, daß Änderungen bezüglich der Form und von Einzelheiten innerhalb des in den Ansprüchen definierten Bereichs der Erfindung liegen.

Claims (6)

1. Gleichstrommotor (M), der aufweist:
einen Stator (10) zum Erzeugen eines Magnetfeldes,
einen sich innerhalb des Stators drehenden Rotor (20) mit einem Ankerkern (21) und im Ankerkern (21) gehaltenen Ankerwicklungen (22),
einen mit dem Rotor (20) verbundenen Kommutator (30), der mehrere kreisförmig angeordnete Kommutatorsegmente (31) enthält, die mit einer isolierenden Verbindung (32) verbunden sind,
Bürsten (40), die zur Stromversorgung der Ankerwicklungen (22) den Kommutator (30) gleitend kontaktieren,
einem Gehäuse (50), das den Stator (10), den Rotor (20) und die Bürsten (40) darin aufnimmt, wobei
jedes Kommutatorsegment (31) aufweist:
einen die Bürsten (40) kontaktierenden Kontaktabschnitt (311), der in axialer Richtung verlängert ist,
einen Verbindungsabschnitt (312), mit dem Enden der Ankerwicklungen (22) elektrisch verbunden sind und der sich in radialer Richtung von einem Ende des Kontaktabschnitts (311) aus erstreckt,
einen in die isolierende Verbindung (32) eingebetteten Ankerabschnitt (314), der an einer radialen Innenseite des Kontaktabschnitts (311) ausgebildet ist, und
einen in die isolierende Verbindung (32) eingebetteten Vorsprung (313), der von einem Basisabschnitt des Verbindungsabschnitts (312) in axialer, der Ausdehnungsrichtung des Kontaktabschnitts (311) entgegengesetzten Richtung vorsteht.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei
der Verbindungsabschnitt (312) einen zu seiner radialen Außenseite hin geöffneten Schlitz (312a) enthält, und
die Enden der Ankerwicklungen (22) in den Schlitz gezwängt und mit dem Verbindungsabschnitt (312) elektrisch verbunden sind.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei der Ankerabschnitt (314) mindestens eine an einem axialen Ende ausgebildete Vertiefung (314a, 314b) enthält.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, wobei der Kommutator (30) außerdem ein kreisförmiges Band (33, 34) enthält, das in einer durch Vertiefungen (314a, 314b) der kreisförmig angeordneten Kommutatorsegmente (31) gebildeten kreisförmigen Nut (35, 36) angeordnet ist.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei
die isolierende Verbindung (32) durch Vergießen eines Harzes gebildet ist, und
die Kommutatorsegmente (31) mit der isolierenden Verbindung zusammen ausgeformt sind.

6. Anlasser (S) zum Anlassen einer Brennkraftmaschine, der einen Gleichstrommotor (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.