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Kollektorblattfeder für elektrische Kleinst- und Miniaturmotoren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kollektorblattfedern, die in kleinen
Motoren für Uhrwerke, Filmkameras und in kommerziellen Geräten Verwendung finden.
Von derartigen Motoren wird eine hohe Verschleißfestigkeit, eine besondere Laufruhe
und der Betrieb aus kleinen Stromquellen verlangt.
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Um eine bessere Kommutierung zu erreichen, sind die heute verwendeten
Kollektorblattfedern für die eingangs genannten Kleinetmotoren an ihrem-£ontaktende
häufig in Längsrichtung geschlitzt, so daß mehrere schmale Federarme entstehen,
deren freie Enden in der Regel auf- oder eingewalzte gontakte tragen. Obwohl die
Funktionstüchtigkeit derartiger Kollektorblattfedern mit der Verkleinerung der Motortypen
sehr stark nachläßt1 sind sie in Kleinstmotoren immer häufiger anzutreffen. Dies
ist auf die billige Herstellung zurückzuführen, die sich durch das Stanzen ergibt.
Allerdings muß datei eine verminderte Qualität in Kauf genommen werden, die die
Lebensdauer des Motors stark herabsetzt. Eingehende Untersuchungen an serienmäßig
hergestellten Kleinstmotoren gleicher Bauart haben ergeben, daß in der Kommutierung
erhebliche Untersch1*de auftreten, die eindeutig auf die Qualität der Ausführung
der Kollektorblattfedern, auf ihre Gestaltung und Dimensionierung und auf ihre Einspannung
und Vorspannung zuriiekzutfihren sind. Hinzu kommen die für die
Serienherstellung
erforderlich3n, bei Kleinst- und Miniaturmotoren besonders weiten Toleranzen insbesondere
bei der Rotorlagerung, hsim Rundlauf des Kollektors und bei der Unwucht des Rotors.
Unter solchen Bedingunzen treten Fehler auf, die sich bei Verwendung der bisher
üblichen Kollektorblattfedern nur schwer und in zeitraubender Kleinarbeit durch
Justieren der Federn an jedem einzelnen Motor teilweise beheben lassen. So stellen
sich die Kollektorblattfedern zum Beispiel in dem einen Fall als zu hart und in
einem anderen, als zu weich heraus. Die bekannte Kollektorblattfedernart ist eben
aufgrund ihrer Form nicht in der Lage, die weiten Toleranzen, wie sie bei Kleinstmotoren
bei einer wirtschaftlichen Fertigung in Kauf genommen werden müssen, auszugleichen.
Daher war man bisher gezwungen, entweder teure Justierarbeit in Kauf zu nehmen,
oder die Fertigungstoleranzen aller Motorteile stark einzuengen.
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Beides führt zu einer erheblichen Verteuerung eines Kleinstmotors.
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Eine andere, recht nachteilige Eigenart der bekannten Kollektorblattfedern
ist ihre Geräusohentwicklung. Selbst dann, wenn der Andruck der Federn an den Kollektor
für die Kommutierung optimal eingestellt ist, wirken die Federn in Verbindung mit
ihren Kontaktatellen am Kollektor als Geräuschquelle und leiten. gleichzeitig diese
Geräusche an die anderen Notorteile, insbesondere aber an das Motorgehäuse weiter,
das als Resonator diese Geräusche verstärkt abstrahlt. lis Ursache der Geräuschentstehung
sind die Unebenheiten und Riefen auf der Kollektorfläche. Gleitet ein Foderginken
einer Kollektorblattfeder über eine Erhebung auf der Kollektor-Kontaktfläche, so
wird er angehoben, wobei die benachbarten Zinken dieser Bewegung folgen und, sobald.
die Erhebung den genannten Zinken passiert naht, fast gleichzeitig mit diesem auf
die Kollektor-Kontaktfläche aufprallen. Legt man die Kollektorblattfedern so weich
aus, daß die gegenseitige Beeinflussung
der Zinken hinreichend
gemildert erscheint, so entsteht ein zu geringer Rontaktandruck am Kollektor.
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stehen die Zinken einer Kollektorblattfeder nicht auf einer Linie,
die parallel zur Kontaktfläche des Kollektors verläuft, so kommt es vor, daß zeitweise
nr einer Jer Zinken an der Kollektorfläche kontaktiert und nicht den vollen Strom
führen muß. Dies aber führt zu einem frühen Verschleiß von Kollektor-KontaKtflache
und Kontaktfeder. Außerdem nim dafi dasGeräusch erheblich zu.
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Die Aufgabe der Erfindung ergibt sich aus den aufgeführten Nachteilen
der bisherigen Ausbildung von Kollektorblattfedern bei Kleinstmotoren. Ibre Lösung
besteht in der speziellen Yormgebun; einer Kollektorblattfeder Eine erfindungsgemäße
Kollektorblattfeder ist durch ihre gabelartige Gestalt gekennzeichnet. Anhand der
Figur 1 wird die kennzeichnende Form in ihren Grundzügen beschrieben: Die Kollektorblattfeder
besitzt einen "Stammteil" 1, dessen unteres Ende 2 tir die niechanisohe Befestigung
der Fe1er am Motorchassis und f4Jr den elektrischen Anschluß, z.m. einen Lötanschluß,
vorgesehen ist. Das obere Ende 3 des Stammtetls 1 verzweigt sich senkrecht zur Längachse
der Feder in die Arme 4 und 5. Von deren Enden verlaufen wiederum parallel zur Längs
achse der Feder weitere Arme 6 und 7+ SO daß eine Gabel entsteht.
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Die Enden 8 und 9 der -Arme 6 und 7 verzweigen sich wiederum über
10, 111 12 und 13 auf die gleich Art.wie die des Stammteils 1 durch 4 und 6 beziehungsweise
5 und 7. Es entstehen zwei weitere Gabeln1 an deren freien inden 18, 19, 20, 21
sich die Kontaktflächen für die Kommutierung befinden.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Kollektorblattfeder beruht auf
ihrer geschmeidigen Beweglichkeit und auf der gegenseitigen mechanischen Entkopplong
der Kontaktstellen.
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Die Erschütterungen, die durch die Kommutierung an den Kontaktstellen
18 und 19 bzw. 20 und 2t entstehen, werden-zunächst in den Gabelarmen 14, 15, 16
und 17.gedämpft und heben sich in den Gabelstellen 8 und 9 aufgrund der gegenäufign
Bewegungen der Arme 10 und 11 bzw. 12 und 13 zum größten Teil bereits auf.
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Es tritt also in der Gabelstufe B eine Kompensation der freellUttarungen
au£, so daß die gontaktstellen 18 und 19 bzw, 20 und 21 voneinander stark entkoppelt
sind. In der weiteren Gabelstufe A kompensieren sich auf die gleiche Weise die Resterschütterungen,
die in den Gabelstellen 8 und 9 noch vorhanden sind. Durch die Gsbelstute A sind
die beiden äußeren Gabeln entkoppelt, eo daß sich die Kontaktstellen i8 und 19 praktisch
vollkommen unabhängig von den Kontaktstellen 20 und 21 bewegen können. Die Erschütterungen
durch die Kommutierung, die durch den Stammteil 1 der Kollektcrblattfeder noch auf
das Motorchassis übertragen werden, sind fast Null. Dadurch ergibt sich ein überraschend
geräusoharmer Lauf des Motors. Durch die Entkopplung der Kontaktstellen voneinander
ist darüber hinaus die Entstehung von Geräuschen zum Teil überhaupt verhindert.
Andererseits bewirkt die Entkopplung eine elektrisch einwandfreie Kontaktierung
zwischen den Kontakt stellen 18, 19, 20, 21 der Gabelfeder und dem Kollektor0 Dadurch
geht auch der Abbrand an den Kontaktstellen stark zurück, so daß sich auch die Lebensdauer
und die Betriebsßicherhett eines mit den erfindungsgemäßen Kollektorblattfedern
ausgerusteten Motors erheblich erhöhen.
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Die erfindungsgemäs Kollektorblattfeder führt wegen des geringen Kontaktverschleißers
nicht nur zu einer stets gleichbleibenden Kommutation und damit zu einer auffallenden
Konstanz der Betriebsdaten, sondern auch vor allem zu größeren zulässigen Toleranzen
bei der Herstellung der Einzelteile und der Montage eines Kleinstmotors. War bisher
erforderlich, durch die Einhaltung engster Toleranzen und durch präzises Justieren
das auszugleichen, was durch mangelhafte Kommutierung die Funktion des
Motors
verschlechtert hätte, so kann jetzt mit Hilfe der Anwendung der Erfindung neben
einer erheblichen Senkung der Herstellungskosten no zusätzlich eine wesentliche
Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden. Erhöhter Wirkungsgrad bedeutet bei
'Gatterlegespeisten Kleinstmotoren unter anderem aber eine Steigerung der Lebensdauer
der Batterie. Wie die Praxis zeigt, ist durch die Verwendung von erfindungsgemäßen
Kollektorblattfedern häufig überhaupt erst die Herstellung oder die Verwendung von
Kleinet- und Miniaturmotoren für kommerzielle Zwecke mUglich Eine zweckmäßige Weiterbildung
einer erfindungsgemäßen Kollektorblattfeder besteht darin, daß die Gabelzinken von
Gabelstufe zu Gabelstufe schmäler werden, wie es figur 2 anschaulich zeigt.
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Dadurch erreicht man - ähnlich wie bei sogenannten Trapez-Blattfedern
- eine ausgewogene Biegebeanspruchung, d.h. eine von Stufe zu Stufe annähernd konstante
Biegefestigkeit der Kollektorblattfeder Ueber ihre Gesamtlänge. Es ist auch eine
kontinuierlich konstante Biegefestigkeit zu erreichen, wenn der Stammteil und die
Gabelzinker. trapezförmig ausgebildet werden.
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FUr Walzenkollektoren werden im allgemeinen symmetrisch gestaltete
Koliektorfedern - wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt - verwendet, da alle Kontaktstellen
der Kollektorblattfeder von der Einspannstelle der Kollektorblattfeder gleich weit
entfernt sind, uni da die Umfangsges.chwindigkeit der Kontaktbahnen auf dem Walzenkollektor
gleich ist.
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Für Plannkollektoren dagegen erscheint es zweckmäßig, die Kollektorblattfedern
unsymmetrisch zu gestalten, wie es die Figuren 3 und 4 zeigen, weil beim Plannkollektor
an den äußeren Kontaktbahnen die Umfangsgeschwindigkeit größer ist, als bei den
inneren Bahnen. Die Unsymmetrie besteht bei einer Kollektorblattfeder nach Figur
3 darin, daß die Kontaktarme von links nach rechte gesehen breiter werden. Damit
werden unterschiedliche
Kontaktkräfte erzeugt. Die Breite eines
jeden Kontaktatme3 ist dabei so zu wählen, daß das durch die Reibung an der Kollektorfläche
erze-ugte Drehmoment für jeden Kontaktarm wenigstens annähernd gleich ist. Das jeweilige
Drehmoment ergibt sich aus der Kontaktkraft multipliziert mit dem Atstand des betreffenden
Kontaktarms von der Motorachse. Durch diese Unsymmetrie wird eine gleichmäßige Abnutzullg
an den Kontaktstellen der Kollektorblattfedern d auf der Kollektor-tontaktfläche
erzielt. Eine weitere Möglichkeit zur unsymmetrischen Gestaltung der Kollektorblattfeder
zeigt Figur 4. Diese F-ormgebun2 ist vorzugsweise anzuwenden, wenn der Durchmesser
des Plankollektors aus konstruktiven Gründen bereits so klein gewählt werden muß,
daß eine Kollektorblattfeder mit vier Kontaktarmen gemäß Figur 3 nicht mehr eingesetzt
werden kann. Auch bei einer Kollektorblattfeder nach Figur 4 können die Kontaktarme
unterschiedlich breit sein, um eine konstante Biegefestigkeit über die Länge zu
erreichen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Unsymmetrie besteht darin,
daß man für die Kontaktarme unterschiedliche Längen wählt, so daß die Kontaktstellen
vom Einspannpunkt der Eollektorblattfeder unterschiedlich weit entfernt sind. Natürlich
muß i einem solchen Fall der Befestigungsort für die Kollektorblattfeder am Motorchassis
oder am Lagerschild so gewählt sein, daß die Kontakts teilen der Kollektorbiat=tfeder
auf einer gemeinsamen gedachten Linie liegen, die durch die Motorachse geht.
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Dia Formgebung bei einer erfindungsgemäßen Kollektorblattfeder beschränKt
sich nicht auf drei oder vier Kontaktarme. Je nach Motorkonstruktion url je nach
Verwendungszweck kann eine Kollektorblattfeder auf nur eine Gabel mit zwei Kontaktarmen
beschränkt sein oder auch auf mehr als zwei Gabeln mit insgesamt mehr als vier Kontektarlnen
erweitert werden.
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Zur besseren Kontaktierung ist es vorteilhaft, die 'Kontaktstellen
einer erfindungsgemäßen Kollektorblattfeder mit entsprechende a delmetallkontakten
zu versehen. Dies geschieht am besten, wie an sich bekannt, durch Einwalzen von
Edelmetallkontaktstreifen in das Federblech1 aus dem die Kollektorblattfeder gefertigt
wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, bei der Verwendung
von eingewalzten Edel,metallkontaktstreifen und. wenn die Kollektorblattfeder zueammen
mit einem Plankollektor wirken 8011, die Kontaktstellen halbmondförmig auszubilden.
Die Kontaktarme bekommen dadurch einen etwas groBeren Abstand von der Ko-iutierungsfläche.
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Die Herstellung von Kollektorblattfedern gemäß dieser Anmeldung kann
durch ein gratfreies Feinetanzverfahren erfolgen. Billiger und in weitaus besserer
Qualität lassen sich die Kollektorblattfedern durch Ätzverfahren herstellen. Erforderlich
ist lediglich eine maßstäbliche Druckvorlage, die von jedem Zeichner mit hoher Genauigkeit
erstellt werden kann, obwohl eine solch hohe Genauigkeit, wie sie beim Zeichnen
in vergröBertem Maßstab üblicherweise erreicht wird, überhaupt nicht erforderlich
wäre, um die erfindungsgemäße Funktion der Kollektorblattfeder sicherzustellen.
Man spart also komplizierte Schnittwerkzeuge und ist dadurch in der,lage, gegebenenfalls
die Federkontur beliebig oft und ohne große Kosten zu ändern, bis die optimale Federgestalt
gefunden ist. Wie die Kollektorblattfedern in einem Ätzstreifen angeordnet sein
können, zeigt die Figur 5.
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Mit einem einfachen Schnittwerkzeug werden die Kollektorblattfedern
en bloc freigeschnitten. Ätzstreifen entsprechend Figur 5 können zum Beispiel bis
zu 200 Kollektorblattfedern enthalten.
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gDie Überlegenheit des Ätzverfahrens gegenüber dem Stanzverfahren
zeigt sich vor allem in der absoluten Gratfreiheit des Endproduktes. Während beim
Stauerfahren zumindest scharfe Konturen
verbleiben, die zur Riefenbildung
auf der Kommutierungsfläche des Kollektors lahren,-werdetl alle Kanten der Kollektorblattfeder
beim Ätzvorgang abgerundet, so daß sich auf der KommutierungsflEche des Kollektors
ein minimaler Verschleiß ergibt. Figur 6 zeigt im Querschnitt einen Kontaktarm einer
geätzten Kollektorblattfeder. Man erkennt die abgerundeten Kanten 22, 23, 24, 25.
Durch diese bleibt der Verschleiß am Kollektor sehr gering, so daß stabile Übergangswiderstände
zwischen den Federkontaktstellen und der Lauffläche des Kollektors erreicht werden.