DE1613093A1

DE1613093A1 - Commutator for DC machines

Info

Publication number: DE1613093A1
Application number: DE19671613093
Authority: DE
Inventors: Herbert Binder; Johnson William D; C Hanna Samuel
Original assignee: General Precision Inc
Current assignee: General Precision Inc
Priority date: 1967-02-21
Filing date: 1967-02-21
Publication date: 1969-08-07
Also published as: DE1613093B2; DE1613093C3

Description

Kommiitator für Gleichstrommaschinen Die Erfindung betrifft einen sternförmig.en Kommutator für Gleichstrommaschinen mit DauermagnetIwie sie insbesondere für Kreisel und Trägheits-Plattfarmen verwendet werden.Commiitator for DC machines The invention relates to a star-shaped.en commutator for DC machines with permanent magnets, like them in particular used for gyroscopes and inertial flat farms.

Eine herkömmliche Gleichstrommaschine besitzt einen Dauermagnet-Ring mit auf einer Gehäusewand montierten Kontaktbürsten der gegenüber einem mit Wicklungen versehenen Ankerring drehbar ist, sowie einen als gedruckte Schaltung ausgeführten Kommutatorring, der auf der anderen Gehäusewand.montiert ist. Der Kommutatorring weist eine Vielzahl von Kollektorstäben auf, die mit den Ankerwicklungen verbunden sind. Jeder Kommutatorstab ist mit dem einen Ende einer Zuführungsleitung verlötetg deren anderes Ende mit jeweils zwei der Wicklungen verlötet ist. Bei solchen herkömmlichen Gleichstrommaschinen besteht insbesondere 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. Erfindungsgemäß wird die Anzahl derartiger Lötverbindungen durch einen derartigen Komrniitator auf die Hälfte reduzierti bei dem eine Vielzahl von L-förmig gebogenen in Umfangsrichtung verteilten Metallstäben vorgesehen ist, deren radial zur Achse der Maschine verlaufende Schenkel an der einen Stirnfläche einerringförmigen Isolierscheibe angebracht sind, während die anderen Schenkel senkrecht zu der genannten Stirnfläche verlaufen und mit den ersten Schenkeln über gekrümmte Mittelabschnitte verbunden sind. Der Kommutator erhält-dadurch eine topfartige Gestalt, die den Ankerring'umschließte Die axial verlaufenden Schenkel der Kommutatorstäbe werden dabei jeweils mit einem Ende zweier Wicklungen verbunden und greifen vorzugsweise passend in die Ankernuten ein. Neben der Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Verminderung der Zahl von Lötstellen bringt eine solche Ausgestaltung des Kommutators den Vorteil mit sich, daß die sehr dünnen nach der Technik der gedruckten Schaltung hergestellten Kommutatorstäbe durch Halterung ihres einen Endes in den Ankernuten und Befestigung ihres anderen Endes an der Isolierscheibe so unterstützt sind, daß keine besonderen Haltemittel erforderlich sind.A conventional DC machine has a permanent magnet ring with contact brushes mounted on a housing wall, which is rotatable with respect to an armature ring provided with windings, and a commutator ring designed as a printed circuit, which is mounted on the other housing wall. The commutator ring has a plurality of collector bars that are connected to the armature windings. Each commutator bar is soldered to one end of a supply line, the other end of which is soldered to two of the windings. In such conventional DC machines, there is a risk of cold soldering points, in particular because of the large number of connection points. For example, a typical twelve-pole machine often has 49 commutator bars with 49 lead wires and 98 soldered connections. Reducing the number of these connections can increase reliability significantly. According to the invention, the number of such soldered connections is reduced to half by such a Komrniitator in which a plurality of L-shaped bent metal rods distributed in the circumferential direction are provided, whose legs extending radially to the axis of the machine are attached to one end face of an annular insulating washer, while the other Legs run perpendicular to said end face and are connected to the first legs via curved central sections. As a result, the commutator has a pot-like shape that surrounds the armature ring. The axially extending legs of the commutator bars are each connected to one end of two windings and preferably engage appropriately in the armature slots. In addition to increasing reliability by reducing the number of soldering points, such a design of the commutator has the advantage that the very thin commutator bars produced by the technique of printed circuit boards by holding one end of them in the armature grooves and fastening their other end to the insulating washer are supported so that no special holding means are required.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, in der .Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gleichstrommaschine zeigt; Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1 ist; Fig- 3 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in größerem Maßstab zeigt; Fig. 4 ein Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3 ist; Fig. 5 ein Querschnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 3 ist; und Fig. 6 ein Querschnit t längs der Linie 6-6 d-er Fig. 3 ist.An embodiment of the invention is described below with reference to the drawing, in the .Fig. 1 shows a longitudinal section through a direct current machine; Figure 2 is a cross section taken along line 2-2 of Figure 1 ; Fig. 3 shows a detail from Fig. 1 on a larger scale; Figure 4 is a section on line 4-4 of Figure 3 ; Figure 5 is a cross section taken along line 5-5 of Figure 3 ; 6 is a Querschnit and FIG. t along the line 6-6 of Fig. 3.

Wie in der Zeichnung dargestellt, besteht die Gleichstrommaschine 10 aus einem Ständer 12 mit einer Vielzahl von Magneten 20 und einem Bürstenpaar 58, 60 sowie aus einem demgegenüber drehbaren Gehäuse 28 mit einem Anker 40 und einem Kommutator 52. Eine Maschine dieses Typs ist in der USA-Patentschrift Nr. 3 178 599 besehriebeii. Die Maschine 10 ist vorzugsweise eine Gleichstrommaschine mit Dauermagnet.As shown in the drawing, the DC machine 10 consists of a stator 12 with a plurality of magnets 20 and a pair of brushes 58, 60 and a housing 28 rotatable in relation to it with an armature 40 and a commutator 52. A machine of this type is in the USA - Patent Specification No. 3 178 599 refer to. The machine 10 is preferably a permanent magnet DC machine.

Der aus magnetisch permeablem Material bestehende Ständer 12 hat eine innere zylindrische Wand 14 mit einer Achse 15, eine dazu koaxiale äußere zylindrische Wand 16, die den magnetischen Rückschluß bildetisowie eine konzentrische ringförmige Stirnwand 18. Die die Polstücke bildenden Dauer" magnete 20 sind auf der in radialer Richtung,äußeren Seite der Wand 16 des Ständers 12 angebracht. In der dargestellten Ausführungsform sind vorzugsweise 12 Magnete vorgesehen, die eine zwölfpolige Magnetgruppe bilden. Konzentrisch ill der Wandung 14 ist ein Lager 22 angeordnet, das zwischen einer Schulter 24 in der Wand 14 und einer gegenüberliegenden Mutter 26 eingespannt ist.The stator 12, which is made of magnetically permeable material, has an inner cylindrical wall 14 with an axis 15, an outer cylindrical wall 16 coaxial thereto, which forms the magnetic yoke, and a concentric annular end wall 18. The permanent magnets 20 forming the pole pieces are on the in radial direction, outer side of the wall 16 of the stator 12. In the embodiment shown, 12 magnets are preferably provided which form a twelve-pole group of magnets an opposite nut 26 is clamped.

Das drehbare Gehäuse 28 wird von der Wand 12 und dem Lager 22 getragen. Es besteht ebenfalls aus magnetisch permeablem Material und ist zu dem Ständer 12 bezüglich der Achse 15 koaxial angeordnet; es weist eine innere zylindrische Wand 30, eine äußere zylindrische Wand 32 und eine ringförmige Stirnwand 34 auf, Die Wand 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 Gehäuse 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 12 Magneten zusammenarbeiten.The rotatable housing 28 is supported by the wall 12 and the bearing 22. It also consists of magnetically permeable material and is arranged coaxially to the stator 12 with respect to the axis 15; it has an inner cylindrical wall 30, an outer cylindrical wall 32 and an annular end wall 34. The wall 30 is provided with a shoulder 36 and carries a nut or a clamping ring 38 for fastening the bearing 22 on the other side The multi-pole coiled armature 40 carried by the housing 28 comprises a sheet metal armature ring 42 having a plurality of grooves 44 and windings 46; in the embodiment shown it has 49 slots and 49 windings that cooperate with the 12 magnets.

Der Kommutator 52 wird von dem Ankerring 42 bezüglich der Achse 15 konzentrisch getragen und liegt an der Wand 34 an.The commutator 52 is carried by the armature ring 42 concentrically with respect to the axis 15 and rests against the wall 34.

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 äürste 58 ist in der Zwölf-Uhr-Stellung der Fig. 2 angeordnet und führt dem Kommutator 52 den Strom zu, während die Bürste 60 zur leichteren Darstellung nahe der Sechs-Uhr-Stellung der Fig. 2 gezeigt ist und den Strom aus dem Kommutator wegleitet. Die Bürste 58 hat eine Zuleitung 64 und die Bürste 60 eine Zuleitung 66. Die Bürsten sind vorzugsweise federnd unterstützt und haben eine Kontaktfläche aus Silbergraphit.The supported by the magnets 20 brushes 58, 60 are connected to a retaining ring 62 which is cemented to the axially outer surface of the magnets 20th The ridge 58 is arranged in the twelve o'clock position of FIG. 2 and supplies the current to the commutator 52 , while the brush 60 is shown near the six o'clock position of FIG. 2 for ease of illustration and the current from the Commutator leads away. The brush 58 has a supply line 64 and the brush 60 has a supply line 66. The brushes are preferably resiliently supported and have a contact surface made of silver graphite.

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 dem Anfang 70 der in der Reihe folgenden Wicklung verbunden.The windings 46 are composed of several turns of a strand of continuously wound wire and are connected in series. Each winding 46 encloses four poles and overlaps four adjacent windings. Its end 68 (FIG. 4) is connected to the beginning 70 of the winding following in the series.

Der Ständer 12 ist ferner mit einem Deckel 73 versehen, der auf der radial äußeren Seite der Wand 16 abnehmbar montiert ist und einen Schlitz 71 aufweist, durch den die Zulditungen 64 und 66 in das Gehäuse hineingeführt sind. Weitere Einzelheiten der Bauweise der Maschine 10 sind in der erwähnten USA--Patentschrift Nr. 3 178 599 beschrieben.The stand 12 is further provided with a cover 73 which is removably mounted on the radially outer side of the wall 16 and has a slot 71 through which the supply lines 64 and 66 are led into the housing. Further details of the construction of the machine 10 are described in the aforementioned US Pat. No. 3,178,599 .

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 Kommutatorstäben 74 unterstützt.According to the invention, the star-shaped commutator 52 which is concentric with the armature 40 with respect to the axis 15 has an annular insulating disk 72 which supports a plurality of L-shaped commutator bars 74 fastened on it.

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 auf die Achse 15 zu verlaufende Schenkel 76, parallel zur Achse 15 verlaufende Schenkel 78 sowie L-förmig- gebogene Mittelaibschnitte 80, die die Schenkel 76 und 78 miteinander verbinden.The rods 74, the axis are distributed 15 uniformly in the circumferential direction with respect to and are preferably made of metal foil strips in the manner of a printed circuit board have in each case radially to the axis 15 to extending leg 76, extending parallel to the axis 15 of legs 78 and L-förmig- curved center sections 80 connecting legs 76 and 78 together.

Die Schenkel 76 weisen äußere Flächen 82 auf, die in einer zur Achse 15 im wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet sind und in axialer Richtung nach außen weisen. Die inneren Flächen 84-der Schenkel 76 sind jeweils zu den Flä- chen 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 Kontakt-fläche 84 für die Bürsten darstellt.The legs 76 have outer surfaces 82 which are arranged in a plane which is essentially perpendicular to the axis 15 and which point outward in the axial direction. The inner surfaces 84 of the legs 76 are each parallel to the surfaces 82 and rest on the opposite surfaces of the brushes 58, 60 . The legs 76 have the shape of a spade or trapezoid in profile, the greater width in the circumferential direction representing a larger contact surface 84 for the brushes.

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. Sie vermitteln somit einen neuartigen Kommutator-Anker-Aufbau. Die Schenkel 78 bilden jeweils Drei-Weg-Verbindungen 86 mit den Wicklungsenden 68, 70,wobei die Verbindungsstellen 86 zur leichteren Abisolierung und Unterstützung gegen Er-C> C) schütterungen innerhalb der Nuten 44 angeordnet sind.The legs 78 'are each inserted into the grooves 44 with a friction fit, thus carrying the commutator 52 from the armature 40 and making special insulating mountings superfluous. They thus convey a new type of commutator-armature structure. The legs 78 each form three-way connections 86 with the winding ends 68, 70, the connection points 86 being arranged within the grooves 44 for easier stripping and support against vibrations.

Auf diese "itleise werden besondere Zuführungsdrähte von den Verbindungsstellen der Wicklungsenden durch die iiuten zum CD Kommutator vermieden, wie sie bei Kaschinen der herkömmliehen Art erforderlich sind. Ausserdem kann jeweils ein Paar von Lötverbindungen für jeden dieser-oei den bekannten Maschinen benötigten Zuführungsdrähte eingespart werden. Verglichen mit den bekannten Maschinen werden also durch die erfindungscemässe 3auweise 49 besondere Veroindungsdrähte , CD mit 49 eigenen Lötstellen vermieden. Dadurch werden die Zuverlässigkei-t der Maschine 10 erhöht und die Herstellungskosten verrin##ert. Die Schenkel 78 haben ferner äussere Flächen 88, die in radialer Ric-..itung nach aussen weisen, wouurch sich das Lot 87 an den Vernindungsstellen 86 zwischen den Wicklungsenden 68 und 70 einerseits und diesen Fläcnen o8 andererseits leichter aufbringen lässt.In this way, special lead wires from the connection points of the winding ends through the slots to the CD commutator are avoided, as are required in conventional machines. compared with the known machines, ie 49 special Veroindungsdrähte, CD of the machine by the erfindungscemässe 3auweise avoided with 49 own solder joints. Thereby, the Zuverlässigkei-t be increased 10 and the manufacturing cost verrin ## ert. the legs 78 also have outer surfaces 88 which pointing outwards in a radial direction, which makes it easier to apply the solder 87 at the connection points 86 between the winding ends 68 and 70 on the one hand and these surfaces 8 on the other hand.

f> Der Ring 72 hat eine Stirnfläche 90, auf die die Flächen 82 der Schenkel 76 aufgekittet sind. 3ei dieser liauweise stellt der Kommutator 52 eine topfförmige Einheit mit festem Profil dar. Zur weiteren Halterung gegen Erseflütterungen ist der Ring 72 vorzugsweise auch auf die Wand 34 aufgekittet. f> The ring 72 has a face 90 on which the surfaces 82 of the legs are cemented 76th In this way, the commutator 52 represents a pot-shaped unit with a fixed profile. The ring 72 is preferably also cemented onto the wall 34 for further holding against ground seepage.

Die Mittelabschnitte 80 weisen Isolierschichten oder -überzüge 92 auf, die vorzuesweise auf die äusseren Flächen aufgebracht sind, um die Abschnitte gegenüber dem Ring 42 und den Wänden 32 und 34 zu isolieren. Die Überzüge 92 sinä aus hitzebeständigem elektrisch isolierenden Material wie Epoxydharz oder dergleichen hergestellt.The middle sections 80 have insulating layers or coatings 92 which are preferably applied to the outer surfaces in order to isolate the sections from the ring 42 and the walls 32 and 34. The coatings 92 are made of a heat-resistant electrically insulating material such as epoxy resin or the like.

Die Drähte 68, 70 und die Stäbe 74 sind an denjenigen rm Stellen, an denen sie in die-Äuten 44 eingelegt sind, zur Isolierung der Verbindungsstellen 86 in eine Isollerfolie 94 eingewickelt. Die Folie 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 Fig. 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.The wires 68, 70 and the rods 74 are wrapped in an insulating film 94 at those points at which they are inserted into the grooves 44 in order to isolate the connection points 86. The foil also isolates parts of the winding 46 disposed in the slot and provides an adhesive fit of the legs 78 within the slots 44. A cast insulation 96 covers all parts of the windings 46 inside and outside the slots. The insulation 96 consists of circular ring parts which are arranged on the axially outer sides of the armature 40. The bars 74 are adapted to the outer surfaces of the adjacent parts of the insulation 96 according to FIG. 3 , so that displacements between the commutator 52 and the armature 40 are made as small as possible and a rigid commutator-armature unit is achieved.

Zur Herstellung des Ankers 52 eignet sich vorzugsweise das folgende Verfahren: 1. Eine dünne ringförmige Kupferfolie wird auf die Stirnfläche eines ringför igen Isolierstücks aufgebracht, das im wesentlichen den gleichen Innendurchmesser aber einen geringeren Außendurchmesser aufweist als die Folie.The following method is preferably suitable for producing the armature 52 : 1. A thin annular copper foil is applied to the end face of an annular insulating piece which has essentially the same inside diameter but a smaller outside diameter than the foil.

2. Durch ein herkömmliches Verfahren wie bei der Herstellung gedruckter Schaltunger# beispielsweise einen Ätzprozess, wird ein Muster von gleichmäßig verteilten radialen Streifen aus der Metallfolie entfernt bzw. herausgeätzt, so. daß eine Vielzahl von radial gleichmäßig verteilten Metallfolienstreifen übrig bleibt, deren radial innen gelegene Abschnitte von dem Isolierring getragen werden.2. By a conventional method as in the manufacture of printed ones Circuitry # for example an etching process, a pattern is evenly distributed radial strips removed or etched out of the metal foil, see above. that a multitude remains of radially evenly distributed metal foil strips, whose radially internal sections are carried by the insulating ring.

3. Die dünnen Metallfolienstreifen werden 1-artig verformt, sodaß die radial verlaufenden Schenkel im wesentlichen in der Ebene der besagten Ringfläche liegen,an der sie befestigt sind, und die axial verlaufenden Schenkel auf dieser Ebene im wesentlichen senkrecht stehen und von der besagten Fläche hervorstehen. 3. The thin metal foil strips are deformed 1-like, so that the radially extending legs lie essentially in the plane of said annular surface to which they are attached, and the axially extending legs are essentially perpendicular to this plane and protrude from said surface .

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Maschine 10 im Vergleich zu Maschinen nach dem Stand der Technik infolge der verringerten Anzahl von Kommiltatoranschlüssen 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.In summary, it can be stated that the machine 10 has a higher reliability compared to machines according to the prior art due to the reduced number of commutator connections and the smaller number of components, in particular by avoiding the lead wires between the commutator and the windings; at the same time, special holding means between the commutator and the armature are saved. The increased reliability of the machine is also based on the fact that the connection points between the commutator and the windings are vibration-proof.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebene Ausführungsformg sondern umschließt auch verschiedene Abänderungen. Beispielsweise können die axial verlaufenden Schenkel auf der radial inneren Seite der Isolierscheibe angeordnet sein, so daß der Kommutator in einer Maschine verwendet werden kanng bei der der Magnetring auf der radial äußeren Seite des gewickelten Ankerrings angeordnet--ist. Außerdem kann ein Doppel-Kommutator mit zwei Gruppen von radial getrennten L-förmigen. Stäben vorgesehen sein.The invention is not limited to the embodiment described but also includes various amendments. For example, the axially extending legs arranged on the radially inner side of the insulating washer so that the commutator can be used in a machine in which the Magnet ring arranged on the radially outer side of the wound armature ring - is. Also, a double commutator with two groups of radially separated L-shaped. Rods may be provided.

Claims

Claims 1. Star-shaped commilator for direct current machines, characterized by a plurality of L-shaped bent metal rods (74) distributed in the circumferential direction, the legs (76) of which extend radially to the axis (15) of the machine on one end face (90) annular insulating washer (72) are attached, while the other legs (78) run perpendicular to said end face and are connected to the first legs via curved central sections (80) . 2 * commutator according to claim 19, characterized in that the curved central sections (80) are coated with an insulating layer (92) on the outwardly directed surface. 3 * commutator according to claim 1 or 2, characterized in that the commutator bars (74) consist of metal foil strips with a thickness of less than 0.25 mm. 4. Commutator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the radial legs (76) swept by the collector brushes (58, 60) are wider in the circumferential direction than the rest of the commutator bars (74). 5. Commlitator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axially extending legs (78) of the commutator bars (74) fit into the armature grooves (44) and each with one end (68, 70) of the adjacent-.ten are connected in the corresponding.Nut inserted windings (46). 6. Commiitator according to claim 5, characterized in that in the grooves (44) one of the connecting points (86) between the commiitator rod (74) and winding ends (68, 70) enveloping insulating film (94) 'is inserted. 7. A method for, manufacturing a commutator according to the preceding Ansprücheng gekennzeichnetg in that the annular insulating disc (72) a likewise However annular larger diameter metal foil is applied from by an etching process a of individual radially extending strip (74) consisting Pattern is generated, and that the ends of the rods are evenly bent up into an L-shape.