DE10042467A1 - Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine (10) mit zumindest einem Bürstenpaar (44) vorgeschlagen. Zumindest eine Bürste (22) ist verschiebbar aufgenommen und zumindest auf die eine verschiebbare Bürste (22) wirkt eine Feder (46) in einer Verschieberichtung. Die Bürstenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem zur Feder (46) gerichteten Ende (48) der zumindest einen Bürste (22) und einem zu der zumindest einen Bürste (22) gerichteten Ende (50) der Feder (46) ein Isolationselement (52) angeordnet ist, das einen Wärmeübergang zur Feder (46) behindert.

Description

Stand der Technik

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 32 68 95 ist eine Bürstenanordnung für eine als Starter ausgeführte elektrische Maschine gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art bekannt. Diese Bürstenanordnung dient dazu, den Läufer des mit Gleichstrom betriebenen Startermotors über einen Kommutator mit elektrischer Energie zu versorgen. Die bekannte Bürstenanordnung wird dabei über eine Stromschiene an den Pluspol einer Starterbatterie angeschlossen. Diese Stromschiene ist von außen durch einen Dichtungsgummi in das Innere der Maschine hindurchgeführt. Über zwei Arme dieser Stromschiene wird jeweils eine Plusbürste über je eine mit der Stromschiene verbundene Litze kontaktiert. In ähnlicher Weise sind die zwei Minusbürsten über zwei Litzen mit einem an Masse angeschlossenes Blech kontaktiert. Jede der vier Bürsten ist in einer Bürstenfassung angeordnet und ist in dieser Bürstenfassung im Bezug zum Kommutator in radialer Richtung verschiebbar. Jede Bürste hat eine Kontaktseite, mit der die Bürste auf dem Kommutator und damit auf den Lamellen anliegt. Der Kontaktseite in radialer Richtung gegenüberliegend befindet sich die Rückseite der Bürste, auf der sich eine Feder abstützt. Diese Feder wiederum ist mit ihrer von dem Kommutator abgewandten Seite in der Bürstenfassung gelagert. Diese Feder sichert einen ausreichenden elektrischen Kontakt der Bürste auf dem Kommutator.

Es wurde festgestellt, dass bei einem mißbräuchlichen Betrieb einer solchen elektrischen Maschine, beispielsweise durch Dauerbetrieb, das Bürstenfeuer unzulässig stark zunehmen kann und nach einem Blockieren des Läufers - beispielsweise aufgrund gelockerter Lamellen des Kommutators - und weiterem Anliegen der Betriebsspannung sogar Lichtbögen auftreten, die zu einer unzulässigen Überhitzung der Maschine führen können. Ursache für das zunehmende Bürstenfeuer und die auftretenden Lichtbögen ist ein Nachlassen der Andruckkraft der Bürsten auf dem Kommutator, für die eine nachlassende Andruckkraft einer betriebsbedingten Schwächung der Feder verantwortlich ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass die betriebsbedingten schlechten Bedingungen für die Feder bei einem Mißbrauch des Starters vermieden werden. In dem zwischen dem zur Feder gerichteten Ende der zumindest einen Bürste und einem zu der zumindest einen Bürste gerichteten Ende der Feder ein Isolationselement angeordnet ist, wird der Wärmeübergang zur Feder zumindest behindert, wodurch die von der Bürste übertragene Wärme verstärkt an die Litze weitergeleitet wird. Während ohne Isolationselement eine stark erwärmte Bürste die Wärme nahezu ungehindert auf die Feder übertragen kann und es dadurch zu unzulässig hohen Federtemperaturen kommt, die ein Setzen der Feder zur Folge haben, wird durch das Isolationselement der Wärmeübergang zwischen der Bürste und der Feder gehemmt. Die Feder wird innerhalb eines niedrigeren Temperaturniveaus gehalten, so dass sich dadurch keine wesentlichen Federmaterialänderungen ergeben, die zu einem Nachlassen der Federkraft führen könnten. Die Anpreßkraft bzw. der Anpreßdruck der Bürsten auf den Kommutator bleibt erhalten, die Neigung zum Bürstenfeuer und zu Lichtbögen nimmt rapide ab. Das Temperaturniveau im Bereich des Kommutators bzw. der Bürstenanordnung wird gesenkt, eine Brandgefahr minimiert.

Durch die in den weiteren Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bürstenanordnung möglich.

Ist das Isolationselement mit dem zur Bürste gerichteten Ende an der Feder befestigt, ist eine Handhabung der Isolationselemente bei der Montage der Bürste in die Bürstenfassung vereinfacht, da die Isolationselemente dadurch nicht verlierbar sind.

Weist das Isolationselement einen die Feder und die Bürste voneinander trennenden Plattenbereich auf, der von weiteren Funktionsbereichen getrennt ist, so ist nur durch die Dimensionierung des Plattenbereichs hinsichtlich der zulässigen zu übertragenden Wärmemenge pro Zeiteinheit verhältnismäßig genau dimensionierbar.

Weist das Isolationselement auf der der Feder zugewandten Seite des Plattenbereichs einen Klemmbereich auf, so kann mittels dieses Klemmbereichs die Befestigung des Isolationselements an der Feder genau bestimmt werden.

Ordnet man dem Klemmbereich in axialer Richtung der Feder einen Führungsbereich nach, so ist die Montage des Isolationselements an der Feder vereinfacht, da dadurch ein Einführen der Feder in den Führungsbereich bzw. des Führungsbereichs in die Feder erleichtert ist.

Umfaßt der Führungsbereich die Feder auf ihrer im Wesentlichen zylindrischen Außenseite, so ist über die Isolationswirkung des Plattenbereichs hinaus eine Isolationswirkung des Führungsbereichs gegenüber der Feder möglich.

Bisher bereits verwendete Bürstenfassungen brauchen nicht durch neue ersetzt zu werden, wenn der Führungs- und der Klemmbereich nur derart abschnittsweise angeordnet sind, dass sie im Bereich oberhalb der Bürste innerhalb der Projektionsfläche der Bürste in deren Verschieberichtung angeordnet sind. Der Durchmesser im Bereich der Feder braucht dann nicht vergrößert zu werden; gleichzeitig bleibt die Führung der Feder durch die Bürstenfassung erhalten.

Stattet man bei dem zumindest einen Bürstenpaar lediglich die zumindest eine Plusbürste mittels des Isolationselements aus, so werden nur die Plusbürsten bzw. zumindest eine Plusbürste thermisch isoliert. Dies hat den Vorteil, dass dadurch ein erhöhtes Bürstenfeuer bzw. eventuelle Lichtbögen auf die Minusbürsten gelenkt werden, da sich allenfalls dort die Federn setzen. Die an der zumindest einen Minusbürste ansteigende Temperatur aufgrund der bereits genannten Gegebenheiten läßt schlagartig die Temperatur ansteigen und die Litzen zu den Minusbürsten durchschmelzen, so dass es zu einem definierten Starterausfall ohne Brandgefahr kommt. Die Brandgefahr ist bei einem Durchschmelzen der Minusbürstenlitzen deshalb verringert, da im Bereich der zumindest einen Minusbürste keine brennbare Gehäusedichtung vorhanden ist.

Isoliert man alle Bürsten mittels des Isolationselements so wird ein Zunehmen des Bürstenfeuers bzw. eventuelle Lichtbögen weitestgehend verhindert. Allenfalls erhitzen sich die Bürstenlitzen entweder auf der Minus- oder auf der Plusseite so sehr, dass sie ihre Durchschmelztemperatur erreichen und schließlich der Startermotor kontrolliert ausfällt.

Als geeignetes Material für das Isolationselement hat sich ein duroplastischer Werkstoff bzw. ein Verbundwerkstoff auf Basis eines Duroplastes ergeben. Duroplaste sind gegenüber anderen Kunststoffen auf Polymerbasis besonders temperaturunempfindlich, eine Zerstörung eines duroplastischen Isolationselements im Anwendungsfall und damit ein Unterbrechen der Isolationswirkung zwischen Bürste und Feder besonders wenig wahrscheinlich.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von verschiedenen Zeichnungen erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit Draufsicht auf eine Bürstenplatte,

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung der Bürstenplatte entlang der Linie I-I in Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Isolationselements in einer ersten Ausführung,

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht des Isolationselements aus Fig. 3,

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Isolationselements an Hand eines zweiten Ausführungsbeispiels entlang der Linie V-V in Fig. 6,

Fig. 6 zeigt eine teilweise Draufsicht auf das Isolationselement aus Fig. 5,

Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Isolationselements,

Fig. 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Isolationselements,

Fig. 9 zeigt eine schematische Bürstenanordnung mit wärmeisolierten Plusbürsten,

Fig. 10 zeigt eine schematische Bürstenanordnung, bei der alle Bürsten wärmeisoliert sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10 dargestellt. Da nähere Details der elektrischen Maschine 10 zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, wird hier lediglich eine Draufsicht auf den Bürstenhalter 13 mit der erfindungsgemäßen Bürstenanordnung 16 gezeigt. Der Bürstenhalter 13 ist in einem Polrohr 19 der elektrischen Maschine 10 angeordnet. Der Bürstenhalter 13 trägt vier Bürsten 22, die in Bürstenfassungen 25 verschiebbar aufgenommen sind. Die zwei in Fig. 1 oben angeordneten Bürsten 22 sind sogenannte Plusbürsten 28, die jeweils über eine Litze 31 mit einer Stromschiene 33 verbunden sind. Diese Stromschiene 33 ist üblicherweise mit einem Kontakt eines nicht dargestellten Starterrelais verbunden. Über den Kontakt des Starterrelais ist die Stromschiene 33 und damit die Plusbürsten 28 mit einem Pluspol einer Starterbatterie verbindbar. Die Stromschiene 33 ist durch eine Öffnung 35 im Polrohr 19 nach außen geführt. Damit durch diese Öffnung 35 beispielsweise keine Feuchtigkeit eindringen kann, ist diese Öffnung 35 mittels einer Dichtung 38 verschlossen und durch eine nicht näher bezeichnete Öffnung in der Dichtung 38 die Stromschiene 33 nach außen hin durchgeführt.

Die zwei unteren Bürsten 22 in Fig. 1 sind sogenannte Minusbürsten 40, die ebenfalls jeweils über eine Litze 31 mit einem Blechteil 42 des Bürstenhalters 13 kontaktiert sind. Das Blechteil 42 ist mittelbar über nicht dargestellte Elemente mit einem Minuspol der Starterbatterie verbunden.

Die beiden Plusbürsten 28 und die beiden Minusbürsten 40 haben jeweils einen Winkelabstand von 120°.

Eine Plusbürste 28 und eine gegenüberliegende Minusbürste 40 bilden ein Bürstenpaar 44. Ein Bürstenpaar 44 ist die Mindestanzahl zur Bestromung einer derartigen Kommutatorgleichstrommaschine.

Eine jede Bürste 22 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in ihrer Bürstenfassung 25 in Richtung zum Mittelpunkt M verschiebbar. In den Mittelpunkt M fällt in dieser Darstellung die Drehachse eines nicht dargestellten Läufers der elektrischen Maschine 10. Die Bürsten 22 sind je nach Grad ihrer Abnutzung entweder zunächst nur in Richtung des Mittelpunkts M oder nach einer gewissen Gebrauchsdauer auch in die entsprechende radiale Gegenrichtung verschiebbar, was durch entsprechende Doppelpfeile am Umfang des Polrohrs angedeutet ist.

In jeder Bürstenfassung 25 ist neben einer. Bürste 22 eine Feder 46 angeordnet, die eine Druckkraft auf die Bürste 22 und damit einen sicheren Kontakt der Bürste 22 mit dem Kommutator gewährleistet. Die Feder 46 wirkt dabei in Verschieberichtung der Bürste 22. Zwischen einem zur Feder 46 gerichteten Ende 48 der Bürste 22 und einem zur Bürste 22 gerichteten Ende 50 der Feder 46 ist ein Isolationselement 52 angeordnet, dass einen Wärmeübergang zur Feder 46 behindert.

In Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Isolationselements 52 dargestellt. Das Isolationselement 52 besteht zunächst aus einem Plattenbereich 54, der zwischen der Feder 46 und der Bürste 22 angeordnet ist. Dieser Plattenbereich 54 verhindert unmittelbar den direkten Wärmeübergang zwischen der Bürste 22 und der Feder 46. Der Außendurchmesser D des Plattenbereichs 54 entspricht dabei dem Außendurchmesser der zu isolierenden Feder 46. Die Feder 46 stützt sich auf der der Bürste 22 abgewandten Seite des Plattenbereichs 54 ab.

Auf der Rückseite des Plattenbereichs 54, d. h. auf der der Bürste 22 abgewandten Seite, erstreckt sich ein Klemmbereich 56. Mittels dieses Klemmbereichs 56 ist die Feder 46 mit dem Isolationselement 52 kraftschlüssig bzw. verbunden und damit befestigt. Dieser Klemmbereich 56 hat eine Höhe von etwa 1 mm und reicht damit zur klemmenden Befestigung der Feder 46 am Isolationselement 52 aus. Die Höhe ist auf die jeweilige verwendete Feder 46 abzustimmen.

Dem Klemmbereich 56 ist in axialer Richtung ein Führungsbereich 58 nachgeordnet. Dieser Führungsbereich 58 dient dazu, das Einführen des Isolationselements 52 in das Ende 50 der Feder 46 zu erleichtern. Aus diesem Grund ist der Führungsbereich 58 an seinem vom Plattenbereich 54 abgewandten Ende konisch ausgebildet.

In Fig. 4 ist die Draufsicht auf das Isolationselement 52 aus Fig. 3 dargestellt. In der Draufsicht ist erkennbar, dass der Führungsbereich 58 und der Klemmbereich 56 zunächst eine im Wesentlichen regelmäßig sechseckige prismatische Form aufweist. Der Klemmbereich 56 weicht jedoch in seiner Außenkontur vom Führungsbereich 58 ab.

An Ecken 62 der prismatischen Form sind Ansätze 64 angeordnet, die von einer zylindrischen Grundform ausgehen. Diese Ansätze 64 haben im Wesentlichen einen sichelförmigen Querschnitt. Mit Hilfe dieser Ansätze 64, die sich etwas über die prismatische Form hinaus erstrecken, wird die Feder 46 an ihrem Innenumfang geklemmt, so dass eine kraftschlüssige Befestigung des Isolationselements 52 an der Feder 46 ermöglicht ist.

Während nach Fig. 3 und Fig. 4 die Feder 46 an ihrem Innenumfang durch den Klemmbereich 56 festgehalten ist, besteht nach Fig. 5 die Möglichkeit, in entsprechender Weise die Feder 46 an ihrem Außenumfang zu klemmen. Dazu weist das Isolationselement 52 nach Fig. 5 ebenfalls einen Plattenbereich 54 auf, an den sich ein Klemmbereich 56 sowie ein Führungsbereich 58 anschließen. Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bzw. Fig. 4 der Klemmbereich 56 mittels Ansätzen 64, die Feder 46 an ihrem Innenumfang klemmt, klemmen die Ansätze 64 in Fig. 5 die Feder 64 an ihrem Außenumfang in analoger Weise, siehe auch Fig. 6.

Ist der zur Verfügung stehende Raum für das Isolationselement 52 insbesondere in der Höhe, d. h. in axialer Richtung der Feder 46 eingeschränkt, kann auf den vom Klemmbereich 56 getrennten Führungsbereich 58 auch verzichtet werden, da sich Federn 46 mit rundem Drahtquerschnitt auch ohne Führungsbereich 58 in das Isolationselement 52 einfügen lassen. Alternativ können auch der Klemmbereich 56 bzw. die Ansätze 64 in Richtung zur Feder angeschrägt sein, um ein Einfügen der Feder 46 bzw. des Isolationselements 52 zu erleichtern.

Das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 zeigt ein Isolationselement 52 mit einem nach radial Außen verlängerten Plattenbereich 54, der sich in Richtung einer rechteckförmigen Aussparung 66 der Bürstenfassung 25 erstreckt. Die Aussparung 66 entspricht in etwa dem Querschnitt einer Bürste 22. Die Isolationswirkung ist durch die vergrößerte Fläche des Plattenbereichs 54 verbessert. Weiterhin zeigt das Isolationselement 52 einen um die Feder 46 nur abschnittsweise ausgeführten Führungs- 58 und Klemmbereich 56.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel ausgehend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bzw. Fig. 6 dargestellt. Gegenüber den bisher besprochenen bzw. beschriebenen Ausführungsbeispielen wird hier die Isolationswirkung weiter verbessert. Diese Verbesserung wird dadurch erreicht, dass der Plattenbereich eine Größe aufweist, die dem Querschnitt einer Bürste 22 in etwa entspricht. Durch diese größtmögliche Überdeckung der Bürste 22 durch den Plattenbereich 54 ist lediglich eine Wärmeableitung von der Bürste 22 über die Bürstenfassung 25 bzw. dem Plattenbereich 54 möglich. Gegenüber den bisherigen Ausführungsbeispielen ist somit ein. Wärmeübergang von der Bürste 22 über die Luft zwischen der Bürste 22 und der Feder 46 nicht mehr möglich. Der Wärmeübergang von der Bürste 22 auf die Feder 46 wird durch den Plattenbereich 54 noch stärker eingeschränkt, die schädlichen Einwirkungen der Wärme auf die Feder 46 weiter verringert.

In Fig. 9 und Fig. 10 ist die Bürstenanordnung 16 schematisch dargestellt. In Fig. 9 sind lediglich die Plusbürsten 28 mittels des Isolationselements 52 isoliert. In Fig. 10 sind dagegen alle Bürsten 22, d. h. sowohl die Plusbürsten 28 als auch die Minusbürsten 40 isoliert.

Für diesen besonderen Anwendungsfall eines Starters hat sich für das Isolationselement 52 eine Ausführung aus einem Duroplast als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein geeigneter Duroplast ist eine Phenolformmasse mit einem kurzen Glasfaserfüllstoff. Insbesondere ist hierbei ein Stoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,7 W/mK geeignet. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Stoffes liegt damit in einem Bereich von 1 W/mK und gerihger, wodurch eine übermäßige Erwärmung der Feder 46 vermieden wird.

Claims (10)

1. Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine (10) mit zumindest einem Bürstenpaar (44), wobei zumindest eine Bürste (22) verschiebbar aufgenommen ist und zumindest auf die eine verschiebbare Bürste (22) eine Feder (46) in eine Verschieberichtung wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem zur Feder (46) gerichteten Ende (48) der zumindest einen Bürste (22) und einem zu der zumindest einen Bürste (22) gerichteten Ende (50) der Feder (46) ein Isolationselement (52) angeordnet ist, das einen Wärmeübergang zur Feder (46) behindert.

2. Bürstenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (52) mit dem zur Bürste (22) gerichteten Ende (50) der Feder (46) verbunden ist.

3. Bürstenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (52) einen Plattenbereich (54) hat, der zwischen der Feder (46) und der Bürste (22) angeordnet ist.

4. Bürstenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Feder (46) zugewandten Seite des Plattenbereichs (54) ein Klemmbereich (56) angeordnet ist, über den das Isolationselement (52) mit der Feder (46) befestigt ist.

5. Bürstenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Klemmbereich (56) in axialer Richtung der Feder (46) ein Führungsbereich (58) nachgeordnet ist.

6. Bürstenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmbereich (56) die Feder (46) an ihrem Umfang aufnimmt und fasst.

7. Bürstenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmbereich (56) die Feder (46) abschnittsweise an ihrem Umfang aufnimmt und fasst.

8. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bürsten eine Plusbürste (28) ist, und dass nur die zumindest eine Plusbürste (28) mittels des Isolationselements (52) thermisch isoliert ist.

9. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bürsten mittels eines Isolationselements (52) thermisch isoliert sind.

10. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Isolationselements (52) ein Duroplast ist.