DE10042467A1 - Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine - Google Patents
Bürstenanordnung für eine elektrische MaschineInfo
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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
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.
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.
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.
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.
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