-
Die
Erfindung geht aus von einer Bürste
für eine
elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Bürste
umfasst einen Schaft mit einer eine Außenkontur aufweisenden Querschnittsfläche.
-
Elektrokleinmotoren,
die mechanisch kommutiert und in Flüssigkeiten betrieben und/oder
von Flüssigkeiten
durchströmt
werden, sind als elektrische Kraftstoffpumpen, als Wasserpumpen
oder dergleichen im Automobilbau, und als Förderpumpen oder dergleichen
außerhalb
des Kraftfahrzeugbereichs bekannt. Mechanische Kommutierungssysteme
für solche
Motoren sind aus Bauraumgründen häufig Plankommutatoren.
Aufgrund knapper werdender Ressourcen für Kraftstoffe/Treibstoffe sowie steigender
Preise für
elektrische Energie steigt die Bedeutung eines hohen Wirkungsgrades
auch für
in Flüssigkeiten/Treibstoffen
betriebene Elektro-Kleinmotoren. Dies gilt insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen.
Für die
Stromaufnahme sind der Wirkungsgrad der Stromführungskette, die magnetische Ausnützung der
elektrischen Energie (geringe magnetische Verluste) und die hydraulischen
(flüssigkeitsbedingten)
bzw. die mechanischen (z.B. Lagerreibung oder dergleichen) Verluste
maßgeblich.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Bürste für eine elektrische
Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil
einer Optimierung des Wirkungsgrades und der Stromaufnahme von Gleichstrom
Elektro-Kleinmotoren mit Plankommutator durch eine verbessern Kohlegeometrie.
Eine derartige Bürste
ist bezüglich
ihrer Geometrie auf die Verringerung von Flüssigkeitsreibungs- und Aquaplaningeffekten
auf der Oberfläche
von Plankommutatoren optimiert. Hierzu umfasst die einen Schaft
mit einer eine Außenkontur
aufweisenden Querschnittsfläche, wobei
die Außenkontur
stromlinienförmig
ausgebildet ist.
-
Möglich ist
dies auch alternativ oder zusätzlich
mit einer elektrischen Maschine mit einem eine ebene Stirnfläche aufweisenden
Plankommutator und mit einem Bürstenhalter,
der in Köchern
mit Federn beaufschlagte Bürsten
hält und
der an einer dem Plankommutator zugewandten Unterseite Öffnungen
in den Köchern
hat, aus denen die Bürsten austreten
und die Stirnfläche
des Plankommutators kontaktieren, wobei die Federn Rollfedern sind,
die mit Haken an Einhängemitteln,
die seitlich an den Öffnungen
ausgebildet sind, eingehängt
sind, wobei die Einhängemittel
in einer Ebene angeordnet sind, die parallel und mit Abstand zur
ebenen Stirnfläche des
Kommutators verläuft.
-
Eine
Umsetzung der stromlinienförmigen
Außenkontur
ist dadurch möglich,
dass der Schaft mehrere Längsseiten
aufweist und dass wenigstens zwischen zwei benachbarten Längsseiten,
die vorzugsweise im rechten Winkel zueinander stehen, eine Schräge ausgebildet
ist, deren Breite größer als
die Breite wenigstens einer der beiden benachbarten Längsseiten
ist. Verbessern lässt
sich dies dadurch, dass wenigstens eine erste und zweite Längsseite parallel
mit einem ersten Abstand zueinander verlaufen, wobei die Breite
der ersten Längsseite
größer als die
Breite der zweiten Längsseite
ist, dass die erste und zweite Längsseite
symmetrisch zu einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht durch
die erste und zweite Längsseite
verläuft,
dass eine dritte und vierte Längsseite
symmetrisch zur Ebene und vorzugsweise parallel und mit einem zweiten
Abstand zueinander verlaufen und dass zwischen der ersten Längsseite
und der dritten Längsseite
eine erste Schräge sowie
zwischen der ersten Längsseite
und vierten Längsseite
eine zweite Schräge
ausgebildet ist.
-
Sind
die dritte und vierte Längsseite
gleich groß und
kürzer
als die zweite Längsseite,
so lässt sich
eine Bürsteart
für Motoren
mit verschiedenen Drehrichtungen verwenden. Dadurch, dass die erste und
zweite Schräge
breiter als die dritte und vierte Längsseite sind, lässt sich
die Stromlinienform verbessern. Wenn die erste und zweite Schräge einen symmetrisch
zur Ebene angeordneten ersten Winkel einschließen, so wird die Verwendung
einer Bürstenart
für Motoren
mit verschiedenen Drehrichtungen erhöht. Dies wird nochmals dadurch
optimiert, indem zwischen der zweiten Längsseite und der dritten Längsseite
eine dritte Schräge
sowie zwischen der zweiten Längsseite
und vierten Längsseite
eine vierte Schräge
ausgebildet ist und die dritte und vierte Schräge breiter als die dritte und
vierte Längsseite sind.
Einen vollkommen symmetrischen Aufbau ergibt sich dadurch, dass
die dritte und vierte Schräge einen
symmetrisch zur Ebene angeordneten zweiten Winkel einschließen.
-
Die
Strömungseigenschaften
lassen sich weiter optimieren, indem der erste von der ersten und zweiten
Schräge
gebildete Winkel kleiner als der von der dritten und vierten Schräge gebildete
zweite Winkel ist.
-
Als
weitere Möglichkeiten
einer stromlinienförmigen
Außenkontur
sind runde, ovale, rautenförmige,
dreieckige oder nierenförmige
Formen möglich.
-
Am
besten sind die Bürsten
für Plankommutatoren
geeignet, indem sie eine als ebene Kontaktfläche ausgebildete Stirnfläche hat.
Vorzugsweise hat die Bürste
an der von einer Kontaktfläche
abgewandten Stirnfläche
eine Schräge
für eine
Rollfeder. In einer bevorzugten Weiterbildung schließt die Schräge mit der
Ebene einen Winkel von weniger als 90° ein.
-
Die
genannten positiven Effekte lassen sich erhöhen, indem die Bürste in
einem Bürstenhalter
für eine
elektrische Maschine eingesetzt wird, der Köcher für wenigstens eine Bürste mit
einer stromlinienförmigen
Außenkontur
umfasst.
-
Vorzugsweise
hat der Bürstenhalter
zwei Köcher
für einen
Plankommutator, die parallel zueinander ausgebildet sind und in
die gleiche Richtung weisen und an ihren zu einem Plankommutator
ausrichtbaren Öffnungen
zwei in einer Ebene verlaufende Einhängemittel für Haken von Rollfedern aufweisen. Dies
reduziert die Schwingungen der Bürste über dem
rotierenden Kommutator, vermindert den hydraulischen Verlust und
den mittleren Übergangswiderstand
zwischen Bürste
sowie Plankommutatorsegment und damit die Verluste beim Spannungsübergang
von stehenden auf die rotierenden Teile des Elektromotors und damit
insgesamt den Wirkungsgrad und die notwendige Stromaufnahme des
Elektromotors. Außerdem
wird dadurch gleichzeitig die Lebensdauer des Antriebes gesteigert,
da der Bürsten-
bzw. Kommutatorverschleiß vor
Allem. durch die geringeren Schwingungen verringert wird. Im Idealfall
kann dadurch die Dicke der Kupfer-/Kohlescheibe des Kommutators
bzw. die Länge
der Kohlebürste
bei gleicher Lebensdauer reduziert oder eben die Lebensdauer über das
bekannte Maß hinaus
verlängert werden.
-
Vorzugsweise
sind die Köcher
beidseitig offen. Dies hat den Vorteil, dass sie kürzer bauen
können
als geschlossene Köcher,
da kein Baumraum für Federn
vorgesehen werden muss, der die Baulänge vergrößert.
-
Diese
Effekte wirken sich auch auf eine elektrische Maschine mit derartigen
Bürsten
und/oder einem derartigen Bürstenhalter
aus.
-
Die
Kohlegeometrie ist derart konzipiert, dass der Überdeckungsgrad die Schwingungsanregung
durch die Segmentsprünge
zwischen den einzelnen Plankommutatorsegmenten reduziert und gleichzeitig ähnlich wie
ein Schiffsbug der Flüssigkeit bzw.
dem Treibstoff/Kraftstoff wenig Verdrängungsfläche bietet und die Flüssigkeit
seitlich vorbeileitet. Die Schrägen
optimieren neben der Verdrängung (geringere
Verdrängungsverluste)
auch die Neigung zum Aufschwimmen der Bürsten auf der Flüssigkeit bzw.
dem Kraftstoff (Aquaplaning). Dadurch wird die mittlere Spalthöhe zwischen
Bürste
und Plankommutatorsegment minimiert, einer minimale Schrägstellung
der Kohlefläche
gegenüber
der Kommutatorfläche
vorgebeugt und wiederum die Stromübergangsverluste zwischen Bürsten und
Kommutator minimiert.
-
Ein Überdeckungsfaktor
von z.B. 1,3 bewirkt, dass die bürste
immer auf mindestens zwei Segmenten teilweise aufliegt und damit
nicht bei jedem Übergang
von Segment zu Segment des Plankommutators auf der gesamten Bürstenfläche die
Schwingungsanregung des jeweiligen Segmentsprunges aufnehmen muss,
da sie sich zumindest teilweise noch auf einem vorherigen Segment
abstützen
kann. Dies vermindert die Schwingungsanregung und verbessert dadurch
makroskopisch ebenfalls wieder den Wirkungsgrad und verringert die
notwendige Stromaufnahme des Elektromotors in der Flüssigkeit.
-
Die
Rollfeder ist derart über
der Bürste
angeordnet, dass Sie eine axiale und eine tangentiale Kraftkomponente
in die Kohle einleitet, wobei die axiale Kraftkomponente die optimale
Anpresskraft auf den Plankommutator erzeugt und die tangentiale Kraft
eine ruhige Führung
in der Kohlebürstenführung des
Bürstenhalters
gewährleistet.
Die Federkonstante der Rollfeder ist nahe Null, so dass unabhängig von
der Restlänge
der Kohlebürste über der Lebensdauer
fast die gleiche Federkraft auf die Kohlebürste und den Plankommutator
ausgeübt
wird und die höhere
Dämpfungskonstante
der Rollfeder das Schwingungsverhalten der mindestens einen Bürste auf
den mindestens zwei Segmenten des Plankommutators in immer gleicher
Weise über
der Lebensdauer verbessert. Diese Einleitung der Federkraft auf die
Bürste
verbessert damit das Ruhigstellen der Bürste und damit eine Schwingungsquelle.
Dies führt insgesamt
zu geringeren Schwingungen zwischen dem rotierenden Plankommutator
und den stehenden Bürsten,
zu einem im Mittel geringeren Spalt bzw. mikroskopisch gesehen zu
häufigerem
bzw. engerem Kontakt und damit zu zahlreicheren und weniger spannungsintensiven
Stromübergängen (auch „Pittings" genannt) zwischen
Bürste
und Kommutator und damit eben zu geringeren Verlusten im Spannungsübergang,
da die Verluste mit steigender Länge
und sinkender Zahl der Blitze/Pittings und mit zunehmender Flüssigkeitsmenge
im Spannungsübergang
zunehmen. Insgesamt führt
die gleichmäßigere Anpresskraft
der Kohle auf die Kommutatorsegmente über der Lebensdauer und die
geringere Schwingungsneigung zu homogenerem Verschleiß und geringeren
Verlusten im Spannungsübergang
und makroskopisch zu höherem
Wirkungsgrad.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
elektrische Maschine in einem Längsschnitt,
-
2 einen
detaillierten Längsschnitt
gemäß den Schnittlinien
II-II in 3,
-
3 eine
Draufsicht auf den Bürstenhalter nach 2,
-
4 eine
perspektivische Ansicht auf Bürsten,
Rollfedern und einen Kommutator,
-
5 eine
Draufsicht auf den Kommutator nach 4 und
-
6a bis 6e alternative
Querschnittsflächen
von Bürsten.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
In
der 1 ist ein Teil einer elektrischen Maschine 10 in
einem Längsschnitt
vereinfacht dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich
um einen bürstenbehafteten
Gleichstrommotor, auch Kommutatormotor genannt, und Teil einer Kraftstoffpumpe
eines Kraftfahrzeugs ist. Es sind jedoch andere Anwendungen beispielsweise in
einem Lüfter,
Fensterheber, Wischerantrieb, Sitzversteller oder sonstigen Anwendungen
in einem Kraftfahrzeug denkbar. Es kann sich aber auch um einen
Generator handeln. Die elektrische Maschine 10 hat vorzugsweise
nur eine Drehrichtung, weshalb sie besonders für den bereits erwähnten Lüfterantrieb
bestimmt ist. Auch aufgrund der niedrigen Geräusche ist die elektrische Maschine 10 am
besten für
einen Lüfterabtrieb
geeignet.
-
In
der elektrischen Maschine 10 ist auf der Ankerwelle für den Fall,
dass es sich um einen bürstenbehafteten
Gleichstrommotor handelt, ein Kommutator angeordnet. Im Falle eines
Generators wäre dies
ein Schleifring.
-
Die
elektrische Maschine 10 umfasst ein Gehäuse, insbesondere ein Polrohr 12,
und einen darin angeordneten Anker 14. Der Anker 14 weist
eine Ankerwelle 16 auf, die in zwei stirnseitigen Lagern 18 angeordnet,
die in ihrerseits in zwei Lagerdeckeln 20 befestigt sind.
Schließlich
sind am Innenumfang des Polrohrs 12 um das Lamellenpaket 18 herum
Magnete 22 angeordnet. Die Magnete 22 wirken mit
einem auf der Ankerwelle 14 befestigten Lamellenpaket 18 mit
einer Ankerwicklung 24 zusammen.
-
Die
Ankerwicklung 24 ist mit Haken 26 (2)
eines Kommutators 28 verbunden. Der Kommutator 28,
der vorzugsweise als Plankommutator ausgebildet ist, wird von zwei
gestrichelt angedeuteten Kohlebürsten
bzw. Bürsten 30 beaufschlagt.
Die Bürsten 30 sind
auf einem als Kunststoffspritzgussteil hergestellten Bürstenhalter 32 angeordnet.
-
Aus
den 2 und 3 geht hervor, dass der Bürstenhalter 32 Köcher 34 für zwei Bürsten 30 mit
einer stromlinienförmigen
Außenkontur
umfasst. Der Bürstenhalter 32 hat
zwei Köcher 34,
die parallel zueinander ausgebildet sind und in die gleiche Richtung weisen.
Seitlich an zum Kommutator 28 ausrichtbaren Öffnungen
der Köcher 34 sind
zwei in einer Ebene verlaufende Absätze 36 für Haken 38 von Rollfedern 40 ausgebildet.
Die Absätze 36 können beispielsweise
der untere bzw. dem Kommutator 28 zugewandte Rand der Köcher 34 sein.
Parallel zum Absatz 36 bzw. in etwa in gleicher Höhe ist am
unteren Rand ein sich quer durch den Schacht des Köchers 34 erstreckender
Steg 39 ausgebildet. Der Steg 39 verläuft parallel
zum Absatz 36 bzw. der Rollfeder 40. Er erstreckt
sich nur ein wenig in den Schacht des Köchers 34 hinein. Der
Haken 38 der Rollfeder 40 wird bei der Montage
zwischen dem Steg 39 und dem Absatz 36 hindurchgeführt und dann
am Absatz 36 eingehängt.
Sowohl durch die Absätze 36 als
auch die Stege 39 wird die Montage der Bürste 30 bzw.
der Rollfeder 40 von der vom Kommutator 28 abgewandten
Seite bzw. Öffnung
des Köchers 34 erleichtert.
Durch den Steg 39 ist zudem eine den Schaft 42 bzw.
die Außenkontur 44 der Bürste 30 allseitig
umschließende
Führung
gebildet, was sich positiv auf das Schwingungsverhalten auswirkt
und somit unter anderem auch die Lebensdauer.
-
Die
Köcher 34 sind
an beiden Enden offen. Zwischen dem Bürstenhalter 32 und
der Stirnseite des Kommutators 28 ist ein Raum 41 ausgebildet, durch
den im Falle einer Kraftstoffpumpe Kraftstoff hindurchbefördert wird.
Hierbei wird der Kraftstoff verwirbelt. Im Nachfolgenden wird beschrieben,
wie diese Verwirbelungen vermindert werden können.
-
Wie
besonders gut aus den 4 und 5 hervorgeht,
umfassen die Bürsten 30 einen
Schaft 42 mit einer eine Außenkontur 44 aufweisenden
Querschnittsfläche 46.
Die Außenkontur 44 ist
dadurch gekennzeichnet, dass sie stromlinienförmig ausgebildet ist. Der Schaft 42 umfasst
mehrere Längsseiten 48, 50, 52, 54,
die vorzugsweise im rechten Winkel zueinander stehen. Zwischen jeweils
benachbarten Längsseiten 48, 50, 52, 54 sind
Schrägen 56, 58, 60, 62 ausgebildet,
deren Breite größer als
die Breite wenigstens einer der beiden benachbarten Längsseiten 48, 50 52, 54 ist.
Dadurch ergibt sich eine mindestens sechseckige, vorzugsweise achteckige
Querschnittsfläche 46.
-
Eine
erste Längsseite 48 und
eine zweite Längsseite 50 verlaufen
parallel mit einem ersten Abstand zueinander. Die Breite der ersten
Längsseite 48 ist
größer als
die Breite der zweiten Längsseite 50. Die
erste und die zweite Längsseite 48, 50 sind
symmetrisch zu einer gestrichelt eingezeichneten Ebene 64 angeordnet,
die senkrecht durch die erste und zweite Längsseite verläuft. Eine
dritte Längsseite 52 und
eine vierte Längsseite 54 verlaufen
symmetrisch zur Ebene 64 und vorzugsweise parallel und
mit einem zweiten Abstand zueinander. Die dritte und vierte Längsseite 52, 54 sind
gleich groß und
kürzer
als die zweite Längsseite 50.
Zwischen der ersten Längsseite 48 und
der dritten Längsseite 52 ist
eine erste Schräge 56 und
zwischen der ersten Längsseite 48 und
vierten Längsseite 54 eine
zweite Schräge 58 ausgebildet.
Die erste und zweite Schräge 56, 58 sind
breiter als die dritte und vierte Längsseite 52, 54. Die
erste und zweite Schräge 56, 58 schließen einen symmetrisch
zur Ebene 64 angeordneten ersten Winkel 66 ein.
-
Zwischen
der zweiten Längsseite 50 und
der dritten Längsseite 52 ist
jeweils eine dritte Schräge 60 sowie
zwischen der zweiten Längsseite 50 und vierten
Längsseite 54 eine
vierte Schräge 62 ausgebildet.
Die dritte und vierte Schräge 60, 62 sind
breiter als die dritte und vierte Längsseite 52, 54.
Die dritte und vierte Schräge 60, 62 schließen einen
symmetrisch zur Ebene 64 angeordneten zweiten Winkel ein.
Der erste von der ersten und zweiten Schräge 60 gebildete Winkel 66 ist
kleiner als der von der dritten und vierten Schräge gebildete zweite Winkel.
-
Ferner
hat die Bürste 30 eine
als ebene Kontaktfläche 68 für den Kommutator 28 ausgebildete Stirnfläche. Wie
gut aus der 4 hervorgeht, ist an der von
der Kontaktfläche 68 abgewandten
Stirnfläche 70 der
Bürste 30 eine
Schräge 72 für die Rollfeder 40 ausgebildet.
Die Schräge
schließt
mit der Ebene 64 vorzugsweise einen Winkel von weniger
als 90° ein.
-
Der
auch als Überdeckungswinkel
bezeichenbare Winkel 66 ist um den Faktor 1,3 ± 0,2 größer als
der Winkel 74 eines Kohlesegments 76 des Kommutators 28.
Zumindest sollte der Faktor größer 1 sein.
-
Wie
letztlich noch aus den 6a bis 6e hervorgeht,
kann die Außenkontur 44.1, 44.2, 44.3, 44.4, 44.5 noch
rund (6a), oval (6b),
rautenförmig
(6c), dreieckig (6d) oder
nierenförmig
(6e, nur durch ein Ringsegment angedeutet) ist.