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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 10 2004
051 461 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Plankommutator
bekannt, an dessen Stirnseite mehrere Kontaktsegmente angeordnet
sind, die von mit Rollfedern beaufschlagten Bürsten kontaktiert werden. Um
einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu erzielen und
die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
zu verbessern, werden ständig
Anstrengungen unternommen, den Kontakt zwischen den Bürsten und
den Kontaktsegmenten zu optimieren. Üblicherweise stellen sich gute
Kontaktbedingungen erst nach einer Einlaufphase der elektrischen
Maschine ein, in der sich die Kontaktgeometrien der Bürsten und
Kontaktsegmente aneinander anpassen. Eine derartige Einlaufphase
kann bis zu mehreren tausend Betriebsstunden andauern, in denen
der Wirkungsgrad und die EMV der elektrischen Maschine nicht optimal
sind. Dies wiederum hat negative Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme
bzw. Abgabe und das Störverhalten
der elektrischen Maschine. Insbesondere bei dem Einsatz von elektrischen
Maschinen in Automobilen kann sich die lange Einlaufphase negativ
auf eine Vielzahl anderer Fahrzeugbauelemente auswirken (EMV).
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Aus
der
EP 0 984 546 A2 ist
es daher bekannt, die Einlaufphase durch periodische Startströme mit einstellbarer
Frequenz und Amplitude zu verkürzen.
Durch die Ströme
wird der Materialabtrag beschleunigt. Zur Realisierung der bekannten
Verfahrensweise wird jedoch ein zusätzliches Steuergerät benötigt, was
mit hohen Kosten sowie einem zusätzlichen
Gewicht verbunden ist.
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Aus
der
US 2002/0130579A1 ist
eine Kraftstoffpumpe bekannt, die von einem DC Motor angetrieben
wird, der wiederum pulsweitenmoduliert angesteuert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Technisch Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine,
insbesondere eine elektrisch angetriebene Pumpe vorzuschlagen, bei
der die Laufleistung, insbesondere die Förderleistung, über der
Laufzeit der Maschine möglichst
konstant bleibt.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die
elektrische Maschine besitzt einem Kommutator, insbesondere einem
Plan-Kommutator,
mit Kontaktsegmenten sowie mindestens eine die Kontaktsegmente kontaktierende
Bürste.
Dadurch, dass mindestens eines der Kontaktsegmente und/oder die Bürste Reibmittel
enthält,
kann die Bildung von Grenzschichten auf den Kohlebürsten und/oder
dem Kommutator verhindert, oder zumindest reduziert werden.
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Insbesondere
als Fluidpumpe ausgestaltete elektrische Maschinen, wie beispielsweise
Kraftstoffpumpen für
Automobile, sollen heutzutage im geregelten Förderbetrieb laufen. Dies bedingt
einen elektrischen Spannungszustand der antreibenden elektrischen
Maschine, der nicht mehr konstant bei beispielsweise 12–13,7 V
liegt. Die Spannung wird vielmehr zur Regelung der Förderleistung
der Pumpe abgeregelt, so dass auch Spannungen im Bereich von beispielsweise
nur 4V vorliegen können.
So werden derartige Maschinen in vorteilhafter weise pulsweitenmoduliert
angesteuert.
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Im
Spannungsbereich von 4–6
V stellt sich jedoch in der Regel ein Rückgang der Förderleistung der
Pumpe über
deren Laufzeit ein. Dies ist u.a. bedingt durch die Bildung von
Grenzschichten zwischen den Kohlebürsten und der Kommutatorfläche die
zu einer schlechteren elektrischen Kontaktierung der Reibpartner
der Kommutierung führt.
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Durch
die Relativbewegung der mit Reibmitteln ausgestatteten Bauteile
der elektrischen Maschine zueinander wird der Bildung von Grenzschichten entgegengewirkt.
Insbesondere beseitigt die Zugabe von „milden" Reibstoffkomponenten, also beispielsweise
kleinen Konzentrationen der Reibmittel im Bereich von 0,1 bis 1
%, den Grenzschichtaufbau, greift aber nicht den eigentlichen Basiswerkstoff
an.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus
zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale.
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Bevorzugt
ist der Hauptbestandteil der Bürsten
und/oder der Kontaktsegmente eine Karbon-Graphitmischung, in die
die Reibmittel als Additive eingebracht werden. Die Reibmittel lassen
sich dabei in vorteilhafter Weise als abrassive Partikel in die
Reibpartner Kohlebürste
und Kommutator integrieren.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
abrassiven Partikel gleichmäßig über das
Kontaktsegment bzw. die Bürste
verteilt sind. Andere Verteilungen, insbesondere zur Beschleunigung
der Einlaufphase der Maschine sind aber ebenso möglich.
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Derartige
abrassive Partikel können
beispielsweise aus Fe3O4 oder
Feldspat oder SiO2 oder Siliziumcarbid und/oder
eine Kombination von diesen bestehen. Es hat sich als vorteilhaft
herausgestellt, wenn als abrassive Partikel Feldspat und/oder Siliziumkarbid
und/oder Siliziumoxid zur Anwendung kommen. Dabei sind auch Mischungen
dieser Partikel möglich.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die abrassiven Partikel mindestens
eine Härte
aufweisen, die größer ist
als die der Hauptbestandteile der Bürsten bzw. der Kontaktsegmente,
insbesondere des Graphit-Carbon-Gemisches und/oder eine elektrische Leitfähigkeit
und/oder einen thermalen Expansionsquotienten aufweisen, der möglichst
gleich dem des Hauptbestandteils der Kontaktsegmente bzw. der Bürsten, insbesondere
des Graphit-Carbon-Gemisches ist.
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Als
Vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die die abrassiven Partikel
eine Korngröße von 0,1
bis 100 Mikrometer besitzen, besonders vorteilhaft ist insbesondere
eine Korngröße von 1
bis 10 Mikrometer.
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Durch
die Relativbewegung der mit höheren Reibmittelkonzentrationen
ausgestatteten Bauteile der elektrischen Maschine zueinander, kann
zudem auch ein beschleunigter Materialabtrag realisiert werden,
wodurch die Kontaktgeometrien zwischen Bürste und Kontaktsegment beschleunigt
aneinander angeglichen werden können.
Vorteilhaft vergrößert sich die
Kontaktfläche
bevorzugt während
der Einlaufphase. Darüber
hinaus wird durch diesen Effekt, wie bereits beschrieben der Bildung
einer Grenzschicht der beiden Reibungspartner entgegengewirkt.
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Insbesondere
ist es dazu denkbar, um die Einlaufphase zu beschleunigen und ansonsten
die Abnutzung der Bürsten
und der Kontaktsegmente während
des Betriebes zu reduzieren, im Bereich der Kontaktebene eine höhere Konzentration
an abrassiven Partikeln vorzusehen, als in einem weiter davon entfernten
Bereich. Beispielsweise ist eine lineare oder logarithmische Partikelkonzentrationsabnahme in
dieser Richtung realisierbar.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
abrassiven Partikel in mindestens einer begrenzten Schicht angeordnet
oder in dieser konzentriert sind. Bevorzugt sind die abrassiven
Partikel innerhalb dieser mindestens einen Schicht gleichmäßig verteilt.
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Es
ist denkbar, die abrassive Schicht parallel zu einer Kontaktebene
zwischen den Bürsten
und den Kontaktsegmenten anzuordnen. Bevorzugt ist eine Parallelschicht
endseitig an den Bürsten und/oder
Kontaktsegmenten angeordnet, um bereits bei der ersten Kommutatorumdrehung
einen abrassiven Effekt zu erzielen.
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Dabei
liegt es im Rahmen der Erfindung, die abrassiven Partikel entweder
nur mindestens einem Kontaktsegment, oder nur mindestens einer Bürste oder
sowohl mindestens einem Kontaktsegment und mindestens einer Bürste zuzuordnen.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer parallelen Anordnung mindestens einer abrassiven Schicht kann
mindestens eine abrassive Schicht senkrecht zur Kontaktebene oder
unter einem Schrägwinkel
zu dieser angeordnet werden. Dabei müssen bei dem Vorsehen mehrerer
abrassiver Schichten diese nicht zwangsläufig, jedoch bevorzugt gleich
zueinander beabstandet sein. Über
die Anordnung der abrassiven Partikel in senkrecht oder unter einem
Schrägwinkel
zur Kontaktebene verlaufenden Schichten kann die abrassive Wirkung
in bestimmten Geometriebereichen beschleunigt und in anderen verzögert werden,
um eine optimale – schnelle – Anpassung der
Kontaktgeometrie zu realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in:
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1:
eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine im Längsschnitt,
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2A bis 2C:
die Einheit aus Bürsten und
Kommutator während
zeitlich beabstandeter Stadien während
der Einlaufphase,
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3:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei abrassive Partikel ausschließlich in
den Kontaktsegmenten des Kommutators vorgesehen sind,
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4:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei ausschließlich
in den Bürsten
abrassive Partikel vorgesehen sind,
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5:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei sowohl in den Bürsten als auch in den Kontaktelementen
abrassive Partikel vorgesehen sind,
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6:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei die abrassiven Partikel ausschließlich in einer
senkrecht zur Kontaktebene angeordneten Schicht in die Bürsten eingebracht
sind,
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7:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei mehrere parallele, senkrecht zur Kontaktebene
verlaufende abrassive Schichten vorgesehen sind, und
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8:
die Einheit aus Bürsten
und Kommutator, wobei eine zur Kontaktebene parallele, stirnseitige
abrassive Schicht ausschließlich
an den Bürsten vorgesehen
ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Teil einer elektrischen Maschine 1 in einem Längsschnitt
vereinfacht dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich
um einen bürstenbehafteten
Gleichstrommotor (Kommutatormotor), der beispielsweise Teil einer Kraftstoffpumpe
eines Kraftfahrzeuges ist. Es sind jedoch andere Anwendungen, beispielsweise
in einem Lüfter,
Fensterheber, Wischerantrieb, Sitzversteller etc. in einem Kraftfahrzeug
denkbar. Anstelle eines Motors kann es sich bei der elektrischen
Maschine 1 auch um einen Generator handeln.
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Die
elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse, insbesondere ein Polrohr 2 und
einen darin angeordneten Anker 3. Der Anker 3 weist
eine Ankerwelle 4 auf, die in zwei stirnseitigen Lagern 5 gelagert ist,
welche ihrerseits in zwei gegenüberliegenden
Lagerdeckeln 6 befestigt sind. Am Innenumfang des Polrohres 12 sind
um ein an der Ankerwelle 4 befestigtes Lamellenpaket 7 herum
Magnete 8 angeordnet, die mit einer Ankerwicklung 9 des
Lamellenpaketes 7 zusammenwirken.
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Die
Ankerwicklung 9 ist auf nicht dargestellte Weise mit Hacken 10 (vgl. 2A)
eines Kommutators 11 verbunden. Der Kommutator 11,
der im gezeigten Ausführungsbeispiel
als Plankommutator ausgebildet ist, wird von zwei gestrichelt angedeuteten
Kohlebürsten
bzw. Bürsten 12 beaufschlagt.
Die Bürsten 12 sind
auf einem als Kunststoffspritzteil hergestellten Bürstenhalter 13 angeordnet.
Der Bürstenhalter 13 weist
zwei Köcher 14 für die Bürsten 12 auf, wobei
die beiden Köcher 14 parallel
zueinander angeordnet sind. Mittels jeweils einer Rollfeder 15 wird jede
Bürste
federkraftbeaufschlagt und zwar einerseits in Richtung der Stirnseite 16 des
Kommutators 11 und andererseits in Richtung auf eine Köcherwand 17.
Hierzu greifen die Rollfedern 15 jeweils auf einer Schrägfläche 22 an
und belasten die Bürsten 12 in Pfeilrichtung
mit einer Kraft F. Jede Rollfeder 15 ist mit einem Hacken 18 an
einem dem Kommutator 11 zugewandten Rand jedes Köchers 14 fixiert.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Kommutator als Plankommutator
mit stirnseitig angeordneten Kontaktelementen auszubilden, so dass eine
ebene Kontaktfläche
gebildet ist, an der die Bürsten
anliegen. Bevorzugt sind die Bürsten mittels Rollfedern
in Richtung der Kontaktsegmente federkraftbeaufschlagt. Bevorzugt
ist die Federkonstante der zur Anwendung kommenden Rollfedern nahe null,
so dass unabhängig
von der Restlänge
der Bürste über die
Lebensdauer der Bürste
nahezu die gleiche Federkraft auf die Bürste und den Plankommutator
ausgeübt
wird und die höhere
Dämpfungskonstante
der Rollfeder das Schwingungsverhalten der mindestens einen Bürste auf
mindestens zwei Kontaktsegmente des Plankommutators in immer gleicher
Weise über
die Lebensdauer verbessert.
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Um
eine möglichst
schnelle Anpassung der Kontaktgeometrien zwischen Bürste und
Kontaktsegmenten zu realisieren, ist in Ausgestaltung der Erfindung
mit Vorteil vorgesehen, dass die Bürsten auf der den Kontaktsegmenten
zugewandten Stirnseite ein gebogenes Profil aufweisen oder seitlich
in Umfangsrichtung angefast bzw. abgeschrägt ausgebildet sind. Hierdurch
wird erreicht, dass die Bürste
in der Einlaufphase noch nicht die maximale Kontaktfläche aufweist,
wodurch die Bürste
in der Einlaufphase schneller abtragbar und an die Oberfläche des
Kommutators, insbesondere des Plankommutators, anpassbar ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen,
dass die Bürsten auf
der den Kontaktsegmenten zugewandten Stirnseite, d.h. Kontaktseite,
profiliert, insbesondere sägezahnartig
geriffelt sind. Hierdurch wird ein höherer lokaler Anpressdruck
erreicht, was den Materialabtrag in der Einlaufphase erhöht.
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Die
Bürsten 12 überragen
den jeweiligen Köcher 15 in
axialer Richtung und liegen federkraftbeaufschlagt auf Kontaktelementen 19 auf
der Stirnseite 16 des Kommutators 11 stromleitend
an. Während des
Betriebes der elektrischen Maschine 1 bewegt sich der auf
der Ankerwelle 14 fixierte Kommutator 11 relativ
zu dem Bürstenhalter 13 mit
Bürsten 12.
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In
den 2A bis 2C sind
unterschiedliche Phasen der Einlaufphase der elektrischen Maschine 1 dargestellt.
Zu Betriebsbeginn, also zu Beginn der Einlaufphase weisen die Bürsten 12 eine
abgerundete, dem Kommutator 11 zugewandte Stirnseite 20 auf
(vgl. 2A). Die Bürsten 12 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2A bis 2C bestehen
dabei vollständig
aus einem Graphit-Karbon-Gemisch. Im Gegensatz dazu sind in den
Kontaktsegmenten, die als Hauptbestandteil ebenfalls ein Graphit-Karbon-Gemisch
aufweisen, abrassive Partikel 21 eingebracht. Die abrassiven
Partikel 21 befinden sich nicht nur auf der Oberfläche der
Kontaktsegmente 21, sondern durchsetzen diese vollständig. Die
abrassiven Partikel 21, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Feldspatpartikel, sind homogen über
das gesamte Volumen der Kontaktsegmente 19 verteilt.
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Wie
aus 2B zu erkennen ist, sind die Stirnseiten 20 der
Bürsten
nach relativ kurzer Zeit in einem mittleren Abschnitt aufgrund der
Einwirkung der abrassiven Partikel 21 planeben geschliffen,
wodurch sich die Kontaktfläche
vergrößert.
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Am
in 2C dargestellten Ende der Einlaufphase sind die
Bürsten 12 über ihren
gesamten Querschnitt plangeschliffen, so dass eine maximale Kontaktfläche realisiert
ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 sind
in den Bürsten 12 keine
abrassiven Partikel vorgesehen, wohingegen die Kontaktsegmente 19 des Kommutators 11 vollständig mit
abrassiven Partikel gleichmäßig verteilt
durchsetzt sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 sind
die Kontaktelemente 19 abrassivpartikelfrei ausgebildet,
wohingegen abrassive Partikel 21 gleichmäßig über die
gesamten Bürsten 12 verteilt
angeordnet sind.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 vereinigt
die Ausführungsbeispiele
gemäß den 3 und 4,
da sowohl in den Bürsten 12 als
auch in den Kontaktsegmenten 19 abrassive Partikel 21 gleichmäßig verteilt
angeordnet sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 sind
in den Kontaktsegmenten 19 keine abrassiven Partikel vorgesehen.
Dagegen weisen die Bürsten 12 abrassive
Partikel auf. Diese sind jedoch nicht gleichmäßig über das gesamte Volumen der
Bürsten 12 verteilt,
sondern ausschließlich
in einer begrenzten Schicht 23 mit der Dicke d zusammengefasst,
wobei die Dicke d etwa einem Fünftel
der Gesamtdicke der Bürsten 12 entspricht.
Die Schicht 23 ist senkrecht zu einer von der ebenen Oberfläche der
Stirnseite 16 gebildeten Kontaktebene angeordnet und verläuft in Umfangsrichtung
gesehen mittig durch die jeweilige Bürste 12.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 sind
zusätzlich
zu der senkrechten Schicht 23 aus 6 zwei weitere
Schichten 23 mit gleichmäßig verteilten abrassiven Partikeln
vorgesehen, wobei sämtliche
Schichten 23 in diesem Ausführungsbeispiel eine gleiche
Dicke d aufweisen. Die mittlere Schicht 23 mit abrassiven
Partikeln ist mit Abstand von zwei in Umfangsrichtung endseitigen
parallelen Schichten 23 umgeben, die erst nach einiger
Zeit mit der Stirnseite 16 der Kontaktsegmente 19 in
Kontakt treten können,
nämlich
dann, wenn der mittlere Bereich der bogenförmigen Stirnseite 20 der
Bürsten 12 abgetragen
ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 8 ist
lediglich eine einzige Schicht 24 mit abrassiven Partikeln
mit einer Dicke d vorgesehen. Die Schicht 24 verläuft nicht
senkrecht, sondern parallel zur Stirnseite 16 des Kommutators 11.
Anders ausgedrückt, ist
der gesamte bogenförmige,
stirnseitige Bereich der Bürsten 12 mit
abrassiven Partikeln 21 versehen, wohingegen in einem weiter
von der Kontaktebene entfernten Bereich keine abrassiven Partikel 21 vorgesehen
sind.
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Neben
den beschrieben Vorteilen einer beschleunigten Einlaufphase der
elektrischen Maschine lässt
sich durch die erfindungsgemäßen Reibmittel
auch eine verbesserte Förderleistung
der Pumpe über
deren Lebensdauer erreichen Dadurch, dass mindestens eines der Kontaktsegmente
und/oder die Bürste
Reibmittel enthält,
kann die Bildung von Grenzschichten auf den Kohlebürsten und/oder
dem Kommutator verhindert, oder zumindest reduziert werden.
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Insbesondere
als Fluidpumpe ausgestaltete elektrische Maschinen, wie beispielsweise
Kraftstoffpumpen für
Automobile, sollen heutzutage im geregelten Förderbetrieb laufen. Dies bedingt
einen elektrischen Spannungszustand der antreibenden elektrischen
Maschine, der nicht mehr konstant bei beispielsweise 12–13,7 V
liegt. Die Spannung wird vielmehr zur Regelung der Förderleistung
der Pumpe abgeregelt, so dass auch Spannungen im Bereich von beispielsweise
nur 4 V vorliegen können.
So werden derartige Maschinen in vorteilhafter Weise pulsweitenmoduliert
angesteuert. Im Spannungsbereich von 4–6 V stellt sich jedoch in
der Regel ein Rückgang
der Förderleistung
der Pumpe über
deren Laufzeit ein. Insbesondere wird bei einer plötzlichen Hochregelung
auf den Nennspannungszustand von beispielsweise 12–13 V nicht
mehr die ursprüngliche Förderleistung
erreicht. Hierfür
hat sich der Begriff einer „müden Pumpe" eingebürgert. Dies
ist u.a. bedingt durch die Bildung von Grenzschichten zwischen den
Kohlebürsten
und der Kommutatorfläche.
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Insbesondere
kann durch die Art und die Konzentration der Reibmittel sowohl eine
Verbesserung, d.h. beispielsweise eine Verkürzung der Einlaufphase erreichen,
als auch der Bildung von Grenzschichten zwischen den Reibpartnern
entgegengewirkt werden. Hierzu können
verschiedene Reibmittel oder verschiedene Reibmittelkonzentrationen
in den Reibpartnern gestaffelt eingebracht werden.
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Die
erfindungsgemäße Zugabe
von Reibmittel zu dem Material der Bürsten bzw. des Kommutators
einer pulsweitenmoduliert angesteuerten elektrischen Maschine und
insbesondere einer derartigen Kraftstoffpumpe kann daher in vorteilhafter
Weise die Förderleistung
der Pumpe über
deren Lebensdauer nahezu konstant halten, so dass der Effekt der „müden Pumpe" wenn nicht gänzlich vermieden,
so doch deutlich reduziert werden kann