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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Schleifelementhalter für eine Kommutierungseinrichtung
einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, eine Halterung (Bürstenhalter) für mehrere
Schleifelementhalter gemäß Anspruch
10 sowie eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor
oder einen Generator, gemäß Anspruch
12.
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In
der Elektrotechnik wird mit einer Kommutierungseinrichtung eine
Einrichtung zur Stromwendung in elektrischen Maschinen bezeichnet.
Die Stromwendung erzeugt einen relativ zur Ankerwicklung drehenden
oder wandernden Strom. Bekannte Kommutierungseinrichtungen umfassen
einen drehfest auf einer Ankerwelle sitzenden Kommutator mit mehreren
in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten und elektrisch voneinander
isolierten Lamellen, die von mindestens zwei Schleifelementen elektrisch
kontaktiert werden. Dabei sind die von jeweils einem Schleifelementhalter
gehaltenen Schleifelemente mit jeweils einem Federelement in radialer Richtung
nach innen auf den drehenden Kommutator federkraftbeaufschlagt.
Im Hinblick auf die Ausbildung von zur Anwendung kommenden Schleifelementhaltern
zur Halterung und Federkraftbeaufschlagung der Schleifelemente (Bürstenelemente)
sind unterschiedliche Ausführungsformen
bekannt. Bei einer ersten bekannten Ausführungsform umfasst der Schleifelementhalter
einen Köcher
aus Kunststoff, in welchen das Schleifelement angeordnet und in
Richtung des sich drehenden Kommutators mittels einer sich stirnseitig
an dem Schleifelement abstützenden Feder
federkraft-beaufschlagt ist. Nachteilig bei dieser bekannten Ausführungsform
ist zum einen die vergleichsweise hohe Geräuschemission und zum anderen
die Gefahr, dass sich das Schleifelement innerhalb des Köchers verklemmt,
was wiederum zu einer fehlenden Kontaktierung des Kommutators und damit
zum Ausfall der elektrischen Maschine führt. Bei einer alternativen,
zweiten bekannten Ausführungsform
umfasst der Schleifelementhalter einen Federhebel, an dem endseitig
das Schleifelement festgelegt ist (Hammerbürste). Nachteilig bei dieser Ausführungsform
ist der vergleichsweise große
Bauraumbedarf und der bei Verschleiß des Schleifelementes wandernde
Druckpunkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schleifelementhalter
vorzuschlagen, bei dem zum einen ein Verklemmen des Schleifelementes
im Betrieb vermieden wird und der zum anderen einen, auch bei Verschleiß des Schleifelementes
ortsfesten Druckpunkt des Schleifelementes auf dem sich drehenden
Kommutator sicherstellt. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine
entsprechend optimierte Halterung (Bürstenhalter) mit mehreren Schleifelementhaltern
sowie eine entsprechend optimierte elektrische Maschine vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Schleifelementhalters mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, hinsichtlich der Halterung mit den Merkmalen des
Anspruchs 10 und hinsichtlich der elektrischen Maschine mit den
Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen
offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Vorteile von sogenannten
Köcherbürsten mit
den Vorteilen von sogenannten Hammerbürsten zu kombinieren. Hierzu
weist ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeter Schleifelementhalter
im Gegensatz zu bekannten Hammerbürsten nicht nur ein einziges
Federelement, sondern zwei Federelemente auf, die das Schleifelement
in radialer Richtung nach innen auf den Kommutator federkraftbeaufschlagen.
Um einen konstanten, nicht in Umfangsrichtung wandernden Druckpunkt
des Schleifelementes auf dem rotierenden Kommutator auch bei einem unvermeidbaren
Verschleiß des
Schleifelementes sicherzustellen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass
die beiden Federelemente auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Schleifelementes
bzw. des das Schleifelement unmittelbar haltenden Halters angeordnet
sind. Bevorzugt handelt es sich bei den Seiten, an denen die Federelemente
angeordnet sind, um die beiden in Bezug auf den Kommutator in Umfangsrichtung
beabstandeten Seiten des Schleifelementes bzw. des Halters für das Schleifelement.
Bei einem derartig ausgebildeten Schleifelementhalter können die
Federelemente aufgrund des Vorsehens von zwei Federelementen kleiner
ausgebildet werden als bei bekannten Hammerbürsten mit nur einem Federhebel,
wodurch eine Bauraumminimierung erzielbar ist. Zudem wird bei einer
festen Anordnung des Schleifelementes in dem Halter des Schleifelementhalters,
eine Relativbewegung zwischen dem Schleifelement und dem Halter
und damit auch die Gefahr eines Verklemmens des Schleifelementes
in dem Schleifelementhalter, wie dies bei bekannten Köcherbürsten auftreten
kann, mit Vorteil vermieden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Schleifelementhalter einteilig ausgeführt ist. Bevorzugt handelt
es sich bei dem Schleifelementhalter um ein Stanzbiegeteil, insbesondere
aus Federstahl, bei dem der Halter für das Schleifelement und die
beiden Federelemente einteilig ausgebildet sind.
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Im
Hinblick auf die Realisierung eines konstanten, ortsfesten Druckpunktes
ist eine Ausführungsform
von Vorteil, bei der die Federelemente spiegelsymmetrisch ausgebildet
und/oder angeordnet sind. Bevorzugt sind die Federelemente dabei spiegelsymmetrisch
in Bezug auf eine durch den Halter für das Schleifelement verlaufende
Spiegelebene ausgebildet, wobei die Spiegelebene vorzugsweise die
Längsmittelachse
eines Kommutators, der mit einem nach dem Konzept der Erfindung
ausgebildeten Schleifelementhalter ausgestattet ist, in sich aufnimmt.
Durch die spiegelsymmetrische Ausbildung und/oder Anordnung der
Federelemente weisen die Befestigungspunkte bzw. Befestigungsstellen
der beiden Federelemente, insbesondere in Umfangsrichtung des Kommutators
gesehen, den gleichen Abstand von dem Schleifelement auf, wodurch
eine gleichmäßige Federkraftbeaufschlagung
des Schleifelementes in radialer Richtung nach innen auf den Kommutator
sichergestellt ist.
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Zur
weiteren Bauraumoptimierung ist es vorteilhaft, wenn die Federelemente
nicht als ebene Federhebel ausgebildet sind, sondern wenn die Federelemente
eine gebogene Struktur aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform
bei der zumindest eines der Federelemente zumindest näherungsweise
Z-förmig
ausgebildet ist, wobei sich bevorzugt ein Schenkel des Z-förmigen Federelementes
in Richtung einer gedachten Längsmittelachse des
Schleifelementes erstreckt, so dass die Ausdehnung des Federelementes
in eine Richtung von dem Schleifelement weg minimiert ist.
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Zur
Festlegung des Schleifelementhalters an einer Halterung, insbesondere
aus Kunststoff, für mehrere
Schleifelementhalter ist es von Vorteil, wenn jedes Federelement,
insbesondere im Bereich seines jeweiligen freien Endes, Befestigungsmittel
aufweist, die bevorzugt derart ausgebildet sind, dass mit diesen
eine formschlüssige
Verbindung zu der Halterung für
die Schleifelementhalter realisierbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn die Befestigungsmittel an jedem Federelement
jeweils mindestens eine Biegeöse
umfassen, die durch Umbiegen des freien Endes, insbesondere zu einer
Zylinderform, realisiert sind. Diese derart ausgestalteten Befestigungsmittel
lassen sich nicht nur kostengünstig
und einfach herstellen, sie können
zusätzlich, insbesondere
durch Warmverstemmen mit einer Kunststoff-Halterung für die Schleifelementhalter,
auf einfache Weise fixiert werden. Die Biegeöse kann dabei auf einer von
dem Schleifelement wegweisenden Radialseite des Schleifelementhalters
oder auf einer dem Schleifelement zugewandten Radialseite des Schleifelementhalters
angeordnet werden. Die Position der Biegeösen richtet sich dabei bevorzugt
nach den Platzverhältnissen
in einer mit mindestens zwei Schleifelementhaltern ausgestatteten
Halterung.
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Bevorzugt
ist der Halter für
das Schleifelement derart ausgebildet, dass das Schleifelement sich
wie bei einer bekannten Hammerbürste
nicht relativ zu dem Schleif-elementhalter, wie dies bei Köcherbürsten notwendig
ist, verstellen kann. Vielmehr ist das Schleifelement fest in dem
Halter positioniert. Dabei kann der Halter, insbesondere bei einer
Ausbildung des Schleifelementhalters als Stanzbiegeteil, auf einfache
Weise dadurch erhalten werden, dass der Halter in einem Blechabschnitt
eine Ausstanzung für
das Schleifelement umfasst, die von dem Schleifelement durchsetzt
ist, wobei das Schleifelement mit Hilfe von Klemmmitteln des Halters
fest an dem Schleifelementhalter gehalten ist. Im Hinblick auf die Ausbildung
der Klemmmittel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist
es, als Klemmmittel mindestens zwei gegenüberliegende Federbügel vorzusehen,
die vorzugsweise durch Ausstanzen und Umbiegen eines Federblechabschnittes
hergestellt sind. Bevorzugt ist eine Ausführungsform mit vier Federbügeln, wobei
bevorzugt jeder Umfangsseite des Schleifelementes ein Federbügel zugeordnet
ist. Die Federbügel
beaufschlagen das Schleifelement dabei mit einer Federkraft quer
zur Längserstreckung
des Schleifelementes. Bevorzugt sind die Federbügel in radialer Richtung von
dem Kommutator weg, in Richtung der freien Enden der Federelemente
gebogen.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform
bei der zusätzlich
zu den das Schleifelement klemmenden Federbügeln mindestens zwei einander
gegenüberliegende
Führungsbügel zur
Zentrierung des Schleifelementes im Halter vorgesehen sind. Bevorzugt
erstrecken sich die Führungsbügel in eine
von den Federbügeln
wegweisende Richtung, vorzugsweise in Richtung des Kommutators.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine Halterung (Bürstenhalter),
insbesondere aus Kunststoff, mit mindestens zwei Schleifelementhaltern.
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Bevorzugt
ist dabei eine Ausführungsform der
Halterung bei der die Schleifelementhalter, insbesondere etwaige
Biegeösen
der Federelemente des Schleifelementhalters, durch Warmverstemmen
in dem Kunststoffmaterial der Halterung festgelegt sind.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor
oder Generator. Die elektrische Maschine zeichnet sich durch das
Vorsehen mindestens eines zuvor beschriebenen Schleifelementhalters
und/oder durch das Vorsehen einer zuvor beschriebenen Halterung mit
mindestens zwei Schleifelementhaltern aus. Eine derartige elektrische
Maschine ist nicht nur besonders geräuscharm, sondern es wird auch
ein Verklemmen der Schleifelemente, wie dieses bei bekannten Köcherbürsten häufig auftritt,
vermieden.
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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 Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine Kommutierungseinrichtung für eine
elektrische Maschine mit zwei einander gegenüberliegenden Schleifelementhaltern,
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2:
eine perspektivische Darstellung eines Schleifelementhalters in
Alleinstellung und
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3:
eine ausschnittsweise Darstellung eines an einer Halterung aus Kunststoff
festgelegten Schleifelementhalters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Kommutierungseinrichtung 1 für eine elektrische Maschine
gezeigt. Die Kommutierungseinrichtung 1 umfasst einen Kommutator 2 zur
drehfesten Anordnung an einer nicht gezeigten, den Kommutator 2 durchsetzenden
Ankerwelle. Der Kommutator 2 umfasst eine Vielzahl von
in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Lamellen 3, die
voneinander elektrisch isoliert sind. Jede Lamelle 3 umfasst
jeweils ein Hakenelement 4, mit dem die jeweilige Lamelle 3 mit
einer nicht gezeigten Wicklung eines Ankerpaketes verbindbar ist.
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Zum
elektrischen Kontaktieren der Lamellen 3 sind zwei Schleifelemente 5 (Kohlebürsten) aus Graphit
vorgesehen, die mit jeweils einer Kupferlitze 6 an eine
Spannungsquelle angeschlossen sind.
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Die
Schleifelemente 5 sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet
und auf zwei gegenüberliegenden
Seiten des Kommutators 2 in jeweils einem Schleifelementhalter 7 gehalten.
Sowohl die beiden Schleifelemente 5 als auch die beiden,
jeweils als Stanzbiegeteil aus Federstahl ausgebildeten Schleifelementhalter 7 sind
identisch ausgeformt.
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In 2 ist
ein Schleifelementhalter 7 in einer perspektivischen Darstellung
in Alleinstellung gezeigt. Der als Stanzbiegeteil aus Federblech
ausgebildete, einstückige
Schleifelementhalter 7 umfasst einen Halter 8 für ein Schleifelement 5.
Der Halter 8 besteht aus einer Ausstanzung 9 innerhalb
eines dem Kommutator 2 zugewandten, ebenen Blechabschnittes 10 des
Schleifelementhalters 7. Die Ausstanzung 9 ist
so bemessen, dass in dieser ein Schleifelement 5 aufnehmbar
ist.
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Der
Halter 8 umfasst vier Federbügel 11, die durch
Einbringen der Ausstanzung 9 in den Blechabschnitt 10 und
Umbiegen der sich ergebenden Laschen in Richtung von dem Kommutator 2 weg
hergestellt sind. Die Federbügel 11,
die zueinander um jeweils 90° versetzt
angeordnet sind, liegen jeweils an einer Seitenfläche des
quaderförmigen
Schleifelementes 5 an und nehmen letzteres somit klemmend zwischen
sich auf. Durch die Biegung der Federbügel 11 in Richtung
von dem Kommutator 2 weg, wird eine Art Widerhakeneffekt
erzielt, der eine Relativbewegung des Schleifelementes 5 zu
dem Schleifelementhalter 7 verhindert.
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Zusätzlich zu
den Federbügeln 11 umfasst der
Halter 8 zwei Führungsbügel 12,
die in Richtung des Kommutators 2 weisen und die die Aufgabe
haben, das Schleifelement 5 im Halter 8 zu zentrieren. Dies
wird insbesondere dadurch erreicht, dass sich die geschwungenen,
im Wesentlichen im Querschnitt S-förmigen, Führungsbügel in eine von den Federbügeln 11 weg
weisende Richtung erstrecken, so dass ein möglichst großer Abstand in Richtung der
Längserstreckung
der Schleifelemente 5 betrachtet zwischen den jeweiligen
Anlagestellen der Führungsbügel 12 und
der Federbügel 11 an
dem Schleifelement 5 realisiert wird.
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Der
ebene radial innere Blechabschnitt 10 des Halters 8 des
Schleifelementhalters 7 geht auf zwei in Umfangsrichtung
gegenüberliegenden
Seiten 13, 14 in jeweils ein Federelement 15, 16 über. Sowohl
das erste Federelement 15 als auch das zweite Federelement 16 sind
einteilig mit dem Halter 8 ausgebildet. Das in der Zeichnungsebene
rechts unten angeordnete zweite Federelement 16 weist im
Querschnitt eine Z-Form auf. Das erste Federelement 15 ist
spiegelsymmetrisch zu dem Z-förmigen
zweiten Federelement 16 in Bezug auf eine in 1 angedeutete
Spiegelebene E ausgebildet und angeordnet, wobei die Spiegelebene
E in Umfangsrichtung des Kommutators 2 gesehen mittig durch
den Blechabschnitt 10 des Halters 8 verläuft und
eine Längsmittelachse
L der Kommutierungseinrichtung 1 (vgl. 1)
in sich aufnimmt.
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Beide
Federelemente 15, 16 weisen einen endseitigen
Bogenabschnitt 17, 18 auf, der ausgehend von dem
Blechabschnitt 10 jeweils in einen Federarm 19, 20 übergeht,
wobei die Federarme 19, 20 aufeinander zu in Richtung
des Schleifelementes 5 gebogen sind. Die Federarme 19, 20 gehen
in ihrem jeweiligen von dem Blechabschnitt 10 abgewandten Ende
bogenförmig
in jeweils einen Federabschnitt 21, 22 über, wobei
sich die Federabschnitte 21, 22, ausgehend von
dem zugehörigen
Federarm 19, 20, in einander entgegengesetzte
Umfangsrichtungen erstrecken. Die Federabschnitte 21, 22 sind
in einer Parallelebene zu einer den Blechabschnitt 10 aufnehmenden
Ebene angeordnet. Die Federabschnitte 21, 22 wiederum
gehen über
in zylindrische Biegeösen 23, 24,
die auf der dem Blechabschnitt 10 abgewandten Seite der
Federabschnitte 21, 22 angeordnet und in Umfangsrichtung
nach innen umgebogen sind. Alternativ ist eine Anordnung der Biegeösen 23, 24 auf
der dem Blechabschnitt 10 zugewandten Seite der Federabschnitte 21, 22 realisierbar.
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Durch
den aus 2 ersichtlichen, symmetrischen
Aufbau des Schleifelementhalters 7, mit zwei in Umfangsrichtung
beabstandeten, spiegelsymmetrischen und einstückig mit dem Halter 8 ausgebildeten,
in diesem Ausführungsbeispiel
Z-förmigen
Federelementen 15, 16 wird ein konstanter, zentrischer Druckpunkt
des aufgenommenen Schleifelementes 5 (vgl. 1)
sowie ein geringer Bauraumbedarf bei einer gleichzeitig minimalen
Geräuschentwicklung
bei im Betrieb befindlicher elektrischer Maschine realisiert.
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In 3 ist
ein Ausschnitt eines Schleifelementhalters 7 gezeigt, der
in einer Halterung 25 (Bürstenhalter) aus Kunststoff
festgelegt ist. Zu erkennen ist die Biegeöse 23, die durch Warmverstemmen
mit dem Kunststoffmaterial der Halterung 25 an der Halterung 25 festgelegt
ist.