-
Die
Erfindung betrifft eine Kohlebürstenanordnung für
eine elektrische Maschine nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Stand der Technik
-
Kohlebürstenanordnungen
für elektrische Maschinen sind bekannt. Sie dienen der
Zuführung elektrischer Energie zu einem Rotor. Sie dienen
hierbei der Stromeinleitung in Gegenkontaktanordnungen, die beispielsweise
als Schleifringe oder als Kommutatorschleifringe ausgebildet sind.
Der Strom wird hierbei über ein oder mehrere Bürstenpaare
in Ankerwicklungen eingeleitet, bei Gleichstrommotoren über
einen Kommutator. Diese Bürstenpaare weisen hierbei Bürsten
auf, die meist aus einem Sinterwerkstoff bestehen, der hauptsächlich
Kupfer- und Graphitanteile aufweist. Dieser sowie die Schleifringe,
insbesondere der Kommutator, unterliegen im Betrieb einem Verschleiß,
der zum großen Teil durch einen elektroerosiven Abtrag
verursacht wird. Insbesondere bei Kommutatoranordnungen ist ein
erheblicher elektroerosiver Abtrag durch Funkenbildung zu beobachten,
der sich aus der sehr hohen Stromdichte ergibt, die dadurch entsteht,
dass sich Lamellen des Kommutators unter der Kohlebürste
im Betrieb des Elektromotors wegdrehen, folglich die zur Stromleitung
zur Verfügung stehende Fläche zwischen Kohlebürste
und Gegenkontaktanordnung durch eben diese Bewegung beständig
kleiner wird und letztlich gegen null geht, bevor die nächste
Lamelle strombeaufschlagt wird. Die Stromdichte ist hier sehr hoch.
Um eine höhere Laufzeit und Lebensdauer der elektrischen
Maschine beziehungsweise ihrer Kohlebürstenanordnung zu
erreichen, ist eine Reduktion der Stromdichte wünschenswert,
um den hierauf entfallenden Anteil des elektroerosiven Verschleißes
zu verringern. Dies kann sinnvoller Weise lediglich durch eine Ausdehnung
der Kohlebürsten und der Schleifringe beziehungsweise des
Kommutators in Axialrichtung erfolgen, da einer Ausdehnung in Umfangsrichtung
der Schleifringe prinzipbedingte Grenzen gesetzt sind, insbesondere
bei einem Kommutator, bei dem die Lamellenbreite als limitierende
Größe hinzutritt. Auch einer solchen Verlängerung
in Axialrichtung sind allerdings Grenzen gesetzt, da lange und gleichzeitig
nicht besonders starke Kohlebürsten aufgrund ihres Materialgefüges
zur Instabilität neigen, prozesstechnisch schwer herzustellen
sind und insbesondere auch der erforderliche gleichmäßige Anpressdruck
nur durch besondere Bauformen der Kohlebürstenanordnung,
wie beispielsweise durch Verwendung von Blatt-Spiralfedern, zu erreichen
ist; insbesondere bei schlechtem Anpressdruck in Bereichen der Kontaktflächen
kommt es nämlich zu einer starken Funkenbildung, die einen
sehr starken elektroerosiven Abtrag und damit eine deutlich reduzierte Lebensdauer
der Kohlebürste bewirken kann. Ferner ist der Stromfluss
bei der Einleitung in den Kohlebürstenquerschnitt in der
Nähe der Stromzuführung, etwa einer Litze, konzentriert,
die Randbereiche hingegen werden nicht optimal erreicht. Ferner
sind aus weiteren Anwendungen Kommutierungssysteme bekannt, welche
in Umfangsrichtung mehrfache Kohlen besitzen. Aus der
GB 2 244 603 A ist eine Mehrfachkohlebürstenanordnung
für einen Gleichstrommotor bekannt, wobei die Kohlen in
einem kleinem Modellbaumotor parallel geschaltet über Schwingarme
gehalten werden. Dies ist für Hochstromanwendungen und
für schwingungskritische Anwendungen jedoch eine wenig
geneigte Ausführungsform. Insbesondere ist die sichere
Kontaktgabe durch die Ausbildung der Schwingarme begrenzt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Kohlenbürstenanordnung der gattungsgemäßen
Art bereitzustellen, die die genannten Nachteile vermeidet und bei
sicherem Betrieb eine deutlich erhöhte Lebensdauererwartung
gewährleisten kann.
-
Hierzu
wird eine Kohlebürstenanordnung für eine elektrische
Maschine vorgeschlagen, insbesondere eine Kommutatoranordnung für
eine elektrische Maschine, mit mindestens zwei Kohlebürsten,
die axial nebeneinander angeordnet sind und mit einer drehbaren
Gegenkontaktanordnung zusammenwirken. Hierbei ist vorgesehen, dass
die Kohlebürsten als sich unmittelbar oder mittelbar gegenseitig
axial abstützende Kohlebürsten ausgebildet sind.
Die Kohlebürsten sind demzufolge in der erfindungsgemäßen
Kohlebürstenanordnung dergestalt ausgebildet, dass sie
sich entweder unmittelbar oder mittelbar gegenseitig axial abstützen.
Sie sind demzufolge nicht, wie vorbeschrieben, an separaten Schwingarmen gelagert,
was zu unerwünschten Schwingungen oder Vibrationen führen
kann, sondern dergestalt, dass sie in Axialrichtung in abstützendem
Kontakt zueinander stehen. Dieser kann mittelbar sein, also dergestalt, dass
die Kohlebürsten der Kohlebürstenanordnung sich
unmittelbar berühren, oder mittelbar, also dergestalt,
dass zwischen den Kohlebürsten ein die Abstützung
vermittelndes Element angeordnet ist. Dies hat insbesondere den
Vorteil, dass sich der Stromfluss zwischen den Kohlebürsten
der Kohlebürstenanordnung ausgleichen kann, sodass eine
gleichmäßige Stromdichte im Übergang
zur Gegenkontaktanordnung erzielt werden kann.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Kohlebürsten axial in Berührungskontakt zueinander
stehen. Hier berühren sich die Kohlebürsten der
Kohlebürstenanordnung unmittelbar, eine Seitenwandung einer
Kohlenbürste berührt demzufolge eine andere Seitenwandung
einer anderen, benachbarten Kohlenbürste. Der Ausgleich
des Stromflusses zwischen den Kohlebürsten erfolgt hierbei
unmittelbar zwischen diesen Seitenwandungen, so dass an den Kontaktflächen
zur Gegenkontaktanordnung eine ausgeglichene Stromdichte über die
gesamten Kontaktflächen vorherrscht. Gleichzeitig stützen
sich die Kohlebürsten der Kohlebürstenanordnung
in Axialrichtung gegenseitig ab, so dass eine deutlich bessere mechanische
Stabilität besteht als bei unabhängig voneinander
beabstandet angeordneten Kohlebürsten. Insbesondere Schwingungen,
die in einzelne Kohlebürsten induziert werden können
und zu einer Verringerung des Anpressdruck und/oder der Stromübertragung
führen können, werden so zuverlässig
vermieden.
-
In
einer anderen Ausführungsform liegt zwischen den Kohlebürsten
eine Wand einer Kohlebürstenfassung. In dieser Ausführungsform
sind die die Kohlebürsten gefasst, also beispielsweise
in einer diese zumindest bereichsweise umfassenden oder umhüllenden
Einhausung geführt, wobei zwischen den Kohlebürsten
zur Vermittlung der axialen Abstützung die Wand der Kohlebürstenfassung
liegt. Es stützt sich demzufolge die eine Kohlebürste
der Kohlebürstenanordnung an der Wand ab, wobei sich an der
gegenüberliegenden Seite der Wand die andere Kohlenbürste
der Kohlenbürstenanordnung abstützt. Insbesondere
bei Ausbildung der Kohlebürstenfassung aus leitfähigem
Material, beispielsweise aus Metall, ist auch hier eine besonders
gute Ausgleichung des Stromflusses zwischen den Kohlebürsten gewährleistet,
wobei überdies eine sehr gute und individuelle Radialführung
der einzelnen Kohlebürsten der Kohlebürstenanordnung
möglich ist. Dadurch kann individuellem Verschleiß der Kohlebürsten
mit der damit einhergehenden Längenänderung sehr
gut Rechnung getragen werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform bilden die in Berührungskontakt
stehenden Kohlebürsten einen Formschluss miteinander, insbesondere
einen in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss. Die Kohlebürsten
weisen demzufolge eine solche Ausgestaltung der sich berührenden
Seitenwandungen auf, dass diese Seitenwandungen in Berührungskontakt den
Formschluss aufgrund dieser Ausgestaltung ausbilden. Beispielsweise
ist es möglich, die eine Seitenwandung der einen Kohlenbürste
konkav auszubilden, während die andere Seitenwandung der anderen
Kohlenbürste, die mit der einen Seitenwandung in Berührungskontakt
steht, formangepasst konvex ausgebildet ist. Die Seitenwandungen
der Kohlebürsten greifen demzufolge so ineinander, dass sie
in Umfangsrichtung (nämlich in Drehrichtung beziehungsweise
gegen die Drehrichtung der elektrischen Maschine beziehungsweise
des Rotors) nicht gegeneinander verschoben werden können.
Hierdurch ist gewährleistet, dass sie in Axialrichtung
stets das gleiche Segment der Schleifringe beziehungsweise des Kommutators
beaufschlagen und ein in Umfangsrichtung erfolgender Versatz nicht
stattfindet. Gleichzeitig dient der Formschluss als Montagehilfe.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Kohlebürste
eine eigene Bürstenfeder zugeordnet. Hierdurch wird gewährleistet,
dass jede Kohlebürste unabhängig von der anderen
Kohlebürste in Radialrichtung einen optimalen, auf sie
unmittelbar einwirkenden Anpressdruck erfährt. So ist für
jede Kohlebürste die optimale Kontaktgabe zur Gegenkontaktanordnung
gewährleistet.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
drehbare Gegenkontaktanordnung Lamellen eines Kommutators sind.
Wie bereits beschrieben, ist insbesondere bei Gleichstrommotoren unter
Verwendung eines Kommutators die Reduzierung der Stromdichte besonders
wünschenswert. Mit der vorgeschlagenen Anordnung lässt
sich eine solche sehr effektiv erreichen, so dass die Lebensdauer von
Kommutator und Kohlebürsten deutlich verlängert
werden kann.
-
In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weist jede
Kohlebürste eine eigene Stromzuführung auf. In
diesem Falle, wobei selbstverständlich die Stromzuführungen
der einzelnen Kohlebürsten der Kohlebürstenanordnung
elektrisch parallel geschaltet sind, ist die Stromeinleitung in
die Kohlebürsten in Hinblick auf den Stromfluss und den
Ausgleich des Stromflusses innerhalb der Kohlebürsten optimiert.
Eine Konzentration der Stromeinleitung in den Kohlebürstenquerschnitt,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, findet also nicht in signifikanter
Weise statt, sondern wird im Gegenteil vermieden. Durch die Ausführung
mit eigenen Stromzuführungen und unmittelbarer oder mittelbarer
gegenseitiger axialer Abstützung erfolgt zwischen den Kohlebürsten
ein sehr guter Ausgleich des Stromflusses von der Stromeinleitung
hin bis zur Kontaktfläche im Übertritt zur Gegenkontaktanordnung,
wobei in keinem Punkt des Querschnitts eine übermäßige
Stromdichte auftritt. Die Lebensdauer der Kohlebürsten
und der Gegenkontaktanordnung, insbesondere eines Kommutators, lässt
sich hierdurch beträchtlich erhöhen.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen folgen aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, ohne jedoch hierauf beschränkt
zu sein.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen
-
1 eine
Kohlebürstenanordnung mit zwei axial nebeneinander angeordneten
Kohlebürsten;
-
2 zwei
Kohlebürsten mit einem in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss
und
-
3 eine
Kohlenbürstenanordnung mit einer die Kohlebürsten
aufnehmenden Kohlebürstenfassung.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
1 zeigt
eine Kohlebürstenanordnung 1 für eine
nur teilweise dargestellte elektrische Maschine 2. Die
Kohlebürstenanordnung 1 weist zwei Kohlebürsten 3 auf,
die in Axialrichtung, also parallel zu einer Drehachse 4 etwa
eines Rotors 5 der elektrischen Maschine 2, nebeneinander
angeordnet sind und mit einer drehbaren Gegenkontaktanordnung 6, beispielsweise
einem Kommutator 7, zusammenwirken. Die Kohlebürsten 3 treffen
zu diesem Zusammenwirken mit der drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 zugewandten
Kontaktflächen 8 auf Gegenkontaktflächen
9 einer Umfangsoberfläche 10 der drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 auf,
sodass sie mit diesen in Berührlage aufeinanderliegen.
Die Kontaktflächen 8 sind an Unterseiten 11 der
Kohlebürsten 3 ausgebildet. An den Unterseiten 11 der Kohlebürsten 3 gegenüberliegenden
Oberseiten 12 der Kohlebürsten 3 ist
für jede Kohlebürste 3 mindestens eine
Bürstenfeder 13, beispielsweise als Spiraldruckfeder 14,
vorgesehen, die die Kohlebürste 3 an deren Oberseite 12 mit
einer Federkraft beaufschlagt. Die Bürstenfeder 13 stützt
sich einerseits an der Oberseite 12 der Kohlebürsten 3,
andererseits an einer Kohlebürstenfassung 15 ab,
die beispielsweise in Form eines umgedrehten U, in Form eines Bügels 16 oder
in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein kann, wobei lediglich
sichergestellt sein muss, dass die Kohlebürstenfassung 15 die
Kohlebürsten 3 in geeigneter Weise führt,
insbesondere also eine ausreichende Axial- und/oder Radialführung
der Kohlebürsten 3 gewährleistet. Gleichzeitig
dient die Kohlebürstenfassung 15 wie beschrieben
der Abstützung der Bürstenfeder 13 zur
Aufbringung von Federkraft auf die Oberseite 12 der Kohlebürste 3.
Die Kohlebürste 3 liegt demzufolge mit ihrer Kontaktfläche 8 unter
Kraftbeaufschlagung an der Gegenkontaktfläche 9 der
drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 an. Über die
Kohlebürstenfassung 15 kann weiter eine Stromeinleitung
in die Kohlebürsten 3 stattfinden, insbesondere
dann, wenn die Kohlebürstenfassung 15 insgesamt
oder zumindest abschnittsweise aus elektrisch leitendem Material 17,
beispielsweise aus Metall 18 besteht. Bevorzugt ist vorgesehen,
dass jede Kohlebürste 3 eine eigene Stromzuführung 19 aufweist,
die jeweils an einem Stromzuführungskabel 20 angeschlossen
sein kann. Die Stromeinleitung in die Kohlebürsten 3 erfolgt
hierbei durch die Stromzuführung 19 oberseitig,
also an der Oberseite 12 einer jeden Kohlebürste 3.
Die Kohlebürsten 3 sind hierbei elektrisch parallel
geschaltet, die vorliegend gezeigte Kohlebürstenanordnung 1 ist
demzufolge einpolig. Sie ist für jeden weiteren, erforderlichen
Pol der elektrischen Maschine 2 zu wiederholen. Die Stromzuführung 19 ist
hierbei oberseitig, beispielsweise über eine mittels einer
Kontaktplatte 21 mit der Kohlebürste 3 gekoppelte
Litze 22 ausgeführt. Durch die Stromeinleitung über
die Kontaktplatte 21 an der Oberseite 12 der Kohlebürste 3 konzentriert
sich bereits bei Einleitung des Stromes in die Kohlebürste 3 der
Stromfluss nicht in einem nur kleinen Bereich, indem wie, im Stand
der Technik üblich, die Litze 22 mit der Kohlebürste 3 verbunden
ist, sondern über den Bereich der Kontaktplatte 21.
Die Kohlebürsten 3 sind in Axialrichtung so angeordnet,
dass sie sich mit ihren sich unmittelbar gegenüberliegenden
Seitenwänden 23 gegenseitig abstützen,
also die sich gegenüberliegenden Seitenwände 23 der
beiden Kohlebürsten 3 in Berührlage zueinander
liegen. Auf diese Weise verteilt sich der Stromfluss auch zwischen den
beiden Kohlebürsten 3 über die Seitenwände 23 gleichmäßig,
bis er zur Übertragung auf die drehbare Gegenkontaktanordnung 6 die
Kontaktflächen 8 an den Unterseiten 11 der
Kohlebürsten 3 erreicht. Zur Übertragung
des Stromes auf die drehbare Gegenkontaktanordnung 6 steht
hierbei eine weit größere Kontaktfläche 8 an
den Kohlebürsten 3 sowie eine dieser entsprechende
Gegenkontaktfläche 9 an der drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 zur
Verfügung, wodurch sich die Stromdichte bei Übertragung
von den Kontaktflächen 8 auf die Gegenkontaktflächen 9 vorteilhaft
verringert. Der elektroerosive Verschleiß sowohl der Kohlebürsten 3 also
auch der drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 kann hierdurch
in sehr vorteilhafter Weise deutlich verringert und die Lebensdauer
deutlich erhöht werden.
-
2 zeigt
zwei Varianten der geometrischen Ausbildung von Kohlebürsten 3 in
einer Darstellung der Kohlebürsten 3 im Querschnitt,
also in Sichtrichtung radial zur Drehachse 4 der nicht
dargestellten drehbaren Gegenkontaktanordnung 6. Die nicht
dargestellte Gegenkontaktanordnung 6 (vergleiche 1)
rotiert um die Drehachse 4, wodurch in Drehrichtung beziehungsweise
Umfangsrichtung R (bidirektional dargestellt) Kräfte auf
die Kohlebürsten 3 einwirken, die zu einem in
Umfangsrichtung R wirkenden Versatz, insbesondere in Form eines
von der nicht dargestellten drehbaren Gegenkontaktanordnung 6 tangential
abgleitenden Versatzes relativ zur Radialrichtung führen
kann. Die Kohlebürsten 3 weisen hier deshalb eine
solche geometrische Gestaltung auf, dass zwischen jeweils zwei benachbarten
Kohlebürsten 3 ein Formschluss 24 besteht, wenn
die Kohlebürsten 3 mit ihren Seitenwandungen 25 sich
axial aneinander abstützen. Die Seitenwandungen 25 sind
hierzu derart ausgebildet, dass jeweils eine linke Seitenwandung 26 einer
ihr an derselben Kohlebürste 3 gegenüberliegenden
rechten Seitenwandung 27 formangepasst ausgebildet ist. Beispielsweise
kann, wie in Variante a der 2 dargestellt,
die linke Seitenwandung 26 in Konkavform 28 ausgebildet
sein, während die ihr gegenüberliegende, rechte
Seitenwandung 27 in einer der Konkavform 28 entsprechenden
Konvexform 29 ausgeführt ist. Stützt
sich nun die linke Seitenwandung 26 der einen Kohlebürste 3 an
der rechten Seitenwandung 27 der anderen Kohlebürste 3 ab,
so greift die Konvexform 29 in die Konkavform 28 im
Bereich der Abstützung ein, so dass zwischen den Kohlebürsten 3 der
Formschluss 24 ausgebildet wird. Hierbei wird verhindert,
dass die Kohlebürsten 3 relativ zueinander einen
Versatz aufweisen. Gleichzeitig wird eine formstabile, insbesondere
in Umfangsrichtung R wirkende Stabilisierung der Kohlebürsten 3 erreicht.
Die linken Seitenwandungen 26 und rechten Seitenwandungen 27 können
hierbei in allen für einen entsprechenden Formschluss sinnvollen
geometrischen Ausbildungen ausgeführt sein, beispielsweise
wie in Variante b der 2 dargestellt, in Form einer
stufigen Ausnehmung 30 in Nutform mit einem dieser entsprechenden
Stufenschiene 31 an der gegenüberliegenden Seitenwandung 25 der
Kohlebürste 3. Selbstverständlich ist
auch eine (hier nicht dargestellte) Ausführung über
eingreifende Zapfen und entsprechende Ausnehmungen möglich,
wobei aber die Ausführung als in Radialrichtung der Kohlebürsten 3 durchlaufende
Geometrie den Vorteil hat, der Abnutzung der Kohlebürsten 3 Rechnung
zu tragen und auch bei fortschreitender Abnutzung der Kohlebürsten 3 einen
zuverlässigen Formschluss 24 auszubilden.
-
3 zeigt
eine Kohlebürstenanordnung 1 einer elektrischen
Maschine 2, bei der wie vorstehend beschrieben zwei Kohlebürsten 3 mit
einer drehbaren Gegenkontaktanordnung 6, beispielsweise
einem Kommutator 7, zusammenwirken. Die Kohlebürsten 3 sind
in der Kohlebürstenfassung 15 radial geführt,
wobei wiederum zwischen der Oberseite 12 jeder Kohlebürste 3 und
der Kohlebürstenfassung 15 zur Kraftbeaufschlagung
der Kohlebürsten 3 in Radialrichtung auf die Drehachse 4 der
drehbaren Gegenkontaktanordnung hin jede Kohlebürste 3 von
je einer Bürstenfeder 13 kraftbeaufschlagt wird.
Abweichend von dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist zwischen den Kohlebürsten 3 eine Wand 32 der
Kohlebürstenfassung 15 angeordnet, an der sich beide
Kohlebürsten 3 in Axialrichtung abstützen.
Anders als im Ausführungsbeispiel aus 1 stützen sich
demzufolge vorliegend die Kohlebürsten 3 nicht unmittelbar
aneinander ab, sondern mittelbar über die Wand 32 der
Kohlebürstenfassung 15. Zusätzlich zu
den vorstehend beschriebenen Vorteilen bietet diese Ausführungsform
den Vorteil, dass jede Kohlebürste 3 individuell
in Radialrichtung geführt ist, so dass ein beispielsweise
aus leichten Materialinkonsestenzen der Kohlebürsten 3 herrührender,
unterschiedlicher Verschleiß mit über der Zeit
unterschiedlich starker Längenänderung der Kohlebürsten 3 besser
ausgeglichen werden kann. Die Verringerung der Stromdichte im Übergang
von den Kontaktflächen 8 auf die Gegenkontaktflächen 9 besteht
unabhängig hiervon wie im Ausführungsbeispiel
aus 1. Zur Ausgleichung des Stromflusses zwischen
den beiden Kohlebürsten 3 nach Stromeinleitung
durch die hier nicht dargestellte Stromzuführung 19 (vergleiche 1)
besteht die Wand 32 bevorzugt aus elektrisch leitendem
Material 17, insbesondere aus Metall 18.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-