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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenvorrichtung für eine Elektromaschine
mit einer Bürstenfassung,
mit einer darin untergebrachten Bürste mit integrierter Litze,
mit einer ersten Feder, die die Bürste gegen einen Kommutator
vorspannt.
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Elektromaschinen
(E-Motoren), Gleichstrom- sowie Drehstrommaschinen weisen Bürstenpaare auf,
die gegen einen Kommutator vorgespannt sind.
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Zum
Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren
(Starter) zum Einsatz. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den
Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen
meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer- und Graphitanteile
hat. Die Bürsten
werden deshalb auch Kohlebürsten
genannt. Diese Bürsten
sowie der Kommutator unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei sind
die Gleichstrommotoren typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb
ausgelegt und normalerweise für 30–60.000
Schaltzyklen geeignet.
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Wird
der Starter für
höhere
Lasten und für längere Laufzeiten
ausgelegt, so zeigt sich eine geringere Lebensdauer. Es ist bekannt,
eine Schraubenfeder für
die Anpressung der Kohlebürste
auf den Kommutator einzusetzen. Aufgrund der radialen Bauraumbeschränkung eines
Starters besteht ein Kompromiss aus der Höhe der Kohlebürste, die
einen direkten Einfluss auf die mögliche Verschleißlänge hat
und der notwendigen Anpresskraft. Die An presskraft und die Federrate
C sind durch radiale Bedingungen sehr stark beeinflusst. Es können somit Anpresskräfte mit
einer bestimmten Charakteristik mit nur minimalen Federraten C erreicht
werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Bürstenvorrichtung
der Eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Elektromaschinen
mit häufigen Wiederholstarts
und längeren
Laufzeiten eine verbesserte Lebensdauer aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
Erfindungsgedanke ist, eine zweite Feder parallel zur ersten Feder
angeordnet vorzusehen, die die Bürste
gegen den Kommutator vorspannt. Somit wird ein möglichst homogener Anpressdruck
an den Kommutator der Bürsten
geschaffen. Eine Asymmetrie bezüglich
der Flächenpressung
der Kohlebürste
bei einer hohen Anpresskraft, wie sie bei lediglich einer Feder
pro Kohlebürste
mit einer zumeist mittigen Anpressung gemäß dem Stand der Technik auftritt,
wird erfindungsgemäß vermieden.
Somit wird auch unterbunden, dass die Kohlebürstenandruckkraft durch eine
hohe axiale Länge
der Kohlebürsten nicht
mehr homogen an der Lauffläche
wirksam ist. Es wird ferner durch die parallele Befestigung der
Federn an der Bürste
ein stabiler Zustand bezüglich
axialer Bewegungen der Kohlebürsten
mit gleichmäßigem und
gleichmäßig verteiltem
Anpressdruck im Gegensatz zum Stand der Technik mit einer mittigen Fixierung
geschaffen.
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Der
Anpressdruck senkt sich während
der Verschleißlänge der
Kohlebürste
deutlich geringer gegenüber
einem Anpressdruck, der von lediglich einer Spiralfeder erzeugt
wird. Es können
somit höhere Schaltzahlen
mit geringerem Verschleiß und
längere Laufzeiten
der Elektromaschine erreicht werden.
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Erfindungsgemäß werden
ein oder mehrere Federn zusätzlich
an der Bürste
parallel nebeneinander verbaut. Die Gesamtanpresskraft F(x) setzt
sich somit wie folgt zusammen. FGES(x) =
F1(x) + F2(x).
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Gemäß einem
weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken ist die in die Bürste integrierte
Litze in radialer Richtung parallel zur ersten Feder angeordnet.
Dadurch, dass die Litze in radialer Richtung nicht hintereinander
zur Feder angeordnet ist, sondern parallel, ist die Verschleißlänge der
Bürste
vergrößert. Die
vergrößerte Verschleißlänge erhöht die Lebensdauer
und lässt
häufigere
Wiederholstarts von E-Motoren bei zumindest gleicher Lebensdauer zu.
Die Litze ist aus einer Kupferlegierung hergestellt und in die Bürste eingepresst.
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Die
mögliche
Verschleißlänge einer
Bürste ist
normalerweise der Abstand von der Kontaktfläche der Bürste zum Kommutator bis zum
vorgegebenen Ende der reinen Kohlebürste in radialer Richtung. Das
vorgegebene Ende ist die radiale Höhe, an der der Durchmesser
der Litze in der Bürste
beginnt.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Litze zwischen
der ersten und mindestens zweiten Feder parallel in einem Zwischenansatz
in der Bürste
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Verschleißlänge der
Bürste
optimiert groß ist
und die Bürste
stabil in der Bürstenfassung sitzt.
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Vorteilhafter
Weise ist die radiale Distanz vom Kommutator zur Mitte der mindestens
einen Litze größer als
zu einer Auflagefläche
an der Bürste der
Feder oder Federn. Somit ist die Verschleißlänge vergrößert.
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Um
ein möglichst
homogenes System zu erhalten, sind vorteilhafterweise mindestens
zwei gleiche Federn eingesetzt, deren Federrate im Wesentlichen
gleich groß ist.
Es ergibt sich somit FGes(x) = F1(x) + F1(x) = 2·F1(x).
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Durch
die Verwendung von zwei gleichen Federn kann die doppelte Anpresskraft
einer heutigen Serienfeder mit einer Federrate CSerie erzielt
werden. Die höhere
Anpresskraft der Kohlebürste
an den Kommutator einer als Starter eingesetzten Elektromaschine
führt somit
direkt zum Erreichen einer höheren
Schaltzahl. Es ergibt sich somit bei der gleichen Gesamtfederrate: FGes(x) = CGes·x = F1(x) + F1(x) = 2·F1(x) = 2·C1·x.
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Aus
Versuchen hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass eine möglichst
konstante Federrate C für
eine hohe Lebensdauer einer mechanisch kommutierten Elektromaschine
vorteilhaft ist.
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Es
hat sich weiter als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Federrate
C möglichst
für den
vorhandenen Bauraum gering ist. Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden
Ausführungsform
ist die Federrate der ersten und zweiten Feder kleiner als bei einer
Bürste
mit einer einzigen Feder gemäß dem Stand
der Technik (Serienfeder). Mit mindestens zwei Federn kann die Federrate
C somit noch weiter abgesenkt werden, was mit einer einzigen Feder
aufgrund Fertigungsbedingungen nicht mehr möglich ist. Mit mindestens zwei
parallel angeordneten Federn lassen sich noch stärkere Anpresskräfte erzeugen, die
die Bedingungen an die Federrate C erfüllen. Eine optimierte Bedingung
durch die Kombination von zwei gleichen Federn mit der Federrate
C1 in Relation zu einer Federrate CSerie einer herkömmlichen Feder lautet: 2·C1 < CSerie.
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Eine
Halbierung der Anfangskraft von zwei Federn, die in Kombination
die gesamte notwendige Anpressanfangskraft im vorgespannten Zustand
der Kohlebürste
leisten, machen es möglich,
die gleichen Anfangsbedingungen wie mit einer Feder zu erzielen.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform sind die Dimensionen
der ersten und zweiten Feder kleiner als die einer Bürstenvorrichtung
mit einer einzigen Feder. Die mindestens zwei Federn sind im Durchmesser
kleiner, in der Stärke
dünner
und erzielen somit eine Halbierung der Anfangskraft einer Feder,
um die Bedingung 2·C1 < CSerie zu erfüllen. Durch das Absenken der
Gesamtfederrate CGes bei der Bürstenvorrichtung
erhält
man somit ein stabileres Verhalten über die Lebensdauer der Bürstenvorrichtung.
Die minimale Federrate C1 jeder einzelnen
Feder ist somit weniger kostenintensiv und einfacher zu erreichen
als die Federrate bei einer Bürstenvorrichtung
mit einer einzigen Serienfeder.
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Die
Bürstenvorrichtung
ist vorteilhafter Weise für
eine Gesamtlebensdauer der Elektromaschine ausgelegt. Um eine Instandhaltung
der Elektromaschine nach Ende der Lebensdauer der Elektromaschine
zu ermöglichen,
ist die Bürstenvorrichtung
in der Elektromaschine auswechselbar ausgebildet.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Bürstenvorrichtung,
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2 eine
schematische Draufsicht der Bürstenvorrichtung,
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3 eine
schematische Seitenansicht der Bürstenvorrichtung
mit einer zur Feder parallelen Litze,
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4 einen
Weg-Kraft-Diagramm der Bürstenvorrichtung.
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Die 1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 für eine Elektromaschine,
wie beispielsweise einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor,
der als Starter für
einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug eingesetzt ist. Die Bürstenvorrichtung 1 umfasst eine
Bürstenfassung 2,
in der eine Bürste 3 untergebracht
ist. Die Bürste 3 ist
aus einem Werkstoff mit einem hohen Graphitanteil hergestellt und
wird deshalb auch Kohlebürste
genannt. Die Bürste 3 wird mittels
einer ersten und zweiten Feder 4, 5 der Bürstenfassung 2 gegen
einen rotierenden Kommutator 6 angedrückt und ist somit vorgespannt.
Die erste und zweite Feder 4, 5 sind in radialer
Richtung R zueinander parallel angeordnet, In einer besonderen Ausführungsform
besitzen die Federn die gleiche Federrate C1 und
sind in den Dimensionen, wie Durchmesser, Länge und Stärke des Federdrahts, gleich
ausgebildet. In einer anderen besonderen Ausführungsform, falls axiale Beanspruchungen
es notwendig machen, können
beide Federn 4, 5 auch eine unterschiedliche Federraten
C aufweisen. Die erste und zweite Feder 4, 5 sind
Spiralfedern.
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Die 2 zeigt
eine schematische Draufsicht der in 1 gezeigten
Bürstenvorrichtung 1.
In der Bürstenfassung 2 sind
parallel die gleich großen Federn 4, 5 untergebracht,
die für
ein homogenes Anpressverhalten der Bürste 3 mit einem Sitz
auf dem Kommutator 6 sorgen.
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Die 3 zeigt
eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 mit
einem weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken, gemäß dem eine
Litze 7 der Bürste 3 nicht
wie herkömmlich,
in radialer Richtung seriell d. h. in Reihe zur Feder 4, 5 angeordnet
ist, sondern parallel zur ersten Feder 4 und zur zweiten
Feder 5. Die Litze 7 ist, wie in der 3 gezeigt,
in einem Zwischenansatz 8 der Bürste 3 eingepresst.
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Durch
die parallele Anordnung der Litze 7 zu den Federn 4, 5 ergibt
sich eine zusätzliche
Verschleißlänge, die
in der 3 mit einer axialen Linie als Verschleißgrenze
VG1 abstrahiert dargestellt ist. Zum Vergleich
hierzu ist in gestrichelter Linie eine Litze 9 in radialer
Richtung vor der Feder 5 eingezeichnet, wie sie im Stand
der Technik beispielsweise eingebaut ist und somit eine Verschleißgrenze
VGSerie bildet. Die Anhebung der Verschleißlänge bei
konstanten Randbedingungen führt
direkt zu einer längeren Lebensdauer
des Kommutierungssystems und des Starters.
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Die 4 zeigt
ein Weg-Kraft-Diagramm mit Federkennlinien von Federn für die Bürstenvorrichtung.
Die oberste Federkennlinie I zeigt die normierte Federkraft
FN gegenüber
der Federlänge
LF bei einem Einsatz von zwei Federn mit
einer niedrigen Federrate C1 gemäß der Erfindung.
Das Diagramm zeigt, dass die Federkraft über eine größere Federlänge gering abnimmt.
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Darunter
ist eine Federkennlinie II einer herkömmlichen Einzelfeder eingezeichnet,
wie sie in einer Bürstenvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik verbaut ist. Die Federkraft FN nimmt
bei größerer Federlänge LF, d. h. bei größerem Verschleiß der Bürste 3,
stärker
ab als bei zwei parallel angeordneten Federn 4, 5 mit
niedriger Federrate C.
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Die
Federkennlinie III zeigt die normierte Federkraft FN gegenüber
der Federlänge
LF für
eine einzelne Feder 4 bzw. 5, wie sie in der erfindungsgemäßen Börsenvorrichtung 1 eingebaut
ist. Durch den Einsatz von mindestens zwei parallel angeordneten Federn 4, 5,
die die Bürste 3 an
den Kommutator 6 anpressen, wird ein möglichst hoher homogener Anpressdruck
bei häufigen
Wiederholstarts und längeren
Laufzeiten in mechanisch kommutierten Elektromaschinen geschaffen.
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Alle
Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen.
Im Übrigen wird
insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung
als wesentlich verwiesen.