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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Kohlebürste für eine
elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Kohlebürste ist ein wichtiges Funktionsteil zur Stromübertragung
in elektrischen Maschinen. Die Kohlebürste ist als Gleitkontakt
ausgebildet und ist zur elektrischen Kontaktierung eines Kommutators
des Ankers der elektrischen Maschine her. Bekannt sind Kohlebürsten
bei Universalmotoren z. B. in Elektrowerkzeugen. Auch diese Elektrowerkzeuge müssen
eine Funkstörprüfung bestehen, um sicherzustellen,
dass keine zu starke Emission von hochfrequenten elektromagnetischen
Wellen von dem Werkzeug ausgehen, welche eine Kommunikation über
Funk oder die Funktion anderer elektrischer Geräte stören
würden. Weiterhin sind diese Kohlebürsten verschleißbehaftet
und daher in der Regel auswechselbar gestaltet. Üblicherweise
sind sie als geometrisch bestimmte Regelkörper von diskreten
Abmessungen hergestellt, häufig in erster Näherung quaderförmig. Üblicherweise
ist der Auflagebereich der Kohlebürste zum Kommutator in
geringem Maße gekrümmt und zwar entsprechend dem
Radius des Kommutators auf dem Anker des Elektromotors. Weiterhin
kann die Kohlebürste in ihrem Auflagebereich eine Riffelung
aufweisen, welche im Neu- bzw. Anfangszustand eine geringe, nahezu
linienförmige Kontaktfläche zwischen Bürste
und Kommutator ergibt, wodurch ein gleichförmiger, störungsfreier
Lauf der Bürste auf dem Kommutator ermöglicht
werden soll. In der Regel wird die Riffelung während des
Betrieb des Motors jedoch abgetragen und die Kontaktfläche
des Auflagebereichs der Kohlebürste passt sich der Kommutatoroberfläche
an.
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So
zeigt die
DE 195 33
031 A1 eine Kohlebürste für eine elektrische
Maschine mit einem an einem rotierenden Kontaktelement der elektrischen Maschine
zur Anlage bringbaren Auflagebereich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird eine Kohlebürste für eine elektrische Maschine
mit einem an einem rotierenden Kontaktelement der elektrischen Maschine
zur Anlage bringbaren Auflagebereich vorgeschlagen, bei welcher
erfindungsgemäß die Fläche des Auflagebereichs
der Kohlebürste während einer definierten Einlaufzeit
zunimmt. Vorteilhafterweise erfolgt die Zunahme der Fläche über
ein Abtragen des Auflagebereiches der Kohlebürste. Üblicherweise
wird bei Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine eine definierte
Einlaufzeit t für eine neue Kohlebürste benötigt
um diese exakt an die Lauffläche des Kommutators anzupassen. Im
Neu- bzw. Anfangszustand ergibt dies eine geringere Überdeckung
von Kohlebürste und Lammellen des Kommutators, was zu einem
günstigen Verhalten der elektrischen Maschine hinsichtlich
Funkstörung und Patinabildung führen kann. Die
anfänglich kleine Fläche des Auflagebereiches
ermöglicht zunächst einen höheren Kohlebürstenverschleiß,
so dass sich Kohlebürste und Kommutator möglichst
schnell aneinander anpassen können und dadurch eine gute Stromübertragung
von der Kohlebürste auf den Kommutator möglich
ist. Haben sich Kohlebürste und Kommutator angepasst, wird
die Fläche des Auflagebereichs, d. h. die sogenannte Kontaktfläche
größer, wodurch die Flächenpressung an
der Kontaktfläche geringer wird und somit der Höhenverschleiß der Kohlebürste
abnimmt. Durch den reduzierten Höhenverschleiß der
Kohlebürste nach dem Einlaufen kann die Lebensdauer der
Kohlebürste erhöht werden.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich bei der definierten Einlaufzeit um eine Zeit zwischen
0,5 und 10%, vorzugsweise zwischen 1 und 6% der Gesamtlebensdauer
der Kohlebürste. Die Einlaufzeit bis zum Erreichen der
gewünschten großen Fläche des Auflagebereiches
ist somit relativ kurz. Ab diesem Zeitpunkt ist dann vorteilhafterweise
der Verschleiß der Kohlebürste nur noch gering.
Günstigerweise ist bei Elektrowerkzeugen wie Bohrhämmern,
Schlagbohrmaschinen und dergleichen die Einlaufzeit groß und bei
Elektrogeräten wie etwa Staubsaugern gering gewählt.
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Bevorzugt
ist die Fläche des Auflagebereiches im eingelaufenen Endzustand
der Kohlebürste größer als die Fläche
des Auflagebereiches im Anfangszustand der Kohlebürste,
wodurch zunächst eine kleinere Kontaktfläche zwischen
Kohlebürste und Kommutator und dadurch ein günstiges
Verhalten der elektrischen Maschine in Bezug auf eine geringe Funkstörung
ermöglicht wird. Später wird eine größere
Kontaktfläche erreicht, womit der Höhenverschleiß der
Kohlebürste abnimmt.
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Der
Auflagebereich der Kohlebürste kann zwei Kanten aufweisen,
wovon mindestens eine Kante vorteilhafterweise mindestens eine Fase
und/oder mindestens eine Rundung aufweist. Über diese Fase und/oder
Rundung ist über der Lebensdauer der Kohlebürste
eine zunehmende Kontaktfläche zwischen Kohlebürste
und Kommutator realisierbar. Hierdurch weist die Kohlebürste
zu Laufzeitbeginn einen kleineren Auflagebereich als nach dem Einlaufen auf.
Durch die Fase und/oder Rundung werden Stöße durch
etwaige Höhensprünge der Kommutatorbürste
von Kommutatorlamelle zu Kommutatorlamelle minimiert, indem die
Beschleunigung über die Fase bzw. Abrundung als Rampe geringer
ausfällt, als bei einer scharfen Außenkante. Weiterhin
kann ein Luftpolster, welches jede rotierende Kommutatorlamelle
vor sich her schiebt, gut unter die angefaste bzw. abgerundete Kante
tauchen und einen Stoß dämpfen. Dies zieht vorteilhafterweise
eine bessere Laufruhe und eine geringere Geräuschentwicklung bei
der elektrischen Maschine nach sich. Bei der Kante kann es sich
vorteilhafterweise um die in Drehrichtung vordere Kante der Kohlebürste
und/oder um die in Drehrichtung hintere Kante der Kohlebürste handeln.
Bevorzugt wird die Fase und/oder Rundung an der in Drehrichtung
vorderen Kante der Kohlebürste, der sogenannten Ablaufkante
angebracht.
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Bevorzugt
ist der Auflagebereich der Kohlebürste mit einer Ausnehmung
versehen, welche eine Reduzierung der Kontaktfläche zu
Laufzeitbeginn ermöglicht.
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Günstigerweise
ist der Auflagebereich der Kohlebürste in einem Anfangszustand
eben ausgebildet. Hierdurch trifft eine ebene Fläche auf
einen zylindrischen Körper, wodurch sich im Anfangszustand vorteilhafterweise
eine kleine Kontaktfläche zwischen Kohlebürste
und Kommutator ergibt.
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Vorteilhaft
kann der Auflagebereich der Kohlebürste mit mindestens
einem Absatz versehen sein. Bevorzugt ist bei diesem Absatz eine
Gerade mit einer Fase bzw. einer Rundung kombiniert. Dadurch wird
erreicht, dass der Übergang von einem kleinen auf einen
großen Querschnitt allmählich und nicht ruckartig
stattfindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung;
und
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2 eine
Vorderansicht auf einen Kommutator mit einer Kohlebürste,
die zwei angefaste Kanten aufweist; und
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3 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, die eine angefaste Ablaufkante
aufweist; und
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4 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, die eine Kante mit einer
zwei Bereiche aufweisenden Fase besitzt, welche unterschiedliche Winkel
mit der Querachse einschließen; und
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5 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, die eine abgerundete
Ablaufkante aufweist; und
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6 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, die zwei abgerundete
Kanten aufweist; und
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7 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, bei der die Kanten eine
Kombination aus einer Fase und einer Abrundung aufweisen; und
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8 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, deren Auflagebereich
einen Absatz aufweist; und
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9 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, deren Auflagebereich
zwei Absätze aufweist; und
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10 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, deren Auflagebereich
einen Absatz aufweist, welcher zunächst geradlinig und
anschließend in einer Fase verläuft; und
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11 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, deren Auflagebereich
einen Absatz aufweist, welcher zunächst geradlinig und
anschließend in einer Rundung verläuft; und
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12 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, bei welcher der Auflagebereich
mit einer Ausnehmung versehen ist; und
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13 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, deren Auflagebereich
im Anfangszustand eben ausgeführt ist; und
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14 einen
Kommutator mit einer Kohlebürste, die eine Kante besitzt,
welche eine Fase mit einer unregelmäßigen Fläche
bzw. mit einer Freiformfläche aufweist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit denselben
Bezugszeichen beziffert.
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Zur
Erläuterung der Erfindung zeigt 1 schematisch
eine beispielhafte elektrische Maschine 12 in einer perspektivischen
Darstellung. Nachfolgend werden nur die für die Erfindung
wesentlichen Bauteile der elektrischen Maschine 12 beschrieben. Die
elektrische Maschine 12 kann insbesondere als Universalmotor
z. B. für Elektrowerkzeuge oder Elektrogeräte
ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine 12 besitzt
eine drehbar gelagerte Ankerwelle 44, auf welcher ein Anker 46 festgelegt
ist. Auf einer Stirnseite des Ankers 46 ist ein rotierendes
Kontaktelement in Form eines Kommutators 14 ebenfalls drehfest
auf der Ankerwelle 44 gehalten. Der Kommutator 14 weist
auf seiner Außenumfangsoberfläche mehrere Lamellen 48 auf,
die regelmäßig und beabstandet zueinander angeordnet
sind. Auf der anderen Stirnseite des Ankers 46 ist ein
Lüfterrad 50 zur Kühlung der elektrischen
Maschine 12 ebenfalls drehfest auf der Ankerwelle 44 angeordnet.
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Der
Kommutator 14 wird von mindestens einer Kohlebürste 10 beaufschlagt,
indem die Kohlebürste 10 im Betrieb der elektrischen
Maschine 12 mit einem Auflagebereich 16 üblicherweise über
eine hier nicht dargestellte Federeinrichtung gegen die korrespondierenden
Lamellen 48 des Kommutators 14 gedrückt
wird. Bei Drehung des den Kommutator 14 umfassenden Ankers 46 gleitet
die Kohlebürste 10 auf einer von den Lamellen 48 des
Kommutators 14 gebildeten Lauffläche 52.
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Die
Kohlebürste 10 weist einen Auflagebereich 16 auf,
der sich von einer ersten, in Axialrichtung 54 verlaufenden
Kante 18 bis zu einer zweiten, in Axialrichtung 54 verlaufenden
Kante 20 der Kohlebürste 10 erstreckt.
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Im
Folgenden ist die Drehrichtung 36 des Kommutators 14 im
Uhrzeigersinn nach rechts, wie mit einem Pfeil angedeutet ist. Die 2 bis 13 zeigen
jeweils schematisch eine Vorderansicht auf einen Kommutator 14 mit
einer Kohlebürste 10.
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Bei
Inbetriebnahme einer neuen elektrischen Maschine 12 wird
eine bestimmte Einlaufzeit t für die Kohlebürste 10 benötigt,
um deren Auflagebereich 16 durch entsprechendes Einschleifen
exakt an die Lauffläche 52 des Kommutators 14 anzupassen. Hierdurch
ergibt sich ein guter Stromübergang zwischen Kohlebürste 10 und
Kommutator 14.
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Erfindungsgemäß nimmt
die Fläche des Auflagebereichs 16 der Kohlebürste 10 während
einer definierten Einlaufzeit t zu. Bei der definierten Einlaufzeit
t handelt es sich vorzugsweise um zwischen 1 und 6% der Gesamtlebensdauer
der Kohlebürste 10. Die Zunahme der Fläche
erfolgt über ein Abtragen des Auflagebereiches 16 der
Kohlebürste 10. Hieraus ergibt sich, dass die
Fläche des Auflagebereiches 16 der Kohlebürste 10 im
eingelaufenen Endzustand größer als die Fläche
des Auflagebereiches 16 der Kohlebürste 10 im
Anfangszustand ist.
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Die 2 bis 14 zeigen
hierzu einige konstruktive Umsetzungen an der Kohlebürste 10. Um
die Zunahme der Fläche des Auflagebereiches 16 während
der definierten Einlaufzeit t zu erreichen, kann beispielsweise
jeweils eine der Kanten 18, 20 und/oder der Auflagebereich 16 der
Kohlebürste 10 auf eine bestimmte Art ausgebildet
bzw. bearbeitet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der bearbeiteten
Kante um die in Drehrichtung 36 vordere Kante 20 der
Kohlebürste 10, der sogenannten „Ablaufkante"
der Kohlebürste 10. Generell kann es sich bei
der bearbeiteten Kante auch um die in Drehrichtung 36 hintere
Kante 18 der Kohlebürste 10, der sogenannten „Einlaufkante"
handeln.
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Die 2 bis 12 zeigen
jeweils eine Kohlebürste 10 deren Auflagebereich 16 in
Richtung einer Querachse 34 bzw. in Umfangsrichtung des Kommutators 14 gekrümmt
bzw. konkav ausgeführt ist. Die Krümmung entspricht
dabei im Wesentlichen dem Radius des Kommutators, d. h. der Auflagebereich 16 weist
einen Radius R auf.
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2 zeigt
beispielsweise eine Kohlebürste 10, welche an
beiden Kanten 18, 20 eine Fase 22, 24 aufweist.
Die Fase 22, 24 ist eine abgeschrägte
Fläche, die durch Bearbeiten der Kante 18, 20 entstanden
ist, wobei das Abschrägen der Kante 18, 20 als An-
oder Abfasen bezeichnet werden kann. Die Fase 22, 24 schließt
mit der Querachse 34 einen Winkel α, β ein.
Somit ergibt sich vor der erstmaligen Inbetriebnahme der elektrischen
Maschine 12 ein erster, die Fasen 22, 24 aufweisender
und den Kommutator 14 berührender Bereich 56 mit
einer ersten Bürstenbreite b1 und ein zweiter, breiterer
Bürstenbereich 58 mit einer zweiten Bürstenbreite
b2. Bei Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 12 wird
eine definierte Einlaufzeit t für die neue Kohlebürste 10 benötigt
um diese exakt an die Lauffläche 52 des Kommutators 14 anzupassen
und eine größere Kontaktfläche zu schaffen.
Während dieser Einlaufzeit t erfolgt durch Verschleiß ein
Abtragen des ersten Bereiches 56, so dass eine durch die
zweite Bürstenbreite b2 definierte Fläche des
Auflagebereiches 16 der Bürste 10 erreicht
ist. Alternativ hierzu kann die Kohlebürste 10 gemäß 3 auch
nur eine angefaste Kante 20 aufweisen.
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Ferner
kann die Kohlebürste 10 gemäß 4 eine
Kante 18 mit einer Fase 22 aufweisen, welche mindestens
zwei Bereiche 60, 62 aufweist, die unterschiedliche
Winkel α, β mit der Querachse 34 einschließen.
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Alternativ
zu einer Fase kann die Kante 20 einer Kohlebürste 10 gemäß 5 auch
eine Rundung 28 aufweisen, wobei es sich bei der abgerundeten
Kante 20 vorzugsweise um die Ablaufkante der Kohlebürste 10 handelt. 6 zeigt
eine Kohlebürste 10, die zwei abgerundete Kanten 18, 20 aufweist. 7 zeigt
eine Kohlebürste 10, bei der die Kanten 18, 20 eine
Kombination aus einer Fase 22, 24 und einer Rundung 26, 28 aufweisen.
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8 und 9 zeigen
Kohlebürsten 10, welche in einem an die Lauffläche 52 des
Kommutators 14 angrenzenden Bereich abgesetzt ausgeführt sind,
wobei die Kohlebürste 10 gemäß 8 einen Absatz 42 und
die Kohlebürste 10 gemäß 9 zwei Absätze 40, 42 aufweist.
Der Absatz 40, 42 verläuft zunächst
senkrecht zur Querachse 34 und anschließend in
Richtung der Querachse 34. Hierdurch ist der Auflagebereich 16 schmäler
ausgebildet, wobei die ursprüngliche rechteckige Form beibehalten
ist. 10 und 11 zeigen
ebenfalls Kohlebürsten 10, welche in einem an
die Lauffläche 52 des Kommutators 14 angrenzenden
Bereich abgesetzt ausgeführt sind. Hier verläuft
der Absatz 40, 42 zunächst ebenfalls
senkrecht zur Querachse 34 und geht gemäß 10 in
eine Fase 24 und gemäß 11 in eine
Rundung 26 über.
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12 zeigt
eine Kohlebürste 10, bei welcher der Auflagebereich 16 mit
einer Ausnehmung 38 versehen ist. Vorzugsweise weist die
Ausnehmung 38 die Form einer Nut auf, die sich in Axialrichtung 54 erstreckt.
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Alternativ
zu den in 2 bis 12 gezeigten
Kohlebürsten 10 mit konkaver Auflagebereich 16, zeigt 13 eine
Kohlebürste 10, deren Auflagebereich 16 im
Anfangszustand eben ausgeführt ist. Hierbei trifft also
eine ebener Auflagebereich 16 der Kohlebürste 10 im
Anfangszustand auf eine konvexe Lauffläche 52 des
Kommutators 14, wodurch sich zunächst nur eine
kleine Kontaktfläche ergibt.
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14 zeigt
eine Kohlebürste 10 mit einer Kante 18 oder 20,
die eine Fase 22, 24 mit einer unregelmäßigen
Fläche bzw. mit einer Freiformfläche aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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