DE102007058738A1

DE102007058738A1 - Gleichstrommaschine mit stromgesteuertem Anpressdruck der Kohlebürste

Info

Publication number: DE102007058738A1
Application number: DE200710058738
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck; Richard Verdezki
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Eine Gleichstrommaschine ist mit einem Anker (1) versehen, an welchem im Ruhezustand mindestens eine Kohlebürste (9) unter dem Druck einer in eine vorgegebene Richtung (11) drückenden Feder (23) anliegt. Es ist eine Vorrichtung (19, 21) vorgesehen, die im Betriebszustand den Druck der Feder (23) in Abhängigkeit des Stromflusses durch die Kohlebürste (9) durch Bereitstellen eines Zusatzdrucks auf die Kohlebürste (9) ergänzt. Die Vorrichtung zur Erhöhung des Drucks ist z. B. ein in die vorgegebene Richtung frei beweglicher Magnetkern (19), der mit der Kohlebürste (9) kraftschlüssig verbunden ist und um welchen eine Spule angeordnet ist, die von dem durch die Kohlebürste (9) übertragenen Strom durchflossen wird. Es ergibt sich der Vorteil, dass Bürsten (9) aus hartem Kohlematerial mit hoher Standzeit eingesetzt werden können, ohne dass diese bei Unterlast auf dem Anker aufsitzen und abraspeln, Riefen bilden etc.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine mit einem Anker an welchen im Ruhezustand mindestens eine Kohlebürste unter dem Druck einer in eine vorgegebene Richtung drückenden Feder anliegt.
Solche Gleichstrommaschinen sind sattsam bekannt. Es sind Maschinen mit unterschiedlicher Anzahl an Kohlebürsten bekannt, wie z. B. 2 oder 4 polige Motoren mit entsprechend 2 oder mehr Kohlebürsten. Am äußeren Umfang des Ankers einer solchen Maschine sind metallische Lamellen vorgesehen, die während des Betriebs des Motors den Strom aufnehmen, der über die Kohlebürsten angeboten wird. Die Kohlebürsten selber sind jeweils in einem Bürstenhalter verschiebbar angeordnet. Die Kohlebürsten sind in der Regel stift- oder quaderartig ausgebildet. Auf der den Lammellen abgewandten Stirnseite der Kohlebürste greift eine Federkraft an, um die Bürste gegen die Lammellen zu drücken. Die Kohlebürsten sind nach Typ, Material und Abmessungen auf den maximalen Strom auszulegen, der vom Motor bezogen werden kann.
Die Federkraft ist im Rahmen der Bauart der Feder konstant und der Anpressdruck entsprechend ebenso. Im Betrieb der Gleichstrommaschine wird zwischen den Lammellen und der Kohlebürste ein Schmierfilm, die sogenannte Patina aufgebaut. Sie ist eine Art Plasma, welches entsteht, wenn der Strom durch den minimalen Luftspalt fließt, der beim Rotieren des Ankers vorliegt.
Die Generation der Patina führt zu folgenden Überlegungen bei der Wahl der Kohlebürste. Nimmt man eine harte Kohlebürste, so hat man im normalen Betreib, wenn der Stromfluss in Kombination mit der Drehbewegung eine ausreichende Patina bereitstellen ein hohe Standzeit der Bürsten. Bei einem unterlastigen Betrieb des Motors verursacht die harte Kohle aufgrund des vorliegenden Anpressdrucks eine Art Abraspeln oder Abreiben der Kohlenbürste, da sie auf dem Kommutator aufgrund der mangelnden Patina aufsitzt und reibt. Dieses kann auch zur Riefenbildung in den Lammellen des Ankers führen. Im Ergebnis stellt sich ein hoher Verschleiß ein, der ein häufiges Wechseln der Kohlebürste erfordert.
Wählt man andererseits eine weiche Kohle für die Bürste, so kann man die genannten negativen Effekte mildern allerdings zu Lasten einer nur geringen Standzeit der Bürste wegen des hohen Verschleißes der weichen Kohle.
Ausgehend von diesen Überlegungen, hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, den Einsatz einer harten Kohlebürste zu ermöglichen, ohne den Nachteil des Abriebs bei Unterlast in Kauf zu nehmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, die im Betriebszustand den Druck auf die Kohlebürste in Abhängigkeit des Stromflusses durch die Kohlebürste erhöht.
Diese Maßnahme sieht vor, dass im Stillstand der Maschine, beim Anfahren und bei langsamem Lauf (Unterlast) nur ein geringer Anpressdruck der Kohlebürste eingestellt ist. Im Normalbetrieb und während der Zwischenzustände wird der Anpressdruck entsprechend erhöht, so dass immer ein optimaler Wert vorliegt, der den Verschleiß und die technische Anforderung an den Druck ausbalanciert. Die Kohlebürsten werden also stromabgängig angehoben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung zur Steuerung des Drucks einen in die vorgegebene Richtung frei beweglichen Magnetkern umfasst, der mit der Kohlebürste kraftschlüssig verbunden ist. Durch diese Maßnahme wird ein einfaches Mittel bereitgestellt, den Anpressdruck auf die Kohlebürste kontinuierlich dosierend einzustellen. Der Magnetkern ist von einer oder mehreren Windungen umwickelt, die bei Stromdurchfluss den Kern in Richtung des Anpressdrucks drücken. Bei einer Erhöhung der Stromstärke wird der Druck größer und bei einer Verringerung wieder entsprechend geringer.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn um den Magnetkern eine Spule angeordnet ist, die von dem durch die Kohlebürste übertragenen Strom durchflossen wird. Dadurch wird keine eigene Regel- oder Steuereinheit nötig, die den Strom auf einen Wert bringt, der für den aktuellen Betreib der Maschine wünschenswert ist. Die Form des Magnet- oder Eisenkern, z. B. als Konus, Kegelstumpf, Zylinder, Quader etc., und die Anzahl und der Durchmesser der Wicklungen, so wie die Wahl des magnetisierbaren Materials können so aufeinander abgestimmt werden, dass der aktuell vorliegende Maschinenstrom selber immer für einen optimalen Anpressdruck sorgt.
Die Auslegung der Stromstärken durch die Wicklung sollte so sein, dass der im Ruhezustand anliegende Druck der minimale Druck ist, der beim Anlaufen der Maschine mit dem Anlaufstrom erforderlich ist. Dies kann beispielsweise auch der Stromwert Null sein, wenn die Federkraft so bemessen ist, dass sie gerade diesen minimalen Druck aufbringt. Der im Grenzlastbetrieb gezogene Strom muss dann den maximal erforderlichen Anpressdruck der Kohlebürste aufbringen. Dieser muss entsprechend hoch sein, um die dickere Patinaschicht so zusammen zu drücken, dass sich noch ein sicherer Stromfluss einstellt. Durch den dosierten Anpressdruck wird also eine stromabhängige Anhebung der Kohlebürste erreicht.
Es ist auch eine Steuerung des Wicklungsstroms mittels einer externen Stromquelle unabhängig vom Motorstrom sinnvoll. Dann wird an die Vorrichtung zur Steuerung eine Regeleinheit angeschlossen, die den Strom in der Wicklung steuert, die um den Magnetkern gewickelt ist. Dabei sind beliebige Kennlinien für den Zusammenhang Anpressdruck – Stromstärke einstellbar.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein Schnittbild durch den Anker einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine.
In der Figur ist mit (1) ein Anker bezeichnet, auf dessen Umfang eine Anzahl von Lammellen (3) aufgebracht ist. Der Anker rotiert um eine Achse (5), die senkrecht in die Blattebene verläuft. Rechts und links ist je ein Bürstenhalter (7) vorgesehen, auf dessen Ausgestaltung und Befestigung nicht näher eingegangen wird. Sie sind in Fachkreisen bekannt.
In jedem Bürstenhalter (7) ist eine Kohlebürste (9) vorgesehen, die gleitend entlang einer durch einen Doppelpfeil (11) angedeuteten vorgegebenen Richtung verschiebbar ist. An die beiden Bürsten (9) ist jeweils das erste Ende einer elektrischen Zuleitung (13a, 13b) angeschlossen, die mit ihrem anderen Ende zu dem Plus bzw. Minuspol einer Gleich spannungsquelle (15) geführt sind. So liegt zwischen den Bürsten (9) eine Gleichspannung an, die für den Antrieb des Ankers sorgt.
Die freie, also nicht den Lammellen (3) zugewandte Stirnseite (17) der Bürsten (9) ist mit einem Magnetkern (19) verbunden, der im Ausführungsbeispiel zylindrisch ist. Die Verbindung kann fest sein, also eine Verklebung, eine Klemmverbindung, eine Gelenkverbindung etc. sein oder aber anstelle der Verbindung kann ein loser möglicherweise geführter Kontakt gewählt werden, indem eine Stirnseite des Magnetkern (19) an der Stirnseite (17) der Kohlebürste (9) locker anliegt. In diesem Fall ist dann eine eigene Führung für den Magnetkern (19) erforderlich.
Um den Magnetkern (19) herum sind jeweils sechs Windungen (21) der Zuleitung (13a bzw. 13b) gewunden, die so eine Wicklung um den Magnetkern (9) bilden. Die Anzahl der Windungen (21), die Form und der Durchmesser des zylindrischen Magnetkerns (19) sind so an die von der Maschine (1) benötigten Leistung angepasst, dass in jedem Betriebszustand des Motors (1) ein ausreichender Anpressdruck der Kohlebürsten (9) an die Lammellen (3) vorliegt.
Für den minimal erforderlichen Anpressdrucks P beim Anlaufen des Gleichstrommotors (1) sorgt eine Druckfeder (23), die an der freien Stirnseite des Magnetkerns (19) anliegt. Die Feder (23) drückt auf den Magnetkern (19), der wiederum auf die Kohlenbürste (9) drückt, welche auf die Lammellen (3) drückt. Im Betrieb des Motors (1) wird dieser Druck erhöht über die vom Magnetkern aufgebrachte Kraft auf die Stirnseite (17) der Bürste (9). Die Druckfeder (23) ist als Spiralfeder gezeichnet, steht dabei aber symbolisch für alle möglichen Typen von Federn und Federanordnungen, wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Funktion (Kraftausübung auf eine Kommutatorbürste) allgemein bekannt sind.
Ein in Bezug auf den Verschleiß der Bürste (9) optimaler Zusammenhang zwischen Anpressdruck und Betriebszustand, also Stromstärke, kann über die Form des Magnetkerns (9) (z. B. achteckig, rund, kegelförmig etc.) bewirkt werden. Dabei kann der Verlauf der Form des Magnetkerns (9) entlang des Bereichs der Wicklung (21) unterschiedlich sein. Der Kern kann also z. B. einen Konus darstellen, dessen schlankes Ende bei hohen Strömen zuerst den Bereich der Wicklungen (21) verlässt.

1: Anker
3: Lamelle
5: Drehachse
7: Bürstenhalter
9: Kohlebürste
11: Doppelpfeil
13: Zuleitung
15: Gleichstromquelle
17: freie Stirnseite
19: Magnetkern
21: Wicklungen
23: Druckfeder

Claims

Gleichstrommaschine mit einem Anker (1), an welchen im Ruhezustand mindestens eine Kohlebürste (9) unter dem Druck einer in eine vorgegebene Richtung (11) drückenden Feder (23) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (19, 21) vorgesehen ist, die im Betriebszustand den Druck auf die Kohlebürste (9) in Abhängigkeit des Stromflusses durch die Kohlebürste (9) erhöht.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Steuerung des Drucks einen in die vorgegebene Richtung (11) frei beweglichen Magnetkern (19) umfasst, der mit der Kohlebürste (9) kraftschlüssig verbunden ist.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass um den Magnetkern eine Spule angeordnet ist, die von dem durch die Kohlebürste übertragenen Strom durchflossen wird.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Ruhezustand anliegende Druck der minimale Druck ist, der beim Anlaufen der Maschine mit dem Anlaufstrom erforderlich ist.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Grenzlastbetrieb gezogene Strom den dann erforderlichen maximalen Anpressdruck der Kohlebürste aufbringt.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Vorrichtung zur Steuerung eine Regeleinheit angeschlossen ist, die den Strom in einer Wicklung steuert, die um den Magnetkern gewickelt ist.