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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine
Kommutatormaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Mechanisch
kommutierende Kommutatormaschinen finden vielfach in Kraftfahrzeugen
Verwendung. So werden beispielsweise zum Starten von Brennkraftmaschinen
in Fahrzeugen leistungsstarke Gleichstrommotoren eingesetzt. Der
Strom gelangt dabei über
eine oder mehrere Bürstenpaare auf
einen Kommutator und von dort in die Ankerwicklung der Maschine.
Die so genannten Kohlebürsten bestehen
dabei meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer-
und Graphitanteile enthält.
Diese Kohlebürsten
sowie der Kommutator unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei
sind Starter typischerweise für
einen kurzzeitigen Betrieb mit 30 000 bis 60 000 Schaltzyklen ausgelegt.
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Zur
Einsparung von Kraftstoff werden in jüngerer Zeit zunehmend Starter
für höhere Lasten
und für
längere
Laufzeiten, wie zum Beispiel für
einen Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine benötigt. Dabei
ist es wichtig, dass für
eine hohe Lebensdauer der Kohlebürsten
die Schmierung und Reinigung an der Lauffläche des Kommutators optimal
abgestimmt wird. Aufgrund der langen Laufzeiten der Bürsten muss
das abgetragene Bürstenmaterial
und auch der überschüssige Gleitfilm
auf dem Kommutator wieder beseitigt werden. Um eine gute Reinigung der
Oberfläche
des Kommutators zu erzielen, werden in die Kohlebürsten unterschiedliche
Substanzen eingemischt, die dafür
sorgen, dass die Oberfläche des
Kommutators einen möglichst
gleich bleibend sauberen und gleichzeitig auch schmierenden Belag besitzt.
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In
bekannter Weise werden hierfür
die Kohlebürsten
mit einem bestimmten Anteil von Putzmitteln als Zusatzstoff versetzt.
Das sorgt für
ein gewisses Maß an
konstanter Reinigung der Oberflächen, jedoch
verbunden mit einem bestimmten Verschleiß der Kohlebürsten, der
mit steigendem Anteil von Putzmitteln entsprechend zunimmt. Durch
eine homogene Verteilung des Putzmittels in allen Kohlebürsten der
Maschine wirkt bei gleichem Kohleanpressdruck das Putzmittel an
allen Kohlebürsten gleichmäßig.
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Um
bei höheren
Schaltzyklen eine entsprechend längere
Lebensdauer der Kohlebürsten
zu gewährleisten,
muss durch eine möglichst
gute Abstimmung von Schmierung und Reinigung des Kommutators das
Verschleißverhalten
der Kohlebürsten
optimiert werden. Dabei ist es bekannt, die Kohlebürsten mit
mindestens zwei Schichtabschnitten zu versehen, die über die
Höhe und
Breite der Kohlebürsten hinweg
bis zu ihrer Lauffläche
reichen. Ein Schichtabschnitt ist dabei zur Verbesserung der Stromkommutierung
mit einem höheren
Graphitanteil und ein anderer Schichtabschnitt als Leistungsschicht
zur Stromführung
mit einem höheren
Kupferanteil versehen. Ferner ist bereits vorgeschlagen worden,
dass die Kohlebürsten
einen Putzmittelabschnitt in mindestens einem der vorerwähnten Schichtabschnitt aufweist,
dessen Putzmittelanteil höher
als im anderen Schichtabschnitt der Kohlebürsten ist. Da auch hier alle
Kohlebürsten
des Gleichstrommotors gleich aufgebaut sind, summiert sich demzufolge
auch die Wirkung der verschiedenen Beimischungen. Daher lassen sich
die verschiedenen Parameter wie Verschleiß, Schmierung, Kommutierung
und dergleichen nur relativ grob einstellen.
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Mit
der vorliegenden Lösung
wird angestrebt, einen oder mehrere der vorgenannten Parameter an
den Kohlebürsten
wesentlich genauer einzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Maschine
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass der Zusatzstoff für
einen am gesamten Kommutator wirksamen Parameter wie Schmierung
oder Reinigung nicht mehr in alle Kohlebürsten gleichmäßig verteilt,
sondern in nur einer Kohlebürste
oder nur in wenigen Kohlebürsten
der Maschine konzentriert wird. Auf diese Weise ist es möglich, für eine grobe
Einstellung des entsprechenden Parameters zunächst alle übrigen Kohlebürsten mit
einer gleichgroßen
Konzentration des Zusatzstoffes zu versehen und zur Feineinstellung
des Parameters in einer Kohlebürste
die Konzentration signifikant zu erhöhen beziehungsweise zu verringern.
Da in entsprechender Weise verschiedene Zusatzstoffe unabhängig voneinander
in den Kohlebürsten
fein dosiert werden können,
ergibt sich als weiterer Vorteil ein gleichmäßiger Verschleiß an allen
Kohlebürsten
und eine deutliche Steigerung der Schaltzyklenzahl an einem Startermotor.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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So
ist eine Optimierung der Feinabstimmung zur Einstellung eines Kohlebürsten-Parameters dadurch
zu erreichen, dass der Anteil des Zusatzstoffes in der zumindest
einen Kohlebürste
relativ mindestens 10 Prozent höher
als in den übrigen
Kohlebürsten
ist. Zweckmäßigerweise
ist ferner der abweichende Anteil des Zusatzstoffes nur in einem
Schichtabschnitt der Kohlebürste
eingebracht, wobei alle Kohlebürsten
der Maschine zwei oder mehrere Schichten aufweisen. In vorteilhafter
Weise reicht dabei der Schichtabschnitt über die Höhe und Breite der Kohlebürste hinweg
bis zu ihrer Lauffläche.
Vorwiegend ist dabei der Zusatzstoff ein Putzmittel zum Reinigen
der Kommutator-Oberfläche.
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Da
mit zunehmendem Abrieb der Kohlebürsten der von den Bürstenfedern
erzeugte Anpressdruck am Kommutator abnimmt, ist es in Ausgestaltung
der Erfindung vorteilhaft, dass sich der Anteil des Zusatzstoffes
von der Lauffläche
der Kohlebürste zur
Anschlusslitze hin verändert,
vorzugsweise als Putzmittel-Anteil zunimmt. In Weiterbildung der
Erfindung ist es ferner zweckmäßig, dass
mindestens eine der Kohlebürsten
der Maschine mit einem signifikant von den übrigen Kohlebürsten abweichenden Anteil
eines weiteren Zusatzstoffes versehen ist. In zweckmäßiger Weise
ist dabei der weitere Zusatzstoff ein Sechmiermittel. Des Weiteren
ist es zur optimierten Parametereinstellung vorteilhaft, wenn eine oder
ein Teil der Kohlebürsten
einen höheren
Anteil des eines Zusatzstoffes, vorzugsweise eines Putzmittels,
und eine andere oder ein anderer Teil der Kohlebürsten einen höheren Anteil
des zweiten Zusatzstoffes, vorzugsweise eines Schmiermittels hat. Alternativ
dazu ist es aber ebenso möglich,
bei der Verwendung von Kohlebürsten
mit in Umlaufrichtung des Kommutators mehreren Schichtabschnitten
den einen Zusatzstoff in einen der Schichtabschnitte und den anderen
Zusatzstoff in einem anderen Schichtabschnitt einzubringen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Einzelheiten
der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 zeigt
einen Kommutatormotor im Querschnitt im Kommutatorbereich,
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2a und 2b zeigen
eine Kohlebürste mit
und eine ohne Zusatzstoff,
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3a und 3b zeigen
eine Kohlebürste mit
zwei Schichtabschnitten ohne und mit Zusatzstoffen,
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4 zeigt
die vier Kohlebürsten
eines Motors mit einem Zusatzstoff in einem Schichtabschnitt einer
Kohlebürste,
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5 zeigt
vier Kohlebürsten
eines Motors mit einem ersten Zusatzstoff in einer ersten Kohlebürste und
einem zweiten Zusatzstoff in einer zweiten Kohlebürste und
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6 zeigt
eine Alternativeausführung
für einen
Motor mit sechs Kohlebürsten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
ein Startermotor mit 10 bezeichnet, der als Kommutatormaschine
in seinem Querschnitt am kommutatorseitigen Ende dargestellt ist. Der
Startermotor 10 dient zum Andrehen von Brennkraftmaschinen
in Kraftfahrzeugen, welche z. B. mit einer Start-Stopp-Anlage ausgestattet sind. Er hat ein
Polgehäuse 11,
dass an seinem Innenumfang sechs nicht erkennbare, permanent magnetische Pole
aufweist, die mit einem nicht dargestellten Läufer zusammen wirken. Am hinteren
Ende trägt
der Läufer
auf seiner Läuferwelle 12 einen
Kommutator 13 zur Stromversorgung der Läuferwicklungen. Dazu ist der
Kommutator 13 an seinem Umfang mit Lamellen 20 versehen,
welche mit vier Kohlebürsten 14 zusammen
wirken. Die Kohlebürsten 14 sind
jeweils mit einer Bürstenfeder 15 in
einer Bürstenfassung 16 axial
verschiebbar aufgenommen und werden mit ihrer Lauffläche 21 gegen
den Kommutator gedrückt.
Die vier Bürstenfassungen
sind an einer Bürstenplatte 17 aufgenommen,
die ihrerseits stirnseitig am hinteren Ende des Startermotors 10 befestigt
ist und über
das Polgehäuse 11 auf
Masse liegt. Die Kohlebürsten 14 sind
jeweils an ihrem hinteren Abschnitt mit einer Anschlusslitze 18 versehen.
Die Kohlebürsten 14 bilden zwei
Plus- und zwei Minus-Kohlebürsten.
Die beiden Plus-Kohlebürsten 14 sind über ihre
Anschlusslitzen 18 mit einer Plus-Klemme 19 kontaktiert
und die Minus-Kohlebürsten
sind über
ihre Anschlusslitzen 18 an einem Blechstreifen 17a der
Bürstenplatte 17 angeschweißt und liegen
damit auf Masse.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
nach 1 haben drei der vier Kohlebürsten 14 eine durchgehend
gleiche Materialzusammensetzung. Sie bestehen aus einem Sinterwerkstoff,
der hauptsächlich Kupfer-
und Graphitanteile enthält.
Kupfer dient dabei einer besseren elektrischen Leitfähigkeit
und Graphit dient zur besseren Kommutierung an den Kommutatorlamellen 20.
In 2a ist eine dieser drei Bürsten dargestellt. Das Bürstenmaterial
enthält außerdem noch
weitere Zusatzstoffe wie Putzmittel und Schmierstoffe in geringer
Konzentration. Diese Materialzusammensetzung der drei Kohlebürsten 14 ist
in 2a mit A' bezeichnet.
Die Schmierstoffe in den Kohlebürsten 14 bilden
dabei an der Oberfläche des
Kommutators 13 einen Gleitfilm, der den mechanischen Abrieb
der Kohlebürsten 14 verringert.
Dennoch wird die Kommutatoroberfläche durch das abgetragene Bürstenmaterial
zunehmend verschmutzt, wenn sie nicht ständig oder in Intervallen gereinigt wird.
Mit einem höheren
Putzmittelanteil in allen Kohlebürsten 14 würde jedoch
auch der Bürstenabrieb verstärkt, und
damit die Lebensdauer der Kohlebürsten 14 verringert.
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Zur
Erzielung einer möglichst
hohen und gleich langen Lebensdauer aller Kohlebürsten 14 wird nunmehr
das Reinigungsverhalten dadurch optimiert, dass an der vierten Kohlebürste 14a eine
gezielte Feineinstellung der Putzwirkung erfolgt, indem hier der
Putzmittelanteil relativ um mindestens 10 Prozent gegenüber den übrigen Kohlebürsten 14 erhöht wird.
In 2b ist die Kohlebürste 14a mit der anderen
Materialzusammensetzung A'a
dargestellt. Während
der Putzmittelanteil im Material A' der drei Kohlebürsten gemäß 2a etwa
0,5% beträgt,
ist er im Material A'a
der vierten Kohlebürste 14a gemäß 2b mit
0,7% signifikant erhöht.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
nach 3a und 3b sind
die Kohlebürsten 14 in
bekannter Weise in Umlaufrichtung des Kommutators 13 in
zwei Schichtabschnitten A und B unterteilt. Der auflaufende erste
Schichtabschnitt A ist hier mit einem erhöhten Kupferanteil zur besseren
Stromführung
versehen und der zweite, ablaufende Schichtabschnitt B enthält zur optimalen
Kommutierung einen höheren
Graphitanteil. Das Material im Schichtabschnitt A ist außerdem mit
einem geringen Anteil eines Putzmittels und das Material des Schichtabschnittes
B ist mit einem geringen Anteil eines Schmiermittels versehen.
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Um
das Verschleißverhalten
einerseits und das Reinigungsverhalten andererseits an den Kohlebürsten 14 unabhängig voneinander
optimal einzustellen, wird gemäß 3b die
vierte Kohlebürste 14a derart
verändert,
dass in ihrem ersten Schichtabschnitt Aa der Putzmittelanteil gegenüber den übrigen Kohlebürsten 14 deutlich
erhöht
wird und dass in dem zweiten Schichtabschnitt Bb der Schmiermittelanteil
gegenüber
den übrigen
Kohlebürsten 14 deutlich
erhöht
wird. Bei dieser Lösung
ist somit im ersten Schichtabschnitt ein erster Zusatzstoff und
im zweiten Schichtabschnitt ein zweiter Zusatzstoff in deutlich
höherer
Konzentration als in den übrigen
Kohlebürsten 14 enthalten.
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In 4 sind
in einem dritten Ausführungsbeispiel
ebenfalls vier Kohlebürsten 14 mit
je zwei Schichtabschnitten A und B für einen Startermotor nach 1 dargestellt.
Während
die Materialzusammensetzung in den Schichtabschnitten B aller Bürsten gleich
ist, ist lediglich im Schichtabschnitt Aa der vierten Kohlebürste 14a der
Putzmittelanteil gegenüber
dem der Schichtabschnitte A der übrigen
Kohlebürsten 14 signifikant
erhöht.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 5 sind zwar ebenfalls alle Kohlebürsten mit
zwei Schichtabschnitten A und B versehen. Dort haben jedoch nur die
beiden ersten Kohlebürsten 14 eine
gleiche Materialzusammensetzung. Die Kohlebürste 14a hat hier
in ihrem Schichtabschnitt Aa einen erhöhten Putzmittelanteil und die
Kohlebürste 14b hat
dem gegenüber
lediglich im Schichtabschnitt Bb einen erhöhten Schmiermittelanteil. Da
mit zunehmender Lebensdauer durch den Verschleiß die Kohlebürsten 14 immer
kürzer
werden, nimmt ihr Anpressdruck am Kommutator 13 aufgrund
des längeren
Federweges der Bürstenfedern 15 stetig
ab. Um eine ausreichende Reinigung der Kommutatorlauffläche auch
dann noch zu gewährleisten,
nimmt an der Kohlebürste 14a der
Putzmittelanteil im Schichtabschnitt Aa von der Lauffläche 21 der
Kohlebürste
zur Anschlusslitze hin zu. Alternativ oder gleichzeitig wäre es auch
möglich,
aufgrund der abnehmenden Andruckkraft an den Kohlebürsten das
Schmiermittel im Schichtabschnitt Bb der Kohlebürste 14b von der Lauffläche her
zur Anschlusslitze hin abnehmen zu lassen.
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Bei
dem sechspoligen Startermotor 10 nach 1 sind
die Plus- und Minus-Kohlebürsten 14 jeweils
um 60° zueinander
versetzt. Dadurch verbleibt zwischen den beiden Plus-Bürsten und
den beiden Minus-Bürsten
jeweils ein Winkel von 120°.
Bei leistungsstarken sechspoligen Maschinen werden dagegen sechs
Kohlebürsten 14 verwendet,
die um jeweils 60° zueinander
versetzt sind. Auch hierfür
lässt sich
die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft
anwenden. 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel
die sechs Kohlebürsten
einer solchen Maschine mit jeweils zwei Schichtabschnitten A und
B. Während
vier dieser sechs Kohlebürsten 14 in
ihrer Stoffzusammensetzung gleich sind, haben die zwei verbleibenden
Kohlebürsten 14a eine
andere Stoffzusammensetzung. So ist im Schichtabschnitt Aa der beiden
Kohlebürsten 14a ein
erhöhter
Putzmittelanteil und im Schichtabschnitt Bb jeweils ein erhöhter Schmiermittelanteil
eingebracht. Die Feineinstellung der Parameter Reinigen und Gleiten
erfolgt hier also über
zwei Kohlebürsten 14a.
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Diese
Lösung
lässt sich
prinzipiell auch auf eine elektrische Maschine mit vier Kohlebürsten übertragen,
was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die beiden Plus-Kohlebürsten gegenüber den Minus-Kohlebürsten unterschiedliche,
drehrichtungsabhängige
Kommutierungsverhalten haben. Neben einer Feinjustierung können folglich
auf diese Weise auch noch Kommutierungsunterschiede ausgeglichen
werden. Bei einer solchen Lösung
wird zweckmäßiger Weise
ein erster Teil 14a der Kohlebürsten 14 mit einem
höheren
Anteil des einen Zusatzstoffes und ein weiterer Teil 14b der
Kohlebürsten 14 mit
einem höheren
Anteil eines anderen Zusatzstoffes versehen.
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Alternativ
können
die Kohlebürsten 14 auch mit
einem dritten Schichtabschnitt C versehen sein, wie dies an der
linken Kohlebürste 14 in 6 gestrichelt
dargestellt ist. Diese Schicht C kann weitere Zusatzstoffe oder
keinerlei Zusatzstoffe enthalten.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So
ist es möglich den
jeweiligen Zusatzstoff jeweils nur in den ausgewählten Kohlebürsten 14a, 14b beziehungsweise
in eine ihrer Schichtabschnitte Aa, Bb zu konzentrieren und den
Zusatzstoff in den übrigen
Kohlebürsten 14 wegzulassen.
Ebenso ist es möglich,
bei Bürsten
mit mehreren Schichtabschnitten in den ausgewählten Kohlebürsten 14a, 14b einen
Zusatzstoff in beiden Schichtabschnitten Aa und Bb der Kohlebürste 14a mit
erhöhtem
Anteil einzubringen. Ferner ist es möglich, bei Kohlebürsten mit
drei Schichtabschnitten die ausgewählten Kohlebürsten mit
drei verschiedenen Zusatzstoffen höher zu dosieren. Grundsätzlich kann anstelle
einer höheren
Dosierung der Anteil eines Zusatzstoffes in den ausgewählten Kohlebürsten auch signifikant
kleiner sein als in den übrigen
Kohlebürsten.
Aufgrund der über
die Lebensdauer abnehmenden Andruckkraft der Kohlebürsten am
Kommutator ist es auch im Rahmen der Erfindung möglich, den jeweiligen Zusatzstoff
nicht über
die gesamte Höhe
der Kohlebürste
sondern nur über
einen unteren Teil der Höhe
einzubringen.
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Als
Putzmittel werden üblicherweise
natürliche
Asche oder Aluminiumoxid verwendet. Als Schmiermittel wird z. B.
Molypdändisulfid
verwendet. Die Erfindung ist auch nicht nur an Startermotoren für Kraftfahrzeuge
zur Erzielung einer längeren
Lebensdauer einsetzbar, sondern ebenso gut an Kommutatormaschinen
für andere
Einsatzgebiete.