DE102008044138A1 - Carbon brush for commutated electro-direct current motor, has commutator with bearing surface, where bearing surface has bearing surface radius with rib - Google Patents
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- H01R39/26—Solid sliding contacts, e.g. carbon brush
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kohlenbürste für kommutierende Elektro-Gleichstrommotoren und einen entsprechenden kommutierenden Elektro-Gleichstrommotor.The The invention relates to a carbon brush for commutating Electric DC motors and a corresponding commutating Electric DC motor.
Derartige kommutierende Elektro-Gleichstrommotoren mit Kohlenbürsten und Kommutator sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in Einrichtungen von Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel in Verstellantrieben und dergleichen, eingesetzt.such commutating electric DC motors with carbon brushes and commutator are well known and become, for example in facilities of motor vehicles, such as in adjusting drives and the like used.
Bei diesen Gleichstrommotoren werden Kohlenbürsten in Köchern geführt. Die Köcher sind Bestandteil des Grundkörpers des Bürstensystems, wobei die Kohlenbürsten über Federelemente im oder am Köcher auf den Kommutator gepresst werden, um einen physikalischen bzw. elektrischen Kontakt aufzubauen. Kohlenbürsten und Köcher sind nicht miteinander verbunden und als Einzelteile zu betrachten, zwischen welchen aus folgenden Gründen ein Toleranzsystem besteht.
- • Fertigungstoleranzen aufgrund unterschiedlicher Materialien, z. B. Grundkörper aus Kunststoff und Kohlenbürsten aus einem Verbund von Grafit, Kupfer sowie einem Bindemittel
- • Toleranzen zwischen beiden Einzelteilen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien, sowie z. B. die Wasseraufnahme von Kunststoff
- • Prozesssteuerungen
- • Manufacturing tolerances due to different materials, eg. B. body made of plastic and carbon brushes from a composite of graphite, copper and a binder
- • Tolerances between the two parts due to different thermal expansion coefficients of the different materials, and z. B. the water absorption of plastic
- • process controls
Durch den Lamellensprung am Kommutator und Formtoleranzen, z. B. Unrundheiten, im Bereich Kommutator/Welle wird die Kohlenbürste zu Schwingungen angeregt, was zusammen mit dem Federelement ein schwingungsfähiges System ergibt, dessen Eigenfrequenzen durch Federsteifigkeit, Materialeigenschaften und Anregungsamplitude bestimmt sind. Dieses schwingungsfähige System kann durch die im System Köcher/Kohlenbürste vorhandenen Toleranzen störende Geräusche verursachen. Es sind verschiedene Ansätze zur Behebung der Geräuschproblematik bekannt:
- • Kohlenbürstenmaterial und -zusammensetzung Zeigt meist nur Erfolge bei Antrieben mit einer Vorzugsdrehrichtung, nicht jedoch bei Antrieben mit Reversierbetrieb, z. B. Fensterheber. Nachteilig sind ein höherer Preis und große fertigungstechnische Streuungen der Porösität der Bürstenkohlen durch Variation der Gefügedichte.
- • Zusätzliche Tränkung Hierbei werden so genannte Additive verwendet, die als Schmierstoff eine Gleitschicht zwischen Kohlenbürste und Kommutator aufbauen und damit einen ruhigeren Lauf (Geräuschminderung um ca. 1 dB(A)) gewährleisten sollen. Diese Additive werden mittels Tränkung oder Tamponierung in die Bürstenkohle eingebracht. Dies wird oftmals in Kombination mit so genannten PTS-(Press To Size)Kohlen eingesetzt. Nachteilig zeigt sich bei einigen Materialien eine zunehmende „Verpastung” des Kommutators über dessen Lebensdauer, was die Gefahr eines Ausfalls erhöhen kann. Ein weiterer Nachteil sind der höhere Preis und die Unsicherheit in einer Verbesserung des Geräuschverhaltens.
- • Einschleifen der Kohlenbürste Das Einschleifen der Kohlen ist eine Alternative zum Tränken. Das Einschleifen wird je nach Güte der Geräuschverbesserung bzw. Kosten eingesetzt und bringt ebenfalls einen Geräuschvorteil von ca. 1 dB(A) im Vergleich zu PTS-Standardkohlenbürsten. Es tritt keine Verpastung auf, eine bestimmte geometrische Form kann der Kohlenbürste durch Einschleifen aufgeprägt werden. Beim Einschleifen wird ein maximaler Einschleifradius verwendet, der in der Regel mindestens dem doppelten des Kommutatorradius entspricht.
- • Verringerung der Toleranzen im Köcher Ein Metallwerkstoff im Köcher anstelle eines Kunststoffes verringert die Toleranzen mit dem Nachteil eines höheren Preises. Auch eine Anpassung des Herstellungsprozesses erhöht die Kosten nachteilig.
- • Carbon brush material and composition Usually shows only success in drives with a preferred direction of rotation, but not in drives with reversing operation, eg. B. windows. Disadvantages are a higher price and large production-technological variations of the porosity of the brush coals by varying the structure density.
- • Additional impregnation In this case, so-called additives are used, which build up a lubricant layer between the carbon brush and commutator as a lubricant and thus ensure a smoother running (noise reduction by approx. 1 dB (A)). These additives are introduced by impregnation or tamponation in the brush coal. This is often used in combination with so-called PTS (Press To Size) coals. A disadvantage of some materials is an increasing "pasting" of the commutator over its lifetime, which can increase the risk of failure. Another disadvantage is the higher price and the uncertainty in improving the noise behavior.
- • Grinding the carbon brush Grinding the carbon is an alternative to watering. The grinding is used depending on the quality of the noise improvement or cost and also brings a noise advantage of about 1 dB (A) compared to standard PTS brushes. There is no mess on, a certain geometric shape of the carbon brush can be impressed by grinding. When grinding, a maximum grinding radius is used, which usually corresponds to at least twice the commutator radius.
- • Reduction of quiver tolerances A metal material in the quiver instead of a plastic reduces the tolerances with the disadvantage of a higher price. Also, an adjustment of the manufacturing process increases the costs adversely.
Derzeit werden bei kommutierenden Elektro-Gleichstrommotoren Kohlenbürsten benutzt, die eine besondere Oberfläche bzw. Lauffläche, z. B. geriffelt, aufweisen. Diese besondere Oberfläche hat die Aufgabe, dass sich die Paarung Kommutator/Kohlebürste schnellstmöglich einspielt („einschleift”), um eine gute Kommutierung bzw. ein besseres Laufgeräusch zu erzielen. Es ist allgemein bekannt, für eine sensorlose Positionierung bei Elektro-Gleichstrommotoren mit bürstenbehafteter Kommutierung den Wechselstromanteil des Motorstroms zu analysieren. Bei jedem Kommutatorübergang wird durch die Stromwendung in den Spulen der Wicklung ein Strom induziert, welcher eine Veränderung des Stromlaufs bedingt. Dieses Signal wird als Stromripple bezeichnet und kann durch eine entsprechende Elektronik ausgewertet werden. Demnach entsprechen bei achtnutigen Kommutatoren acht volle Signale einer Umdrehung (gerechnet an vier Spulenpaare mit zwei Kohlenbürsten). Somit kann die Position nach einer ersten Referenzierung dauerhaft ermittelt werden. Für die Auswertung werden die Amplitude, sowie die Energieinhalte der Grund- und/oder Oberwellen des Signals verwendet. Um ein ideales Signal zu erhalten, benötigt man eine Kohlenbürstengeometrie, welche idealer Weise eine lange Kommutierungsdauer (entsprechend einer großen Bürstenüberdeckung) ermöglicht.Currently become carbon brushes in commutating electric DC motors used, which has a special surface or tread, z. B. corrugated, have. This special surface has the task of mating the commutator / carbon brush as soon as possible ("einschleift"), to a good commutation or a better running noise to achieve. It is well known for a sensorless Positioning with electric DC motors with brushed Commutation to analyze the AC component of the motor current. At each commutator transition is by the Stromwend in the coils of the winding induces a current, which is a change of the current condition. This signal is called a current ripple and can be evaluated by appropriate electronics. Thus eight eight-way commutators correspond to eight full signals one revolution (calculated on four coil pairs with two carbon brushes). Thus, the position after a first referencing permanently be determined. For the evaluation, the amplitude, as well uses the energy contents of the fundamental and / or harmonics of the signal. To get an ideal signal, you need a carbon brush geometry, which ideally a long commutation period (corresponding to a large brush cover).
Die
Patentschrift
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Kohlenbürste für einen kommutierenden Elektro-Gleichstrommotor zu verbessern.In front It is therefore the object of the present invention to provide this background underlying, a carbon brush for a commutative Electric DC motor to improve.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kohlenbürste mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen kommutierenden Elektro-Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.According to the invention this task by a carbon brush with the features of claim 1 and a commutating electric DC motor solved with the features of claim 10.
Demgemäß wird eine Kohlenbürste für einen kommutierenden Elektro-Gleichstrommotor mit einem Kommutator bereitgestellt, welcher Folgendes aufweist: zumindest eine Lauffläche; und zumindest eine auf der Lauffläche angeordnete Rippe, wobei die zumindest eine Rippe in einem Winkel zu einer Hauptachse der Lauffläche angeordnet ist.Accordingly, becomes a carbon brush for a commutating electric DC motor provided with a commutator comprising: at least one tread; and at least one on the tread arranged rib, wherein the at least one rib at an angle is arranged to a major axis of the tread.
Durch die Geometrie der Lauffläche der Kohlenbürste mit der zumindest einen Rippe in einem Winkel zu einer Hauptachse der Lauffläche wird erreicht, dass sich die Kohlenbürste im Betrieb beim Zusammenwirken mit dem Kommutator des kommutierenden Elektro-Gleichstrommotors ausrichtet und sich in ihrer Halterung, zum Beispiel einem Köcher, so verdreht, dass sie in diesem verkantet und somit die Toleranz des Systems Köcher/Bürste aufbraucht. Das Verkanten im Köcher erfolgt allerdings nur so stark, dass durch das Federelement eine Bewegung der Kohlenbürste radial zum Kommutator ohne Einschränkungen möglich ist. Damit wird gegenüber den herkömmlichen Lösungen eine bedeutende Reduktion des Geräuschverhaltens erzielt.By the geometry of the tread of the carbon brush with the at least one rib at an angle to a major axis the tread is achieved that the carbon brush in operation in cooperation with the commutator of the commutating Electric DC motor aligns and moves in its holder, for example, a quiver, so twisted that they are in this tilted and thus the tolerance of the system quiver / brush consumes. The tilting in the quiver, however, takes place only so strong that by the spring element, a movement of the carbon brush Radial to the commutator without restrictions possible is. This is compared to the conventional solutions Achieved a significant reduction in noise performance.
Der Winkel kann ein spitzer Winkel sein, vorzugsweise 5°.Of the Angle can be an acute angle, preferably 5 °.
Unter Hauptachsen der Lauffläche sind hier die zwei Achsen zu verstehen, von denen die eine parallel zur Drehachse des Kommutators und die andere rechtwinklig, d. h. tangential, dazu verläuft.Under Main axes of the tread are here the two axes too one of which is parallel to the axis of rotation of the commutator and the other at right angles, d. H. tangential, to it goes.
Die Verwendung zumindest einer Rippe auf der Lauffläche ermöglicht ein schnelles Einlaufen. Es wird eine Rillierung mit drei solcher Rippen bevorzugt, welche einen beliebigen Querschnitt besitzen können. Bevorzugt wird dabei ein dreieckförmiger Querschnitt. Dadurch wird eine punkt- oder besser linienförmige Berührung zwischen Kommutator und Kohlenbürste eingehalten. Bei drei Rippen wird auch bei herstellungsbedingten Abweichungen in der Höhe der Rippen eine möglichst gleichmäßige Auflage erzielt.The Use allows at least one rib on the tread a quick break in. There will be a groilling with three such Ribs preferred, which may have any cross-section. Preference is given to a triangular cross-section. Thereby becomes a point or better linear contact maintained between commutator and carbon brush. At three Ripping is also in production-related deviations in height the ribs as even as possible Edition achieved.
Bei einer Ausführungsform weist die zumindest eine Rippe einen Laufflächenradius auf, welcher bis zu 0,5 mm größer als der Kommutatorradius ist. Dieser kann einen Wert besitzen, welcher bis zu 0,5 mm größer als ein Kommutatorradius ist. Dabei ist der Laufflächenradius nur wenig größer als der Kommutatorradius, bevorzugt sind bis zu 0,5 mm, weiter bevorzugt ist, dass er zumindest 0,15 mm größer ist. Dadurch wird eine noch schnellere Anpassung an die Geometrie des Kommutators erreicht. Außerdem ergibt sich eine sehr große Bürstenüberdeckung, welche wie oben beschrieben einen erforderlich guten Ripplestrom ermöglicht. Es wird weiterhin eine flächigere Auflage der Kohlenbürste auf dem Kommutator erreicht als bei einer Zweipunktauflagefläche. Außerdem ist die Kohlenbürste in ihrer Bewegungsfreiheit auf der Kommutatoroberfläche durch diesen Laufflächenradius eingeschränkt, wie das zum Beispiel bei einer Einpunktauflage der Fall ist. Eine geringere Bewegung auf der Kommutatoroberfläche wiederum bedingt einen geringeren Geräuschpegel (typischerweise 1 ... 2 dB(A).at According to one embodiment, the at least one rib has a Tread radius, which up to 0.5 mm larger as the commutator radius is. This can have a value which up to 0.5 mm larger than a commutator radius is. The tread radius is only slightly larger as the commutator radius, preferred are up to 0.5 mm, more preferred is that it is at least 0.15 mm larger. Thereby will be an even faster adaptation to the geometry of the commutator reached. In addition, there is a very large Brush cover, which as described above allows a required good ripple current. It will furthermore a more extensive edition of the carbon brush achieved on the commutator than in a two-point support surface. In addition, the carbon brush is on in their freedom of movement the commutator surface through this tread radius limited, as for example in a one-point edition the case is. A smaller movement on the commutator surface again, a lower noise level (typically 1 ... 2 dB (A).
Bei einer Ausführungsform ist die zumindest eine Lauffläche mittig durch eine im Wesentlich rechtwinklig zu ihr verlaufende Aussparung in zumindest zwei Laufflächen mit jeweils zumindest einer Einzelrippe geteilt. Unter Einzelrippen sind hier die sich aus der Teilung einer Rippe ergebenen Teile gemeint.at In one embodiment, the at least one tread is centrally through a substantially perpendicular to her running Recess in at least two treads, each with at least shared a single rib. Under single ribs here are themselves meant from the division of a rib devoted parts.
Die Aussparung kann V-förmig ausgebildet sein.The Recess may be V-shaped.
Bei einer Ausführungsform ist jeweils eine der zumindest zwei Einzelrippen im Übergang in die Aussparung mit einem Außenradius versehen. Dadurch kann die Kohlenbürste besonders leicht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lamellen des Kommutators gleiten und somit zur Reduzierung des Geräuschpegels beitragen.at In one embodiment, one of each is at least two Single ribs in the transition into the recess with an outer radius Mistake. This makes the carbon brush especially light slide between two successive lamellae of the commutator and thus contribute to reducing the noise level.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass jeweils an einem Übergang eines Bodens der Aussparung zu einer jeweiligen der zumindest zwei Einzelrippen ein Innenradius angeordnet ist, welcher zur Stabilität des Kohlenmaterials in der Aussparung dient und eine Rissbildung verhindert. Durch eine Kombination mit dem oben erwähnten Laufflächenradius kann die Aussparung in ihrer Tiefe verkleinert werden, wodurch sich auch eine größere Stabilität ergibt.Farther it is preferred that in each case at a transition of a Bottom of the recess to a respective one of the at least two single ribs an inner radius is arranged, which for stability of the carbon material in the recess serves and cracking prevented. By a combination with the above Tread radius can reduce the depth of the recess which also gives greater stability results.
Ein erfindungsgemäßer kommutierender Elektro-Gleichstrommotor mit einem Kommutator weist zumindest zwei der oben beschriebenen Kohlenbürsten auf.One inventive commutating electric DC motor with a commutator exhibits at least two of the ones described above Carbon brushes on.
Die Kohlenbürsten sind besonders für kommutierende Elektro-Gleichstrommotoren geeignet, welche für reversierenden Betrieb vorgesehen sind.The Carbon brushes are especially for commuting Electric DC motors suitable for reversing Operation are provided.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the accompanying figures of the drawing closer explained. Hereby shows:
In
den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Komponenten mit gleichen
Bezugszeichen versehen, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Zur Orientierung ist ein Koordinatensystem mit x-, y- und z-Achse
in jeder Figur eingefügt. Die x-Achse verläuft
parallel zu einer Motor-/Kommutatorachse
In
Zur
Erzeugung von zwei Berührungspunkten
Die
Aussparung
Die Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.The Invention is not limited to the specified embodiment limited, but modifiable in many ways.
So
ist es zum Beispiel denkbar, dass der Köcher
- 11
- Kohlenbürstecarbon brush
- 22
- Ripperib
- 2'2 '
- Einzelrippesingle rib
- 33
- Zwischenraumgap
- 4, 4'4, 4 '
- Berührungspunktpoint of contact
- 55
- Aussparungrecess
- 66
- Motor-/KommutatorachseMotor / commutator
- 77
- Kommutatorcommutator
- 88th
- Lamellelamella
- 99
- Isolatorkörperinsulator body
- 1010
- Köcherquiver
- 1111
- Anschlussleitungconnecting cable
- 1212
- Wicklungshakenwinding hooks
- 1313
- KommutatornutKommutatornut
- 1414
- Laufflächetread
- 1515
- Erste HauptachseFirst main axis
- 1616
- Zweite HauptachseSecond main axis
- DD
- Aussparungstieferecess depth
- H1H1
- Kohlenlängecarbon length
- H2H2
- Aussparungslängerecess length
- R1R1
- Außenradiusouter radius
- R2R2
- Innenradiusinner radius
- R3R3
- LaufflächenradiusTread radius
- R4R4
- KommutatorradiusKommutatorradius
- x, y, zx, Y Z
- Koordinaten Winkelcoordinates angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 4438868 C2 [0006] - DE 4438868 C2 [0006]
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DE200810044138 DE102008044138A1 (en) | 2008-11-27 | 2008-11-27 | Carbon brush for commutated electro-direct current motor, has commutator with bearing surface, where bearing surface has bearing surface radius with rib |
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2008
- 2008-11-27 DE DE200810044138 patent/DE102008044138A1/en not_active Withdrawn
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