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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor. Der Elektromotor weist einen
Anker und einen mit dem Anker verbundenen Kommutator auf. Der Elektromotor
weist auch wenigstens zwei Bürsten auf. Der Kommutator
weist wenigstens zwei Kontakte zum elektrischen Kontaktieren der
Bürsten auf.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren besteht oftmals
das Problem, dass die zum elektrischen Kontaktieren des Kommutators vorgesehenen
Bürsten verschleißen und der Verschleiß der
Bürsten nicht rechtzeitig erkannt wird. Bei den aus dem
Stand der Technik bekannten Elektromotoren wurde das Problem derart
gelöst, dass eine Bestromung des Kommutators durch die
Bürsten bei einer vorbestimmten Verschleißgrenze
der Bürsten abgeschaltet werden kann. Dann ist der Elektromotor nachteilig
nicht mehr betriebsbereit.
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Aus
der
DE 10 2005
060 324 A1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem ein Verschleiß der
Bürsten in Abhängigkeit einer Motorspannung erfasst
werden kann und bei dem die Bürsten eine zueinander verschiedene
Länge aufweisen.
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Erfindungsgemäß weisen
die Bürsten bei dem Elektromotor der eingangsgenannten
Art jeweils eine zum elektrischen Kontaktieren des Kommutators ausgebildete
Kontaktfläche auf. Die Kontaktfläche weist eine
in Umfangsrichtung des Kommutators verlaufende Abmessung auf, welche
sich bei einem Verschleiß der Bürsten entlang
einer Bürstenlängsrichtung wenigstens auf einem
Bürstenlängsabschnitt ändert. Der Elektromotor
weist eine Verschleißerfassungseinheit auf, welche ausgebildet
ist, den Verschleiß der Bürsten in Abhängigkeit
von der Abmessung zu erfassen.
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Durch
die Verschleißerfassungseinheit in Verbindung mit der vorbeschriebenen,
besonderen Ausbildung der Bürsten, insbesondere einem sich
in Bürstenlängsrichtung verjüngenden
Längsschnitt, kann ein Verschleiß der Bürsten
vorteilhaft während eines Betriebs des Elektromotors erfasst
werden. So kann beispielsweise die Verschleißerfassungseinheit ausgebildet
sein, in Abhängigkeit von einem erfassten Verschleiß ein
insbesondere optisches und/oder akustisches Warnsignal zu erzeugen
und dieses ausgangsseitig auszugeben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschleißerfassungseinheit
ausgebildet, eine Verbindungszeit zu erfassen, während
der wenigstens zwei in Kommutator-Umfangsrichtung aufeinanderfolgende
Kontakte des Kommutators durch wenigstens eine der Bürsten
elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verschleißerfassungseinheit
ist weiter ausgebildet, die Abmessung der Kontaktfläche
in Abhängigkeit der Verbindungszeit zu ermitteln.
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Durch
die Ermittlung der Verbindungszeit kann vorteilhaft – bei
bekannter Drehzahl eines Ankers des Elektromotors – während
des Betriebs des Elektromotors eine zunehmende, abnehmende oder eine
kontaktverbindende Überlappung wenigstens zwei aufeinanderfolgender
Kontakte durch die Bürste erfasst werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform des Elektromotors ist
die Verschleißerfassungseinheit ausgebildet, eine elektrische
Impedanz, insbesondere komplexe Impedanz in Abhängigkeit
von einer Frequenz, oder bei einer vorbestimmten Frequenz oder bei
mehreren zueinander verschiedenen Frequenzen, zwischen den Bürsten
zu erfassen und den Verschleiß der Bürsten in
Abhängigkeit der Impedanz zu ermitteln. Durch das Erfassen
der Impedanz kann die Kontrasterfassungseinheit vorteilhaft die
Kontaktfläche der Bürsten erfassen, welche den
Kommutator kontaktiert. So kann die Verschleißerfassungseinheit beispielsweise
wenigstens einen vorbestimmten Impedanzwert vorrätighalten,
und den erfassten Impedanzwert mit dem – beispielsweise
in einem Speicher vorrätiggehaltenen – vorbestimmten
Impedanzwert vergleichen und in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses
das Warnsignal erzeugen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Verschleißerfassungseinheit
einen Fouriertransformator auf, welcher ausgebildet ist, einen Frequenzgehalt
eines – insbesondere während eines Zeitabschnitts – über
die Bürsten fließenden Stromes zu erfassen. Die
Verschleißerfassungseinheit ist ausgebildet, den Verschleiß in
Abhängigkeit des Frequenzgehalts zu ermitteln. Durch den
Fouriertransformator kann vorteilhaft indirekt auf einen Verschleiß der
Bürsten geschlossen werden, weil ein zeitlicher Stromverlauf
eines durch die Bürsten fließenden Stromes – und
damit auch ein Frequenzgehalt des Stromes – sich mit der
zunehmenden und/oder abnehmenden Kontaktfläche ändert,
mit der die Bürste den Kommutator kontaktiert.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Bürste, insbesondere Kohlebürste,
für einen Elektromotor, insbesondere für einen
Elektromotor gemäß der vorbeschriebenen Art. Die
Bürste weist eine zum elektrischen Kontaktieren eines Kommutators
des Elektromotors ausgebildete Kontaktfläche auf, wobei
ein zum elektrischen Kontaktieren des Kommutators ausgebildetes
Material der Bürste, bevorzugt Kohlenstoff aufweisend,
eine sich in Bürstenlängsrichtung verjüngende
Querabmessung aufweist. Die Bürste ist ausgebildet, entlang
der Bürstenlängsrichtung durch Verschleiß verbraucht
zu werden.
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Durch
die vorgenannte Bürste kann vorteilhaft ein Verschleiß der
Bürste mittels eines Elektromotors mit einer entsprechend – wie
vorab beschrieben – ausgebildeten Verschleißerfassungseinheit
erfasst werden.
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Bevorzugt
besteht die Bürste aus dem zum elektrischen kontaktieren
des Kommutator ausgebildeten Material. Das Material weist bevorzugt
Kohlenstoff auf.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erfassen einer Abnutzung
einer Bürste eines Elektromotors. Bei dem Verfahren wird – bevorzugt
während eines Betriebs des Elektromotors – eine
in Drehumfangsrichtung des Kommutators verlaufende Abmessung der
Bürste bei einem Verschleiß der Bürste
entlang einer Bürstenlängsachse geändert.
Weiter wird bei dem Verfahren ein Verschleiß der Bürste
in Abhängigkeit von der Abmessung erfasst.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine
Verbindungszeit erfasst wird, während der wenigstens zwei
in Kommutatorumfangsrichtung aufeinanderfolgende Kontakte des Kommutators
durch die Bürste elektrisch miteinander verbunden sind.
Weiter wird bei dem Verfahren die in Drehumfangsrichtung verlaufende
Abmessung in Abhängigkeit der Verbindungszeit ermittelt.
Bevorzugt wird die Verbindungszeit in Abhängigkeit einer
Impedanz zwischen den Bürsten ermittelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Bürste
einen sich in Richtung der Bürstenlängsachse verjüngenden
elektrisch leitfähigen Kern auf, welcher von einem elektrisch
isolierenden Material derart umgeben ist, dass eine äußere
Form der Bürste quaderförmig ist. Dadurch kann
die Bürste vorteilhaft in herkömmlichen Bürstenführungen
verwendet werden.
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Vorteilhaft
ist der Elektromotor der vorbeschriebenen Art ein Elektromotor eines
Antriebs, beispielsweise einer Servolenkung eines Fahrzeugs, einer
Bremse, insbesondere Fahrzeugbremse oder einer Pumpe, eines Gebläses,
eines Fensterhebers, eines Schiebedachs, einer Sitzverstellung oder
einer Klimaanlage.
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Die
Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren
Ausführungsbeispielen beschrieben.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für einen Elektromotor
mit einer Bürste, welche einen trapezförmigen
Längsschnitt aufweist und ein Verfahren zum Erfassen eines
Verschleißes einer Bürste eines Elektromotors;
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Bürste,
welche einen elektrisch leitfähigen Kern mit einem trapezförmigen
Längsschnitt aufweist und wobei die Bürste eine
quaderförmige äußere Form aufweist;
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Variante der in 2 dargestellten
Bürste, bei der eine Stromdichte eines Bürstenstromes
entlang der Bürstenlängsachse konstant ist;
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4 und 5 zeigen
jeweils Diagramme, in denen Verbindungswinkel zueinander benachbarter
Kontakte des in 1 dargestellten Kollektors 5 in Abhängigkeit
eines Bürstenverschleißes dargestellt sind.
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen
Elektromotor 1 und ein Verfahren zum Erfassen eines Bürstenverschleißes.
Der Elektromotor 1 weist wenigstens zwei Bürsten
auf, in diesem Ausführungsbeispiel eine Bürste 2 und eine Bürste 3.
Elektromotor weist auch einen Kommutator 5 auf, welcher
zum elektrischen Kontaktieren der Bürsten 2 und 3 ausgebildet
ist und mit Spulenwicklungen eines Ankers 6 des Elektromotors
verbunden ist. Der Anker 6 ist um eine Drehachse 13 drehbar gelagert.
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Die
Bürsten 2 und 3 des Elektromotors 1 sind jeweils
mit einer Stromquelle 15 wirkverbunden und können
so den Kommutator 5 bestromen. Der Kommutator 5 weist
eine Mehrzahl von Kontakten auf, welche jeweils zum schleifenden
Kontaktiert werden durch die Bürsten 2 und 3 ausgebildet
sind und von denen der Kontakt 4 beispielhaft bezeichnet
ist.
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1' zeigt
den 1 dargestellten Kommutator 5 mit den
Bürsten 2' und 3', welche jeweils durch
Abnutzung einen Verschleiß erfahren haben.
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Der
Verschleiß bewirkt, dass eine zum Kontaktieren des Kommutators 5 vorgesehene
Kontaktfläche der Bürsten 3 und 5 eine
jeweils in Umfangsrichtung des Kommutators 5 in Abhängigkeit
vom Verschleiß eine sich insbesondere entlang der Bürstenlängsachse 25 vergrößernde
Abmessung aufweisen. Denkbar ist auch eine sich in Abhängigkeit
vom Verschleiß verkleinernde Abmessung der Kontaktfläche.
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1'' zeigt die in 1 dargestellten
Bürsten 2' und 3', welche in 1'' einen weiteren Verschleiß erfahren
haben und hier Bürste 2'' beziehungsweise Bürste 3'' bezeichnet
sind.
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Der
Elektromotor 1 weist auch eine Verschleißerfassungseinheit 11 auf,
welche ausgebildet ist, den Verschleiß der Bürsten,
welcher sich beim Bewegen der Bürsten entlang einer Bürstenlängsachse
in Richtung des Kommutators 5 ändert, in Abhängigkeit
einer in Drehumfangsrichtung des Kommutators verlaufenden Abmessung
einer zum Kontaktieren des Kommutators ausgebildeten Kontaktfläche
der Bürste zu erfassen. Die Abmessung der Bürste
ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Querabmessung der
Bürste, da die Bürste in diesem Beispiel eine
sich entlang der Bürstenlängsrichtung verjüngende äußere
Form aufweist. Denkbar ist auch eine Bürste, die entlang
der Bürtsenlängsachse eine Einschnürung
derart aufweist, dass eine insbesondere in Drehumfangsrichtung des
Kommutators verlaufende Abmessung sich entlang der Bürstenlängsachse ändert.
Der vorab beschriebene trapezförmige Längsschnitt
ist dann über einen Längsabschnitt entlang der
Bürstenlängsachse gegeben.
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Die
Verschleißerfassungseinheit 11 ist über eine
Verbindungsleitung 31 mit einer Verbindungsleitung 27 verbunden,
wobei mittels der Verbindungsleitung 27 ein Anschluss der
Stromquelle 15 mit der Bürste 3 verbunden
ist. Die Verschleißerfassungsvorrichtung 11 ist über
eine Verbindungsleitung 32 eingangsseitig mit einem weiteren
Anschluss der Stromquelle 15 verbunden. Der weitere Anschluss der
Stromquelle 15 ist mit einem ersten Anschluss eines Stromerfassungswiderstandes 14 verbunden. Die
Verschleißerfassungsvorrichtung 11 ist über
eine Verbindungsleitung 33 eingangseitig mit einer Verbindungsleitung 28 verbunden,
mittels weicher ein zweiter Anschluss des Stromerfassungswiderstandes 14 mit
der Bürste 2 verbunden ist. Erfassungsvorrichtung 11 kann
so über die Verbindungsleitungen 32 und 33 eine über
dem Stromerfassungswiderstand 14 abfallende Spannung erfassen.
Die Verschleißerfassungsvorrichtung 11 kann über
die Verbindungsleitungen 31 und 33 eingangseitig
eine zwischen den Bürsten 2 und 3 abfallende
elektrische Spannung erfassen.
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Die
Verschleißerfassungsvorrichtung 11 ist ausgebildet,
in Abhängigkeit des über die Verbindungsleitung 32 und 33 erfassten
Stromes eine Impedanz – insbesondere zeitkontinuierlich
oder in vorbestimmten aufeinanderfolgenden Leitabständen – zu
bilden und so den Verschleiß der Bürsten 2 und 3 in
Abhängigkeit der Impedanz zu ermitteln.
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Die
Verschleißerfassungsvorrichtung 11 ist dazu ausgebildet,
den gebildeten Impedanzwert mit einem vorbestimmten, – beispielsweise
abgespeicherten – Impedanzwert zu vergleichen, ein Vergleichsergebnis
zu erzeugen und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis
ein Warnsignal zu erzeugen und das Warnsignal über eine
Verbindungsleitung 34 auszugeben. Die Verbindungsleitung 34 ist mit
einem Signalgeber 17 verbunden, welche in diesem Ausführungsbeispiel
als Schallerzeuger ausgebildet ist. Denkbar ist auch eine Ausführungsform
des Signalgebers als Warnlampe.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Bürste 10.
Die Bürste 10 weist eine zum elektrischen Kontaktieren
des Kommutators ausgebildete Kontaktfläche 7 auf,
deren in Drehumfangsrichtung des Kommutators verlaufende Abmessung
sich bei einem Verschleiß der Bürste ändert,
in diesem Ausführungsbeispiel verkleinert. Die Bürste
weist einen elektrischen Anschluss 35 auf, welcher mit
einer elektrischen Verbindungsleitung 27 – beispielsweise der
in 1 bereits dargestellten Verbindungsleitung 27 verbunden
ist.
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Die
Bürste 10 weist ein elektrisch leitendes, insbesondere
niederohmig ausgebildetes Bürstenmaterial 8 auf,
welches mit dem elektrischen Anschluss 35 verbunden ist
und ausgebildet ist, ab einen elektrischen Strom von dem Anschluss 35 zu
der zum elektrischen Kontaktieren des Kommutators 5 ausgebildeten
Kontaktfläche 7 zu leiten. Das elektrisch leitfähige Bürstenmaterial
ist keilförmig ausgebildet und weist einen trapezförmigen
Längsschnitt auf.
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Die
Bürste 10 ist quaderförmig ausgebildet und
schließt das elektrisch leitfähig ausgebildete Bürstenmaterial 8 zwischen
zwei elektrisch isolierenden Materialvolumina 9 und 19 entlang
einer quer zur Bürstenlängsachse verlaufenden
Querabmessung zwischen diesen ein. Die Bürste 10 erhält
dadurch eine Quaderform und kann so vorteilhaft in herkömmlichen
Vorrichtungen zum Halten und Führen der Bürste 10 gegen
den Kommutator 5 verwendet werden.
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3 zeigt
eine Ausführungsvariante einer Bürste 50,
welche wie die in 2 dargestellte Bürste
einen trapezförmigen Längsschnitt aufweist. Die
in 3 dargestellte Bürste 50 weist – anders
als die in 2 dargestellte Bürste – zusätzlich
dazu einen quer zu dem vorgenannten Längsschnitt verlaufenden
trapezförmigen Längsschnitt auf. Die Trapezformen
der Längsschnitte verjüngen sich dabei in zueinander
entgegengesetzter Richtung entlang der Bürstenlängsachse 25.
Die doppelt trapezförmig ausgebildete Form des elektrisch
leitfähigen Kerns der Bürste 50 bewirkt
vorteilhaft, dass die zum elektrischen Kontaktieren des Kommutators 5 vorgesehene Kontaktfläche 7 sich
bei einem Verschleiß der Bürste 50 entlang
der Bürstenlängsachse 25 derart ändert, dass
sich die in Drehumfangsrichtung des Kommutators verlaufende Abmessung 14 sich
während eines Verschleißes der Bürste
zum elektrischen Kontakt 35 hin vergrößert,
wohingegen sich eine quer dazu verlaufende Abmessung 16 der
Kontaktfläche 7 während eines Verschleißes
der Bürste 50 entlang der Bürstenlängsachse 25 verkleinert.
In diesem Ausführungsbeispiel weist eine – quer
zur Drehumfangsrichtung des Kommutators – den Kommutator
kontaktierende Abmessung der Kontaktfläche 7 im
Bereich des Kommutators – im unverbrauchten Zustand – eine
Abmessung 19 auf und im Bereich des Kontaktes 35 eine
Abmessung 18 auf, wobei die Abmessung 18 kleiner
ist als die Abmessung 19.
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Die
doppelt trapezförmige Ausbildung des elektrisch leitfähigen
Kerns bewirkt so vorteilhaft, dass eine Stromdichte entlang der
Bürstenlängsachse 25 durch den elektrisch
leitfähigen Kern entlang der Bürstenlängsachse 25 konstant
bleibt.
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Die
Bürste 50 weist – wie die Bürste 10 in 2 – eine
quaderförmige äußere Form auf, mit einem
Querschnitt, gebildet aus den Querabmessungen 12 und 16.
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Die
Bürste 50 weist zwischen dem elektrisch leitfähigen
Kern und den Quaderaußenflächen ein elektrisch
isolierendes Material auf.
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Das
elektrisch isolierende Material kann beispielsweise durch einen
Kunststoff, durch eine Keramik oder ein elektrisch isolierendes,
abriebfähiges, durch Pressen verfestigtes Pulver, beispielsweise Magnesiumoxid
oder Titandioxid gebildet sein.
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4 zeigt
ein Diagramm 60, in dem eine Kurve 61 Verbindungswinkel
einer elektrischen Verbindung zueinander benachbarter Kontakte 4 des
in 1 dargestellten Kollektors 5 in Kollektorumfangsrichtung
darstellt. Eine Achse 68 entspricht einer Null-Grad-Stellung
des Kollektors. Der Verbindungswinkel 70 entspricht dabei
den unverbrauchten Bürsten 2 und 3 in 1.
Ein Diagramm 62 zeigt die Verbindungswinkel der Bürste – in
Abhängigkeit von der Trapezform des Längsschnittes – projiziert
auf eine Achse 69.
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5 zeigt
ein Diagramm 64, in dem eine Kurve 63 Verbindungswinkel
einer elektrischen Verbindung zueinander benachbarter Kontakte 4 des
in 1 dargestellten Kollektors 5 in Kollektorumfangsrichtung
darstellt. Eine Achse 68 entspricht einer Null-Grad-Stellung
des Kollektors. Der Verbindungswinkel 72 entspricht dabei
den verbrauchten Bürsten 2 und 3 in 1.
Ein Diagramm 62 zeigt die Verbindungswinkel der Bürste – in
Abhängigkeit von der Trapezform des Längsschnittes – projiziert
auf eine Achse 69.
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Der
Verbindungswinkel 70 der verbrauchten Bürsten 2' und 3' ist
sichtbar größer als der Verbindungswinkel 72 der
unverbrauchten Bürsten 2 und 3. Die Verschleißerfassungseinheit 11 in 1 ist
beispielsweise ausgebildet, den Verbindungswinkel in Abhängigkeit
von der in Drehumfangsrichtung verlaufenden Abmessung der Kontaktfläche
zu ermitteln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005060324
A1 [0003]