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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere ein Käfigbürstensystem für einen Elektromotor mit Konstantkraftfeder.
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STAND DER TECHNIK
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Elektromotoren mit Käfigbürsten sind hinreichend bekannt. Solche Motoren sind unter anderem Gleichstrommotoren und Universalmotoren. Käfigbürstensysteme verwenden einen Käfig, in dem die Bürste gleitend angeordnet ist, so dass sie zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Kommutator in Kontakt gebracht werden kann. Das Käfigbürstensystem umfasst den Käfig, die Bürste und eine Feder, durch welche die Bürste elastisch aus dem Käfig gedrückt und mit dem Kommutator in Kontakt gebracht wird. Die Feder sorgt für eine Bewegung der Bürste unter Einrechnung deren Abnutzung und von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Kommutators. Da die Lebensdauer der Bürste ein wesentlicher Faktor für die Lebensdauer des Motors ist, sind möglichst lange Bürsten erwünscht. Das bedeutet, dass die Feder in der Lage sein muss, die notwendige Kraft auf die Bürste auszuüben und dabei von einem maximal komprimierten Zustand, wenn die Bürste neu ist, in einen vollständig expandierten Zustand, wenn die Bürste abgenutzt ist (Ende der Lebensdauer) wechseln kann. Selbst im vollständig expandierten Zustand muss die Feder die benötigte Kraft auf die Bürste ausüben, damit der gewünschte Bürstendruck auf den Kommutator beibehalten werden kann. Daher ist der vollständig expandierte Zustand ein Berechnungszustand und nicht der Entspannungszustand der Feder. Diese Längenänderung der Feder unter Aufrechterhaltung einer angemessenen Kraftbeaufschlagung der Bürste ist schwierig zu erzielen. Die Feder ist traditionell eine Schraubenfeder, und die Länge der Feder, die notwendig ist, um über die Lebensdauer der Bürste eine allgemein konstante Kraft aufzubringen, ist aufgrund des verfügbaren Raumes für den Käfig, in dem sowohl die Bürste als auch die Feder in Reihe angeordnet sind, häufig begrenzt. Für Bürsten mit einer kurzen Länge hat sich die Verwendung von Torsionsfedern bewährt, und da diese außerhalb des Käfigs montiert sind, lässt sich der Käfig vorteilhaft für die Maximierung der Bürstenlänge nutzen. Für den Endverbraucher ist es jedoch nicht einfach, die Bürsten in Torsionsfedereinheiten zu wechseln, weshalb sich die Lebensdauer des Motors häufig auf die Lebensdauer eines Bürstensatzes beschränkt. Gewisse Einschränkungen bestehen auch hinsichtlich des Bewegungsbereichs der Torsionsfedern.
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Es wurde eine Konstantkraftfeder vorgeschlagen, um diese bekannten Nachteile zu beseitigen. Hierzu wird beispielsweise auf das Dokument
US5602957 verwiesen. Die Konstantkraftfeder ist ein Band aus Federmaterial (normalerweise Federstahl), das an beiden Enden ähnlich wie eine Uhrfeder eingerollt ist und in der Mitte zwischen den beiden Spiralen einen geraden oder flachen Abschnitt hat. Die Bürste ist in dem Käfig angeordnet, wobei die Mitte der Feder das äußere Ende der Bürste mit Druck beaufschlagt und die beiden Spiralabschnitte an dem oder in der Nähe des dem Kommutator benachbarten Endes des Käfigs angreifen. Ausgerollte Abschnitte der beiden Spiralen erstrecken sich entlang der Seiten der Bürste innerhalb des Käfigs, während die Enden außerhalb des Käfigs liegen, indem sie unter Vermeidung eines Kontakts zwischen der Feder und dem Kommutator durch eine an das innere Ende des Käfigs angrenzende Öffnung nach draußen führen. Im Betrieb versuchen die Spiralabschnitte der Feder sich einzurollen, indem der Rest der Feder aus dem Käfig herausgezogen wird, wodurch aufgrund der elastischen Kraft der Spiralabschnitte auch die Bürste aus dem Käfig herausgezogen wird. Die durch die Feder auf die Bürste ausgeübte Kraft ist von der maximalen Spannung bis zur annähernden Entspannung im Wesentlichen konstant, und daher die Bezeichnung Konstantkraftfeder. Dieser Federtyp ermöglicht ein ausgezeichnetes Verhältnis von Bürstenlänge zu Käfiglänge, das heißt, dass annähernd die gesamte Käfiglänge für die Länge der Bürste verfügbar ist, so dass durch ein Maximum an Bürstenlänge auch ein Maximum an Lebensdauer der Bürste gegeben ist.
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Ein Nachteil der Konstantkraftfeder ist, dass die Feder am Ende der Lebensdauer der Bürste und bei der Montage nichts davon abhält, sich von dem Käfig zu lösen, wodurch die Gefahr eines Kurzschlusses in dem Motor besteht. Bei Niederspannungsmotoren ist das kein Problem, doch bei Hochspannungsmotoren bedeutet dies ein potenzielles Sicherheitsrisiko durch Stromschlag- und Brandgefahr.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher ein Motor mit einer Konstantkraftfeder-Bürstenkäfiganordnung erwünscht, bei welcher sich die Feder nicht von dem Käfig lösen kann, wenn die Bürste abgenutzt ist. Dies wird durch vorliegende Erfindung dadurch erreicht, dass der Käfig Finger hat, die die Konstantkraftfeder ergreifen.
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Zudem kann der Käfig einen Stopper aufweisen, um die Möglichkeit zu verringern, dass sich ein Spiralabschnitt an sich selbst aufhängt oder in die Höhe treibt, mit der Gefahr, den Kommutator oder andere elektrische Komponenten oder Verbindungen in dem Motor zu berühren.
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Demzufolge wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Käfigbürstenanordnung bereitgestellt, umfassend: eine Bürste, die einen elektrischen Gleitkontakt mit einem Kommutator des Motors herstellt; einen Käfig zum Führen der Bürste entlang eines Weges, wobei der Käfig einen ersten Endbereich hat, der im Betrieb für eine an den Kommutator angrenzende Anordnung vorgesehen ist, und einen zweiten Endbereich, der von dem Kommutator entfernt ist; eine Feder zur elastischen Beaufschlagung der Bürste entlang des Weges durch den Käfig, wobei die Feder eine Konstantkraftfeder ist, die aus einem Band aus elastisch verformbarem Material besteht, das einen im Wesentlichen flachen mittleren Abschnitt und zwei eingerollte Endabschnitte hat, wobei der mittlere Abschnitt ein Ende der Bürste kontaktiert, und wobei der Käfig zwei Finger aufweist, um die herum jeweils die eingerollten Endabschnitte der Feder angeordnet sind, wobei sich die beiden Finger an dem ersten Endbereich des Käfigs befinden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend: einen Stator; einen gewickelten Rotor mit einer Welle, Rotorwicklungen und einem Kommutator; und einen Bürstenträger für die Verbindung des Kommutators mit einer Stromquelle, wobei der Bürstenträger mindestens zwei Käfigbürstenanordnungen aufweist, deren jede umfasst: eine Bürste zur Herstellung eines elektrischen Gleitkontakts mit dem Kommutator; einen Käfig zum Führen der Bürste entlang eines Weges, wobei der Käfig einen ersten Endbereich aufweist, der im Betrieb für eine an den Kommutator angrenzende Anordnung vorgesehen ist, und einen zweiten Endbereich, der von dem Kommutator entfernt ist; eine Feder zur elastischen Beaufschlagung der Bürste entlang des Weges durch den Käfig, wobei die Feder eine Konstantkraftfeder ist, die aus einem Band aus elastisch verformbarem Material besteht, das einen im Wesentlichen flachen mittleren Abschnitt und zwei eingerollte Endabschnitte hat, wobei der mittlere Abschnitt ein Ende der Bürste kontaktiert, und wobei der Käfig zwei Finger aufweist, um die herum jeweils die eingerollten Endabschnitte der Feder angeordnet sind, wobei sich die beiden Finger an dem ersten Endbereich des Käfigs befinden.
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Vorzugsweise hat die Bürste einen eingebetteten Shunt, der mit dem zweiten Endbereich des Käfigs verbunden ist.
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Vorzugsweise hat der Käfig zwei Öffnungen, die in dem ersten Endbereich auf gegenüberliegenden Seiten des Käfigs gebildet sind, und die eingerollten Endabschnitte der Feder erstrecken sich durch die Öffnungen hindurch.
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Vorzugsweise ist jede der Öffnungen durch das Herausbiegen einer Klappe aus der Käfigwand gebildet, wobei jede Klappe eine Aufnahme für die eingerollten Endabschnitte der Feder bildet.
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Vorzugsweise sind die Finger eine Verlängerung der Klappen.
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Vorzugsweise hat jede Klappe an einem von dem Käfig entfernten Ende eine Leiste.
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Vorzugsweise ist die Leiste durch das Umbiegen des Klappenendes in Richtung auf den Endbereich der Feder gebildet.
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Vorzugsweise ist der Käfig einschließlich der Klappen, Leisten und Finger aus einem einteiligen Blech geformt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand lediglich eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine Teilschnittansicht eines Elektromotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Bürstenkäfiganordnung, die Teil des Elektromotors von 1 ist;
- 3 eine perspektivische Unteransicht eines Käfigs, der Teil der Bürstenkäfiganordnung von 2 ist;
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Bürste und Feder, die Teil der Bürstenkäfiganordnung von 2 sind; und
- 5 eine Draufsicht auf die Feder von 4 im entspannten Zustand.
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Identische Konstruktionen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in all diesen Figuren die gleichen Bezugszeichen. Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es folgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung am Beispiel eines Gebläsemotors. Der Motor 10, der in 1 in einem Teilquerschnitt dargestellt ist, ist ein Universalmotor mit einem Gehäuse 12, in dem ein gewickelter Stator 14 und ein gewickelter Rotor 20 angeordnet sind. Der Rotor 20 hat eine Antriebswelle 22, einen Rotorkern 24, um den die Rotorwicklungen 26 herumgeführt sind, und einen Kommutator 28, an dem die Wicklungen 26 enden. Ein Gebläse ist an einem Ende des Motors montiert und hat ein Laufrad 30, das an einem Ende der Antriebswelle 22 montiert ist und für eine Drehung in einem an dem Ende des Gehäuses 12 befestigten Gebläsegehäuse oder Gebläseraum 32 angeordnet ist. Der Stator 14 hat einen zweipoligen Statorkern 16 mit Statorwicklungen 18, die um den Kern 16 herumgeführt sind. Der Bürstenträger in Form von zwei Käfigbürsteneinheiten 34 verbindet die Rotorwicklungen 26 über den Kommutator 28 mit einer Stromquelle. Die Universalmotoren können eine Reihenwicklung oder eine Shuntwicklung aufweisen. Bei der Shuntwicklung sind die Statorwicklungen und die Rotorwicklungen parallelgeschaltet, weshalb die Bürsten den Kommutator direkt mit den Motorklemmen verbinden. Bei der Reihenwicklung sind die Statorwicklungen und die Rotorwicklungen in Reihe geschaltet, weshalb eine oder beide Bürsten über die Statorwicklungen mit den Motorklemmen verbunden sind.
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Die Käfigbürsteneinheiten 34 sind vorzugsweise identisch, so dass nur eine Käfigbürsteneinheit im Detail beschrieben wird. Die Käfigbürsteneinheit 34 hat eine Bürste 40, einen Käfig 50 und eine Feder 70. Die Bürste 40 ist für die Herstellung eines Gleitkontakts mit dem Kommutator 28 ausgebildet. Die Bürste 40 hat eine längliche Form und einen rechteckigen Querschnitt, mit einem ersten und einem zweiten Ende 42, 44 und mit vier Seiten 46. Das erste Ende 42 ist für den Kontakt mit dem Kommutator 28 ausgebildet. Das zweite Ende 44 hat einen eingebetteten Shunt 48. Der Käfig 50 führt die Bürste 40 entlang eines Weges zu dem Kommutator. Der Käfig 50 ist vorzugsweise ein Messingrohr, in dem die Bürste gleitbeweglich aufgenommen ist. Der Käfig hat einen ersten Endbereich 52, der an den Kommutator angrenzt, und einen zweiten Endbereich 54, der von dem Kommutator entfernt ist. Der zweite Endbereich 54 kann eine Motorklemme oder einen Anschluss bilden, mit der/dem die Statorwicklung und/oder Leitungsdrähte verbunden werden können, wobei in diesem Fall der Shunt 48 direkt mit dem zweiten Endbereich 54 des Käfigs verbunden sein kann. Die Feder 70 ist eine Konstantkraftfeder. Wie 5 zeigt, ist die Feder 70 aus einem Band oder Streifen aus elastisch verformbarem Material geformt und hat einen flachen mittleren Abschnitt 72 und zwei Endabschnitte 74, die ähnlich wie eine Uhrfeder eingerollt sind. Der flache mittlere Abschnitt 72 kontaktiert das oder greift an dem zweiten Ende 44 der Bürste 40 an, und die eingerollten Endabschnitte 74 rollen sich im Betrieb teilweise aus und erstrecken sich entlang der gegenüberliegenden Seiten 46 der Bürste 40, wie das in 4 dargestellt ist.
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Wie 3 zeigt, hat der Käfig 50 zwei Öffnungen 56, die in zwei gegenüberliegenden Seiten angrenzend an den ersten Endbereich 52 gebildet sind. Die Öffnungen 50 sind durch das Einschneiden und Herausbiegen von zwei Klappen 58 gebildet, die Aufnahmen für die eingerollten Endabschnitte 74 der Feder 70 bilden. Im Betrieb wird die Bürste 40 aus dem Käfig 50 herausgedrückt, während die nunmehr ausgerollten Endabschnitte 74 der Feder versuchen, elastisch in ihren eingerollten Zustand zurückzukehren. Die Klappen 58 haben eine Leiste 60, die durch das Umbiegen eines schmalen Streifens entlang der freien Kante der Klappe 58 in Richtung auf den eingerollten Endabschnitt 74 der Feder gebildet ist. Aus der Klappe 58 ist auch ein Finger 62 ausgeschnitten und herausgebogen. Der Finger 62 ist durch einen kurzen Arm 64 mit der Klappe 58 verbunden und so angeordnet, dass er sich über die Klappe 58 in einer zur Seite des Käfigs parallelen Richtung und senkrecht zu der Richtung des Bürstenweges erstreckt, um sich durch einen Ring hindurch zu erstrecken, der durch den eingerollten Endabschnitt 74 der Feder 70 gebildet ist.
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Der Finger 62 bildet einen Riegel, der die Feder 70 während der Montage und am Ende der Lebensdauer, wenn die Bürste abgenutzt ist, an Ort und Stelle hält. Bei der Montage werden die eingerollten Enden der Feder über den Fingern 62 in Anordnung gebracht, und die Finger halten die Feder während des Einsetzens der Bürste an Ort und Stelle. Auf ähnliche Weise verhindern die Finger am Ende der Lebensdauer, dass die Feder aus dem Käfig freikommt. Die Leiste 60 dient zur Verringerung der Tendenz der eingerollten Endabschnitte 74 der Feder, sich aufgrund der Reibung zwischen den Oberflächen der Feder und/oder zwischen der Oberfläche der Feder und der Oberfläche der Klappe 58 zu expandieren. Das Ende der Feder 70 kann möglicherweise mit dem Finger 62 in Kontakt treten, während sich die Feder 70 einrollt, was auch dazu führen kann, dass die Feder nicht gleichmäßig über sich selbst gleitet, sondern in die Höhe treibt, mit dem Risiko eines möglichen Kurzschlusses mit anderen elektrischen Teilen. Die Leiste 64 übt eine sanfte Kraft auf die Spirale aus, während diese beginnt, in die Höhe zu treiben, wobei diese Kraft ausreicht, um die Reibung oder das Fangen der Feder zu überwinden und zu verhindern, dass die Spiralen der Feder 70 in die Höhe treiben.
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Der Käfig hat auch zwei Positionierungsvorsprünge 66, die aus einer Seite des Käfigs hochgezogen sind. Die Positionierungsvorsprünge 66 sind an eine Vertiefung in dem Gehäuse angepasst, um den Käfig in seiner axialen Richtung (in der radialen Richtung des Motors) relativ zu dem Gehäuse zu positionieren und um einen radialen Spalt zwischen dem Käfig 50 und dem Kommutator 28 einzustellen. Eine Sattelklemme 36 (siehe 1) verspannt den Käfig 50 mit dem Gehäuse 12. Der Käfig 50 samt Klappen 58, Leisten 60, Armen 62 und Fingern 64 ist vorzugsweise durch Stanzen und Biegen eines Bleches, bevorzugt eines Messingbleches, gebildet.
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Es ist ersichtlich, dass die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eine verbesserte Bürstenanordnung für Elektromotoren sowie Elektromotoren, die eine solche Bürstenanordnung enthalten, bereitstellen und dadurch für eine einfachere Montage und für eine höhere Sicherheit sorgen, wenn die Bürsten abgenutzt sind.
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Die in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Verben wie „umfassen“, „enthalten“ und „haben“ sowie Abwandlungen derselben verstehen sich in einem inkludierenden Sinn, das heißt sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Während der dargestellte Motor beispielsweise ein Universalmotor ist, könnten die Bürstenanordnungen auch bei anderen Motortypen verwendet werden, bei denen Käfigbürsten zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei Permanentmagnet-Gleichstrommotoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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