DE102010063688A1

DE102010063688A1 - Bürstenapparat für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102010063688A1
Application number: DE102010063688A
Authority: DE
Inventors: Michael Bayer; Ralf Olschner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-21
Also published as: EP2656453A1; HUE025516T2; PL2656453T3; CN103384948B; CN103384948A; EP2656453B1; WO2012084526A1

Abstract

Es wird ein Bürstenapparat für eine elektrische MaBrennkraftmaschine vorgeschlagen mit mindestens zwei Bürstenpaaren (13, 14), mit einer der Anzahl der Bürsten entsprechenden Anzahl von Bürstenköchern (22, 23), welche an einer Bürstenplatte (30) befestigt sind. Der Bürstenapparat besitzt eine äußere Zuleitung (38, 39) und innere Stromzuführungen (33, 36) zu den Bürsten (13, 14), wobei zu den inneren Stromzuführungen einer Polarität ein Stromzuführungselement (36) gehört, das an den Bürstenköchern (22, 23) arretiert ist und Ausnehmungen (54) zur lokalen Vergrößerung des elektrischen Widerstandes und zur Ausbildung einer Schmelzsicherung besitzt. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Ausnehmungen (54) derart an dem Stromzuführungselement (36) angeordnet, dass in Umfangsrichtung zwischen den Ausnehmungen zwei Bürsten (13, 14) unterschiedlicher Polarität einschließlich der Kontaktierung (50) einer Bürste (13) mit dem Stromzuführungselement (36) sowie der Anschluss (46) der äußeren Zuleitung (38, 39) zu dem Stromzuführungselement liegen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Bürstenapparat für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, wie er aus der DE 10 2009 002 725 A1 bekannt ist. Diese Druckschrift offenbart einen Bürstenapparat mit mindestens zwei Bürstenpaaren, wobei die Bürsten einer Polarität mit Masse und dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle und die Bürsten der anderen Polarität über eine gemeinsame, äußere Zuleitung mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden sind. Hierbei sind die Bürsten jeweils in einem Bürstenköcher aus isolierendem Material gehalten und geführt, welcher seinerseits an einer Bürstenhalterung aus elektrisch leitfähigem Material befestigt ist, über welche die am negativen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen Bürsten gleichzeitig elektrisch kontaktiert sind. Die an positivem Potential liegenden Bürsten sind gemeinsam über ein Stromzuführungselement kontaktiert, das seinerseits an den Bürstenköchern arretiert ist und gleichzeitig eine Vorrichtung zur Reduktion der Wärmeabfuhr ausbildet. Eine derartige Anordnung arbeitet grundsätzlich zufriedenstellend, jedoch sind besondere Maßnahmen erforderlich, um einen unzulässig hohen Wärmeübertritt von den inneren stromführenden Teilen auf die äußeren Zuleitungselemente und die mit diesen in Wärmekontakt stehenden Teile der Maschine und damit eine von der elektrischen Maschine ausgehende Brandgefahr zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Bürstenapparat für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass die bei einer Überlastung der Maschine, beispielsweise durch eine zu lange Betätigung eines Starters, oder bei einem inneren Kurzschluss entstehende Stromwärme nur eine sehr kurze und auf den Innenraum der Maschine begrenzte Erhitzung der stromführenden Teile der Maschine bewirkt. Diese Konzentration der erzeugten Stromwärme auf den Innenraum der Maschine wird erreicht durch Querschnittsverengungen und damit Widerstandserhöhungen an dem Stromzuführungselement in ausreichender Entfernung von dem Anschluss der äußeren Zuleitung der Maschine, so dass die entstehende Wärme nur in geringem Maße auf brennbare Teile im Außenbereich der Maschine transportiert wird. Gleichzeitig wird durch die Aufrechterhaltung der Arretierung des Stromzuführungselementes an zwei Bürsten erreicht, dass dieses bis zum Durchschmelzen sicher an den Bürsten gehalten und ein Kurzschluss zu Teilen der anderen Polarität innerhalb der Maschine verhindert wird. Die Größe der Ausnehmungen wird hierbei je nach Anwendungsfall und Material des Stromzuführungselementes bemessen.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Bürstenapparates ergibt sich bei Startern für Brennkraftmaschinen, welche für Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind und sehr hohe Ströme über die Bürsten und den Kommutator führen. Dabei wird vorzugsweise für den Anschluss des Pluspoles einer Gleichspannungsquelle ein für alle Plusbürsten gemeinsames Stromzuführungselement eingesetzt, welches dann den gesamten Strom der parallelen Ankerzweige führt. Hierbei ist die Gefahr der Überlastung einer sechspoligen Maschine insbesondere auch dann gegeben, wenn diese nur mit zwei Bürstenpaaren betrieben wird, wodurch sich die Stromführung über die Bürsten noch erhöht.
Eine besonders einfache und betriebssichere Anordnung ergibt sich, wenn das Stromzuführungselement kreisringförmig ausgebildet ist und die Ausnehmungen als Randkerben ausgebildet sind. Ein derartiges Stromzuführungselement kann in besonders einfacher Weise mit seinem inneren Ringrand an entsprechend gestalteten Arretierungen der in gleicher radialer Lage angeordneten Bürstenköcher befestigt werden, wobei durch die Anordnung der Ausnehmungen das Zuführungselement beim Durchschmelzen beidseitig noch in zwei Bürstenköchern arretiert bleibt, so dass Kurzschlüsse zu an Masse liegenden Teilen der Maschine mit Sicherheit verhindert werden.
Zur Herstellung des Stromzuführungselementes wird vorzugsweise ein Material mit einem gegenüber den sonstigen, stromführenden Teilen der Maschine erhöhten spezifischen Widerstand verwendet, welcher zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 0,04 und 0,2 Ohm·mm²/m liegt. Ein derartiges Material ist vorzugsweise ein Stahl mit der technischen Bezeichnung „Band EN 10152-DC04+ZE75/75A0” mit einer Dicke von 1,2 mm. Der Widerstand-Temperaturkoeffizient des Materials des Stromzuführungselementes sollte ebenfalls größer sein als derjenige von Kupfer und vorzugsweise einen Wert von kleiner oder gleich 4·10^–3·1/K aufweisen. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Materials für das Stromzuführungselement ist eine Wärmeleitfähigkeit von 10–150 W/m·K. Durch die Verwendung eines derartigen Stromzuführungselementes wird im Überlastfall, beispielsweise bei einem zu langen Ansteuern eines Starters für ein Kraftfahrzeug, oder bei einem inneren Fehler der Maschine gewährleistet, dass die äußeren Komponenten der Maschine sich nicht so stark erhitzen, dass eine Brandgefahr entsteht.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel in der Beschreibung, wobei die Zahl der Bürsten und die Polpaarzahl der Maschine variiert werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines kreisringförmigen Stromzuführungselementes erwiesen, insbesondere bei einer symmetrischen, jeweils um 60° gegeneinander verschobenen Anordnung von sechs Bürsten in einer sechspoligen Maschine. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Stromzuführung ist jedoch auch bei einer vierpoligen Maschine möglich. Außerdem kann die Polung des Stromzuführungselementes und einer elektrisch leitfähigen Bürstenträgerplatte grundsätzlich umgekehrt werden.
Die Figuren zeigen:
1 einen schematisch dargestellten Teilschnitt einer Maschine im Bereich des Bürstenapparates und
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bürstenapparates mit einem integrierten, an den Bürstenköchern arretierten Stromzuführungselement.
1 zeigt einen Längsschnitt durch den Bürstenapparat 12 einer elektrischen Maschine 10. Hierbei sind zwei Bürsten 13 und 14 des Bürstenapparates sichtbar, die von einer nicht dargestellten Feder gegen den Kommutator 20 gedrückt werden. Der Bürstenköcher 22 ist an einer elektrisch leitfähigen Bürstenplatte 30 befestigt, welche ihrerseits an dem kommutatorseitigen Lagerdeckel 31 des Polgehäuses 11 befestigt ist. Die mechanische Verbindung des Bürstenköchers 23 mit dem Lagerdeckel 31 erfolgt in gleicher Weise wie die Arretierung des Bürstenköchers 22 über eine Hinterschneidung mit einem Vorsprung 32. an der Bürstenplatte 30 und einer Nut 34 an den Bürstenköchern 22 und 23.
Die Bürsten 13 und 14 beim Schnitt gemäß 1 liegen sich am Kommutator diametral gegenüber und besitzen unterschiedliche Polung. Hierbei ist die auf Minuspotential liegende Bürste 14 über eine Litze 33 mit der elektrisch leitfähigen Bürstenplatte 30 und über diese mit dem an Masse liegenden Lagerdeckel 31 verbunden. Der elektrische Anschluss der positiven Bürste 13 erfolgt über ein kreisringförmiges Stromzuführungselement 36, dessen Anschluss an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle an Hand von 2 naher erläutert ist. Aus 1 ist jedoch ersichtlich, dass das Stromzuführungselement 36 auf der von der Bürstenplatte 30 abgewandten Seite der Bürstenköcher mechanisch mit diesem verbunden ist, indem es in Aussparungen 37 an den Bürstenköchern 32 und 33 eingreift. Hierdurch ist gleichzeitig das Stromzuführungselement 36 an den Bürstenköchern gesichert, so dass im Falle des Durchschmelzens des Stromzuführungselementes 36 dessen Enden an den Bürstenköchern gehalten sind und so Kurzschlüsse zu an Masse liegenden Teilen der Maschine vermieden werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem Stromzuführungselement 36 und der Bürste 13 ist schematisch durch eine Anschlusslitze 33 dargestellt.
2 zeigt in perspektivischer Darstellung den erfindungsgemäßen Bürstenapparat aus der in 1 mit II-II angegebenen Blickrichtung auf das Stromzuführungselement 36. Gleiche Teile sind in 2 mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen. 2 zeigt zusätzlich zu der Darstellung in 1 den Anschluss des positiven Pols einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle über eine Anschlusslitze 38, welche unter Zwischenschaltung einer Stromschiene 39 mit dem Stromzuführungselement 36 verbunden ist. Die Anschlusslitze 38 oder die Stromschiene 39 sind durch eine gummielastische Abdeckung 48 hindurchgeführt, welche die Durchtrittsöffnung der Anschlusslitze 38 und/oder der Stromschiene 39 dichtend zum hier nicht dargestellten Polgehäuse 11 abschließt. Die Stromschiene 39 ist im Bereich 46 mit dem Stromzuführungselement 36 verschweißt. Die Schweißpunkte 50 der positiven Anschlusslitzen 33 auf der Rückseite der Stromzuführungsschiene 36 sind gestrichelt angedeutet. Die Anschlussstelle einer Anschlusslitze 40 von einer negativen Bürste 14 an der Bürstenplatte 30 ist mit 52 bezeichnet.
Erfindungsgemäß weist das Stromzuführungselement 36 mindestens zwei Ausnehmungen 54 auf, welche derart an dem Stromzuführungselement 36 positioniert sind, dass in Umfangsrichtung zwischen den Ausnehmungen zwei Bürsten 13, 14 unterschiedliche Polarität einschließlich der Kontaktierung einer positiven Bürste mit dem Stromzuführungselement liegen, im Ausführungsbeispiel die Kontaktierung 50 einer der mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbundenen Bürsten 13. Weiterhin ist der Anschluss 46 der äußeren Zuleitung 38, 39 zu dem Stromzuführungselement 36 ebenfalls zwischen den Ausnehmungen 54 positioniert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist eine Anordnung mit sechs Bürsten 13, 14 in einer sechspoligen elektrischen Maschine dargestellt, wobei die einzelnen Bürsten jeweils gleichförmig um eine Winkel von 60° von einander beabstandet sind. Die Anordnung der kerbförmig ausgeführten Ausnehmungen 54 ist so getroffen, dass sie einen Winkel größer 60° einschließen und seitlich außerhalb der Nocken 35 mit den Aussparungen 37 liegen, in denen das kreisringförmige Stromzuführungselement 36 arretiert ist. Selbstverständlich ist die Form der Ausnehmungen 54 beliebig, insbesondere können sie auch nutförmig oder rund sein und wahlweise auch am Innendurchmesser oder innerhalb des Stromzuführungselementes angeordnet sein. Wesentlich ist eine geeignete Reduzierung des Querschnittes des Stromzuführungselementes 36 im Bereich der Ausnehmungen 54, derart, dass die Stromdichte und die hierdurch verursachte Erwärmung des Stromzuführungselementes 36 in diesem Bereich derart erhöht werden, dass bei unzulässiger Belastung der Maschine ein Durchschmelzen des Stromzuführungselementes erfolgt. Hierbei bleiben die dann freien Enden des Durchführungselementes 36 in den Aussparungen 37 der Nocken 35 arretiert und können keinen Kurzschluss verursachen. In einem Ausführungsbeispiel wurde mit gutem Erfolg die reduzierte Breite d1 des Durchführungselementes mit 5,5 mm bemessen gegenüber der unreduzierten Breite d2 von 8,0 mm bei einer Materialstärke von 1,2 mm eines Stromzuführungselementes 36 aus Bandstahl. Weitere vorteilhafte Kennwerte des Materials des Stromzuführungselementes 36 sind ein spezifischer Widerstand von 0,04 bis 0,2 Ohm·mm²/m, ein Widerstand-Temperaturkoeffizient größer oder gleich 4·10^–3·1/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 150 W/m·K.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung eines Bürstenapparates einer elektrischen Maschine, insbesondere durch die vorgeschlagene Gestaltung des Stromzuführungselementes 36 erreicht man, dass an dem Stromzuführungselement einerseits eine Schmelzsicherung ausgebildet wird und andererseits ausreichend Fläche zur Verringerung der Erhitzung der stromführenden Teile im Innern der Maschine geschaffen wird, so dass außen liegende Teile nicht mehr in brandgefährlichem Maße erhitzt werden. Die Anschlusslitze 33 der zwischen den Ausnehmungen 54 eingeschlossenen Plusbürste 13 erhitzt sich dabei ebenfalls sehr stark und wird in der Regel mit durchschmelzen, so dass der Kontakt zu Masse endgültig unterbrochen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009002725 A1 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 10152-DC04+ZE75/75A0 [0005]

Claims

Bürstenapparat für eine elektrische Maschine (10), insbesondere für einen Starter einer Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Bürstenpaaren (13, 14), mit einer der Anzahl der Bürsten (13, 14) entsprechenden Anzahl von Bürstenköchern (22, 23), welche an einer Bürstenplatte (30) befestigt sind, mit einer äußeren Zuleitung (38, 39) und mit inneren Stromzuführungen (33, 36) zu den Bürsten (13, 14), welche ein den Bürsten einer Polarität zugeordnetes Stromzuführungselement (36) aufweisen, das an den Bürstenköchern (22, 23) arretiert ist und Ausnehmungen (54) zur lokalen Vergrößerung des elektrischen Widerstandes und zur Ausbildung einer Schmelzsicherung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausnehmungen (54) derart an dem Stromzuführungselement (36) angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung zwischen den Ausnehmungen zwei Bürsten (13, 14) unterschiedlicher Polarität einschließlich der Kontaktierung (50) einer Bürste (13) mit dem Stromzuführungselement (36) sowie der Anschluss (46) der äußeren Zuleitung (38, 39) zu dem Stromzuführungselement (36) liegen.
Bürstenapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer sechspoligen elektrischen Maschine (10) mit wenigsten vier am Umfang des Kommutator (20) verteilten Bürsten (13, 14) die Ausnehmungen (54) des Stromzuführungselementes (36) derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung zwischen zwei Ausnehmungen (54) zwei Bürsten (13, 14) unterschiedlicher Polarität und der Anschluss (46) der Zuleitung (38, 39) liegen.
Bürstenapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromzuführungselement (36) kreisringförmig ausgebildet ist und die Ausnehmungen (54) als Randkerben ausgebildet sind.
Büstenapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ausnehmungen (54) Außenumfang des Stromzuführungselementes (36) angeordnet sind.
Bürstenapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Stromzuführungselementes (36) einen spezifischen Widerstand von 0,04 bis 0,2 Ohm·mm²/m aufweist.
Bürstenapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Stromzuführungselementes (36) einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten größer oder gleich 4·10^–3·1/K aufweist.
Bürstenapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Stromzuführungselementes (36) eine Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 150 W/m·K besitzt.
Bürstenapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromzuführungselement (36) als Stahlblechteil ausgebildet ist mit einer Blechstärke von 1,0 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise mit einer Blechstärke von 1,2 mm.