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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bürstenanordnung für eine Kraftstoffpumpe, mit der insbesondere elektrisch leitfähige Kraftstoffe gefördert werden können. Die Erfindung betrifft ferner eine mit einer solchen Bürstenanordnung ausgestattete Elektrokraftstoffpumpe sowie eine Bürste für eine solche Bürstenanordnung.
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STAND DER TECHNIK
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Elektrokleinmotoren, die in Flüssigkeiten betrieben werden können und/oder die von Flüssigkeiten durchströmt werden können, werden beispielsweise im Automobilbau als Kraftstoffpumpen, Wasserpumpen oder dergleichen eingesetzt. Sie können auch in anderen technischen Bereichen beispielsweise als Förderpumpen eingesetzt werden.
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Wie aus der
DE 10 2004 051 463 A1 oder der
DE 199 43 959 A1 bekannt, können bei Elektromotoren, die als Pumpen eingesetzt werden, häufig mechanische Kommutierungssysteme eingesetzt werden, bei denen während des Betriebs des Elektromotors eine von außen gelieferte elektrische Spannung über einen Kommutator an die Windungen des Elektromotors weitergeleitet wird. Zur Übertragung der Spannung auf den Kommutator kann dabei eine elektrisch leitfähige Bürste, zum Beispiel eine Kohlebürste, mit Hilfe einer elastischen Bürstenfeder durch Beaufschlagen mit einer Federkraft gegen den Kommutator gepresst werden. Die Bürste ist dabei meist in einem Bürstenhalter derart gehalten, dass sie sich einerseits entlang einer Verlagerungsrichtung hin zu dem Kommutator verlagern lässt und andererseits von dem Bürstenhalter mechanisch geführt wird, das heißt, sich im Wesentlichen ausschließlich entlang der Verlagerungsrichtung bewegen kann. Die Bürstenfeder steht in mechanischem Kontakt mit der Bürste und presst diese in Richtung der Verlagerungsrichtung. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen der durch die Bürstenfeder kraftbeaufschlagten Bürste einerseits und dem im Betrieb rotierenden Kommutator andererseits gewährleistet werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde beobachtet, dass sich bei Elektrokraftstoffpumpen nach einem längeren Betrieb Verschleißerscheinungen einstellen können. Insbesondere wurde beobachtet, dass bei Kraftstoffpumpen, die in chemisch aggressiven Flüssigkeiten betrieben werden, Verschleißerscheinungen vor allem an elektrischen Bauteilen innerhalb der Elektrokraftstoffpumpe auftreten können. Beispiele für chemisch aggressive Flüssigkeiten sind elektrisch leitfähige Kraftstoffe, die zum Beispiel Alkohole beispielsweise in Form von Methanol oder Ethanol enthalten, und salzhaltige Medien.
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Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung in nicht naheliegender Weise erkannt, dass solche Verschleißerscheinungen unter anderem auf Korrosion, insbesondere Elektrokorrosion, zurückgeführt werden können. Nach einem Verständnis der Erfinder kann eine solche Korrosion insbesondere dadurch verstärkt auftreten, dass elektrisch leitfähige Komponenten, wie beispielsweise eine metallhaltige Bürstenfeder, in direktem elektrischen Kontakt mit einer der Bürsten der Elektropumpe stehen und somit während eines Betriebs der Elektropumpe ebenso wie die Bürsten durch eine von außen angelegte Betriebsspannung auf ein bestimmtes, gegebenenfalls zeitlich variables elektrisches Potential gelegt werden. Aufgrund dieses Potentials kann es zu einer Ionenbildung und zu einem Ionenaustausch innerhalb des umgebenden, elektrisch leitfähigen Kraftstoffs bzw. des umgebenden salzhaltigen Mediums kommen, wodurch eine verstärkte Korrosion begünstigt werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, in einem Kontaktierungsbereich zwischen der elektrisch leitfähigen Bürstenfeder und der ebenfalls elektrisch leitfähigen Bürste ein elektrisch isolierendes Isolationselement zwischenzulagern.
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Dieses Isolationselement sollte derart ausgestaltet sein, dass einerseits eine von der daran anliegenden Bürstenfeder ausgeübte Federkraft über das Isolationselement an die Bürste übertragen werden kann, damit die Bürste gegen einen Kommutator der Elektrokraftstoffpumpe gepresst wird. Hierzu sollte das Isolationselement eine ausreichend hohe mechanische Stabilität und eine ausreichend hohe Widerstandsfähigkeit beispielsweise gegen mechanische Abnutzung aufweisen, um mechanischen Verschleiß über die Nutzungsdauer der Kraftstoffpumpe gering zu halten. Andererseits sollte das Isolationselement im Wesentlichen elektrisch isolierend wirken, das heißt eine vernachlässigbar kleine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass die auf einem elektrischen Potential gehaltene Bürste durch das Isolationselement von der Bürstenfeder elektrisch getrennt ist. Beispielsweise sollte ein zwischen der Bürste und der Bürstenfeder durch das Isolationselement bewirkter elektrischer Widerstand größer als 1 MΩ, vorzugsweise größer als 10 MΩ.
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Aufgrund der von dem Isolationselement bewirkten elektrischen Isolation zwischen Bürste und Bürstenfeder kann verhindert werden, dass während des Betriebs der Elektropumpe ein elektrisches Potential nicht nur an der Bürste, sondern auch an der mit dieser in mechanischem Kontakt stehenden Bürstenfeder eingestellt wird. Da die Bürstenfeder somit nicht auf einem von außen vorgegebenen elektrischen Potential gehalten wird, kommt es im Wesentlichen zu keinem Ionenaustausch zwischen der Bürstenfeder und einem umgebenden, möglicherweise chemisch aggressiven flüssigen Medium. Dadurch können Korrosionseffekte, insbesondere ausgelöst durch Elektrokorrosion, gering gehalten werden.
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Das Isolationselement kann an der Bürste befestigt sein. Hierdurch kann eine einfache Handhabung der Bürste und ein einfacher Zusammenbau der Bürste und der Bürstenfeder in den Bürstenhalter erreicht werden. Außerdem kann verhindert werden, dass sich das Isolationselement ungewollt in Relation zu der Bürste verlagert und es zu einem elektrischen Kontakt zu der Bürstenfeder kommen kann.
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Insbesondere kann das Isolationselement an der Bürste durch Anklipsen befestigt sein. Das Isolationselement kann auf diese Weise kraftschlüssig oder formschlüssig an der Bürste festgelegt sein. Das Isolationselement kann somit einfach als separates Bauteil hergestellt werden und anschließend beim Zusammenbau der Bürste bzw. der gesamten Bürstenanordnung an der Bürste befestigt werden. Alternativ ist natürlich auch vorstellbar, das Isolationselement an der Bürstenfeder zu befestigen oder das Isolationselement frei liegend, also weder an der Bürste noch an der Bürstenfeder fixiert, zwischen der Bürste und der Bürstenfeder zwischenzulagern, wobei das Isolationselement in diesem Fall z. B. aufgrund der Form des Bürstenhalters in Position gehalten werden kann.
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Das Isolationselement ist vorzugsweise in seinen geometrischen Abmessungen dazu angepasst, eine zuverlässige elektrische Separation zwischen der Bürste und der Bürstenfeder zu gewährleisten. Insbesondere kann das Isolationselement die Bürste in einem Flächenbereich bedecken, der größer oder gleich groß ist wie der Kontaktierungsbereich, indem die Bürstenfeder die Bürste mechanisch kontaktiert. Damit kann sichergestellt werden, dass selbst für den Fall, dass die Bürstenfeder, die Bürste und/oder das Isolationselement geringfügig verrutschen sollte, eine elektrische Trennung zwischen Bürste und Bürstenfeder stets gegeben ist.
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Das Isolationselement kann aus einem Material gefertigt sein, das widerstandsfähig gegenüber Kraftstoff ist. Insbesondere sollte das Material des Isolationselementes mechanisch sowie chemisch beständig gegenüber einem alkoholhaltigen Kraftstoff und/oder salzhaltigen flüssigen Medien sein. Als Kraftstoffe können hierbei z. B. Benzin, Diesel, Biodiesel, Flüssiggas, etc. angesehen werden. Hierdurch kann ein zuverlässiger Betrieb der Kraftstoffpumpe über einen langen Zeitraum gewährleistet werden.
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Das Isolationselement kann ferner aus einem Material gefertigt sein, das bei Kontakt mit Kraftstoff um weniger als 5 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 2 Vol.-% und stärker bevorzugt weniger als 1 Vol.-% aufquillt. Mit anderen Worten sollte eine durch ein Aufquellen bedingte Volumenvergrößerung des Isolationselementes bei Kontakt mit flüssigem Kraftstoff möglichst gering sein. Dadurch kann einerseits eine durch das Aufquellen bedingte mechanische Schwächung des Isolationselementes begrenzt werden und andererseits kann eine durch das Aufquellen des Isolationselementes bewirkte Verlagerung der Bürstenfeder in Relation zu der Bürste klein gehalten werden.
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Das Isolationselement kann insbesondere aus Polyphenylensulfid (PPS) gefertigt sein. PPS ist ein hochtemperaturbeständiger, chemisch widerstandsfähiger, thermoplastischer Kunststoff mit guten mechanischen Eigenschaften. Insbesondere neigt PPS kaum dazu, Flüssigkeiten aufzunehmen und verfügt somit über eine gute Dimensionsstabilität. Außerdem weist PPS sehr gute elektrische Isolationseigenschaften auf.
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Das in der vorgeschlagenen Bürstenanordnung enthaltene Isolationselement kann insbesondere dann wichtig sein, wenn die Bürstenfeder aus einem blanken metallischen Material gefertigt ist. „Blank” kann hierbei bedeuten, dass an der Oberfläche der Bürstenfeder metallisches Material freiliegt und direkt in Kontakt mit einem umgebenden Medium, wie beispielsweise flüssigem Kraftstoff, kommen kann. Da es insbesondere an solchen freiliegenden Bereichen der metallischen Bürstenfeder bei Anliegen eines von außen vorgegebenen elektrischen Potentials zu Korrosionserscheinungen kommen kann, kann eine elektrische Trennung der Bürste von der Bürstenfeder mit Hilfe des Isolationselementes hilfreich sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bürste für die oben beschriebene Bürstenanordnung vorgeschlagen. Eine solche Bürste ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und weist an einer Oberfläche, die in der zusammengebauten Bürstenanordnung in mechanischem Kontakt zu einer Bürstenfeder steht, ein elektrisch isolierendes Isolationselement, wie es oben beschrieben wurde, auf.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrokraftstoffpumpe mit einer Bürstenanordnung, wie sie oben beschrieben wurde. Die Elektrokraftstoffpumpe kann dabei derart ausgelegt sein, dass eine Flüssigkeit, wenn sie mit Hilfe der Elektrokraftstoffpumpe gefördert wird, insbesondere mit dem elektrisch leitfähigen Material der Bürstenfeder in Kontakt kommt. Insbesondere für solche Elektrokraftstoffpumpen, mit denen elektrisch leitfähige, alkoholhaltige Kraftstoffe und/oder salzhaltige Medien gefördert werden sollen und diese in Kontakt mit Komponenten der Elektrokraftstoffpumpe gelangen, kann die zuvor beschriebene elektrische Trennung zwischen Bürste und Bürstenfeder mit Hilfe des Isolationselementes vorteilhaft sein.
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Es wird angemerkt, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf die Bürstenanordnung und teilweise mit Bezug auf die einzelne Bürste bzw. eine gesamte Elektrokraftstoffpumpe beschrieben sind. Einem Fachmann ist hierbei jedoch ersichtlich, dass die Merkmale allgemein miteinander kombiniert werden können und sich bei solchen Kombinationen zusätzliche Synergieeffekte einstellen können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei die Beschreibung nicht die Erfindung einschränkend ausgelegt werden soll.
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1 zeigt eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Bürstenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch eine Bürstenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine teilweise durchscheinende Ansicht einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Ähnliche oder ähnlich wirkende Komponenten sind in den Figuren mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In den 1 und 2 ist eine Bürstenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine elektrisch leitfähige Kohlebürste 3 ist dabei innerhalb eines Bürstenhalters 5 derart gehalten, dass sie sich entlang einer Verlagerungsrichtung 9 verlagern lässt und dabei durch den Bürstenhalter 5 seitlich geführt wird.
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An dem Bürstenhalter 5 ist ferner eine Bürstenfeder 7 angebracht. Die Bürstenfeder 7 besteht im dargestellten Beispiel aus einem gebogenen Metallblech, das sich an Anlageflächen 13, 15, 17 an dem Bürstenhalter 5 abstützt. An einem oberen Ende ist das Metallblech der Bürstenfeder spiralförmig gewunden. Die Bürstenfeder 7 wird daher auch als Rollbandfeder bezeichnet. Durch diese geometrische Ausformung kann die Bürstenfeder 7 auch bei Abnutzungen der Bürste 3, die zu einer Verkleinerung der Bürste 3 führen, stets eine ausreichend hohe und vorzugsweise konstante Federkraft auf die Bürste 3 ausüben. Hierzu steht die Bürstenfeder 7 in einem Kontaktierungsbereich 19 in mechanischem Kontakt mit der Bürste 3.
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Um einen elektrischen Kontakt zwischen der Bürste 3 und der Bürstenfeder 7 zu vermeiden, ist in dem mechanischen Kontaktbereich 19 ein elektrisch isolierendes Isolationselement 11 zwischen die beiden Komponenten zwischengelagert.
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Wie in den 3 und 4 vergrößert dargestellt, bedeckt das Isolationselement 11 einen wesentlichen Anteil der Oberfläche der Bürste 3 an einer Kopfschräge 21 dieser Bürste 3. Im dargestellten Beispiel ist das Isolationselement 11 in Draufsicht kreisförmig, hat einen Durchmesser von etwa 2,5 mm und ragt um etwa 0,5 mm bis 0,8 mm über die Oberfläche an der Kopfschräge 21 hinaus.
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Das Isolationselement 11 besteht dabei aus einem mechanisch und chemisch widerstandsfähigen Kunststoff, wie beispielsweise PPS, der zudem noch eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Um das Isolationselement 11 an der Bürste 3 zu befestigen, weist die Bürste 3 im Kontaktierungsbereich 19 eine Vertiefung 23 auf. Das Isolationselement 11 weist an seiner Unterseite eine zu der Vertiefung 23 komplementär ausgestaltete Geometrie auf, so dass es in die Vertiefung eingebracht und dort befestigt werden kann. Wie in 4 dargestellt, kann das Isolationselement 11 mit einem Zapfen 25 ausgestattet sein, der formschlüssig oder kraftschlüssig mit der Vertiefung 23 in der Bürste 3 zusammenwirkt und somit ermöglicht, das Isolationselement 11 zuverlässig an der Bürste 3 zu befestigen.
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Das Isolationselement 11 kann einstückig ausgebildet sein, das heißt, sowohl der zu der Bürstenfeder gerichtete Flächenbereich als auch ein in der Bürste 3 verankerter Zapfen 25 können einstückig aus dem gleichen Material gebildet sein. Alternativ kann das Isolationselement auch mehrteilig aufgebaut sein.
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Wenn die vorgestellte Bürstenanordnung in einer Elektrokraftstoffpumpe (nicht dargestellt) eingesetzt wird, kann mit Hilfe der von der Bürstenfeder 7 nach unten vorgespannten Bürste 3 eine elektrische Spannung, die über eine Litze 27 an die Bürste 3 angelegt wird, auf einen Kommutator, der sich unter der Bürste 3 rotierend bewegen kann, übertragen werden. Auf diese Weise kann in Leiterwindungen, die wiederum mit dem Kommutator elektrisch verbunden sind, ein Strom bewirkt werden, der seinerseits ein magnetisches Feld erzeugt und letztendlich für eine rotierend antreibende Bewegung der Elektrokraftstoffpumpe sorgt.
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Die Elektrokraftstoffpumpe kann hierbei direkt in ein zu förderndes flüssiges Medium, wie zum Beispiel flüssigen Kraftstoff, eingebracht werden, wobei die Komponenten der Elektrokraftstoffpumpe von dem flüssigen Medium umströmt werden und mit diesem sowohl in mechanischen als auch gegebenenfalls in elektrischen Kontakt kommen können.
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Um einen elektrischen Kontakt zwischen der Bürste 3 und dem blanken Metallblech der Bürstenfeder 7 zu vermeiden, ist das Isolationselement 11 zwischen diese beiden Komponenten zwischengelagert. Es vermeidet somit, dass eine an die Bürste 3 angelegte elektrische Spannung auch die Bürstenfeder 7 auf ein entsprechendes elektrisches Potential legt. Da die Bürstenfeder 7 somit während des Betriebs der Elektrokraftstoffpumpe nicht auf ein bestimmtes elektrisches Potential gesetzt wird, kommt es im Allgemeinen zu keinem Ionenaustausch zwischen dem Material der Bürstenfeder 7 und einem umströmenden flüssigen Medium. Insbesondere wenn es sich bei dem umströmenden flüssigen Medium um einen elektrisch leitfähigen, alkoholhaltigen Kraftstoff handelt, kann auf diese Weise ein ansonsten beobachtbares elektrisches Korrodieren der metallischen Bürstenfeder 7 verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004051463 A1 [0003]
- DE 19943959 A1 [0003]
