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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenanordnung in einer Kommutierungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
WO 2009/106461 A2 wird ein Strom-Überlastschutz für einen elektrischen Startermotor einer Brennkraftmaschine beschrieben. Der Strom-Überlastschutz befindet sich in der Kommutierungseinrichtung zur Stromwendung und -übertragung auf Ankerwicklungen, die gemeinsam mit dem Rotor des Startermotors umlaufen. Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen ankerseitigen, zylindrischen Kollektor, an dessen Mantelfläche zur Stromübertragung Kohlebürsten in Schleifkontakt anliegen, welche in köcherförmigen Bürstenhalterungen verschieblich geführt sind. Die Kohlebürsten werden über eine Stromsammelschiene mit Strom versorgt, welche zweiteilig mit einem ersten und einem zweiten Stromführungselement ausgeführt ist, zwischen denen eine schmelzbare Elementverbindung flächig angeordnet ist. Die beiden Stromführungselemente sind über eine Federeinrichtung gegeneinander vorgespannt. Mit dem Erreichen einer Auslösetemperatur schmilzt die Elementverbindung, so dass die Stromführungselemente durch die Kraft des Federelementes sich voneinander lösen können und der Stromkreis unterbrochen wird.
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Voraussetzung für den Strom-Überlastschutz gemäß der
WO 2009/106461 A2 ist die Zweiteilung der Stromsammelschiene und die Relativbewegungsmöglichkeit zwischen den beiden Stromführungselementen der Stromsammelschiene. Auch müssen die Haftkraft der schmelzbaren Elementverbindung sowie die Kraft des Federelementes aufeinander sowie in Bezug auf die zu bewegenden Massen abgestimmt sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen wirksamen Überlastschutz in einer elektrischen Maschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Bürstenanordnung ist Teil einer Kommutierungseinrichtung in einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einem Startermotor für eine Brennkraftmaschine. Über die Kommutierungseinrichtung wird Strom auf ein Ankerpaket übertragen, das drehfest mit der Motorwelle der elektrischen Maschine umläuft. Zu der Kommutierungseinrichtung gehört neben der Bürstenanordnung auch ein mit der Motorwelle verbundener Kollektor, an dessen Mantelfläche Bürsten der Bürstenanordnung zur Stromübertragung anliegen.
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Die Bürstenanordnung weist eine Bürstenhalterung auf, in der eine Bürste verstellbar gelagert ist, welche über eine Anschlusslitze mit Strom versorgt wird. Zur Realisierung eines Stromüberlastschutzes ist ein Kontaktelement an der Bürstenanordnung gehalten, das zwischen einer Ausgangsposition und einer Kurzschlussposition verstellbar ist, in welcher ein Kurzschluss im Stromkreis der Kommutierungseinrichtung herbeigeführt wird. Das Kontaktelement ist in Richtung der Kurzschlussposition vorgespannt und unterhalb einer Auslösetemperatur von einem thermisch verformbaren Sicherungsbauteil in der Ausgangsposition gesichert.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass lediglich das Kontaktelement verstellt werden kann, nicht jedoch die Strombrücke. Die Strombrücke kann somit einteilig ausgeführt sein, außerdem ist es nicht erforderlich, die Strombrücke oder einen Teil der Strombrücke beweglich auszubilden. Die Strombrücke kann an der Bürstenplatte ohne Relativbewegungsmöglichkeit fixiert sein. Es reicht grundsätzlich aus, ein verhältnismäßig klein bauendes Kontaktelement mit geringer Masse bzw. Trägheitsmoment einzusetzen, so dass auch eine entsprechend geringe Vorspannung ausreicht, um das Kontaktelement bei dem Überschreiten der Auslösetemperatur in die Kurzschlussposition zu verstellen.
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Das Kontaktelement ist von dem thermisch verformbaren Sicherungsbauteil in der Ausgangsposition gesichert. Das Material des Sicherungsbauteils besteht beispielsweise aus Kunststoff und schmilzt bzw. wird mit dem Erreichen der Auslösetemperatur weich, so dass von dem Sicherungsbauteil die Vorspannungs-Reaktionskraft, welche als Reaktion auf die Vorspannung des Kontaktelements im Sicherungsbauteil wirksam ist, nicht mehr aufgebracht werden kann und das Kontaktelement durch die Wirkung der Vorspannung in die Kurzschlussposition verstellt wird. Da grundsätzlich verhältnismäßig geringe Vorspannungskräfte für die Vorspannung des Kontaktelementes ausreichen, um dieses aus der Ausgangs- in die Kurzschlussposition zu überführen, genügt auch ein verhältnismäßig klein dimensioniertes Sicherungsbauteil zur Aufnahme der Reaktionskräfte.
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Grundsätzlich kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht, als Überlastsicherung einen Kurzschluss auszulösen. Möglich ist es beispielsweise, über das Kontaktelement unmittelbar einen Kurzschluss herzustellen, beispielsweise derart, dass das elektrisch leitende Kontaktelement eine Kurzschlussbrücke zwischen einer Stromschiene, über die die plusseitigen Bürsten mit Strom versorgt werden, und einem masseseitigen Bauteil der Bürstenanordnung schlägt, beispielsweise der Bürstenplatte, die auf Masse liegt. Das Kontaktelement kann entweder unmittelbar zwischen der Stromschiene und einem masseseitigen Bauteil eine Brücke schlagen oder zwischen einem mit der Stromschiene elektrisch verbundenen Bauteil, beispielsweise einer Anschlusslitze bzw. einer plusseitigen Bürste und einem masseseitigen Bauteil.
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In Betracht kommt auch ein Brückenschlag über das Kontaktelement zwischen einer masseseitigen Anschlusslitze bzw. Bürste und der Stromschiene bzw. einem mit der Stromschiene elektrisch verbundenen Bauteil.
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Des Weiteren ist es möglich, beim Auslösen des Kontaktelementes und der Überführung in die Kurzschlussposition nicht direkt einen Kurzschluss herzustellen, sondern eine Situation herbeizuführen, die zu einem Kurzschluss führt. Beispielsweise kann das Kontaktelement in der Kurzschlussposition die Anschlusslitze einer Bürste beaufschlagen und diese entweder durchtrennen oder zumindest verletzen. Hierdurch ist der Stromfluss in der Anschlusslitze unterbrochen oder zumindest reduziert, was in der Folge zu einem erhöhten Stromfluss durch die Anschlusslitzen der weiteren Bürsten führt, welche daraufhin durchbrennen, so dass der Stromfluss durch sämtliche Bürsten unterbrochen ist. Es kann sowohl die Anschlusslitze einer plusseitigen Bürste als auch einer masseseitigen Bürste von dem Kontaktelement beaufschlagt werden.
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Die Beaufschlagung der Anschlusslitze kann auch in der Weise erfolgen, dass das Kontaktelement in der Kurzschlussposition die Anschlusslitze bzw. eine Bürste mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt, welche die Bürste aus ihrer Kontaktposition an der Mantelfläche des ankerseitigen Kollektors in eine zurückgezogene Außerkontaktposition verstellt. Dadurch wird der Stromfluss durch die betreffende Bürste unterbrochen, wodurch sich der Strom in den übrigen Anschlusslitzen erhöht und diese durchschmelzen.
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Zur Erzeugung der Vorspannung kann ein Federelement dienen, das am Kontaktelement angreift und als ein vom Kontaktelement separat ausgebildetes Bauteil ausgeführt ist. In Betracht kommt beispielsweise eine Ausführung des Federelementes als Drehfeder, wobei in dieser Ausführung das Kontaktelement zweckmäßigerweise eine Schwenkbewegung zur Überführung zwischen der Ausgangs- und der Kurzschlussposition ausübt und die Drehfeder um die Schwenkachse des Kontaktelementes ein Moment in Richtung der Kurzschlussposition erzeugt. Grundsätzlich möglich sind aber auch lineare, translatorische Verstellbewegungen des Kontaktelementes. Auch kann das Federelement sowohl bei schwenkbar gelagerten Kontaktelementen als auch bei translatorisch verstellbaren Kontaktelementen als lineare, translatorisch wirkende Feder ausgebildet sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass das Federelement in das Kontaktelement integriert ist, beispielsweise dergestalt, dass das Kontaktelement bzw. ein Abschnitt des Kontaktelementes eine Federwirkung aufweist und dieser Abschnitt unter Vorspannung gesetzt wird. Soweit zwischen Kontaktund Federelement Identität herrscht, bildet das Federelement selbst das Kontaktelement.
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Das Kontaktelement ist elektrisch leitend ausgebildet, sofern in der Kurzschlussposition unmittelbar ein elektrischer Strom über das Kontaktelement fließt. Falls das Kontaktelement die Aufgabe hat, die Anschlusslitze mit einer Kraft zu beaufschlagen, entweder um die Anschlusslitze zu verletzen oder um die Bürste in die Außerkontaktposition zu verstellen, muss das Kontaktelement nicht zwingend aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Soll die Anschlusslitze verletzt oder durchtrennt werden, ist es aber zweckmäßig, die Kontaktseite des Kontaktelementes, welche die Antriebslitze beaufschlagt, mit einer Verzahnung, einer Schneidkante oder dergleichen zu versehen, um die Schneidewirkung zu verbessern.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Kommutierungseinrichtung in einer elektrischen Maschine, mit einer Bürstenanordnung, welche eine Bürste in Kontakt mit der Mantelfläche eines Kollektors umfasst, wobei die Bürste über eine Anschlusslitze mit Strom versorgt wird, mit einem Überlastmechanismus als Überlastschutz, der ein schwenkbar gelagertes Kontaktelement umfasst, das durch ein Federelement vorgespannt und von einem thermisch verformbaren Sicherungsbauteil in einer Ausgangsposition gesichert ist,
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2 eine 1 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Kontaktelement des Überlastmechanismus in einer ausgelenkten Kurzschlussposition,
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3 ein als Feder ausgebildetes Kontaktelement mit Schneidezähnen und einem Kontaktschenkel zum Durchtrennen der Anschlusslitze in der Kurzschlussposition,
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4 das Kontaktelement in Seitenansicht in der Ausgangsposition,
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5 das Kontaktelement in Seitenansicht in der ausgelenkten Kurzschlussposition.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist eine Kommutierungseinrichtung 1 in einer elektrischen Maschine gezeigt, bei der es sich beispielsweise um einen elektrischen Startermotor für eine Brennkraftmaschine handelt. Über die Kommutierungseinrichtung 1 erfolgt die Stromübertragung und -wendung auf einen Anker, der mit der Motorwelle der elektrischen Maschine umläuft. Die Kommutierungseinrichtung 1 umfasst eine Bürstenanordnung 2 sowie einen ankerseitigen Kollektor 3, an dessen Mantelfläche eine Bürste 5 der Bürstenanordnung 2 auf Schleifkontakt anliegt. Die Bürste 5 ist in einer Bürstenhalterung 4 verstellbar aufgenommen und wird über eine Anschlusslitze 6 von einer Stromschiene 7 mit Strom versorgt. Die Bürste 5 ist vorteilhafterweise in Richtung auf den Kollektor 3 kraftbeaufschlagt und kann in der köcherförmigen Bürstenhalterung 4 bezogen auf die Motorwellenlängsachse, die zugleich die Längsachse des Kollektors 3 darstellt, radial verstellt werden. Die Bürste 5 kann im Bereich des Kontaktes zum Kollektor 3 gegebenenfalls zumindest annähernd die gleiche Breite wie die Bürstenhalterung 4 aufweisen. Auf der der Stromschiene 7 gegenüberliegenden Seite befindet sich eine Bürstenplatte; die Bürstenhalterung 4 mit der Bürste 5 ist zwischen der Stromschiene 7 und der Bürstenplatte angeordnet.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Bürste 5 um eine plusseitige Bürste. Möglich ist auch eine Ausführung, in der das Bauteil 7 ein Massebauteil ist, mit dem die Anschlusslitze 6 der Bürste 5 verbunden ist. In diesem Fall handelt es sich um eine masseseitige Bürste.
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Die Bürstenanordnung 2 ist mit einem Überlastmechanismus 8 ausgestattet, der eine Schmelzsicherung umfasst. Der Überlastmechanismus 8 weist ein Kontaktelement 9, ein Federelement 10 sowie ein stiftförmiges Sicherungsbauteil 11 auf. Das Kontaktelement 9 ist schwenkbar an der Stromschiene 7 oder einer Bürstenplatte bzw. einem sonstigen, gehäuseseitigen Bauteil gelagert und weist einen schwenkbaren Schenkel 9a auf, der um eine Schwenkachse 12 zwischen der in 1 dargestellten Ausgangsposition und der in 2 dargestellten Kurzschlussposition verschwenkbar ist. Das Kontaktelement 9 bzw. der Schenkel 9a des Kontaktelementes ist von einem Federelement 10, das als Drehfeder ausgebildet ist, in die ausgelenkte Kurschlussposition kraftbeaufschlagt bzw. vorgespannt. Das stiftförmige Sicherungsbauteil 11 ist thermisch verformbar und sichert den Schenkel 9a des Kontaktelementes 9 gegen die Kraft der von dem Federelement 10 ausgeübten Vorspannung in der Ausgangsposition gemäß 1. Das Sicherungsbauteil 11 besteht aus einem thermisch verformbaren Material, beispielsweise Kunststoff, und beginnt sich mit dem Erreichen einer Auslösetemperatur zu verformen, so dass von dem Sicherungsbauteil 11 die Reaktionskraft auf die Vorspannung nicht länger aufgebracht werden kann. Das Sicherungsbauteil 11 reißt entzwei, und der Schenkel 9a des Kontaktelementes wird durch die Wirkung der Drehfeder 10 in die in 2 dargestellte, ausgelenkte Kurzschlussposition verschwenkt.
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Der Schenkel 9a des Kontaktelementes 9 beaufschlagt in der Kurzschlussposition gemäß 2 die Anschlusslitze 6 und drückt diese vom Kollektor 3 weg, so dass die Bürste 5 aus der Kontaktposition mit der Mantelfläche des Kollektors 3 in eine Außerkontaktposition verstellt wird, in der die Bürste 5 sich in der köcherförmigen Aufnahme in der Bürstenhalterung 4 befindet. Diese Verstellbewegung erfolgt gegen die Kraft eines Federelements, welches die Bürste 5 unmittelbar mit einer Anpresskraft in Richtung auf den Kollektor 5 drückt.
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Da in der Kurschlussposition gemäß 2 der Stromfluss unterbrochen ist, erhöht sich entsprechend der Stromfluss durch die Anschlusslitzen der übrigen Bürsten, woraufhin diese durchschmelzen, so dass auch der Stromfluss durch die weiteren Bürsten unterbrochen ist.
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Möglich ist auch eine Ausführung, bei der die Anschlusslitze von dem Schenkel 9a des Kontaktelementes 9 verletzt oder ggf. vollständig durchtrennt wird. In diesem Fall ist der Stromfluss durch die Anschlusslitze reduziert bzw. unterbrochen, woraufhin sich in der vorbeschriebenen Weise der Stromfluss durch die übrigen Anschlusslitzen erhöht und diese durchschmelzen.
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In den 3 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel für das Kontaktelement 9 dargestellt. Das Kontaktelement 9 ist als ein umlaufender Rahmen ausgebildet und weist zwei Gelenke 13 auf, von denen jeweils ein Schenkel 9a verzweigt. Die den Gelenken 13 abgewandten Enden der Schenkel 9a sind über einen Bügel 14 miteinander verbunden, der mit Schneidzähnen 15 versehen ist, um das Durchtrennen oder Verletzen der Anschlusslitze in der Kurzschlussposition zu unterstützen. Anstelle von Schneidzähnen 15 kann der Bügel 14 auch als glatte Schneidkante ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/106461 A2 [0002, 0003]
