DE102011089373B4 - Brush holder assembly for a carbon brush - Google Patents

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Abstract

Eine Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste in einer elektrischen Maschine weist eine Kohlebürste auf, die in einem Bürstenhalter verstellbar gehalten und von einem Federelement gegen einen ankerseitigen Kollektor kraftbeaufschlagt ist. Der Kohlebürste ist außerdem ein Dämpfungselement zugeordnet, welches eine Dämpfungsrate aufweist, die von der radialen Abweichung des Kollektors von der Kreisform abhängt.A brush holder assembly for a carbon brush in an electric machine comprises a carbon brush which is adjustably held in a brush holder and is biased by a spring member against an armature side collector. The carbon brush is also associated with a damping element, which has a damping rate that depends on the radial deviation of the collector of the circular shape.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a brush holder assembly for a carbon brush for power transmission in an electric machine according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Bekannt sind Elektromotoren, welche mit einem Kommutator zur Stromübertragung auf den in einem Stator rotierend gelagerten Anker sowie zur Stromwendung in kurz geschlossenen Ankerspulen eingesetzt werden. Derartige Kommutatoren bestehen aus einem ankerseitigen Kollektor und gehäusefesten Kohlebürsten, die an der Mantelfläche des rotierenden Kollektors anliegen. Die Kohlebürsten sind in einer Bürstenhalteanordnung radial in Richtung auf den ankerseitigen Kollektor verschieblich gelagert und über ein Federelement zum Kollektor hin kraftbeaufschlagt. Auf diese Weise kann ein Verschleiß der Kohlebürsten durch selbsttätiges Nachstellen in Radialrichtung kompensiert werden.Are known electric motors, which are used with a commutator for power transmission to the rotor mounted in a rotatably mounted armature and for current application in short-circuited armature coils. Such commutators consist of an armature-side collector and housing-fixed carbon brushes, which bear against the lateral surface of the rotating collector. The carbon brushes are mounted displaceably in a brush holder arrangement radially in the direction of the armature-side collector and are acted upon by a spring element towards the collector. In this way, wear of the carbon brushes can be compensated by automatic adjustment in the radial direction.

Insbesondere bei Elektromotoren, welche auf eine hohe Anzahl von Schaltzyklen ausgelegt sind, beispielsweise Startermotoren für Brennkraftmaschinen, muss zum Erreichen der geforderten Lebensdauer sichergestellt sein, dass Schwingungen der Kohlebürste bzw. des Bürstenhalters nicht zu einem erhöhten Verschleiß führen. Derartige Schwingungen, die neben der Bürstenhalterung und der Kohlebürste auch das Federelement betreffen, können durch den Schleifkontakt zwischen Kohlebürste und Kollektor angeregt werden.In particular, in electric motors, which are designed for a high number of switching cycles, such as starter motors for internal combustion engines, must be ensured to achieve the required life that vibrations of the brush and the brush holder do not lead to increased wear. Such vibrations, in addition to the brush holder and the carbon brush also affect the spring element can be excited by the sliding contact between the brush and collector.

In der JP 2008220040A wird eine Bürstenhalteanordnung mit einer Federkraft belasteten Kohlebürste beschrieben, welche in einem Bürstenhalter verschieblich gelagert ist, wobei zur Stabilisierung des Anpressdrucks, mit dem die Kohlebürste am Kollektor anliegt, zwischen dem Federelement und der Kohlebürste ein Dämpfungsmaterial angeordnet ist.In the JP 2008220040A a brush holder assembly is described with a spring force loaded carbon brush, which is slidably mounted in a brush holder, wherein for stabilizing the contact pressure with which the carbon brush rests against the collector, a damping material between the spring element and the carbon brush is arranged.

Die gattungsgemäße DE 10058742 A1 offenbart eine Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste in einer elektrischen Maschine, bei der die Kohlebürste in einem Bürstenhalter verstellbar gehalten und von einem Federelement gegen einen ankerseitigen Kollektor kraftbeaufschlagt ist. Um ein Aufschwingen der Kohlebürste durch Anregungen, welche beim Umlaufen durch Unrundheiten des Kollektors entstehen, entgegenzuwirken, befindet sich zwischen der Kohlebürste und dem Bürstenhalter eine Gleitfläche, die mit Reibung behaftet ist, wodurch Schwingungen gedämpft werden.The generic DE 10058742 A1 discloses a brush holder assembly for a carbon brush in an electric machine in which the carbon brush is adjustably held in a brush holder and is biased by a spring member against an armature side collector. In order to counteract a swinging of the carbon brush by suggestions, which arise when circulating through non-circularity of the collector, located between the carbon brush and the brush holder is a sliding surface which is subject to friction, whereby vibrations are damped.

Aus der DE 78 09 298 U1 ist eine Bürstenanordnung bekannt, bei der die Kohlebürste über ein federbeaufschlagtes Kontaktstück stirnseitig mit Strom versorgt wird. Zwischen dem Kontaktstück und der Stirnseite der Kohlebürste ist ein Dämpfungselement angeordnet.From the DE 78 09 298 U1 a brush arrangement is known, in which the carbon brush is supplied via a spring-loaded contact piece frontally with power. Between the contact piece and the end face of the carbon brush, a damping element is arranged.

Die DE 10 2008 054 960 A1 offenbart eine Bürstenanordnung mit einem elastischen Dämpfungselement zwischen der hinteren Stirnseite der Kohlebürste und einem auf Masse gelegten Bauteil.The DE 10 2008 054 960 A1 discloses a brush assembly having an elastic damping element between the rear face of the carbon brush and a grounded component.

Aus der DE 10 2008 012 963 A1 und der DD 223 581 A1 ist eine Bürstenanordnung bekannt, bei der zur Dämpfung von Schwingungen an der Kohlebürste Dämpferelemente vorgesehen sind.From the DE 10 2008 012 963 A1 and the DD 223 581 A1 a brush arrangement is known in which damping elements are provided for damping vibrations on the carbon brush.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine klein bauende Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste in einer elektrischen Maschine anzugeben, wobei die Bürstenhalteanordnung auf eine hohe Anzahl von Schaltzyklen ausgelegt sein soll.The invention has for its object to provide with simple constructive measures a small-sized brush holder assembly for a carbon brush in an electrical machine, the brush holder assembly should be designed for a large number of switching cycles.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This object is achieved with the features of claim 1. The dependent claims indicate expedient developments.

Die erfindungsgemäße Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste ist Bestandteil eines Kommutators zur Stromübertragung und Stromwendung in einer elektrischen Maschine, welche einen Stator und einen rotierend gelagerten Rotor aufweist, der Träger eines Ankerpakets mit bestrombaren Spulen ist. Die Kohlebürste liegt zur Stromübertragung auf Kontakt mit einem Kollektor, der ebenfalls Bestandteil des Kommutators ist und einteilig mit der Rotorwelle ausgebildet ist. Die Kohlebürste ist im Bürstenhalter verstellbar gehalten und von einem Federelement gegen den anker- bzw. rotorseitigen Kollektor kraftbeaufschlagt, so dass ein ausreichender Kontakt zwischen Kohlebürste und Kollektor auch bei einem Verschleiß der Kohlebürste gewährleistet ist. Die verschiebliche Lagerung der Kohlebürste in dem Bürstenhalter und die Kraftbeaufschlagung über das Federelement ermöglichen ein Nachstellen der Kohlebürste in Radialrichtung auf den Kollektor zu.The brush holder assembly according to the invention for a carbon brush is part of a commutator for power transmission and current application in an electrical machine, which has a stator and a rotor rotatably mounted, which is the carrier of an anchor package with energizable coils. The carbon brush is for power transmission on contact with a collector, which is also part of the commutator and is integrally formed with the rotor shaft. The carbon brush is adjustably held in the brush holder and subjected to a force by a spring element against the armature or rotor-side collector, so that a sufficient contact between carbon brush and collector is ensured even with wear of the carbon brush. The slidable mounting of the carbon brush in the brush holder and the application of force via the spring element allow readjustment of the carbon brush in the radial direction of the collector.

Für eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung sowohl der Kohlebürste als auch des Bürstenhalters einschließlich des Federelementes ist ein Dämpfungselement in der Bürstenhalteanordnung vorgesehen.For effective vibration damping of both the carbon brush and the brush holder including the spring element, a damping element is provided in the brush holder assembly.

Das Dämpfungselement weist eine Dämpfungsrate auf, die von der radialen Abweichung des Kollektors von der Kreisform abhängt. Derartige Abweichungen können sowohl durch eine Welligkeit des Kollektors entstehen als auch durch Unebenheiten auf der Kollektoroberfläche, welche durch die Kollektorlamellen bedingt sind. Beim Umlaufen des Rotors unterliegt die Kohlebürste, welche an der Mantelfläche des Kollektors anliegt, aufgrund der Welligkeiten und Unebenheiten einer Radialbeschleunigung, wobei durch die Auslegung der Dämpfungsrate des Dämpfungselementes als Funktion von der radialen Abweichung des Kollektors von der Kreisform die Dämpfungsrate in optimaler Weise an die spezifischen Gegebenheiten angepasst werden kann. Es ist somit möglich, das Dämpfungselement so zu dimensionieren, dass die Radialbewegung der Kohlebürste minimiert ist und die Kohlebürste beim Umlaufen der Rotorwelle trotz der durch die Welligkeit bzw. Unebenheit der Kollektormantelfläche erzeugten Anregungen ihre radiale Position beibehält und permanent an der Mantelfläche des Kollektors anliegt.The damping element has a damping rate which depends on the radial deviation of the collector from the circular shape. Such deviations can be caused both by a ripple of the collector and by unevenness on the collector surface, which by the Collector blades are conditional. When circulating the rotor, the carbon brush, which rests against the lateral surface of the collector, due to the ripples and unevenness of a radial acceleration, whereby the design of the damping rate of the damping element as a function of the radial deviation of the collector of the circular shape, the damping rate in an optimal manner to the specific circumstances. It is thus possible to dimension the damping element such that the radial movement of the carbon brush is minimized and the carbon brush retains its radial position during the rotation of the rotor shaft despite the suggestions generated by the waviness or unevenness of the collector surface and rests permanently on the lateral surface of the collector.

Es können verschiedene Einflussgrößen für die Ermittlung der Dämpfungsrate des Dämpfungselementes berücksichtigt werden. Die Dämpfungsrate hängt von der Anzahl der radialen Abweichungen des Kollektors von der Kreisform ab, die einen Schwellenwert überschreiten. Es werden somit nur Abweichungen berücksichtigt, die radial nach innen oder radial nach außen gegenüber der Kreisform sich um einen Mindestbetrag unterscheiden. Darunterliegende radiale Abweichungen sind dagegen so gering, dass die hierdurch erzeugten Anregungen auf die Kohlebürsten während des Umlaufens der Rotorwelle nicht in einer signifikanten Weise ins Gewicht fallen.Various factors influencing the determination of the damping rate of the damping element can be taken into account. The damping rate depends on the number of circular collector radial deviations exceeding a threshold. Thus, only deviations are considered that differ radially inward or radially outward relative to the circular shape by a minimum amount. On the other hand, underlying radial deviations are so small that the excitations produced thereby on the carbon brushes during the rotation of the rotor shaft do not fall in a significant way.

Es kann zum Beispiel zweckmäßig sein, die Anzahl der Kommentatorlamellen, welche sich über den Umfang des Kollektors verteilen, zu berücksichtigen. Im Übergangsbereich zwischen benachbarten Kommentatorlamellen können geringfügige, radiale Unebenheiten vorhanden sein, welche zu Anregungen der Kohlebürste führen, was über die Dämpfungsrate des Dämpfungselementes kompensiert werden kann.For example, it may be useful to consider the number of commentary slats distributed over the circumference of the collector. In the transition region between adjacent commentator lamellae, slight, radial irregularities may be present, which lead to excitations of the carbon brush, which can be compensated by the damping rate of the damping element.

Zur Bestimmung der Dämpfungsrate wird ein Faktor festgelegt, der als prozentualer Wert der statischen Anpresskraft bestimmt wird, mit der die Kohlebürste im Idealfall, also bei kreisförmigem Kollektor, gegen die Kollektoroberfläche kraftbeaufschlagt wird. Der Faktor liegt typischerweise in einem Größenbereich zwischen 1% und 5%, bezogen auf die statische Anpresskraft.To determine the damping rate, a factor is determined which is determined as a percentage value of the static pressure force with which the carbon brush is subjected to a force against the collector surface in the ideal case, ie in the case of a circular collector. The factor is typically in a size range between 1% and 5%, based on the static contact pressure.

Als weitere Einflussgröße zur Bestimmung der Dämpfungsrate wird die Nenn-Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine berücksichtigt. Hohe Nenn-Drehgeschwindigkeiten führen zu einer kleineren Dämpfungsrate, geringere Nenn-Drehgeschwindigkeiten zu einer höheren Dämpfungsrate.As a further influencing factor for determining the damping rate, the rated rotational speed of the electrical machine is taken into account. High rated rotational speeds result in a lower damping rate, lower nominal rotational speeds lead to a higher damping rate.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird die Dämpfungsrate in der Weise ausgelegt, dass ein aperiodischer Grenzfall im radialen Schwingungsverhalten der Kohlebürste vermieden wird. Als zusätzliches Kriterium kann vorgegeben werden, dass die Dämpfungsrate eine Mindestdämpfung aufweist. Unter Berücksichtigung sowohl der Vermeidung des aperiodischen Grenzfalles als auch der gewünschten Mindestdämpfung liegt die Dämpfungsrate innerhalb des in dieser Weise eingegrenzten Bereiches, wobei zusätzlich die Abhängigkeit von der radialen Abweichung des Kollektors von der Kreisform besteht.According to a further expedient embodiment, the damping rate is designed in such a way that an aperiodic limiting case in the radial vibration behavior of the carbon brush is avoided. As an additional criterion can be specified that the damping rate has a minimum attenuation. Taking into account both the avoidance of the aperiodic limit case as well as the desired minimum attenuation, the attenuation rate is within the range bounded in this way, with the additional dependence on the radial deviation of the collector from the circular shape.

Das Dämpfungselement weist vorteilhaft eine Dämpfungsrate auf, welche in einem Wertebereich zwischen 0.1 Ns/m und 10 Ns/m liegt. Sämtliche Werte innerhalb dieses Wertebereichs können zweckmäßig sein, also beispielsweise 1 Ns/m, 2 Ns/m oder 5 Ns/m. In bevorzugter Ausführung weist das Dämpfungselement eine Dämpfungsrate auf, welche in einem Wertebereich zwischen 0.2 Ns/m und 1 Ns/m liegt.The damping element advantageously has a damping rate which lies in a value range between 0.1 Ns / m and 10 Ns / m. All values within this range of values may be appropriate, for example 1 Ns / m, 2 Ns / m or 5 Ns / m. In a preferred embodiment, the damping element has a damping rate which lies in a value range between 0.2 Ns / m and 1 Ns / m.

Das Federelement und das Dämpfungselement können eine gemeinsame, integrierte Baueinheit bilden. Durch das Zusammenfassen von Federelement und Dämpfungselement zu einer gemeinsamen Baueinheit ist eine kompakte Bauweise mit einem lediglich geringen Platzbedarf möglich. Die Baueinheit lässt sich in den Bürstenhalter integrieren und benötigt nicht mehr oder nur geringfügig mehr Platz als das Federelement. Das Dämpfungselement der Baueinheit sorgt für eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung, so dass Schwingungen, welche insbesondere in der Resonanzfrequenz von Kohlebürste, Federelement und Bürstenhalter angeregt werden, sich nicht aufschaukeln können, sondern wieder abklingen. Somit ist gewährleistet, dass die Kohlebürste keinen oder nur geringfügigen Schwingungen unterliegt und gleichmäßig bzw. kontinuierlich an der Kollektoroberfläche des Ankers anliegt. Die Stromübertragung ist in besserer Weise gewährleistet, zugleich ist der Verschleiß reduziert, so dass eine höhere Anzahl von Schaltzyklen mit Ein- und Aus-Schaltvorgängen realisiert werden kann.The spring element and the damping element can form a common, integrated structural unit. By combining spring element and damping element to form a common unit, a compact design with only a small footprint is possible. The unit can be integrated into the brush holder and does not require more or only slightly more space than the spring element. The damping element of the assembly provides for effective vibration damping, so that vibrations, which are particularly excited in the resonant frequency of carbon brush, spring element and brush holder, can not rock, but decay again. This ensures that the carbon brush is subject to little or no vibration and rests evenly or continuously on the collector surface of the armature. The power transmission is ensured in a better way, at the same time the wear is reduced, so that a higher number of switching cycles can be realized with on and off switching operations.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Federelement und das Dämpfungselement innerhalb der gemeinsamen Baueinheit parallel zueinander angeordnet sind. Durch die Parallelschaltung ist unabhängig von den Abstützeigenschaften des Dämpfungselementes eine permanente Abstützung der Kohlebürste am Bürstenhalter gewährleistet. Das Dämpfungselement kann somit auf die Dämpfungsfunktion hin optimiert werden. Das Dämpfungselement nimmt nicht zwingend an einer Kraftabstützung der Kohlebürste im Bürstenhalter teil, auch wenn dies gemäß einer Ausführungsvariante der Fall sein kann, so dass die Kohlebürste nicht ausschließlich über das Federelement am Bürstenhalter abgestützt ist, sondern auch über das Dämpfungselement.According to an expedient development, it is provided that the spring element and the damping element are arranged parallel to one another within the common structural unit. Due to the parallel connection, a permanent support of the brush on the brush holder is ensured regardless of the support properties of the damping element. The damping element can thus be optimized for the damping function. The damping element does not necessarily participate in a force support of the carbon brush in the brush holder, even if this may be the case according to a variant, so that the carbon brush not exclusively on the spring element is supported on the brush holder, but also on the damping element.

Grundsätzlich möglich ist auch eine Reihenschaltung von Dämpfungselement und Federelement, soweit das Dämpfungselement in der Lage ist, statische Kräfte zu übertragen.In principle, a series circuit of damping element and spring element is possible, as far as the damping element is able to transmit static forces.

Das Dämpfungselement kann aus einem schaumartigen Material bestehen und dementsprechend einen hohen Lufteinschluss aufweisen, was den Vorteil hat, dass zusätzlich zu den dämpfenden Eigenschaften auch eine Federung möglich ist. Zudem weist das schaumartige Material ein geringes Eigengewicht auf.The damping element may consist of a foam-like material and accordingly have a high air entrapment, which has the advantage that in addition to the damping properties, a suspension is possible. In addition, the foam-like material has a low weight.

In Betracht kommt als Material für das Dämpfungselement auch ein Elastomer, welches insbesondere weich ausgelegt ist und eine hohe Eigendämpfung aufweist.In consideration comes as a material for the damping element and an elastomer, which is designed in particular soft and has a high internal damping.

Die Integration von Feder- und Dämpfungselement in eine gemeinsame Baueinheit kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Möglich ist es beispielsweise, das Dämpfungselement in das Federelement einzusetzen, so dass das Dämpfungselement von dem Federelement umschlossen ist. Das Federelement ist beispielhaft als Spiral- oder Schraubenfeder ausgeführt und nimmt im Innenraum das Dämpfungselement auf.The integration of spring and damping element in a common structural unit can be carried out in various ways. It is possible, for example, to use the damping element in the spring element, so that the damping element is enclosed by the spring element. The spring element is exemplified as a spiral or coil spring and takes in the interior of the damping element.

Alternativ ist es auch möglich, das Federelement in das Dämpfungselement einzusetzen, so dass das Federelement von dem Dämpfungselement umschlossen ist. Das Dämpfungselement ist beispielsweise ringförmig ausgelegt, wobei das Federelement in den zentrischen Innenraum des Dämpfungsringes eingesetzt ist. Hierbei kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen in das Dämpfungselement eine Ausnehmung eingebracht ist zur Aufnahme des Federelementes als auch eine vollständige Integration des Federelementes in das Material des Dämpfungselementes. Die letztgenannte Ausführung eignet sich insbesondre bei einem schaumartigen Material oder einem Elastomermaterial des Dämpfungselementes, mit dem das Federelement bei der Herstellung der Baueinheit umspritzt wird.Alternatively, it is also possible to use the spring element in the damping element, so that the spring element is enclosed by the damping element. The damping element is designed, for example, annular, wherein the spring element is inserted into the central interior of the damping ring. In this case, both versions come into consideration, in which a recess is made in the damping element for receiving the spring element and a complete integration of the spring element in the material of the damping element. The latter embodiment is suitable in particular for a foam-like material or an elastomeric material of the damping element, with which the spring element is encapsulated in the manufacture of the assembly.

Schließlich ist es auch möglich, die Baueinheit mit Federelement und Dämpfungselement als einen gemeinsamen Feder-Dämpfer-Block auszuführen, welcher insbesondere aus einem einheitlichen Material besteht, das sowohl federnde als auch dämpfende Eigenschaften besitzt.Finally, it is also possible to carry out the structural unit with spring element and damping element as a common spring-damper block, which in particular consists of a uniform material which has both resilient and damping properties.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausführung ist zwischen der Baueinheit, welche das Feder- und das Dämpfungselement umfasst, und der Kohlebürste eine Wärmeisolationsschicht angeordnet, die die Funktion einer thermischen Schutzschicht zum Schutz des Federelementes und/oder Dämpfungselementes hat. Im Betrieb der elektrischen Maschine kann sich die Kohlebürste durch Reibung erheblich erwärmen, wobei über die Wärmeisolationsschicht sichergestellt ist, dass die Wärmeübertragung bzw. -leitung von der Kohlebürste auf die Baueinheit so weit reduziert ist, dass eine durch Wärme verursachte Schädigung der Baueinheit vermieden wird.According to a further optional embodiment, a thermal insulation layer which has the function of a thermal protection layer for protecting the spring element and / or damping element is arranged between the structural unit, which comprises the spring and the damping element, and the carbon brush. During operation of the electric machine, the carbon brush can heat up considerably due to friction, it being ensured via the heat insulation layer that the heat transfer or conduction from the carbon brush to the unit is reduced to such an extent that heat damage to the unit is avoided.

Die Bürstenhalteanordnung wird insbesondere in einem elektrischen Startermotor einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Derartige Startermotoren müssen in einer Ausführung der Brennkraftmaschine mit einem Start-Stopp-System eine Vielzahl von Schaltzyklen verlässlich ausführen können.The brush holder assembly is used in particular in an electric starter motor of a starting device for an internal combustion engine. Such starter motors must be able to reliably perform a plurality of switching cycles in an embodiment of the internal combustion engine with a start-stop system.

Eine Auslegung des Dämpfungselementes in diesem Wertebereich hat den Vorteil, dass auch im Falle einer Anregung im Bereich einer Resonanzfrequenz der Bürstenhalteanordnung eine wirkungsvolle Dämpfung gegeben ist.An interpretation of the damping element in this range of values has the advantage that even in the case of excitation in the region of a resonant frequency of the brush holder assembly an effective damping is given.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawings. Show it:

1 in schematischer Darstellung einen Kommutator mit einer Bürstenhalteanordnung, die eine verstellbar in einem Bürstenhalter gelagerte Kohlebürste sowie einen ankerseitigen Kollektor umfasst, mit einem Feder-Dämpfer-System, über das die Kohlebürste an dem Bürstenhalter abgestützt ist, wobei das Feder-Dämpfer-System eine Baueinheit bildet und das Dämpfungselement in das Federelement integriert ist, 1 schematically a commutator with a brush holder assembly comprising an adjustable mounted in a brush holder carbon brush and an anchor-side collector, with a spring-damper system over which the carbon brush is supported on the brush holder, wherein the spring-damper system is a structural unit forms and the damping element is integrated into the spring element,

2 ein Kommutator in einer weiteren Ausführung, bei der das Dämpfungselement aus einem schaumartigen Material besteht und das Federelement vollständig in das Dämpfungselement integriert ist, 2 a commutator in a further embodiment, wherein the damping element consists of a foam-like material and the spring element is fully integrated in the damping element,

3 ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 2, jedoch mit einem ringförmig ausgebildeten Dämpfungselement, in dessen zentrale Ausnehmung ein Federelement eingesetzt ist, 3 a similar embodiment as 2 , but with a ring-shaped damping element, in whose central recess a spring element is inserted,

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Feder-Dämpfer-Baueinheit in Form eines einheitlichen Blockes, 4 a further embodiment with a spring-damper assembly in the form of a unitary block,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches ähnlich wie 4 aufgebaut ist, wobei zwischen der Feder-Dämpfer-Baueinheit und der Kohlebürste eine Wärmeisolationsschicht angeordnet ist. 5 another embodiment, which is similar 4 is constructed, wherein between the spring-damper assembly and the carbon brush, a heat insulating layer is arranged.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same components are provided with the same reference numerals.

Der in 1 dargestellte Kommutator 1 ist Bestandteil einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines elektrischen Startermotors in einer Brennkraftmaschine, und umfasst eine Bürstenhalteanordnung 2 mit einer in einem Bürstenhalter 3 gehaltenen Kohlebürste 4 und einen ankerseitigen Kollektor 5, welcher drehfest mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbunden ist. Zur Stromübertragung und -wendung liegt die Kohlebürste 4 auf Kontakt zur Mantelfläche des rotierenden Kollektors 5. Die Kohlebürste 4 ist in dem im Schnitt U-förmigen Bürstenhalter 3 verschieblich gelagert und kann sich bezogen auf die Längsachse des Kollektors 5 radial in Richtung auf die Mantelfläche des Kollektors bewegen. Um einen ausreichenden Kontakt zwischen der Kohlebürste 4 und dem Kollektor 5 zu gewährleisten, ist die Kohlebürste 4 auf der dem Kollektor 5 abgewandten Seite am Boden des Bürstenhalters 3 über ein Federelement 7 abgestützt, das Bestandteil einer Feder-Dämpfer-Baueinheit 6 ist, welche zusätzlich ein Dämpfungselement 8 umfasst. Das Dämpfungselement 8 hat die Aufgabe, Schwingungen in der Bürstehalteanordnung 2, also Schwingungen des Bürstenhalters 3, der Kohlebürste 4 sowie der Baueinheit 6 wirkungsvoll zu dämpfen. Derartige Schwingungen können radial zur Längsachse des Kollektors 5 auftreten, gegebenenfalls auch in Umfangsrichtung und in Achsrichtung des Kollektors. The in 1 illustrated commutator 1 is part of an electrical machine, such as an electric starter motor in an internal combustion engine, and includes a brush holder assembly 2 with one in a brush holder 3 held carbon brush 4 and an armature-side collector 5 , which is rotatably connected to the rotor shaft of the electric machine. For power transmission and application is the carbon brush 4 on contact with the lateral surface of the rotating collector 5 , The carbon brush 4 is in the U-shaped brush holder 3 slidably mounted and can be based on the longitudinal axis of the collector 5 move radially in the direction of the lateral surface of the collector. To ensure adequate contact between the carbon brush 4 and the collector 5 to ensure is the carbon brush 4 on the collector 5 side facing away from the bottom of the brush holder 3 via a spring element 7 supported, the component of a spring-damper assembly 6 which is additionally a damping element 8th includes. The damping element 8th has the task of vibration in the Bürstesalteanordnung 2 , ie vibrations of the brush holder 3 , the carbon brush 4 and the unit 6 effectively dampen. Such vibrations can be radial to the longitudinal axis of the collector 5 occur, possibly also in the circumferential direction and in the axial direction of the collector.

Die Feder-Dämpfer-Baueinheit 6 integriert sowohl das Federelement 7 als auch das Dämpfungselement 8 innerhalb eines gemeinsamen Bauteils. Dies hat den Vorteil, dass die Montage vereinfacht ist und ein geringerer Bauraum beansprucht wird.The spring-damper assembly 6 Integrates both the spring element 7 as well as the damping element 8th within a common component. This has the advantage that the assembly is simplified and a smaller space is claimed.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Federelement als Schrauben- bzw. Spiralfeder ausgeführt, wobei das Dämpfungselement 8 in das Innere des Federelementes 7 integriert ist. Das Dämpfungselement 8 besteht beispielsweise aus einem Elastomer oder einem schaumartigen Material, welches in das Innere des Federelementes 7 eingesetzt ist. Bei dieser Anordnung handelt es sich um eine Parallelschaltung von Federelement 7 und Dämpfungselement 8, da diese beiden Bauteile gleichzeitig in Radialrichtung – bezogen auf die Längsachse des Kollektors 5 – eine Kraft übertragen.In the embodiment according to 1 the spring element is designed as a helical or spiral spring, wherein the damping element 8th in the interior of the spring element 7 is integrated. The damping element 8th For example, consists of an elastomer or a foam-like material, which in the interior of the spring element 7 is used. This arrangement is a parallel connection of spring element 7 and damping element 8th , as these two components simultaneously in the radial direction - relative to the longitudinal axis of the collector 5 - transmit a force.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Federelement 7 in das Dämpfungselement 8 integriert, welches als schaumartiger Block oder Elastomerblock ausgebildet ist und sich über die gesamte stirnseitige, dem Kollektor 5 abgewandte Fläche der Kohlebürste 4 erstreckt. Das Federelement 7 ist von dem Material des Dämpfungselementes 8 umspritzt.In the embodiment according to 2 is the spring element 7 in the damping element 8th integrated, which is designed as a foam-like block or elastomer block and over the entire front, the collector 5 opposite surface of the carbon brush 4 extends. The spring element 7 is of the material of the damping element 8th molded.

3 zeigt eine ähnliche Ausführung wie 2, jedoch mit dem Unterschied, dass das Dämpfungselement 8 ringförmig ausgebildet ist und eine zentrische Ausnehmung aufweist, in die das Federelement 7 eingesetzt ist. Federelement 7 und Dämpfungselement 8 bilden somit separate Bauteile, die jedoch zu der Baueinheit 6 zusammengefasst sind. 3 shows a similar embodiment as 2 , but with the difference that the damping element 8th is annular and has a central recess into which the spring element 7 is used. spring element 7 and damping element 8th thus form separate components, but to the unit 6 are summarized.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Baueinheit 6 als ein Feder-Dämpfer-Block ausgeführt, welcher beispielsweise als ein federnder Schaum oder ein Elastomer ausgebildet ist, der bzw. das zusätzlich zu den federnden Eigenschaften auch eine Dämpfungsfunktion übernimmt.In the embodiment according to 4 is the building unit 6 embodied as a spring-damper block, which is formed for example as a resilient foam or an elastomer, which in addition to the resilient properties also assumes a damping function.

Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Baueinheit 6 als ein Feder-Dämpfer-Block ausgebildet, der sowohl federnde als auch dämpfende Eigenschaften aufweist. Zusätzlich ist zwischen der dem Kollektor 5 abgewandten Stirnseite der Kohlebürste 4 und dem Feder-Dämpfer-Block 6 eine Wärmeisolationsschicht 9 angeordnet, welche als thermische Schutzschicht dient und eine Wärmeleitung bzw. einen Wärmeübergang von der heißen Kohlebürste auf die Baueinheit 6 verhindern soll. Damit ist sichergestellt, dass die im Betrieb aufgrund der Reibung entstehende Wärme in der Kohlebürste nicht zu einer Schädigung der Feder-Dämpfer-Baueinheit 6 führt.Also in the embodiment according to 5 is the building unit 6 designed as a spring-damper block, which has both resilient and damping properties. In addition, between the collector 5 facing away from the carbon brush 4 and the spring-damper block 6 a thermal insulation layer 9 arranged, which serves as a thermal protective layer and a heat conduction or heat transfer from the hot carbon brush on the assembly 6 should prevent. This ensures that the heat generated in the brush due to the friction in the carbon brush does not damage the spring-damper unit 6 leads.

Die Dämpfungsrate d des Dämpfungselementes wird zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass radiale Abweichungen Δr des Kollektors 5 von der Kreisform in die Höhe der Dämpfungsrate eingehen. Dadurch soll erreicht werden, dass die von der Abweichung hervorgerufenen Anregungen, denen die Kohlebürste unterliegt, sich nicht oder nur in einer möglichst geringen Weise auf die radiale Position der Kohlebürste auswirken. Je nach Größe und Anzahl der radialen Abweichungen der Kollektormantelfläche gegenüber der Kreisform ändert sich die Dämpfungsrate und kann ein entsprechendes Dämpfungselement verwendet werden. Die Abweichungen von der Kreisform werden vorab messtechnisch und/oder aus konstruktiven Gegebenheiten bestimmt, beispielsweise aus der Anzahl der Kommutatorlamellen auf dem Kollektor und dem radialen Überstand bzw. der radialen Vertiefung der Kommutatorlamellen. Soweit diese Informationen bekannt sind, kann ein entsprechend ausgelegtes Dämpfungselement eingesetzt werden, welches die Kohlebürste im Bürstenhalter abstützt. Bei Kenntnis der radialen Abweichung Δr, der Anzahl z der radialen Abweichungen, welche ein Mindestmaß übersteigen, der statischen Anpresskraft F0, mit der die Kohlebürste bei kreisförmigem Kollektor gegen die Mantelfläche des Kollektors gepresst wird, sowie der Nenn-Drehgeschwindigkeit ωA der elektrischen Maschine kann die Dämpfungsrate d wie folgt ermittelt werden:

Figure 00100001
wobei mit k ein Faktor bestimmt wird, der üblicherweise in einem Wertebereich zwischen 1% und 5% liegt.The damping rate d of the damping element is expediently designed so that radial deviations .DELTA.r of the collector 5 of the circular form enter into the amount of damping rate. This is intended to ensure that the suggestions caused by the deviation, to which the carbon brush is subjected, do not or only in the least possible manner affect the radial position of the carbon brush. Depending on the size and number of radial deviations of the collector shell surface relative to the circular shape, the damping rate changes and a corresponding damping element can be used. The deviations from the circular shape are determined in advance by measurement and / or design, for example, from the number of commutator bars on the collector and the radial projection or the radial recess of the commutator. As far as this information is known, a suitably designed damping element can be used, which supports the carbon brush in the brush holder. With knowledge of the radial variation .DELTA.R, the number z of the radial deviations that exceed a minimum level, the static contact force F 0, with the carbon brush is pressed in a circular collector against the lateral surface of the collector, and the rated rotational speed ω A of the electrical machine the damping rate d can be determined as follows:
Figure 00100001
where k is a factor that is usually in a range between 1% and 5%.

Die radiale Abweichung Δr liegt üblicherweise in einer Größenordnung von r/1000, wobei r der Radius des Kollektors ist. Für z kommen Werte bis zu halben Anzahl der Kommutatorlamellen vor.The radial deviation Δr is usually of the order of r / 1000, where r is the radius of the collector. For z, values up to half the number of commutator bars occur.

Bei der Auslegung der Dämpfungsrate d kann zusätzlich berücksichtigt werden, dass einerseits ein aperiodischer Grenzfall vermieden werden und andererseits eine Mindestdämpfung gegeben sein soll. Hierdurch werden obere und untere Grenzwerte für die Dämpfungsrate d festgelegt, die durch die genannte Formel genau spezifiziert wird.In the design of the damping rate d can be additionally taken into account that on the one hand aperiodic limiting case can be avoided and on the other hand should be given a minimum attenuation. This sets upper and lower limits for the damping rate d, which is precisely specified by the formula.

Claims (10)

Bürstenhalteanordnung für eine Kohlebürste (4) in einer elektrischen Maschine, mit einer in einem Bürstenhalter (3) verstellbar gehaltenen und von einem Federelement (7) gegen einen ankerseitigen Kollektor (5) kraftbeaufschlagten Kohlebürste (4), mit einem der Kohlebürste (4) zugeordneten Dämpfungselement (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) eine Dämpfungsrate (d) aufweist, die von der Anzahl (z) der radialen Abweichungen (Δr) des Kollektors (5) von der Kreisform abhängt, welche einen Schwellenwert überschreiten, und dass die Dämpfungsrate (d) aus folgender Beziehung bestimmt wird:
Figure 00120001
wobei d die Dämpfungsrate k einen Faktor F0 eine statische Anpresskraft Δr die radiale Abweichung z die Anzahl der radialen Abweichungen ωA die Nenn-Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine bezeichnet, wobei der Faktor k als prozentualer Wert der statischen Anpresskraft (F0) bestimmt ist, mit der die Kohlebürste (4) gegen den Kollektor (5) kraftbeaufschlagt ist.Brush holder assembly for a carbon brush ( 4 ) in an electric machine, with one in a brush holder ( 3 ) and held by a spring element ( 7 ) against an anchor collector ( 5 ) power brushed carbon brush ( 4 ), with one of the carbon brushes ( 4 ) associated damping element ( 8th ), characterized in that the damping element ( 8th ) has an attenuation rate (d) which is dependent on the number (z) of the radial deviations (Δr) of the collector ( 5 ) depends on the circular shape, which exceed a threshold value, and that the damping rate (d) is determined from the following relationship:
Figure 00120001
where d is the damping rate k is a factor F 0 is a static contact force Δr the radial deviation z is the number of radial deviations ω A the nominal rotary speed of the electric machine, where the factor k is determined as a percentage value of the static contact pressure (F 0 ) with the carbon brush ( 4 ) against the collector ( 5 ) is subjected to force. Bürstenhalteanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor (k) zwischen 1% und 5% liegt.Brush holder assembly according to claim 1, characterized in that the factor (k) is between 1% and 5%. Bürstenhalteanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsrate (d) so ausgelegt ist, dass ein aperiodischer Grenzfall vermieden wird.Brush holding arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the damping rate (d) is designed so that an aperiodic limiting case is avoided. Bürstenhalteanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsrate (d) so ausgelegt ist, dass eine Mindestdämpfung gegeben ist.Brush holding arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the damping rate (d) is designed so that a minimum damping is given. Bürstenhalteanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Abweichung (Δr) in einer Größenordnung von 1/1000 des Radius (r) des Kollektors liegt.Brush holding arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the radial deviation (Δr) is of the order of 1/1000 of the radius (r) of the collector. Bürstenhalteanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (z) der radialen Abweichungen (Δr) maximal der halben Anzahl der Kommutatorlamellen beträgt.Brush holding arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the number (z) of the radial deviations (Δr) is at most half the number of commutator bars. Bürstenhalteanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (7) und das Dämpfungselement (8) eine gemeinsame, integrierte Baueinheit (6) bilden.Brush holding arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spring element ( 7 ) and the damping element ( 8th ) a common integrated assembly ( 6 ) form. Bürstenhalteanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) eine Dämpfungsrate im Wertebereich zwischen 0.1 Ns/m und 10 Ns/m aufweist.Brush holding arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the damping element ( 8th ) has a damping rate in the value range between 0.1 Ns / m and 10 Ns / m. Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor mit einer Bürstenhalteanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Electric machine, in particular electric motor with a brush holder arrangement ( 2 ) according to one of claims 1 to 8. Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Elektromotor nach Anspruch 9.Starting device for an internal combustion engine with an electric motor according to claim 9.
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