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Die Erfindung betrifft einen Gleitkontakt, insbesondere eines Kommutators, für eine einen Rotor aufweisende elektrische Maschine, mit einer Bürste und einem dem Rotor zugeordneten, mit der Bürste in Berührkontakt stehenden Kollektor. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Der Gleitkontakt der eingangs genannten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt. Über den Gleitkontakt kann eine elektrische Verbindung von einem stillstehenden Bereich der elektrischen Maschine zu deren Rotor hergestellt werden. Der Gleitkontakt weist zu diesem Zweck die Bürste und den Kollektor auf. Der Kollektor ist üblicherweise dem Rotor zugeordnet, während die Bürste an dem stillstehenden Bereich der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Die Bürste steht nun derart mit dem Kollektor in Berührkontakt, dass elektrischer Strom zwischen ihnen fließen kann. Der Gleitkontakt eignet sich somit beispielsweise zur Übertragung von Informationen oder zur Realisierung einer Stromversorgung, beispielsweise einer Rotorwicklung des Rotors. In letzterem Fall ist der Gleitkontakt beispielsweise Bestandteil eines Kommutators oder als Kommutator ausgeführt, wobei häufig mehrere Bürsten vorgesehen sind und der Kollektor in mehrere Kollektorabschnitte, insbesondere in Form von Kollektorlamellen, aufgeteilt ist.
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Ist der Gleitkontakt Teil eines Kommutators oder liegt als solcher vor, so ist eine dem Kollektor zugewandte Bürstenkontaktfläche der Bürste häufig mit einer bogenförmigen Oberflächenstruktur (Riffelung) mit Vertiefungen von etwa 0,1 mm Tiefe versehen, um bei neuen Bürsten den für eine korrekte Kommutierung wichtigen Überdeckungswinkel möglichst schnell zu erreichen. Bei elektrischen Maschinen, die als nasslaufende elektrische Maschinen vorliegen, die also eingetaucht in ein Fluid betrieben werden, erfolgt die Übertragung des elektrischen Stroms von der Bürste auf den Kollektor in dem Fluid. Beispielsweise ist die elektrische Maschine Bestandteil einer Kraftstoffpumpe oder einer Hydraulikpumpe, sodass die elektrische Maschine in Kraftstoff beziehungsweise Hydraulikfluid betrieben wird.
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Die vorstehend beschriebene Riffelung der Bürste hat – neben der beabsichtigten Verkürzung der Bürsteneinlaufzeit – auch einen hydrodynamischen Einfluss auf den elektrischen Kontakt zwischen der Bürste und dem Kollektor: Die Riffelung wirkt wie eine Drainagerille und verhindert im Neuzustand der Bürste ein Aufschwimmen der Bürste über den Kollektor, also ein Abheben von diesem. Während der Einlaufzeit der Bürste wird die Riffelung durch Verschleiß eingeebnet. Dies führt dazu, dass die Bürste in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors auf einem zwischen der Bürste und dem Kollektor vorliegenden Fluidfilm aufschwimmt, was zu einem geringeren Kontaktdruck zwischen Bürste und Kollektor und entsprechend zu einem erhöhten elektrischen Übergangswiderstand führt. Durch den damit einhergehenden Spannungsabfall verringert sich die Drehzahl des Rotors und somit beispielsweise die Förderleistung der Kraftstoffpumpe im Arbeitspunkt.
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Bei Einsatz der elektrischen Maschine in einem elektrisch leitfähigen Fluid kann es durch Elektrolyse zu Ablagerungen an der Oberfläche der Bürste kommen, welche einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Diese Ablagerungen bilden sich während der Einlaufzeit auch in den Vertiefungen der Riffelung. Mit zunehmender Laufzeit wird die Riffelung gleichzeitig durch Verschleiß abgetragen. Bei ausreichend hohem Verschleiß und entsprechendem Abtragen der Riffelung geraten die Ablagerungen in Kontakt mit dem Kollektor. Dies kann zu einem weiteren Anstieg des Übergangswiderstands zwischen der Bürste und dem Kollektor führen, mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Drehzahl des Rotors und mithin die Leistung der elektrischen Maschine beziehungsweise die Förderleistung der Kraftstoffpumpe. Insbesondere gemeinsam mit dem vorstehend beschriebenen Effekt der aufschwimmenden Bürste führt der Kontakt der Ablagerungen mit dem Kollektor zu einem deutlichen Abfall des Gesamtwirkungsgrads der elektrischen Maschine.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Gleitkontakt mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein derartiger Abfall des Wirkungsgrads weitestgehend vermieden wird. Insbesondere wird über einen Großteil der Lebensdauer, vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer, ein hervorragender Kontakt zwischen der Bürste und dem Kollektor mit geringem elektrischen Widerstand gewährleistet. Vorzugsweise soll dabei die Entstehung der vorstehend beschriebenen Ablagerungen auf der Bürste und/oder dem Kollektor vermieden oder zumindest verringert werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem eine dem Kollektor zugewandte Bürstenkontaktfläche der Bürste über wenigstens eine Bürstendrainagevertiefung verfügt, die ihre Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung aufweist und in Haupterstreckungsrichtung entlang einer Mittelpunktslinie verläuft, die an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Punkten einen unterschiedlichen Abstand von einem Rand des Kollektors aufweist, und/oder dass eine der Bürste zugewandte Kollektorkontaktfläche des Kollektors über wenigstens eine Kollektordrainagevertiefung verfügt, die ihre Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung aufweist und in Haupterstreckungsrichtung entlang einer Mittelpunktslinie verläuft, die an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Punkten einen unterschiedlichen Abstand von dem Rand des Kollektors aufweist. Der Gleitkontakt ist grundsätzlich ein elektrischer Gleitkontakt. Er kann Bestandteil eines Kommutators sein, welcher insbesondere mehrere Gleitkontakte aufweist.
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Der Gleitkontakt kann also grundsätzlich in drei verschiedenen Ausführungsformen vorliegen. In einer ersten Ausführungsform weist die Bürste die Bürstendrainagevertiefung auf, während der Kollektor im Wesentlichen plan ausgeführt ist, also nicht über die Kollektordrainagevertiefung verfügt. Allenfalls sind Vertiefungen vorgesehen, welche unter Umständen vorliegende Kollektorabschnitte in Umfangsrichtung voneinander trennen beziehungsweise beabstanden. In der zweiten Ausführungsform ist in die Kollektorkontaktfläche des Kollektors die Kollektordrainagevertiefung eingebracht, während die Bürste im Wesentlichen plan ist, also nicht über die Bürstendrainagevertiefung verfügt. In einer dritten Ausführungsform schließlich sind sowohl die Bürstendrainagevertiefung an der Bürste als auch die Kollektordrainagevertiefung an dem Kollektor vorgesehen. Sowohl die Bürstendrainagevertiefung als auch die Kollektordrainagevertiefung weist ihre Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung auf. Das bedeutet, dass in Umfangsrichtung die jeweils größten Abmessungen vorliegen. Die Haupterstreckungsrichtung entspricht insoweit einer Längsrichtung der jeweiligen Vertiefung, wobei die Länge der Vertiefung jeweils größer ist als die Tiefe und/oder die Breite der Vertiefung. Bevorzugt ist die Länge lediglich größer als die Breite, während die Tiefe von Länge und Breite unabhängig gewählt ist. Vorzugsweise sind die Tiefe und/oder die Breite über die Länge der Vertiefung konstant.
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Der Verlauf der Bürstendrainagevertiefung und der Kollektordrainagevertiefung kann vereinfacht durch die jeweilige Mittelpunktslinie angegeben werden. Diese verläuft in Haupterstreckungsrichtung und liegt jeweils beispielsweise bezüglich der Tiefe und der Breite in der Mitte der jeweiligen Vertiefung. Ausgehend von der Mittelpunktslinie erstreckt sich also die Bürstendrainagevertiefung um die halbe Breite beziehungsweise die halbe Tiefe in die eine Richtung und um jeweils dieselbe Strecke in die andere Richtung. Entsprechendes gilt für die Kollektordrainagevertiefung und die dieser zugeordnete Mittelpunktslinie. Die Mittelpunktslinie der Bürstendrainagevertiefung kann auch als Bürstendrainagemittelpunktslinie und die Mittelpunktslinie der Kollektordrainagevertiefung als Kollektordrainagemittelpunktslinie bezeichnet werden. Die Mittelpunktslinie der Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise der Kollektordrainagevertiefung verläuft derart, dass sie an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Punkten einen unterschiedlichen Abstand von dem Rand des Kollektors aufweist. Unter dem Rand des Kollektors ist dabei ein – bezüglich einer Drehachse des Kollektors beziehungsweise Rotors – in Umfangsrichtung verlaufender Rand zu verstehen. Dabei kann der Kollektor als Plankollektor, insbesondere eines als Plankommutators ausgeführten Kommutators, vorliegen oder als Trommelkollektor ausgebildet sein, insbesondere wenn der Kommutator als Trommelkommutator ausgeführt ist.
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Durch den beschriebenen Verlauf der Mittelpunktslinie beschreibt die Bürstendrainagevertiefung bezüglich der Kollektorkontaktfläche beziehungsweise die Kollektordrainagevertiefung bezüglich der Bürstenkontaktfläche bei Rotation des Rotors – bei Betrachtung eines bestimmten Punkts der Kollektorkontaktfläche beziehungsweise der Bürstenkontaktfläche – eine Bewegung, insbesondere eine oszillierende Bewegung.
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Die Bewegung erfolgt bevorzugt in radialer Richtung (Plankollektor) oder in axialer Richtung (Trommelkollektor). Durch diese Bewegung wird die überstrichene Kollektorkontaktfläche des Kollektors beziehungsweise der Bürstenkontaktfläche der Bürste vergrößert, so dass der dort auftretende Verschleiß vermindert ist. Insbesondere wird so verhindert, dass die Vertiefungen auf dem jeweils gegenüberliegenden Element ein Negativprofil ausbilden. Grundsätzlich ist es dabei vorteilhaft, wenn der Versatz der beiden Punkte über die gesamte Länge der Vertiefung größer ist als die Breite der jeweiligen Vertiefung. Auf diese Weise wird die Entstehung des beschriebenen Negativprofils vermieden, welches sich beispielsweise in Form eines Stegs in die jeweilige Vertiefung erstreckt. Besonders bevorzugt verläuft die Mittelpunktslinie derart, dass die Bürstendrainagevertiefung bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors einen Großteil der Kollektorkontaktfläche überstreicht. Entsprechendes gilt für die Kollektordrainagevertiefung und die Bürstenkontaktfläche.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendrainagevertiefung und/oder die Kollektordrainagevertiefung eine Tiefe aufweisen, die größer ist als die durch Verschleiß verursachte Abtragung über die Auslegungslebensdauer des Gleitkontakts. Die Tiefe der Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise der Kollektordrainagevertiefung liegt jeweils in der von dem anderen Element abgewandten Richtung vor. Im Falle der Bürstendrainagevertiefung geht also die Tiefe aus von der Bürstenkontaktfläche und erstreckt sich in die von der Kollektorkontaktfläche abgewandte Richtung. Entsprechend erstreckt sich die Kollektordrainagevertiefung ausgehend von der Kollektorkontaktfläche des Kollektors mit ihrer Tiefe in die von der Bürstenkontaktfläche abgewandte Richtung. Die Auslegungslebensdauer der elektrischen Maschine ist derjenige Zeitraum ab der ersten Inbetriebnahme, in welchem ein Ausfall der elektrischen Maschine durch Verschleiß nicht beziehungsweise mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit nicht auftreten soll.
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Die Auslegungslebensdauer kann als Zeit angegeben sein, jedoch alternativ auch als Anzahl der Rotorumdrehungen, sodass die Auslegungslebensdauer ein Maß für die bezüglich des Kollektors zurückgelegte Strecke der Bürste ist. Die Tiefe von Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise Kollektordrainagevertiefung soll nun derart gewählt sein, dass sie größer ist als die Abtragung, welche über die Auslegungslebensdauer hinweg durch die Reibung der Bürste an dem Kollektor verursacht wird. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Sicherheitswert berücksichtigt, so dass die Tiefe beispielsweise 10% bis 50%, insbesondere 20%, 30% oder 40%, größer ist als die gesamte verursachte Abtragung.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kollektor in Umfangsrichtung in mehrere Kollektorsegmente unterteilt ist, wobei der Übergang der Kollektordrainagevertiefung zwischen zwei unmittelbar benachbarten der Kollektorsegmente stetig oder unstetig ist. Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann der Kollektor in mehrere Kollektorsegmente aufgeteilt sein. Jedem der Kollektorsegmente ist nun vorzugsweise ein Vertiefungssegment der Kollektordrainagevertiefung zugeordnet. Die Kollektorsegmente sind voneinander durch jeweils eine Separierung getrennt, welche als in radialer Richtung (Plankollektor) beziehungsweise axiale Richtung (Trommelkollektor) verlaufende Vertiefung in dem Kollektor vorliegt. Die Kollektordrainagevertiefung soll nun derart ausgebildet sein, dass sie über wenigstens zwei unmittelbar zueinander benachbarte Kollektorsegmente einen stetigen oder unstetigen Verlauf aufweist. Unter einem stetigen Verlauf ist dabei ein Verlauf zu verstehen, welcher keine Sprünge aufweist, während der unstetige Verlauf ebensolche zeigt. Weil die zwischen den Kollektorsegmenten vorliegende Vertiefung eine bestimmte Breite aufweist, wird zur Herstellung des stetigen Verlaufs die Kollektordrainagevertiefung durch diese hindurch stetig entlang eines gedachten Verlaufs fortgesetzt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendrainagevertiefung und/oder wenigstens ein einem der Kollektorsegmente zugeordneter Vertiefungsbereich einen geraden Verlauf aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass die Mittelpunktlinie gerade ist, also als Mittelpunktsgerade vorliegt. Über die gesamte Haupterstreckungsrichtung entlang der Mittelpunktslinie soll also die Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise das Segment der Kollektordrainagevertiefung gerade sein. Insbesondere bei einem als Plankommutator ausgebildeten Kommutator liegt die Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise die Kollektordrainagevertiefung demnach nicht auf einer Linie mit konstantem Radius – also konstantem Abstand zu dem Rand des Kollektors –, sondern überstreicht vielmehr einen vergleichweise großen Bereich der Kollektorkontaktfläche beziehungsweise der Bürstenkontaktfläche. Auf diese Weise wird zum einen der Verschleiß des jeweils gegenüberliegenden Elements (also des Kollektors im Falle der Bürstendrainagevertiefung und der Bürste im Falle der Kollektordrainagevertiefung) durch die überstrichene größere Fläche verringert. Entsprechend wird die Ausbildung des Negativprofils verhindert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Mittelpunktslinie der Bürstendrainagevertiefung und/oder die Mittelpunktslinie der Kollektordrainagevertiefung an einer bestimmten Umfangsposition gegenüber einer an derselben Umfangsposition vorliegenden gedachten Tangente des Rands des Kollektors einen von 0° verschiedenen Winkel aufweisen. Die Tangente liegt in Form einer Geraden vor, welche an der bestimmten Umfangsposition an dem Rand des Kollektors anliegt. Die Mittelpunktslinie beziehungsweise eine an derselben Umfangsposition an dieser anliegende Tangente soll nun gegenüber der Tangente des Rands den von 0° verschiedenen Winkel aufweisen, diese also unter diesem Winkel schneiden und nicht etwa parallel zu ihr vorliegen. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise das Vertiefungssegment der Kollektordrainagevertiefung gemäß den vorstehenden Ausführungen den geraden Verlauf aufweisen. In diesem Fall ist die gesamte Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise das gesamte Segment der Kollektordrainagevertiefung gegenüber der Tangente angewinkelt, sodass ein sehr großer Bereich der Kollektorkontaktfläche beziehungsweise der Bürstenkontaktfläche durch die Bürstendrainagevertiefung beziehungsweise die Kollektordrainagevertiefung bei der Rotation des Rotors überstrichen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere, parallel verlaufende Bürstendrainagevertiefungen und/oder Kollektordrainagevertiefungen vorgesehen sind. Die Bürste soll also über mehrere Bürstendrainagevertiefungen und der Kollektor über mehrere Kollektordrainagevertiefungen verfügen. Diese sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet, alternativ können sie jedoch auch einen voneinander unabhängigen Verlauf aufweisen, in welchem sie nicht zueinander parallel angeordnet sind. Unter einem parallelen Verlauf ist zu verstehen, dass die Bürstendrainagevertiefungen beziehungsweise die Kollektordrainagevertiefungen an unterschiedlichen Umfangspositionen jeweils denselben Abstand voneinander aufweisen, insbesondere in radialer Richtung (Plankommutator) oder axialer Richtung (Trommelkommutator).
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendrainagevertiefung und/oder die Kollektordrainagevertiefung wenigstens bereichsweise kreisbogenförmig, ellipsenförmig oder spiralförmig sind. Grundsätzlich können die Drainagevertiefungen beliebig ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt sind jedoch die genannten Formen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Drainagevertiefung derart angeordnet wird, dass sie eine große Fläche des jeweils gegenüberliegenden Elements überstreicht, wobei besonders bevorzugt der Abstand zwischen den beiden auf der Mittelpunkslinie liegenden Punkten über die gesamte Länge der Vertiefung (einer der Punkte liegt insoweit an dem einen Ende der Vertiefung, der andere an dem gegenüberliegenden Ende) größer ist als die Breite der Vertiefung.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Bürsten vorgesehen sind, deren jeweilige Bürstendrainagevertiefungen zumindest bereichsweise an derselben Relativposition einen unterschiedlichen Abstand zu dem Rand des Kollektors aufweisen. Unter der Relativposition ist eine Position zu verstehen, die von einer von einem bestimmten Punkt auf dem Kollektor zuerst oder zuletzt überstrichenen Kante der Bürste einen bestimmten Abstand aufweist. Im ersten Fall ist die Kante bezogen auf die Drehrichtung des Kollektors eine Vorderkante, im zweiten eine Hinterkante der Bürste. Üblicherweise sind die Bürsten im Wesentlichen identisch ausgestaltet, lediglich die Bürstendrainagevertiefungen können unterschiedlich ausgebildet beziehungsweise angeordnet sein. Die mehreren Bürsten sind üblicherweise mit jeweils demselben Abstand zu dem Rand des Kollektors angeordnet. Es ist nun vorgesehen, dass die Bürstendrainagevertiefung wenigstens einer der Bürsten einen anderen Abstand zu dem Rand des Kollektors aufweist als die Bürstendrainagevertiefung einer anderen der Bürsten. Dies gilt entsprechend, falls die Bürsten über mehrere Bürstendrainagevertiefungen verfügen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kollektor als Presswerkstück vorliegt und die Kollektordrainagevertiefung bei Herstellung des Kollektors ausgebildet ist. Der Kollektor kann grundsätzlich aus einem beliebigen Material bestehen. Besonders bevorzugt besteht zumindest die Kollektorkontaktfläche des Kollektors aus Kupfer oder Kohle. Die Kollektorkontaktfläche wird beispielsweise durch Pressen hergestellt, ist also ein Presswerkstück. Bei der Herstellung der Kollektorkontaktfläche durch das Pressen werden bevorzugt die Kollektordrainagevertiefungen des Kollektors mit ausgebildet. Diese liegen also unmittelbar nach dem Pressen bereits in dem Kollektor vor. Es ist entsprechend nicht notwendig, diese nachfolgend in den Kollektor einzubringen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kollektordrainagevertiefung erst nach dem Ausbilden des Presswerkstücks an diesem ausgebildet werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Gleitkontakt, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleitkontakt wenigstens eine Bürste und einen dem Rotor zugeordneten, mit einer Bürste in Gleitkontakt stehenden Kollektor aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine dem Kollektor zugewandte Bürstenkontaktfläche der Bürste über wenigstens eine Bürstendrainagevertiefung verfügt, die ihre Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung aufweist und in Haupterstreckungsrichtung entlang einer Mittelpunktslinie verläuft, die an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Punkten einen unterschiedlichen Abstand von einem Rand des Kollektors aufweist, und/oder dass eine der Bürste zugewandte Kollektorkontaktfläche des Kollektors über wenigstens eine Kollektordrainagevertiefung verfügt, die ihre Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung aufweist und in Haupterstreckungsrichtung entlang einer Mittelpunktslinie verläuft, die an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Punkten einen unterschiedlichen Abstand von dem Rand des Kollektors aufweist. Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann der Gleitkontakt zur Übertragung von Daten oder zur Versorgung einer Rotorwicklung des Rotors mit elektrischem Strom vorgesehen sein. In letzterem Fall ist der Gleitkontakt Bestandteil eines Kommutators oder bildet einen solchen aus. Besonders bevorzugt weist der Gleitkontakt den Kollektor und mehrere Bürsten auf. In diesem Fall verfügt vorzugsweise jede der Bürsten über wenigstens eine Bürstendrainagevertiefung. Der Gleitkontakt kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Gleitkontakt, der über zwei Bürsten und einen Kollektor verfügt,
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2 eine Ansicht einer Bürstenkontaktfläche der Bürste mit zwei Bürstendrainagevertiefungen,
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3 eine erste Ansicht des Kollektors in einer ersten Ausführungsform,
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4 eine zweite Ansicht des Kollektors in der ersten Ausführungsform,
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5 eine erste Ansicht des Kollektors in einer zweiten Ausführungsform,
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6 eine zweite Ansicht des Kollektors in der zweiten Ausführungsform,
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7 eine erste Ansicht des Kollektors in einer dritten Ausführungsform,
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8 eine zweite Ansicht des Kollektors in der dritten Ausführungsform,
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9 eine erste Ansicht des Kollektors in einer vierten Ausführungsform,
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10 eine zweite Ansicht des Kollektors in der vierten Ausführungsform,
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11 eine ersten Ansicht des Kollektors in einer fünften Ausführungsform,
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12 eine zweite Ansicht des Kollektors in der fünften Ausführungsform,
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13 eine erste Ansicht des Kollektors in einer sechsten Ausführungsform, und
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14 eine zweite Ansicht des Kollektors in der sechsten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Bereichs einer elektrischen Maschine 1, wobei lediglich ein Teil eines Rotors 2 dargestellt ist, welcher als Kollektor 3 eines Gleitkontakts 4 vorliegt. Neben dem Kollektor 3 verfügt der Gleitkontakt 4 über zwei Bürsten 5 und 6. Der hier dargestellte Gleitkontakt 4 dient der Versorgung des Rotors 2 beziehungsweise einer hier nicht dargestellten Rotorwicklung des Rotors 2 mit elektrischem Strom. Der Gleitkontakt 4 ist insoweit Bestandteil eines Kommutators der elektrischen Maschine 1 beziehungsweise bildet einen solchen aus. Entsprechend ist eine der Bürsten 5 und 6 mit einem Anschluss für einen Pluspol und die jeweils andere der Bürsten 5 und 6 mit einem Anschluss für einen Minuspol verbunden. Der Kollektor 3 liegt hier in Form eines Plankollektors vor; der Kommutator ist entsprechend als Plankommutator ausgeführt. Alternativ kann selbstverständlich der Kollektor 3 auch als Trommelkollektor vorliegen und der Kommutator als Trommelkommutator ausgebildet sein. Die nachfolgenden Ausführungen gelten in diesem Fall analog.
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Der Kollektor 3 ist in mehrere Kollektorsegmente 7 bis 14 unterteilt. In Abhängigkeit davon, mit welchem der Kollektorsegmente 7 bis 14 die Bürsten 5 und 6 jeweils in Berührkontakt stehen, liegt eine bestimmte Kommutierung vor. Die Kollektorsegmente 7 bis 14 sind voneinander durch bezüglich einer Drehachse 15 des Rotors 2 radial verlaufende Schlitze 16 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und somit voneinander isoliert. Der Kollektor 3 beziehungsweise die einzelnen Kollektorsegmente 7 bis 14 weisen eine Kollektorkontaktfläche 17 auf, die mit einer Bürstenkontaktfläche 18 der Bürsten 5 und 6 in Berührkontakt steht. Abgesehen von den Schlitzen 16 ist der Kollektor 3 beziehungsweise sind die einzelnen Kollektorsegmente 7 bis 14 plan ausgebildet. In Bezug auf die Drehrichtung des Kollektors 3 ist eine Kante 5’ beziehungsweise 6’ der Bürste 5 beziehungsweise 6 als Vorderkante oder Hinterkante ausgebildet.
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Die 1 zeigt, dass in die Bürstenkontaktfläche 18 Bürstendrainagevertiefungen 19 eingebracht sind. Die Bürstendrainagevertiefungen 19 weisen eine in Richtung der Drehachse 15 verlaufende Tiefe, eine in radialer Richtung verlaufende Breite und eine in Umfangsrichtung verlaufende Länge auf. Die Bürstendrainagevertiefungen 19 weisen dabei in der Längsrichtung die größte Erstreckung auf, die Länge ist also jeweils größer als die Breite. Zusätzlich kann die Länge größer als die Tiefe sein. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Entsprechend liegt die Haupterstreckungsrichtung in Umfangsrichtung vor. Es wird deutlich, dass die Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürste 5 an denselben Radialpositionen angeordnet sind wie die Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürste 6. Die innere Bürstendrainagevertiefung 19 der Bürste 5 weist demnach einem Abstand von einem Rand 20 des Kollektors 3 auf, welcher dem der inneren Bürstendrainagevertiefung 19 der Bürste 6 entspricht ist. Entsprechendes gilt für die äußeren Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürsten 5 und 6.
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Alternativ können jedoch auch die die Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürste 5 an Radialpositionen angeordnet sein, welche von denen der Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürste 6 verschieden sind. Die innere Bürstendrainagevertiefung 19 der Bürste 5 weist in diesem Fall einem Abstand von dem Rand 20 des Kollektors 3 auf, welcher von dem der inneren Bürstendrainagevertiefung 19 der Bürste 6 verschieden ist. Auch hier gilt Entsprechendes für die äußeren Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürsten 5 und 6.
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Die 2 zeigt eine Ansicht der Bürstenkontaktfläche 18 einer der Bürsten 5 und 6, wobei nachfolgend nur auf die Bürste 5 eingegangen wird. Die Bürste 6 entspricht dieser jedoch. Es wird deutlich, dass die Bürstendrainagevertiefungen 19 jeweils entlang einer Mittelpunktslinie 21 verlaufen, wobei die Mittelpunktslinien 21 jeweils bezüglich der Breite und der Tiefe in der Mitte der Bürstendrainagevertiefungen 19 angeordnet sind. Die Mittelpunktslinien 21 beschreiben den Verlauf der Bürstendrainagevertiefungen 19. Es wird deutlich, dass die Bürstendrainagevertiefungen 19 einen geraden Verlauf aufweisen, die Mittelpunktslinien 21 also als Mittelpunktsgeraden vorliegen. Gleichzeitig sind die Bürstendrainagevertiefungen 19 an einer bestimmten Umfangsposition (hier angedeutet durch die Bezugszeichen 22) gegenüber einer an derselben Umfangsposition vorliegenden gedachten Tangente 23 des Rands 20 mit einem von 0° verschiedenen Winkel angeordnet. Entsprechend schneiden die Mittelpunktslinien der Bürstendrainagevertiefungen 19 die Tangente 23 in einem hier nicht dargestellten Punkt. Durch die Anordnung unter dem von 0° verschiedenen Winkel bezüglich der Tangente 23 wird erreicht, dass die Bürstendrainagevertiefungen 19 einen vergleichsweise großen Bereich der Kollektorkontaktfläche 17 überstreichen. Auf diese Weise wird der Verschleiß der Kollektorkontaktfläche 17 verringert und die Ausbildung eines Negativprofils zu den Bürstendrainagevertiefungen 19 an beziehungsweise in der Kollektorkontaktfläche 17 verhindert.
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Zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Bürstendrainagevertiefungen 19 eine Tiefe aufweisen, die größer ist als die durch Verschleiß verursachte Abtragung über die Auslegungslebensdauer des Gleitkontakts 4 beziehungsweise der elektrischen Maschine 1. Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die Tiefe und/oder die Breite der Bürstendrainagevertiefungen 19 über deren Länge konstant sind. Es kann jedoch auch eine Variation der Tiefe und/oder der Breite über die Länge vorgenommen werden.
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Die 3 und 4 zeigen den Kollektor 3 in einer ersten Ausführungsform. Diese entspricht der anhand der 1 beschriebenen, sodass insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei. Es wird nochmals deutlich, dass die Kollektorsegmente 7 bis 14 eine plane Kollektorkontaktfläche 17 aufweisen beziehungsweise ausbilden.
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Die 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform des Kollektors 3. Diese ist grundsätzlich zunächst gemäß der anhand der 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform ausgeführt, sodass insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. Zusätzlich zu den Schlitzen 16 sind nun jedoch zwei Kollektordrainagevertiefungen 24 in die Kollektorkontaktfläche 17 eingebracht. Analog zu den Bürstendrainagevertiefungen 19 verlaufen die Kollektordrainagevertiefungen 24 jeweils entlang einer Mittelpunktslinie. Diese liegt wiederum bei der halben Breite und der halben Tiefe der Kollektordrainagevertiefungen 24 vor. Die Mittelpunktslinie charakterisiert demnach den Verlauf der Kollektordrainagevertiefungen 24. Es wird deutlich, dass die Kollektordrainagevertiefungen 24 von den Schlitzen 16 unterbrochen sind.
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Dabei ist der Übergang bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten der Kollektorsegmente 7 bis 14 stetig. Die Mittelpunktslinien 21 der Kollektordrainagevertiefungen 24 weisen also keine Unstetigkeiten beziehungsweise Sprünge in radialer Richtung auf. Vielmehr verlaufen die Kollektordrainagevertiefungen 24 in dem Bereich der Schlitze entlang eines gedachten Verlaufs und setzen sich in dem unmittelbar benachbarten Kollektorsegment 7 bis 14 fort. Die Kollektordrainagevertiefungen 24 sind kreisförmig und exzentrisch zu der Drehachse 15 angeordnet. Sind in der Kollektorkontaktfläche 17 derartige Kollektordrainagevertiefungen 24 vorhanden, so kann auf die Bürstendrainagevertiefungen 19 der Bürsten 5 und 6 verzichtet werden. Gleichwohl können diese zusätzlich vorgesehen sein. Es wird deutlich, dass die hier dargestellten Kollektordrainagevertiefungen 24 über den gesamten Umfang hinweg parallel zueinander verlaufen, also stets denselben Abstand voneinander aufweisen. Dies ist insbesondere in der 6 deutlich zu erkennen.
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Die 7 und 8 zeigen eine dritte Ausführungsform des Kollektors 3. Hier liegen ebenfalls zwei Kollektordrainagevertiefungen 24 vor, welche ellipsenförmig ausgebildet sind, wobei der Mittelpunkt der Ellipsen mit der Drehachse 15 zusammenfällt.
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Die 9 und 10 zeigen eine vierte Ausführungsform des Kollektors 3. Hier ist lediglich eine Kollektordrainagevertiefung 24 vorgesehen, welche spiralförmig verläuft, also einen über den Umfang veränderlichen Radius bezüglich der Drehachse 15 aufweist. Die Kollektordrainagevertiefung 24 erstreckt sich dabei über einen bestimmten Kreiswinkel bezüglich der Drehachse 15; in der hier dargestellten Ausführungsform sind zwei Umdrehungen, entsprechend einem Kreiswinkel von 720° vorgesehen. Prinzipiell ist jedoch ein beliebiger Kreiswinkel vorsehbar, welcher jedoch vorzugsweise zumindest 360° beträgt.
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Die 11 und 12 zeigen eine fünfte Ausführungsform des Kollektors 3. Hier liegen vier Kollektordrainagevertiefungen 24 vor, welche jeweils mehrere zueinander benachbarte Kollektorsegmente 7 bis 14 übergreifen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel übergreifen zwei der Kollektordrainagevertiefungen die Kollektorsegmente 7 bis 10 und zwei weitere der Kollektordrainagevertiefungen 24 die Kollektorsegmente 11 bis 14. Die jeweils denselben Kollektorsegmenten 7 bis 14 zugeordneten Kollektordrainagevertiefungen 24 verlaufen parallel zueinander. Die Anschlussstellen zu den beiden anderen Kollektordrainagevertiefungen 24 sind unstetig, die Kollektordrainagevertiefungen 24 der Kollektorsegmente 7 bis 10 stoßen also nicht unmittelbar auf die Kollektordrainagevertiefungen 24 der Kollektorsegmente 11 bis 14. Vielmehr sind sie in radialer Richtung zueinander beziehungsweise zu dem vorstehend beschriebenen gedachten Verlauf versetzt. Die Kollektordrainagevertiefungen 24 der Kollektorsegmente 7 bis 10 beziehungsweise der Kollektorsegmente 11 bis 14 verlaufen in radialer Richtung von innen nach außen, decken also jeweils einen großen Bereich der Erstreckung des Kollektors 3 in radialer Richtung ab.
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Die 13 und 14 zeigen eine sechste Ausführungsform des Kollektors 3. Hier sind acht Kollektordrainagevertiefungen 24 vorgesehen, wobei zwei der Kollektordrainagevertiefungen 24 sich über die Kollektorsegmente 7 und 8, zwei weitere über die Kollektorsegmente 9 und 10, weitere über die Kollektorsegmente 11 und 12 und weitere über die Kollektorsegmente 13 und 14 erstrecken. Innerhalb der Kollektorsegmente 7 und 8; 9 und 10; 11 und 12; sowie 13 und 14 weisen die Kollektordrainagevertiefungen 24 jeweils einen stetigen Verlauf auf. Ansonsten sind sie in radialer Richtung zueinander beziehungsweise zu dem gedachten Verlauf versetzt. Die Kollektordrainagevertiefungen 24 jeder Gruppe von Kollektorsegmenten decken, wie bereits vorstehend beschrieben, einen großen Bereich des Kollektors 3 in radialer Richtung ab.
