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Die Erfindung betrifft ein Bürstensystem zur Einleitung von elektrischem Strom in einen Kommutator eines Rotors eines Elektromotors, und einen Elektromotor mit solch einem Bürstensystem, aufweisend einen Bürstenköcher und eine Bürste, die eine Längsachse, eine dem Kommutator zugewandte erste Stirnfläche, zweite Stirnfläche und eine zwischen den beiden Stirnflächen angeordnete Seitenfläche umfasst, wobei der Bürstenköcher eine der Seitenfläche der Bürste zugewandte Führungsfläche aufweist.
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Stand der Technik
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Es sind Bürsten für bürstenkommutierte Elektromotoren mit verschiedensten Arten von Bürstenführungen bekannt. Eine der bekannten Bürstenführungen ist die Führung der Bürste in einem Bürstenköcher. Der Bürstenköcher ist durch eine Öffnung hin zu einem Kommutator eines Elektromotors offen. Im Bürstenköcher ist die Bürste angeordnet, die an einer ersten Stirnfläche an dem Kommutator anliegt, wobei sie an der zum Kommutator gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche mittels eines Federelements in Richtung des Kommutators gedrückt wird. Ein Teil der Federkraft wird ferner dazu genutzt, um über einen schräg angeordneten Betätigungsabschnitt der zweiten Stirnfläche, der dem Federelement zugeordnet ist, eine zwischen den Stirnflächen angeordnete Seitenfläche der Bürste an eine der inneren Seitenwände des Bürstenköchers zu drücken. Im Betrieb des Elektromotors kann die Bürste durch bauliche Toleranzen der Bürste und des Bürstenköchers zum Schwingen angeregt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das Schwingen der Bürste im Bürstenköcher eines bürstenkommutierten Elektromotors zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Schwingen einer Bürste zur Einleitung von elektrischem Strom in einen Kommutator eines Rotors eines Elektromotors dahingehend reduziert werden kann, dass ein Bürstensystem einen Bürstenköcher und eine Bürste aufweist, die eine Längsachse, eine dem Kommutator zugewandte erste Stirnfläche, zweite Stirnfläche und eine zwischen den beiden Stirnflächen angeordnete Seitenfläche umfasst. Der Bürstenköcher weist eine der Seitenfläche der Bürste zugewandte Führungsfläche auf, wobei die Seitenfläche der Bürste wenigstens eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweist, die in Richtung der Längsachse beabstandet voneinander angeordnet und ausgelegt sind, an der Führungsfläche des Bürstenköcher anzuliegen.
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Auf diese Weise werden Unebenheiten, bedingt durch die Struktur der Bürste an der Seitenfläche oder die Struktur des Bürstenköchers, derart ausgeglichen, dass Bürstenschwingungen, bedingt durch das Entlanggleiten der Stirnfläche über verschiedene Abschnitte des Kommutators des Rotors des Elektromotors, deutlich reduziert werden. Der Ausgleich der Unebenheiten bedingt somit eine Entkopplung der Fertigungstoleranzen der Bürste von den Fertigungstoleranzen des Bürstenköchers.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Bürstenköcher eine Spannvorrichtung auf, die zwischen der zweiten Stirnfläche und dem Bürstenköcher angeordnet ist, und ausgelegt ist, die Bürste sowohl in Richtung des Kommutators als auch die beiden Kontaktflächen der Bürste an die Führungsfläche des Bürstenköchers anzudrücken. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Schwingungsreduzierung der Bürste gewährleistet.
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Besonders gut kann die Bürste angepresst werden, wenn die dem Kommutator abgewandte zweite Stirnfläche der Bürste wenigstens einen Betätigungsabschnitt umfasst, der schräg zur Längsachse der Bürste angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn zur Ausbildung der beiden Kontaktflächen an der Seitenfläche eine Einschnürung zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche angeordnet ist. Diese Ausbildung eignet sich besonders für eine einfache Herstellung der Bürste in einer Großserienproduktion.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die erste Kontaktfläche der Bürste direkt angrenzend an die erste Stirnfläche und die zweite Kontaktfläche direkt angrenzend an die zweite Stirnfläche an der Seitenfläche angeordnet ist. Dadurch können besonders große Unebenheiten im Bürstenköcher ausgeglichen werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Bürstensystems weist die Bürste einen Gleitabschnitt mit der ersten Kontaktfläche und einen Schulterabschnitt mit der zweiten Kontaktfläche auf, wobei die Bürste im Schulterabschnitt gegenüber dem Gleitabschnitt eine vergrößerte Breite aufweist. Mittels dieser Ausgestaltung kann der axiale Weg der Bürste in Richtung der Längsachse in einem Bürstenköcher beschränkt werden.
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Ebenso ist es zur Schwingungsreduzierung der Bürste vorteilhaft, wenn der Bürstenköcher eine weitere Führungsfläche aufweist, die gegenüber der Führungsfläche versetzt in Richtung der Bürste angeordnet ist.
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Das Herausrutschen einer verschlissenen Bürste aus dem Bürstenköcher aufgrund des rotierenden Kommutators kann besonders gut verhindert werden, wenn die weitere Führungsfläche des Bürstenköchers an einem Absatz (185) angeordnet ist, wobei der Absatz eine quer zur Führungsfläche ausgebildete Anschlagsfläche umfasst, die dem Schulterabschnitt der Bürste zugewandt ist.
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Die Aufgabe wird auch durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Dabei umfasst der Elektromotor einen Rotor, ein elektrisches Anschlusssystem und ein oben beschriebenes Bürstensystem, wobei an dem Rotor ein Kommutator vorgesehen ist, und wobei das Bürstesystem ausgelegt ist, den Kommutator des Rotors mit dem elektrischen Anschlusssystem elektrisch leitend zu verbinden. Auf diese Weise kann ein besonders leiser und vibrationsarmer Elektromotor bereitgestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen benannt. Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen bürstenkommutierten Elektromotor;
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den in 1 gezeigten Elektromotor entlang der Schnittebene A-A;
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3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das in 2 gezeigte Bürstensystem gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine zweite Ausführungsform des in 2 gezeigten Bürstensystems.
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1 zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch einen bürstenkommutierten Elektromotor 10. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A durch den in 1 gezeigten Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse 15, in dem ein Rotor 20 und ein Stator 25 angeordnet sind. Der Rotor 20 ist mittels im Gehäuse 15 angeordneten Lagern 30 drehbar gelagert. Der Stator 25 umfasst mehrere Permanentmagnete 35, die radial außenseitig gegenüberliegend zum Rotor 20 angeordnet sind. Im Rotor 20 sind gegenüberliegend zu den Permanentmagneten 35 mehrere Wicklungen 36 vorgesehen. Rechtsseitig der Wicklungen 36 ist ein Kommutator 40 angeordnet, wobei jeweils zwei Kommutatorelemente 41 des Kommutators 40 über eine erste elektrische Verbindung 45 mit der jeweiligen Wicklung 36 des Rotors 20 verbunden sind. Gegenüberliegend zum Kommutator 40 ist ein Anschlusssystem 50 vorgesehen, das beispielsweise den Elektromotor 10 mit einem Steuergerät 55 verbindet. Das Anschlusssystem 50 umfasst ein Bürstensystem 60 mit einem Bürstenköcher 65, in dem eine Bürste 70 angeordnet ist. Der Bürstenköcher 65 umfasst ferner ein Federelement 75 als Spannvorrichtung, die als Rollfeder ausgebildet ist und an einem ersten Ende 76 auf der gegenüberliegend zum Kommutator 40 abgewandten Seite der Bürste 70 angeordnet ist. Ein zweites Ende 77 des Federelement 75 ist mit dem Bürstenköcher 65 verbunden. Das Federelement 75 presst die Bürste 70 in die Richtung des Kommutators 40. Das Anschlusssystem 50 umfasst ferner eine zweite elektrische Verbindung 80, und eine Bürstenlitze 81, die die Bürste 70 elektrisch mit der zweiten Verbindung 80 verbindet. Die elektrische Verbindung 80 verbindet die Bürstenlitze 81 mit einem Anschluss 85, der beispielsweise als Stecker ausgebildet sein kann, so dass eine elektrische Verbindung zwischen der Bürste 70 und dem Steuergerät 55 herstellbar ist.
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Wird elektrischer Strom in das Bürstensystem 60 eingeleitet, so wird dieser über die Bürste 70 an den Kommutator 40 weitergegeben. Über die erste elektrische Verbindung 45 wird der in den Kommutator 40 eingeleitete elektrische Strom von den Wicklungen 36 in ein elektromagnetisches Feld umgesetzt, so dass der Rotor 20 durch die bekannte Arbeitsweise eines bürstenkommutierten Elektromotors 10 in Rotation versetzt wird. Zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds umfasst das Bürstensystem 60 wenigstens zwei Bürsten 70. Das im Betrieb des Elektromotors 10 erzeugte Drehmoment kann über eine Rotorwelle 90 vom Elektromotor 10 abgegriffen werden. Sowohl die Kommutierung der Wicklungen 36 durch den Kommutator 40 als auch der Betrieb des Elektromotors 10 erfolgen auf bekannte Weise.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das in 2 gezeigte Bürstensystem 60 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Der Bürstenköcher 65 ist dabei vierkantrohrartig ausgebildet und weist eine zum Kommutator 40 hin geöffnete Öffnung 95 auf. Der Bürstenköcher 65 ist auf der gegenüberliegend zum Kommutator 40 angeordneten Seite ebenso offen.
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Die Bürste 70 umfasst eine dem Kommutator 40 zugewandte erste Stirnfläche 105. Die erste Stirnfläche 105 ist dabei im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse 110 der Bürste 70 ausgerichtet. Die Längsachse 110 der Bürste 70 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer nicht dargestellten Längsachse des Bürstenköchers 65. Auch ist die Längsachse 110 senkrecht zu einer Rotorachse 115 des Rotors 20 ausgerichtet. Ferner umfasst die Bürste 70 eine zweite Stirnfläche 120, die am gegenüberliegenden Ende der Bürste 70, und somit gegenüberliegend zum Kommutator 40 an der Bürste 70 angeordnet ist. Die zweite Stirnfläche 120 weist einen schräg zur Längsachse 110 angeordneten Betätigungsabschnitt 125 auf, an dem das erste Ende 76 des Federelements 75 anliegt. Über den schräg angeordneten Betätigungsabschnitt 125 drückt das Federelement 75 die Bürste 70 zusätzlich nach links an eine innenseitig am Bürstenköcher 65 angeordnete Führungsfläche 130 des Bürstenköchers 65, so dass die Bürste 70 mit einer linksseitig in den 2 und 3 angeordneten und zwischen den Stirnflächen 105 und 120 angeordneten Seitenfläche 135 an der Führungsfläche 130 anliegt. Ferner weist der Elektromotor 10 eine Drehrichtungsabhängigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn (in 2 mittels eines Pfeils gekennzeichnet) auf. Dadurch wird die Bürste 70 durch den rotierenden Kommutator 40 zusätzlich an die Führungsfläche 130 im Bürstenköcher 65 gedrückt, so dass die Bürste 70 zuverlässig unabhängig vom Betriebszustand des Elektromotors 10 an der Führungsfläche 130 des Bürstenköchers 65 anliegt. Dies hat auch zur Folge, dass die Bürste 70 rechtsseitig beabstandet zu einer Innenfläche 132 des Bürstenköchers 65 ist, wobei zwischen der Bürste 70 und dem Bürstenköcher 65 das Federelement 75 verläuft und mit seinem zweiten Ende 77 an einem unteren Ende des Bürsteköchers 65 befestigt ist.
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Die Bürste 70 weist an der Seitenfläche 135 etwa auf mittiger Höhe eine Einschnürung 140 auf. Dies hat zur Folge, dass die Seitenfläche 135 in diesem Bereich beabstandet zu der Führungsfläche 130 des Bürstenköchers 65 ist. Durch die Einschnürung 140 werden an der Seitenfläche 135 eine am unteren Ende der Bürste 70, also angrenzend an die erste Stirnfläche 105 angeordnete erste Kontaktfläche 145 und eine am oberen Ende der Bürste 70, also angrenzend an die zweite Stirnfläche 120 angeordnete zweite Kontaktfläche 150 ausgebildet. Die beiden Kontaktflächen 145, 150 sind abgeflacht an der Seitenfläche 130 ausgebildet um direkt an der Führungsfläche 130 des Bürstenköchers anzuliegen und die Bürste 70 zu führen. Dadurch, dass die beiden Kontaktflächen 145, 150 axial voneinander beabstandet angeordnet sind, können sich Unebenheiten, die beispielsweise dadurch entstehen, dass Partikel zwischen der Bürste 70 und dem Bürstenköcher 65 eingeklemmt werden, oder Fertigungsunebenheiten des Bürstenköchers 65 sich nicht oder nur geringfügig auf das Schwingungsverhalten der Bürste 70 im Betrieb des Elektromotors 10 auswirken. Somit kann gegenüber bekannten Bürsten das Schwingungsverhalten der in den 1 bis 3 gezeigten Bürste 70 verbessert werden, so dass der Elektromotor 10 ferner auch ein verbessertes Geräuschverhalten aufweist.
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Hinsichtlich der Dimensionierung der Bürste 70 ist von Vorteil, wenn die Bürstenköcherunebenheiten um den Faktor 10 kleiner sind als die Einschnürung 140. In der Ausführungsform würden somit die Bürstenunebenheiten im Bereich von Hundertsteln Millimeter liegen und die Einschnürung 140 etwa im Bereich von einem Zehntel Millimeter. Auf diese Weise können die Bürstenschwingungen in der Ausführungsform in den Mikrometerbereich reduziert werden. Ferner ist vorteilhaft, wenn ein Abstand d zwischen der ersten Kontaktfläche 145 und der zweiten Kontaktfläche wenigstens 50 Prozent einer Gesamtlänge l der Bürste 70 beträgt und sich die beiden Kontaktflächen 145, 150 jeweils 25 Prozent der Gesamtlänge l in Richtung der Längsache 110 an der Seitenfläche 130 erstrecken. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Abstand zwischen den beiden Kontaktflächen 75% der Gesamtlänge l der Bürste 70 beträgt und sich die Kontaktflächen 145, 150 jeweils in Richtung der Längsachse 110 auf jeweils 12,5% der Gesamtlänge l erstrecken.
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In der in der 2 und 3 gezeigten Ausführungsform des Bürstensystems 60 ist die Einschnürung 140 im Wesentlichen mittig und die Kontaktflächen 145 bzw. 150 am unteren bzw. oberen Ende der Bürste 70 angeordnet. Diese Ausgestaltung ist beispielhaft. Es sind auch andere Ausgestaltungen, insbesondere andere Anordnungen der Kontaktflächen 145, 150 bzw. der Einschnürung 140 denkbar. So kann beispielsweise der Abstand derart reduziert werden, dass die Einschnürung 140 nach oben oder nach unten verschoben ist, so dass auch entsprechend die erste bzw. zweite Kontaktfläche 145, 150 verschoben ist. Auch ist denkbar, dass die Kontaktflächen 145, 150 nicht zwingend angrenzend an der jeweiligen Stirnfläche 105, 120 angeordnet sind.
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Ferner ist in der Ausführungsform linksseitig eine Einschnürung 140 an der Bürste vorgesehen. Alternativ ist bei einer Drehrichtung des Rotors 20 im Uhrzeigersinn auch eine spiegelsymmetrisch zu der Längsachse 110 gestaltete Ausführung der Bürste 70 zu der gezeigten Ausführungsform des Bürstensystems 60 denkbar, so dass in dieser Ausgestaltung die Bürste 70 rechtsseitig an dem Bürstenköcher 65 anliegen würde.
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Die Einschnürung 140 ist in der Ausführungsform konkav über zwei im stumpfen Winkel zueinander angeordnete Flächen 141, 142 ausgebildet. Es sind aber auch andere Formen der Einschnürung 140, wie etwa nutförmig oder bogenförmig, denkbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine alternative Ausführungsform eines Bürstensystems 155. Das Bürstensystem 155 umfasst einen alternativen Bürstenköcher 160 und eine alternative Bürste 165. Der Bürstenköcher 160 ist ebenso wie der in 2 und 3 gezeigte Bürstenköcher unterseitig zum Kommutator 40 mittels der Öffnung 95 geöffnet. Oberseitig an der zum Kommutator 40 hin abgewandten Seite des Bürstenköchers 160 ist dieser ebenso offen. Ebenso sind die beiden Stirnflächen 105, 120 identisch zu den in den 2 und 3 gezeigten Stirnflächen 105, 120 ausgebildet, so dass das Federelement 75 die gleiche Wirkungsweise wie oben beschrieben entfalten kann.
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Abweichend zu der in den 2 und 3 beschriebenen Bürste weist die alternative Bürste 165 im oberen Bereich an der zweiten Stirnfläche 120 einen Schulterabschnitt 170 und einen unterhalb des Schulterabschnitts 170 angeordneten Gleitabschnitt 175 auf. Der Gleitabschnitt 175 bildet dabei die erste Kontaktfläche 145 und der Schulterabschnitt 170 bildet mit dem am Bürstenköcher 160 anliegenden Teilbereich der Seitenfläche 135 die zweite Kontaktfläche 150 aus. Diese zweite Kontaktfläche 150 liegt in der Ausführungsform direkt an der Führungsfläche 130 des Bürstenköchers 160 an.
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Der Bürstenköcher 160 weist ferner eine weitere Führungsfläche 180 an dem unteren, dem Kommutator 40 zugewandten Ende nahe an der Öffnung 95 auf. Die weitere Führungsfläche 180 ist dabei an einem Absatz 185 angeordnet, der nach innen in den Bürstenköcher 160 bzw. in Richtung der Bürste 165 ragt. Um die Bürstenschwingungen zu reduzieren, sind der Schulterabschnitt 170 und der Absatz 185 so ausgebildet, dass sie senkrecht zur Längsachse 110 die gleiche Breite b aufweisen. Dies hat zur Folge, dass die weitere Führungsfläche 180 versetzt zu der Führungsfläche 130 in Richtung des gegenüberliegend an der Bürste 165 angeordneten Federelements 75 angeordnet ist. Dabei liegen die erste Kontaktfläche 145 des Gleitabschnitts 175 und die zweite Kontaktfläche 150 des Schulterabschnitts 170 an der weiteren Führungsfläche 180 bzw. an der Führungsfläche 130 an. Somit sind die Kontaktflächen 130, 180 beabstandet und getrennt zueinander an der Seitenfläche 130 der Bürste 160 angeordnet, so dass sich durch die Beabstandung der Bürste 165 vom Bürstenköcher 165 über einen überwiegenden Teil der Seitenfläche 130 Partikel zwischen der Bürste 165 und dem Bürstenköcher 165 oder Unebenheiten in der Ausgestaltung des Bürstenköchers 160 nicht oder nur geringfügig negativ auf das Schwingungsverhalten der alternativen Bürste 165 auswirken, und so die Bürste 165 nur im geringem Maße zur Schwingung angeregt wird. Dadurch wird auch das Geräuschverhalten des Elektromotors 10 verbessert bzw. Lärmemissionen des Elektromotors 10 reduziert. Ferner hat das in 4 gezeigte Bürstensystem 155 den Vorteil gegenüber der in den 2 bis 3 gezeigten Ausführungsform, dass ein Kippen der Bürste 165 in dem Bürstenköcher 160 mit zunehmendem Verschleiß der Bürste 165 vermieden wird.
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An dem Absatz 185 des alternativen Bürstenköchers 160 ist ferner eine Anschlagsfläche 190 angeordnet, die dem Schulterabschnitt 170 zugewandt, d.h. auf der zum Kommutator 40 abgewandten Seite des Absatzes 185, angeordnet ist. Die Anschlagsfläche 190 ist quer zur Führungsfläche 130 ausgerichtet. Mit zunehmendem Verschleiß wird die Gesamtlänge l der Bürste 165 reduziert, so dass sich somit der Schulterabschnitt 170 über die Lebensdauer des Elektromotors 10 in Richtung des Absatzes 185 durch den Druck des Federelements 75 bewegt. Dies hat zur Folge, dass am Ende der Lebensdauer der Bürste 165 der Schulterabschnitt 170 an der Anschlagsfläche 190 anschlägt und eine weitere Bewegung der Bürste 165 in Richtung des Kommutators bei weiterem Verschleiß der Bürste 165 dadurch blockiert wird. Dadurch kann vermieden werden, dass die Bürste 165 nach Verschleißende durch die Drehbewegung des Kommutators 40 aus dem Bürstenköcher 160 gerissen wird und somit Beschädigungen sowohl am Bürstenköcher 160 als auch an weiteren Komponenten des Elektromotors 10 durch die verschlissene Bürste 165 entstehen.
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Die anhand der 1 bis 4 erläuterte Bürste 70, 165 bzw. das erläuterte Bürstensystem 60, 155 eines Elektromotors 10 stellt bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Darüber hinaus sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von den erläuterten, oben genannten Merkmalen umfassen können. Wesentlich dabei ist jedoch, dass an der Bürste zwei Kontaktflächen 145, 150 vorgesehen sind, die beabstandet zueinander an der Seitenfläche 135 der Bürste 70, 165 angeordnet sind.
