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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kommutatoreinrichtung für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner umfasst die Erfindung einen eine erfindungsgemäße Kommutatoreinrichtung aufweisenden Elektromotor.
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Eine Kommutatoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2009 001 714 A1 der Anmelderin bekannt. Die bekannte Kommutatoreinrichtung umfasst zwei Bürstenführungselemente zur Aufnahme von jeweils einer eine quadratische Querschnittsfläche aufweisenden Kohlebürste. Die dem Kommutator abgewandten Enden der Kohlebürsten sind in Wirkverbindung mit einem Federelement angeordnet, das die Kohlebürste mit einer Radialkraft gegen die Lamellen des Kommutators drückt und gleichzeitig eine Kraftkomponente erzeugt, die parallel zur Rotorachse des Kommutators verläuft. Durch die in Längsrichtung der Rotorachse wirkende Kraftkomponente wird die Kohlebürste innerhalb des Bürstenführungselements gegen zwei, um 90° zueinander geneigt angeordnete Führungsflächen des Bürstenführungselements gedrückt.
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Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Kohlebürsten sowie der Bürstenführungselemente ist es in der Praxis nicht möglich, den Aufnahmequerschnitt für die Kohlebürsten in dem Bürstenführungselement derart zu fertigen, dass keine Spalte zwischen den einander zugewandten Flächen der Kohlebürste und des Bürstenführungselements erzielt werden. Auch kommt es aufgrund von Montageungenauigkeiten bzw. der Montagetoleranzen sowie insbesondere bei einem drehrichtungsumkehrbaren Elektromotor dazu, dass die Kohlebürsten einen ungleichmäßigen Verschleiß aufweisen. Dies hat zur Folge, dass bei einer Drehrichtungsumkehr des Elektromotors die Kohlebürste, die zunächst aufgrund der Federkraft des Federelements an der einen Führungsfläche des Bürstenführungselements anliegt, nach der Drehrichtungsumkehr in Wirkverbindung mit der anderen Führungsfläche gelangt, wobei aufgrund der Spalte zwischen der Kohlebürste und den Führungsflächen ein Verkippen der Kohlebürste erfolgt. Dieses Verkippen erfolgt deshalb, da der Flächenschwerpunkt des Querschnitts der Kohlebürste außerhalb der von den beiden Führungsflächen aufgespannten Fläche verläuft. Dieser Flächenschwerpunkt entspricht dem Kraftangriffspunkt der bei einer Drehrichtungsumkehr auf die Kohlebürtse wirkenden Kippkraft. Es wird dadurch ein Kippmoment erzeugt, das das beschriebene und nicht erwünschte Kippen der Kohlebürste verursacht.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2006 014 762 A1 der Anmelderin eine weitere Kommutatoreinrichtung bekannt, bei der im Bereich des Bürstenführungselements stegförmige Führungs- bzw. Anlageelemente für die Kohlebürste vorgesehen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kommutatoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bei einer Drehrichtungsumkehr des Elektromotors das Verkippen der Kohlebürste verhindert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kommutatoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche der Kohlebürste innerhalb der von den zwei Führungsflächen aufgespannten Fläche angeordnet ist, die im Anlagebereich der Kohlebürste zwischen den Führungsflächen ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung der Führungsflächen des Bürstenführungselements in Verbindung mit einer entsprechenden Geometrie der Kohlebürste hat zur Folge, dass zwar weiterhin Kippmomente bei einer Drehrichtungsumkehr des Elektromotors auftreten, diese Kippmomente, die über den Flächenschwerpunkt der Kohlebürste auf diese wirken, jedoch kein Verkippen der Kohlebürste erzeugt, da diese in der Ebene des Flächenschwerpunkts der Kohlebürste beidseitig an den Führungsflächen anliegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kommutatoreinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer bevorzugten geometrischen Ausbildung der Kohlebürste weist diese eine trapezförmige Querschnittsfläche mit zwei in Wirkverbindung mit den Führungsflächen angeordneten, zueinander geneigten Seitenflächen und zwei zueinander parallel angeordneten Basisflächen mit unterschiedlicher Breite auf, wobei die von dem Federelement erzeugte Kraftkomponente die Kohlebürste in Richtung der die geringere Breite aufweisenden Basisfläche drückt. Eine derartige Ausbildung bewirkt eine Art „Selbstzentrierung“ der Kohlebürste im Bürstenführungselement zwischen den beiden Führungsflächen.
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Um eine kinematische und geometrische Überbestimmtheit zwischen der Kohlebürste und dem Bürstenführungselement zu vermeiden, ist es bei der zuletzt genannten Ausgestaltung der Kohlebürste bevorzugt vorgesehen, dass zumindest zwischen der die geringere Breite aufweisenden Basisfläche und dem Bürstenführungselement, vorzugsweise zwischen beiden Basisflächen und dem Bürstenführungselement, ein Freiraum in Form eines Spalts ausgebildet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kohlebürste ausschließlich im Bereich ihrer beiden Seitenflächen an den Führungsflächen des Bürstenführungselements anliegt.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Führungsflächen sind diese als ebene Führungsflächen ausgebildet, derart, dass die beiden Seitenflächen der Kohlebürste vollflächig an den Führungsflächen des Bürstenführungselements anliegen. Eine derartige Ausbildung der Führungsflächen lässt sich herstellungstechnisch relativ einfach verwirklichen und bewirkt eine relativ geringe Flächenpressung zwischen den Führungsflächen und der Kohlebürste.
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In alternativer Ausgestaltung der Führungsflächen kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass jede der beiden Führungsflächen zwei, vorzugsweise in Längsrichtung der Kohlebürste orientierte Anlagestege aufweist, die in Wirkverbindung mit der Seitenfläche der Kohlebürste angeordnet sind. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass in dem Bereich zwischen der Kohlebürste und den Seitenflächen des Bürstenführungselements vorhandene Erhabenheiten, beispielsweise eine Spritzhaut oder ein Grat, ohne Beeinträchtigung der Funktion der Kommutatoreinrichtung ist. Derartige Erhabenheiten können insbesondere bei der Herstellung der Bürstenführungselemente entstehen, wenn diese als Spritzgussteil ausgebildet sind.
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Eine besonders hohe mechanische Stabilität und somit die Möglichkeit, relativ geringe Wandstärken an dem Bürstenführungselement vorzusehen, wird erzielt, wenn das Bürstenführungselement, ggf. mit Ausnahme im Bereich des Federelements, eine geschlossene Querschnittsfläche aufweist.
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Wirtschaftlich besonders vorteilhaft und mit relativ hoher Genauigkeit lässt sich das Bürstenführungselement herstellen, wenn dieses aus Kunststoff besteht und vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt ist. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass das Bürstenführungselement aus Metall besteht und als metallurgisches Spritzgussteil oder durch Fräsen ausgebildet ist.
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Um einerseits eine relativ große Querschnittsfläche der Kohlebürste bereitzustellen, und andererseits eine gute Selbstzentrierung der Kohlebürste zwischen den beiden zueinander geneigt angeordneten Führungsflächen im Bürstenführungselement zu erzielen, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass der Winkel zwischen den Führungsflächen zwischen 30° und 90° beträgt.
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Die Erfindung umfasst auch einen Elektromotor, der eine erfindungsgemäße Kommutatoreinrichtung aufweist, wobei der Elektromotor drehrichtungsumkehrend ausgebildet ist und vorzugsweise Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kommutatoreinrichtung für einen Elektromotor mit zwei diametral gegenüberliegenden Kohlebürsten, die jeweils von einer Schenkelfeder radial gegen die Kommutatorfläche gedrückt werden,
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2 die Kommutatoreinrichtung gemäß 1 in Seitenansicht mit eingetragenen Kraftpfeilen der Schenkelfeder und
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3 und 4 unterschiedliche Varianten von Querschnitten des Bürstenführungselements und der Kohlebürste bei einer erfindungsgemäßen Kommutatoreinrichtung gemäß den 1 und 2.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in der 1 dargestellte Kommutatoreinrichtung 10 ist Bestandteil eines elektrischen, permanenterregten Elektromotors, der insbesondere drehrichtungsumkehrend ausgebildet und Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug ist, wie einem Fensterheberantrieb, einem Sitzverstellungsantrieb, einem Schiebedachantrieb oder ähnlichem.
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Die Kommutatoreinrichtung 10 umfasst einen Kommutator 11, der drehfest mit der Rotorwelle des Elektromotors verbunden ist und um eine Rotorachse 12 rotiert, sowie stiftförmige Kohlebürsten 13, die radial an der äußeren Mantelfläche des Kommutators 11 anliegen und in elektrischem Kontakt mit diesem stehen. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine zweipolige Gleichstrommaschine, dementsprechend sind zwei diametral gegenüberliegende Kohlebürsten 13 vorgesehen, die die Mantelfläche des Kommutators 11 an gegenüberliegenden Seiten kontaktieren.
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Die der Mantelfläche des Kommutators 11 abgewandten Enden der Kohlebürsten 13 werden von jeweils einem als Schenkelfeder 14 ausgebildeten Federelement radial in Richtung des Kommutators 11 kraftbeaufschlagt. Die Schenkelfedern 14 sind in der Weise positioniert bzw. ausgerichtet, dass die Federachse 15 der Schenkelfedern 14 quer zur Rotorachse 12 verläuft. Jeweils ein Federschenkel 16 der Schenkelfedern 14 liegt an der dem Kommutator 11 abgewandten Stirnseite der Kohlebürsten 13 an und ist beispielhaft in einer Nut 17 geführt, die in der Stirnseite der Kohlebürsten 13 ausgebildet ist.
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Die Kohlebürsten 13 sind jeweils in einem Bürstenführungselement 20 angeordnet bzw. in Längsrichtung (= Radialrichtung des Kommutators 13) der Kohlebürsten 13 geführt, dessen Form bzw. Querschnitt der Form bzw. Querschnitt der Kohlebürste 13 angepasst ist. Wie insbesondere anhand der 3 und 4 erkennbar ist, weist die Kohlebürste 13 senkrecht zu ihrer Längserstreckung einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Kohlebürste 13 weist somit zwei um einen Winkel α zueinander geneigt angeordnete Seitenflächen 21, 22 auf, wobei der Winkel α bevorzugt zwischen 30° und 90° beträgt. Weiterhin umfasst die Kohlbürste 13 eine eine geringere Breite aufweisende erste Basisfläche 23, sowie eine im Vergleich zur ersten Basisfläche 23 eine größere Breite aufweisende zweite Basisfläche 24. Die Anordnung der Kohlebürsten 13 zur Rotorachse 12 ist derart, dass die Symmetrieachse 25 des Kohlebürstenquerschnitts mit der Rotorachse 12 fluchtet. Dementsprechend liegt auch der Federschenkel 16, der die Kohlebürste 13 kraftbeaufschlagt, in einer Ebene, die von der Rotorachse 12 sowie einer weiteren Geraden aufgespannt wird, welche sowohl senkrecht zur Rotorachse 12, als auch senkrecht zur Federachse 15 der Schenkelfeder 14 steht.
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Wie insbesondere anhand der Seitenansicht der 2 zu entnehmen ist, liegt der Federschenkel 16 der Schenkelfeder 14 unter einem Winkel bezogen auf die Rotorachse 12 an der freien Stirnseite der Kohlebürste 13 an. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise nicht mehr als 30°. Auch die freie Stirnseite der Kohlebürste 13 weist gegenüber der Rotorachse 12 diesen Winkel auf. Aufgrund dieser Winkellage des Federschenkels 16 bzw. der Stirnseite der Kohlebürste 13 erfolgt die Kraftbeaufschlagung, wie mit den eingetragenen Kraftpfeilen dargestellt, mit einer Komponente FX, die radial nach innen zum Kommutator 11 weist, sowie einer Komponente FZ, die in Richtung der Rotorachse 12 weist. Die Komponenten FX und FZ setzen sich zusammen zu einer resultierenden Kraft F, welche die Kraftwirklinie darstellt, in der die Krafteinleitung von der Schenkelfeder 14 auf die Kohlebürste 13 erfolgt. Aufgrund des verhältnismäßig kleinen Winkels von maximal 30°, unter dem der Federschenkel 14 an der Kohlebürste 13 anliegt und der zugleich den Winkel darstellt, welcher zwischen der resultierenden Kraftkomponente F und der in Radialrichtung weisenden Kraft FX liegt, ist die Radialkomponente FX der Federkraft deutlich größer als die Axialkomponente FZ. Die Radialkomponente FX ist radial von außen nach innen gerichtet, die Axialkomponente FZ verläuft in der Darstellung gemäß der 2 axial nach oben.
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Das Bürstenführungselement 20 besteht entweder aus Kunststoff und ist dann vorzugsweise als Kunststoffspritzteil ausgebildet, oder es besteht aus Metall, wobei es dann bevorzugt als metallurgisches Spritzgussteil (alternativ: Stanzbiegeteil oder durch Fräsen) ausgebildet ist. Das Bürstenführungselement 20 weist zwei Seitenteile 26, 27 auf, die parallel zu den Seitenflächen 21, 22 der Kohlebürste 13 angeordnet sind. Ferner umfasst das Bürstenführungselement 20 zwei parallel zueinander und zu den beiden Basisflächen 23, 24 der Kohlebürste 13 angeordnete weitere Seitenteile 28, 29. Die Seitenteile 26 bis 29 des Bürstenführungselements 20 bilden vorzugsweise einen in sich geschlossenen Querschnitt aus, der lediglich ggf. im Bereich der Schenkelfeder 14 bzw. des Federschenkels 16, insbesondere in Form eines Schlitzes, unterbrochen ist.
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Bei dem in der 3 dargestellten Querschnitt des Bürstenführungselements 20 bildet dieses auf den den Seitenflächen 21, 22 der Kohlebürste 13 zugewandten Seiten jeweils eine Führungsfläche 31, 32 aus, an denen die Seitenflächen 21, 22 vollflächig anliegen, wobei die Führungsflächen 31, 32 ebenfalls um den Winkel α zueinander geneigt angeordnet sind. Ferner erkennt man, dass zwischen den beiden Basisflächen 23, 24 der Kohlebürste 13 sowie den beiden Seitenteilen 28, 29 des Bürstenführungselements 20 jeweils ein Freiraum in Form eines Spalts 33, 34 ausgebildet ist. In der 3 ist darüber hinaus die Axialkomponente FZ der resultierenden Kraft F der Schenkelfeder 14 dargestellt. Man erkennt, dass die Axialkomponente FZ in der Symmetrieachse 25 der Kohlebürste 13 verläuft und das Bürstenelement 13 in Richtung des Seitenteils 28 des Bürstenführungselements 20 drückt, so dass die Kohlebürste 13 stets in Anlagekontakt mit den beiden Führungsflächen 31, 32 steht und die Kohlebürste 13 zwischen den beiden Führungsflächen 31, 32 „zentriert“ wird. Weiterhin ist erkennbar, dass der Flächenschwerpunkt 35 der Querschnittsfläche der Kohlebürste 13 innerhalb der Fläche 38 angeordnet ist, die zwischen den Anlagebereichen der beiden Seitenflächen 26, 27 des Bürstenführungselements 20 ausgebildet ist, an denen die Kohlebürste 13 anliegt.
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In der 4 ist ein modifizierter Querschnitt des Bürstenführungselements 20 dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass die beiden Seitenteile 26, 27 auf der der Kohlebürste 13 zugewandten Seite jeweils zwei zueinander beabstandet angeordnete, stegförmige Anlagestege 36, 37 aufweist, in deren Bereich die Seitenflächen 21, 22 der Kohlebürste 13 linienförmig anliegen. Die Anlagestege 36, 37 erstrecken sich über die gesamte Länge des Bürstenführungselements 20 senkrecht zur Zeichenebene der 4. Wenn man die Berührstellen der Kohlebürste 13 an den Anlagestegen 26, 27 miteinander verbindet wird eine Fläche 38 aufgespannt, wobei es erfindungswesentlich ist, dass der Flächenschwerpunkt 35 der Kohlebürste 13 innerhalb der Fläche 38 angeordnet ist.
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Die soweit beschriebene Kommutatoreinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere auch denkbar, die Kommutatoreinrichtung 10 beispielsweise bei einem vierpoligen Elektromotor einzusetzen. Darüber hinaus soll die Querschnittsform der Kohlebürsten 13 nicht auf die in den Figuren dargestellten trapezförmigen Querschnitte begrenzt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001714 A1 [0002]
- DE 102006014762 A1 [0004]
