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Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für einen Schleifkontakt. Insbesondere betrifft die Erfindung die Gestaltung einer Bürste eines Schleifkontakts, der zum Einsatz an einer elektrischen Rotationsmaschine eingerichtet ist.
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Stand der Technik
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Ein Schleifkontakt dient dazu, eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Element herzustellen, die gegeneinander verschiebbar oder drehbar angeordnet sind. Dabei umfasst der Schleifkontakt eine Schleifbahn am einen Element und ein Kontaktelement, das an der Schleifbahn anliegt, am anderen Element, wobei sowohl die Schleifbahn als auch das Kontaktelement aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt sind. Ein Schleifkontakt findet beispielsweise Anwendung in einem Kommutator eines Elektromotors. In diesem Fall ist die Schleifbahn um die Drehachse des Elektromotors gebogen.
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Das Kontaktelement umfasst üblicherweise eine Bürste, die an der Schleifbahn anliegt, ein Halteelement zur mechanischen Fixierung der Bürste und ein Federelement, um die Bürste an die Schleifbahn anzupressen. In einer Ausführungsform ist das Halteelement länglich und erstreckt sich zwischen der Bürste und einem Halteabschnitt. Diese Bauform bedingt, dass die Bürste mit fortschreitendem Verschleiß durch Abrieb an der Schleifbahn einen Bogen um das Halteelement beschreibt. Dadurch kann sich eine Position der Bürste bezüglich der Schleifbahn ändern. Im Fall eines Kommutators ändern sich dadurch Einschaltbzw. Ausschaltpositionen über die Position der Bürste an der Schleifbahn, so dass eine Leistungsfähigkeit oder Effizienz des zugehörigen Elektromotors oder Generators beeinträchtigt sein können. In einem beispielhaften Aufbau konnte nachgewiesen werden, dass sich die Position eines geometrischen Mittelpunkts zwischen dem auflaufenden und dem ablaufenden Ende der Kontaktfläche zwischen der Bürste und der Schleifbahn im Verlauf über dem projektierten Verschleiß der Bürste um minus 4,6 Grad bezüglich der Drehrichtung der Schleifbahn änderte.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kontaktelement zur Kontaktierung einer Schleifbahn anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Kontaktelements mit den Merkmalen von Anspruch 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Kontaktelement zur Kontaktierung einer Schleifbahn umfasst eine Bürste zur Anlage an der Schleifbahn, ein längliches Halteelement, das an entgegengesetzten Enden einen Befestigungsabschnitt und einen Halteabschnitt zur Aufnahme der Bürste aufweist, und ein Federelement zum Anpressen der Bürste an die Schleifbahn derart, dass sich ein von der Schleifbahn entferntes Ende der Bürste entlang einer gebogenen Kurve an die Schleifbahn annähert, wenn die Bürste an der Schleifbahn abgerieben wird. Dabei weist die Bürste entlang der Kurve einen Verschleißabschnitt auf, auf dem eine an der Schleifbahn anliegende Oberfläche der Bürste unabhängig vom bereits erfolgten Abrieb der Bürste an der Schleifbahn ist.
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Einem Vergrößern oder Verkleinern der Kontaktfläche zwischen der Bürste und der Schleifbahn über den Verschleiß der Bürste, wie er an bekannten Kontaktelementen beobachtet werden kann, kann so entgegen gewirkt werden. Ein Verschieben der geometrischen Mitte zwischen dem auflaufenden und dem ablaufenden Ende dieser Oberfläche kann dadurch verringert oder verhindert sein. Außerdem kann der Verschleiß durch Abrieb der Bürste an der Schleifbahn über die projektierte Lebensdauer der Bürste gleichmäßiger erfolgen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist im Verschleißabschnitt die Lage einer geometrischen Mitte der anliegenden Oberfläche bezüglich einer Drehrichtung der Schleifbahn unabhängig. Insbesondere dann, wenn das Kontaktelement von einem Kommutator einer elektrischen Maschine umfasst ist, kann dadurch eine verbesserte Einhaltung von Ein- und Ausschaltpositionen der Schleifbahn über den Verschleiß der Bürste sichergestellt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen im Verschleißabschnitt Begrenzungen der Bürste parallel zu einer Tangente durch die gekrümmte Kurve. Die Begrenzungen enden an der auflaufenden bzw. ablaufenden Begrenzung der Kontaktfläche zwischen der Bürste und der Schleifbahn. Die gekrümmte Kurve kann insbesondere dadurch bedingt sein, dass das längliche Halteelement einseitig am Befestigungsabschnitt eingespannt ist. Durch die genannte Ausformung der Begrenzungen der Bürste kann die Lage der anliegenden Oberfläche zwischen der Bürste und der Schleifbahn relativ einfach wenigstens näherungsweise beibehalten sein, während die Bürste an der Schleifbahn verschleißt.
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In einer anderen Ausführungsform können im Verschleißabschnitt Begrenzungen der Bürste parallel zur gekrümmten Kurve verlaufen. So kann die beschriebene Konstanz der anliegenden Oberfläche in verbesserter Weise über den Verschleiß der Bürste erzielbar sein.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt die Kurve auf einem Kreissegment mit einem Radius und im Verschleißabschnitt liegen Begrenzungen der Bürste auf gleich großen Radien. Diese Ausführungsform ist auch dann anwendbar, wenn die Kurve nur abschnittweise oder nur in einem Punkt auf einem Kreissegment mit einem Radius liegt. Diese Ausführungsform ist ebenfalls relativ leicht herzustellen und erfordert keine genaue Kenntnis der Krümmung der Kurve.
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Auf der vom Halteelement entfernten Seite der unverschlissenen Bürste kann ein Einlaufabschnitt ausgebildet sein, in dem die an der Schleifbahn anliegende Oberfläche kleiner als die im Verschleißabschnitt anliegende Oberfläche ist. Anders ausgedrückt kann der Einlaufabschnitt der Bürste mehr oder weniger stark zulaufen, bevor er an der Schleifbahn anliegt. Dadurch kann begünstigt sein, dass sich eine frisch eingesetzte Bürste rasch im korrekten Winkel an die Schleifbahn anlegt.
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Bevorzugterweise wird die anliegende Oberfläche im Einlaufabschnitt mit fortschreitendem Abrieb größer. Der Verschleiß der Bürste im Einlaufabschnitt wird also sukzessive langsamer, bis der Einlaufabschnitt aufgezehrt ist und das Ende des Verschleißabschnitts der Bürste an der Schleifbahn anliegt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Bürste in einem Schnitt senkrecht zur gekrümmten Kurve rechteckig. Zwar können die beschriebenen Ausführungsformen auch an einer anders geformten Bürste eingesetzt werden, beispielsweise einer Bürste mit einem runden oder ovalen Querschnitt, jedoch kann eine Position der Schleifbahn, an der ein Kontakt zwischen einem vorbestimmten Abschnitt der Schleifbahn und der Bürste hergestellt bzw. getrennt wird, mit verbesserter Präzision und erhöhter Strombelastbarkeit definiert sein, wenn der rechteckige Querschnitt eingehalten ist.
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Die Bürste kann einen dem Halteelement zugewandten Befestigungsabschnitt umfassen, wobei das Halteelement eine Einrichtung trägt, um den Befestigungsabschnitt verschiebbar entlang des Halteelements zu lagern. Durch die verschiebbare Lagerung der Bürste am Halteelement kann eine Neigung der Bürste zum Verkanten gegenüber der Schleifbahn reduziert sein.
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In einer Ausführungsform ist das Federelement durch einen flexiblen Abschnitt des Halteelements gebildet und die Bürste ist derart am Halteelement angebracht, dass zwischen der Kurve und dem unbelasteten Halteelement ein Winkel kleiner als 90° besteht. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Winkel mehr als 10° und weiter bevorzugt mehr als 20°. Die Lage der anliegenden Oberfläche zwischen der Schleifbahn und der Bürste kann so verbessert kontrolliert werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 einen Schleifkontakt zum Kommutieren eines Elektromotors;
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2 eine weitere Ausführungsform des Kontaktelements von 1 in einer seitlichen Ansicht;
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3 Varianten eines Verschleißabschnitts der Bürste aus 1;
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4 Varianten eines Einlaufabschnitts der Bürste aus 1
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5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Schleifkontakts von 1;
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6 eine seitliche Ansicht des Kontaktelements von 5, und
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7 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kontaktelements der 5 und 6
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Schleifkontakt 100, beispielsweise zum Kommutieren eines Elektromotors bzw. eines Generators. Der Schleifkontakt 100 umfasst ein Kontaktelement 105 und eine Schleifbahn 110. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schleifbahn 110 um eine Drehachse 115 des Elektromotors gebogen. In anderen Ausführungsformen kann der Schleifkontakt 100 auch an einer anderen Einrichtung eingesetzt sein, beispielsweise einer Schleifkontaktierung für eine Antenne oder eine Längssäule. Die Schleifbahn 110 muss in anderen Ausführungsformen auch nicht gekrümmt sein, sondern kann sich beispielsweise auch in einer Fläche erstrecken.
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Das Kontaktelement 105 umfasst eine Bürste 120, ein Halteelement 125 und ein Federelement 130. Die Bürste 120 ist zur Anlage an der Schleifbahn 110 eingerichtet. Ein Querschnitt der Bürste 120 ist üblicherweise rechteckig, kann aber auch anders geformt sein. Die Anlage der Bürste 125 an der Schleifbahn 110 wird durch eine Oberfläche 135 gebildet, die bezüglich einer angenommenen Bewegungsrichtung der Schleifbahn 110 eine auflaufende Kante 140 und eine ablaufende Kante 145 aufweist. Zusätzlich ist eine geometrische Mitte 150 zwischen den Kanten 140 und 145 eingezeichnet. Die Bürste 120 ist üblicherweise aus Kohle oder einem anderen gut leitenden Material aufgebaut und dazu eingerichtet, möglichst einseitig gegenüber der Schleifbahn 110 zu verschleißen. Um zu gewährleisten, dass ein Anfang oder ein Ende eines leitfähigen Abschnitts der Schleifbahn 110 entlang der angenommenen Bewegungsrichtung stets in der korrekten, vorbestimmten Position der Schleifbahn 110 die auflaufende Kante 140 bzw. die ablaufende Kante 145 passiert, ist dafür zu sorgen, dass ein Abrieb der Bürste 120 an der Schleifbahn 110 die Positionen der Kanten 140 und 145 bzw. der Mitte 150 bezüglich der Schleifbahn 110 nicht verändern.
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Das Kontaktelement 105 ist mit durchgezogenen Linien in einem teilweise verschlissenen Zustand und mit unterbrochenen Linien in einem unverschlissenen Zustand dargestellt. Mit fortschreitendem Verschleiß der Bürste 120 bewegt sich ein der Schleifbahn 110 abgewandtes Ende der Bürste 120 entlang einer gekrümmten Kurve 155 in Richtung der Schleifbahn 110. Dabei ist die Krümmung der Kurve 155 in erster Linie von der Geometrie des Halteelements 125 abhängig. In der dargestellten Ausführungsform ist das Halteelement 125 länglich und umfasst einen Befestigungsabschnitt 160, einen flexiblen Abschnitt 165 und einen Halteabschnitt 170 zur Aufnahme der Bürste 120. Dabei können sich die einzelnen Abschnitte 160, 165 und 170 auch überlappen. Der Befestigungsabschnitt 160 ist zur Lagerung des Kontaktelements 105 beispielsweise an einem Stator des Elektromotors eingerichtet.
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In der dargestellten, beispielhaften Ausführungsform umfasst der Befestigungsabschnitt 160 ein Auge zur Aufnahme eines Zapfens. Ein weiterer Zapfen ist in vorbestimmtem Abstand entlang des Halteelements 125 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform kann auch nur der untere, in 1 dargestellte Zapfen nach Art einer Drehachse in das Auge des Befestigungsabschnitts 160 eingreifen und der zweite Zapfen entfällt, wobei das Halteelement 125 im Wesentlichen starr ausgeführt ist und eine Anpresskraft zum Anpressen der Bürste 120 an die Schleifbahn 110 wird durch ein separates Element, beispielsweise eine Spiralfeder, in Richtung der Drehachse 115 auf das Halteelement 125 bzw. die Bürste 120 ausgeübt. Während die gekrümmte Kurve 155 im erstgenannten Fall mit den zwei Zapfen beispielsweise einen Ellipsenabschnitt umfassen kann, ähnelt sie im letztgenannten Fall mit nur einem Zapfen im Allgemeinem einem Kreissegment. In jedem Fall ist die Kurve 155 jedoch gebogen.
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Um zu gewährleisten, dass die Position der anliegenden Oberfläche 135 zwischen der Bürste 120 und der Schleifbahn 110 über den Verschleiß der Bürste 120 in der vorbestimmten Position bleibt, sind eine erste Begrenzung der Bürste 120, die dem Befestigungsabschnitt 160 zugewandt ist, und eine zweite Begrenzung 180, die dem Befestigungsabschnitt 160 abgewandt ist, in Abhängigkeit von der gekrümmten Kurve 155 geformt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kontaktelements 105 von 1 in einer seitlichen Ansicht. Dabei ist die Bürste 120 in drei Abschnitte unterteilt, entlang derer sich die Bürste 120 vom Halteelement 125 aus erstreckt. Ein Fixierungsabschnitt 205 ist dazu eingerichtet, einen Eingriff der Bürste 120 am Halteelement 125 sicherzustellen. Es ist nicht vorgesehen, dass die Bürste 120 so weit verschlissen wird, dass die anliegende Oberfläche 135 im Bereich des Fixierungsabschnitts 205 liegt.
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An den Fixierungsabschnitten 205 schließt sich ein Verschleißabschnitt 210 an. Der Verschleißabschnitt 210 erstreckt sich zwischen den Begrenzungen 175 und 180. An den Verschließabschnitt 210 schließt sich ein optionaler Einlaufabschnitt 215 an. Der Einlaufabschnitt 215 läuft in steigendem Abschnitt vom Halteelement 125 zu, so dass die anliegende Oberfläche 135, wenn sie im Bereich des Einlaufabschnitts 215 liegt, eine kleinere Fläche einnimmt als wenn sie im Bereich des Verschleißabschnitts 210 liegt.
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3 zeigt verschiedene Varianten des Verschleißabschnitts 210 der Bürste 120 aus 1. Dabei ist der optionale Einlaufabschnitt 215 jeweils mit unterbrochenen Linien dargestellt.
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3a zeigt eine Variante, in der die Begrenzungen 175 und 180 gerade und parallel zueinander verlaufen. Dabei liegen die Begrenzungen 175 und 180 bevorzugterweise parallel zu einer Tangente durch die gekrümmte Kurve 155, wenn die anliegende Oberfläche 135 im Bereich des Verschleißabschnitts 210 liegt.
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3b zeigt eine Ausführungsform, in der die Begrenzungen 175 und 180 jeweils Abschnitte einer Zylindermantelfläche mit dem gleichen Radius umfassen. Die Radien entsprechen vorzugsweise einem Radius der gekrümmten Kurve 155, wenn die anliegende Oberfläche 135 im Verschleißabschnitt 210 liegt.
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3c zeigt eine Ausführungsform, in der sich die Begrenzungen 175 und 180 entlang Flächen erstrecken, die sich entlang einer Spline-Kurve krümmen. Dabei können die Krümmungen gleich oder unterschiedlich für die Begrenzungen 175 und 180 sein.
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4 zeigt Varianten des Einlaufabschnitts 215 der Bürste 120 aus 1. Es sind fünf unterschiedliche Varianten dargestellt, wobei jeweils der Verschleißabschnitt 210 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Jede der dargestellten Varianten des Einlaufabschnitts 215 ist mit jeder der Varianten des Verschleißabschnitts 210 aus 3 kombinierbar.
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4a zeigt eine Variante, bei der eine erste Fläche 405 und eine zweite Fläche 410, die Fortsetzungen der Begrenzungen 175 bzw. 180 darstellen, gerade sind und aufeinander zu verlaufen.
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4b zeigt eine ähnliche Variante, bei der zwischen den Flächen 405 und 410 noch eine dritte Fläche 415 vorgesehen ist, die vorzugsweise eben und weiter bevorzugt tangential zur Oberfläche der Schleifbahn 110 verläuft.
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4c zeigt eine weitere Verfeinerung dieses Konzepts, bei der die dritte Fläche 415 entlang eines Radius verläuft, so dass sich eine Hohlkehle an der Bürste 120 bildet. Bevorzugterweise entspricht der Radius der dritten Fläche 415 dem äußeren Radius der Schleifbahn 110.
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4d zeigt eine Ausführungsform ähnlich der von 4a, wobei die Flächen 405 und 410 jeweils entlang eines vorbestimmten Radius verlaufen. Dabei können die Radien gleich oder voneinander verschieden sein. Der Radius an der ersten Fläche 405 liegt auf der Innenseite der Bürste 120, während der Radius der zweiten Fläche 410 auf deren Außenseite liegt. Eine Hohlkehle ergibt sich somit im Bereich der zweiten Fläche 410.
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Eine weitere Variation dieser Ausführungsform ist in 4e dargestellt. Hier folgen die Krümmungen der Flächen 405 und 410 jeweils Spline-Kurven.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kontaktelements 105 von 1. Hier ist der Halteabschnitt 170 so geformt, dass er den Fixierungsabschnitt 205 der Bürste 120 so aufnehmen kann, dass die Bürste 120 in Richtung eines Radius von dem Befestigungsabschnitt 160 verschiebbar ist. Hierzu kann ein Teil des Fixierungsabschnitts 205 durch eine entsprechende Aussparung des Halteelements 125 durchgeführt sein. Der Halteabschnitt 170 ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise vollständig rigide.
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Außerdem ist in 5 eine flexible Leitung 505 dargestellt, um einen elektrischen Kontakt zur Bürste 120 herzustellen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Leitung 505 in den anderen Figuren nicht eingezeichnet.
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6 zeigt eine seitliche Ansicht des Kontaktelements 105 von 5.
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7 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kontaktelements 105 der 5 und 6. In der dargestellten Variante ist zwischen der gekrümmten Kurve 155 und der Erstreckungsrichtung des unbelasteten Halteelements 125 ein Winkel 705 eingeschlossen, der kleiner als 90° ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel 705 weniger als 80°, weiter bevorzugt weniger als 75°. In allen Fällen sollte der Winkel 705 nicht zu klein werden, eine untere Grenze von ca. 65° scheint angemessen. Anders ausgedrückt besteht zwischen dem Halteabschnitt 170 und dem flexiblen Abschnitt 165, wenn er unbelastet ist, ein Winkel, der größer als 0° ist.
