-
Die Erfindung betrifft ein Bürstensystem für einen Elektromotor, der federbelastete Bürsten zur Anlage an einem Kommutator aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor mit einem solchen Bürstensystem.
-
Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Elektromotoren, die als Gleichstrommotor ausgebildet sind, kommen meist sogenannte Kommutatoren zum Einsatz, die den elektrischen Strom auf die Wicklungen des sich drehenden Rotors übertragen. Dazu ist der Kommutator auf der Rotorwelle, die zugleich die Welle des Elektromotors darstellt, in Form von axial ausgerichteten und umfänglich voneinander beabstandeten (Kommutator-)Lamellen gebildet. Diese Lamellen werden von Bürsten bestrichen, die mit dem (feststehenden) Stator des Elektromotors verbunden sind und den Strom auf die Lamellen übertragen. Durch die Lamellen wird von Wicklung zu Wicklung eine Stromwendung erzeugt, die gegenüber den (feststehenden) Magnetpolen des Stators ein Drehmoment auf die Rotorwelle erzeugt.
-
Die Bürsten sind herkömmlicherweise aus Kohlepulver – gegebenenfalls zusammen mit Metallpartikeln – gepresst. Aufgrund des Schleifkontakts mit den Lamellen erfahren die Bürsten einen Abrieb. Um trotz des Abriebs den Kontakt zwischen Bürste und Kommutator zu gewährleisten, sind die Bürsten in einem sogenannten Köcher mittels Federelementen (mechanischen Federn) unter Wirkung deren Rückstellkraft federnd gelagert. Dadurch erfolgt eine automatische Nachstellung der Bürsten. Die Köcher sind meist auf einem Träger angeordnet, der zusammen mit den Köchern, den Bürsten, den erforderlichen elektrischen Kontaktmitteln und teilweise ebenfalls auf dem Träger angeordneten Entstörelementen (Spulen bzw. Drosseln und/oder Kondensatoren) ein sogenanntes Bürstensystem bildet.
-
Im Betrieb des Elektromotors kann es aufgrund von Unwuchten oder Unrundheit des Kommutators, grober PWM-Ansteuerung, Druckpulsationen einer angetriebenen Pumpe oder dergleichen dazu kommen, dass die Bürsten kurzzeitig von dem Kommutator abheben. Hierbei kommt es häufig zu sogenanntem Bürstenfeuer, einem Funkenüberschlag zwischen der Bürste und dem Kommutator, der zu einer verstärkten Abnutzung der Bürste führt. Schlimmstenfalls kann zudem das aus Bürste und Feder gebildete System derart in Schwingung versetzt werden, dass das System in Eigenfrequenz schwingt, wodurch das Bürstenfeuer und der Abrieb verstärkt werden. Dies kann zu einem frühzeitigen Ausfall der Bürste und damit des Elektromotors führen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein funktionssicheres Bürstensystem mit erhöhter Einsatzzeit anzugeben. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen funktionssicheren Elektromotor mit erhöhter Einsatzzeit anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Bürstensystems erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich eines Elektromotors wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
-
Das erfindungsgemäße Bürstensystem für einen Elektromotor umfasst eine Bürste zur Anlage an einem Kommutator des Elektromotors und einen Köcher, in dem die Bürste geführt ist. Des Weiteren umfasst das Bürstensystem eine Bürstenandruckfeder zum Erzeugen einer Anpresskraft zwischen der Bürste und dem Kommutator. Die Bürstenandruckfeder weist hierbei einen ersten Federabschnitt mit einer ersten Federrate und einen zweiten Federabschnitt auf, wobei der zweite Federabschnitt mit einer zu der ersten Federrate unterschiedlichen zweiten Federrate ausgebildet ist.
-
Unter der Bezeichnung „Federabschnitt” der Bürstenandruckfeder wird hier und im Folgenden vorzugsweise ein Abschnitt der Bürstenandruckfeder verstanden, der insbesondere durch elastische Verformung zu dem federnden Verhalten der Bürstenandruckfeder beiträgt. Die Bezeichnung „Federabschnitt” ist somit von solchen Abschnitten oder Bereichen der Bürstenandruckfeder abgegrenzt, die insbesondere steif, d. h. unelastisch, ausgeführt und zur Anlage oder Anbindung der Bürstenandruckfeder an die Bürste oder den Köcher vorgesehen sind.
-
Durch die zwei Federabschnitte mit jeweils unterschiedlicher Federrate wird vorteilhafterweise bei Belastung der Bürstenandruckfeder eine Progression, d. h. eine überproportionale Zunahme der Federkraft über den zurückgelegten Federweg erreicht. Entsprechend tritt bei Entlastung der Bürstenandruckfeder eine Degression der Federkraft auf.
-
Das Schwingungsverhalten, insbesondere die Eigenfrequenz, eines Masse-Feder-Schwingungssystems wird insbesondere durch die Federrate einer Feder und die Masse beeinflusst. Im Fall des Bürstensystems bilden die Bürste und die Bürstenandruckfeder dieses Masse-Feder-Schwingungssystem (Bürste-Feder-Schwingungssystem). Aufgrund des Verschleißes der Bürste nimmt deren Masse im Betrieb kontinuierlich ab, wodurch die Eigenfrequenz verändert wird. Durch die Verwendung einer Bürstenandruckfeder mit zwei unterschiedlichen Federraten ergibt sich somit der Vorteil, dass die Eigenfrequenz des Bürste-Feder-Schwingungssystems über die Einsatzzeit der Bürste vorgegeben werden kann.
-
Insbesondere kann auf einfache Weise – trotz des betriebsbedingten Abriebs der Bürste und der dadurch verringerten Masse der Bürste – die Eigenfrequenz des Bürste-Feder-Schwingungssystems über die gesamte Verschleißlänge der Bürste nahezu konstant, d. h. zumindest in einem vergleichsweise engen Bereich gehalten werden. Ist im Neuzustand die Eigenfrequenz relativ hoch, so wird die Schwingungsneigung bis zu einer bestimmten Betriebsdauer verzögert und dadurch die nutzbare Lebensdauer verlängert.
-
Bevorzugt sind die Federraten der beiden Federabschnitte derart gewählt, dass die Eigenfrequenz stets geringfügig oberhalb der regelmäßig durch den Kommutator erzeugten Erregerfrequenz liegt. Der Vorteil der zwei unterschiedlichen Federraten liegt dabei darin, dass die Federkraft – trotz der vergleichsweise hohen Eigenfrequenz – derart niedrig gewählt werden kann, dass der Verschleiß der Bürste im Vergleich zum Einsatz einer herkömmlichen Bürstenandruckfeder mit nur einer Federrate reduziert und dadurch die Einsatzzeit der Bürste erhöht wird.
-
In bevorzugter Ausführung ist die Bürstenandruckfeder durch einen schraubenförmig oder wendelförmig gewickelten Federdraht, d. h. insbesondere als Schraubenfeder, ausgebildet.
-
In zweckmäßiger Ausgestaltung weisen der erste Federabschnitt und der zweite Federabschnitt zur Einstellung der ersten Federrate bzw. der zweiten Federrate jeweils eine unterschiedliche Steigung der Drahtwicklungen des Federdrahtes auf. Unter „Steigung” wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Winkel zwischen der Drahtwicklung und der Längsachse der Bürstenandruckfeder ungleich 90 Grad beträgt. Durch die Anpassung der Federraten über die Steigung der Drahtwicklungen kann die Bürstenandruckfeder vorteilhafterweise mit einer konstanten Wicklungsquerschnittsfläche und/oder mit einem konstanten Drahtdurchmesser über die gesamte Länge der Bürstenandruckfeder gefertigt werden. Dadurch wird eine kostengünstige Herstellung der Bürstenandruckfeder mit unterschiedlichen Federraten ermöglicht.
-
Vorzugsweise weist die gesamte Bürstenandruckfeder eine ovale Wicklungsquerschnittsfläche auf. Dadurch wird auf einfache Weise ermöglicht, dass die Bürstenandruckfeder über ihre gesamte Länge möglichst vollumfänglich die Innenwände des Köchers, der regelmäßig eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweist, nahezu touchiert oder an diesen anliegt. Hierdurch wird wiederum ein Ausknicken der Bürstenandruckfeder im Köcher effektiv verhindert. Für den Fall, dass der Köcher mit einer quadratischen Querschnittsfläche ausgeführt ist, weist die Bürstenandruckfeder zweckmäßigerweise eine runde Wicklungsquerschnittsfläche auf.
-
In einer alternativen Ausführung umranden die Drahtwicklungen des ersten Federabschnitts allerdings eine runde Wicklungsquerschnittsfläche, während die Drahtwicklungen des zweiten Federabschnitts eine ovale Wicklungsquerschnittsfläche umranden. Durch die Ausführung der Bürstenandruckfeder mit unterschiedlichen Wicklungsquerschnittsflächen wird auf einfache Weise ermöglicht, Material und damit Gewicht einzusparen. Hierzu ist beispielsweise der rund ausgeführte Federabschnitt mit einer kleineren Wicklungsquerschnittsfläche als der ovale Federabschnitt ausgeführt. Der oval ausgeführte Federabschnitt touchiert hierbei zur Abstützung der Bürstenandruckfeder die Innenwände des Köchers nahezu oder liegt an diesen an. Im Rahmen der Erfindung ist es hierbei alternativ denkbar, dass sowohl der erste als auch der zweite Federabschnitt mit runder Wicklungsquerschnittsfläche ausgeführt sind. Zur Abstützung in dem Köcher weist die Bürstenandruckfeder hierbei wenigstens einen dritten Federabschnitt oder ein von dem ersten und dem zweiten Federabschnitt separates Segment auf, das mit vergrößerter, insbesondere ovaler, Wicklungsquerschnittsfläche ausgeführt ist.
-
Unter der Bezeichnung „Segment” der Bürstenandruckfeder wird hier und im Folgenden vorzugsweise mindestens eine Drahtwicklung, d. h. eine vollständige, 360 Grad überstreichende Windung, des Federdrahtes um eine Längsachse der Bürstenandruckfeder verstanden. Die Bezeichnung „Segment” kann hierbei auch für einen Abschnitt der Bürstenandruckfeder verwendet werden, der insbesondere nicht zu der Federrate der Bürstenandruckfeder beiträgt. Ein solches Segment kann beispielsweise eine Drahtwicklung der Bürstenandruckfeder darstellen, die keine Steigung aufweist und beispielsweise die Bürstenandruckfeder an einem oder beiden Enden begrenzt. Des Weiteren kann ein solches steigungsloses Segment im Rahmen der Erfindung auch zwischen dem ersten und dem zweiten Federabschnitt angeordnet sein.
-
In einer weiteren Ausführungsform weisen der erste Federabschnitt und der zweite Federabschnitt zur Einstellung der ersten Federrate bzw. der zweiten Federrate zusätzlich oder alternativ zu den unterschiedlichen Steigungen der Drahtwicklungen jeweils unterschiedlich große Wicklungsquerschnittsflächen auf.
-
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform weist die Bürstenandruckfeder einen dritten Federabschnitt auf, der wiederum eine dritte Federrate aufweist. Die dritte Federrate kann im Rahmen der Erfindung im Vergleich zu der ersten bzw. der zweiten Federrate unterschiedlich sein, sodass eine weitere Progression bzw. Degression der Bürstenandruckfeder über dem Federweg erreicht wird.
-
Bevorzugt sind allerdings der erste Federabschnitt und der dritte Federabschnitt, und damit die erste Federrate und die dritte Federrate, gleich ausgeführt und begrenzen den zweiten Federabschnitt zu beiden Enden der Bürstenandruckfeder. Dadurch wird auf einfache Weise ermöglicht, dass die Bürstenandruckfeder stets in gleicher Einbaulage in dem Köcher montiert wird. Insbesondere kann dadurch besonders effektiv erreicht werden, dass die Bürstenandruckfeder ein von der Einbaurichtung unabhängiges Verhalten aufweist.
-
Der erfindungsgemäße Elektromotor umfasst ein Bürstensystem der vorstehend beschriebenen Art.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung ein Bürstensystem eines Elektromotors mit zwei Bürsten, die in jeweils einem Köcher über eine Bürstenandruckfeder gegen einen Kommutator gelagert sind,
-
2 in schematisch vergrößerter Ansicht eine der Bürstenandruckfedern gemäß 1,
-
3 in einer Darstellung gemäß 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Bürstenandruckfeder,
-
4 in Darstellung gemäß 2 wiederum ein alternatives Ausführungsbeispiel der Bürstenandruckfeder,
-
5 in Darstellung gemäß 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Bürstenandruckfeder, und
-
6 in einem Schnitt VI-VI gemäß 5 die dortige Bürstenandruckfeder.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist ein Bürstensystem 1 dargestellt, das in Form einer Ringscheibe ausgeführt ist und konzentrisch um einen Kommutator 2 eines nicht näher dargestellten Elektromotors angeordnet ist. Das Bürstensystem 1 umfasst zwei (Kohle-)Bürsten 3, die in Kontakt mit dem Kommutator 2 stehen. Des Weiteren umfasst das Bürstensystem 1 zwei Köcher 4, in denen die Bürsten 3 radial zu dem Kommutator 2 und senkrecht zueinander geführt sind. Um eine Antriebskraft zwischen den Bürsten 3 und dem Kommutator 2 zu erzeugen, umfasst das Bürstensystem 1 außerdem zwei Bürstenandruckfedern (nachfolgend kurz: Federn 5), die jeweils in einem der Köcher 4 zwischen den Bürsten 3 und einem radial außenseitigen Köcherboden 6 einliegen. Zur Verdeutlichung ist in 1 einer der Köcher 4 durchbrochen dargestellt.
-
Die Bürsten 3 dienen in dem Elektromotor zur Stromübertragung auf den im Betrieb des Elektromotors rotierenden Kommutator 2 und damit auf die nicht näher dargestellten Wicklungen des Rotors des Elektromotors. Zur Stromübertragung weisen die Bürsten 3 an einer ihrer Seitenflächen jeweils ein Anschlusskabel 7 auf. Zur einfachen Kontaktierung der Bürsten 3 sind die Anschlusskabel 7 jeweils durch einen in dem Köcher 4 verlaufenden Längsschlitz 8 herausgeführt.
-
Wie aus 2 zu entnehmen ist, ist jede der Federn 5 durch einen schraubenförmig um eine Längsachse 30 der Federn 5 gewickelten Federdraht gebildet. Die Wicklungen des Federdrahtes sind dabei, vergleichbar zu den Gewindegängen einer Schraube, mit einem Steigungswinkel 32 gegenüber der Längsachse 30 angestellt. Die Feder 5 umfasst weiterhin jeweils einen ersten Federabschnitt 34 und einen zweiten Federabschnitt 36, die wiederum jeweils durch mehrere federnde Wicklungen, d. h. Wicklungen, deren Steigungswinkel 32 mehr als 90 Grad gegenüber der Längsachse 32 beträgt, gebildet sind. Die Federabschnitte 34 bzw. 36 unterscheiden sich dadurch voneinander, dass die Wicklungen des jeweiligen Federabschnitts 34 bzw. 36 eine unterschiedliche Steigung, d. h. einen unterschiedlichen Steigungswinkel 32 aufweisen. Der Steigungswinkel 32 des Federabschnitts 34 ist hierbei kleiner als der Steigungswinkel 32 des Federabschnitts 36. Dadurch weisen die Federabschnitte 34 bzw. 36 auch jeweils eine unterschiedliche Federrate, d. h. eine unterschiedlich starke Abhängigkeit der Federkraft von dem Federweg, d. h. der Auslenkung der Federabschnitte 34 bzw. 36, auf.
-
Die Feder 5 umfasst des Weiteren an jedem ihrer Freienden jeweils ein Endsegment 38, dessen Steigungswinkel 32 gegenüber der Längsachse 30 90 Grad beträgt. Die Endsegmente 38 sind also steigungslos ausgeführt und liefern somit bei einer Kompression der Feder 5 keinen Beitrag zur Federwirkung, d. h. zur Federrate der Feder 5. Vielmehr dienen die Endsegmente 38 dazu, eine plane Auflage für die Feder 5 an dem Köcherboden 6 bzw. an der Bürste 3 zu schaffen. Die Endsegmente 38 umfassen hierbei eine Wicklung, d. h. eine 360 Grad überstreichende Windung, des Federdrahtes.
-
Die Drahtwicklungen der Feder 5 umranden in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 in jedem der Federabschnitte 34 und 36 jeweils eine gleich große Wicklungsquerschnittsfläche. Die Wicklungsquerschnittsfläche ist hierbei derart gewählt, dass die Drahtwicklungen annähernd mit den Innenwänden des Köchers 4 (angedeutet durch die Strichlinien in 2) in Kontakt stehen. Dadurch wird auf einfache und effektive Weise verhindert, dass die Feder 5 bei einer Kompression seitlich gegenüber der Längsachse 30 ausknickt. Ein solches Ausknicken kann beispielsweise zu einer Verringerung der Anpresskraft der Bürste 3 an den Kommutator 2 führen.
-
Durch die unterschiedlichen Federraten der Federabschnitte 34 und 36 kann die Kennlinie der Feder 5, d. h. der Verlauf der Federkraft über dem Federweg, auf den erwarteten Verschleiß der Bürste 3 angepasst werden. Zum Einen kann durch eine abnehmende Federkraft über dem Federweg der Verschleiß der Bürste 3 verringert werden. Zum Anderen kann durch die unterschiedlichen Federraten der Federabschnitte 34 bzw. 36 die Eigenfrequenz des durch die Bürste 3 und die Feder 5 gebildeten Schwingungssystems auch bei verschleißbedingt abnehmender Masse der Bürste 3 nahezu konstant, d. h. zumindest in einem engen Bereich gehalten werden. Beispielsweise ist die Eigenfrequenz derart hoch vorgegeben, dass die Schwingung durch einen unrunden Lauf des Kommutators 2 stets knapp unterhalb der Eigenfrequenz liegt.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Feder 5 dargestellt. Die Feder 5 umfasst neben den Federabschnitten 34 und 36 einen dritten Federabschnitt 40 sowie die beiden Endabschnitte 38. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Federabschnitt 40 zu dem ersten Federabschnitt 34 gleich, d. h. mit gleicher Anzahl Wicklungen sowie mit gleichem Steigungswinkel 32 (und mit gleicher Wicklungsquerschnittsfläche) ausgebildet. Somit weist der dritte Federabschnitt 40 die gleiche Federrate wie der Federabschnitt 34 auf. Die Federabschnitte 34 und 40 sind beidseitig zu dem Federabschnitt 36 angeordnet. Durch diese in Längsrichtung der Feder 5 symmetrische Ausführung der Feder 5 ist der Einbau der Feder 5 in den Köcher 4 besonders einfach.
-
In einem nicht näher dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel der Feder 5 weist der dritte Federabschnitt 40 gegenüber den Federabschnitten 34 und 36 wiederum einen anderen Steigungswinkel 32 auf, sodass die Feder 5 über ihrem Federweg drei unterschiedliche Federraten aufweist.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dahingehend, dass der Steigungswinkel 32 des ersten Federabschnitts 34 und des dritten Federabschnitts 40 gegenüber dem zweiten Federabschnitt 36 größer ausgeführt ist. Mit anderen Worten sind die Steigungen der Federabschnitte 34 und 36 bzw. 40 und 36 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 vertauscht.
-
In 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Feder 5 dargestellt. Der erste Federabschnitt 34 weist hierbei einen gegenüber dem zweiten Federabschnitt 36 kleineren Steigungswinkel 32 auf und ist mit einer ovalen und gegenüber dem zweiten Federabschnitt 36 größeren Wicklungsquerschnittsfläche ausgeführt (siehe 6). Die ovale Wicklungsquerschnittsfläche des ersten Federabschnitts 34 ist hierbei in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken ausgeführt, sodass der erste Federabschnitt 34 mit seinen Drahtwicklungen nahezu vollumfänglich an den Innenwänden des Köchers 4 anliegt. Der zweite Federabschnitt 36 weist dahingegen eine runde Wicklungsquerschnittsfläche auf. Der erste Federabschnitt 34 dient bei diesem Ausführungsbeispiel neben der Anpassung der Eigenfrequenz der Feder 5 somit dazu, ein Ausknicken der Feder 5 zu verhindern. Das Endsegment 38, das den zweiten Federabschnitt 36 freiendseitig, d. h. an seinem von dem Köcherboden 6 abgewandten Ende, begrenzt, weist die gleiche Wicklungsquerschnittsfläche auf wie der erste Federabschnitt 34. Dadurch ist für den zweiten Federabschnitt 36 eine möglichst große Auflagefläche zur Anlage an der Bürste 3 gebildet, wodurch ein Verkippen und/oder Abrutschen des Federabschnitts 36 auf der Bürste 3 verhindert werden kann.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bürstensystem
- 2
- Kommutator
- 3
- (Kohle-)Bürste
- 4
- Köcher
- 5
- Feder
- 6
- Köcherboden
- 7
- Anschlusskabel
- 8
- Längsschlitz
- 30
- Längsachse
- 32
- Steigungswinkel
- 34
- Federabschnitt
- 36
- Federabschnitt
- 38
- Endsegment
- 40
- Federabschnitt
