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Die Erfindung betrifft eine Bürsteneinrichtung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bürsteneinrichtung.
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Eine Bürsteneinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt. Sie weist eine in einer Bürstenführung längsverschiebbar angeordnete Bürste auf, die einen quadratischen Querschnitt hat. Wesentlich ist, dass die Seitenflächen der Bürstenführung und somit auch der Querschnitt der Bürste gegenüber der Drehachse beispielsweise eines Ankers um 45° gedreht ist, so dass die Bürste, abhängig von der Drehrichtung des Ankers, zunächst mit ihrem jeweiligen Eckbereich in Kontakt mit den Kommutatorlamellen des Ankers gerät. Eine derartige Anordnung bewirkt, dass der Querschnitt der Bürste nach und nach in Überdeckung mit einer Kommutatorlamelle gerät. Dadurch wird insbesondere die Stoßbelastung auf die Bürste reduziert, was die Vermeidung bzw. Reduzierung von Vibrationen begünstigt, da bei der Bewegung des Ankers bzw. des Kommutators die auf die Bürste in Umfangsrichtung wirkende Kraft, im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der eine Kante der Bürste mit der Drehachse der Kommutatorlamelle ausgerichtet ist, nach und nach erhöht wird. Nachteilig ist jedoch, dass eine relativ große Überdeckung des Bürstenquerschnitts mit den Kommutatorlamellen des Ankers erzielt wird, da die in Umfangsrichtung der Kommutatorlamellen relevante Diagonale der Bürste ca. 1,4 mal so lang ist wie deren Kantenlänge.
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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 Bürsteneinrichtung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs derart weiterzubilden, dass bei relativ einfach zu fertigender Bürste die mechanische Belastung der Bürste in deren Kontaktfläche relativ gering ist, wobei gleichzeitig eine relativ geringe Überdeckung beispielsweise mit den Kommutatorlamellen eines Elektromotors erzielt werden soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Bürsteneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der schräge Winkel, um den die Seitenkante der Bürste in Bezug zur Drehachse des Kontaktelements (beispielsweise einer Kommutatorlamelle) geneigt angeordnet ist, zwischen 5° und 35°, vorzugsweise zwischen 10° und 25° beträgt. Eine derartige, schräge Anordnung der Bürste ermöglicht es, bei relativ geringen Überdeckung beispielsweise mit den Kommutatorlamellen durch eine geringe in Umfangsrichtung sich erstreckende Breite der Kontaktfläche der Bürste die mechanische Belastung auf die Kontaktfläche relativ gering zu halten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bürsteneinrichtung für eine elektrische Maschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kontaktelement als eine Kommutatorlamelle eines bürstenbehaftenden Elektromotors ausgebildet ist, und dass die Breite der Bürste in Umfangsrichtung der Kommutatorlamelle maximal der Breite der Kommutatorlamelle entspricht.
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Zur Erzielung eines relativ niedrigen Übergangswiderstands zwischen der Bürste und der Kontaktfläche ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, wenn die Kontaktfläche ein Längen-/Breitenverhältnis zwischen 1:1 und 2:1 aufweist.
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Zur Herstellung einer Bürste, die in Bezug auf die Drehachse eines Kontaktelements eine geneigt angeordnete Seitenkante aufweist, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. In einer ersten Ausgestaltung hinsichtlich der Bürste wird vorgeschlagen, dass die Bürste auf der dem Kontaktelement zugewandten Seite einen Nutzbereich aufweist, dass sich an den Nutzbereich ein Führungsbereich anschließt, der in der Bürstenführung zumindest bereichsweise formschlüssig anliegt, und dass die Querschnitte des Nutzbereichs und des Führungsbereichs unterschiedlich ausgebildet sind. Eine derartige Ausführungsform schließt die Möglichkeit ein, eine Bürste mit konstantem Querschnitt entweder im Nutzbereich, der an der Kontaktfläche anliegt, oder in dem Führungsbereich durch eine entsprechende Materialbearbeitung, z.B. durch Schleifen, derart auszubilden, dass einerseits die schräge Anordnung der Seitenkante der Bürste an das Kontaktelement ermöglicht wird, und andererseits beispielsweise eine bereits vorhandene Bürstenführung, die insbesondere mit der Drehachse der elektrischen Maschine ausgerichtet ist, verwenden zu können.
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Eine Ausführungsform der Bürste, bei der der Nutzbereich der Bürste durch Abtragen von Material in dem Bereich der Bürste ausgebildet ist, die den Nutzbereich bildet, und der Führungsbereich ohne Materialabtrag an der Bürste ausgebildet wird, hat den Vorteil, dass der Querschnitt der Bürste im Nutzbereich an die Geometrie des Kontaktelements auf besonders einfache Art und Weise angepasst werden kann und dass vorhandene Bürstenquerschnitte und Bürstenführungen mit erfindungsgemäßen Anordnungen der Nutzbereiche versehen werden können.
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Bei einer Ausführungsform der Bürste, bei der der Führungsbereich durch Abtragen von Material in dem Bereich der Bürste ausgebildet ist, die den Führungsbereich ausgebildet, und der Nutzbereich ohne Materialabtrag an der Bürste ausgebildet wird, kann die Bürste auf besonders einfache Art und Weise einem bereits vorhandenen Querschnitt der Bürstenführung angepasst werden.
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Die Erfindung ermöglicht es, bereits vorhandene elektrische Maschinen, z.B. in Form eines Elektromotors, mit einer erfindungsgemäßen Bürste auszustatten. Hierzu ist es vorgesehen, dass die Bürstenführung einen rechteckförmigen Querschnitt mit wenigstens zwei, rechtwinklig zueinander angeordneten Seitenwänden für den Führungsbereich der Bürste aufweist, an denen der Führungsbereich der Bürste anliegt, und dass eine der Seitenwände der Bürstenführung entlang der Drehachse des Kontaktelements ausgerichtet ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht insbesondere eine bauraumoptimierte Bürstenanordnung, da die Bürstenführung in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine betrachtet einen minimalen Bauraum benötigt.
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Eine kinematisch besonders bevorzugte Anordnung der Bürste in der Bürstenführung zur Reduzierung von Vibrationen bzw. Umschaltgeräuschen wird erzielt, wenn die Bürste mit ihrem Führungsbereich in einem Eckbereich zwischen zwei Seitenwänden der Bürstenführung anliegt. Eine derartige Anordnung ermöglicht es beispielsweise, durch ein entsprechendes Federelement eine zusätzliche Kraft auf die Bürste in Richtung des Eckbereichs zu erzeugen, so dass bei einem Umschalten der Drehrichtung beispielsweise des Elektromotors ein Verkippen der Bürste reduziert bzw. verhindert wird.
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Zur Vereinfachung der Herstellung der Bürste kann es darüber hinaus bei der letztgenannten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Bürste auf der dem Eckbereich der Bürstenführung zugewandten Seite durch Materialabtrag des Führungsbereichs der Bürste bearbeitet ist, dass eine dem Eckbereich gegenüberliegende Seitenfläche der Bürste bis in den Nutzbereich hin verlängert ausgebildet ist, und dass optional der Nutzbereich der Bürste auf der dem Eckbereich der Bürstenführung zugewandten Seite durch Materialabtrag entlang einer zur Seitenfläche parallelen Seitenfläche bearbeitet ist.
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Die erfindungsgemäße Bürsteneinrichtung findet bevorzugt Verwendung bei drehrichtungsumkehrbaren Antriebsmotoren in Komfortantrieben von Kraftfahrzeugen. Unter einem derartigen Komfortantrieb wird dabei beispielsweise, und nicht einschränkend, ein Fensterheberantrieb, ein Schiebedachantrieb, ein Sitzverstellungsantrieb o.ä. verstanden.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der Bürsten, kann aus einem Kohle-Grundkörper mit einem über die gesamte radiale Länge konstanten Querschnitt vorteilhaft eine einteilige Kohlebürste mit einem Nutzbereich und einem Führungsbereich mit unterschiedlichen Querschnitten bezüglich der Radialrichtung hergestellt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale 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 erfindungsgemäße Bürsteneinrichtung einer elektrischen Maschine in einem Querschnitt,
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2 einen Schnitt in der Ebene II-II der 1 und
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3 und 4 jeweils Schnitte in den Ebenen III-III bzw. IV-IV der 1 bei unterschiedlich ausgebildeten Bürstenquerschnitten.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Teil einer elektrischen Maschine 10 vereinfacht dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen bürstenbehaftenden Gleichstrommotor, der vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, in einem Komfortantrieb eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommt. Unter einem Komfortantrieb wird dabei im Rahmen der Erfindung insbesondere ein reversierbarer, d.h. drehrichtungsumkehrbarer Elektromotor verstanden, insbesondere ein Fensterhebermotor, ein Schiebedachmotor, ein Sitzverstellungsantrieb o.ä.
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In der elektrischen Maschine 10 ist auf einer Welle 11, die in Richtung des Doppelpfeils 12 drehbeweglich gelagert ist, für den Fall, dass es sich um einen bürstenbehaftenden Gleichstrommotor handelt, ein Kommutator 14 angeordnet. Der Kommutator 14 weist an seinem Umfang in bekannter Art und Weise elektrisch voneinander getrennt angeordnete, längliche Kommutatorlamellen, im Folgenden lediglich als Lamellen 15 bezeichnet der Breite b auf, die fluchtend zur Drehachse 16 des Kommutators 14 angeordnet sind. Im Falle eines Generators wäre dies ein Schleifring. In beiden Fällen handelt es sich jedoch um ein Kontaktelement, das in der Drehachse 16 drehbar gelagert ist und rotiert. Außerdem ist eine erfindungsgemäße Bürstenanordnung 100 gezeigt.
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Die Bürstenanordnung 100 weist die erforderliche Anzahl an Bürsten 20 bzw. Schleifkontakten auf, wobei in den Figuren lediglich eine einzige Bürste 20 dargestellt ist. Die Bürste 20 ist aus Kohle oder einem sonstigen geeigneten Werkstoff hergestellt. Die Bürste 20 ist mit einem Teilbereich ihrer Länge in an sich bekannter Art und Weise einer Bürstenführung 25 in Richtung der Lamellen 15 längsverschieblbar angeordnet. Die Bürste 20 liegt mit einer als Kontaktfläche wirkenden Anlagefläche 26 an wenigstens einer der Lamellen 15 an und ist auf der der Anlagefläche 26 gegenüberliegenden Stirnfläche 27 der Bürste 20 von der Federkraft eines als Schenkelfeder ausgebildeten Federelements 28 in Richtung des Lamelle 15 kraftbeaufschlagt. Insbesondere ist die Bürstenführung 25 Bestandteil eines im Einzelnen nicht dargestellten Bürstenträgers 30, der über ein Halteelement 31, das in das Federelement 28 eintaucht, gleichzeitig das Federelement 28 positioniert bzw. fixiert.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Querschnitt der Bürste 20 über deren axiale Länge betrachtet konstant ist und rechteckförmig mit einer Länge L und einer Breite B ausgebildet ist. Das Längen/Breitenverhältnis L/B beträgt dabei zwischen 1:1 und 2:1. Erfindungswesentlich ist, dass die in Längsrichtung des Querschnitts der Bürste 20 verlaufende Symmetrieachse 32, und somit auch die beiden langen Seitenkanten 33, 34 der Bürste 20, in Bezug zur Drehachse 16 des Kommutators 14 bzw. zur Orientierung der Lamellen 15 in einem schrägen Winkel α angeordnet sind. Der Winkel α beträgt erfindungsgemäß zwischen 5° und 35°, vorzugsweise zwischen 10° und 25°.
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Bei der Bürste 20 ist der Querschnitt der Bürste 20 innerhalb der Bürstenführung 25 mit relativ geringem Spiel angeordnet, so dass der Innenquerschnitt der Bürstenführung 25 den Querschnitt der Bürste 20 nahezu spaltfrei aufnimmt. Dies hat zur Folge, dass, wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, auch die Bürstenführung 25 selbst um den Winkel α in Bezug zur Drehachse 16 bzw. zu den Lamellen 15 geneigt angeordnet ist.
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In den 3 und 4 sind abgewandelte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, bei denen die Bürstenführung 35 jeweils einen quadratischen Querschnitt mit vier identisch ausgebildeten Seitenwänden 36 aufweist. Weiterhin kommen modifizierte Bürsten 20a bzw. 20b zur Anwendung. Die Bürste 20a weist entsprechend der Darstellung der 1 und 3 auf der dem Kommutator 14 zugewandten Seite einen Nutzbereich 37 auf, an den sich auf der dem Kommutator 14 abgewandten Seite ein Führungsbereich 38 anschließt. Die axiale Länge des Nutzbereichs 37 ist derart ausgelegt, dass sichergestellt ist, dass genügend Material während der Lebensdauer der Maschine 10 zur Anlage an den Lamellen 15 zur Verfügung steht. Demgegenüber ist die Länge des Führungsbereichs 38 derart ausgelegt, dass dieser zur sicheren Führung der Bürste 20a innerhalb der Bürstenführung 35 dienen kann. Wesentlich ist, dass der Führungsbereich 38 der Bürste 20a einen Querschnitt aufweist, der dem Innenquerschnitt der Bürstenführung 35 angepasst ist, im Ausführungsbeispiel somit quadratisch ist. Vorzugsweise liegen zwei Führungsflächen 41, 42 der Bürste 20a zumindest bereichsweise an zwei, im rechten Winkel zueinander angeordneten, als Führungsflächen dienenden Seitenwänden 36 der Bürstenführung 35 an. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass durch eine entsprechende Anordnung oder Ausbildung des Federelements 28 eine Kraftkomponente F erzeugt wird, die die Bürste 20a in Richtung des Eckbereichs 45 zwischen den beiden Seitenwänden 36 drückt. Demgegenüber ist der Querschnitt des Nutzbereichs 37 rechteckförmig ausgebildet, beispielhaft mit einer Länge L und einer Breite B, die der Bürste 20 entspricht. Ebenso ist der Querschnitt des Nutzbereichs 37 entsprechend der Bürste 20 um den Winkel α gegenüber den Lamellen 15 schräg angeordnet. Eine derart ausgebildete Bürste 20a mit einem Nutzbereich 37 und einem Führungsbereich 38 wird z.B. durch eine Bearbeitung der als Rohteil einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Bürste 20a von der Seite der Anlagefläche 26 her ausgebildet.
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Die Bürste 20b weist gemäß der Darstellung der 4 ebenfalls einen Nutzbereich 37 sowie einen Führungsbereich 38a auf, wobei der Querschnitt des Führungsbereichs 38a im Eckbereich 45 der Bürstenführung 35 der Kontur des Eckbereichs 45 durch eine Bearbeitung der Schmalseite der Bürste 20b angepasst ist. Die dem Eckbereich 45 abgewandte Seitenfläche 46 der Bürste 20b ist als durchgehende, ebene Seitenfläche 46 sowohl im Nutzbereich 37 als auch im Führungsbereich 38a, vorzugsweise unbearbeitet, ausgebildet. Auf der Seite des Eckbereichs 45 weist der Nutzbereich 37 optional eine zur Seitenfläche 46 parallele Seitenfläche 47 auf, die durch eine entsprechende Bearbeitung des Nutzbereichs 37 ausgebildet wird. Innerhalb der Bürstenführung 35 sind zwischen der Bürstenführung 35 und dem Führungsbereich 38a Freiräume 48 ausgebildet.
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Wesentlich bei der Bürstenführung 35 ist, dass die Seitenflächen 36 der Bürstenführung 35 entlang der Drehachse 16 bzw. parallel zu den Lamellen 15 ausgerichtet bzw. senkrecht zu dieser angeordnet sind. Die Neigung der Bürsten 20a, 20b um den Winkel α findet somit durch eine entsprechende Formgebung der Bürste 20a, 20b im jeweiligen Nutzbereich 37 statt, wobei die Bürste 20a, 20b in dem Führungsbereich 38, 38a zumindest bereichsweise an den Seitenwänden 36 anliegt, während der Nutzbereich 37 den gewünschten Winkel α in Bezug zur Drehachse 16 aufweist.
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Die soweit beschriebene Bürsteneinrichtung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in einer schrägen, hinsichtlich der Umfangslänge der Bürste 20, 20a, 20b im Anlagebereich an den Lamellen 15 optimierten Anordnung und Ausbildung der Bürsten 20, 20a, 20b.
