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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Elektrische Maschine mit einem Kommutator nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Es ist bereits ein Elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, mit einem Kommutator, welcher einen Federhalter mit einer Feder aufweist, wobei die Feder einen ersten Federarm mit einem ersten Federende aufweist und die Feder im Bereich ihres ersten Federendes auf eine Bürste, insbesondere Kohlebürste wirkt, wobei sich die Feder an dem Federhalter direkt abstützt, bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass die Feder gegenüber dem Federhalter zumindest teilweise metallisch abgestützt ist. Aufgrund dessen können die Material- und Herstellungsanforderungen an den Federhalter gesenkt werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Feder entlang ihrer Längserstreckung einen zweiten Federarm aufweist, wobei die metallische Abstützung durch den zweiten Federarm erfolgt. Die Abstützung des ersten Federarms durch den zweiten Federarm ermöglicht eine einfache und kostengünstige Montage. Der zweite Federarm verteilt die punktuell angreifende Kraft, des ersten Federarms auf einen Bereich, des Federhalters. Somit kann der Federhalter beispielsweise mit einem weichen oder einem einfach herzustellenden und damit kostengünstigen Kunststoff ausgebildet werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung eines zweiten Federarms mit einem zweiten Federende im Bereich des ersten Federarms. Das zweite Federende, der Feder kann für den ersten Federarm eine Anlagekante bilden. Die Anlagekante, des zweiten Federarms leitet die Kraft, des ersten Federarms in den zweiten Federarm weiter. Der zweite Federarm gibt die Kraft auf einer gegenüber der Anlagekante vergrößerten Fläche an den Federhalter ab. Dadurch wird die Kante des Federhalters weniger stark belastet. Abhängig von der Länge des zweiten Federarms kann die Anlagekante verändert werden. Die Veränderung der Anlagekante wiederum hat eine Veränderung der Federkraft auf die Bürste zur Folge. Somit ist abhängig von der Länge des Federarms eine Veränderung der Federkraft auf die Bürste möglich.
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Des Weiteren wird der Zusammenbau, bzw. die Montage vereinfacht. Die Feder muss nur in den Federhalter eingelegt werden. Somit können Prozessschritte und damit Kosten bei der Herstellung eingespart werden.
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Vorzugsweise besitzt der Federhalter im Bereich der Anlagekante, der Feder ein elliptisches Profil, insbesondere im Bereich des zweiten Federarms, der Feder. Unter einem elliptischen Profil ist grundsätzlich jedes abgerundete Profil zu verstehen. Der zweite Federarm, der Feder kann sich durch das elliptische, insbesondere abgerundete Profil an den Federhalter anpassen und die angreifenden Kräfte können auf einen vergrößerten Bereich des Federhalters verteilt werden. Als Weiterbildung ist das Profil des Federhalters im Bereich der Anlagekante an die Form der Feder angepasst.
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Vorteilhaft ist die Feder R-förmig ausgebildet. Eine R-förmige Ausbildung ermöglicht den Einsatz der Feder in vielen Anwendungsgebieten. Auch ein Nachrüsten der Feder in einen bestehenden Federhalter, der für eine P-förmige Feder ausgelegt ist, ist durch eine R-förmige Feder möglich. Es ist somit möglich die Feder in aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen einzusetzen.
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Durch die Art der Biegung, der Feder zwischen den beiden Federarmen kann die Federkraft definiert werden. Hier hat sich gezeigt, dass eine optimale Kraft auf die Bürste erreicht werden kann, wenn die Feder zwischen dem ersten und dem zweiten Federarm einen gewundenen Biegeabschnitt aufweist. Der gewundenen Biegeabschnitt kann teilweise kreisförmig gebogen, insbesondere C-förmig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann die Feder als Schenkelfeder ausgebildet sein, wobei der erste Federarm und der zweite Federarm jeweils einen Schenkel bilden. Die Schenkel ermöglichen eine verbesserte Einleitung der Kraft, der Feder in die Bürste.
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Elektrische Maschinen werden sehr häufig in gewichtssensiblen Einsatzgebieten angewendet. Somit sollte die eingesetzte Materialmenge und damit verbunden das Gewicht so gering wie technisch sinnvoll und möglich gehalten werden. Es ist vorteilhaft den ersten Federarm länger als den zweiten Federarm auszuführen. Vorteilhafterweise geht das zweite Federende, des zweiten Federarms nur geringfügig über den Punkt der Abstützung des ersten Federarms, an dem zweiten Federarm hinaus.
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In vorteilhafter Weise ist der Federhalter größtenteils, insbesondere vollständig aus Kunststoff ausgebildet. Die Verwendung von Kunststoff ermöglicht eine Gewichtseinsparung des Federhalters gegenüber Ausführungen aus Metall. Des Weiteren können mit Kunststoff aufwendige Formen einfach und kosteneffizient hergestellt werden.
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Um die Kraft der Feder möglichst gleichmäßig auf den Federhalter zu verteilen, kann es zweckmäßig sein, dass die Feder teilweise an der Innenkontur des Federhalters anliegt. Durch das teilweise Anliegen der Feder werden die Kräfte von der Feder auf den Federhalter auf einen größtmöglichen Bereich, bzw. eine größtmögliche Oberfläche des Federhalters verteilt. Damit kann verhindert werden, dass die Feder punktuell mit einer Kraft auf den Federhalter wirkt.
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Vorteilhaft ist die Feder als Flachfeder ausgebildet. Unter einer Flachfeder ist grundsätzlich jede Feder, die aus einem flachen Band, insbesondere Metallband besteht zu verstehen. Durch die Form einer Flachfeder wird die Kraft, welche die Feder auf den Federhalter ausübt auf einen größtmöglichen Bereich, bzw. eine größtmögliche Oberfläche des Federhalters verteilt. Es ist aber auch denkbar eine Torsionsfeder, Schenkelfeder, Wellenfeder, Biegefeder, Tellerfeder, Drahtfeder usw. zu verwenden.
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Die Bürsten dienen zur Kommutierung der elektrischen Maschine. Es hat sich gezeigt, dass eine Leitung des Stroms über die Feder zur Bürste zum Kommutator vorteilhaft sein kann. Der Einbau der Bürste in den Bürstenhalter wird durch das Fehlen eines direkten elektrischen Anschlusses an der Bürste erleichtert. Damit wird auch ein späterer Tausch der Bürste durch den Anwender erleichtert. Vorteilhaft ist die Feder daher elektronisch leitend, insbesondere aus Metall ausgeführt. Bei einem Wechsel müssen keine Anschlussleitungen zusammen mit der Bürste entfernt oder ausgetauscht werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung von Arretierungsmittel am Federhalter, zur Arretierung der Feder. Die Arretierungsmittel begrenzen die Beweglichkeit der Feder. Die Arretierungsmittel und der Federhalter können einteilig ausgebildet sein. Als Arretierungsmittel können Klipse, Nocken, Rasten, Bolzen, Schrauben, Klemm- oder Spannvorrichtungen Verwendung finden. Auch eine Ausformung der Innenkontur, insbesondere durch eine ebene Abflachung des Federhalters ist vorteilhaft. Das Arretierungsmittel erleichtert den Einbau der Feder in den Federhalter und verhindert ein Herausfallen oder vibrationsbedingtes Lösen der Feder aus dem Federhalter.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen elektrische Maschine mit einem Bürstenhalteraufbau,
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2 einen Teil eines Bürstenhalteraufbaus mit einer Feder gemäß dem Stand der Technik,
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3 einen Teil eines Bürstenhalteraufbaus mit einer Feder gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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4 einen Teil eines Bürstenhalteraufbaus mit einer Feder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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5 einen Teil eines Bürstenhalteraufbaus mit einer elliptisch ausgebildeten Anlagekante und
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6 einen Teil eines Bürstenhalteraufbaus mit erfindungsgemäßen Möglichkeiten für die Arretierung einer Feder in einem Federhalter.
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1 zeigt einen elektrische Maschine 10, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator. Die elektrische Maschine 10 umfasst eine Welle 15, einen Rotor 20 und einen Stator 22. Der Stator 22 umfasst ein Joch (nicht dargestellt) mit ausgeprägten Polen 23, 24, wobei die Pole 23 und 24 einander diametral gegenüber liegen. Die Pole 23, 24 können alternativ auch als Dauermagnete, Permanentmagnete oder Wicklungen ausgeführt sein. Der Rotor 20, der elektrischen Maschine 10, trägt die Wicklungen, insbesondere Erregerwicklungen (nicht dargestellt). Der Rotor 20 ist gewöhnlich als Blechpaket ausgeführt, wobei das Blechpaket die Wicklungen trägt. Der Rotor 20 ist zwischen den ausgeprägten Polen 23, 24 des Stators 22 angeordnet. Dabei sind die Wicklungen des Rotors 20 und die Pole 23, 24 des Stators 22 so angeordnet, dass im Fall des Betriebs als Elektromotor und damit verbunden einer Bestromung der Wicklungen über einen Kommutator 30, eine Drehbewegung bzw. ein Drehmoment erzeugt wird. Der Kommutator 30 ist in Längsrichtung, gegenüber dem Rotor 20 mit der Welle 15 drehfest verbunden. Der Kommutator 30 umfasst zwei Halbschalen (nicht dargestellt). Die Halbschalen sind gegeneinander isoliert. Die Enden der Wicklungen des Rotor 20 sind mit den Halbschalen, des Kommutator 30 elektrisch verbunden. Es ist auch möglich die elektrische Maschine 10 als Generator zu berteiben.
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Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 10 Schleifkontakte 31, insbesondere Bürsten, Kohlebürsten oder Hammerbürsten und eine Bürstenführung 33. Die Schleifkontakte 31 am Kommutator 30 sind diametral gegenüberliegend angeordnet, dass während der Drehung die Kontaktierung und damit die magnetischen Pole der Wicklungen wechseln. Im Elektromotorbetrieb wird bei Bestromung der Wicklungen eine Drehbewegung des Rotors 20 erzeugt.
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Die Schleifkontakte 31 sind aus einem verschleißarmen und gut kontaktierenden Material gefertigt. Vorteilhafterweise wird für die Schleifkontakte 31, insbesondere Büsten 31 selbstschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver verwendet. Die Bürsten 31 werden mit Federn 40 an den Kommutator 30 angedrückt und durch die Bürstenführung 33 in radialer Richtung gegenüber dem Kommutator 30 geführt. Die Feder 40 berührt die Bürste 31 im Berührpunkt. Damit kann eine Kontaktierung zwischen Kommutator 30 und Bürsten 31 auch bei zunehmender Abnutzung und damit verbundener Verkleinerung bzw. Verkürzung der Bürsten 31 gewährt werden. Trotz Verkleinerung bzw. Verkürzung der Bürste durch Abnutzung im Betrieb, sorgt die Feder 40 und die Bürstenführung 33 für eine optimale Kontaktierung der Bürste 31 mit dem Kommutator 30.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst insbesondere einen Elektromotor als auch einen Generator.
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2 zeigt einen Bürstenhalteraufbau 12 wie er im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Der Bürstenhalteraufbau 12 umfasst eine Bürste 31, eine Bürstenführung 33, eine Feder 40 und einen Federhalter 50. Die Bürste 31 wird bei einem Aufbau gemäß der 2 und 3 als Hammerbürste bezeichnet. Die Feder 40 besteht aus einem ersten Federarm 43, der in direktem, insbesondere elektrischem Kontakt mit der Bürste 31 steht. Eine elektrische Kontaktierung der Bürste 31 findet über den ersten Federarm 43, der Feder 40 oder eine direkte elektrische Kontaktierung der Bürste 31 statt. Neben dem Federarm 43 umfasst die Feder 40 einen gewundenen Biegeabschnitt 47. Der gewundene Biegeabschnitt 47 ist als Federöse 47 ausgebildet. Die Feder 40 ist in einen Federhalter 50 eingelegt. Der Federhalter 50 beherbergt die Feder 40. Die Feder 40 ist P-förmig ausgebildet.
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Die Feder 40 bringt eine erste Kraft F1 auf die Bürste 31 auf. Durch die erste Kraft F1 wird die Bürste 40 an den Kommutator 30 gedrückt. Damit die Feder 40 die erste Kraft F1 aufbringen kann, wirkt sie unter anderem mit einer zweiten Kraft F2 auf den Federhalter 50. Die Kraft F2 wirkt im ersten Teilbereich 53, insbesondere im Bereich der Kante 57, des Federhalters 50 auf den Federhalter 50. Der Federhalter 50 muss eine gegenüber der zweiten Kraft F2 mindestens gleich Gegenkraft, im ersten Teilbereich 53, des Federhalters 50 auf die Feder 40 aufbringen können. Ist der Federhalter 50 im ersten Teilbereich 53 nicht entsprechend der Kraft F2 ausgelegt, so kommt es zu einer Verformung bzw. Relaxation, des Federhalters 50 im ersten Teilbereich 53.
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Des Weiteren greift die zweite Kraft F2 in einem keinen Teilbereich 53, insbesondere nur in der Kante 57, des Federhalters 50 an.
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Als weiterer Nachteil des Aufbaus gemäß des in der 2 gezeigten Stands der Technik ist die Relaxation des Kunststoffs des Federhalters 50 aufgrund von Wärmeeinwirkung. Durch die Reibung zwischen Bürste 31 und Kommutator 30 wird Wärme erzeugt. Die Wärme wird durch die Bürste 31 an die Feder 40 weitergeleitet. Die Feder 40 wiederum gibt die Wärme an den Federhalter 50 ab. Die Wärmeabgabe an den Federhalter 50 erfolgt verstärkt im ersten Teilbereich 53, bzw. an der Kante 57 des Federhalters 50. Ist der Kunststoff im ersten Teilbereich 53, des Federhalters 50 nicht speziell für die Aufnahme der weiteregeleiteten Wärmeenergie ausgelegt, so kann eine wärmebedingte Verformung des Kunststoff, des Federhalters 50 erfolgen.
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Die Relaxation, bzw. Verformung, insbesondere die Kunststoffrelaxation des Federhalters 50 hat eine Vergrößerung des Federweges zur Folge. Diese Vergrößerung bedingt eine Verminderung der Kraft F1, der Feder 40 auf die Bürste 31. Die Bürste 31 wiederum kann aufgrund der fehlenden Anpresskraft den Kontakt mit dem Kommutator 30 verlieren. Eine Folge ist der Ausfall der elektrischen Maschine 10. Im Dauerbetrieb kann durch übermäßige Wärmeeinwirkung eine plastische Verformung des Federhalters 50 erfolgen. Eine solche Verformung kann die Lebenszeit der elektrischen Maschine 10 verkürzen.
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Um der Kraft F2, bzw. der Wärmeeinwirkung entgegenzuwirken kann beispielsweise ein besonderer Kunststoff bei dem Federhalter 50 verwendet werden. Der Federhalter 50 müsste somit in einem wärmebeständigen Kunststoff oder in einem Mehrkomponenten Spritzgussverfahren gefertigt werden, was den Herstellungsaufwand erhöht.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, wie in 3 dargestellt, ein Element 59 im ersten Teilbereich 53 an den Federhalter 50 anzubringen. Das Element 59 verteilt die zweite Kraft F2 auf einen großen Bereich des Federhalters 50. Ein solches Element 59 kann beispielsweise aus Metallplättchen, insbesondere gehärtetem Metallplättchen oder Teil einer weiteren Feder sein. Das Metallplättchen verteilt die durch die Feder 40 angreifende Kraft sowie die Wärmeenergie an eine möglichst große Fläche des Federhalters 50 weiter. Das Element 59 kann durch Kleben, Verschweißen, Verklipsen, Verklemmen oder Anschrauben mit den Federhalter 50 lagefest und drehfest verbunden werden.
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Eine weitere Vereinfachung der Herstellung des Federhalters 50 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 gezeigt.
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4 zeigt eine elektrische Maschine 10 mit einem Bürstenhalteraufbau 12 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Bürstenhalteraufbau 12 umfasst eine Bürste 31, eine Bürstenführung 33, eine Feder 40 und einen Federhalter 50. Die Feder 40 umfasst einen ersten Federarm 43 und einen zweiten Federarm 44, sowie einen gewundenen Biegeabschnitt 47, wobei jeder Federarm einem Schenkel entspricht. Die Feder 40 ist insbesondere als Schenkelfeder ausgebildet. Der erste Federarm 43 übt eine erste Kraft F1 auf die Bürste 40 aus. Damit die erste Kraft F1 von der Feder 40 aufgebracht werden kann, wirkt die Feder 40 mit einer zweiten Kraft F2 auf den zweiten Federarm 44, der Feder 40 ein. Der zweite Federarm 44 verteilt die zweite Kraft F2 auf eine möglichst große Fläche, des zweiten Teilbereichs 54, des Federhalters 50. Die Relaxation bzw. Verformung des Kunststoffs, des Federhalters 50 nimmt durch die Verteilung der Kraft F2 auf eine große Teilfläche 54 ab. Auch die Wärmeenergie wird auf eine möglichst große Fläche des Federhalters 50 verteilt. Damit ist die punktuell einwirkende Wärmeenergie oder Kraft auf den Federhalter 50 gegenüber dem Aufbau gemäß 2 gesenkt.
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Die Anforderungen an die Materialstabilität und Beschaffenheit des Federhalters 50 sind im zweiten Teilbereich 54 aufgrund der Verteilung der zweiten Kraft F2 und der Verteilung der Wärmeenergie auf die gegenüber der Kante 57, des Federhalters 50 gemäß 2 geringer. Es kann ein herkömmlicher Kunststoff verwendet werden. Auch Verstärkungen im ersten Teilbereich 53 durch eine Metallkante oder durch gehärtete Materialien, wie beispielsweise im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, werden nicht benötigt. Der zweite Federarm 44 bildet somit eine Anlagekante 56 für den ersten Federarm 43.
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In 5 ist der erste Teilbereich 53 des Federhalters 50 mit einem elliptischen Profil versehen, so kann sich der zweite Federarm 44 optimal an diesen anpassen. Die Verteilung der zweiten Kraft F2 und der Wärme auf den Federhalter 50 kann somit nochmals verbessert werden. Die weiteren Bezeichnungen entsprechen denen der 4.
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In 6 sind Variationen für die Arretierung der Feder 40 durch Arretierungsmittel 51 dargestellt. Durch die Arretierungsmittel 51 wird die Feder 40 lagefest und drehfest in dem Federhalter 50 gehalten. Eine Möglichkeit für die Arretierung sind Klipse 65, die einteilig mit dem Federhalter verbunden sein können. Vorteilhaft kann der Federhalter 50 im inneren eine ebene Fläche 66 besitzen, an die die Feder 40 anliegt. Durch die ebene Fläche 66 wird die Feder 40 gegenüber dem Federhalter 50 drehfest arretiert. Das Arretierungsmittel 51 begrenzt die Beweglichkeit der Feder 40. Es sind jedoch auch weitere Arretierungsmittel 51 wie Nocken, Rasten, Bolzen, Schrauben, Klemm- oder Spannvorrichtungen denkbar. Diese können ebenfalls einteilig mit dem Federhalter 50 verbunden sein.
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Des Weiteren kann das erste Federende 45 oder das zweite Federende 46 gerundet, rechtwinklig gerundet, rund, umgefaltet, rechtwinklig angefast, gebogen, abgewinkelt usw. ausgeführt sein. Durch die Art der Ausbildung des ersten Federendes 45 kann die Anlagekante 56 an die Form des Federhalters 50 oder die Form des ersten Federarms 43 angepasst werden.
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Der Punkt der Abstützung des ersten Federarms 43 an dem zweiten Federarm 44 oder an der Anlagekante 56 kann beliebig durch Änderung der Länge des zweiten Federarms 44 variiert werden. Abhängig von der Länge des Federarms 43 zwischen dem Berührpunkt mit der Bürste 31 und dem Punkt der Abstützung kann die Federkraft zusätzlich variiert werden. Damit ist eine Einstellung der Federkraft auf die Bürste 31 möglich. Abhängig von der Federkraft F1, bzw. der Anpresskraft der Bürste 31 an den Kommutator 30 ist der Verschleiß, bzw. die Abnutzung der Bürste 31.
