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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft bürstenkommutierte elektrische Maschinen, und insbesondere die Ausgestaltung von Kontaktierungsbürsten für derartige elektrische Maschinen.
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Stand der Technik
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Gleichstrommaschinen weisen üblicherweise einen mechanischen Kommutator auf, um Rotorwicklungen eines Rotors abhängig von einer Rotorlage zu bestromen. Der Kommutator weist Kommutatorlamellen auf, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und elektrisch mit Rotorspulen der Rotorwicklung verbunden sind. Die Kommutatorlamellen sind um eine Rotorwelle des Rotors angeordnet und werden durch in Bürstenhaltern geführte Kontaktierungsbürsten elektrisch kontaktiert.
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Um eine konstante und durchgehende Einprägung des Stroms in die Rotorspulen über den Kommutator zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die an den Kommutatorlamellen anliegenden Kontaktflächen der Kontaktierungsbürsten eine möglichst über die Lebensdauer konstante Größe aufweisen. Beim Einsetzen der Kontaktierungsbürsten während der Montage oder aufgrund eines verschleißbedingten Austauschs ist jedoch wegen der unterschiedlichen Konturen der Kommutatorlamellen und der Auflageflächen der Kontaktierungsbürsten die Kontaktfläche sehr gering. Erst nach einer so genannten Einlaufzeit formen sich durch Abrieb die Kontaktflächen der Kontaktierungsbürsten entsprechend der Kontur der Kommutatorlamellen.
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Um die Einlaufzeit zu verkürzen, wird üblicherweise eine Riffelung an der dem Kommutator zugewandten Endbereich einer neuen Kontaktierungsbürste vorgesehen, um dort die effektiven Querschnittsflächen der Kontaktierungsbürsten zu verringern. Dadurch wird ein schnellerer Abrieb der Kontaktierungsbürsten bei einer Drehung des Rotors bewirkt, und die Formung der Kontaktflächen beschleunigt. Nach dem Einlauf haben sich die Konturen der Kontaktflächen der Kontaktierungsbürsten im Wesentlichen an die Kontur der Kommutatorlamellen angepasst, so dass eine flächige Kontaktierung zwischen der Kohlebürste und den Kommutatorlamellen erreicht wird.
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Trotz der Querschnittsreduzierung durch die Riffelung kann die Zeitdauer zum Einlaufen der elektrischen Maschine immer noch zu lang sein. Dies ist nachteilig, da sich während der Einlaufzeit das Motorverhalten in unerwünschter Weise ändert, insbesondere dessen Kennlinie, Drehzahl und Moment sowie dessen Geräuschemission.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontaktierungsbürste für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine, eine Bürstenanordnung sowie eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, so dass die Einlaufzeit der elektrischen Maschine, während der das Motorverhalten entsprechend der Änderung der Kontaktfläche der Kontaktierungsbürste zu den Kommutatorlamellen nicht konstant ist, verringert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Kontaktierungsbürste für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Bürstenanordnung und die elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist einen Kontaktierungsbürste zum Kontaktieren eines Kommutators für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Verschleißbereich aus einem Verschleißmaterial mit einer ersten Abriebfestigkeit,
- – einen Einlaufbereich aus einem Abriebmaterial mit einer zweiten Abriebfestigkeit, die geringer ist als die erste Abriebfestigkeit.
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Eine Idee der obigen Kontaktierungsbürste besteht darin, diese in Verschleißrichtung mit zwei verschiedenen Materialien auszubilden. Die Kontaktierungsbürste wird im Bereich ihrer Aufsetzfläche, mit der die Kontaktierungsbürste auf die Kommutatorlamellen gedrückt wird, mit einem Einlaufbereich aus einem Abriebmaterial versehen und im Übrigen, in einem Verschleißbereich, mit einem herkömmlichen Verschleißmaterial ausgebildet, wie es für Kontaktierungsbürsten üblich ist. Das Abriebmaterial der Einlaufschicht weist eine deutlich geringere Abriebfestigkeit, d.h. Verschleißfestigkeit, auf, so dass ein schneller Abrieb erfolgt, wenn die Kontaktierungsbürste mit ihrer Aufsetzfläche auf die Kommutatorlamellen gedrückt wird und sich die Kommutatorlamellen unter der Kontaktierungsbürste hinweg bewegen.
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Im Wesentlichen formt sich bereits kurz nach Beginn des Einlaufvorgangs eine konkave Kontur in der Aufsetzfläche der Kontaktierungsbürste, die die Kontaktfläche zu den Kommutatorlamellen hin gegenüber dem Anfangszustand vergrößert, in dem die Aufsetzfläche noch nicht an die Kontur der Kommutatorlamellen angepasst ist. Durch die schnelle Vergrößerung der Kontaktfläche während des Einlaufvorgangs wird sehr schnell eine konstante Kontaktierung zwischen der Kontaktierungsbürste und den Kommutatorlamellen erreicht, so dass anschließend keine nennenswerte Änderung des Motorverhaltens auftritt.
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Da die Kontaktierungsbürsten in der Regel senkrecht auf die Kommutatorlamellen aufgedrückt werden, findet ein verstärkter Abrieb in einem Mittenbereich des Querschnitts der Kontaktierungsbürste statt, so dass in dem Mittenbereich zuerst der Einlaufbereich abgerieben wird und die Kommutatorlamellen ausgehend von der Mitte des Querschnitts der Kontaktierungsbürste zunehmend in Kontakt mit dem herkömmlichen Verschleißmaterial der Kontaktierungsbürste gelangen. Während dieses Prozesses ändert sich die Kontaktfläche zwischen der Kontaktierungsbürste und den Kommutatorlamellen jedoch nicht, so dass auch beim Übergang von einer Kontaktierung der Kommutatorlamellen durch die Einlaufschicht zu einer Kontaktierung durch den Bereich des herkömmlichen Verschleißmaterials der Kontaktierungsbürste keine nennenswerte Änderung des elektrischen Verhaltens der elektrischen Maschine zu bemerken ist. Auf diese Weise kann durch Vorsehen der Einlaufschicht im Bereich der Aufsetzfläche der Kontaktierungsbürste ein schnelles Einlaufen einer damit ausgestatteten elektrischen Maschine erreicht werden.
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Weiterhin kann die Abriebfestigkeit des Abriebmaterials des Einlaufbereichs in Richtung des Verschleißbereichs kontinuierlich oder in Stufen zunehmen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Einlaufbereich eine Dicke in Anordnungsrichtung aufweist, die zwischen 100µm und 1mm, insbesondere zwischen 100µm und 500µm liegt.
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Weiterhin kann ein Grenzbereich zwischen dem Einlaufbereich und dem Verschleißbereich mit sich in Anordnungsrichtung erstreckenden Strukturen, insbesondere mit dreieckigem oder kugelsegmentförmigen Querschnitt, versehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können der Verschleißbereich und der Einlaufbereich einstückig, insbesondere durch gemeinsames Sintern eines pulverförmigen Materials hergestellt sein, das Graphit und ein Metall, insbesondere Kupfer, aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Einlaufbereich mit einer Riffelung versehen ist.
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Weiterhin kann die Kontaktierungsbürste länglich sein und gekrümmt oder geradlinig ausgebildet sein, wobei die Anordnungsrichtung des Verschleißbereichs und des Einlaufbereichs einer Längsrichtung der länglich ausgebildeten Kontaktierungsbürste entspricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, insbesondere Gleichstrommotor, umfassend:
- – eine Rotoranordnung mit Rotorspulen;
- – einen Kommutator mit Kommutatorlamellen zur Bestromung der Rotorspulen;
- – mindestens eine obige Kontaktierungsbürste, die mit einer Kraft in Richtung des Kommutators gedrückt sind, um mit einer Auflagefläche an dem Kommutator anzuliegen.
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Die Auflagefläche der Kontaktierungsbürste kann im ungenutzten Zustand mit einer Kontur versehen sein, die im Wesentlichen korrespondierend zur Kontur des Kommutators ausgebildet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Einlaufbereich der Kontaktierungsbürste mit einer Riffelung versehen ist, wobei die Riffelung längs oder quer zu einer Bewegungsrichtung des Kommutators unter der Kontaktierungsbürste verläuft.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine bürstenkommutierte elektrische Maschine;
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2 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Kontaktierungsbürste und des Kommutators mit abgehobener Kontaktierungsbürste; und
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3a bis 3c Ausführungsformen von Kontaktierungsbürsten mit jeweils einem Einlaufbereich im Bereich der Aufsetzfläche.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine bürstenkommutierte elektrische Maschine 1, insbesondere eine Gleichstrommaschine. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine kreiszylindrische Rotoranordnung 3 und eine die Rotoranordnung 3 umgebende kreiszylindrische Statoranordnung 4 angeordnet sind. Die Statoranordnung 4 ist an dem Gehäuse 2 gehalten und kann an einer Innenwand des Gehäuses 2 anliegen.
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Die Rotoranordnung 3 umfasst eine Rotorwicklung mit mehreren schematisch dargestellten Rotorspulen 31, die über einen in axialer Richtung A gegenüber der Rotoranordnung 3 versetzten Kommutator 5 elektrisch bestrombar sind.
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Die Statoranordnung 4 kann eine Reihe von Statorpolen 42 umfassen, die ein Statormagnetfeld bereitstellen, das durch Permanentmagnete 41 ausgebildet sein kann.
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Die Rotoranordnung 3 ist an einer Rotorwelle 6 angeordnet, die drehbar in dem Gehäuse 2 über geeignete Lager 7 gehalten ist. Durch Wechselwirkung des durch die Permanentmagneten 41 bewirkten Statormagnetfelds mit einem veränderlichen, durch die Bestromung der Rotorspulen 31 bewirkten Rotormagnetfeld kann die Rotoranordnung der elektrischen Maschine 1 und damit die Rotorwelle 6 angetrieben werden.
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Die Bestromung der Rotorspulen 31 erfolgt über den Kommutator 5, der, wie in der perspektivischen Ansicht der 2 besser erkennbar, Kommutatorlamellen 51 aufweist. Die Kommutatorlamellen 51 sind isoliert voneinander in Umfangsrichtung U des Kommutators 5 beabstandet um einen Lamellenträger 52 angeordnet, der fest mit der Rotorwelle 6 gekoppelt ist.
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Die Kommutatorlamellen 51 werden über Bürstenanordnungen 8 elektrisch kontaktiert. Die Bürstenanordnungen 8 weisen einen Bürstenträger 81 auf, in dem in einer Bürstenführung 82 eine Kontaktierungsbürste 83, insbesondere in Form einer Kohlebürste, in Richtung der Kommutatorlamellen 51 geführt ist. Die Kontaktierungsbürste 83 ist mit Hilfe einer Federeinrichtung 84 mit einer Kraft beaufschlagt, so dass die Kontaktierungsbürste 83 auf die Kommutatorlamellen 51 gedrückt wird.
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Herkömmliche Kontaktierungsbürsten 83 werden in der Regel aus einer Mischung aus Graphit und Kupfer sowie Gleitmittel, wie z.B. Molybdänsulfid und Wolframsulfid, als Additive durch Verpressen und anschließendes Sintern hergestellt. So hergestellte Kontaktierungsbürsten 83 weisen in der Regel eine homogene Abriebsfestigkeit auf. Die Abriebsfestigkeit ist so gewählt, dass eine ausreichende Lebensdauer der Kontaktierungsbürste 83 gewährleistet wird.
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Bei Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine 1 weisen die Kontaktierungsbürsten 83 in der Regel eine beliebige insbesondere ebene Kontur einer Aufsetzfläche auf, d.h. derjenigen Endfläche, mit der die Kontaktierungsbürste auf die Kommutatorlamellen 51 aufgesetzt wird. Dadurch ist die Kontaktierungsfläche zur elektrischen Kontaktierung zwischen der Kontaktierungsbürste 83 und den Kommutatorlamellen 51 zunächst gering. Erst nach einer bestimmten Einlaufzeit wird durch Abrieb die Aufsetzfläche mit einer Kontur geformt, die der Kontur der auf dem Lamellenträger 52 aufgebrachten Kommutatorlamellen 51 entspricht. Dabei vergrößert sich die Kontaktfläche kontinuierlich, so dass sich während der Einlaufzeit das elektrische Verhalten der elektrischen Maschine 1 z.B. aufgrund des sich dadurch ändernden elektrischen Kontaktierungswiderstands ebenfalls kontinuierlich ändert.
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Es ist wünschenswert, die Einlaufzeit möglichst zu minimieren und über die Betriebsdauer der elektrischen Maschine ein kontinuierliches elektrisches Verhalten zu erreichen.
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Insbesondere ist das herkömmliche Verschleißmaterial für die Kontaktierungsbürsten in der Regel verschleißarm, so dass eine lange Lebensdauer der Kontaktierungsbürste 83 erhalten werden kann, mit dem Nachteil, dass sich die Einlaufzeit erheblich verlängert. Um die Einlaufzeit zu verkürzen, ist daher vorgesehen, dass die Kontaktierungsbürste 83 im Bereich der Aufsetzfläche mit einem Einlaufbereich 85 ausgebildet wird. Der Einlaufbereich 85 ist aus einem Abriebmaterial ausgebildet und weist ein Abriebverhalten auf, das "weicher" ist als das Abriebverhalten des herkömmlichen Verschleißmaterials, d.h. das Abriebmaterial wird durch die Kommutatorlamellen 51 schneller abgerieben als das Verschleißmaterial eines Verschleißbereichs 86 der Kontaktierungsbürste 83. Hierzu wird bei der Herstellung der Kontaktierungsbürste beispielsweise am Einlaufbereich 85 der Druck, die Sintertemperatur, die Zusammensetzung des Sinterpulvers – insbesondere des Binders für die verschiedenen Komponenten oder des Metallgehalts – oder die Körnung (Oberflächenbeschaffenheit) der einzelnen Komponenten gegenüber dem Verschleißbereich 86 verändert. Dadurch kann ein weicherer Einlaufbereich 85 mit einem fließenden oder einem plötzlichen Übergang zum härteren Verschleißbereich 86 realisiert werden.
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Während des Einlaufens kann sich somit die Aufsetzfläche der Kontaktierungsbürste 83 schneller der Kontur des Kommutators 5 anpassen, so dass die Kontaktfläche, mit der die Kommutatorlamellen 51 kontaktiert werden, schneller die Größe im eingelaufenen Zustand erreicht, als dies bei einer Kontaktierungsbürste 83, die lediglich aus dem herkömmlichen Verschleißmaterial ausgebildet ist. Der Einlaufbereich 85 kann eine Höhe (in Verschleißrichtung bzw. in Richtung der Kraft, mit der die Kontaktierungsbürste 83 auf die Kommutatorlamellen aufgedrückt wird) von 100 bis 500 µm aufweisen und kann einstückig mit dem Verschleißmaterial durch einen gemeinsamen Sinterprozess hergestellt werden.
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Das Abriebmaterial des Einlaufbereichs 85 kann sich unmittelbar an das Verschleißmaterial anschließen, oder es kann ein fließender Übergang zwischen dem Abriebmaterial des Einlaufbereichs 85 zu dem Verschleißmaterial des Verschleißbereichs 86 mit zunehmender Abriebsfestigkeit in Richtung des Verschleißmaterials vorgesehen sein. Auch können mehrere Schichten von verschiedenen Abriebmaterialien vorgesehen sein, die in Richtung des Verschleißmaterials eine zunehmende Abriebsfestigkeit bezüglich eines Abriebs durch die sich bewegenden Kommutatorlamellen 51 aufweisen.
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In den 3a bis 3c sind verschiedene Ausführungen der Kontaktierungsbürsten 83 dargestellt. Die 3a zeigt eine geradlinige Ausführung einer Kontaktierungsbürste 83 und 3b eine gekrümmte Ausführung einer Kontaktierungsbürste 83. In beiden Ausführungsformen ist vorgesehen, dass sich in Richtung der Aufsetzfläche an den Verschleißbereich 86 der Einlaufbereich 85 aus dem Einlaufmaterial anschließt. In den 3a und 3b erkennt man die Konturen der Einlaufbereiche nach einem Beginn des Einlaufvorgangs mit einer konkaven Krümmung, die im Wesentlichen der Außenkontur des Kommutators 5 entspricht.
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Der Einlaufbereich 85 kann vor dem Einlaufprozess mit einer Riffelung oder einem Radius versehen sein, der in etwa dem Außenradius des Kommutators 5 entspricht, so dass die Kontaktierungsbürste 83 bereits zu Beginn des Einlaufvorgangs eine größtmögliche Kontaktfläche aufweist.
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Die Grenzfläche zwischen dem Einlaufbereich 85 und dem Verschleißbereich 85 kann im Wesentlichen, wie in den Ausführungsformen der 3a und 3b dargestellt, eben und rechtwinklig zum axialen Verlauf bzw. zur Verschleißrichtung der Kontaktierungsbürste 83 verlaufen.
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Wie in der Ausführungsform der 3c dargestellt, kann die Kontaktierungsbürste 83 eine Grenzfläche zwischen dem Verschleißbereich 86 und dem Einlaufbereich 85 mit Strukturen 87 aufweisen. Die Strukturen 87 erstrecken sich in Verschleißrichtung (bzw. in Richtung der Kraft, mit der die Kontaktierungsbürste 83 auf die Kommutatorlamellen aufgedrückt wird) mit z.B. dreieckigem, pyramidenförmigem und/oder kegelförmigem Querschnitt. Dadurch kann eine kontinuierliche Erhöhung der Abriebsfestigkeit im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Verschleißbereich 86 und dem Einlaufbereich 85 bei zunehmendem Abrieb des Einlaufbereichs 85 erreicht werden, wodurch beim Übergang des Abriebs von der Einlaufbereich 85 zu dem Verschleißbereich 86 keine nennenswerte Änderung des elektrischen Widerstands der Kontaktfläche auftritt.
