DE102014225385A1

DE102014225385A1 - Commutation device for an electrical machine

Info

Publication number: DE102014225385A1
Application number: DE102014225385.3A
Authority: DE
Inventors: Mathias Fein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105703190A; CN105703190B

Abstract

Eine Kommutierungseinrichtung für eine elektrische Maschine weist stromführende Bürsten in Bürstenfassungen auf, welche mit einer Bürstenplatte und einer Stromschiene verbunden sind. Die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte steht unter Eigenspannung und ist in Aufnahmeelemente an den Bürstenfassungen kraftbeaufschlagt.A commutation device for an electrical machine has current-carrying brushes in brush holders, which are connected to a brush plate and a bus bar. The busbar or the brush plate is under residual stress and is subjected to force in receiving elements on the brush holders.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungseinrichtung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a commutation device for an electric machine according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Bekannt sind Kommutierungseinrichtungen für elektrische Maschinen zur Stromübertragung und -wendung auf rotorseitige Ankerspulen. Die Kommutierungseinrichtung umfasst rotorseitig einen Kollektor bzw. Kommutator mit mehreren, über den Umfang verteilt angeordneten Lamellen, an denen statorseitig gehaltene, bestrombare Kohlebürsten anliegen, die in Bürstenfassungen radial verschieblich gehalten sind. Die Bürstenfassungen sind an einer Bürstenplatte angeordnet, die elektrisch auf Masse gelegt ist. Die Bestromung erfolgt über eine Stromschiene, die Bürstenplatte und die Stromschiene sind jeweils scheibenförmig ausgebildet und befinden sich axial an gegenüberliegenden Seiten der Bürstenfassungen. Eine derartige Kommutierungseinrichtung wird beispielsweise in der DE 20 2007 013 137 U1 , der DE 10 2010 063 688 A1 oder der DE 10 2009 002 725 A1 beschrieben.Commutation devices for electric machines for power transmission and application on rotor-side armature coils are known. On the rotor side, the commutation device comprises a collector or commutator with a plurality of lamellae distributed over the circumference, against which stator-supported carbon brushes which are held in a stator fashion and which are held radially displaceably in brush holders. The brush holders are arranged on a brush plate which is electrically grounded. The current is supplied via a busbar, the brush plate and the busbar are each disc-shaped and are located axially on opposite sides of the brush sockets. Such a commutation is, for example, in the DE 20 2007 013 137 U1 , of the DE 10 2010 063 688 A1 or the DE 10 2009 002 725 A1 described.

Eine Anwendung dieser Kommutierungseinrichtung ist ein elektrischer Startermotor für eine Startvorrichtung, um eine Brennkraftmaschine zu starten. Für einen Einsatz in Start-Stopp-Systemen müssen die Kohlebürsten, die einem Verschleiß unterliegen, für eine hohe Anzahl an Startvorgängen ausgelegt sein.One application of this commutation device is an electric starter motor for a starting device to start an internal combustion engine. For use in start-stop systems, the carbon brushes that are subject to wear must be designed for a high number of starting operations.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Kommutierungseinrichtung so auszubilden, dass eine lange Betriebszeit gewährleistet ist.The invention is based on the object with simple constructive measures a commutation so that a long service life is guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an. This object is achieved with the features of claim 1. The dependent claims indicate expedient developments.

Die erfindungsgemäße Kommutierungseinrichtung wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, um rotorseitige Ankerwicklungen zu bestromen und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches mit einem statorseitigen Feld interagiert, das entweder von Permanentmagneten oder von elektrisch erregbaren, statorseitigen Spulen erzeugt wird.The commutation device according to the invention is used in electrical machines to energize rotor-side armature windings and to generate an electromagnetic field which interacts with a stator-side field which is generated either by permanent magnets or by electrically energizable, stator-side coils.

Die Kommutierungseinrichtung wird beispielsweise in elektrischen Startermotoren von Startvorrichtungen eingesetzt, um Brennkraftmaschinen zu starten. Hierbei treibt der Startermotor ein Starterritzel an, das in Eingriff mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht. Das Starterritzel ist entweder permanent in den Zahnkranz eingespurt oder wird mithilfe eines Starterrelais zwischen einer zurückgezogenen Außereingriffsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz verstellt. Die Startvorrichtung kann im Rahmen von Start-Stopp-Systemen, die hohe Anzahl an Startvorgängen bewältigen müssen, eingesetzt werden.The commutation device is used for example in electric starter motors of starting devices to start internal combustion engines. Here, the starter motor drives a starter pinion, which is in engagement with a ring gear of the internal combustion engine. The starter pinion is either permanently meshed in the ring gear or is adjusted by means of a starter relay between a retracted disengagement position and an advanced engagement position with the ring gear. The starting device can be used in the context of start-stop systems that have to cope with a high number of starting operations.

Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbundenen Kommutator bzw. Kollektor sowie statorseitig Strom führende Bürsten, die an dem Kollektor anliegen und in Bürstenfassungen aufgenommen sind. Die Bürsten in den Bürstenfassungen sind verschieblich gelagert und von der Kraft eines auf sie wirkenden Federelementes in Richtung auf den Kollektor kraftbeaufschlagt.The commutation device comprises a connected to the rotor shaft of the electric machine commutator or collector and stator-side current-carrying brushes which rest against the collector and are accommodated in brush holders. The brushes in the brush holders are slidably mounted and force-loaded by the force of a spring element acting on them in the direction of the collector.

Die Bürsten sind vorzugsweise radial verschieblich gelagert und liegen an der Mantelfläche des zylindrischen Kollektors an. Der Kollektor weist sich in Achsrichtung erstreckende Lamellen auf, die in Umfangsrichtung über Trennspalte voneinander elektrisch separiert und mit den Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind. The brushes are preferably mounted radially displaceable and abut against the lateral surface of the cylindrical collector. The collector has slats extending in the axial direction, which are electrically separated from one another in the circumferential direction via separating gaps and are electrically connected to the armature windings.

Es kommt aber auch eine Ausführung des Kollektors als Flachkollektor in Betracht, bei der der ebene Kollektor an der Stirnseite der Rotorwelle angeordnet ist und die Bürsten axial gegen den Kollektor beaufschlagt sind.However, it is also an embodiment of the collector as a flat collector into consideration, in which the flat collector is arranged on the end face of the rotor shaft and the brushes are acted upon axially against the collector.

Die Bürstenfassungen weisen Aufnahmeelemente auf, die zur Verbindung mit einer Bürstenplatte bzw. einer Stromschiene dienen. Die Aufnahmeelemente befinden sich bevorzugt axial – bezogen auf die Motorlängsachse – vorzugsweise an gegenüberliegenden Außenseiten der Aufnahmeelemente, so dass entsprechend die Bürstenplatte und die Stromschiene an axial gegenüberliegenden Außenseiten in den Aufnahmeelementen jeder Bürstenfassung aufgenommen sind. Die Bürstenplatte ist am Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet und gehalten und elektrisch auf Masse gelegt (Minuspol). Die Stromschiene ist elektrisch positiv (Pluspol) geladen und kann ebenfalls mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine mechanisch verbunden sein. Die Bürsten sind paarweise angeordnet, wobei jeweils eine Bürste mit der Stromschiene und eine diametral gegenüberliegende Bürste mit der Bürstenplatte elektrisch verbunden ist. Über den Umfang verteilt sind beispielsweise vier oder sechs Bürsten mit alternierender Polarität angeordnet.The brush holders have receiving elements which serve for connection to a brush plate or a busbar. The receiving elements are preferably axially - with respect to the motor longitudinal axis - preferably on opposite outer sides of the receiving elements, so that accordingly the brush plate and the busbar are accommodated on axially opposite outer sides in the receiving elements of each brush holder. The brush plate is arranged and held on the housing of the electrical machine and electrically grounded (negative pole). The busbar is electrically positive (positive pole) loaded and may also be mechanically connected to the housing of the electrical machine. The brushes are arranged in pairs, with one brush each being electrically connected to the bus bar and a diametrically opposite brush to the brush plate. Distributed over the circumference, for example, four or six brushes arranged with alternating polarity.

Die Bürsten liegen an Lamellen des Kollektors an, die in Umfangsrichtung über Trennspalte elektrisch voneinander separiert und mit den Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind. Hierzu können die Lamellen des Kollektors über Anschlusslitzen mit den Ankerwicklungen verbunden sein. The brushes are applied to fins of the collector, which are electrically separated from each other in the circumferential direction via separating gaps and electrically connected to the armature windings. You can do this the fins of the collector be connected via connecting wires with the armature windings.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung befindet sich auf der den Ankerwicklungen und den Anschlusslitzen zugewandten Seite die Stromschiene in den zugehörigen Aufnahmeelementen der Bürstenfassung. Auf der axial gegenüberliegenden Seite ist in weiteren Aufnahmeelementen, die an der Außenseite der Bürstenfassungen angeordnet sind, die Bürstenplatte aufgenommen. Im Prinzip kommt aber auch eine umgekehrte Ausführung in Betracht, bei der die Bürstenplatte auf der den Ankerwicklungen zugewandten Seite und die Stromschiene auf der den Ankerwicklungen abgewandten Seite an der Bürstenfassung angeordnet sind. According to an advantageous embodiment, the busbar is located in the associated receiving elements of the brush holder on the side facing the armature windings and the connecting wires. On the axially opposite side, the brush plate is received in further receiving elements, which are arranged on the outside of the brush holders. In principle, however, is also a reverse design into consideration, in which the brush plate on the side facing the armature windings and the bus bar on the side facing away from the armature windings are arranged on the brush holder.

Die Aufnahmeelemente an den Bürstenfassungen sind, gemäß vorteilhafter Ausführung, winkelförmig ausgeführt. Die Winkelform umfasst einen axialen und einen radialen Abschnitt, die zusammen eine L-Form bilden und eine radial nach innen oder nach außen gerichtete Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Stromschiene bzw. Bürstenplatte begrenzen. Vorteilhafterweise befinden sich an beiden diametral gegenüberliegenden axialen Stirnseiten der Bürstenfassungen derartige, winkelförmige Aufnahmeelemente, so dass sowohl die Stromschiene als auch die Bürstenplatte in den Aufnahmeelementen aufgenommen werden können. In dieser Ausführung sind die Bürstenfassungen mechanisch auf die Stromschiene und die Bürstenplatte, die axial zueinander beabstandet sind, aufgesetzt. The receiving elements on the brush holders are, according to an advantageous embodiment, designed angular. The angled shape includes an axial and a radial portion, which together form an L-shape and define a radially inwardly or outwardly directed receiving opening for receiving the bus bar or brush plate. Advantageously located on both diametrically opposite axial end faces of the brush holders such angular receiving elements, so that both the busbar and the brush plate can be accommodated in the receiving elements. In this embodiment, the brush holders are mechanically mounted on the bus bar and the brush plate, which are axially spaced from each other.

Bei der erfindungsgemäßen Kommutierungseinrichtung stehen die Stromschiene und/oder die Bürstenplatte unter Eigenspannung und sind insbesondere radial in die Aufnahmeelemente hinein kraftbeaufschlagt. Hierdurch wird ein fester Sitz der Stromschiene bzw. Bürstenplatte in den Aufnahmeelementen erreicht, so dass entsprechend eine feste Verbindung von Stromschienen bzw. Bürstenplatte und den Bürstenfassungen erzielt wird. Ein eventuell bestehendes Radialspiel wird eliminiert. Aufgrund des festen Sitzes ist der Verschleiß der Bürsten reduziert. In the commutation device according to the invention, the busbar and / or the brush plate are under residual stress and in particular are subjected to a force of force radially into the receiving elements. As a result, a tight fit of the busbar or brush plate is achieved in the receiving elements, so that in accordance with a fixed connection of busbars or brush plate and the brush holders is achieved. Any existing radial play is eliminated. Due to the tight fit, the wear of the brushes is reduced.

Es kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen nur die Stromschiene in den Aufnahmeelementen an den Bürstenfassungen mit einer Radialkraft aufgenommen ist als auch Ausführungen, bei denen nur die Bürstenplatte in den Aufnahmeelementen mit Radialkraft sitzt. Des Weiteren ist es auch möglich, dass sowohl die Stromschiene als auch die Bürstenplatte jeweils in gegenüberliegenden Aufnahmeelementen an den Bürstenfassungen mit einer Radialkraft und spielfrei aufgenommen sind. There are both versions into consideration, in which only the busbar is received in the receiving elements on the brush holders with a radial force as well as embodiments in which only the brush plate sits in the receiving elements with radial force. Furthermore, it is also possible that both the busbar and the brush plate are each received in opposite receiving elements on the brush holders with a radial force and play.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte mit axialem Spiel in dem Aufnahmeelement aufgenommen. Beispielsweise in der Ausführung des Aufnahmeelements in L-Form ist eine Aufnahmeöffnung radial nach innen oder radial nach außen gegeben, in die die Stromschiene bzw. Bürstenplatte eingesetzt ist. Die Aufnahmeöffnung besitzt in Achsrichtung eine größere Erstreckung als die Dicke der eingesetzten Stromschiene bzw. Bürstenplatte. Aufgrund der in Radialrichtung wirkenden Eigenspannung der Stromschiene bzw. Bürstenplatte ist jedoch trotz des Axialspiels ein sicherer und fester Sitz der Stromschiene bzw. Bürstenplatte in dem Aufnahmeelement gegeben.According to a further advantageous embodiment, the busbar or the brush plate is received with axial play in the receiving element. For example, in the embodiment of the receiving element in L-shape, a receiving opening is given radially inward or radially outward, in which the busbar or brush plate is inserted. The receiving opening has a greater extent in the axial direction than the thickness of the bus bar or brush plate used. Due to the radial direction of the residual stress of the conductor rail or brush plate, however, a secure and firm fit of the busbar or brush plate in the receiving element is given despite the axial play.

Die Stromschiene bzw. Bürstenplatte ist, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, als ein Federring ausgebildet und weist einen durchtrennenden Radialschlitz auf. Der Radialschlitz stellt sicher, dass die Radialkraft, die auf den Sitz in dem Aufnahmeelement ausgeübt wird, auf ein Maximum begrenzt ist. Der Radialschlitz erstreckt sich entweder ausschließlich in Radialrichtung oder mit einer Komponente sowohl in Radial- als auch in Umfangsrichtung; in jedem Fall durchtrennt der Radialschlitz die Stromschiene bzw. Bürstenplatte.The busbar or brush plate is, according to further expedient embodiment, designed as a spring ring and has a severing radial slot. The radial slot ensures that the radial force exerted on the seat in the receiving element is limited to a maximum. The radial slot extends either exclusively in the radial direction or with a component in both radial and circumferential directions; in any case, the radial slot cuts through the bus bar or brush plate.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Stromschiene bzw. Bürstenplatte radial nach außen in die Aufnahmeelemente kraftbeaufschlagt. Bei winkelförmiger bzw. L-förmiger Ausführung der Aufnahmeelemente übergreifen diese die Stromschiene bzw. Bürstenplatte auf der radial außen liegenden Seite. Die in die Aufnahmeelemente eingeführte Stromschiene bzw. Bürstenplatte wird dementsprechend auf ihrer radial außen liegenden Umfangsseite von den Aufnahmeelementen begrenzt und übt eine radial nach außen gerichtete Kraft auf die Aufnahmeelemente aus.According to a further expedient embodiment, the busbar or brush plate is subjected to a force radially outward in the receiving elements. In an angular or L-shaped design of the receiving elements, these overlap the busbar or brush plate on the radially outer side. The busbar or brush plate inserted into the receiving elements is accordingly limited on its radially outer circumferential side by the receiving elements and exerts a radially outwardly directed force on the receiving elements.

Gemäß einer alternativen Ausführung ist es auch möglich, dass die Stromschiene bzw. Bürstenplatte eine radial nach innen gerichtete Kraft auf die Aufnahmeelemente ausübt. In diesem Fall übergreifen die winkel- bzw. L-förmigen Aufnahmeelemente die ringförmige Stromschiene bzw. Bürstenplatte auf der Ringinnenseite. According to an alternative embodiment, it is also possible that the busbar or brush plate exerts a radially inwardly directed force on the receiving elements. In this case, the angular or L-shaped receiving elements engage over the annular bus bar or brush plate on the inside of the ring.

Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung sind die Aufnahmeelemente einteilig mit den Bürstenfassungen ausgebildet. Die Bürstenfassungen sind aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und bestehen beispielsweise aus Kunststoff oder einem Sintermaterial.According to another expedient embodiment, the receiving elements are integrally formed with the brush holders. The brush holders are made of an electrically insulating material and consist for example of plastic or a sintered material.

Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Bürste als Mehrschichtbürste ausgeführt, die in Umfangs- bzw. Drehrichtung des Kollektors aus mindestens zwei verschiedenen Schichten aufgebaut ist. Die Schichten sind beispielsweise als Leistungsschicht und als Kommutierungsschicht ausgebildet, die sich in ihrem elektrischen Widerstand unterscheiden können; zweckmäßigerweise besitzt die Leistungsschicht einen kleineren elektrischen Widerstand als die Kommutierungsschicht. Die Leistungsschicht liegt beispielsweise in Drehrichtung vorne und die Kommutierungsschicht hinten. Es kann vorteilhaft sein, dass sich sämtliche Schichten der Bürste über die gesamte axiale Bürstenlänge erstrecken.According to yet another expedient embodiment, the brush is designed as a multi-layer brush, which is constructed in the circumferential or rotational direction of the collector of at least two different layers. The layers are for example as a power layer and as Commutation formed, which may differ in their electrical resistance; Expediently, the power layer has a smaller electrical resistance than the commutation layer. The power layer lies, for example, in the direction of rotation at the front and the commutation layer at the rear. It may be advantageous that all layers of the brush extend over the entire axial brush length.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawings. Show it:

1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Starterritzel, das axial über ein Starterrelais verstellbar und über einen elektrischen Startermotor drehend anzutreiben ist, 1 a starting device for an internal combustion engine with a starter pinion, which is axially adjustable via a starter relay and rotationally driven by an electric starter motor,

2 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine, die beispielsweise als elektrischer Startermotor eingesetzt wird, mit einer Darstellung der Kommutierungseinrichtung, 2 a section along an electric machine, which is used for example as an electric starter motor, with a representation of the commutation,

3 einen Schnitt quer durch die Kommutierungseinrichtung, 3 a section across the commutation,

4 eine Ansicht der mit einem Schlitz versehenen Stromschiene, 4 a view of the slotted busbar,

5 einen Schnitt durch eine Mehrschichtbürste. 5 a section through a multi-layer brush.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same components are provided with the same reference numerals.

Die in 1 dargestellte Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Antriebswelle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist, beispielsweise über ein Steilgewinde. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Relaiswicklung 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition umgesetzt wird.In the 1 illustrated starting device 1 for an internal combustion engine has a starter pinion 2 on, that for starting the internal combustion engine 4 in engagement with a sprocket 3 the internal combustion engine is brought. The starter pinion 2 is on a drive shaft 5 As shown by the double arrow mounted axially displaceable, wherein the starter pinion 2 rotatably with the drive shaft 5 is coupled, for example via a coarse thread. The starter pinion 2 is between a retracted non-functional position and an advanced engagement position with the sprocket 3 the internal combustion engine 4 via a starter relay 6 adjusted, which is formed electromagnetically and a Bestrombare relay winding 7 as well as a lifting anchor 8th includes, when energized the relay winding 7 is pulled into this axially. The lifting anchor 8th is via an engaging lever 9 kinematically with the starter pinion 2 coupled, so that the axial adjustment movement of the lifting armature 8th between a rest position and an adjustment position in a corresponding axial adjusting movement of the starter pinion 2 between the non-functional position and the engaged position is implemented.

Die drehende Antriebsbewegung auf die Antriebswelle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe 12, das insbesondere als ein Planetengetriebe ausgeführt ist, mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Antriebswelle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt. Der Startermotor 11 ist beispielsweise als permanenterregter Motor mit Permanentmagneten an der Statorinnenseite ausgebildet und weist einen mit der Rotorwelle verbundenen Anker mit Ankerwicklungen auf, die über eine Kommutierungseinrichtung bestromt werden.The rotating drive movement on the drive shaft 5 or the starter pinion 2 is using an electric starter motor 11 generated by a gearbox 12 , which is designed in particular as a planetary gear, with the drive shaft 5 is coupled. Upon actuation of the electric starter motor 11 becomes the drive shaft 5 and with it the starter pinion 2 set in rotation. The starter motor 11 For example, is designed as a permanent-magnet motor with permanent magnets on the inside of the stator and has an armature connected to the rotor shaft with armature windings, which are energized via a commutation.

Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden. The starting device 1 is a control unit 10 assigned via which the functions of the starter relay 6 as well as the starter motor 11 to be controlled.

Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch eine kinematische Kopplung des Schaltgliedes mit der Stellbewegung des Hubankers 8 der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Antriebswelle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.In an axial adjusting movement of the lifting armature 8th upon actuation of the starter relay 6 When reaching the adjustment position by a kinematic coupling of the switching element with the actuating movement of the lifting armature 8th the electric current for the starter motor 11 turned on, so that the starter motor 11 sets in motion and the drive shaft 5 as well as the starter pinion 2 rotating drives.

Die Startvorrichtung 1 ist mit einer Freilaufeinrichtung versehen, die als Rollenfreilauf 14 ausgebildet ist. Der Einrückhebel 9 wirkt auf ein Federelement 13, das einen Mitnehmer 15 des Rollenfreilaufs 14 axial kraftbeaufschlagt, wobei mit dem Mitnehmer 15 ein Ritzel- bzw. Rollenbund 16 des Rollenfreilaufs 14 zusammenwirkt und der Ritzelbund 16 einteilig mit dem Starterritzel 2 ausgebildet ist. Der Rollenfreilauf 14 erlaubt eine Übertragung der Drehbewegung in Antriebsrichtung des elektrischen Startermotors 11. Sobald jedoch nach dem Starten der Brennkraftmaschine 4 die Drehgeschwindigkeit des Zahnkranzes 3 so hoch wird, dass die Antriebsrichtung umgekehrt wird, wird über den Rollenfreilauf 14 die kinematische Kopplung zwischen Mitnehmer 15 und Ritzelbund 16 aufgehoben. The starting device 1 is provided with a freewheel device, the roller freewheel 14 is trained. The engagement lever 9 acts on a spring element 13 that a takeaway 15 of the roller freewheel 14 axially acted upon by force, with the driver 15 a pinion or roller collar 16 of the roller freewheel 14 interacts and the pinion collar 16 in one piece with the starter pinion 2 is trained. The roller freewheel 14 allows a transmission of the rotational movement in the drive direction of the electric starter motor 11 , However, once after starting the engine 4 the rotational speed of the sprocket 3 gets so high that the drive direction is reversed, is on the roller freewheel 14 the kinematic coupling between drivers 15 and pinion collar 16 canceled.

2 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine 11 im Bereich der Kommutierungseinrichtung 25. Die elektrische Maschine 11 weist in einem Gehäuse 20, das ein Statorgehäuse bildet und stirnseitig von einem Kommutatorlagerdeckel 21 verschlossen ist, eine Rotorwelle 23 auf, die in einem Lager 22 im Lagerdeckel 21 drehbar gelagert ist. Fest mit der Rotorwelle 23 ist ein Anker 24 verbunden, der Träger von Ankerwicklungen ist, welche über die Kommutierungseinrichtung 25 bestromt werden. 2 shows a detail of a longitudinal section through the electric machine 11 in the area of the commutation device 25 , The electric machine 11 points in a housing 20 , which forms a stator housing and the front side of a Kommutatorlagerdeckel 21 is closed, a rotor shaft 23 on that in a warehouse 22 in the bearing cap 21 is rotatably mounted. Firm with the rotor shaft 23 is an anchor 24 connected, which is the carrier of armature windings, which via the commutation device 25 be energized.

Die Kommutierungseinrichtung 25 umfasst einen rotorseitigen Kollektor 26 sowie einen Bürstenhalter bzw. -apparat 27, der eine statorseitig angeordnete Bürstenplatte 28 mit Bürstenfassungen 29 und darin aufgenommenen Bürsten 30 umfasst. Über den Umfang verteilt sind mehrere Bürsten 30 in jeweils einer Bürstenfassung 29 angeordnet, von denen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bürsten ein zusammengehörendes Bürstenpaar bilden, von denen eine Bürste eine positive und die gegenüberliegenden Bürste eine negative Polarität aufweisen. Jede Bürste 30 ist in der Bürstenfassung 29 radial verschieblich aufgenommen und wird durch die Kraft eines in der Bürstenfassung 29 abgestützten Federelementes 31 radial in Richtung auf den Kollektor 26 kraftbeaufschlagt. Die radial innen liegende Stirnseite der Bürste 30 liegt auf Kontakt zur Mantelfläche des Kollektors 26, der über den Umfang verteilt mehrere Lamellen aufweist, welche elektrisch voneinander separiert sind und jeweils über Anschlusslitzen 37 mit den Ankerwicklungen des Ankers 24 verbunden sind. Die Anschlusslitzen 37 sind einenends über Befestigungselemente 38 mit den Lamellen des Kollektors 26 verbunden. Anderenends sind die Anschlusslitzen 37 mit den Wicklungsenden der Ankerwicklungen verbunden; es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die Anschlusslitzen 37 von den Wicklungsenden der Ankerwicklungen gebildet sind. Die Anschlusslitzen 37 auf der Mantelfläche des Kollektors 26 erstrecken sich axial nur über eine verhältnismäßig kurze Teillänge des Kollektors 26. The commutation device 25 comprises a rotor-side collector 26 as well as one Brush holder or apparatus 27 , which is a stator-side arranged brush plate 28 with brush holders 29 and brushes received therein 30 includes. Distributed over the circumference are several brushes 30 in each case a brush holder 29 arranged, of which two diametrically opposed brushes form a pair of associated brushes, of which one brush has a positive and the opposite brush a negative polarity. Every brush 30 is in the brush socket 29 radially displaceable and is absorbed by the force of one in the brush holder 29 supported spring element 31 radially in the direction of the collector 26 with force. The radially inner end of the brush 30 is in contact with the lateral surface of the collector 26 which has distributed over the circumference a plurality of fins, which are electrically separated from each other and each via connecting leads 37 with the armature windings of the armature 24 are connected. The pigtails 37 are at one end about fasteners 38 with the fins of the collector 26 connected. At the other end are the pigtails 37 connected to the winding ends of the armature windings; but there are also possible versions in which the connecting wires 37 are formed by the winding ends of the armature windings. The pigtails 37 on the lateral surface of the collector 26 extend axially only over a relatively short part of the length of the collector 26 ,

An der Innenseite des Gehäuses 20 befinden sich über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 32, deren Feld mit dem Feld der Ankerwicklungen interagiert.On the inside of the case 20 There are several permanent magnets distributed over the circumference 32 whose field interacts with the field of the armature windings.

Die Bürstenfassung 29 ist auf seiner dem Anker 24 zugewandten Außenseite mit einem winkelförmigen Aufnahmeelement 35 versehen, das einteilig mit der Bürstenfassung 29 ausgeführt ist. Das Aufnahmeelement 35 ist L-förmig ausgeführt und weist eine radial nach innen weisende Aufnahmeöffnung auf, in die eine ringförmige Stromschiene 36 eingeführt ist. The brush holder 29 is on his anchor 24 facing outside with an angular receiving element 35 The one-piece with the brush holder 29 is executed. The receiving element 35 is L-shaped and has a radially inwardly facing receiving opening into which an annular busbar 36 is introduced.

Die Stromschiene 36 und die Bürstenplatte 28 befinden sich axial auf gegenüberliegenden Außenseiten der Bürstenfassung 29. Auch die Bürstenplatte 28 ist in einem bevorzugt winkelförmigen Aufnahmeelement aufgenommen.The busbar 36 and the brush plate 28 are located axially on opposite outer sides of the brush holder 29 , Also the brush plate 28 is accommodated in a preferably angular receiving element.

Wie den 3 und 4 zu entnehmen, ist die Stromschiene 36 ringförmig ausgebildet und weist einen in Radialrichtung sich erstreckenden Schlitz 39 auf, wodurch die Stromschiene 36 einen Federring bildet. Die Stromschiene 36 ist in die Aufnahmeelemente 35 eingesetzt, die einteilig mit den Bürstenfassungen 29 ausgebildet sind und radial nach innen offen ausgeführt sind. Die Aufnahmeelemente 35 umgreifen dementsprechend die Stromschiene 36 an deren radial außen liegender Seite. Die Stromschiene 36 ist unter radialer Eigenspannung in die Aufnahmeelemente 35 eingesetzt, sie übt eine radial nach außen gerichtete Kraft gemäß den Kraftpfeilen 40 (3) auf die Aufnahmeelemente 35 aus und ist entsprechend sicher und fest in den Aufnahmeelementen 35 aufgenommen.Like that 3 and 4 can be seen, is the busbar 36 annular and has a radially extending slot 39 on, causing the busbar 36 forms a spring ring. The busbar 36 is in the receiving elements 35 used, the one-piece with the brush holders 29 are formed and designed to be open radially inward. The recording elements 35 accordingly cover the busbar 36 at the radially outer side. The busbar 36 is under radial residual stress in the receiving elements 35 used, it exerts a radially outward force according to the force arrows 40 ( 3 ) on the receiving elements 35 and is accordingly safe and strong in the receiving elements 35 added.

Die Aufnahmeöffnung in den Aufnahmeelementen 35 kann eine größere axiale Erstreckung – bezogen auf die Motorlängsachse 34 – aufweisen als der Dicke der Stromschiene 36 entspricht. Entsprechend ist die Stromschiene 36 mit Axialspiel in den Aufnahmeelementen 35 aufgenommen. Aufgrund der Radialkraft, die die Stromschiene 36 auf die Aufnahmeelemente 35 ausübt, ist die Stromschiene jedoch trotz des Axialspiels sicher und ohne mechanischen Bewegungsfreiheitsgrad in den Aufnahmeelementen 35 aufgenommen.The receiving opening in the receiving elements 35 can have a larger axial extent - relative to the motor's longitudinal axis 34 - Have as the thickness of the busbar 36 equivalent. The busbar is the same 36 with axial play in the receiving elements 35 added. Due to the radial force of the busbar 36 on the receiving elements 35 However, the busbar is safe despite the axial play and without mechanical movement degree of freedom in the receiving elements 35 added.

Wie 2 in Verbindung mit 5 zu entnehmen, ist die Bürste 30 als Zweischichtbürste ausgebildet und umfasst zwei Schichten 30a und 30b, die sich hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften voneinander unterscheiden. Die beiden Schichten 30a und 30b sind fest miteinander verbunden, die Schicht 30a liegt in Drehrichtung vorne und ist als Leistungsschicht ausgebildet, die in Drehrichtung hinten liegende Schicht 30b bildet die Kommutierungsschicht. Dementsprechend gelangt beim Umlaufen zunächst die Leistungsschicht 30a in Kontakt mit einer Lamelle des Kollektors 26 und erst anschließend die Kommutierungsschicht 30b in Kontakt mit der betreffenden Lamelle. Die Leistungsschicht 30a weist insbesondere einen geringeren elektrischen Widerstand auf als die Kommutierungsschicht 30b. Beide Schichten 30a, 30b erstrecken sich über die gleiche axiale Länge der Bürste.As 2 combined with 5 to take out is the brush 30 designed as a two-layer brush and includes two layers 30a and 30b , which differ from each other in terms of their material properties. The two layers 30a and 30b are firmly connected, the layer 30a lies in the direction of rotation at the front and is designed as a power layer, the layer lying in the direction of rotation 30b forms the commutation layer. Accordingly, the power layer first arrives when it circulates 30a in contact with a fin of the collector 26 and only then the commutation layer 30b in contact with the lamella concerned. The performance layer 30a has in particular a lower electrical resistance than the commutation layer 30b , Both layers 30a . 30b extend over the same axial length of the brush.

Die beschriebene Ausführungsform der Bürste betrifft sämtliche Bürsten der Kommutierungseinrichtung. Je nach Ausführung können unterschiedlich viele Bürsten in der Kommutierungseinrichtung vorhanden sein, beispielsweise vier oder sechs Bürsten. Die Bürstenplatte 28 kann zwischen der Stirnseite des Gehäuses 20 und dem Lagerdeckel 21 eingeklemmt sein. Es ist aber auch möglich, die Bürstenplatte am Gehäuse oder am Lagerdeckel anzuschrauben. The described embodiment of the brush relates to all brushes of the commutation device. Depending on the design, different numbers of brushes may be present in the commutation device, for example four or six brushes. The brush plate 28 can be between the front of the case 20 and the bearing cap 21 be trapped. But it is also possible to screw the brush plate on the housing or on the bearing cap.

Des Weiteren kommt auch eine elektrische Erregung des Motors 11 in Betracht, so dass anstelle von Permanentmagneten elektrische Wicklungen an der Innenseite des Gehäuses 20 angeordnet sind. Die Kommutierungseinrichtung kann ggf. anstatt auf der dem Lagerdeckel 21 zugewandten Seite auf der axial gegenüberliegenden Seite im Motor 11 angeordnet sein. Furthermore, there is also an electrical excitation of the engine 11 in consideration, so that instead of permanent magnets electrical windings on the inside of the housing 20 are arranged. The commutation device may optionally instead of on the bearing cap 21 facing side on the axially opposite side in the engine 11 be arranged.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202007013137 U1 [0002]
DE 102010063688 A1 [0002]
DE 102009002725 A1 [0002]

Claims

Commutation device for an electrical machine, in particular for a starter motor of a starting device ( 1 ), with one with the rotor shaft ( 23 ) connected collector ( 26 ) and with current-carrying brushes ( 30 ) at the collector ( 26 ) and brushes ( 29 ), which are provided with a brush plate ( 28 ) and one to the brush plate ( 28 ) spaced busbar ( 36 ), the brushes ( 30 ) of a spring element ( 31 ) in the direction of the collector ( 26 ) are subjected to force, characterized in that the busbar ( 36 ) and / or the brush plate ( 28 ) in receiving elements ( 35 ) on the brush holders ( 29 ), wherein the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) is under residual stress and in the receiving elements ( 35 ) is subjected to force.

Commutation device according to claim 1, characterized in that either only the busbar ( 36 ) or only the brush plate ( 28 ) is under residual stress and in the receiving elements ( 35 ) is subjected to force.

Commutation device according to claim 1 or 2, characterized in that the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) with play in the recording elements ( 35 ) is recorded.

Commutation device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) as a spring ring with a severing radial slot ( 39 ) is trained.

Commutation device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) radially outwardly into the receiving elements ( 35 ) is subjected to force.

Commutation device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the receiving elements ( 35 ) the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) overlap on the radially outer side.

Commutation device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the busbar ( 36 ) or the brush plate ( 28 ) radially inwardly into the receiving elements ( 35 ) is subjected to force.

Commutation device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the brushes ( 30 ) are formed as multilayer brushes and at least two different layers ( 30a . 30b ) exhibit.

Electric machine with a commutation device ( 25 ) according to one of claims 1 to 8.

Starting device of an internal combustion engine ( 4 ) with an electric machine according to claim 9 as a starter motor.