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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlebürste für eine Kommutierungseinrichtung einer elektrischen Maschine, eine Kommutierungseinrichtung mit einer solchen Kohlenbürste und eine elektrische Maschine mit einer solchen Kommutierungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Kommutierungseinrichtungen werden zur Stromübertragung und -wendung in elektrischen Maschinen auf die Ankerwicklung eines rotierend gelagerten Ankers eingesetzt. Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen ankerseitigen Kommutatorläufer bzw. Kollektor sowie an der Mantelfläche des Kollektors anliegende Kohlebürsten. Der Kollektor ist über den Umfang verteilt in einzelne Kollektorlamellen unterteilt, zwischen denen Lamellenschlitze liegen, um die Kollektorlamellen elektrisch zu separieren. Mit den Kollektorlamellen sind die Wicklungsdrähte der Ankerwicklungen verbunden.
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Durch die Rotation des Kommutators kommt es zu regelmäßigen Kraftstößen zwischen den Kommutatorlamellen und den Kohlebürsten. Dies erzeugt ein auffähiges, hochfrequentes Geräusch, sog. Pfeifen. Aufgrund des Anregungsmechanismus spricht man vom Kommutierungsgeräusch. Das Geräusch nimmt über die Lebensdauer der elektrischen Maschine deutlich ab, ist jedoch zu Beginn der Lebensdauer deutlich hörbar und störend.
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Ein Ansatz, das Geräusch über die Geometrie der Kohlebürsten zu beeinflussen, wird in
DE 196 50 245 A1 beschrieben. Hierbei wird die der Bewegungsrichtung zugewandte Kante der Kohlebürste so gestaltet, dass die Kohle durch Lichtbogenerosion abgerundet wird. Um dies über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, muss die gesamte Außenseite der Kohle mit der angepassten Geometrie versehen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Kohlebürste für eine Kommutierungseinrichtung einer elektrischen Maschine, eine Kommutierungseinrichtung mit einer solchen Kohlenbürste und eine elektrische Maschine mit einer solchen Kommutierungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße Kommutierungseinrichtung wird zur Stromübertragung und -wendung in elektrischen Maschinen eingesetzt, insbesondere in Innenläufer-Elektromotoren wie z.B. elektrischen Startermotoren von Starteinrichtungen für Brennkraftmaschinen. Es kommt sowohl eine Verwendung in Gleichstrommotoren mit Permanenterregung als auch mit elektrischer Erregung in Betracht.
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Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen ankerseitigen Kommutatorläufer bzw. Kollektor, der mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbunden ist und gemeinsam mit der Rotorwelle umläuft. Über den Kollektor werden Spulen im Anker, der auf der Rotorwelle angeordnet ist, bestromt. Die Kommutierungseinrichtung umfasst des Weiteren eine Bürstenanordnung mit mehreren Bürsten, deren Lauffläche federkraftbeaufschlagt an der Mantelfläche des Kollektors anliegt. Die Bürsten sind stromleitend ausgeführt, beispielsweise als Kohlebürsten, wobei über die Bürsten die Stromzufuhr zum Kollektor und weiter zu den Spulen im Anker erfolgt. Der Kollektor weist über den Umfang verteilt mehrere Kollektorlamellen auf, die jeweils mit einer Spule elektrisch verbunden sind. Benachbarte Kollektorlamellen sind über einen zwischenliegenden Lamellenschlitz separiert.
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Mindestens eine Bürste, vorzugsweise sämtliche Bürsten weisen an ihrer dem Kollektor zugewandten Lauffläche eine Riffelstruktur auf, d.h. mehrere parallel verlaufende rillenförmige Vertiefungen bzw. rippenförmige Erhöhungen. Die Kontur der Rillen kann vorzugsweise mit scharfen Kanten (z.B. Kammprofil) oder, aus produktionstechnischer Sicht günstiger, abgerundet (z.B. Wellenprofil) ausgeführt werden.
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Die Stromübertragung von der Bürste auf den Kollektor erfolgt über die Riffelstruktur, über die die Bürste einen entsprechend reduzierten Kontakt mit der Mantelfläche des Kollektors besitzt. Insbesondere bei der Verwendung von neuen Bürsten kann über die Riffelstruktur ein definierter Kontakt zum Kollektor gewährleistet werden. Die Riffelstruktur bildet an der Lauffläche der Bürste hinausragende Erhebungen (Rippen), wobei die Vertiefungen (Rillen) der Riffelstruktur keinen Kontakt zum Kollektor besitzen. Insgesamt wird über die Riffelstruktur bei neuen Bürsten ein verbessertes akustisches Verhalten der Kommutierungseinrichtung erzielt.
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Die Ursache des zu verbessernden Geräuschs ist der mechanische Kontakt von Kohlebürsten und Kommutatorlamellen. Bei jedem Zusammentreffen von Kohlebürste und Lamelle entsteht ein Kraftimpuls, der Schwingungen und letztendlich die Abstrahlung eines Geräuschs verursacht. Durch die impulshafte Anregung entsteht das Geräusch nicht nur in der Frequenz, in der Lamelle und Bürste aufeinandertreffen, sondern auch verstärkt in ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz. Die Anregung dieser sog. höher harmonischen Frequenzanteile kann durch die Mikrogeometrie des Kommutators nochmals verstärkt werden. Bei einem typischen Startvorgang des Verbrennungsmotors wird die Grundordnung des Kommutierungsgeräuschs teilweise durch die Geräusche des Verbrennungsmotors überdeckt. Die höheren harmonischen Ordnungen des Kommutierungsgeräuschs zeichnen sich jedoch durch Frequenzen aus, die deutlich über denen des Verbrennungsmotors liegen und deshalb ggfs. deutlich hörbar sind. Deshalb zielt die Erfindung hauptsächlich auf die Reduktion der höher harmonischen Frequenzanteile.
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Vorzugsweise bedeckt die Riffelstruktur wenigstens 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der Lauffläche. Dadurch wird das Kommutierungsgeräusch vor allem im Neuzustand stark reduziert.
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Vorzugsweise ist die Lauffläche bis zu einer Tiefe von wenigen Zehntelmillimetern, höchstens 1 mm, geriffelt, d.h. eine Distanz zwischen Rillental und Rippenkamm beträgt weniger als 1 mm, vorzugsweise höchstens oder weniger als 0,9, 0,8, 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 oder 0,1 mm. Dadurch wird das Kommutierungsgeräusch vor allem im Neuzustand stark reduziert. Mit zunehmender Betriebsdauer reduziert sich auf Grund von Verschleiß die Tiefe der Riffelung, bis die Riffelung abgetragen ist und die Lauffläche der Bürste teilweise oder vollständig flächig an der Mantelfläche des Kollektors anliegt. Die Tiefe der Rillen wird vorzugsweise so gewählt, dass die Rillen nach dem Abtrag einer vorhandenen Einlaufgeometrie ebenfalls schnell nicht mehr vorhanden sind. D.h. die Rillen haben in etwa die gleiche Tiefe wie eine vorhandene Einlaufschräge (Anfasung).
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Kohlebürsten können eine sogenannte Einlaufgeometrie aufweisen. Dabei wird durch eine spezielle Kontur der Lauffläche der Kohlebürste, insbesondere Anfasung einer Kante zwischen Lauffläche und Seitenfläche, zu Beginn der Lebensdauer eine definierte Position der Kohlebürste bzgl. des Kommutators und des Bürstenköchers eingestellt. Dies bedingt auch, dass der Kontakt zwischen Kohlebürste und Kommutator initial annähernd nur auf einer Linie erfolgt. Durch diesen Linienkontakt wird die Kohlebürste auch von kleinsten Unebenheiten auf der Kommtuatoroberfläche zu Schwingungen angeregt. Nach mehrmaliger Nutzung des Starters schleift sich die Oberfläche des Kommutators in die Lauffläche der Kohlebürsten ein. Hierdurch verschwindet der initiale Linienkontakt. Stattdessen berühren sich Kohlebürste und Kommutator auf einer breiten Fläche. Die Kontaktfläche der Kohlebürste kann in diesem Zustand nicht mehr jeder Oberflächenrauigkeit des Kommutators folgen, so dass es zu deutlich reduzierter Geräuschbildung kommt. Durch die hier beschriebene Erfindung wird der Übergang von Linien- zu Flächenkontakt stark beschleunigt. Somit erzielt der Starter schon bei den ersten Startzyklen im Fahrzeug deutlich günstigere Geräuschwerte. Vorzugsweise verläuft dabei die angefaste Kante senkrecht zur Riffelung, d.h. senkrecht zu den Rillen und Rippen, oder parallel dazu. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die angefaste Kante schräg zur Riffelung verläuft. Vorzugsweise bedeckt eine Projektion der angefasten Kante auf die Lauffläche wenigstens 30%, wenigstens 40%, wenigstens 50%, wenigstens 60%, und/oder höchstens 90%, höchstens 80%, höchstens 70%, höchstens 60% oder höchstens 50% der Lauffläche.
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Vorzugsweise ist die Anfasung höchstens so tief wie die Riffelung. Weiter vorzugsweise ist die Tiefe der Anfasung höchstens 90%, höchstens 80%, höchstens 70%, höchstens 60%, höchstens 50% oder höchstens 40% der Tiefe der Riffelung.
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Durch die Riffelung der Lauffläche wird das Kommutierungsgeräusch bereits initial auf ein akzeptables Niveau abgesenkt. Im Betrieb wird das Kommutierungsgeräusch deutlich schneller als bisher weiter reduziert. Besonders ist der Effekt auf höhere harmonische Frequenzanteile hervorzuheben.
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Die Lauffläche der Kohlenbürste wird durch das Einbringen der Riffelung vielfach unterbrochen. Vorzugsweise werden dabei ein bis vier, weiter vorzugsweise zwei bis drei Rillen je Millimeter vorgesehen. Vorzugsweise sind die Rillen jeweils wenige Zehntelmillimeter tief und breit. Hierdurch wird der Kontaktdruck auf den verbliebenen Rippen deutlich erhöht. Dies führt dazu, dass dort das Material der Kohlebürste schneller abgetragen wird und der Übergang zu einem Flächenkontakt beschleunigt wird. Des Weiteren wird durch das Einbringen der Riffelung im Bereich der Lauffläche bereits vor dem Betrieb signifikant Bürstenmaterial abgetragen. Dadurch muss im Betrieb beim Übergang vom Linienkontakt zu einem breiteren Flächenkontakt weniger Material abgetragen werden. Durch das Zusammenwirken dieser zwei Effekte liegt nach kurzem Betrieb bereits ein breiter Flächenkontakt vor.
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Die Riffelstruktur bzw. die Rillen können senkrecht (90°) zu den Lamellenschlitzen zwischen den Kollektorlamellen verlaufen, aber auch parallel (0°) oder schräg dazu (zwischen 0° und 90°). Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung schließt die Riffelung mit den Lamellenschlitzen einen Mindestwinkel ein, der beispielsweise mindestens 10° oder mindestens 20° beträgt. Hierbei kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen die Kollektorlamellen und die Lamellenschlitze parallel zur Rotorlängsachse der elektrischen Maschine verlaufen, als auch Ausführungen mit einer Schrägstellung der Kollektorlamellen und der zwischenliegenden Lamellenschlitze gegenüber der Rotorlängsachse.
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Vorzugsweise weisen die Bürsten einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf bzw. wenigstens zwei parallele Seitenflächen, welche von der Lauffläche im Wesentlichen senkrecht nach oben verlaufen. Vorzugsweise verläuft die Riffelung senkrecht zu diesen parallelen Seitenflächen, und/oder diese parallelen Seitenflächen verlaufen parallel oder schräg zu den Lamellenschlitzen. Vorzugsweise verläuft die angefaste Kante zwischen der Lauffläche und einer dieser beiden Seitenflächen, zweckmäßigerweise der in Laufrichtung vorne liegenden.
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Gemäß noch einer zweckmäßigen Ausführung ist die Bürste als eine Einschichtbürste ausgebildet, die aus einem einheitlichen Material gefertigt ist. In einer alternativen Ausführung ist die Bürste als eine Mehrschichtbürste ausgebildet, die vorteilhafterweise eine Leistungsschicht und eine Kommutierungsschicht aufweist, welche sich insbesondere in ihrem elektrischen Widerstand unterscheiden. Die Riffelung kann senkrecht zur Trennlinie zwischen den Schichten der Mehrschichtbürste verlaufen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine im Längsschnitt, mit einem elektrischen Startermotor, dessen Ankerspulen über eine Kommutierungseinrichtung mit Strom versorgt werden,
- 2 zeigt eine Ansicht der Lauffläche einer Bürste der Kommutierungseinrichtung mit einer Riffelung,
- 3 zeigt eine Ansicht gemäß Schnittlinie III-III aus 2 der Bürste,
- 4a zeigt eine Ansicht gemäß Schnittlinie IV-IV aus 2 der Bürste,
- 4b zeigt eine alternative Ausführungsform zu 4a,
- 5 zeigt eine Kommutierungseinrichtung mit einer Bürste mit Riffelung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine rein beispielhafte Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, die in einem Gehäuse 2, welches einen vorne liegenden Lagerschild 3 aufweist, einen elektrischen Startermotor 4 als elektrische Maschine aufnimmt. Eine Rotorwelle 5 des Startermotors 4 treibt über ein Planetengetriebe 6 eine Antriebswelle 11 an, auf der ein Mitnehmer 8 einer Freilaufeinrichtung 7 axial verschieblich, jedoch in Drehrichtung mit der Antriebswelle 11 gekoppelt angeordnet ist. Der Mitnehmer 8 stützt sich über Stützrollen 9 an einem Rollenbund 10 ab, der einteilig mit einem Starterritzel 12 ausgebildet ist. Bei einer axialen Vorschubbewegung gelangt das Starterritzel 12 aus einer zurückgezogenen Au-ßerbetriebsstellung in eine vorgerückte Eingriffsstellung mit dem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt).
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Die axiale Vorschubbewegung des Starterritzels 12 wird mithilfe eines elektromagnetischen Starterrelais 13 durchgeführt, das einen axial verstellbaren Hubanker 14 aufweist, welcher mit einem Gabelhebel 15 gekoppelt ist. Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 14 wird der am Gehäuse gelagerte Gabelhebel 15 verschwenkt, wodurch der Mitnehmer 8 einschließlich Starterritzel 12 in Achsrichtung verstellt wird.
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Der elektrische Startermotor 4 ist als Innenläufermotor ausgebildet und weist einen drehfest mit der Rotorwelle 5 verbundenen Anker 16 auf, welcher elektrisch erregbare Ankerspulen enthält. Die Spulen im Anker 16 werden über eine Kommutierungseinrichtung 17 bestromt. Das von den elektrischen Ankerspulen erzeugte elektromagnetische Feld interagiert mit dem Magnetfeld von Permanentmagneten 18, die an der Innenseite des den Anker umgreifenden Stators angeordnet sind.
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Die Kommutierungseinrichtung 17 weist mehrere als Feder-Bürste-Einheiten ausgebildete Bürstenanordnungen 19 auf, die jeweils gehäuseseitig eine als Kohlebürste ausgebildete Bürste 20 und eine Bürstenfeder 21 umfassen. Die Kommutierungseinrichtung 17 umfasst außerdem einen ankerseitigen Kollektor 22. Die Kohlebürsten 20 werden von den Bürstenfedern 21 radial gegen die Mantelfläche des Kollektors 22 kraftbeaufschlagt. Kohlebürsten 20 und Bürstenfedern 21 sind zweckmäßigerweise in Bürstenhalterungen (nicht dargestellt) aufgenommen, die fest mit dem Gehäuse des Startermotors verbunden sind. Über den Umfang gleichmäßig verteilt sind hier insgesamt sechs Feder-Bürste-Einheiten 19 vorgesehen. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht von der Anzahl der Bürsten abhängt.
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Der mit der Rotorwelle 5 umlaufende Kollektor 22 umfasst über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Bürstenlamellen, die voneinander durch jeweils einen Lamellenschlitz elektrisch separiert sind. Die Bürstenlamellen einschließlich der zwischenliegenden Lamellenschlitze verlaufen parallel zueinander sowie hier parallel zur Rotorlängsachse der elektrischen Maschine 4.
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In 2 ist eine Lauffläche 23 einer Bürste 20 in einer Draufsicht dargestellt, die radial gegen die Mantelfläche des Kollektors gedrückt wird. Die Bürste 20 weist hier einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei zwei parallele Seitenflächen 28, 29 von der Lauffläche 23 senkrecht nach oben verlaufen. Auf der Lauffläche 23 befindet sich eine Riffelstruktur 24, die aus mehreren parallel verlaufenden rillenförmigen Vertiefungen 24b und dazwischenliegenden rippenförmigen Erhöhungen 24a besteht (siehe 4). Im gezeigten Beispiel bedeckt die Riffelstruktur im Wesentlichen die gesamte Lauffläche. Sie hat beispielsweise eine Tiefe (Distanz zwischen Rillental und Rippenkamm) von ca. 0,5 mm. Im gezeigten Beispiel nach 4a ist die Kontur der Riffelung mit scharfen Kanten als Kammprofil ausgeführt, kann aber, aus produktionstechnischer Sicht günstiger, auch abgerundet als Wellenprofil gemäß 4b ausgeführt werden. Der Abstand zwischen zwei Rillentälern 24b kann beispielsweise 0,5 mm betragen. Vorliegend verläuft die Riffelung senkrecht zu den parallelen Seitenflächen 28, 29.
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Im gezeigten Beispiel weist die Lauffläche 23 auch eine Anfasung 27 auf, welche ebenfalls eine Tiefe von ca. 0,5 mm aufweist und sich in Laufrichtung über ca. die vorderen 40% der Lauffläche erstreckt, d.h. eine Projektion der angefasten Kante auf die Lauffläche bedeckt 40% der Lauffläche. Es sei an dieser Stelle betont, dass die Kohlebürste im Stator ortsfest angeordnet ist und der Kommutator sich relativ zu dieser bewegt (siehe Pfeil in 5). Die Anfasung 27 ist an der Kante zwischen Lauffläche 23 und in Laufrichtung vorderer Seitenfläche bzw. Vorderseite 28 gebildet. Im gezeigten Beispiel verläuft die Riffelung senkrecht zur Anfasung und senkrecht zur Vorderseite 28.
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In 5 ist ausschnittsweise eine elektrische Maschine 4 mit einer Kommutierungseinrichtung 17 dargestellt, die den mit der Rotorwelle umlaufenden Kollektor 22 und mehrere Bürsten 20 umfasst, welche jeweils von einem Federelement radial in Richtung auf die Mantelfläche des Kollektors 22 beaufschlagt werden.
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Die Bürsten 20 sind wie im Ausführungsbeispiel nach den 2, 3 und 4 ausgebildet und besitzen eine Riffelstruktur 24, die auf Kontakt zu den Kollektorlamellen 25 liegt. Die Kollektorlamellen 25 sind über jeweils einen Lamellenschlitz 26 voneinander separiert. Die Kollektorlamellen 25 und die Lamellenschlitze 26 verlaufen parallel zur Rotorlängsachse 29 und senkrecht zur Riffelstruktur 24.
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Die Riffelstruktur 24 an der Lauffläche überbrückt auf Grund der Orientierung senkrecht zur Laufrichtung die Lamellenschlitze 26, so dass in jeder Relativposition des umlaufenden Kollektors 22 gegenüber einer Bürste 20 der Lamellenschlitz 26 überbrückt wird und ein Abschnitt der Riffelstruktur 24 an einer Kollektorlamelle 25 anliegt, welche benachbart zu dem überbrückten Lamellenschlitz 26 liegt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Bürsten 20 beim Umlaufen des Kollektors 22 nicht in die Lamellenschlitze 26 eintauchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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