DE102019122347A1

DE102019122347A1 - Kohlebürste für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit einer einzigen schmalen Anlauffläche

Info

Publication number: DE102019122347A1
Application number: DE102019122347.4A
Authority: DE
Inventors: Niklas Hermann; Rainer Bruhn; Christian Sieler
Original assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste (9) für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor (1) aufweisend zwei parallel zueinander angeordnete Längsseiten (11) und zwei ebenfalls parallel zueinander angeordnete Querseiten (12), die im Wesentlichen senkrecht zu den Längsseiten (11) stehen, wobei die vier Seiten (11,12) von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (13) begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste (9) eine einzige Anlauffläche (19) aufweist, die auf einer Stirnseite (13) angeordnet ist und die eine Breite (z), die zwischen 40% und 90% der Gesamtbreite der Kohlebürste (zG) liegt, und eine Höhe (h), die maximal 0,5 mm ist, aufweist, wobei die Anlauffläche (19) sich parallel zur Querseite und senkrecht zur Längsseite erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlebürste für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, einen Bürstenhalter sowie einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit asymmetrischer Teilung.
Bei Kommutatormotoren wird der Strom von der Stromversorgung bzw. der Steuereinrichtung über Kohlebürsten zugeführt, die an dem in mehrere Lamellen unterteilten, zur Stromwendung dienenden Kommutator anliegen. Die Lamellen sind am Umfang des Kommutators gegeneinander isoliert und werden bei Drehung des aus den Ankerwicklungen, Motorwelle und Kommutator gebildeten Rotors entsprechend aufeinander folgend über die Kohlebürsten bestromt. Hierbei gelangt jede Kohlebürste von einer Lamelle aus nachfolgend auf den isolierten Zwischenbereich bzw. die Nut zwischen zwei Lamellen, wobei sie die beiden benachbarten Lamellen gleichzeitig kontaktiert und kurzschließt bzw. überbrückt, was zu einer Änderung im Stromsignal führt. Der Übergang der Kohlebürsten zwischen benachbarten Lamellen führt zur Ausbildung von Stromrippeln. Es ist bekannt die Kohlebürsten in Kohleköcher aufzunehmen bzw. zu führen. Die Kohleköcher sind auf einer Trägerplatte eines Bürstenhalters angeordnet und radial ausgerichtet. Von den in den Köchern gehaltenen Kohlebürsten ist jeweils eine Anschlußlitze zu einem der an der Trägerplatte gehaltenen elektrischen Bauteile geführt. Im tatsächlichen Betrieb wird die Kohlebürste mittels einer Andrückfeder gegen die Kommutatorlamellen des Gleichstrommotors gedrückt.
Bei Inbetriebnahme eines neuen DC Motors wird eine bestimmte Einlaufzeit für die Kohlebürste benötigt. Während dieser Einlaufzeit erfolgt durch entsprechendes Einschleifen idealerweise eine exakte Anpassung der Auflagefläche der Kohlebürste an die Kollektorumfangsfläche. Dabei ist es wünschenswert, dass die Kohle gute Laufeigenschaften aufweist und dass Positionsveränderungen in Umfangsrichtung der Kohle zur Trägerplatte unterbunden werden, um Falschkommutierungen und damit einhergehende Geräusche zu vermeiden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kohlebürste für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor anzugeben, die einen stabilen Lauf ermöglicht, gute Einlaufeigenschaften aufweist und eine stabile Position auf der Trägerplatte eines Bürstenhalters einnimmt.
Diese Aufgabe wird von einer Kohlebürste für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
Demnach ist ein Kohlebürste für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor aufweisend zwei parallel zueinander angeordnete Längsseiten und zwei ebenfalls parallel zueinander angeordnete Querseiten, die im Wesentlichen senkrecht zu den Längsseiten stehen, wobei die vier Seiten von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten begrenzt sind, vorgesehen, wobei die Kohlebürste eine einzige Anlauffläche aufweist, die auf einer Stirnseite angeordnet ist und die eine Breite, die zwischen 40% und 90% der Gesamtbreite der Kohlebürste liegt, und eine Höhe, die maximal 0,5 mm ist, aufweist, wobei sich die Anlauffläche parallel zur Querseite und senkrecht zur Längsseite erstreckt. Eine solche schmale Anlauffläche verhindert negative Kippeinflüsse im Neuzustand, die eine Laufspur außerhalb der Bürstenkohlenmitte erzeugen könnten.
Vorzugsweise weisen die Längsseiten wenigstens einen Absatz auf, durch den die Längsseiten zur Stirnseite hin aufeinander zulaufen, wodurch sich zwei aufeinander zulaufende Seitenflächen ergeben, die einen Winkel von mindestens 60°, bevorzugt etwa 90° einschließen. Es ist vorteilhaft, wenn die aufeinander zulaufenden Seitenflächen dreieckig oder abgerundet ausgeformt sind und eine Kante an der Stirnseite ausbilden, die die einzige Anlauffläche bildet.
Vorzugsweise ist die Anlauffläche durch zwei Flächen gebildet, die einen stumpfen Winkel einschließen, der insbesondere größer als 120° und kleiner als 160° ist und bevorzugt etwa 150° ist. Der stumpfe Winkel sorgt für Stabilität und verhindert, dass die Anlauffläche bei der Montage beschädigt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Anlauffläche linienförmig ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Anlauffläche achssymmetrisch mittig zu den Längsseiten angeordnet.
Es ist für die Laufeigenschaften von Vorteil, wenn die Anlauffläche zwischen den Querseiten etwa auf ¼ der Gesamthöhe angeordnet ist.
Weiterhin ist ein Bürstenhalter aufweisend eine Trägerplatte und auf dieser Trägerplatte radial ausgerichtete Kohleköcher, vorgesehen, wobei in jedem Kohleköcher eine zuvor beschriebene Kohlebürste angeordnet ist.
Zudem ist ein gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor mit asymmetrischer Teilung aufweisend Ankerwicklungen zur Ausbildung von Spulen, einen Kommutator mit in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Lamellen, wenigstens ein Kohlebürstenpaar zur Stromversorgung der Spulen, aufweisend zwei an den Lamellen mittels Anlaufflächen anliegende Kohlebürsten, eine Motorwelle, eine Anzahl n von Permanentmagneten im Stator zur Ausbildung eines Magnetfeldes wobei n gerade, größer gleich 2 und ein Vielfaches von 2 ist, vorgesehen, wobei die Spulen und der Kommutator auf der Motorwelle als drehbarer Rotor angebracht sind, und der Motor dazu ausgelegt ist, ausschließlich zwei Spulenzustände anzunehmen, wobei ein erster Spulenzustand vorliegt, wenn eine der zwei Kohlebürsten des wenigstens einen Bürstenpaares zwei benachbarte Lamellen kurzschließt und die andere Kohlebürsten des wenigstens einen Bürstenpaares an einer einzelnen Lamelle anliegt und ein zweiter Spulenzustand vorliegt, wenn beide Kohlebürsten des wenigstens einen Bürstenpaares jeweils an einer einzelnen Lamelle anliegen, und das Teilungsverhältnis dieser beiden Spulenzustände wenigstens 9:1 ist, und die Kohlebürsten wie zuvor beschrieben ausgebildet sind.
Das Teilungsverhältnis gibt die zeitlichen Anteile der Spulenzustände einer Ankerdrehung an, wobei der erste Wert den Anteil des ersten Spulenzustandes definiert und der zweite Wert den Anteil des zweiten Spulenzustands definiert, d. h. bei einem Teilungsverhältnis von 9:1 befindet sich der Motor bei 90% der Ankerdrehung im mittleren Zustand und bei 10% der Ankerdrehung im schwachen Zustand. Der Motor kann beispielsweise ein Vierpolmotor aufweisend zwei verbundene Zwei-Polmotoren sein. Dieser kann vier Bürsten umfassen, die symmetrisch alle 90° angeordnet sind. Bei mehreren Bürstenpaaren sind diese bevorzugt achssymmetrisch gespiegelt, d. h. bei vier Bürsten sind gegenüberliegende Bürsten mit derselben Polung ausgestattet und weisen dieselbe Lamellenüberdeckung auf. Es können aber auch nur zwei Bürsten zum Einsatz kommen, wenn die Ankerspulen jeweils mit der gegenüberliegenden Ankerspule kurzgeschlossen sind. Für einen Sechs-Polmotor kann man drei Bürstenpaare verwenden usw.
Die beiden Spulenzustände, die eingenommen werden können, weisen ein reduziertes Ripple auf, so dass der Motor im Betrieb deutlich geräuschärmer ist. Vorzugsweise ist das Teilungsverhältnis wenigstens 8:2. Allgemein gilt je mehr zweite Spulenzustände im Verhältnis zu den ersten Spulenzuständen vorliegen, desto weniger Geräusche werden produziert.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Lamellenanzahl der Lamellen des Kommutators ungleich einem Vielfachen von vier ist. Vorzugsweise ist das Magnetfeld vierpolig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein einziges Bürstenpaar mit zwei Bürsten vorgesehen, die unter einem Lagewinkel von 90° zueinander auf dem Kommutator angeordnet sind. Dabei ist es bevorzugt, dass der erste Spulenzustand vorliegt, wenn eine der beiden Bürsten zwei benachbarte Lamellen kurzschließt und die zweite Bürste an einer einzelnen Lamelle anliegt und der zweite Spulenzustand vorliegt, wenn beide Bürsten jeweils an einer einzelnen Lamelle anliegen. Ein Spulenzustand bei dem insgesamt vier Lamellen kurzgeschlossen werden, wird zu keinem Zeitpunkt eingenommen.
Das Teilungsverhältnis (T) ergibt sich bevorzugt durch $T = \frac{T_{3}}{1 - T_{3}},$
wobei T₃ das 3 Überdeckungsverhältnis für den zweiten Spulenzustand ist und durch $T_{3} = \frac{360 ° - 20 * (a - b)}{360 °}$
gegeben ist, wobei $a = \frac{β}{2} + γ - \frac{δ}{2}, b = \frac{δ}{2} - \frac{γ}{2}$
ist, und b<a ist, 360° 2 2 2 2 wobei β der Lamellenwinkel, γ der Schlitzwinkel und δ der Bürstenwinkel ist.
Der Motor ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er eine Breite der Lamelle in einem Bereich zwischen 2,5mm und 10mm, eine Schlitzbreite zwischen zwei Lamellen in einem Bereich zwischen 0,2mm und 0,8mm und/oder eine Breite der Bürste in einem Bereich zwischen 1,5mm und 4mm aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Motor ein Innenläufermotor, dessen aus den Spulen, dem Kommutator und der Motorwelle gebildete Rotor innerhalb der Magnetpole angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Lamellenanzahl zehn und Bürstenpaaranzahl eins.
Weiterhin ist ein Verstellsystem für ein Schiebedach eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei das Verstellsystem einen zuvor beschriebenen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit asymmetrischer Teilung aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines gleichstromerregten bürstenbehafteten Motors mit asymmetrischer Teilung,
2: eine zweite schematische Darstellung eines gleichstromerregten bürstenbehafteten Motors,
2a: eine schematische Darstellung der Geometrie des Motors zur Beschreibung eines Kommutierungsverhältnisses,
3: eine räumliche Ansicht einer Kohlebürste,
4: eine Draufsicht auf die Kohlebürste der 3,
5: einen Längsschnitt durch die Kohlebürste der 4 entlang der Linie A-A,
6: eine Draufsicht auf einen Kohleköcher mit der Kohlebürste der 3,
7: eine räumliche Ansicht einer Anschlusslitze der Kohlebürste der 3, sowie
8: eine Draufsicht auf einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit Kohlebürsten der 3.

In 1 ist ein Elektromotor 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3 dargestellt, wobei der Rotor 3 eine Motorwelle 4, Ankerwicklungen zur Ausbildung von Spulen 5 und einen Kommutator 6 aufweist und um eine Rotationsachse 100 rotiert. Der Stator 2 umfasst zwei Polpaare und einen nicht dargestellten Poltopf, die vier permanent erregte Statorpole 7 bilden. Es liegt ein Innenläufermotor vor. An dem Kommutator 6 des vierpoligen Motors 1 sind zehn Lamellen 8 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. An den Lamellen 8 liegen unter einem Lagewinkel α von 90° zur Rotationsachse angeordnet zwei Kohlebürsten 9 an. An die beiden Kohlebürsten 9 wird von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung eine Gleichspannung, z. B. als PWM-Signal angelegt, so dass sich ein Strom I einstellt. Das Lamelle-Bürsten-System dient somit in bekannter Weise als mechanische Kommutierung des Kommutatormotors 1. Die Lamellen 8 sind gleichmäßig über den Umfang des Kommutators 6 verteilt angeordnet, wobei die Kohlebürsten 9 bei der Drehbewegung des Rotors auf ihnen gleiten. Somit gelangt jede Kohlebürste 9 periodisch auf eine Nut 8a bzw. isolierten Zwischenraum zwischen zwei Lamellen 8. Die Kohlebürsten 9 sind mit einer Anlagefläche 10 ausgebildet, die größer als eine Nut 8a ist, so dass die Kohlebürsten 9 benachbarte Lamellen 8 kurzzeitig kurzschließen können. Der Übergang der Kohlebürsten 9 zwischen benachbarten Lamellen 8 führt zur Ausbildung von Stromrippeln aufweisend eine Nutfrequenz. Der Motor 1 weist eine asymmetrische Teilung auf. In dem in 1 gezeigten Kommutierungszustand überdeckt die erste Kohlebürste 9 eine einzige Lamelle 8 während gleichzeitig die zweite Kohlebürste 9 zwei Lamellen 8 kurzschließt. Dies stellt einen sogenannten mittleren Spulenzustand dar; zwei Spulen 5 sind kurzgeschlossen und die restlichen Spulen 5 sind gleichmäßig bestromt, wobei das Stromniveau für jede dieser Spulen 5 1 ist.
Solche gleichstromerregten bürstenbehafteten Motoren mit asymmetrischer Teilung haben unabhängig von der Anzahl der Nuten insgesamt drei unterschiedliche Spulenzustände: schwach, mittel und stark. Dies lässt sich anhand des Gesamtwiderstandes am Anker sowie des daraus resultierenden Stromrippels erkennen. Entsprechend des aktuellen Zustandes, in dem sich der Motor befindet, werden die vorhandenen Spulen 5 unterschiedlich stark bestromt. Dies sorgt für unterschiedlich starke Magnetkräfte, wodurch wiederum unterschiedlich starke Abstoßungen zwischen Anker und Permanentmagnet/Stator entstehen. Diese Abstoßungen erzeugen Vibrationsgeräusche, die die Nutfrequenz, sowie deren Vielfache beeinflussen.
In dem starken Spulenzustand werden vier Lamellen 8 kommutiert und entsprechend vier Spulen 5 kurzgeschlossen. Vier weitere Spulen 5 werden gleichmäßig mit einem Stromniveau von 1 bestromt und die übrigen zwei Spulen 5 werden stärker bestromt mit einem Stromniveau von 2. Die stärker bestromten Spulen 5 erzeugen einen hohen Stromrippel.
Der schwache Spulenzustand tritt als Übergangszustand bei einer Rotation auf, wenn die Kohlebürste eine schmale Anlauffläche gegenüber der Lamellenbreite besitzt. In diesem Zustand werden nur zwei Lamellen 8 kommutiert und somit vier Spulen 5 gleichmäßig bestromt mit einem Stromniveau von 1. Sechs weitere Spulen 5 werden schwächer bestromt mit jeweils einem Stromniveau von 2/3.
Allgemein gilt, dass die schwächer bestromten Spulen 5 einen niedrigeren Stromrippel erzeugen. Da der Stromrippel des starken Spulenzustandes doppelt so hoch ist wie der des mittleren Spulenzustands, ist dieser zu vermeiden, um eine Geräuschreduzierung zu erzielen. Der Stromrippel des schwachen Zustandes ist 1/3 schwächer als der des mittleren Zustands.
Ein bürstenbehafteter DC Motor muss während der Rotation mindestens zwei Spulenzustände durchlaufen, wobei der Standardzustand Mittel immer generiert wird. Die Spulenzustände schwach und stark können durch geometrische Anpassung der Lamellenbreite, der Schlitzbreite und der Kohlebürstenbreite gewählt werden. Für eine Optimierung der Nutfrequenz im Hinblick auf eine Reduzierung von Geräuschen muss sich der Motor möglichst lange im Spulenzustand schwach befinden und darf niemals den starken Spulenzustand einnehmen.
Unabhängig vom aktuellen Spulenzustand, bleibt die Gesamtenergie im Anker gleich. Daher kann ein DC Motor ein gewünschtes Moment erzeugen und trotzdem das Vibrationsgeräusch der Nutfrequenz reduziert werden.
In den 2 und 2a sind schematische Darstellungen eines gleichstromerregten bürstenbehafteten Motors zur Definition eines Teilungsverhältnisses der Spulenzustände bzw. der Kommutation gezeigt, auch Kommutierungsverhältnis genannt. Der Kommutator 6 weist einen Durchmesser im Bereich der Laufflächen (Kommutatoraußendurchmesser) D_a auf. Der Motor 1 weist eine Lamellenbreite x in Umfangsrichtung zur Rotationsachse des Rotors an der Lauffläche auf, die einem Lamellenwinkel β $(β = \frac{b}{π} * \frac{360 °}{D_{a}})$
entspricht. Zwischen jeweils zwei Lamellen ist eine Schlitzbreite y vorgesehen, die einem Schlitzwinkel $γ (γ = \frac{360 °}{π} * {sin}^{- 1} \frac{y}{D_{a}})$
entspricht. Die Kohlebürsten weisen eine Breite z in Umfangsrichtung zur Rotationsachse des Rotors an der Lauffläche auf, die einem Bürstenwinkel $δ (γ = \frac{360 °}{π} * {sin}^{- 1} \frac{Z}{D_{a}})$
entspricht. Zwei Kohlebürsten schließen einen Lagewinkel α entlang des Umfangs zur Rotationsachse ein.
Die Komponenten des Motors werden nun erfindungsgemäß so dimensioniert, dass der starke Spulenzustand nie erreicht wird.
Das Teilungsverhältnis T der Spulenzustände mittel zu schwach ergibt sich bei asymmetrischer Kommutierung und zwei Bürsten mit α= 90° aus folgenden Zusammenhängen:
$T = \frac{T_{3}}{1 - T_{3}},$
, wobei T₃ das Überdeckungsverhältnis für die Überdeckung mit drei Lamellen ist und durch $T_{3} = \frac{360 ° - 20 * (a - b)}{360 °}$
gegeben ist, wobei $a = \frac{β}{2} + γ - \frac{δ}{2}, b = \frac{δ}{2} - \frac{γ}{2}$
ist. Dabei gilt b<a, so dass ausschließlich zwei oder drei Lamellen 2 2 von den Kohlebürsten überdeckt sind. Eine Überdeckung von vier Lamellen ist dabei ausgeschlossen.
Bevorzugt ist das Teilungsverhältnis T der Spulenzustände mittel zu schwach mindestens 9:1 ist, d. h. 90% der Ankerdrehung befindet sich der Motor im mittleren Zustand, 10% der Ankerdrehung befindet er sich im schwachen Zustand. Das Teilungsverhältnis 9:1 bezieht sich somit indirekt auf die Zeit, in der ein Zustand zum anderen in Nutzung ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn mehrere Spulenzustände schwach sind und der Anteil der schwachen Spulenzustände wächst.
Der Motor ist bevorzugt so dimensioniert, dass x in einem Bereich zwischen 2,5mm und 10mm, y in einem Bereich zwischen 0,2mm und 0,8mm und z in einem Bereich zwischen 1,5mm und 4mm liegt.
Durch die zuvor beschriebene Anpassung der Kommutatorüberdeckung kann eine Geräuschreduzierung der Nutfrequenz erreicht werden, während eine gleichbleibende Stabilität des Bürstensystems erzielt werden kann.
Die 3 bis 5 zeigen eine Kohlebürste 9, die für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motoren mit asymmetrischer Teilung und dem zuvor definierten Teilungsverhältnis geeignet ist und besonders gute Einlauf- und Laufeigenschaften aufweist.
Die Kohlebürste 9 hat zwei parallel zueinander angeordnete Längsseiten 11, die sich im eingebauten Zustand im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse 100 erstrecken und zwei ebenfalls parallel zueinander angeordnete Querseiten 12, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten Längsseiten 11 stehen und sich ebenfalls senkrecht zur Rotationsachse 100 erstrecken. Die vier Seiten 11,12 sind von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten 13 abgedeckt und beschränken eine rechteckige Längsschnittfläche.
Die Längsseiten 11 weisen zwei Absätze 14,15 auf, durch die die Längsseiten 11 zur Stirnseite 13 hin aufeinander zulaufen. Der erste Absatz 14 bildet ein Paar parallel zueinander verlaufender Seitenflächen 16 aus, deren Abstand kleiner ist als der Abstand der Längsseiten 11 vor dem ersten Absatz 14. Der zweite Absatz 15 erstreckt sich bis zur Stirnseite 13. Die Längsseiten 11 laufen im Bereich des zweiten Absatzes 15 kontinuierlich aufeinander zu, so dass sich zwei aufeinander zulaufende Seitenflächen 17 ergeben, die einen Winkel □ von mindestens 60°, bevorzugt etwa 90° einschließen. Die beiden Absätze 14,15 sind vorgesehen, um ein gewünschtes Breitenmaß einer Anlauffläche zu erhalten. Der erste Absatz 14 ist dabei optional. Er kann zum Einsatz der Kohlebürste in bereits vorhandene Kohleköcher, die zu breit sind, vorgesehen sein oder wenn es aus fertigungstechnischen Gründen nicht möglich ist, die Kohle am Litzenbereich auf die benötigte Breite zu reduzieren.
Beim Einlaufen der Kohlebürste wird die Breite z angefast bzw. abgerundet, um die Kanten des zweiten Absatzes 15 zu brechen.
Die aufeinander zulaufenden Seitenflächen 17 im Bereich des zweiten Absatzes sind dreieckig ausgeformt. Sie bilden an der Stirnseite 13 eine Kante 18 mit einer Breite z und einer Höhe h aus. Die Kante 18 stellt die Anlauffläche 19 der Kohlenbürste dar. Die Anlauffläche 19 erstreckt sich über eine Breite z, die zwischen 40% und 90% der Gesamtbreite der Kohlebürste z_G entspricht, wobei die Gesamtbreite die Länge der Querseiten ist. Die Anlauffläche ist dabei mittig zwischen den Längsseiten 11 angeordnet. Beim Einlaufen der Kohlebürste wird die Breite z angefast bzw. abgerundet, um die Kanten des zweiten Absatzes 15 zu brechen. Die Breite der Anlauffläche z ist beispielsweise größer als 2mm.
Wie im Schnitt der 5 dargestellt, ist die Anlauffläche 19 durch die Kante 18 gebildet. Die Kante 18 ist bevorzugt linienförmig. Sie kann aber auch abgeflacht bzw. abgerundet mit einer maximalen Höhe h von 0,5 mm sein. Die Gesamthöhe der Kohlebürste h_G entspricht der Länge der Längsseiten. Die Kante 18 wird durch zwei Flächen 20,21 gebildet, die einen stumpfen Winkel λ einschließen. Der Winkel λ ist bevorzugt größer als 120° und kleiner als 160°, insbesondere etwa 150°. Die Anlauffläche 19 ist zwischen den Querseiten 12 etwa auf ¼ der Gesamthöhe h_G angeordnet. Sie erstreckt sich parallel zu den Querseiten 12 und senkrecht zur Rotationsachse 100. Es ist nur diese einzige Anlauffläche 19 vorgesehen.
In den 6 bis 8 ist die Anordnung einer Kohlebürste 9 in einem Kohleköcher 22 dargestellt. Der Kohleköcher 22 ist auf einer Trägerplatte 23 eines Bürstenhalters 24 angeordnet und radial ausgerichtet. Der Bürstenhalter 24 umgibt den um die Rotationsachse drehbaren Rotor. Von den in den Köchern 22 gehaltenen Kohlebürsten 9 ist jeweils eine Anschlußlitze 25 zu einem der an der Trägerplatte 23 gehaltenen elektrischen Bauteile geführt. Die Kohlebürste 9 ist in dem Kohleköcher 22 mit gewissen Toleranzbedingungen angeordnet, wodurch Spiel entsteht. Dieses Spiel wird durch die Anlauffläche kompensiert. Diese erlaubt durch ihre geringe Höhe und ihre mittige Anordnung ein schnelles mittiges Einlaufen der Kohlebürste, so dass diese möglichst in der Achsmitte der 90°-Position auf der Trägerplatte anläuft. Eine Torsionsfeder 26 greift in eine Ausnehmung auf der rückseitigen Längsseite 11 ein und sorgt für eine Vorspannung. Die Torsionsfeder 26 stützt sich an dem Bürstenhalter 24 ab. Die zweiten Kanten 15 verhindern negative Kippeinflüsse im Neuzustand der Kohlebürste, die eine Laufspur außerhalb der Kohlemitte erzeugen können. Dies ist ausschlaggebend, da ein Versatz der Laufspur für Asymmetrien in den Laufrichtungen, sowie für ein fehlerhaftes Kommutierungsverhältnis sorgen kann.
Bei dem Einschleifvorgang weist die Kohlebürste an ihrer auf den Kommutatorlamellen aufliegenden, sich in tangentialer Richtung erstreckenden Fläche die einzige Anlauffläche auf, die in tangentialer Richtung zur Umfangsrichtung verläuft. Die Kohlebürste liegt somit nur mit der Kante auf der Kommutatorlamellenumfangsfläche auf. Durch die geringe Höhe und Breite der Anlauffläche ergibt sich eine kleine Auflagefläche der Kohlebürste, was einerseits zu einem höheren Auflagedruck der Kohlebürste an den Kommutatorlamellen und andererseits zu einer höheren Stromdichte an den Übergangsstellen zwischen der Kohlebürste und den Kommutatorlamellen führt. Beim Einlaufen wird durch mechanischen Verschleiß, die Kante abgetragen, indem sich der Außendurchmesser des Kommutators in die Kohle einschleift. Die gerade Anlauffläche 19 liegt im Einlaufprozess zuerst mittig punktuell auf und wird dann nach und nach zu einem Radius entsprechend der Kommutatorlamellenumfangsfläche geformt, der immer tiefer in die Kohlenbürste eindringt. Die Anlaufkante wird konkav und dadurch sowohl in Höhe als auch in der Breite erweitert. Dadurch entsteht eine zusätzliche Kohleführung an der Kommutatorlamellenumfangsfläche. Der Winkel zwischen den aufeinander zulaufenden Seitenflächen ist dabei so flach gewählt, dass ein Abbrechen der Kante, an ihren Enden verhindert werden kann.
Der zweite Kantenbruch (15) verhindert, dass ein Kippen der Kohlenbürste (bedingt durch Köcherspiel, das im Neuzustand am stärksten ist) dafür sorgt, dass die scharfen Außenkanten der Anlauffläche (19) mit dem Kommutator interagieren. Es kann somit das Eintauchen der Kanten in die Kommutatornuten, was zu starkem Funkenschlag führen würde und sehr schlechte Auswirkung auf EMV (sowie negative Geräusch-Einflüsse für Nutfrequenzen) haben würde, verhindert werden. Zudem wird die Übertragung von Mikrovibrationen auf die Kommutatorlamellen verhindert, (an der Außenkante der Anlauffläche wäre dies am stärksten bemerkbar) was zu ungewünschten Geräuschen im hochfrequenten Bereich führen würde.

Claims

Kohlebürste (9) für einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor (1) aufweisend zwei parallel zueinander angeordnete Längsseiten (11) und zwei ebenfalls parallel zueinander angeordnete Querseiten (12), die im Wesentlichen senkrecht zu den Längsseiten (11) stehen, wobei die vier Seiten (11,12) von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (13) begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste (9) eine einzige Anlauffläche (19) aufweist, die auf einer Stirnseite (13) angeordnet ist und die eine Breite (z), die zwischen 40% und 90% der Gesamtbreite der Kohlebürste (z_G) liegt, und eine Höhe (h), die maximal 0,5 mm ist, aufweist, wobei sich die Anlauffläche (19) parallel zur Querseite und senkrecht zur Längsseite erstreckt.
Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseiten (11) wenigstens einen Absatz (15) aufweisen, durch den die Längsseiten (11) zur Stirnseite (13) hin aufeinander zulaufen, wodurch sich zwei aufeinander zulaufende Seitenflächen (17) ergeben, die einen Winkel (φ) von mindestens 60°, bevorzugt etwa 90° einschließen.
Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander zulaufenden Seitenflächen (17) dreieckig oder abgerundet ausgeformt sind und eine Kante (18) an der Stirnseite (13) ausbilden, die die einzige Anlauffläche (19) bildet.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlauffläche (19) durch zwei Flächen (20,21) gebildet ist, die einen stumpfen Winkel (λ) einschließen.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (λ) größer als 120° und kleiner als 160° ist.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (λ) etwa 150° ist.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlauffläche (19) linienförmig ist.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlauffläche (19) achssymmetrisch mittig zu den Längsseiten (11) angeordnet ist.
Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlauffläche (19) zwischen den Querseiten (12) etwa auf ¼ der Gesamthöhe (h_G) angeordnet ist.
Bürstenhalter (24) aufweisend eine Trägerplatte (23) und auf dieser Trägerplatte (23) radial ausgerichtete Kohleköcher (22), wobei in jedem Kohleköcher (22) eine Kohlebürste (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor (1) mit asymmetrischer Teilung aufweisend Ankerwicklungen zur Ausbildung von Spulen (5), einen Kommutator (6) mit in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Lamellen (8), wenigstens ein Bürstenpaar zur Stromversorgung der Spulen (5), aufweisend zwei an den Lamellen (8) mittels Anlaufflächen (19) anliegende Kohlebürsten (9), eine Motorwelle (4), eine Anzahl n von Permanentmagneten im Stator zur Ausbildung eines Magnetfeldes wobei n gerade, größer gleich 2 und ein Vielfaches von 2 ist, wobei die Spulen (5) und der Kommutator (6) auf der Motorwelle (4) als drehbarer Rotor angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor dazu ausgelegt ist, ausschließlich zwei Spulenzustände anzunehmen, wobei ein erster Spulenzustand vorliegt, wenn eine der zwei Kohlebürsten (9) des wenigstens einen Bürstenpaares zwei benachbarte Lamellen (8) kurzschließt und die andere Kohlebürsten (9) des wenigstens einen Bürstenpaares an einer einzelnen Lamelle (8) anliegt und ein zweiter Spulenzustand vorliegt, wenn beide Kohlebürsten (9) des wenigstens einen Bürstenpaares an einer einzelnen Lamelle (8) anliegt, wobei das Teilungsverhältnis (T) dieser beiden Spulenzustände wenigstens 9:1 ist, und wobei die Kohlebürsten (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilungsverhältnis (T) wenigstens 8:2 ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lamellenanzahl der Lamellen (8) des Kommutators (6) ungleich einem Vielfachen von vier ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein einziges Bürstenpaar mit zwei Kohlebürsten (9) aufweist, die unter einem Lagewinkel (α) von 90° zueinander auf dem Kommutator (6) angeordnet sind.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld vierpolig ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spulenzustand vorliegt, wenn eine der beiden Kohlebürsten (9) zwei benachbarte Lamellen (8) kurzschließt und die zweite Kohlebürsten (9) an einer einzelnen Lamelle (8) anliegt und der zweite Spulenzustand vorliegt, wenn beide Kohlebürsten (9) jeweils an einer einzelnen Lamelle (8) anliegen.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilungsverhältnis (T) durch $T = \frac{T_{3}}{1 - T_{3}}$
gegeben ist, wobei T₃ das Überdeckungsverhältnis für den zweiten Spulenzustand ist und durch $T_{3} = \frac{360 ° - 20 * (a - b)}{360 °}$
gegeben ist, wobei $a = \frac{β}{2} + γ - \frac{δ}{2}, b = \frac{δ}{2} - \frac{γ}{2}$
ist, und b<a ist, wobei β der Lamellenwinkel, γ der Schlitzwinkel und δ der Bürstenwinkel ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Lamelle (8) (x) in einem Bereich zwischen 2,5mm und 10mm, eine Schlitzbreite zwischen zwei Lamellen (y) in einem Bereich zwischen 0,2mm und 0,8mm und/oder eine Breite der Bürste (z) in einem Bereich zwischen 1,5mm und 4mm liegen.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Innenläufermotor ist, dessen aus den Spulen (5), dem Kommutator (6) und der Motorwelle (4) gebildete Rotor innerhalb der Magnetpole (7) angeordnet ist.
Gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenanzahl zehn ist.
Verstellsystem für ein Schiebedach eines Kraftfahrzeuges, wobei das Verstellsystem einen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit asymmetrischer Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 20 aufweist.