DE102019209369A1

DE102019209369A1 - Bürstenhalter für eine elektrische Maschine, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen

Info

Publication number: DE102019209369A1
Application number: DE102019209369.8A
Authority: DE
Inventors: Lajos Bodo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-12-31

Abstract

Bürstenhalter (19) zum elektrischen Kontaktieren eines Kommutators (55) einer elektrische Maschine (10), sowie eine elektrische Maschine (10) und ein Verfahren zum Herstellen eines Bürstenhalters (19), mit einem Federarm (50), an dessen ersten Ende (51) eine elektrische Bürste (26) befestigt ist, wobei die Bürste (26) eine Kontaktfläche (29) für den Kontakt mit dem Kommutator (55) in Anpressrichtung (21) aufweist, wobei die Bürste (26) quer zur Anpressrichtung (21) und in Axialrichtung (24) des Kommutators (55) zwei gegenüberliegende Ausschnitte (36) aufweist, und am ersten Ende (51) des Federarms (50) zwei einander gegenüberliegende C-förmige Klemmbereiche (56) ausgebildet sind, die jeweils mit ihren konvexen Flächen (58) federnd gegeneinanderklemmend in die Ausschnitte (36) eingreifen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bürstenhalter, eine elektrische Maschine aufweisend einen solchen Bürstenhalter und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bürstenhalters.
Aus dem Stand der Technik sind Elektromotor-Antriebe bekannt, die beispielsweise zum Antrieb von Sitzverstellern, Fensterhebern und/oder Scheibenwischern in Kraftfahrzeugen dienen können. Diese Elektromotor-Antriebe haben einen in einem Motorgehäuse angeordneten Elektromotor, der in Wirkverbindung mit einem in einem Getriebegehäuse angeordneten Getriebe steht, wobei das Motorgehäuse und das Getriebegehäuse aneinander befestigt sind, z. B. miteinander verschraubt oder vernietet sind.
Die US2002135261A zeigt eine sogenannte Hammerbürste, bei der die Kohlebürste in einen Durchbruch eines Federhebels eingepresst ist. Dabei liegt die Kohle an einem relativ schmalen Rand des Durchbruchs senkrecht zur Anpressrichtung an, wodurch die Positionsgenauigkeit der Kohle am Federhebel relativ gering ist, beziehungsweise leicht beeinträchtigt werden kann. Außerdem ist durch die geringe Berührungsfläche zwischen Kohle und Federhebel der Stromfluss des Kommutierungsstroms nicht immer zuverlässig gewährleistet.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Bürstenhalter und die elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung von C-förmigen konkaven Klemmbereichen am Federhebel, die großflächig mit gewölbten Bereichen in entsprechende Ausschnitte in der Kohlebürste eingreifen, die Bürste eine genau definierte Anlage am Kommutator ausbildet. Dabei wird ein Verkippen, Wackeln oder Vibrieren der Bürste im Federhebel wirksam unterbunden. Dadurch kann die Kommutierungsgenauigkeit der elektrischen Maschine gesteigert werden, und die Geräuschbildung reduziert werden. Durch diese verbesserte Positionierung der Bürste wird ein reproduzierbares Motorstromsignal erzeugt, das beispielsweise auch für die Auswertung der Drehlage des Rotors der elektrischen Maschine genutzt werden kann. Dadurch kann beispielsweise auf ein zusätzliches Sensorsystem insbesondere auf einen Sensormagnet mit einem entsprechenden Magnetsensor verzichtet werden. Dies spart Bauraum und Herstellungskosten. Außerdem kann durch den großflächigeren Kontakt zwischen den Ausschnitten der Bürste und den konkav geformten Klemmbereichen des Federarms eine bessere Wärmeübertragung weg vom Kommutator zum Motorgehäuse hin realisiert werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Besonders günstig ist es, wenn die C-förmigen Klemmbereiche zylinderförmig ausgebildet sind, wobei der Mantel eines solchen Zylinders den konvexen Klemmbereich bildet, der in den entsprechenden Ausschnitt der Kohlebürste eingreift. Dabei wird der hohlzylindrische Teil des Klemmbereichs durch Ausstanzen und anschließendes Umbiegen des Federarms gebildet. Dabei wird das Blech des Klemmbereichs bezüglich der Axialrichtung von außen auf die Ausschnitte der Kohlebürste zu gebogen und kreisförmig ausgebildet. Dabei weisen die teilweise hohlzylindrisch ausgebildeten Bereiche vorzugsweise über einen Umfangsbereich von mindestens 180 Grad einen nahezu konstanten Radius auf.
An einem freien Ende des Federhebels bildet dieser eine eben ausgebildete Anlagefläche, in der eine zentrale Öffnung ausgebildet ist, durch die hindurch das dem Kommutator abgewandte Ende der Kohlebürste hindurch gesteckt wird. Das dem Kommutator abgewandte Ende der Kohlebürste weist einen geringeren Querschnitt auf, als die Kontaktfläche der Kohlebürste zum Kommutator hin. Dadurch ist an der Kohlebürste ein Hinterschnitt ausgebildet, an dem die Anlagefläche, die die Umrandung der Durchgangsöffnung bildet, in Anpressrichtung an der Kohlebürste als Anschlag anliegt. Dabei sind die Ausschnitte, in den die Klemmbereiche eingreifen an dem dem Kommutator abgewandten hinteren Fortsatz der Kohlebürste mit dem geringeren Querschnitt ausgebildet.
Zur Ausbildung der Klemmbereiche sind an den beiden gegenüberliegenden axialen Rändern der Anlagefläche Blechlaschen derart umgebogen, dass sie die (teil-)hohlzylindrischen Klemmbereiche bilden. Dazu werden die mit der Anlagefläche ausgestanzten Blechlaschen axial von außen ringförmig zu den Ausschnitten der Kohlebürsten hingebogen. Dadurch steht mittels des Teilumfangs des Hohlzylinders ein relativ langer Federweg der Klemmbereiche zur Verfügung, mittels dem der Klemmbereich an seinen Berührungspunkten relativ gleichmäßig auf die Kohlebürste presst.
Besonders vorteilhaft würden sich die Klemmbereiche des Federarms in einem unbelasteten Zustand - vor der Montage der Kohlebürste - mit einem Querschnitt der Kohlebürste überschneiden. Würde man einen Schnitt durch die Kohlebürste entlang der Axialrichtung und entlang der Radialrichtung (=Anpressrichtung) legen, würden sich die ringförmigen Klemmbereiche im Bereich der Ausschnitte mit der Kohlebürste in Axialrichtung überlappen. Dabei sind die hohlzylindrischen Klemmbereiche ausgehend von der Anlagefläche von deren axial äußeren Enden als Blechlaschen zuerst näherungsweise rechtwinklig von der Kontaktfläche der Bürste weggebogen, und verlaufen zunächst näherungsweise parallel zu den axialen Seitenflächen der Kohlebürste. Die Blechlaschen sind dann im Bereich der Ausschnitte auf den freien Fortsatz der Kohlebürste hinzugebogen. Die Blechlasche bildet dann den hohlzylindrischen Klemmbereich, der in den Ausschnitt eingreift, bzw. in dem unbelasteten Zustand mit der Kohlebürste überlappen würde. Die Blechlasche ist dann vom hinteren freien Ende der Kohlebrüste kreisförmig auf die Kontaktfläche zugebogen. Dabei ist das freie Ende der Blechlasche bevorzugt benachbart zur Anlagefläche des Federarms angeordnet. Dabei bilden die freien Enden des Klemmbereichs, die der Anlagefläche zugewandt sind, eine federnde Einführhilfe für das Einfügen des Fortsatzes in die Durchgangsöffnung der Anlagefläche.
Um eine eindeutig definierte Anlage der Klemmbereiche an der Kohlebürste zu gewährleisten, liegt der hohlzylinderförmige Klemmbereich bezüglich dem Schnitt durch die Kohle entlang der Axial- und der Radialrichtung an zwei Auflagepunkten an dem jeweiligen Ausschnitt an. Dabei liegt bevorzugt ein erster Anlagepunkt an einem axialen Grund des Ausschnitts, wobei ein zweiter Anlagepunkt an einer seitlichen Wand des Ausschnitts liegt, die der Anlagefläche abgewandt ist. In einer bevorzugten Ausführung ist der Ausschnitt durch ebene, zueinander abgewinkelten Flächen ausgebildet, so dass der erste Anlagepunkt des Klemmbereichs an einer ebenen Grundfläche anliegt und der zweite Anlagepunkt an einer zweiten abgewinkelten ebenen Seitenfläche des Ausschnitts anliegt. Im montierten Zustand der Kohlebürste innerhalb der Durchgangsöffnung stützt sich der Federarm an beiden axialen Seiten der Bürste jeweils an drei Anlagepunkten ab. Zusätzlich zum Anlagepunkt am Grund des Ausschnitts und an einer Seitenwand des Ausschnitts die der Anlagefläche abgewandt ist, stützt sich die Anlagefläche des Federarms am axial äußeren Ende direkt an der der Anlagefläche gegenüberliegenden Seite der Bürste ab. Diese Seite ist als Hinterschnitt ausgebildet, durch den sich die axiale Ausdehnung Bürste von der Kontaktfläche zum Fortsatz, bzw. zum Ausschnitt der Bürste hin verringert.
Aufgrund der hohlzylindrischen Ausformung des Klemmbereichs weist der erste Anlagepunkt am Grund des Ausschnitts einen längeren Federweg entlang des Teilumfangs des hohlzylindrischen Klemmbereichs auf, als der zweite Anlagepunkt an der Seitenwand des Ausschnitts, die der Kontaktfläche der Kohlebürste abgewandt ist.
Herstellungsbedingt weist die Kohlebürste näherungsweise einen rechteckigen Querschnitt quer zur Anpressrichtung auf. Dabei ist deren Ausdehnung in Axialrichtung im Bereich der Kontaktfläche größer als in Tangentialrichtung es Kommutators. Der Fortsatz der Kohlebürste, der durch die Durchgangsöffnung der Anlagefläche hindurchragt weist bevorzugt die gleiche Abmessung in Tangentialrichtung auf. Jedoch ist die Erstreckung in Axialrichtung im Bereich des Fortsatzes geringer, als im Bereich der Kontaktfläche. Die Ausschnitte sind dann am Fortsatz in Axialrichtung ausgeschnitten, so dass im Bereich der beiden gegenüberliegenden Ausschnitte die axiale Erstreckung der Kohlebürste auch geringer ist als am freien Ende des Fortsatzes. Bevorzugt reichen die Ausschnitte im Fortsatz bezüglich der Anpressrichtung bis an der Hinterschnitt heran, durch den die Axialerstreckung der Bürste im Bereich der Anpressfläche auf die axiale Erstreckung im Bereich er Ausschnitte reduziert wird. Durch die einstückige Ausbildung der beiden zylinderförmigen Klemmbereiche zusammen mit der Anlagefläche des Federarms kann zumindest das der Kohlebürste zugewandte erste Ende des Federarms fertigungstechnisch sehr günstig mittels eines Stanzbiegeverfahren hergestellt werden. Dabei kann die Anlagefläche in einerfacherweise gegenüber einem Hebelarm des Federarms abgewinkelt werden, um die Position und die Anpresskraft der Bürste auf den Kommutator anzupassen. Zusätzlich kann im Bereich der Abwinkelung zwischen dem Federhebel und der Anlagefläche eine Versteifung des Knickbereichs realisiert werden, durch die die Position und die Anpresskraft der Bürste dauerhaft definiert erhalten bleibt.
An dem der Bürste gegenüberliegenden zweiten Ende des Federarms, ist an diesem ein Befestigungselement ausgebildet, mit dem der gesamte Federarm an einem Bürstenhalter-Bauteil oder direkt an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt werden kann. Das Befestigungselement kann ebenfalls einstückig mit dem Federhebel des Federarms ausgebildet sein. Alternativ ist das Befestigungselement jedoch als separates Bauteil gefertigt, und beispielsweise mittels Nieten oder Verstemmen oder stoffschlüssig mit dem Federhebel verbunden. Dadurch können das Material und die mechanische Steifigkeit des Befestigungselements unterschiedlich zu dem Federblech des Federhebels gewählt werden.
Zur zuverlässigen elektrischen Kontaktierung der Kohlebürste im Federarm sind am Randbereich der Durchgangsöffnung Kontaktlaschen angeformt, die sich unmittelbar an der Oberfläche der Kohlebürste abstützen. Bevorzugt sind zwei gegenüberliegende Kontaktlaschen angeordnet, die sich jeweils in Axialrichtung entlang dem Rand der Durchgangsöffnung erstrecken. Die Kontaktlaschen sind entgegen der Anpressrichtung relativ kurz ausgebildet, so dass sie sich beim Einfügen des Fortsatzes in die Durchgangsöffnung bevorzugt in die Oberfläche der Kohlebürste eingraben. Dadurch wird die Kohlebürste zusätzlich zu den beiden gegenüberliegenden Klemmbereichen mittels der Kontaktlaschen einerseits mechanisch fest fixiert, und gleichzeitig elektrisch sicher kontaktiert.
Werden an den Kontaktlaschen scharfe Kanten ausgebildet, graben sich diese beim Einfügen des Fortsatzes in die Durchgangsöffnung in die Oberfläche der Bürste ein, wodurch der elektrische Kontakt zuverlässig über einen langen Zeitraum bestehen bleibt. In einer Variation werden an den Kontaktlaschen mehrere Spitzen kammartig nebeneinander ausgebildet, so dass diese punktartig in die Bürste eingreifen, um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt herzustellen.
Der Bürstenhalter wird vorteilhaft in eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, eingebaut, um die Stromversorgung für die elektrische Wicklung eines Rotors zu realisieren. Dazu liegt die Kohlebürste in Einpressrichtung am Kommutator des Rotors an. Die Bürstenhalter sind dabei bevorzugt als Hammerbürsten ausgebildet, deren zweite Enden, die den Kohlebürsten abgewandt sind, am Gehäuse der elektrischen Maschine fixiert sind. Dabei können die Bürstenhalter beispielweise in ein separat ausgebildetes Bürstenhalter-Bauteil eingefügt werden, oder direkt in das Motor- oder Getriebegehäuse der elektrischen Maschine. Ausgehend vom Befestigungselement am Gehäuse liegen die Kohlebürsten dann über den Federarm mit der entsprechenden Anpresskraft am Kommutator an. Zur Montage der Bürstenhalter auf den Kommutator kann an der Anlagefläche des Federarms ein zusätzliches Haltelement angeformt werden, mittels dem der Federarm bei der Montage in einer Montageposition verrastet werden kann. Nach dem Entrasten werden durch die federnde Anlage der Bürsten am Kommutator die elektrischen Spulen bestromt und erzeugen in Wechselwirkung mit Magneten des Stators ein Drehmoment zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug.
Zur Herstellung des als Hammerbürste ausgebildeten Bürstenhalters wird sehr kostengünstig der Federarm aus einem Federblech ausgestanzt, und anschließend die daran angeformten Klemmbereiche und Klemmlaschen umgebogen. Dadurch kann der Federarm - mit oder ohne Befestigungselement - als einteiliges Stanz-Biege-Bauteil ausgebildet werden, wobei der Federhebel eine ausreichende Federelastizität aufweist und die Klemmbereiche zusammen mit den Kontaktlaschen die Kohlebürste nach deren Einfügen in die Durchgangsöffnung der Anlagefläche ausreichend fixieren. Durch das form- und reibschlüssige Eingreifen der Klemmbereiche in die Ausschnitte der Kohlebürste kann die Position der Kohlebürste gegenüber dem Kommutator über die gesamte Lebenszeit der elektrischen Maschine zuverlässig in einer definierten Position gehalten werden, ohne dass es zu störenden Vibrationen der Kohlebürste im Federarm kommt. Dabei wird die elektrische Kontaktierung gleichzeitig durch die konvexen Klemmbereiche und die Kontaktlaschen realisiert, wobei sich letztere bevorzugt über scharfe Kanten in der Oberfläche der Bürste eingraben. Durch die entsprechende Vorspannung der Klemmbereiche ist die Kohlebürste aufgrund der elastischen Deformation der Klemmbereiche dauerhaft ausreichend fixiert. Um die Anpresskraft der Klemmbereiche in den Ausschnitten zu erhöhen, könnend die freien Enden der Klemmlaschen in Umfangsrichtung des Hohlzylinders so weit verlängert werden, bis die freien Enden sich tangential an der Blechasche der Klemmbereiche - insbesondere jeweils in Axialrichtung nach außen - abstützen können.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Gesamtansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bürstenhalters,
3 schematisch einen Schnitt gemäß III - III in 2 in unbelastetem Zustand der Klemmelemente,
4 schematisch einen Halb-Schnitt gemäß III - III in 2 in angespannten Zustand der Klemmelemente,
5 einen Schnitt gemäß V - V in 2, und
6 eine weitere Ausführung eines Bürstenhalters ohne montierte Bürste.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine elektrische Maschine 10, wie sie beispielsweise zum Verstellen beweglicher Teile - vorzugsweise Fensterscheiben, Schiebedächer oder Sitzkomponenten - im Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Dabei ist in einem Polgehäuse 12 ein Stator 13 angeordnet, innerhalb dem ein Rotor 15 angeordnet ist, dessen Rotorwelle 20 sich in Axialrichtung 24 vom Polgehäuse 12 in ein axial sich anschließendes Getriebegehäuse 14 erstreckt. Dabei wird das Antriebsmoment von der Rotorwelle 20 auf ein im Getriebegehäuse 14 angeordnetes Getriebe übertragen, das ein Abtriebselement 22 aufweist, das mit einer nicht dargestellten Mechanik zusammenwirkt, die beispielsweise Teile eines Fahrzeugsitzes oder eine Fensterscheibe im Kraftfahrzeug bewegt. In Axialrichtung 24 ist zwischen dem Polgehäuse 12 und dem Getriebegehäuse 14 ein Steckermodul 16 angeordnet, das elektrisch mit Bürsten 26 eines Bürstenträger-Bauteils 17 zur elektrischen Kontaktierung eines auf der Rotorwelle 20 angeordneten Kommutators 55 verbunden ist. Dabei sind die Bürsten 26 als Hammerbürsten 27 ausgebildet, deren Kohlebürsten 26 an ersten Enden 51 jeweils eines Federarms 50 angeordnet sind. Gegenüberliegende zweite Enden 52 der Federarme 50 sind am Bürstenhalter-Bauteil 17 befestigt, sodass die Bürsten 26 federnd gegen den Kommutator 55 gepresst werden. Das Steckermodul 16 weist einen Anschluss-Stecker 18 auf, der in Radialrichtung 23 zur Rotorwelle 20, radial außerhalb des Polgehäuses 12 und vorzugsweise auch radial außerhalb des Getriebegehäuses 14 angeordnet ist. Dabei ist der Anschluss-Stecker 18 bevorzugt mittels eines radialen Steges 30 an das Steckermodul 16 angebunden. Das Bürstenträger-Bauteil 17 ist beispielsweise separat vom Steckermodul 16 hergestellt und ist radial innerhalb des Polgehäuses 12 angeordnet. Das Steckermodul 16 weist eine Basisplatte 32 auf, die eine zentrale Aussparung 34 aufweist, durch die hindurch in Axialrichtung 24 sich die Rotorwelle 20 in das Getriebegehäuse 14 hinein erstreckt. Der Anschluss-Stecker 18 weist einen Steckerkragen 140 auf, innerhalb dessen die Anschluss-Pins 142 zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Maschine 10 angeordnet sind. Optional kann auf der Rotorwelle 20 ein Sensormagnet 104 angeordnet sein, der über einen Drehzahlsensor 105 ein Signal für die Rotorlage an einem Sensor-Pin 143 zur Verfügung stellt. Aus 1 ist ersichtlich, dass das Steckermodul 16 zwischen zwei Flanschen 94, 92 des Polgehäuses 12 und des Getriebegehäuses 14 axial eingespannt ist, wobei ein äußerer Umfangsrand 44 des Steckermoduls 16 in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig einen Teil der Außenwand 45 der elektrischen Maschine 10 bildet. Beispielsweise wird das Getriebe-Gehäuse 14 mit dem Polgehäuse 12 mittels Schrauben oder anderen Verbindungselementen 48 verbunden, wodurch das Steckermodul 16 zwischen dem Polgehäuse 12 und dem Getriebegehäuse 14 fest verspannt und fixiert ist. Dazu greifen die Verbindungselemente 48 durch Anschraubaugen 91 am Flansch 94 des Polgehäuses 12 hindurch in korrespondierende Gegenaufnahmen 90 im Getriebegehäuse 14.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bürstenhalters 19 dargestellt, wie er beispielsweise in der elektrischen Maschine 10 gemäß 1 verbaut werden kann. Der Bürstenhalter 19 ist als Hammerbürste 27 ausgebildet, die beispielsweise im Bürstenhalter-Bauteil 17 oder direkt im Gehäuse 11 der elektrischen Maschine 10 befestigt wird. Zur Bestromung des Kommutators 55 werden beispielsweise zwei oder drei oder mehrere solcher als Hammerbürsten 27 ausgebildete Bürstenhalter 19 in der elektrischen Maschine 10 angeordnet. Der Federarm 50 ist als einstückiges Stanz-Biegeteil 54 ausgebildet und weist einen länglichen Federhebel 49 auf, an dessen erstem Ende 51 C-förmige Klemmbereiche 56 zur Aufnahme der Bürste 26 ausgebildet sind. Am zweiten gegenüberliegenden Ende 52 des Federarms 50 ist eine Schnittstelle 59 für ein Befestigungselement 60 ausgebildet, mit dem der Bürstenhalter 19 im Gehäuse 11 befestigt wird. Die Schnittstelle 59 ist hier über eine Abwinkelung 67 einstückig an den Hebelarm 49 angebunden. Das Befestigungselement 60 ist beispielsweise als Kontaktelement 62 für die Stromversorgung ausgebildet, dass in eine entsprechende Aufnahme 61 - beispielsweise im Bürstenträger-Bauteil 17 - federnd eingepresst wird. Das Befestigungselement 60 kann bevorzugt mittels Nieten 101 am Federarm 50 befestigt werden. Zur stabilen Befestigung in der Aufnahme 61 und zur besseren Stromführung kann das Befestigungselement 60 aus einem Kupferblech gebildet werden, das insbesondere eine größere Materialstärke aufweist als der Federarm 50. Der Federhebel 49 ist in diesem Ausführungsbeispiel als näherungsweise ebene Blattfeder ausgebildet, die an ihrem ersten Ende 51 einstückig in eine Anlagefläche 64 übergeht. Im Ausführungsbeispiel ist am Übergang zur Anlagefläche 64 ein Knickbereich 68 ausgebildet, der durch seitliche Seitenwände 69 am Federarm 50 mechanisch stabilisiert wird. In der Anlagefläche 64 ist eine Durchgangsöffnung 66 ausgebildet, durch die ein Fortsatz 28 der Bürste 26 hindurch ragt. Der Fortsatz 28 wird durch zwei gegenüberliegende Ausschnitte 36 in der Bürste 26 bezüglich der Axialrichtung 24 gebildet, so dass die Bürste 26 aufgrund der Ausschnitte 36 einen Hinterschnitt 40 mit der Anlagefläche 64 bildet. Dabei liegt die Anlagefläche 64 in Anpressrichtung 21 am Hinterschnitt 40 der Bürste 26 an, wodurch die Bürste 26 federnd gegen den Kommutator 55 gepresst werden kann. Am seitlichen Rand der Anlagefläche 64 sind C-förmige Klemmbereiche 56 angeformt, die näherungsweise als Hohlzylinder 57 ausgebildet sind. Dabei werden Blechlaschen ausgehend von der Anlagefläche 64 zuerst insbesondere etwa rechtwinklig an einem Biegebereich 65 vom Hinterschnitt 40 weggebogen und dann kreisförmig zum Ausschnitt 36 hingebogen, so dass zumindest der Teil des Klemmbereichs 56 der in den Ausschnitt 36 eingreift, C-förmig, beziehungsweise kreisförmig gebogen ist. Daher ist es ausreichend, wenn der Hohlzylinder 57 nur über einen Teil seines Umfangs gebogen ausgebildet ist, bevorzugt mit einem konstanten Radius 97. In 2 ist der Hohlzylinder 57 über einen Umfangsbereich von mindesten 180° oder um 270° mit einem näherungsweisen konstanten Radius 97 ausgebildet und ist über den Biegebereich 65 mit der Anlagefläche 64 verbunden. Dabei bildet der Hohlzylinder 57 die C-förmigen Klemmbereiche 56 aus, die federnd in die Ausschnitte 36 eingreifen. Die C-förmigen Klemmbereiche 56 erstecken sich in Tangentialrichtung 25 bezüglich des Kommutators 55, und liegen bevorzugt über die gesamte Erstreckung in Tangentialrichtung 25 an den Ausschnitten 36 an. An den beiden gegenüberliegenden Seitenkanten 70 des Durchbruchs 66, die quer zu den Hohlzylindern 57 in Axialrichtung 24 verlaufen, sind kurze Kontaktlaschen 72 angeformt, die sich beim Einschieben des Fortsatzes 28 in die Durchgangsöffnung 66 in die Oberfläche der Bürste 26 eingraben. Dadurch wird die Bürste 26 auch bezüglich der Tangentialrichtung 25 fest in der Durchgangsöffnung 66 verspannt und zuverlässig elektrisch kontaktiert.
Im Schnittbild gemäß 3 sind die C-förmigen Klemmbereiche 56 in einem unbelasteten Zustand dargestellt, bevor die Bürste 26 in die Durchgangsöffnung 66 eingefügt ist. Diese 3 dient zur Veranschaulichung der Vorspannung der C-Förmigen Klemmbereiche 56, wie diese durch die theoretische Überschneidung mit dem Körper der Bürste 26 dargestellt ist. Im unbelasteten Zustand sind die C-Förmigen Klemmbereiche 56 näherungsweise über einen rechtwinkligen Biegebereich 65 mit der Anlagefläche 64 verbunden, die im unbelasteten Zustand bevorzugt eben und etwa parallel zum Hinterschnitt 40 der Bürste 26 ausgebildet ist. Der Biegebereich 65 ist hierbei jeweils am axialen Rand 65 der Anlagefläche 64 ausgebildet. Die beiden stilisierten Hohlzylinder 57 sind symmetrisch zur Anlagefläche 64 und zum Fortsatz 28 ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist die Kontaktfläche 29 der Bürste 26 geriffelt ausgeführt, so dass der Einschleifvorgang beim Betriebsbeginn der elektrischen Maschine 10 begünstigt wird. An der Schnittstelle 59 sind die Löcher 100 für die Nieten 101 der Befestigungselemente 60 ausgebildet. Auf der rechten Seite ist gestrichelt eine Variante des C-förmigen Klemmbereichs 56 dargestellt, bei der sich der Umfang des Hohlzylinders 57 über einen zusätzlichen Umfangsbereich 96 - insbesondere über 360° - erstreckt. Dabei liegt der zusätzliche Umfangsbereich 96 innerhalb des äußeren Hohlzylinders 57 an, wodurch die Federeigenschaften des C-förmigen Klemmbereichs 56 versteift werden.
In 4 sind die C-förmigen Klemmbereiche 56 bei real eingebautem Zustand der Bürste 26, nach dem Einfügen des Fortsatzes 28 in die Durchgangsöffnung 66 entgegen der Anpressrichtung 21 dargestellt. Der Fortsatz 28 weist an seinem freien Ende eine Einführschräge 37 auf, die die C-förmigen Klemmbereiche 56 beim Einfügen der Bürste 26 in Axialrichtung 24 auseinander presst. Dadurch liegen die C-förmigen Klemmbereiche 56 federnd an den Ausschnitten 36 an. Der Ausschnitt 36 weist beispielsweise eine ebene Grundfläche 38 auf, die sich in Einpressrichtung 21 erstreckt. Daran schließt sich zum freien Ende des Fortsatzes 28 hin eine abgewinkelte Seitenfläche 39 an, wobei der Fortsatz 28 eine kleinere Erstreckung in Axialrichtung 24 aufweist, als die Kontaktfläche 29 der Bürste 26. Die C-förmigen Klemmbereiche 56 liegen mit ihren konkaven Flächen 58 mit Vorspannung an der Grundfläche 38 und gleichzeitig an der abgewinkelten Seitenfläche 39 an. Damit drücken die C-förmigen Klemmbereiche 56 an zwei unterschiedlichen Kontaktbereichen 42 mit einer Kontaktkraft 47 gegen die Ausschnitte 36, wodurch die Bürste 26 relativ schwingungsfest im Federarm 50 aufgenommen ist. Die Anlagefläche 64 stützt sich im verspannten Zustand in Einpressrichtung 21 besonders an der axial äußeren Kante 43 des Hinterschnitts 40 mit einer Kontaktkraft 47 an der Bürste 26 ab. Die C-förmigen Klemmbereiche 56 sind dabei an elastischen Deformationsbereichen 46 in Axialrichtung 24 elastisch aufgebogen.
Im Schnitt V - V ist in 5 dargestellt, wie die kurzen Kontaktlaschen 72 elastisch und/oder plastisch deformiert an der Oberfläche des Fortsatzes 28 anliegen. Die kurzen Kontaktlaschen 72 können durch kleine Schlitze 73 in der Anlagefläche 64 ausgebildet sein. Eine scharfe Kante erstreckt sich hier parallel zur Seitenkante 70 der Aussparung 66 und gräbt sich als Spitze 74 bevorzugt in die Oberfläche der Bürste 26 ein. An einem dem Federhebel 49 abgewandten Ende der Anlagefläche 64 ist hier ein Rastelement 77 angeformt, mit dem die Bürste 26 bei der Montage des Rotors 15 in einer Rastposition gehalten werden kann, bis der Kommutator 55 seine Endposition erreicht hat.
In einer alternativen Ausführung weisen die kurzen Kontaktlaschen 72 in 6 mehrere Spitzen 74 auf, die kammartig entlang der Seitenkante 70 der Durchgangsöffnung 66 angeordnet sind. Hierbei graben sich nur die einzelnen separat ausgebildeten Spitzen 74 in die Oberfläche der Bürste 26 ein. Auch hierbei wird die Bürste 26 durch die kurzen Kontaktlaschen 72 in Tangentialrichtung 25 verspannt, während die C-förmigen Klemmbereiche 56 die Bürste 26 in Axialrichtung 24 elastisch verklemmen.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Federarm 50 an einem separat gefertigten Bürstenträger-Bauteil 17 oder unmittelbar im Gehäuse 11 der elektrischen Maschine 10 befestigt werden. Dabei kann das Bürstenträger-Bauteil 17 separat von einem Steckermodul 16 oder einstückig mit diesem gefertigt werden. Die Anzahl, die konkrete Ausformung und Anordnung der Bürstenhalter 19 kann entsprechend der geforderten Federeigenschaften und dem zur Verfügung stehenden Einbauraum variiert werden. Die konkrete Form der c-förmigen Klemmbereiche 56 kann von einem Hohlzylinder 57 abweichen und eine andere federnde Ausgestaltung mit einer konvexen Fläche 58 aufweisen. Die konkrete Ausformung der Ausschnitte 36 kann entsprechend variiert werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung in einer Getriebe-Antriebseinheit als Stellantrieb im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von beweglichen Teilen, wie Fensterscheiben, Sitzkomponenten, Schiebedach oder eine Antriebskomponente im Motorraum, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002135261 A [0003]

Claims

Bürstenhalter (19) zum elektrischen Kontaktieren eines Kommutators (55) einer elektrische Maschine (10), mit einem Federarm (50), an dessen ersten Ende (51) eine elektrische Bürste (26) befestigt ist, wobei die Bürste (26) eine Kontaktfläche (29) für den Kontakt mit dem Kommutator (55) in Anpressrichtung (21) aufweist, wobei die Bürste (26) quer zur Anpressrichtung (21) und in Axialrichtung (24) des Kommutators (55) zwei gegenüberliegende Ausschnitte (36) aufweist, und am ersten Ende (51) des Federarms (50) zwei einander gegenüberliegende C-förmige Klemmbereiche (56) ausgebildet sind, die jeweils mit ihren konvexen Flächen (58) federnd gegeneinander klemmend in die Ausschnitte (36) eingreifen.
Bürstenhalter (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die C-förmigen Klemmbereiche (56) zumindest als Teile von Hohlzylindern (57) ausgebildet sind, deren Radien (97) mindestens über einen Umfangswinkel von 180° näherungsweise konstant sind.
Bürstenhalter (19) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ende (51) des Federarms (50) eine ebene Anlagefläche (64) ausgebildet ist, die in Anpressrichtung (21) an der Bürste (26) anliegt, und in der Anlagefläche (64) eine zentrale Durchgangsöffnung (66) ausgebildet ist, durch die die Bürste (26) mit einem Fortsatz (28) entgegen der Anpressrichtung (21) hindurchgreift.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den axialen Rändern (65) der Anlagefläche (64) die Klemmbereiche (56) umgeformt sind, wobei einstückig angeformte Blechlaschen von den axialen Rändern (65) kreisförmig auf den Fortsatz (28) der Bürste (26) zu gebogen sind und federnd an den Ausschnitten (36) anliegen.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im unbelasteten Zustand der C-förmigen Klemmbereiche (56) - vor der Montage der Bürste (26) - die Anlagefläche (64) als ebene Fläche quer zur Anpressrichtung (21) ausgebildet ist, und die Klemmbereiche (56) von der Anlagefläche (64) jeweils über einen näherungsweise rechtwinkligen Biegebereich an den axialen Rändern (65) in die Hohlzylinder (57) übergehen - wobei insbesondere sich die Hohlzylinder (57) in unbelastetem Zustand mit einem Längsschnitt der Bürste (26) überschneiden würden.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbereiche (56) in Axialrichtung (24) jeweils einerseits an einer Grundfläche (38) der Ausschnitte (36) und andererseits mit einer Kraftkomponente entgegen der Anpressrichtung (21) jeweils an einer abgewinkelten Seitenfläche (39) des Ausschnitts (36) federnd anliegen.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlagepunkt (81) des Klemmbereichs (56) an der Grundfläche (38) des Ausschnitts (36) über einen längeren Federweg entlang des konvex anliegenden Klemmbereichs (56) an den äußeren Rand (65) der Anlagefläche (64) angebunden ist, als der zweite Anlagepunkt (82) des Klemmbereichs (56) an der abgewinkelten Seitenfläche (39) des Ausschnitts (36).
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste (26) einen rechteckigen Querschnitt quer zur Anpressrichtung (21) aufweist, wobei im Bereich zwischen der Anlagefläche (64) und der Kontaktfläche (29) dessen Erstreckung in Axialrichtung (24) größer ist als in Tangentialrichtung (25), und insbesondere der Fortsatz (28) der Bürste (26) in Tangentialrichtung (25) die gleiche Erstreckung aufweist, wie der Bereich zwischen der Anlagefläche (64) und der Kontaktfläche (29), und die Ausschnitte (36) in Axialrichtung (24) im Bereich des Fortsatzes (28) ausgeschnitten sind.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ganze Federarm (50) mit der Anlagefläche (64) und den daran angeformten C-förmigen Klemmbereichen (56) einstückig als Biegestanzteil (54) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Anlagefläche (64) an einem Knickbereich (68) um einen Anlagewinkel gegenüber dem Federarm (50) abgewinkelt ist, und insbesondere am Knickbereich (68) seitliche Versteifungswände (69) ausgeformt sind.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federarm (50) an einem zur Anlagefläche (64) gegenüberliegenden zweiten Ende (52) mit einem Befestigungselement (60) verbunden ist, das in einem Bürstenhalter-Bauteil (17) befestigbar ist, und vorzugsweise das Befestigungselement (60) mittels Nieten (101) oder durch Verstemmen mit dem zweiten Ende (52) verbunden ist.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rand (70) der Durchgangsöffnung (66) kurze Kontaktlaschen (72) angeformt sind, die sich bei der Montage der Bürste (26) elastisch und/oder plastisch verformen und an die Oberfläche der Bürste (26) abstützen, wobei insbesondere zwei gegenüberliegende kurze Kontaktlaschen (72) jeweils entlang der Axialrichtung (24) angeformt sind.
Bürstenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den kurzen Kontaktlaschen (72) scharfkantige Spitzen (74) ausgebildet sind, die sich bei der Montage der Bürste (26) in die Oberfläche der Bürste (26) eingraben, wobei insbesondere mehrere scharfkantigen Spitzen (74) kammartig an jeder kurzen Kontaktlasche (72) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (10), insbesondere zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, mit einem auf einer Rotorwelle (20) angeordneten Kommutator (55), der mittels elektrischer Bürsten (26) mit einer Stromquelle elektrisch leitend verbindbar ist, wobei die Bürsten (26) Teile von Bürstenhaltern (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sind, die in einem Gehäuse (11,12, 14) der elektrischen Maschine (10) befestigt sind.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenhalter (19) in einem Bürstenhalter-Bauteil (17) eingesteckt sind, das separat von einem Steckermodul (16) gefertigt ist, und unmittelbar radial an einer Innenwand eines Polgehäuses (12) der elektrischen Maschine (10) anliegt, und insbesondere das separat gefertigte Steckermodul (16) axial zwischen dem Polgehäuse (12) und dem Getriebegehäuse (14) verspannt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bürstenhalters (19) nach einem der Ansprüche 1-12, wobei als Biege-Stanzteil (54) ein Federarm (50) mit einer sich an dessen ersten Ende (51) anschließenden Anlagefläche (64) für die Bürsten (26) ausgestanzt wird, und danach C-förmige Klemmbereiche (56) an der Anlagefläche (64) hohlzylindrisch umgebogen werden, und anschließend die Bürste (26) in die Durchgangsöffnung (66) bis zu einem durch die Ausschnitte (36) gebildeten Anschlag (40) der Bürste (26) eingeschoben wird, wodurch die Bürste (26) einerseits mittels der C-förmigen Klemmbereiche (56) und andererseits mittels der kurzen Kontaktlaschen (72) kraft- und formschlüssig am Federarm (50) fixiert ist.