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Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehene Schleifbürste. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schleifbürste.
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Eine Schleifbürste für dynamoelektrische Maschinen ist zum Beispiel aus der
DE 31 38 690 A1 bekannt. Die bekannte Schleifbürste ist aus einer Vielzahl von Bürstensegmenten aufgebaut. Diese Segmente wiederum bestehen aus einer Vielzahl von leitenden und mit einer elektrischen Isolierung überzogenen Fasern oder Drähten, welche in einem flachen Bündel nebeneinander angeordnet sind.
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Die
US 6,528,923 B2 offenbart eine elektrische Rotationsmaschine mit einer Stapelbürste. Die Stapelbürste kombiniert verschiedene Bürstenschichten mit einem niedrigen Widerstand und mit einem hohen Widerstand, wobei spezielle geometrische Gestaltungsmerkmale die Funkenbildung reduzieren und die Kommutierungseigenschaft verbessern sollen. Dies soll insbesondere bei Verwendung der Stapelbürste in einem Anlasser zur Geltung kommen.
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Die
DE 10 2020 121 291 A1 hat ein Bürstenmodul für ein Schleifringsystem einer stromerregten elektrischen Maschine zum Gegenstand. Das Bürstenmodul umfasst mehrere in definierter Weise angeordnete Bürstenträger sowie ein zwischen den Bürstenträgern befindliches Zwischenelement, in welches eine Anschlaganordnung eingegossen sein kann. Das bekannte Bürstenmodul ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs konzipiert.
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Die
DE 10 2020 120 878 A1 offenbart eine stromerregte elektrische Maschine mit einer unter einer Wellendichtung herausgeführten Schleifringzuleitung. Auch diese elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schleifkontakte in elektrischen Maschinen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei eine fertigungsfreundliche Gestaltung sowie langfristig gleichbleibende Betriebseigenschaften angestrebt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für die Verwendung in einer elektrischen Maschine, das heißt einem Elektromotor oder einem Generator, vorgesehene Schleifbürste mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schleifbürste gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die elektrische Maschine sowie die Schleifbürste, und umgekehrt.
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Die für die Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehene Schleifbürste umfasst einen Schichtstapel, welcher eine gekrümmte, zur Kontaktierung einer Welle der elektrischen Maschine vorgesehene dynamische Kontaktseite aufweist und aus alternierend aufeinander gesetzten Schichten verschiedener Art gebildet ist, wobei eine erste Teilmenge der Schichten eine die Oberfläche der Welle tangierende erste zylindrische Oberfläche beschreibt, wogegen eine zweite Teilmenge der Schichten von der zylindrischen Oberfläche unter Bildung von Schmiermittelnuten abgehoben ist.
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Insgesamt hat die Schleifbürste, abgesehen von der konkav gekrümmten, mit Nuten versehenen Oberfläche typischerweise eine quaderartige Grundform. Hierbei kann eine elektrische Leitung insbesondere an der der gekrümmten Oberfläche gegenüberliegenden Rückseite der Schleifbürste angeschlossen sein. Mehrere Schleifbürsten übereinstimmender Form können in einem Bürstenmodul zusammengefasst sein.
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Das ohne Beschränkung der Allgemeinheit stets als Welle bezeichnete, die Schleifbürsten kontaktierende Teil der elektrischen Maschine ist drehfest mit deren Rotor verbunden. Je nach Art der elektrischen Maschine können die Leitungen, welche mit den Schleifbürsten verbunden sind, beispielsweise an eine Batterie angeschlossen oder geerdet sein.
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Die Anzahl verschiedener Teilmengen an Schichten, aus welchen die Schleifbürste aufgebaut ist, unterliegt grundsätzlich keinen Beschränkungen. Beispielsweise können zwei, drei, oder mehr verschiedene Arten an Schichten vorhanden sein, wobei die Schichten nicht notwendigerweise in einem regelmäßigen Muster aufeinander gestapelt sind und nicht notwendigerweise alle gleich dick sind. Diejenige Teilmenge an Schichten, die die Welle der elektrischen Maschine kontaktiert, liegt in typischer Ausgestaltung in Form von Metallblechen, das heißt Blechstreifen, vor.
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Die verschiedenen, aufeinander gestapelten, das heißt den Schichtstapel bildenden Schichten der Schleifbürste unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale voneinander:
- - elektrische Leitfähigkeit
- - Schmierungseigenschaften
- - Verschleißeigenschaften
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Die jeweils zwischen zwei Blechstreifen angeordneten, von der Welle der elektrischen Maschine abgehobenen Zwischenschichten können entweder, ebenso wie die Blechstreifen, als mechanisch eigenstabile Elemente gestaltet sein oder jeweils in Form einer auf einem Blechstreifen befindlichen Beschichtung vorliegen. Eine solche Beschichtung kann insbesondere einen Trockenschmierstoff enthalten oder ausschließlich aus Trockenschmierstoff aufgebaut sein.
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Diejenigen Schichten der Schleifbürste, welche auf der Welle der elektrischen Maschine aufliegen, weisen im Auflagebereich, das heißt auf der dynamischen Kontaktseite, einen Krümmungsradius auf, welcher entweder mit dem Krümmungsradius der Welle übereinstimmt oder etwas größer als der Krümmungsradius der Welle ist.
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Zusätzlich zu den an der dynamischen Kontaktseite hervorstehenden, zur Kontaktierung der Welle der elektrischen Maschine vorgesehenen Schichten, insbesondere in Form von Blechstreifen, können auch die dazwischen liegenden, einen Abstand zur Welle einhaltenden, insbesondere elektrisch weniger gut leitfähigen Schichten in entsprechender Weise gekrümmt sein. Somit weisen die Schmiermittelnuten eine Querschnittsform auf, welche in Umfangsrichtung der Welle konstant bleibt.
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Was die Verschleißeigenschaften betrifft, sind die Schichten, welche die Welle kontaktieren, insbesondere Metallschichten, gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen verschleißfester als die von der Welle abgehobenen Zwischenschichten. Sollten in einem Schmiermittel, welches die Welle umgibt, Partikel mitgeführt werden, so kann eine zumindest geringe abrasive Wirkung des Schmiermittels auftreten. Die im Vergleich zu den Blechstreifen verschleißanfälligeren Zwischenschichten werden durch diese Wirkung stärker beeinträchtigt als die Blechstreifen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die Schmiermittelnuten, welche zwischen der Oberfläche der Welle und den konkav gekrümmten Oberflächenabschnitten der Zwischenschichten der Schleifbürste gebildet sind, über längere Betriebsphasen der elektrischen Maschine eine näherungsweise gleichbleibende Tiefe aufweisen. Unabhängig von der Materialwahl sorgen die Schmiermittelnuten stets dafür, dass Schmiermittel, welches sich an der dynamischen Kontaktseite der Schleifbürste zwischen den Metallblechen und der Welle befindet, in die Schmiermittelnuten hinein verdrängt werden kann, wodurch der elektrische Kontakt zwischen der Schleifbürste und der Welle optimiert wird.
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Sofern eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit der zwei, drei oder mehr verschiedenen Schichten gegeben ist, können diejenigen Schichten, welche zur Kontaktierung der Welle vorgesehen sind, die höchste spezifische elektrische Leitfähigkeit sämtlicher Schichten des gesamten Schichtstapels aufweisen.
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Die gestapelte Schleifbürste in folgenden Schritten herstellbar:
- - Ausstanzen von gleichartigen Blechstreifen aus einem Metallblech, wobei jeder Blechstreifen eine konkav gekrümmte Seite aufweist, welche innerhalb der späteren, fertiggestellten elektrischen Maschine als dynamische Kontaktseite fungiert, das heißt eine Komponente eines Schleifkontakts bildet,
- - Bildung eine Schichtstapels aus den zuvor gestanzten Blechstreifen sowie zwischen den Blechstreifen befindlichen Zwischenschichten, wobei die Zwischenschichten an drei Seiten bündig mit den Blechstreifen abschließen, wogegen an der vierten Seite, nämlich der konkav gekrümmten Seite der Blechstreifen, das heißt an der dynamischen Kontaktseite, die Zwischenschichten derart gegenüber den Blechstreifen zurückgenommen sind, dass zwischen jeweils zwei Blechstreifen eine kreisbogenförmig gekrümmte Nut gebildet ist, durch welche eine Schmiermittelnut der elektrischen Maschine bereitgestellt wird,
- - mechanische Fixierung des Schichtpakets unter gleichzeitiger Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen allen Blechstreifen durch mindestens einen das gesamte Schichtpaket durchdringenden Querstift.
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Der Querstift eignet sich insbesondere, um die bereits erwähnte Leitung, welche je nach Gesamtkonstruktion verschiedene Funktionen erfüllen kann, an die Schleifbürste anzuschließen. Beispielsweise kann die Leitung angelötet oder angeschweißt werden.
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Um jegliche Verdrehungen zwischen den Schichten der Schleifbürste auszuschließen, können zwei oder mehr Querstifte in das Schichtpaket eingesetzt werden. Auch ist die Möglichkeit gegeben, die Querstifte als Komponenten einer Linearführung der Schleifbürste in einem Bürstenmodul zu verwenden. In jedem Fall sind die Querstifte in Axialrichtung der elektrischen Maschine, das heißt parallel zu deren Welle, ausgerichtet. Durch die Querstifte können beispielsweise Nietköpfe gebildet sein.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in perspektivischer Ansicht eine Schleifbürste für eine elektrische Maschine,
- 2 ein Bürstenmodul für eine elektrische Maschine mit drei Schleifbürsten in gegenüber der Ausgestaltung nach 1 modifizierter Form.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine Schleifbürste 1 ist zur Verwendung in einem Bürstenmodul 2 einer nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine, nämlich eines Elektromotors, vorgesehen. Der Elektromotor ist beispielsweise zur Verwendung als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs konzipiert. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Schleifbürste 1 sowie des Bürstenmoduls 2 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Bürstenmodul 2 weist eine Trägerplatte 3 auf, die im in 2 skizzierten Fall eine dreieckige Grundform hat. Eine zentrale kreisrunde Öffnung 4 der Trägerplatte 3 umgibt eine nicht dargestellte rotorfeste Welle der elektrischen Maschine. Eine Befestigungskontur der Trägerplatte 3 ist mit 5 bezeichnet. Die Befestigungskontur 5 bietet insbesondere eine Anschlussfläche für einen Kabelschuh. Auch eine Nutzung der Befestigungskontur 5 zur Fixierung der Trägerplatte 3 an einem nicht rotierenden Teil der elektrischen Maschine ist denkbar. Die zentrisch durch die Öffnung 4 verlaufende Mittelachse der elektrischen Maschine ist von drei gleichförmig am Umfang verteilten Schleifbürsten 1 umgeben. Jede Schleifbürste 1 weist eine quaderartige Grundform auf und ist in einer an der Trägerplatte 3 gehaltenen Führungsvorrichtung 6 in Radialrichtung der Welle verschiebbar gelagert. Mittel zu Anfederung und damit Nachstellung der Schleifbürsten 1 sind in den Figuren nicht dargestellt.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 ragen die Schleifbürsten 1 aus den Führungsvorrichtungen 6 rückseitig heraus, wobei an den entsprechenden Seiten, das heißt Rückseiten 7 der Schleifbürsten 1, jeweils eine elektrische Leitung 8 angeschlossen ist. Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind elektrische Anschlüsse dagegen an den mit 9 bezeichneten Oberseiten der Schleifbürsten 1 vorgesehen. Der Begriff „Oberseite“ impliziert hierbei keine Aussage über die tatsächliche Einbaulage der Schleifbürsten 1 und des Bürstenmoduls 2. In jedem Fall wird die der Welle zugewandte, der Rückseite 7 abgewandte Seite der Schleifbürste 1 als dynamische Kontaktseite 10 bezeichnet. Die gekrümmte, an die Welle angepasste Grundform der dynamischen Kontaktseite 10 geht sowohl aus 1 als auch aus 2 hervor.
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Die Schleifbürste 1 weist die Form eines Schichtstapels 11 auf, dessen Schichten 12, 13 in zueinander parallelen Ebenen liegen, die normal zur Rotationsachse der elektrischen Maschine ausgerichtet sind. Bei den Schichten 12 erster Art handelt es sich um Blechstreifen, bei den Schichten 13 zweiter Art um Zwischenschichten mit vergleichsweise geringer elektrischer Leitfähigkeit, jedoch besseren Schmierungseigenschaften.
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Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ragen die Schichten 12 auf der dynamischen Kontaktseite 10 über die Zwischenschichten 13 hinaus. Auf diese Weise sind zwischen jeweils zwei benachbarten, zueinander parallelen Schichten 12 erster Art Nuten 14 gebildet, welche innerhalb der elektrischen Maschine als Schmiermittelnuten fungieren. Der Krümmungsradius der konkaven Konturen der metallischen Schichten 12 an der dynamischen Kontaktseite 10 ist etwas größer als der Radius der von der Schleifbürste 1 kontaktierten Welle. Analoges gilt in den Ausführungsbeispielen für die Konturierung der Zwischenschichten 13 an der dynamischen Kontaktseite 10.
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Die Schmiermittelnuten 14 beschreiben somit Abschnitte mehrerer zueinander paralleler, die Mittelachse des Bürstenmoduls 2 und damit der gesamten elektrischen Maschine umgebender Ringe. Durch die gekrümmten, an der dynamischen Kontaktseite 10 vorliegenden Oberflächen der Schichten 12 erster Art, das heißt Metallschichten, ist insgesamt eine zylindrische Oberfläche beschrieben, welche die Welle der elektrischen Maschine tangiert.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Schichtstapel 11 von zwei Querstiften 15, 16 durchdrungen, die von der Oberseite 9 zu der mit 17 bezeichneten Unterseite der Schleifbürste 1 verlaufen und damit in Axialrichtung der elektrischen Maschine ausgerichtet sind. Der erste Querstift 15 wird auch als äußerer Querstift, der zweite Querstift 16 auch als innerer Querstift bezeichnet. Befinden sich drei Schleifbürsten 1 der in 1 gezeigten Art in einem Bürstenmodul 2 der in 2 gezeigten Art, so liegen die drei äußeren Querstifte 15 auf der Oberfläche eines gedachten äußeren Zylinders, welcher die Rotationsachse der elektrischen Maschine als Mittelachse aufweist. Die drei inneren Querstifte 16 beschreiben dagegen in ihrer Gesamtheit die Oberfläche eines vergleichsweise kleinen Zylinders, welcher radial zwischen der Oberfläche des größeren Zylindern und dem Rand der Öffnung 4 angeordnet ist.
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Die Querstifte 15, 16 sind im Fall von 1 nicht nur zum Zusammenhalten des Schichtstapels 11, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung der Schleifbürste 1 nutzbar. Unabhängig von der Art der elektrischen Kontaktierung sind als in den Schichtstapel 11 eingelagerte Schmierstoffe zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit oder Molybdändisulfid geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schleifbürste
- 2
- Bürstenmodul
- 3
- Trägerplatte
- 4
- Öffnung
- 5
- Befestigungkontur
- 6
- Führungsvorrichtung
- 7
- Rückseite der Schleifbürste
- 8
- Leitung
- 9
- Oberseite der Schleifbürste
- 10
- dynamische Kontaktseite
- 11
- Schichtstapel
- 12
- Schicht erster Art, Blechstreifen
- 13
- Schicht zweiter Art
- 14
- Nut, Schmiermittelnut
- 15
- äußerer Querstift
- 16
- innerer Querstift
- 17
- Unterseite der Schleifbürste
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3138690 A1 [0002]
- US 6528923 B2 [0003]
- DE 102020121291 A1 [0004]
- DE 102020120878 A1 [0005]
