DE1122625B - Elektrischer Apparat mit einer von einer Druckfeder an einen Kommutator oder Schleifring anzulegenden Buerste und einem Buerstenhalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Apparat mit einer von einer Druckfeder an einen Kommutator oder Schleifring anzulegenden Bürste und einem Bürstenhalter, der derart ausgebildet ist, daß zwei einander gemäß einer geraden Linie schneidende Seitenflächen des Bürstenhalters eine Führung bilden, wobei die Bürste sich an der Kommutatorseite der beiden schneidenden Seitenflächen befindet und wobei die Schnittlinie dieser Seitenflächen die Oberfläche des Kommutators oder des Schleifringes unter einem spitzen Winkel schneidet, so daß die Bürste von der sie gegen den Kommutator oder den Schleifring andrückenden Kraft und von der vom Kommutator oder Schleifring hierbei erzeugten Gegenkraft in die Führung gedrückt wird.

Insbesondere bei Bahnmotoren ist eine Einrichtung zur Vermeidung von Bürstengeräuschen bei Kommutatormaschinen mit wechselnder Drehrichtung bekannt, bei der die Bürste gegenüber dem Radius des Kollektors um einen Winkel geneigt ist, der größer als der Reibungswinkel ist. Auch ist schon eine Bürstenanordnung an elektrischen Maschinen vorgeschlagen worden, bei der die durch Federdruck an die Kommutator- oder Schleifringfläche angepreßten, in Kästen gleitenden Bürsten von seitlich angebrachten Federn an eine Kastenwand angedrückt werden, und zwar so, daß die seitlich angebrachten Federn die Bürsten an eine der Kastenwände des Führungskastens anpressen, die senkrecht zur Maschinenachse steht. Schließlich wurden die Bürstenhalter und damit die Bürsten bei elektrischen Maschinen auch schon derart angeordnet, daß die jeweils in einer die Kommutatordrehachse enthaltenden Ebene liegenden Bürsten in der Richtung der Kommutatorachse gegen die Kommutatorfläche geneigt sind.

Erfindungsgemäß wird der Apparat in der Weise ausgeführt, daß der einerseits von der Projektion der genannten Schnittlinie auf der Tangentialfläche am Kommutator oder Schleifring im Schnittpunkt der Schnittfläche mit dem Kommutator oder Schleifring und andererseits von einer in dieser Tangentialfläche durch den Schnittpunkt rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Kommutators oder Schleifringes laufenden Linie eingeschlossene Winkel klein ist gegenüber dem von der genannten Projektion einerseits und einer durch den genannten Schnittpunkt parallel zur Bewegungsrichtung des Kommutators oder Schleifringes verlaufenden Linie andererseits eingeschlossenen Winkel.

Der neue Apparat vermeidet die Schwierigkeiten, die besonders bei kleinen schnellaufenden Apparaten, z. B. Stellmotoren, auftreten können. Es stellte sich Elektrischer Apparat mit einer von einer

Druckfeder an einen Kommutator

oder Schleifring anzulegenden Bürste

und einem Bürstenhalter

Anmelder:

N. V. Hollandse Signaalapparaten,

Hengelo (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Scherrmann, Patentanwalt, Eßlingen/Neckar, Fabrikstr. 9

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 2. Januar 1956 (Nr. 00 064)

Cornells Leendert van Dam, Katwijk aan Zee

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

z. B. bei kleinen Gleichstrom-Stellmotoren, bei denen die Drehzahl bis über 20 000 Umdrehungen pro Minute ansteigen mußte, heraus, daß die negative Bürste, d. h. die Bürste, über die der Strom abgenommen wird, einem abnormal großen Verschleiß unterworfen ist. Diese Bürste war zuweilen innerhalb einiger Stunden abgenutzt. Auch ergab sich dabei, daß die erwünschte Leerlaufdrehzahl nicht erreicht werden konnte, wenn die positive Bürste, also diejenige, über die der Strom zugeführt wird, mit dem üblichen Auflagedruck auf dem Kollektor aufliegt. Es zeigte sich die überraschende Erscheinung, daß die Drehzahl sich steigerte, wenn man den Bürstendruck der positiven Bürste erhöhte, trotz der Tatsache, daß die Bürstenreibung, die bei Leerlauf bereits einen erheblichen Teil der Motorbelastung bildet, infolge des größeren Bürstendrucks nunmehr einen höheren Wert aufwies. Bei den üblichen Bürstendrücken zeigte sich ein starkes Feuern der positiven Bürste, das aber bei wachsendem Bürstendruck sich verminderte. Schließlich wurde noch eine abnormal große Abnutzung des Kollektors festgestellt.

Das Vergrößern des Bürstendrucks ist bei einem Stellmotor unerwünscht. Die sich daraus ergebende erhöhte Bürstenreibung wurde bei stillstehendem Mo-

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tor bereits ein unzulässig hohes Anlaufmoment ergeben, infolgedessen der Stellmotor bei kleinen Steuerspannungen nicht anlaufen könnte, was Steuerungsfehler zur Folge hätte. Die Erhöhung des Bürstendrucks bietet überdies keine Lösung für die Abnützungsprobleme, die bei der den Strom abnehmenden Bürste auftreten.

Bei dem neuen Apparat ist die Lebensdauer der den Strom abnehmenden Bürste um ein Vielfaches vergrößert.

Außerdem werden bei einer solchen Anordnung sowohl das Feuern der den Strom zuführenden Bürste als auch die Abnützung der Lauffläche der Vorrichtung, auf deren Fläche diese Bürste schleift, auf normale Werte zurückgeführt. Es ergibt sich schließlich, daß für einen Stellmotor mit einer erfindungsgemäßen positiven Bürste die Leerlaufdrehzahl für dieselbe Ankerspannung erheblich höher liegt.

In einen Bürstenhalter bekannter Konstruktion wird die Bürste nie so genau eingepaßt sein, daß sie sich bei einer kleinen Maschine nicht in der Drehrichtung schief einstellt. Dreht sich die Maschine nur in einer Richtung, so schleift die Bürste sich ein; ist die Drehrichtung der Maschine jedoch umkehrbar, so wird nie der ganze Querschnitt der Bürste als Kontaktfläche zur Verfügung stehen. Dies führt zu einem schnellen Bürstenverschleiß und erhöht weiter den Bürstenwiderstand, was eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl zur Folge hat. In einem bestimmten Fall war es möglich, durch Anwendung der neuen Konstruktion die Leerlaufdrehzahl eines Nachsteuermotors von 12 000 bis auf 24 000 Umdrehungen pro Minute zu erhöhen.

Zweckmäßig wird in einem erfindungsgemäßen Apparat ein Bürstenhalter mit einem geschlossenen Kanal mit vieleckigem Querschnitt zur Führung einer Bürste mit vieleckigem Querschnitt angewandt. Bei einem solchen Bau brauchen der Querschnitt des Kanals und der Bürste nicht dieselbe Seitenzahl zu besitzen. Weiter ist eine einseitige, offene erfindungsgemäße Führung für die Bürste möglich. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Abbildungen erläutert, in denen Abb. 1 einen teilweisen Durchschnitt eines kleinen Gleichstrom-Stellmotors und Abb. 2 eine spezielle Ausführung eines erfindungsgemäßen Bürstenhalters darstellt. In Abb. 1 ist 112 das Ende der Läuferwelle eines Stellmotors, das mittels eines Kugellagers 111 in einer Plastikkappe 110 des Motorgehäuses gelagert ist. Der Kollektor 114 ist in Kontakt mit der sich in einem Bürstenhalter 107 befindlichen Bürste 109. Der Bürstenhalter wird mittels eines Flansches 113 und einer Mutter 108 in der Plastikkappe des Motorgehäuses montiert. Die Bürste weist einen quadratischen Durchschnitt auf und gleitet in einem entsprechend geformten Kanal in dem Bürstenhalter. Der Bürstenhalter ist derart in der Plastikkappe angebracht, daß zwei einander diametral gegenüberliegende Kanten des Kanals in einer durch die Achse der Welle 112 gehenden Ebene liegen. Die Bürste 109 ist an einen flexiblen Leiter 106 angeschlossen, der mit einem zylindrischen Stäbchen verbunden ist und der aus zwei Teilen 104 und 102 verschiedenen Durchmessers besteht. Eine zylindrische Schraubenfeder 105 liefert den Bürstendruck. Schließlich ist noch auf den Bürstenhalter eine Überwurfmutter 103 geschraubt, durch die der zylindrische Teil 102 hindurchgeht, der mit einer Stellschraube 101, welche die Nachstellung des Bürstendrucks erlaubt, festgeklemmt ist. Der Bürstenhalter ist derart angeordnet, daß seine Achse, welche die Achse der Welle 112 schneidet, an diesem Schnittpunkt unter einem Winkel von etwa 45° gegen die Kollektoroberfläche geneigt ist. Die Unterseite des Bürstenhalters befindet sich nahe zum Kollektor und hegt auf einem mit diesem Kollektor konzentrischen Zylindermantel. Die Lage der Bürste im Halter läßt sich in Einzelheiten aus Abb. 1 bei 115 erkennen, und

ίο es ist klar, daß sich die Bürste an den Punkten 116 und 117, oder wenigstens bei 117, infolge der von der Feder 105 und dem Kollektor ausgeübten Kräfte an den Bürstenhalter anschmiegt. Demzufolge ist die Lage der Bürste in dem Halter völlig bestimmt, so daß sie nicht vibrieren kann. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Richtung des Bürstenhalters unter einem Winkel von 45° gegen die Kollektorlauffläche geneigt ist; erfahrungsgemäß werden hiermit aber die besten Resultate erzielt.

Mit der bei 115 gezeichneten Anordnung der Bürste erfolgt die Kommutierung, während die mit der kommutierenden Spule verbundene Kollektorlamelle mit einer allmählich schmaler werdenden ablaufenden Bürstenfläche Kontakt macht. Der Widerstand in dem Kommutierungskreis wird demzufolge größer, ein günstiger Umstand, der aber den Nachteil aufweist, daß der Kommutierungsfunken in einem Augenblick auftritt, in dem nur ein äußerst kleiner Teil der Bürstenlauffläche vorhanden ist. Es stellt sich dabei heraus, daß die ablaufende Bürstenkante merkbar eingebrannt ist. Dies ist zwar nicht ernsthaft, weil das Einbrennen nur auf einen kleinen Teil der Bürste beschränkt bleibt, aber dem ist leicht vorzubeugen, indem man der Bürste einen anderen Durchschnitt erteilt, wie z. B. einen sechseckigen, der bei 118 in Einzelheiten dargestellt worden ist. Der Bürstenhalter muß dabei wieder so angeordnet werden, daß zwei einander diametral gegenüberliegende Kanten der Bürste in einer durch die Achse der Welle 112 gehenden Ebene liegen. Die Kommutierung erfolgt nun an einem breiteren Teil der Bürstenlauffläche. Diesen Erfolg kann man annähernd dadurch erzielen, daß eine quadratische Bürste in einer bei 119 gezeichneten Lage in bezug auf den Bürstenhalter angeordnet wird.

Bei dieser Aufstellung wird der unerwünschte Einfluß des Spiels zwischen Bürste und Halter allerdings doch noch genügend behoben, weil die auf die Bürste wirkenden Kräfte die Bürstenkanten bei 120 und 121 in die Ecken des Bürstenhalters drücken. Verschiedene erfindungsgemäße Bürstenformen und Lagen der Bürstenhalter sind möglich, so z. B. ein rhombischer Bürstendurchschnitt, bei dem zwei Seitenflächen der Bürste der Achse der Welle 112 parallel sind. Für Gleichstrom-Stellmotoren mit konstanter Ankerstromspeisung, bei denen die Drehzahl durch Ändern des Erregerstromes geregelt wird, weist der erfindungsgemäße Bürstenhalter noch einen besonderen Vorteil auf. Wird das Feld eines solchen Stellmotors geschwächt, um ihn zum Stillstand zu bringen, dann ergibt sich, wenn der Motor mit Bürstenhaltern üblicher Form versehen ist, daß der Läufer oft nicht ganz anhält, sondern ein unerwünschtes Schwingen um eine zufällige Ruhelage auszuführen anfängt. Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Bürstenhalters wird dies aber behoben.

Man erhält eine sehr stabile Lagerung der Bürste in einem Bürstenhalter, in dem die Bürste nur an zwei benachbarten, eine rinnenförmige Führung bildenden

Flächen anliegt. Ein solcher Bürstenhalter ist in Abb. 2 dargestellt worden. Die Bürste 202 liegt in einer V-förmigen Rinne, deren Durchschnitt bei 209 zu erkennen ist. Der von den Seitenflächen der Rinne gebildete Winkel ist ganz genau dem Winkel zwischen den an diesen Flächen der Rinne anliegenden Seitenflächen der Bürste gleich. Der Bürstenhalter hat noch zwei Ränder, die nicht zur Führung der Bürste dienen, sondern nur dafür sorgen, daß die Bürste beim Einsetzen in den Bürstenhalter diesen nicht verläßt. An der Oberseite ist an der Bürste eine Feder 205 befestigt, die den Bürstendruck liefert. Diese Feder stützt sich an ihrem anderen Ende, in dem röhrenförmigen Teil 206, an eine Verschlußschraube 207. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist die Feder 205 wegen der Biegung in dem Halter unter einem Winkel gegen die Rinne des Halters 203 geneigt, so daß sie die Bürste an der Oberseite in die Rinne drückt. Für die Unterseite der Bürste wird dies vom Kollektor vorgenommen. Die Lage der Bürste ist somit unzweideutig bestimmt, und sie kann praktisch nicht mehr ins Schwingen geraten. Mit einem Flansch 210 und einer Mutter 211 wird der Bürstenhalter am Motorgehäuse befestigt. Der Vorteil dieser Bauform liegt darin, daß sich eine genaue Anpassung des Bürstendurchschnittes an den Durchschnitt des Kanals in dem Bürstenhalter erübrigt. Dieser Bürstenhalter kann auch in völlig geschlossener Bauform ausgeführt werden, bei der der Durchschnitt so groß ist, daß die Bürste nur gegen zwei benachbarte Wände des Kanals anliegt. Da der Winkel, den die Richtung der Feder mit der Längsrichtung der Bürste bildet, nur sehr klein zu sein braucht, genügt bei dieser letzteren Ausführung eine gerade röhrenförmige Führung, vorausgesetzt, daß man Vorkehrungen trifft, um die Bürste auch an ihrem oberen Ende in die Führung zu drükken, z. B. indem die Feder einigermaßen schräg in der Führung angeordnet wird.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE: 40

1. Elektrischer Apparat mit einer von einer Druckfeder an einen Kommutator oder Schleifring anzulegenden Bürste und einem Bürstenhalter, der derart ausgebildet ist, daß zwei einander gemäß einer geraden Linie schneidende Seitenflächen des Bürstenhalters eine Führung bilden, wobei die Bürste sich an der Kommutatorseite der beiden schneidenden Seitenflächen befindet und wobei die Schnittlinie dieser Seitenflächen die Oberfläche des Kommutators oder des Schleifringes unter einem spitzen Winkel schneidet, so daß die Bürste von der sie gegen den Kommutator oder den Schleifring andrückenden Kraft und von der vom Kommutator oder Schleifring hierbei erzeugten Gegenkraft in die Führung gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der einerseits von der Projektion der genannten Schnittlinie auf der Tangentialfläche am Kommutator oder Schleifring im Schnittpunkt der Schnittlinie mit dem Kommutator oder Schleifring und andererseits von einer in dieser Tangentialfläche durch den Schnittpunkt rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Kommutators oder Schleifringes laufenden Linie eingeschlossene Winkel klein ist gegenüber dem von der genannten Projektion einerseits und einer durch den genannten Schnittpunkt parallel zur Bewegungsrichtung des Kommutators oder Schleifringes verlaufenden Linie andererseits eingeschlossenen Winkel.

2. Elektrischer Apparat nach Anspruch 1, bei dem der Bürstenhalter einen Kanal mit einem gleichbleibenden vieleckigen Querschnitt aufweist, der zur Führung einer Bürste mit ebenfalls gleichbleibendem vieleckigem Querschnitt dient, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flächen des Kanals eine erste Führung bilden und zwei andere Flächen des Kanals eine zweite, der ersten Führung gegenüberliegende, von dem Kollektor abgewandte Führung bilden und die Ebene, die durch die Schnittlinie der Flächen der ersten Führung und durch die Schnittlinie der Flächen der zweiten Führung geht, parallel zu der Drehachse verläuft oder durch diese letztere hindurchgeht oder mit ihr einen derart kleinen Winkel bildet, daß die Bürste infolge der an ihr angreifenden, von der Druckfeder und vom Kommutator oder Schleifring herrührenden Kräfte gegen die an die Schnittlinien angrenzenden Wandteile des Kanals angedrückt wird.

3. Elektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung des vieleckigen Querschnittes des Kanals im Bürstenhalter an den Querschnitt der Bürste lediglich mit Bezug auf die Flächen vorgenommen ist, an die sich die entsprechenden Seitenflächen der Bürste anzuschmiegen haben.

4. Elektrischer Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vieleckige Querschnitt des Bürstenhalterkanals weniger Seiten hat als der Querschnitt der Bürste.

5. Elektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste von den auf sie wirkenden Kräften einseitig gegen eine Führung des Bürstenhalters angedrückt wird.

6. Elektrischer Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenhalter nur eine aus mindestens zwei Flächen gebildete rinnenförmige Führung aufweist.

7. Elektrischer Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung Lippen oder Ränder hat, die nicht zum Führen der Bürste dienen, sondern diese nur daran hindern, daß sie die Führung verläßt.

8. Elektrischer Apparat nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Feder auf die Bürste ausgeübte Kraft eine rechtwinklig zur Führung verlaufende Komponente besitzt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 528 686, 581 451; USA.-Patentschrift Nr. 2 515 768.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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