DE1914025A1 - Kontaktbuerste und Buerstenhalter - Google Patents

Description

Karl A. Brose

Dipl -Ing-

vln/au D-G023 Mü-r.iion - PuJIqA München-Pullach, 18. März f} 4208-A Wi3nerdf.Z,UUn.7930bf0.79_ai782

THE "BENDIX COHPORATION, bisher Building, Detroit, Michigan, USA

Kon takt "bärste und Bürstenhalter

Die Erfindung "betrifft eine Bürste und einen Bürstenhalter zum G-ebrauch in Verbindung mit einem hekömmlichen Schleifring, um Elektrizität zwischen Komponenten zu leiten, wenn zwischen diesen Komponente"! eine relative "Drärunp; "besteht.

'Die -Anwendung von Bürsten und Schleifringen zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einem.stationären Körper und ein^m sich dT>ehend^Qn Körper ist bekannt und es werden in herkömmlicher Wei-se eine oder mehrere Bürsten in Kontakt mit einem >Sohle"i'fr-nn°: gebracht, wobei .iede Bü/nnte in "Kontakt mit einem kleinen Prozentsatz der Umfsngsfläche 'des Schleifringes steht. Dti eiii^Qn Kontakt aufrechterhalten, werden stsrk vorsp^nnede Federn vea^vrendet, diese erhöhen ,"jedoch die Reibungskräfte, die nnf 'lie "Rü^ste wirken, und verejrössern den Verschleiß ¹IiIcI ^cetzen dip Nb'^lichlce.iten hinsichtlich der Rotations^epc-Nwindi^keit herab. Um diese Wirkungen /u verhinderen wurden die £ Urs ten. geneigt angeordnet oder vorwärts bewegt, _ um der DreliU"ü;r des Schleifringes folgen zu können. Dies hat jedoch einen erhöhten Verschleiß zur Folge, da die Kombination der Vektoren der Reibungskräfte einen Beitrag zur Federkraft liefern. Wenn jedoch die Bürste in e„iner Richtung entgegen der Dcehun;^ geneigt ist öder verzögert wird-, wirken die Reibunpjs-"kroftveictoren der Federkraft ent^e^en und können ein Suringen dpr Bürste und Prellen bewirken.

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Die bekannten Bürsten neigen ebenso dazu, bedingt durch die höheren Stromdichten, schneller abzubrennen und jede Verminderung der Kontakt fläche erhöht noch mehr die Stromdichten und die Abbrenntescbwindigkeit.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung richtet sich auf die Schaffimg einer Bürste und eines Bürstenhalters, mit deseen Hilfe eine maximale Kontakt fläche zwischen Bürste und Schleifring sichergestellt wird, und es wird eine Bürste geschaffen, die niedrige Reibtrag- und Verschleißeigenecheften zeigt.

Die vorliegende Erfindung schafft ebenso eine Bürste und einen Schleifring, wodurch *ie> rb/riami.qchen Bürptenkräfte automatisch Jede Ep ft korrigieren, die ein Prellen oder eine starke Ver- ■ gröp.serung der Stromdicbten verursachen können und wobei die Bürste in Verbindung: mit dem Schleifring in beiden Drehrichtungen verwendet werden kann«

Auf dem landwirtschaftlichen G-erätesektor stellen das Springen der Bü^sbe und ein Verlust der Ebenheit zwischen Bürste und Schleifring, ein zusätzliches Problem dar, da landwirtschaftliche Geräte sehr häufigen und starken Stössen und Erschütterungen ausgesetzt sind, die momentan die Bürsten vom Schleifring abheben können, wodurch ein Verlust an G-leichmässigkeit bedingt ist und eine häufige Funkenbildung auftritt. Dieses Problem wird umso ernster, wenn verunreinigen/ Umwelt-"tKLingungen gegeben sind, bei denen die elektrischen Bürsten in landwirtschaftlichen Geräten ebenfalls funktionieren sollen. Die Funkenbildung verursacht einen weitreichenden Bürsten- und Schleifringabbrand und beschleunigt den Verschleiß.

Ein Zigl der vorliegenden Erfindung richtet sich ebenso auf die Schaffung einer stromleitenden Bürste, die hinsichtlich eines Snringens weniger anfällig ist

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Während experimenteller Anwendung der vorliegenden Erfindung auf landwirtschaftliche Geräte, wurde herausgefunden, daß das Burst en springen, verursacht durch Fahiaeugstösse, ein kurzes Abheben der Bürste vom Schleifring "bewirkt.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ebenso in der Schaffung einer zweifachen Konstruktion und einer Schutzschaltung zu sehen, die eine Abnahme der Gleichmässigkeit für eine Zeitdauer verhindern soll_s die grosser ist als die verstreichende Zeit "beim Abheben der Bürste vom Schleifring, entsprechend der Erschütterung, die jedoch die Betriebsstillegung des Gerätes nicht verzögert, wenn der Stromfluß vorsätzlich unterbunden wird. Dies ist für die Sicherheit des Betreibenden von Bedeutung.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung vor· Aus führung sb ei spiel en unter Hinweis auf die Zeichnungen. In diesen zeigt:

Figur 1 eine teilweise Schnittdarstellung; und teilweise Seitenansicht einer Bürsten- und Schleifringkonstruktion nach der vorliegenden Erfindimg;

Figur 2 eine Schnittdarstellung nach der Linie 2-2 in Figur 1;

Figur 3 ein Kraftediagrsmm derjenigen Kräfte, die auf die Bürste wirken;

Figur 4 eine zweite Au β führung Rio rm eier Erfindung nit einer Doppelbürstenkonstruktion mit unterschiedlich vctBpsnnenden .Einrichtungen und einem schützenden Element für die Gleichmae^igkeit;

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Figur 5 eine Schutzschaltung, wie sie für die Burst enkombinationnach Figur 4 Anwendung finden kann;.

Figur 6 den Bürstenhalter der Figur 4 im Profil;, und

Figur 7 eine Seitenansicht eines Teiles der Kondruktion nach Figur 4..

In Figur 1 ist eine Bürsten- und Schleifringkonstruktion gezeigt, wobei der Schleifring 10 an der drehbaren Welle 12 befestigt ist und von dieser Mit Hilfe eines Isolierringes 14 isoliert ist. Mit dem Schleifring 10 besitzt eine bogenförmige Bürste 16 Kontakt, - wobei diese Bürste eine aus einer Vielzahl

zusammengesetzte

von bogenförmigen Bürsten/darstellen kann, die in gleichem Abstand am Umfang des. Schleifringes 10 verteilt sein können. Die Bürste 16 ist nachgiebig in Kontakt mit dem Schleifring 10 mit Hilfe einer Halterfeder 18 (garter spring) festgehalten. Die Festhaltefeder 18 und die Bürste 16 werden durch die Anschläge 20 und 22 festgehalten, die ihrerseits einen Teil eines ringförmigen Bürstenhalters 28 darstellen und daran befestigt sind, wie dies Tarn besten aus Figur 2 zu ersehen ist.

Eine Drehung des Schleifringes 10 im Uhrzeigersinn relativ zur Bürste 16, bewirkt eine Drehung der Bürste 16 im Uhrzeigersinn, bis die Bürste 16 an dem Anschlag 22 aufsetzt. Eine Drehung des Schleifringes 10 im Gegenuhrzeigersinn, relativ zur Bürste 16, bewirkt eine Drehung der Bürste im Gegenuhrzeigersinn, bis diese auf den Anschlag 20 aufsitzt. Die Neigung zum Folgen des Schleifringes 10 wird durch die nichtstarre Halterung der Bürsten durch den Bürstenhalter und die Haltefeder bewirkt.

Ein weiterhin zugeordnetes Bauelement ist gezeigt, das aus den elektrischen Leitungen 24, den Anschlüssen 25 besteht, wobei letztere an den Bürstenhalter 28 und dem sich nicht dre-

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henden Körper 26 "befestigt sind. Beim Betrachten wird klar, daß die Komponenten dieses Leiters abgewandelt weiten 'können und die relative Anordnung ebenso variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

In Figur 2 sind die Bürste 16, der Bürstenhalter 28 und der Schleifring 10 gezeigt, jedoch insbesondere die Beziehung dieser Teile zueinander. Wie sich aus der Figur entnehmen lässt, hält die Festhaltefeder 18 die Bürste in ausreichend vorgespanntem Zustand, um sie gegen den SdIeifring zu drücken. Der Strom kann zu der Bürste durch den Bürstenhalter 28, den Anschlag 20 oder durch die Haltefeder 18 fliessen. Es ist ebenso gezeigt, daß der Anschlag 20 als verstehender Abgriff vom Büstenhalter 28 ausgebildet ist.

In Figur 3 ist eine einzelne Bürste 16 gezeigt, und diese erstreckt sich als Bogen zu einem Winkel 6 · T)ie verschiedenen auf die Bürste wirkenden Kräfte sind, mit F , F ', F_f und F^ bezeichnet. Diese Kräfte haben eine bestimmte Grosse und wirksh/e'ine bestimmte Richtung, die soll jedoch nur zur Veranschaulichung dienen und stellt keinen einzelnen Betriebszustand dar, sondern es sind alle Kräfte gezeigt, die auf die Bürste einwirken können. 5" ist die resultierende Kraft, die von der Feder ausgeübt wird. 3? ist die Summe der radialen Kräfte, die auf die Bürste vom Schleifring her ausgeübt werden. F„ ist die Summe aller Reibungskräfte, die auf die Bürste wirken und zwar entsprechend der Drehung des Schleifringes. F stellt diejenige Kraft dar, die vom Anschlag 22 als Widerstand getreu die Drehung der Bürste mit dem Schleifring aus- ;geübt wird.

Nimmt man an, daß die Bürste mit deal Anschlag am Beginn der ■relativen Drehung nicht aufsitzt, so besteht eine unausge- ~ glichene Kräftebedingung, da S- Null ist. F_r iind F₃ sind gleich gross "imci' entgegengesetzt"gerichtet und sie .heben sich

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daher auf und F„ stösst die Bürste 16 zum Anschlag hin. Wenn die Bürste auf den Anschlag aufliegt, wird die Grosse von F.: -' nahezu gleich der Grosse von F~, da die Bürste-saufhört, sich? zu drehen und die Summe aller Momente um den Drehmitteipunkt wird gleich Null. Die Summe, der Momente auf den Anschlag wird jedoch nicht Null und die Bürste neigt dazusich um den Anschlag zu drehen* Das Ende der Bürste, das nicht mit dem Anschlag in Berührung steht, fängt an sich vom Schleifring abzuheben. Dies hat die Wirkung eines Yerschiebens der resultierenden Kräfte F und F , da die zusätzliche Federkraft am "freien" Ende der Bürste zunimmt und zwar im seihen Maß wie die Feder spannung zunimmt und die Reibungskraft nimmt ab, da sich das Ende der Bürste abzuheben beginnt. Dies hat die-Wirkung einer Bewegung' der resultierenden Kraft F im Uhr-zeigersinn zürn Anschlag hin ' und die resultierende Kraft F wird im Gegenuhrzeiger sinn gedreht und zwar vom Anschlag weg. Beide resultierende bleiben .jedoch radial wirkende Kräfte.

Wenn die Kraft F sich dem Anschlag nähert, so nähert sich ebenso <fer Wirkungspunkt von F„ dem Ansehung .und wenn F„ tangential wirkt, um eine Drehung um den Anschlag zu bewirken, wird das Moment um den Anschlag, das von F« stammt, abnehmen, da sich der Abstand (d) vermindert. Es stellt sich ebenso eine unausgeglichene Kräftebedingung zwischeiden "KräftenF„ ~ " und F ein, wobei das resultierende Moment dieser zwei Kräfte" dazu neigt, das von F„ hervorgerufene Moment zu versetzen. . '" Diese versetzende Kraft hat die Wirkung, die auf die Bürste wirkenden Kräfte in einem dynamischen Gleichgewichtszustand zu versetzen und dieser Abschnitt dies Betriebes ist daher ziemlich stabil..

Aus der Beschreibung des Betriebes einer Bürste und eines Bürstenhalters nach der vorliegenden Erfindung lässt sich erkennen daß das Verschieben der Kräfte, die auf die individuellen Bürste ι einwirken, zur Folge haben, daß die Bürste eine sehr stabile

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Betriebsphase aufweist. Das "bedeutet, daß,sobald eine Instabilität erscheint, wie z.B. "beim Anfang der Drehung oder "bei Veränderungen der Botationsgeschwindigkeit, die auf die Bürsten wirkenden Kräfte bewirken, daß sich diese leicht um ihre jeweiligen Anschläge in der Art zu drehen suchen, daß die ünausgeglichenheit automatisch und sofort beseitigt wird. Weiterhin ist diese Anadnung nicht für- einen Betria) in eine Richtung begrenzt, sondern in gleicher Weise entweder in Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem hrzeigersinn wirkungsvoll. Die grosse Bürstenkontaktflache stellt sicher, daß eine ziemlich grosse Kontaktfläche selbst dann aufrechterhalten wird, wenn extreme Betriebsbedingungen gegeben sind, so daß dadurch eine niedrige Stromdichte beibehalten wird, die zur Verlängerung der Lebensdauer der -Bürste erforderlich ist. Es läsfet sich erkennen, daß die vorliegende Erfindung die ihr zu Grunde liegende Aufgabe zufriedenstellend löst,

Das Merkmal der sich vermindernden Verschiebung nimmt, wie festgestellt wurde, zu und. zwar, im .selben Maß.e wie der Sinus des Winkels zunimmt, der vom Bogen der Bürste überspannt wird. Das bedeutet für kleine Winkel, daß die abnehmende Verschiebung klein ist, jedoch bei zunehmendem Winkel diese abnehmende Verschiebung zunimmt, bis zu einem Maximum von ungefähr 90°. Von da ab verbleibt sie nahezu konstant, bis der Winkel 180° eriBLcht hat. An diesem Punkt kann natürlich eine steife Bürste nicht anfangen sich um einen Anschlagt drehen und faßt den Schleifring ein. Als Beispiel würde z.B. eine Büiste mit einem Bogen, der einem Winkel von 30° entspricht, nur ungefähr 50 % des abnehmenden Verschiebungseffektes haben im Vergleich mit einer ähnlichen Bürste, die unter ahn 1 ich.en Bedingungen betrieben wird, jedoch einen Bogen entsprechend einem Winkel von 90° aufweist, . · .

In Figur 4 ist eine Bürste und ein Bürstenhalter· gezeigt, wobei

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"bei dieser Ausführungsform zwei Schleifringe verwendet, sind. Der Übersichtlichkeit halber sind Teile mit gleichen Bezugs^- _. zeichen versehen, Jedoch von 100 a11sf3ezah.lt , während gleiche Teile gleiche Beztigszeichen haben. Da diese Ausführung! &>xm eine abgewandelte Konstruktion "mit einer Erdrückleitungsbürste voaä. einem Schleifring darstellt und da das Erdpotential als negativ angenommen ist, sind zur Erde zugeordnete Teile mit einem ^ff a "versehen. Dies trifft ebenso für die Figuren 5, 6 und 7 zu. - . .^ ,

In dieser Ausführungsform sind die Bürstenhalter 128 und 128a mit Finger 118 und 188a ausgestattet, die anstelle der Haltefeder 18 treten. Die Bürsten 116 und 116a werden gegen die Schleifringe 10 und 10a gedrückt, die im isolierten Halter*15 festgehalten werden und sie sind zur "Drehung auf einer Well-e (nicht gezeigt) montiert. Die Diode 11 ist in dem Isolationsmaterial eingebettet gezeigt und sie sorgt für fortwährenden Schutz für d.ie Bürsten 116 und 116a und die Schleifringe 10 und 10a.

In Figur 5 ist a.ne Schaltung gezeigt, die in Verbindung mit der Döppelausfuhrung nach Figur 4 verwendet werden kann. Die Diode 11 verbindet die Schleifringe'miteinander, wobei die positive Elektrode mit dem mehr elektrisch positiven Schleifring verbunden ist. Eine herkömmliche Funkenunterdrückung und Schutzschaltung besteht aus einem Widerstand in Reihe mit einer Diode, was ergibt, daß zwischen dem öffnen der Schaltung und dem Abklingen des Stromes auf eLnen Wert entsprechend "aus"" eine kurze Zeit verstreicht. Auf der anderen Seite wurde festgestellt, daß dxirch eine Diode allein das Abklingen des Stromes langsamer vor sich geht, so daß während der Zeit eines typischen Springens der Bürste und einen Verlust an GKLeiclnässigkeit das Abklingen des Stromes nicht ausreichend zur Verhinderung einer Funkenbildung ist, um dadurch die Bürste und den Schleif-

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ring von Lochfraß und einem Abbrennen zu bewahren. Die elektrische Last 17 kann irgendeine Vorrichtung sein, die elektrischen Strom auswertet, wie'z.B. eine elektromagnetische Kupplung oder ähnliches.

Figur 6 zeigt einen Bürstenhalter 128a nach Figur 4-, wobei der Finger1i8a im entspannten Zustand ist und mit gestrichelten Linien ist die Arbeitslage dieses Fingers gezeigt. Diese, Konstruktion sorgt für eine Federkraft, um die Bürste sowohl zum Schleifring als auch zum Bürstenhalter hin vorzuspannen.

Figur 7 zeigt" eine Seitenansicht in gebrochener Darstellung der Konstruktion nach Figur 4-, Wie sich erkennen lässt, halten die Finger 118 die Bürste 116 in Konfakt mit dem Schleifring 10. Um einen Verlust an elektrischem Kontakt zwischen der Bürste 116 und dem Bürstenhalter 128 zu vermeiden, sind die Finger 118 al.^ sehr breit dargestellt, so daß sie dadurch eine gute Überleitung des Stromes zwischen Bürstenhalter und Bürste 116 gewährleisten.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten "Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung. · ." ■ - ■

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Claims (1)

1. P a tent an sp riiche

   Kontakt "bürste und Bürstenhalteranordnung in Verbindung mit,,

   wenigstens einem auf einer Welle drehbä^;r^wbe.festigten Schleifring, gekennzeichnet durch wenigstens eine Kontaktbürste (16) mit einer ersten zum Angriff an den Schleif-' ring (10) ausgebildeten Fläche, durch an eine zweite Fläche I der Kontaktbürste (16) angreifende Feder (18) und Mittel zum Vorspannen der Kontaktbürste (16) in Richtung zum" Schleifring (10), durch einen Kontaktbürstenhalter (28) zum. Festhalten der Kontaktbürste (16), wobei die Kontaktbürste (16) bogenförmig ausgebildet ist und die federnde Einrichtung (18) diese Kontaktbürste (16) lose in dem Bürstenhalter (28) festhält, und wobei Anschläge (20, 22) vorgesehen sind, die dem ' Bürstenhalter (28) zugeordnet sind und eine begrenzte Bewegung • der Kontaktbürste (16) mit dem Schleifring (10) ermöglichen-r

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmige Kontaktbürste (16) einem Bogen des Schleif-■pinpies (10) entsprechend weniger als 180° überspannt.

   3· Vorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmige Kontaktbürste (16) einen Bogen des Schleif-■ ringes (10) entsprechend grosser als J0° überspannt.

   4-, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j die Anschlegeinrichtung (20, 22) zumindest in Form einer Anzapfung ausgebildet ist, die von der Bürstenhalterung (28) ab-^J steht und geeignet ist, nach Drehung des Schleifringes (1.0) relativ zur Bürstenhalter'ng (28) auf einem Ende der bogen-, förmigen Kontaktbürste (16) aufzusitzen, um in Zusammenarbeit : mit der federnden Eesthaltevorrichtung (18) eine Drehneigung ^; der Kontaktbürste (16) um die Abzapfung (20 oder 22) zu bewirken.

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   "5« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß die Drehung des Schleifringes (10) relativ zur bogenförmigen KontsLkrfbiirste (16) sowohl im TJhr zeiger sinn als auch entgegen dem UhrzeigeiSLnn- erfolgen kann.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dacturch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von bogenförmigen Kontakthur st en (16) vorgesehen ist_T die je voneinander durch, einen kleinen: Abstand, getrennt sind, und daß die Anschlageinrichtungen (20, 22) in "diesen kurzen Abständen vorgesehen sind.

   7- Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gefcennzeihnet, daß die federnde Einrichtung aus einer Fe st— haXtefeder (18) besteht. '

   8. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenttzeichnet, daß die federnde Einrichtung aus aus dem Bürstenhalter (128) gestanzten Eederfinger (1.18, 118a) besteht.

   9· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schleifringe (10, 10a) vorgesehen sind, die jeweils mit wenigstens einer bogenförmigen Kontaktbürste (116, 116a) zu— samöieiMfirken und daß die Schleifringe (10, 1Oe) über eine Diode (11) miteinander verbunden sind.

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