DE1956718A1 - Buerstenhalterung fuer rotierende elektrische Maschinen - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, den 6. November 1969 ar-sr

Anmelder: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin: Docket BO 968 034

Bürstenhalterung für rotierende elektrische Maschinen

Bürstenhalterung für rotierende elektrische Maschinen mit einem in radialer Richtung federnd auslenkbaren Halter, an dem die Bürste beweglich befestigt ist.

Derartige Bürstenhalterungen wurden vorzugsweise für elektrisch rotierende Maschinen (Motoren, Generatoren und Umformer) geschaffen, deren Rotor einen Kommutator und eine Ankerwicklung aufweisen* die aus gedruckten Leitungszügen bestehen können. Insbesondere sind diese Bürstenhalterungen auch zweckmäßig bei Elektromotoren zu verwenden, bei denen ein schneller Anlauf und Stillstand,bzw. eine schnelle Umsteuerung in die andere Drehrichtung gefordert werden. Selbstverständlich sind derartige Bürstenhalterungen auch bei den rotierenden elektrischen Maschinen konventioneller Bauart vorteilhaft verwendbar.

Durch die vor einigen Jahren eingeleiteten Entwicklungen im Elektromaschinenbau wurden Motoren geschaffen, die ein besonders kleines Trägheitsmoment im Vergleich zu den bekannten elektrischen Maschinen aufweisen und die dadurch einen schnellen Anlauf und einen schnellen Wechsel in ihrer Drehrichtung ermöglichen. Derartige elektrische Maschinen haben nur ein kleines Schwungmoment und relativ wenig Masse, da die Ankerwicklung des Motorn aus tv-er

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gedruckten Schaltungsanordnung bestehen kann und der Anker eisenfrei,oder _: eisenarm ausgeführt ist. Da diese Maschinen relativ empfindlich sind,,. ist, der Kommutierung (oder auch Stromwendung genannt) besondere Aufmerksamkeit zu widmen, um einen maximalen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer sowie einen ungestörten Maschinenbetrieb zu erhalten. Be- , sonders kritisch ist eine wirksame Kommutierung bei den sehr großen Be»- schleunigungen bzw. Verzögerungen des Motors, um bei den sich sehr schnell ändernden Bewegungsvorgängen die erforderliche elektrische Energie durch die zwischen dem Kollektor und den Bürsten gebildete Auflagefläche zu bekommen.

Zu dem Problem der Energieübertragung zwischen Kollektor und Bürsten während der Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge des Motors kommt noch ein weiteres Kommutierungsproblem hinzu, das durch das geringe Schwungmoment dieser Maschinenkonstruktion erzeugt wird. Während die bekannten elektrischen Maschinen sehr stabil und massiv gebaut sind, weisen diese neuzeitlichen elektrischen Maschinen eine Leichtbauweise mit sehr geringer Masse und Trägheit auf.

Der Rotor ist in Form einer dünnen Röhre gestaltet, auf deren Oberfläche der Kommutator, ebenfalls in Leichtbauweise ausgeführt angeordnet ist. Diese Bauweise weist keine große Festigkeit auf. Derartige elektrische Maschinen besitzen gewöhnlich keinen Kollektor bekannter Bauart, die Kommutierung erfolgt vielmehr direkt auf den Windungen der Rotor wicklung. Bei einer derartigen Kommutatoranordnung, bei der die Bürsten direkt auf den Windungsoberflächen der Wicklung schleifen, liegen wesentlich ungünstigere Verhältnisse vor als bei den Maschinen, welche mit den bekannten Kollektoren ausgerüstet sind. Außerdem ist bei den nur eine geringe Trägheit aufweisenden elektrischen Maschinen die Auflagefläche der Bürsten meistens nicht gleichmäßig groß, sie kann durch Vibration oder Schlingerbewegungen sich verändern, sich in axialer Richtung verschieben, ungleichhohe Leiter als Unebenheiten aufweisen. Der Kommutator kan> .sie"*: plütz-

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lieh evtl. durch Belastungsänderungen zur Bürste hin oder von der Bürste wegbewegen, teils ist auch der Rotor unrund, außerdem können Belastungsänderungen oder andere Unregelmäßigkeiten ein Flattern der Bürsten bewirken. Bisher war die Energieübertragung durch die übliche bekannte Kommutierungstechnik bei den eine geringe Trägheit aufweisenden elektrischen Maschinen nicht voll zufriedenstellend. Bei den bisher gebräuchlichen Bürstenhaltern ist die als Bürste 'dienende Kohlebürste entweder an dem Ende eines abhebbar schwenkbaren Armes angebracht, oder am Ende einer Druckfeder, durch welche die Kohlebürste gegen die Oberfläche des Kollektors gedrückt wird. In jedem Fall bestehen bei diesen bekannten Bürstenhalterungen Reibungskräfte, die eine freie Bewegung der Bürste behindern, um einer plötzlichen Bewegung der Kommutatoroberfläche sofort zu folgen. Die Kohlebürste kann somit beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten einer plötzlichen Bewegung der Kommutatoroberfläche in radialer Richtung nicht sofort folgen und es ergibt sich demzufolge ein ungleicher Bürstendruck und ein unstetiger Übergangswiderstand an den Kommutierungsstellen. Durch die Unrundheit des Rotors bzw. Kommutators bzw. durch die Laständerungen kann es möglich sein, daß die Bürsten von "der Kommutierungsoberfläche abheben, wodurch Bürstenfeuer und eine erhöhte Abnützung der Bürste sowie eine Beschädigung der Kommutierungs oberfläche und einen Verlust der Energieübertragung auftreten können. Da die bekannten Bürstenhalterungen es nicht ermöglichen, daß die Bürsten den *

Änderungen der Kommutatoroberfläche sofort getreu folgen können, ergibt sich ein weiteres Problem derart, daß die Größe der Ubergangsfläche zwischen Bürste und Kommutator variiert. Dadurch entsteht eine Beeinträchtigung der Charakteristik des Motors, eine ungleiche Bürstenabnützung und eine Verminderung der Wirksamkeit bei der Energieübertragung. Es ist außerdem schwierig, mit den bekannten Bürstenhalterungen für die beiden möglichen Drehrichtungen der elektrischen Maschine jeweils eine gleichmäßige Energieübertragung bzw. einen gleichmäßigen Stromfluß zu erzielen, ohne besondere Maßnahmen zu ergreifen.

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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, die Schaffung einer neuen, besseren Bürstenhalterung für die Kommutierungsanordnung von rotierenden elektrischen Maschinen. Diese neue Bürstenhalterung soll die vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Bürstenhalterungen, z. B. ungewolltes Abheben bzw. Flattern der Bürsten, eine ungleiche Abnützung derselben und eine ungleichmäßige Energieübertragung zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Maschinenteil bei allen Belastungszuständen und bei beiden Drehrichtungen vermeiden. Die neue Bürstenhalterung soll es außerdem ermöglichen, daß die Bürsten immer mit der gleichen Druckbelastung und mit ihrer gesamten Oberfläche auf dem Kommutator aufliegen, auch wenn der Kommutator bzw. der Rotor durch plötzliche Bewegungsänderungen in radialer Richtung, z. B. durch Unrundheit, Schwingungen, Unebenheiten, Laständerungen und andere Vorgänge, radial ausgelenkt wird. In allen diesen Fällen soll die Bürste getreu und gleichzeitig diesen Bewegungsänderungen folgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindung »wischen der Bürste und dem Bürstenhalter aus einem sphärisch geformte Glieder enthaltenden drehbeweglichen Gelenk besteht, das durch wenigstens eirii mit der Bürste verbundenen und am Bürstenhalter aufliegenden Klammer zuEarru-nengehalten -wird, die den Drehbewegungsbereich der Bürste begrenzt, und daß die Bürstenhalterung einschließlich der Bürste eine Eigenfrequenz aufweist, die wenigstens zweimal größer ist als die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine.

Diese erfindungsgemäße Bürstenhalterung einschließlich der Bürste hat die Vorzüge, daß sie eine extrem geringe Masse aufweist und daß sie auf einfache Weise preisgünstig herzustellen ist und daß eine lange Standzeit der Bürste zu erwarten ist. Außerdem ist durch die einfache Konstruktion dieser Bürstenhalterung das Einsetzen in die elektrische Maschine, das Aufsetzen der Bürsten auf den Kommutator des Rotors und das Abheben bzw. das Herausnehmen aus der elektrischen Maschine sowie die Inspektion

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der Bürsten und des Kommutators leicht möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Perspektivdarstellung, teilweise im Schnitt, einen schnell anlaufenden Motor geringer Trägheit mit der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bürstenhalterung; Fig. 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung;

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung die Ansicht eines Schnittes entlang der Linie 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 ebenfalls in vergrößerter Darstellung, ähnlich wie in Fig. 4, eine etwas andere Ausführung einer erfindungsgemäßen Bürstenhalterung.

Die Fig. 1 zeigt einen schnell anlaufenden, ein geringes Schwungmoment aufweisenden und im Drehsinn umsteuerbaren Elektromotor von der Art, bei der die erfindungsgemäße Bürstenhalterung besonders zweckmäßig ist. Der Motor 10 hat ein Gehäuse 12, das auch als Träger für die anderen Motorelemente dient, z.B. den Stator 14 und den Rotor 16. Die Darstellung zeigt, daß der Stator 14 aus einer Anzahl von Dauermagneten 18 besteht, deren Polschenkel 20 aneinanderliegen und deren Polflächen zum Rotor 16 zeigen. Die Statormagnete 18 werden mittels eines am Gehäuse 12 befestigten Trägers 22 in ihrer Position festgehalten. Der Rotor 16 besteht im wesentlichen aus einer dünnwandigen Röhre aus isolierendem Material (z. B. mit Epoxyharz getränkten Glasfasern), auf deren Oberfläche in gedruckter Schaltungstechnik die Wicklung mit den Windungen 24 aufgebracht ist. Die gedruckten

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Leiter züge der einzelnen Windungen 24 verlaufen auf den Oberflächen der Außen- und der Innenseite der Isolierröhre und jeder Leitungszug einer Windung 24 hat zum benachbarten einen gleich großen genauen Abstand. Ein bestimmter Längenbereich der auf der Außenseite des Rotors 16 befindlichen Leiterzüge der Windungen 24 dient als Kommutator.

Der Rotor 16 kann sich in beiden Richtungen frei um eine Achse 28 drehen, deren beide Enden in stehende Lagerschilder 30 und 32 an den Enden des Gehäuses 12 eingespannt sind. Die Achse 28, welche auch als Träger für die nicht abgebildeten Kugellager dient, kann sich durch den Stator 14 erstrecken.

Der Motor 10 dient zum Antrieb einer Rolle 34, die mit dem Rotor 16 über ein Kupplungsstück 16a verbunden ist. Die Rolle 34 dient zum Antrieb eines Magnetbandes oder eines Lochstreifens zwecks Bewegung desselben in der einen oder anderen entgegengesetzten Richtung.

Die Kommutierung oder die Stromverwendung in den Windungen 24 des Rotors 16 erfolgt durch die drehbewegliche Kohlebürste 36 der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung. Wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist, gehört zu jeder Bürstenhalterung eine Kohlebürste 36, die rittlings auf den Kommutatorbereich 26 aufgesetzt ist und die über die Leitungszüge der Windungen 24 in diesem Bereich bei einer Drehung des Rotors 16 schleift. Bei jeder Kohlebürste 36 ist die Seite mit der sie auf dem Kommutator aufliegt künftig Auflagefläche.38 genannt - bogenförmig gestaltet und an die Krümmung des Kommutators angepasst. Es wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, wenn der Radius für die Krümmung der Auflagefläche 38 etwas kleiner als der Radius für die Kommutatoroberfläche gewählt wird. Durch diese Gestaltung wird erreicht, daß nach einer kurzen Einlaufzeit und geringen Abnützung der Kohlebürste 36 deren Auflagefläche 38 satt auf dem · Kommutator aufliegt. Die Auflagefläche 38 der Kohlebürste ist in ihrer Größe so gewählt, daß eine zuverlässige Übertragung der elektrischen

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Energie zwischen dem Rotor 16 und dem Stator 14 des Motors 10 ermöglicht wird, wobei die Abmessungen der Auflagefläche 38 so gewählt sind, daß je nach der vorliegenden Wicklungsart des Motors die entsprechende Anzahl der Kommutatorsegmente der Windungen E4 durch die Kohlebürste 36 überdeckt werden. Die Quer Schnitts-Abmessungen der Kohlebürste 36 bzw. die Größe der Auflagefläche 38 ist abhängig von der Art der Wicklung auf dem Rotor 16 und der am Kommutator zu übertragenden Energie. Diese Faktoren sind dem Fachmann wohl bekannt. Um eine möglichst geringe Masse für die Kohlebürste 36 zu erhalten, hat diese, wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist, eine nur geringe Bauhöhe und einen niedrig liegenden Schwerpunkt. Außerdem liegt der Mittelpunkt der Lagerung des kugelförmigen Drehgelenkes (das "

später noch beschrieben wird) zwischen Kohlebürste und Bürstenhalterung ziemlich niedrig, zwecks Verringerung der transversalen Belastung und Reibung zwischen der Kohlebürste und der bewegten Kommutator oberfläche. Es wurde in Versuchen ermittelt, daß mit der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung die Abnützung der Kohlebürsten sehr gering ist und daß mit einer nur minimalen Bürstenhöhe eine sehr große Standzeit der Kohlebürsten erzielt wird, auch wenn die Kohlebürsten 36 aus einem bisher gebräuchlichen Material, z.B. Silber-Graphit, bestehen.

Bei der Kohlebürste 36 ist auf deren Oberseite entgegengesetzt zur Auflagefläche 38 ein kugelförmiges Drehgelenk oder auch Schultergelenk als dreh- ' bewegliche Verbindung zum Halter 44 vorgesehen. Mittels dieses Schultergelenkes, das in begrenzten Bereichen in mehreren Richtungen drehbeweglich ist, erfolgt eine bewegliche mechanische und elektrische Kupplungsverbindung zwischen der Kohlebürste 36 und dem Bürstenhalter 44. Dieses Schultergelenk besteht im wesentlichen aus einer Kugel und einer pfannenförmigen Fassung 42. In der Ausführung dieses Beispiels, dargestellt in den Fig. 1 bis 4, enthält das kugelförmige Gelenk ein sphärisch geformtes Glied 40, das auf der Kohlebürste 36 montiert ist. Dieses sphftrirsdi geformte Glied 40, welches z. B. eine Stahlkugel sein kann, ist auf der Mitte der Oberseite der Kohlebürste 36 angeordnet, wobei der Mittelpunkt der Kugel

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über dem Mittelpunkt der Auflagefläche 38 der Kohlebürste 36 zu liegen kommt. Um möglichst eine geringe Ge samt-bauhöhe der Kohlebürste 36 und des Schultergelenkes sowie einen niedrig liegenden Drehpunkt zu erhalten, wird die Kugel 40 in eine pfannenförmige Fassung 42 eingesetzt, die in die Kohlebürste 36 eingelassen ist. Diese pfannenförmige Fassung 42 ist durch Verklebung oder Kittung mit der Kohlebürste 36 verbunden.

Die Kugel 40 dient als Zwischenglied in der Gelenkverbindung und verbindet die Kohlebürste 36 mit einer länglichen Blattfeder 44, welche als Bürstenhalter dient. Die Blattfeder 44 weist vorne an dem freien Ende eine etwa halbkugelförmige Verformung auf, künftig konkave Pfanne 46 genannt, deren offene Seite zur Kohlebürste 36 zeigt. Diese konkave Pfanne 46 liegt auf der oberen Hälfte der Kugel 40 auf, während deren untere Hälfte in der pfannenartigen Fassung 42 der Kohlebürste 36 gelagert ist. Durch dieses drehbewegliche Schulter gelenk kann sich die Kohlebürste 36 leicht und getreu an die allseitigen Bewegungsänderungen des Kommutators anpassen. Es ist ein Vorzug dieser erfindungsgemäßen Bürstenhalterung, daß der Abstand vom Mittelpunkt des-Gelenkes zur Auflagefläche 38 kleiner ist als die Breite der Kohlebürste 36, so daß das beim Lauf des Rotors 16 durch die ScMeifreibung erzeugte Drehmoment an der Kohlebürste 36 klein bleibt uriu daß dadurch der AufLagedruck an den beiden Seiten der Auflagefläche 38 nur geringfügig beeinflußt wird. Aus der Fig. 4 ist zu ersehen, daß die Kugel 40 nicht ganz durch die konkave Pfanne 46 umfaßt bzw. von dieser gehalten wird, und daß sie sich von der Blattfeder 44 weg nach unten bewegen kann. Um zu verhüten, daß das Gelenk außer Eingriff kommt, z. B. bei abgehobenem Bürstenhalter, ist eine Klammer 48 vorgesehen, welche das drehbewegliche Gelenk zusammenhält. Die Klammer 48 enthält ein Kappenteil 50, das mit dem Oberteil der Kohlenbürste 36 mechanisch und elektrisch gut gleitend verbunden ist, durch seitliche Abbiegungen 52, welche in die Seitenwände der Kohlenbürste 36 eingreifen und diese festklemmen. Dieses Kappenteil 50 weist weiter an der Stelle,wo die Kugel 40 in die Kohlebürste 36 eingesetzt wird, ein Loch 54 auf. Das eine Ende des Kappenteils 50 geht

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in einen Haltebügel 56 über, -welcher von der Bürstenoberseite rechtwinklig nach oben und dann nach rückwärts gebogen ist und sich über das Ende der Blattfeder 44 erstreckt und an diesem aufliegt. Der Haltebügel 56 hat den Zweck, zu verhüten, daß die Kugel 40 nach unten fällt und außer Eingriff mit der konkaven Pfanne 46 kommt, Aus der Fig. 4 ist weiter zu ersehen, daß durch den Haltebügel 56 und die Blattfeder 44 die Beweglichkeit und der Spielraum der Kugel 44 nicht zu sehr eingeschränkt ist. Um die niedrige Gesamtbauhöhe der Bürstenhalterung nicht zu überschreiten und um möglichst den Mittelpunkt des Schultergelenks nahe an der Kohlebürste 36 zu haben, ist der Haltebügel 56 an seinem zurückgebogenen Ende mit einem runden Loch 58 versehen. In dieses Loch 58 ragt die warzenförmige Ausbuchtung der konkaven Pfanne 46 der Blattfeder 44, ohne daß dadurch die Dreh- bzw. Schwenkmöglichkeit des Schultergelenkes beeinträchtigt wird. Alternativ kann der Haltebügel 56 auch so angeordnet sein, daß ein nach unten abgebogenes Ende in die kalottenförmige Pfanne eingreift und dadurch die Auslenkung der Kohlebürste 36 beschränkt. Diese Anordnung ist jedoch nicht so zweckdienlich, d^ddadurch der Schwerpunkt des Schultergelenkes unvorteilhaft verlagert werden würde.

Das andere Ende des Kappenteils 50 der Klammer 48 gegenüber dem Haltebügel 56 geht in einen Anschlagfinger 60 über, der ebenfalls von der Ober seite der Kohlebürste 36 rechtwinklig nach oben gebogen ist. Der Anschlag finger 60 durchdringt ein in der Blattfeder 44 befindliches Loch 62 und begrenzt dadurch eine übermäßige bzw. unzulässige Verdrehung der Kohlebürste 36 in ihrer Lage, bezogen auf den Bürstenhalter bzw. die Blattfeder 44. Eine weitere rechtwinklige Abbiegung 64 am oberen Ende des Anschlagfingere 60 begrenzt den horizontalen Neigungswinkel der Kohlenbürste 36 in Richtung Rotor ach· e. und unterstützt die seitlichen Abbiegungen 52 der Klammer 48, um die Kohlenbürste 36 in ihrer richtigen Lage in der Bürstenhalterung zu halten.

Eine andere Ausführung der erfindungsgemlßen Bürstenhalterung ist in der

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•Fig. 5 dargestellt. Bei dieser modifizierten und vereinfachten Ausführung erfolgt im Prinzip in etwa eine Umkehrung des vorstehend beschriebenen Schultergelenkes, das in den Fig. 2, 3 und 4 abgebildet ist. Bei dieser modifizierten Ausführung ist wiederum im vorderen Ende der Blattfeder 44 die konkave Pfanne jedoch in der anderen Richtung eingeformt und bildet eine nach unten vorstehende Ausbuchtung 40' mit gerundeter Kappe. Diese gerundete Ausbuchtung 40' greift in eine konkave geformte Pfanne 46', die in das Kappenteil 50 der Klammer 48 eingedrückt ist. Diese Ausbuchtung 46' in der Spitze der Blattfeder 44 ersetzt die Kugel 40 des erstgenannten Ausführung sbei spiels und dient als sphärisches Glied im drehbeweglichen Schultergelenk der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung. Dieses modifizierte Gelenk funktioniert im Prinzip in der gleichen Weise wie das aus der Kugel 40 und der konkaven Pfanne 46 bestehende kugelförmige Schultergelenk. Es hat außer dem vereinfachten Aufbau noch den Vorzug, daß der Drehpunkt noch näher an der Kohlenbürste 36 liegt. Die Klammer 48 dient auch in diesem Fall dem gleichen Zweck, Zusammenhalt der Kohlenbürste 36 mit dem Bürstenhalter und die Begrenzung der allseitigen Drehbewegung der Kohlenbürste 36.

Die als Bürstenhalter verwendete Blattfeder 44 dient als Halter und Träger für die Kohlenbürste 36 und gleichzeitig auch als Leitung für den durch die Kohlenbürste fließenden Strom. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Verhinderung von Unsicherheiten des Stromweges ist das Gelenk durch eine Litze 66 überbrückt, die einerseits mit der Klammer 48 und andererseits mit dem Bürstenhalter der Blattfeder 44 verbunden ist. Diese flexible Litze 66 ist an die Anschlußstellen angelötet.

Die erfindungsgemäße Bürstenhalterung ist in der Ausführungsart, wie in Fig. 1 dargestellt ist, am Gehäuse des Motors 10 isoliert befestigt. An dem von der Kohlenbürste 36 am weitesten entfernten Ende der Blattfeder 44 is.t ein Haltering 68 angeordnet. Dieser Haltering 68 besteht in einer vor zügeweisen Ausführung aus einem Phenol-Kunststoffkörper, der die Blattfeder

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umschließend, direkt an diese, angeformt ist. Wenn der Haltering 68 in das Gehäuse 12 des Motors 10 eingesetzt ist, weist die Blattfeder 44 zur Horizontalen bzw. Achse des Rotors 16 eine Neigung auf, die so gewählt ist, daß die Kohlebürste 36 unter der Grenzlinie der Kommutator oberfläche liegen würde. Durch diese etwas geneigte Anordnung der Blattfeder 44 liegt deshalb die Kohlenbürste 36 mit einer vorbestimmten Vorspannung auf dem Kommutator auf. An der Kommutierungs.fläehe ergibt sich somit ein bestimmter Kontaktdruck zwischen Kohlebürste und den Kommutator elementen. Dieser Kontaktdruck liegt natürlich auch als Belastung an dem Schultergelenk zwischen der Kugel 40 und der Pfanne 46 an, so daß die Kohlenbürste 36 dadurch in einer spielfreien Lage sicher gehalten wird. Durch diese Vorspannung ist die Kohlenbürste 36 auch gegen die vom Gehäuse 12 übertragenen Erschütterungen innerhalb gewisser Grenzen geä chert und folgt treu den unerwünschten Bewegungen des Kommutators.

Es wurde beobachtet, daß durch die Verbindung über einen Drehpunkt nur solche Kräfte auf die Bürste übertragen werden, die in radialer Richtung in bezug zum Kommutator verlaufen, da die eindeutig definierte Lage, der Kugel 40 keine Tendenz aufweist auszuweichen oder sich ungleichmäßig abnützt. Die Konstruktion der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung sieht vor, daß der Radius des Dreh-Mittelpunktes des Gelenkes sehr klein ist, wodurch unerwünschte Aktivitäten der Kohlebürste, z. B. Flattern oder Schwingungen weite stgehend verhindert werden. Durch die Kurvenform, der Auflagefläche 38 der Kohlebürste 36 und durch die Druckkraft, erzeugt durch die Blattfeder 44, wird die Kohlebürste 36 zuverlässig in ihrer vorbestimmten Lage gehalten. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung beruht darauf, daß die dem Kommutator folgenden Bewegungen der Kohlenbürste 36 in radialer Richtung,verursacht durch die Unrundheit des Rotors 16 bzw. Ungleichheit der Windungsleiter des Kommutators, von der flexiblen Blattfeder 44 aufgenommen werden, so daß die aus den Ungleichförmigkeiten resultierenden Belastungskräfte die Gleitreibung zwischen den relativ bewegten Teilen bzw. die Ubergangswiderstände am

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Kommutator nicht beeinflussen, wie es bei den bisher bekannten Kommutierungsanordnungen der Fall ist. Eine nach radial auswärts gerichtete Beschleunigung der Kohlebürste bewirkt einfach eine erhöhte Durchbiegung der Blattfeder 44. Radial einwärts gerichtete Bewegungen der Kohlenbürste und des Kommutators verringern die Durchbiegung dieser Blattfeder 44. Wird die Eigenfrequenz der Blattfeder 44 so gewählt, daß sie in bezug auf die Frequenz der radialen Bewegungen hoch ist, dann wird eine Tendenz vermieden, daß die Kohlebürste vom Kommutator abhebt. Diese Anpassung der Blattfeder 44 bzw. der Bürstenhalterung an die Rotationsfrequenz ist bei der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung durchgeführt. Als primäre Quelle der wesentlichen radialen Bürstenbeschleunigung wurde festgestellt, daß dies Unrundheiten des Rotors 16 und Ungleichheiten in der Kommutatoroberfläche sind. Demzufolge sollte die Eigenfrequenz,mit der die Kohlebürste im wesentlichen in radialer Richtung beschleunigt wird, in einer Größenordnung liegen, die etwa das Zweifache der Drehzahl des Kommutatorelementes bzw. des ¹ROtOrS 16 beträgt, um eine saubere Kommutierung und eine lange Bürstenstandzeit zu erhalten. Die außergewöhnlich niedrige Masse der Kohlebürste 36 und der ihr zugeordneten Gelenkelemente 40 und 48 ermöglichen eine hohe Eigenfrequenz der Bürstenhalterung, ohne daß die Blattfeder 44 eine unangemessen hohe Steifigkeit aufweisen muß. Die Blattfeder 44 ist so zu wählen, daß durch ihre Biegekraft die Kohlebürste 36 mit ihrer Auflagefläche 38 leicht und gleichmäßig auf dem Kommutator aufliegt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß dir ch die erfindungsgemäße Bürstenhalterung eine außergewöhnlich große Energieübertragung* zwischen der Kohlebürste und dem Kommutator möglich ist, auch bei sehr großer Drehzahl des Motors und bei Unrundheiten desselben, sowie bei Unebenheiten der Kommutatoroberfläche. Aus diesem Grund ist die erfindung s gemäße Bürstenhalterung besonders zweckmäßig bei den elektrisch •rotierenden Maschinen mit geringer Trägheit zu verwenden, bei denen auch die Kommutatorelemente einfacher ausgeführt sind als bei den bekannten

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Motoren bzw. Generatoren, die vielfach präzis gearbeitete Kollektoren aufweisen. Die erfindungsgemäße Bürstenhalterung kann natürlich vorteilhaft auch bei diesen konventionellen elektrischen Maschinen und auch bei anderen Anordnungen angewendet werden, z» B. bei Reglern, Verteilern oder bei Meßaufbauten zur Meßwertübertragung usw. Es ist beachtenswert, daß bei der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung die Abnützung der Kohlebürsten sehr niedrig ist, auch wenn der Kommutator nicht genau konzentrisch ist und seine Oberfläche Unebenheiten aufweisen.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Bürstenhalterung ist besonders für rotierende elektrische Maschinen zweckmäßig, deren Betrieb häufig in zwei einander entgegengesetzten Bewegungsrichtungen erfolgt. Die Anordnung der drehbeweglichen Verbindung zwischen der Kohlebürste und dem Bürstenhalter wurde geschaffen, um auch bei einem Motor, der in zwei Drehrichtungen im schnellen Umsteuerbetrieb laufen muß, einen möglichst geringen Bürstenverschleiß zu haben. Wenn jedoch die erfindungsgemäße Bürstenhalterung in einer rotierenden elektrischen Maschine verwendet wird, die nur in einer Drehrichtung betrieben wird, dann ist es zweckmäßig, den Drehpunkt des Schultergelenkes nicht mehr in der Mitte der Kohlebürste anzuordnen, sondern etwas weiter weg von der auflaufenden Kante der Kohlebürste. Dabei wird als auflaufende Kante der Kohlenbürste die Kante verstanden, die bei einer Drehung des Motors im richtigen Drehsinn von einem Punkt auf dem Kommutator zuerst berührt wird. Diese Verschiebung des Drehpunktes im Gelenk weg von der Mittelachse der Bürste bewirkt einen Ausgleich des durch die Reibung verursachten Kippmomentes, um den Drehpunkt und damit einen gleichmäiiigen Auflagedruck der Kohlebürste auf dem; Kommutator und •ine gleichmäßige Abnützung der Kohlenbürste. Der Betrag der Versetzung des Drehpunktes aus der Mitte ist abhängig von der Grüße des durch die Reibungskraft erzeugten Momentes, welches berechenbar ist.

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Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Bürstenhalterung für rotierende elektrische Maschinen mit einem in radialer Richtung federnd auslenkbaren Halter, an dem die Bürste beweglich befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Bürste (36) und dem Halter (44) aus einem sphärisch geformte Glieder (40, 42, 46) enthaltenden drehbeweglichen Gelenk besteht, das durch wenigstens eine mit der Bürste verbundenen und am; Halter aufliegenden Klammer (48) zusammengehalten wird, die den Dreh-Bewegungsbereich der Bürste begrenzt, und daß die Bürstenhalterung einschließlich der Bürste eine Eigenfrequenz aufweist, die wenigstens zweimal größer ist als die Drehzahl des Rotors (16) der elektrischen Maschine.
2. 2. Bürstenhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (44) aus einer einseitig isoliert eingespannten länglichen Blattfeder besteht, deren Einspannwinkel und Federkraft so gewählt.sind, daß die am freien Ende über das Gelenk angeklemmte Bürste mit einer Vorspannung am Kommutator (26) des Rotors aufliegt.
3. 3. Bürstenhalterung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (44) in der elektrischen Maschine so angeordnet ist, daß seine Längsrichtung in Längsrichtung zur Mittelachse des Rotors (16) verläuft,
4. 4. Bürstenhalterung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die sphärisch geformten Glieder der Gelenkverbindung aus einer in der Oberseite der Kohlebürste eingelassenen konkaven Fassung (42), einer daxin eingesetzten Kugel (40) und einer auf deren Oberseite aufliegenden, am freien Ende dee Halter· (44) angebrachten konkaven Pfanne (46) bestehen.

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5. 5. Bürstenhalterung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammer (48) aus einem mit der Kohlebürste -verbundenen Kappenteil (50), einem seitlich daran anschließenden, zurückgebbgenen, etwa parallel zum Kappenteil verlaufenden Haltebügel (56) und einem die Drehbewegung begrenzenden Anschlagfinger (60) besteht und daß der Haltebügel.ein Loch (58) aufweist, in das die Ausbuchtung der Pfanne (46) des Halters (44) einragt.
6. 6. Bürstenhalterung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Drehbewegung begrenzende Anschlagfinger (60) aus einer rechtwinklig gebogenen Verlängerung des Kappenteils (50) der Klammer (48) besteht, und daß der Anschlagfinger durch ein im Halter (44) befindliches Loch (62) ragt und an seinem Ende eine weitere rechtwinklige Abbiegung (64) aufweist.
7. 7. Bürstenhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärisch geformten Glieder des drehbeweglichen Gelenkes (Fig. 5) aus einer in der Oberseite der Kohlebürste (36) befindlichen Vertiefung und einer in der Klammer (48') in deren an der Kohlebürste befindlichen Kappenteil (50) angebrachten Pfanne (40') und einer am vorderen Ende des Halters (44) angeformten warzenförmigen Ausbuchtung (46') bestehen, daß diese Ausbuchtung in die Pfanne eingreift und damit eine etwa kugelförmige Lager stelle bildet, und daß in den durch die Ausbuchtung gebildeten Hohlraum ein rechtwinklig abgebogener Schenkel des Haltebügels (56) der Klammer (48) als Haltesicherung einragt.
8. 8. Bürstenhalterung nach einem der Ansprüche I₁ 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsmaß vom Mittelpunkt des Drehgelenkes bis zur Auflagefläche (38) der Bürste (36) auf dem Kommutator (26) kleiner ist als die Breite der Bürste (36).

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9. 9. Bürstenhalterung für eine elektrische Maschine die in beiden Drehrichtungen betrieben wird, nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Gelenkverbindung auf der Mittelachse der Bürste liegt.
10. 10. Bürstenhalterung für eine elektrische Maschine die nur in einer Drehrichtung betrieben wird, nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Gelenkverbindung in Drehrichtung von der Mittelachse der Bürste verschoben ist.

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