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Die
Erfindung betrifft Bürstenträger für Kontaktbürsten einer
Kommutatormaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zur
Halterung und Führung
von Kontaktbürsten
einer Kommutatormaschine sind Bürstenträger bekannt,
die aus einem den Kontaktbürsten
angepassten Trägerrahmen
bestehen, in den die Kontaktbürsten
eingesetzt, in Längsrichtung
des rahmenförmigen
Trägerrahmens
zum Nachstellen verschiebbar angeordnet sind und mittels einer an
der dem Kommutator abgewandten Rückseite
der Kontaktbürsten anliegenden
Druckfeder in Richtung auf den Kommutator vorgespannt und mit dem
Ankerstrom gespeist werden. Eine einfachere und kostengünstigere
Lösung
für einen
Bürstenträger besteht
aus Federelementen, insbesondere Blattfedern, die durch Formgebung
und Eigenfederverhalten für
die erforderliche Vorspannung der Kontaktbürsten sorgen und den Kontaktbürsten den
Strom zuführen.
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Aus
der WO 03/032 468 A1 ist ein Bürstenhaltesystem
für eine
elektrische Antriebseinrichtung bekannt, das eine Bürstenhalteplatte
mit einem zentralen Durchbruch zur Aufnahme eines Kollektors und
an der Bürstenhalteplatte
angeordnete und je eine Bürste aufweisende,
den Bürstenstrom
führende
Blattfedern enthält,
die die Bürsten
in Richtung auf den Kollektor vorspannen. Die Blattfedern sind in
der Seitenansicht U-förmig
ausgebildet, wobei das freie Ende des einen Schenkels die unmittelbar
oder über eine
Bürstenaufnahme
an der Blattfeder angeordnete Bürste
und das andere Ende der Blattfeder senkrecht zur Bürstenhalteplatte
in diese einsteckbar ist.
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Um
zu vermeiden, dass die Bürstenfedern mit
den Bürsten
bei Betrieb der Antriebseinrichtung leicht in Schwingungen geraten
und störende
Geräusche
verursachen, weist die Bürstenhalteplatte
des bekannten Bürstenhaltesystems
Führungsmittel
zur Führung
der Bürsten
bzw. der die Bürsten
aufnehmenden Bürstenabschnitte
der Blattfedern in radialer Richtung auf. Durch die Aufnahme von
Querkräften sollen
die Führungsmittel
verhindern, dass die Bürsten
oder Bürstenabschnitte
der Blattfedern in Drehrichtung des Kommutators bewegt werden können, so
dass ein freies Schwingen der die Bürsten aufweisenden Enden der
Blattfedern unterbunden und damit die während des Betriebs der Antriebseinrichtung von
den Blattfedern ausgehende Geräuschentwicklung
reduziert wird.
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Von
dem bekannten Bürstenhaltesystem ausgehend,
liegt dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung
zugrunde, Schwingungen des Bürstenträgers und
damit das Auftreten störender
Geräusche
mit einfachen, kostengünstig herstellbaren
und einsetzbaren Mitteln zu verhindern bzw. wirksam zu unterdrücken.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung verhindert bzw.
unterdrückt
Schwingungen insbesondere mit der Kommutatorfrequenz oder Bürstengeräuschfrequenz
und damit das Auftreten störender
Geräusche mit
einfachen und kostengünstig
herstellbaren sowie kostengünstig
einsetzbaren Mitteln. Dabei kann das Material, die Struktur, die
Anordnung und die Verbindung des elastischen Elements mit den Federlementen
in weitem Umfange variiert und den jeweiligen Bedingungen angepasst
werden.
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Durch
geeignete Materialauswahl für
das elastische Element ergibt sich die Möglichkeit einer Einstellung
der Federkonstanten des elastischen Elements und damit des Dämpfungsgrades.
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Vorzugsweise
besteht das elastische Element aus einem elektrisch isolierenden
Material, verbindet die Federelemente und spannt diese in Richtung
des Kommutators vor, so dass sowohl der Anpressdruck der Kontaktbürsten an
den Kommutator erhöht
als auch eine erhöhte
Dämpfung
der Federelemente bewirkt wird.
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Eine
erste Variante der Ausbildung und Anordnung des elastischen Elements
besteht in einem die den Kontaktbürstenstrom führenden
Schenkel der Federelemente miteinander verbindenden Vorspannelement.
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In
einer zweiten Variante, die auch mit der ersten Variante kombiniert
werden kann, sind über die
Bürstenschuhe
hinausragende Federarme der Federelemente mit dem elastischen Element
verbunden.
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Bei
der zweiten Variante sind die Federarme der Federelemente an Auflagebereichen
des elastischen Elements abgestützt,
so dass durch die Art und Form der Auflage der Federarme auf dem
elastischen Element der Dämpfungsgrad
bei im Wesentlichen freier Auswahl der Formgebung der Federarme und
dem Material sowie der Formgebung des elastischen Elements einstellbar
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung spannt das elastische
Element die Federelemente in Richtung des Kommutators vor und sichert
damit zusätzlich
zu der Verbindung der Federelemente mit der Kommutatormaschine und die
Formung der Federelemente einen festen Kontakt der Kontaktbürsten mit
der segmentierten Oberfläche
des Kommutators.
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Durch
ein Abwinkeln der Enden der Federarme wird eine Abstützfläche der
Federarme auf dem elastischen Element gebildet, durch deren Größe und Form
das Maß der
Schwingungsdämpfung
bei gleichzeitiger Sicherstellung der Vorspannung und Nachführung der
Federelemente in Richtung auf den Kommutator einstellbar ist.
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In
bevorzugter Ausführung
besteht das elastische Element aus einem Band, dessen Bandenden am
Polrohr der Kommutatormaschine eingespannt sind.
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Die
Ausbildung des elastischen Elementes als Band ermöglicht eine
kostengünstige
Herstellung des aus einem Elastomer-, Kunststoff-, kombinierten Elastomer-
und Kunststoff band oder einem vorzugsweise mit Kunststoff umspritzten
Stahlband bestehenden Bandes durch Extrusion. Dabei ermöglicht die
formschlüssige
Verbindung des Bandes mit dem Bürstenträger einerseits
eine Abstimmung des Bandes auf die Form und Abmessung der Federelemente und
andererseits einen einfachen Ersatz bei einem Austausch der Kontaktbürsten sowie
Unterbindung der Übertragung
von Körperschall
vom Band auf die Bürstenträger.
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Darüber hinaus
ermöglicht
die Ausgestaltung des elastischen Elementes als Band einen zusätzlichen
Toleranzausgleich und durch Materialauswahl und Zusammensetzung
sowie Abmessung des Bandes eine Einstellung der Federkonstanten
des Bandes und damit des Dämpfungsgrades.
Sowohl die Querschnittsfläche
als auch die Querschnittsform des Bandes kann dabei dem gewünschten
Dämpfungsverhalten
angepasst werden.
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Die
Länge der
Federarme und des Bandes ist so bemessen und die Bandenden sind
derart mit dem Bürstenträger verbunden,
dass die Bandenden unter einem spitzen Winkel gegenüber der
Horizontalen geneigt sind Durch die Neigung der Bandenden und den
horizontalen Verlauf des Bandes zwischen den zu einander beabstandeten
Enden der Federarme wird ein Bandknick bewirkt, der eine zusätzliche Abstützung und
Vorspannung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator erzielt.
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Weiterhin
kann durch Festlegung des Winkels zwischen den Bandenden und der
Horizontalen, des gegenseitigen Abstands der Abstützflächen der Federelemente,
der Federkraft des Bandes und/oder der Höhe der Abstützflächen der Federelemente auf dem
Band gegenüber
der Verbindung des Bandes mit dem Bürstenträger die Stärke der Schwingungsdämpfung eingestellt
werden.
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Durch
eine insbesondere wellen- oder zackenförmig ausgebildete Profilierung
der Auflagebereiche des Bandes wird einem Wegschwingen der freien
Enden der Federelemente entgegen der Vorspannung der Federelemente
in Richtung auf den Kommutator entgegengewirkt und damit ein vorgegebener
Andruck der Kontaktbürsten
auf den Kommutator sichergestellt.
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Durch
Ausbildung der Profilierung des Bandes als Nachstellrasten, die
einer Verstellung der Abstützflächen der
Federelemente entgegen der Vorspannung der Kontaktbürsten entgegenwirken,
wobei die Nachstellrasten vorzugsweise ein Sägezahnprofil mit unterschiedlicher
Flankenneigung aufweisen, dessen stärker geneigte Flanken zur Mittelängsachse
des Bürstenträgers gerichtet
sind, wird nicht nur einem Wegschwingen der freien Enden der Federelemente
entgegen der Andruckrichtung der Kontaktbürsten entgegengewirkt, sondern
zugleich ein Nachstellen der Federelemente und damit der Kontaktbürsten in
Richtung auf den Kommutator bei Bürstenabnutzung bewirkt.
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Zusätzlich können in
den Kontaktbereichen des Bandes mit den Enden der Federarme Metallbügel beispielsweise
durch Einspritzen in das Band eingesetzt werden, wodurch die Wärmebelastbarkeit des
Bandes erhöht
wird.
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Zur
Stabilisierung des zwischen den freien Enden der Federelemente verlaufenden Bandabschnitts
kann zwischen dem Bürstenträger und
der dem Kommutator abgewandten Seite des Bandes ein elastisches
Stützelement
angeordnet werden.
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Zur
Vereinfachung der Herstellung und Einsparung von Verbindungsleitungen
sowie zur Platz sparenden Anordnung sind die Schenkel der Federelemente
mit einer Schaltungsplatine für
die Steuerung der Kommutatormaschine verbunden.
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Um
die Vorspannung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator
zu erhöhen,
weisen die Schenkel der Federelemente zueinander gerichtete Biegeabschnitte
auf, in denen Längsschlitze
zur Aufnahme des stabförmig
ausgebildeten Vorspannelements angeordnet sind, das die Schenkel
mit einander verbindet und so zusätzlich vorspannt und Schwingungen
dämpft.
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Anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der Erfindung
zugrunde liegende Gedanke näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung des Polrohrs einer Kommutatormaschine,
eines Kommutators und eines mit einer Schaltungsplatine verbundenen
Bürstenträgers mit
an einem Schwingungsdämpfungsband
abgestützten
Blattfedern;
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2 eine
perspektivische Darstellung wie in 1 mit einem
in Längsschlitze
der Federschenkel der Federelemente eingesetztem Vorspann- und Dämpfungselements;
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3 einen
schematisch-perspektivischen Querschnitt durch das Polrohr der Kommutatormaschine,
den Kommutator und den Bürstenträger mit am
Schwingungsdämpfungsband
abgestützten
Blattfedern und zusätzlichem
Abstützelement;
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4 eine
schematisch-perspektivische Darstellung einer Variante der Enden
der Federarme der Blattfedern und
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5a bis 5c verschiedene
Oberflächengestaltungen
und Profilierungen des Schwingungsdämpfungsbandes gemäß den 1 bis 3.
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In
den 1 bis 3 ist in schematisch-perspektivischer
Ansicht und im Querschnitt eine Kommutatormaschine 1 mit
einem Polrohr 10, einem mit dem Anker der Kommutatormaschine 1 verbundenen
Kommutator oder Kollektor 6 und einem Bürstenträger 2 dargestellt.
An den Kommutatorsegmenten bzw. -stegen liegen zwei diametral zueinander
angeordnete Kontaktbürsten 31, 32 an,
die von zwei als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 gehalten
und in Richtung des Kommutators 6 vorgespannt sind, so
dass sie an den Kommutatorsegmenten mit vorgegebenem Anpressdruck
anliegen. Die Schenkel 41, 51 der Federelemente 4, 5 sind
mit einer Schaltungsplatine 9 zur Steuerung der Kommutatormaschine 1 verbunden
und führen
den Ankerstrom zu den über
Bürstenschuhe 40, 50 mit den
Federelementen 4, 5 verbundenen Kontaktbürsten 31, 32.
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Im
Betrieb der Kommutatormaschine 1, d. h. bei rotierendem
Kommutator 6, gleiten die Kontaktbürsten 31, 32 auf
den Kommutatorsegmenten bzw. Kommutatorstegen und werden dabei in
Schwingungen versetzt. Bei dem aus den Kontaktbürsten 31, 32 und
den Federelementen 4, 5 gebildeten schwingungsfähigen Systemen
ist die Ausbildung mehrerer mit der Kommutatorfrequenz oder Bürstengeräuschfrequenz
auftretender Resonanzstellen von besonderem Nachteil, da sie die
durch den Kontakt der Kontaktbürsten
mit den Kommutatorsegmenten verursachten Schwingungen verstärken und über die Verbindung
der Federelemente mit der Bürstenträger zu erheblich
störenden
Bürsten- bzw. Kommutierungsgeräuschen führen. Die
nachstehend beschriebenen Maßnahmen dienen
dazu, die durch das schwingungsfähige
System aus Kontaktbürsten 31, 32 und
den als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 hervorgerufenen
Schwingungen zu unterdrücken
bzw. zu reduzieren.
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Eine
erste Variante zur Dämpfung
der durch das schwingungsfähige
System aus Kontaktbürsten 31, 32 und
den als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 hervorgerufenen
Schwingungen und zur zusätzlichen
Erhöhung
des Anpressdruckes der Kontaktbürsten 31, 32 an
dem Kommutator 6 besteht darin, dass die Schenkel 41, 51 der
Federelemente 4, 5 mit Biegeabschnitten versehen
sind, die zueinander und in Vorspannrichtung gerichtet sind und Längsschlitze 43, 53 aufweisen,
in die ein stabförmiges
Vorspann- und Dämpfungselement 8 aus
elektrisch isolierendem Material eingesetzt ist, das die Schenkel 41, 51 der
Federelemente 4, 5 miteinander verbindet und dadurch
sowohl in Vorspannrichtung, d. h. in Richtung auf den Kommutator 6,
federnd vorgespannt als auch eine Dämpfung von Schwingungen bewirkt.
Zum Einsetzen des Vorspann- und Dämpfungselements 8 in
die Längsschlitze 43, 53 der
Schenkel 41, 51 weisen diese an einem Ende einen
vergrößerten Ausschnitt
auf, durch den die verdickten Enden des stabförmigen Vorspann- und Dämpfungselements 8 steckbar
sind. Durch Verlagern des Vorspann- und Dämpfungselements 8 zum Ort
des geringsten Abstandes der Schenkel 41, 51 liegen
die verdickten Enden des stabförmigen
Vorspann- und Dämpfungselements 8 formschlüssig an den
vom Kommutator weggerichteten Außenseiten der Schenkel 41, 51 an.
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Alternativ
weisen die Federelemente 4, 5 über die Bürstenschuhe 40, 50 hinaus
verlängerte Federarme 42, 52 mit
abgewinkelten Enden 44, 54 auf, die an einem als
Schwingungsdämpfungsband 7 ausgebildeten
elastischen Element abgestützt
sind, das die durch das schwingungsfähige System aus Federelementen 4, 5,
Bürstenschuhen 40, 50 und Kontaktbürsten 31, 32 verstärkten Schwingungen
gegebenenfalls zusätzlich
zu dem Vorspann- und Dämpfungselement
dämpft
bzw. eliminiert.
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Das
Schwingungsdämpfungsband 7 ist
in Aufnahmeelementen 21, 22 an den Seiten des
Polrohrs 10 der Kommutatormaschine 1 eingespannt, die
unter Berücksichtigung
der Länge
des Bandes 7 so angeordnet sind, dass das Band 7 an
den Berührungspunkten
bzw. Berührungsflächen mit
den Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 der
Federelemente 4, 5 abgewinkelt ist. Dadurch weist
das Band 7 zwei schräg
verlaufende Bandenden 71, 72 und einen waagerecht
zwischen den abgewinkelten Enden 42, 52 der Federarme 42, 52 verlaufenden
mittleren Abschnitt 70 auf.
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Dieser
Verlauf des Bandes 7 und die ausgehend von den Bürstenschuhe 40, 50 mit
ihren Enden 44, 54 zur Mittelängsachse des Bürstenträgers 2 bzw.
Kommutatrors 6 ausgerichteten Federarmen 42, 52 bewirken,
dass die Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 zusätzlich zur
Mittelängsachse
des Bürstenträgers 2 hin
vorgespannt und damit die Kontaktbürsten 31, 32 verstärkt gegen
den Kommutator 6 gedrückt
werden, wobei die Formung der Federelemente 4, 5 in
Verbindung mit dem Verlauf und der Oberflächengestaltung des Bandes 7 sowie
die Ausformung der Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 eine Dämpfung der
Federelemente 4, 5 nach außen, d. h. von der Mittelängsachse
des Bürstenträgers 2 weggerichtet
sowie eine freie Bewegung zur Mittelängsachse hin, bewirken.
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Dabei
bestimmt der Winkel α,
den die Bandenden 71, 72 des Bandes 7 mit
der Horizontalen einschließen,
und der damit ein Maß für die Abwinklung
des Bandes 7 darstellt, in Verbindung mit der Federkraft
des Bandes 7 und der Auflagefläche der Enden 44, 54 der
Federarme 42, 52 auf dem Band 7 die Stärke der
Schwingungsdämpfung.
Durch Einstellung der Federkonstanten des Bandes 7, durch
Variation des Winkels α und
durch Veränderung
der Größe und Art
der Auflagefläche
der Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 auf
dem Band 7 kann somit das Maß der Dämpfung bei vorgegebener Konfiguration des
schwingungsfähigen
Systems aus Kommutator 6, Kontaktbürsten 31, 32 und
Federelementen 4, 5 eingestellt werden. Das Band 7 ermöglicht dabei gleichzeitig
einen Toleranzausgleich für
die Anordnung und die Abmessung des Bürstenhalters 2 und der
Elemente des Bürstenhalters 2.
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An
den Berührungsflächen der
Federelemente 4, 5 mit dem Band 7 kann
zusätzlich
ein Metallbügel
eingelegt werden, der die Wärmebeständigkeit
des Bandes 7 infolge der Erhitzung der Kontaktbürsten 31, 32 und
der Federelemente 4, 5 erhöht.
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Das
Band 7 wird beispielsweise aus einem Elastomer, aus Kunststoff
oder einer Kombination aus einem Elastomer und einem Kunststoff
hergestellt oder als vorzugsweise mit Kunststoff umspritztes Stahlband
ausgebildet und insbesondere extrudiert. Die Verbindung des Bandes 7 mit
der Bürstenträger 2 erfolgt
durch Formschluss zwischen an den Bandenden 71, 72 angeordneten
keilförmigen
Befestigungsteilen 73, 74 und an den Sei tenflächen des Polrohrs 10 angeordneten
Befestigungsaufnahmen 21, 22 mit entgegen gesetztem
Aufnahmeprofil, d. h. mit einer schwalbenschwanzähnlichen Ausnehmung.
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Zur
Abstützung
des mittleren, waagerechten Abschnitts 70 des Bandes 7 kann
ein vorzugsweise elastisches Stützelement 15 zwischen
der dem Kommutator 6 abgewandten Fläche des mittleren Abschnitts 70 des
Bandes 7 und einem an der Innenseite des Polrohrs 10 vorgesehenen
Vorsprung 23 angeordnet werden.
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Die
Enden 44, 45 der Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 können beliebig
geformt, insbesondere in der in den 1 bis 3 dargestellten Form
ausgebildet werden oder als Enden 54' mit einer breiten Auflagefläche eines
Federelementes 5' in der
Konfiguration gemäß 4 zur
Kontaktierung mit dem Band 7 aufweisen.
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Um
ein Wegschwingen der Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 im
Betrieb der Kommutatormaschine zu verhindern, ist die dem Kommutator 6 zugewandte
Oberfläche
des Bandes 7 mit einer Profilierung versehen. 5a zeigt
ein Band 7' mit einer
wellenförmigen
Profilierung und 5b eine Band 7'' mit einer zackenförmig ausgebildet
Profilierung.
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In
einer weiteren in 5c schematisch dargestellten
Ausführungsform
ist die Oberfläche
eines Bandes 7''' mit einer sägezahnförmigen Struktur versehen, wobei
die steil abfallenden Flanken 701 des sägezahnförmigen Bandes 7''' der
Mittelängsachse des
Bürstenträgers 2 zugewandt
ist, während
die flach abfallenden Flanken 702 entgegengerichtet sind.
Das Sägezahnprofil
gemäß 5c bewirkt
ein Nachstellrasten der Federelemente 4, 5 beim
Abrieb der Kontaktbürsten 31, 32 sowie
beim Auftreten exzessiver Schwingungen und dementsprechender, zur Mittelängsachse
gerichteter Bewegung der Federelemente 4, 5.
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- 1
- Kommutatormaschine
- 2
- Bürstenträger
- 4,
5, 5'
- Federelemente
- 6
- Kommutator
oder Kollektor
- 7
- Schwingungsdämpfungsband
- 7'
- Schwingungsdämpfungsband
mit wellenförmiger
Profilierung
- 7''
- Schwingungsdämpfungsband
mit zackenförmiger
Profilierung
- 7'''
- sägezahnförmiges Schwingungsdämpfungsband
- 8
- Vorspann-
und Dämpfungselement
- 9
- Schaltungsplatine
- 10
- Polrohr
- 15
- elastisches
Stützelement
- 21,
22
- Aufnahmeelemente
- 23
- Vorsprung
- 31,
32
- Kontaktbürsten
- 40,
50
- Bürstenschuhe
- 41,
51
- Schenkel
der Federelemente
- 42,
52
- Federarme
der Federelemente
- 43,
53
- Längsschlitze
- 44,
54
- abgewinkelten
Enden der Federarme
- 54'
- Ende
mit breiter Auflagefläche
- 70
- mittlerer
Abschnitt des Schwingungsdämpfungsbandes
- 71,
72
- Bandenden
des Schwingungsdämpfungsbandes
- 73,
74
- keilförmigen Befestigungsteile
- 701
- Stark
abfallende Sägezahnflanken
- 702
- flach
abfallenden Sägezahnflanken