DE60207772T2

DE60207772T2 - Bürstenanordnung

Info

Publication number: DE60207772T2
Application number: DE60207772T
Authority: DE
Inventors: Georg Tai Po N.T. Strobl
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: EP1244186A2; JP4056270B2; DE60207772D1; CN1378316A; US6949862B2; PL352919A1; US20050015973A1; US6822366B2; CN1265513C; GB0107152D0; MXPA02003021A; EP1244186A3; US20020135262A1; US7188407B2; CZ2002966A3; ES2252391T3; JP2002335653A; BR0200902A; ATE312421T1; EP1244186B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor und ein Verfahren zur Herstellung der gleichen.
Die Verwendung eines Graphit- oder auf Graphit basierenden Bürstenkopfes, der an einem Bürstenarm für eine Verwendung in einem Elektromotor montiert wird, ist bekannt. Graphitsegmentkommutatoren verwenden im Allgemeinen diesen Bürstentyp. Der Graphit auf der Graphitgrenzfläche verringert in bedeutendem Maß den Verschleiß und daher den Staub. Es erzeugt ebenfalls ein geringeres elektrisches Rauschen.
Die Verringerung des Verschleißes bedeutet, dass nur ein sehr kurzer Bürstenkopf erforderlich ist, was Materialeinsparungen und eine bessere Raumausnutzung innerhalb des Motors gestattet. Die Befestigung einer kürzeren Bürste am Bürstenarm erweist sich bei Anwendung der Standardverfahren infolge des Fehlens eines messbaren Bürstenkörpers zum Halten jedoch als problematisch. Das direkte Löten ist immer schwierig und erfordert einen Bürstenkörper mit einer hohen Kupferkonzentration. Aus gesundheitlichen Gründen wird das Löten im Allgemeinen vermieden, wo es möglich ist. Die übliche Verfahrensweise der Verwendung von Laschen am Bürstenarm, die elastisch verformt werden, um einen Abschnitt der Bürste zu ergreifen, erfordert einen bedeutenden Grundabschnitt für die Befestigung. Das Dokument DE-A-4125346 offenbart eine Bürstenanordnung, die einen Bürstenarm mit einer Öffnung für das Aufnehmen eines Vorsprunges eines Bürstenkopfes aufweist. Daher besteht eine Notwendigkeit für einen sicheren und zuverlässigen Eingriff eines Bürstenkopfes mit einem Bürstenarm, was die vorangehend erwähnten Probleme überwindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor bereitgestellt, die aufweist: einen Bürstenarm, der einen länglichen Streifen aus elastischem leitendem Material mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende aufweist, wobei das distale Ende einen Aussparungsabschnitt aufweist; und einen Bürstenkopf aus Graphitmaterial mit einem Vorsprung, der im Aussparungsabschnitt liegt, und einer Kappe am Vorsprung, wobei die Kappe den Bürstenkopf am Bürstenarm sichert.
Vorzugsweise sind die Aussparungen Öffnungen, und der Bürstenkopf weist Vorsprünge auf, die durch die Öffnungen hindurchgehen, um eine oder mehrere Kappen auf der entgegengesetzten Seite des Bürstenarmes zu bilden.
Vorzugsweise umfasst das Graphitmaterial ein Niedrigtemperatur-Duroplastbindemittel.
Vorzugsweise wird das Bindemittel mittels eines Heißpressverfahrens ausgehärtet, das angewandt wird, um die Kappen zu bilden.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines vorgeformten Bürstenarmes mit mindestens einem Aussparungsabschnitt in einer Form; Einführen des Bürstenmaterials in die Form; Pressen des Bürstenmaterials, um einen Bürstenkopf zu bilden, der am Bürstenarm angebracht ist; und Pressen des Bürstenmaterials in den mindestens einen Aussparungsabschnitt und Bilden einer Verankerung zusammenhängend mit dem Bürstenkopf, wodurch der Bürstenkopf in innigem Kontakt mit dem Bürstenarm gehalten wird.
Vorzugsweise ist das Bürstenmaterial im Wesentlichen Graphit, gemischt mit einem Duroplastbindemittel (wie beispielsweise Phenol), das bei Anwendung eines Heißpressverfahrens ausgehärtet wird, um den Bürstenkopf am Bürstenarm zu befestigen.
Vorzugsweise wird das rohe Bürstenmaterial in die Pressform als ein Block oder als ein vorgeformter roher Bürstenkopf eingeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird jetzt spezieller nur als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine perspektivische Hinteransicht einer ersten Ausführung eines Bürstenkopfes einer Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 eine Vorderansicht einer Ausführung eines Bürstenarmes der Bürstenanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 eine Vorderansicht der Bürstenanordnung, die den Bürstenkopf aus 1 zeigt, der durch den Bürstenarm aus 2 gehalten wird;
4 eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Bürstenanordnung; und
5 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführung der Bürstenanordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Mit Bezugnahme auf 1 bis 4 der Zeichnungen wird darin eine erste Ausführung einer Bürstenanordnung, auf die man sich im Allgemeinen mit 10 in 3 und 4 bezieht, für einen Elektromotor gezeigt. Die Bürstenanordnung 10 weist einen Bürstenkopf 12 und einen Bürstenarm 14 auf, typischerweise einen Blattfederbürstenarm, der aus einem Berylliumkupferstreifen gebildet wird. Der Bürstenarm kann mit Zinn, Nickel, Silber oder deren Legierungen zumindest in dem Bereich des Bürstenarmes in Kontakt mit dem Bürstenkopf beschichtet werden.
Der Bürstenkopf 12 wird typischerweise aus einem Material auf Graphitbasis gebildet, das ein Bindemittel aufweist, und ist so geformt, dass eine Vielzahl von Vorsprüngen 16 eingeschlossen wird. Bei dieser Ausführung ist der Bürstenkopf 12 ein Parallelepiped oder im Wesentlichen ein Parallelepiped, und die Vorsprünge 16 erstrecken sich von einer Rückfläche 12a davon. Der Bürstenkopf 12 kann jedoch irgendeine geeignete Form aufweisen. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Duroplast, wie beispielsweise Phenolharz oder ein Epoxid.
Der Bürstenarm 14 umfasst eine Vielzahl von Aussparungsabschnitten in der Form von Öffnungen 18, von denen eine jede einem entsprechenden der Vorsprünge 16 entspricht. Die Öffnungen 18 werden typischerweise am oder benachbart dem bei Benutzung freien Ende des Bürstenarmes 14 gebildet und sind so dimensioniert, dass die Vorsprünge 16 aufgenommen werden.
Der Bürstenarm 14 kann ebenfalls weitere Öffnungen oder Schlitze 20 (von denen nur eine in 2 und 3 gezeigt wird), die vorhanden sind, um die Flexibilität oder Elastizität des Bürstenarmes einzustellen, und Öffnungen 22 umfassen, mittels der der Bürstenarm 14 an beispielsweise einer Stromklemme eines Elektromotorgehäuses (nicht gezeigt) befestigt werden kann. Da jedoch diese charakteristischen Merkmale im Fachgebiet gut bekannt sind, werden weitere Einzelheiten weggelassen.
Der Bürstenkopf 12, wenn er am Bürstenarm 14 montiert ist, umfasst ebenfalls eine Verankerung in der Form einer oder mehrerer Kappen 24 (wovon eine in 4 gezeigt wird). Sobald der Bürstenkopf 12 am Bürstenarm 14 positioniert ist, wird das freie Ende eines jeden Vorsprunges 16 mit einer entsprechenden Kappe 24 oder einer einzelnen Kappe 24 ausgebildet, die so dimensioniert ist, dass sie alle Vorsprünge 16 abdeckt.
Wenn die Bürste 10 montiert wird, ist das auf Graphit basierende Material, das für den Bürstenkopf 12 verwendet werden soll, anfangs „roh". Das ist der Zustand des Materials vor der Wärmebehandlung, und, da das Bindemittel nicht verfestigt oder ausgehärtet wurde, kann das Material relativ leicht erweicht und geformt werden. Dieser „rohe" Zustand ermöglicht, dass der Bürstenkopf 12 entweder in einem separaten Pressverfahren vorgeformt werden kann, bevor er mit dem Bürstenarm 14 in Eingriff gebracht wird, d.h., die Form des Bürstenkopfes 12 und der Vorsprünge 16 kann vorgeformt werden, oder dass der Bürstenkopf 12 zusammen mit seinen Vorsprüngen 16 und Kappen 24 während des Heißpressverfahrens gebildet werden kann. Die Öffnungen 18 werden im Bürstenarm 14 typischerweise durch Auspressen des Materials des Bürstenarmes 14 zu dem Zeitpunkt gebildet, zu dem der Bürstenarm aus dem Berylliumkupferstreifen gestanzt wird. Der Bürstenkopf 12 wird danach über den Bürstenarm 14 gegossen.
Das Übergießverfahren nimmt die Form eines Heißpressverfahrens an, das das Heißpressen des rohen Bürstenmaterials bei einer relativ niedrigen Temperatur, beispielsweise 200 °C, zur Folge hat, um das Bürstenmaterial und den Bürstenarm zu pressen. Während die Temperatur des rohen Bürstenmaterials ansteigt, erweicht oder verflüssigt sich das Bindemittel, wodurch gestattet wird, dass sich das Bürstenmaterial plastisch verformt. Da nur ein „Niedrigtemperatur" erwärmen erfolgt, wird der Bürstenarm nicht spannungsfrei gemacht, was geschehen würde, wenn das Bürstenmaterial bei hohen Temperaturen gesintert würde, beispielsweise 400 bis 700 °C.
Unter dem Druck durch das Heißpressverfahren tendiert das plastisch verformbare Bürstenmaterial dazu, die Spalten zwischen dem Bürstenkopf 12 und dem Bürstenarm 14 zu füllen, zu blockieren und/oder zu verschließen, wodurch ein inniger Kontakt mit dem Bürstenarm hergestellt wird. Beim Abkühlen härtet das Bindemittel aus, wodurch das Material hart wird und der Bürstenkopf fest am Bürstenarm verankert wird. Eine stabile und zuverlässige Befestigung des Bürstenkopfes 12 am Bürstenarm 14 wird auf diese Weise bewirkt.
Der Bürstenarm 14 kann beispielsweise mit Zinn, Nickel, Silber oder einem anderen geeigneten Material beschichtet werden, um die Oxidation während des Übergießverfahrens zu verhindern oder zu behindern.
Das rohe Bürstenmaterial kann in die Form durch Einspritzen als ein Rohling oder als ein vorgeformter Bürstenkörper eingeführt werden. Die Eignung eines jeden Verfahrens hängt teilweise von der Fließfähigkeit des verwendeten Materials ab. Mehr Bindemittel erhöht die Fließfähigkeit, erhöht aber ebenfalls den Widerstand des Bürstenkopfes.
Für das eingespritzte Material oder die einfachen Rohlinge wird das Material, das in die Form an einer ersten Seite 14a des Bürstenarmes eingeführt wird, erweicht und gepresst, damit es durch die Öffnungen 18 im Bürstenarm und in einen Hohlraum auf der umgekehrten Seite des Bürstenarmes fließt, wo es eine oder mehrere Kappen 24 an dem Ende des Vorsprunges bildet, das durch die Öffnungen hindurchgeht.
Wenn die vorgeformten Bürstenkörper verwendet werden, werden die Vorsprünge 16 in den Öffnungen 18 angeordnet, wenn das rohe Bürstenmaterial und der Bürstenarm in der Form angeordnet werden und das Heißpressverfahren die Enden der vorgeformten Vorsprünge 16 verformt, um die Kappen 24 zu bilden. Die vorgeformten Bürstenkörper werden bevorzugt, wenn ein relativ steifes, rohes Bürstenmaterial verwendet wird, infolge des geringeren Maßes der Bewegung des Bürstenmaterials, die während des Formvorganges erforderlich ist.
In beiden Fällen bildet das Pressverfahren die Kappen, die die Bürstenköpfe am Bürstenarm halten, und liefert eine endgültige Form des Körpers des Bürstenkopfes einschließlich, wenn es gewünscht wird, einer gerillten Kontaktfläche mit vielen feinen Rillen.
Bei einer zweiten Ausführung der Bürste 10, die in 5 gezeigt wird, weist der Bürstenarm 14 drei Aussparungsabschnitte in der Form von Öffnungen 18 auf, in die die Vorsprünge 16 eingesetzt oder gebildet werden können. Eine einzelne Kappe 24 bedeckt die Vorsprünge 16 und überdeckt die hintere Fläche oder Oberfläche 14b des Bürstenarmes 14, um den Bürstenkopf 12 mit dem Bürstenarm 14 zu verbinden. In diesem Fall wird der Verbindungswiderstand zwischen dem Bürstenarm 14 und dem Bürstenkopf 12 infolge der größeren Kontaktfläche zwischen den zwei Teilen niedriger sein.
Bei einer Abwandlung (nicht gezeigt) der Bürstenanordnung 10 kann der Bürstenarm eine einzelne Öffnung aufweisen. Typischerweise wird die Öffnung eine nicht kreisförmige Form aufweisen, um eine Winkelverschiebung des Bürstenkopfes relativ zum Bürstenarm bei Benutzung zu verhindern.
Alternativ könnte der Bürstenarm Aussparungsabschnitte längs seiner Ränder für das Verkeilen des Bürstenkopfes am Arm aufweisen. Öffnungen werden jedoch für die Erhaltung des Graphitmaterials bevorzugt.
Obgleich der spezifische Widerstand der Bürste der vorliegenden Erfindung infolge dessen hoch sein wird, dass das Bindemittel ausgehärtet und nicht in Kohlenstoff umgewandelt oder verdampft wird, kann dieser teilweise durch die verkürzte Länge des Bürstenkopfes 12 ausgeglichen werden.
Eine Bürste für einen Elektromotor, die einen Bürstenkopf aufweist, der sicher und zuverlässig an einem Bürstenarm befestigt ist, und der speziell für Bürsten von kurzer Länge geeignet ist, kann so bereitgestellt werden.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungen werden nur als Beispiel vorgelegt, und für die Fachleute werden verschiedene Abwandlungen offensichtlich sein, ohne dass man vom Bereich der Erfindung abweicht, wie er durch die als Anhang beigefügten Patentansprüche definiert wird.

Claims

Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor, die aufweist: einen Bürstenarm (14), der einen länglichen Streifen aus elastischem, leitenden Material mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende aufweist, wobei das distale Ende einen Aussparungsabschnitt (18) aufweist; und einen Bürstenkopf (12) aus Graphitmaterial mit einem Vorsprung (16), der im Aussparungsabschnitt (18) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenkopf (12) eine zusammenhängende Kappe (24) am Vorsprung aufweist, die den Bürstenkopf (12) am Bürstenarm (14) sichert.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Bürstenarm (14) eine Anzahl von Aussparungsabschnitten in der Form von Öffnungen (18) aufweist, und bei der der Bürstenkopf (12) eine entsprechende Anzahl von Vorsprüngen (16) aufweist, wobei jeder Vorsprung eine entsprechende Kappe (24) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Bürstenarm (14) eine Anzahl von Aussparungsabschnitten in der Form von Öffnungen (18) aufweist, und bei der der Bürstenkopf (12) eine entsprechende Anzahl von Vorsprüngen (16) und eine Anzahl von Kappen (24) aufweist, wobei die oder jede Kappe (24) an einem oder mehreren der Vorsprünge (16) gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der der Bürstenkopf (12) eine einzelne Kappe (24) aufweist, die am distalen Ende aller Vorsprünge (16) gebildet wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die oder jede Kappe (24) zusammenhängend mit dem oder jedem Vorsprung (16) gebildet wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Graphitmaterial des Bürstenkopfes (12) ein Niedrigtemperatur-Duroplastbindemittel umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der der Bürstenkopf (12) am Bürstenarm (14) bei Anwendung eines Heißpreßverfahrens befestigt wird.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der das Bindemittel durch ein Heißpreßverfahren ausgehärtet wird.
Anordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei der das Bindemittel Phenolharz ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Bürstenarm (14) aus Beryllium-Kupfer besteht und mit einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Zinn, Nickel, Silber und deren Legierungen besteht, mindestens im Bereich in Kontakt mit dem Bürstenkopf (12) beschichtet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Bürstenanordnung für einen Miniaturelektromotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines vorgeformten Bürstenarmes (14) mit mindestens einem Aussparungsabschnitt (18) in einer Form; Einführen des Bürstenmaterials in die Form; Pressen des Bürstenmaterials, um einen Bürstenkopf (12) zu bilden, der am Bürstenarm (14) angebracht ist; und Pressen des Bürstenmaterials in den mindestens einen Aussparungsabschnitt (18) und Bilden einer Verankerung (24) zusammenhängend mit dem Bürstenkopf (12), wodurch der Bürstenkopf (12) in innigem Kontakt mit dem Bürstenarm (14) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Aussparungsabschnitt mindestens eine Öffnung (18) umfaßt und die Verankerung durch Pressen des Bürstenmaterials durch die oder jede Öffnung (18) von einer ersten Seite des Bürstenarmes (14) gebildet wird, um eine Kappe (24) auf der entgegengesetzten Seite des Bürstenarmes (14) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bürstenarm (14) eine Vielzahl von Öffnungen (18) aufweist und das Bürstenmaterial durch die Öffnungen (18) gepreßt wird, um eine Vielzahl von Vorsprüngen (16) zu bilden, die sich durch die Öffnungen (18) erstrecken, und um eine einzelne Kappe (24) zu bilden, die mit dem Bürstenkopf (12) durch die Vielzahl von Vorsprüngen (16) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bürstenarm (14) eine Vielzahl von Öffnungen (18) aufweist und das Bürstenmaterial durch die Öffnungen (18) gepreßt wird, um eine Vielzahl von Vorsprüngen (16) zu bilden, und um eine Vielzahl von Kappen (24) zu bilden, die mit dem Rest des Bürstenkopfes (12) durch die Vorsprünge (16) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Bürstenmaterial im Wesentlichen Graphitmaterial ist, das mit einem Duroplastharzbindemittel gemischt wird, und bei dem das Preßverfahren ein Heißpreßverfahren ist, das das Bindemittel aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt des Heißpressens das Bürstenmaterial auf eine Temperatur erhitzt, bei der sich das Bindemittel zu verflüssigen beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem das Bürstenmaterial in die Preßform als ein Block aus rohem Bürstenmaterial eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem das Bürstenmaterial zuerst kaltgepreßt wird, um einen rohen Bürstenkopf (12) mit mindestens einem Vorsprung (16) zu bilden, bei dem der Vorsprung (16) mit dem Aussparungsabschnitt (18) im Bürstenarm (14) in Eingriff gebracht wird und der rohe Bürstenkopf (12) und der Bürstenarm (14) zusammen in der Form angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem der Bürstenarm (14) mit Nickel, Zinn, Silber oder deren Legierungen zumindestens in dem Bereich beschichtet wird, der durch den Bürstenkopf (12) bedeckt wird, bevor er in der Form angeordnet wird.