WO2008040684A1

WO2008040684A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: WO2008040684A1
Application number: PCT/EP2007/060316
Authority: WO
Inventors: Achim Neubauer; Ina Constantinides; Dirk Altmeyer; Werner Herm; Andrew Pierson
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-04-10
Also published as: DE102006047085A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einem Kommutator (11) mit Kontaktsegmenten (19) und mit mindestens einer die Kontaktsegmente (19) kontaktierenden Bürste (12). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Kontaktsegment (19) und/oder die Bürste (12) abrassive Partikel (21) umfasst.

Description

Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 10 2004 051 461 Al ist eine elektrische Maschine mit einem Plankommutator bekannt, an dessen Stirnseite mehrere Kontaktsegmente angeordnet sind, die von mit Rollfedern beaufschlagten Bürsten kontaktiert werden. Um einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu erzielen und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern, werden ständig Anstrengungen unternommen, den Kontakt zwischen den Bürsten und den Kontaktsegmenten zu optimieren. Üblicherweise stellen sich gute Kontaktbedingungen erst nach einer Einlaufphase der elektrischen Maschine ein, in der sich die Kontaktgeometrien der Bürsten und Kontaktsegmente aneinander anpassen. Eine derartige Einlaufphase kann bis zu mehreren tausend Betriebsstunden andauern, in denen der Wirkungsgrad und die EMV der elektrischen Maschine nicht optimal sind. Dies wiederum hat negative Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme bzw. Abgabe und das Störverhalten der elektrischen Maschine. Insbesondere bei dem Einsatz von elektrischen Maschinen in Automobilen kann sich die lange Einlaufphase negativ auf eine Vielzahl anderer Fahrzeugbauelemente auswirken (EMV) .

Aus der EP 0 984 546 A2 ist es daher bekannt, die Einlaufphase durch periodische Startströme mit einstellbarer Fre- quenz und Amplitude zu verkürzen. Durch die Ströme wird der Materialabtrag beschleunigt. Zur Realisierung der bekannten Verfahrensweise wird jedoch ein zusätzliches Steuergerät benötigt, was mit hohen Kosten sowie einem zusätzlichen Ge- wicht verbunden ist.

Offenbarung der Erfindung Technisch Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der die Einlaufphase mit einfachen Maßnahmen verkürzt werden kann.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Einlaufphase durch den Einsatz abrassiver Additive zu verkürzen. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die abrassiven Partikel entweder nur mindestens einem Kontaktsegment, oder nur mindestens einer Bürste oder sowohl mindestens einem Kontaktsegment und mindestens einer Bürste zuzuordnen. Durch die Relativbewegung der mit abrassiven Partikeln ausgestatteten Bauteile der elektrischen Maschine zueinander wird ein beschleunigter Materialabtrag realisiert, wodurch die Kontaktgeometrien zwischen Bürste und Kontaktsegment beschleunigt aneinander angeglichen werden. Bevorzugt vergrößert sich die Kontaktfläche während der - aufgrund der Erfindung kurzen - Einlaufphase.

Bevorzugt ist der Hauptbestandteil der Bürsten und/oder der Kontaktsegmente eine Karbon-Graphitmischung, in die die abrassiven Additive eingebracht werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die abrassiven Partikel gleichmäßig über das Kontakt- segment bzw. die Bürste verteilt sind. Alternativ dazu ist es denkbar, um die Einlaufphase zu beschleunigen und ansonsten die Abnutzung der Bürsten und der Kontaktsegmente während des Betriebes zu reduzieren, im Bereich der Kontaktebene eine höhere Konzentration an abrassiven Partikeln vorzusehen, als in einem weiter davon entfernten Bereich. Beispielsweise ist eine lineare oder logarithmische Partikelkonzentrationsabnahme in dieser Richtung realisierbar.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die abrassiven Partikel in mindestens einer begrenzten Schicht angeordnet oder in dieser konzentriert sind. Bevorzugt sind die abrassiven Partikel innerhalb dieser mindestens einen Schicht gleichmäßig verteilt.

Es ist denkbar, die abrassive Schicht parallel zu einer Kontaktebene zwischen den Bürsten und den Kontaktsegmenten anzuordnen. Bevorzugt ist eine Parallelschicht endseitig an den Bürsten und/oder Kontaktsegmenten angeordnet, um bereits bei der ersten Kommutatorumdrehung einen abrassiven Effekt zu erzielen.

Alternativ oder zusätzlich zu einer parallelen Anordnung mindestens einer abrassiven Schicht kann mindestens eine abrassive Schicht senkrecht zur Kontaktebene oder unter einem Schrägwinkel zu dieser angeordnet werden. Dabei müssen bei dem Vorsehen mehrerer abrassiver Schichten diese nicht zwangsläufig, jedoch bevorzugt gleich zueinander beabstandet sein. Über die Anordnung der abrassiven Partikel in senkrecht oder unter einem Schrägwinkel zur Kontaktebene verlaufenden Schichten kann die abrassive Wirkung in bestimmten Geometriebereichen beschleunigt und in anderen verzögert werden, um eine optimale - schnelle - Anpassung der Kontaktgeometrie zu realisieren.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als abrassive Partikel Feldspat und/oder Siliziumkarbid und/oder Siliziumoxid zur Anwendung kommen. Dabei sind auch Mischun- gen dieser Partikel möglich. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die abrassiven Partikel mindestens eine Härte aufweisen, die größer ist als die der Hauptbestandteile der Bürsten bzw. der Kontaktsegmente, insbesondere des Graphit-Carbon-Gemisches und/oder eine elektrische Leitfähigkeit und/oder einen thermalen Expansionsquotienten aufweisen, der möglichst gleich dem des Hauptbestandteils der Kontaktsegmente bzw. der Bürsten, insbesondere des Graphit-Carbon-Gemisches ist.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Kommutator als Plankommutator mit stirnseitig angeordneten Kontaktelementen auszubilden, so dass eine ebene Kontaktfläche gebildet ist, an der die Bürsten anliegen. Bevorzugt sind die Bürsten mittels Rollfedern in Richtung der Kontaktsegmente federkraftbeaufschlagt. Bevorzugt ist die Federkonstante der zur Anwendung kommenden Rollfedern nahe null, so dass unabhängig von der Restlänge der Bürste über die Lebensdauer der Bürste nahezu die gleiche Federkraft auf die Bürste und den Plankommutator ausgeübt wird und die höhere Dämpfungskonstante der Rollfeder das Schwingungsverhalten der mindestens einen Bürste auf mindestens zwei Kontaktsegmente des Plankommutators in immer gleicher Weise über die Lebensdauer verbessert.

Um eine möglichst schnelle Anpassung der Kontaktgeometrien zwischen Bürste und Kontaktsegmenten zu realisieren, ist in Ausgestaltung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass die Bürsten auf der den Kontaktsegmenten zugewandten Stirnseite ein gebogenes Profil aufweisen oder seitlich in Um- fangsrichtung angefast bzw. abgeschrägt ausgebildet sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Bürste in der Einlaufphase noch nicht die maximale Kontaktfläche aufweist, wo- durch die Bürste in der Einlaufphase schneller abtragbar und an die Oberfläche des Kommutators, insbesondere des Plankommutators, anpassbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Bürsten auf der den Kontaktsegmenten zugewandten Stirnseite, d.h. Kontaktseite, profiliert, insbesondere sägezahnartig geriffelt sind. Hierdurch wird ein höherer lokaler Anpressdruck erreicht, was den Materialabtrag in der Einlaufphase erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in: Fig. 1: eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine im Längsschnitt,

Fig. 2A bis Fig.2C: die Einheit aus Bürsten und Kommutator während zeitlich beabstandeter Stadien während der Einlaufphase,

Fig. 3: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei abrassive Partikel ausschließlich in den Kontaktsegmenten des Kommutators vorgesehen sind,

Fig. 4: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei ausschließlich in den Bürsten abrassive Partikel vorgesehen sind,

Fig. 5: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei sowohl in den Bürsten als auch in den Kontaktelementen abrassive Partikel vorgesehen sind,

Fig. 6: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei die abrassiven Partikel ausschließlich in einer senkrecht zur Kontaktebene angeordneten Schicht in die Bürsten eingebracht sind,

Fig. 7: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei mehrere parallele, senkrecht zur Kontaktebene verlaufende abrassive Schichten vorgesehen sind, und

Fig. 8: die Einheit aus Bürsten und Kommutator, wobei eine zur Kontaktebene parallele, stirnseitige abrassive Schicht ausschließlich an den Bürsten vorgesehen ist.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ein Teil einer elektrischen Maschine 1 in einem Längsschnitt vereinfacht dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor (Kommutatormotor) , der beispielsweise Teil einer Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeuges ist. Es sind jedoch andere Anwendungen, beispielsweise in einem Lüfter, Fensterheber, Wischerantrieb, Sitzversteller etc. in einem Kraftfahrzeug denkbar. Anstelle eines Motors kann es sich bei der elektrischen Maschine 1 auch um einen Generator handeln.

Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse, insbesondere ein Polrohr 2 und einen darin angeordneten Anker 3. Der Anker 3 weist eine Ankerwelle 4 auf, die in zwei stirnseitigen Lagern 5 gelagert ist, welche ihrerseits in zwei gegenüberliegenden Lagerdeckeln 6 befestigt sind. Am Innenumfang des Polrohres 12 sind um ein an der Ankerwelle 4 befestigtes Lamellenpaket 7 herum Magnete 8 angeordnet, die mit einer Ankerwicklung 9 des Lamellenpaketes 7 zusammenwirken .

Die Ankerwicklung 9 ist auf nicht dargestellte Weise mit Hacken 10 (vgl. Fig. 2A) eines Kommutators 11 verbunden. Der Kommutator 11, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Plankommutator ausgebildet ist, wird von zwei gestrichelt angedeuteten Kohlebürsten bzw. Bürsten 12 beaufschlagt. Die Bürsten 12 sind auf einem als Kunststoffspritzteil hergestellten Bürstenhalter 13 angeordnet. Der Bürstenhalter 13 weist zwei Köcher 14 für die Bürsten 12 auf, wobei die beiden Köcher 14 parallel zueinander angeordnet sind. Mittels jeweils einer Rollfeder 15 wird jede Bürste federkraftbeaufschlagt und zwar einerseits in Richtung der Stirnseite 16 des Kommutators 11 und andererseits in Richtung auf eine Köcherwand 17. Hierzu greifen die Rollfedern 15 jeweils auf einer Schrägfläche 22 an und belasten die Bürsten 12 in Pfeilrichtung mit einer Kraft F. Jede Rollfeder 15 ist mit einem Hacken 18 an einem dem Kommutator 11 zugewandten Rand jedes Köchers 14 fixiert.

Die Bürsten 12 überragen den jeweiligen Köcher 15 in axialer Richtung und liegen federkraftbeaufschlagt auf Kontaktelementen 19 auf der Stirnseite 16 des Kommutators 11 stromleitend an. Während des Betriebes der elektrischen Maschine 1 bewegt sich der auf der Ankerwelle 14 fixierte Kommutator 11 relativ zu dem Bürstenhalter 13 mit Bürsten 12.

In den Fig. 2A bis 2C sind unterschiedliche Phasen der Ein- laufphase der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Zu Betriebsbeginn, also zu Beginn der Einlaufphase weisen die Bürsten 12 eine abgerundete, dem Kommutator 11 zugewandte Stirnseite 20 auf (vgl. Fig. 2A) . Die Bürsten 12 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A bis 2C bestehen dabei vollständig aus einem Graphit-Karbon-Gemisch. Im Gegensatz dazu sind in den Kontaktsegmenten, die als Hauptbestandteil ebenfalls ein Graphit-Karbon-Gemisch aufweisen, abrassive Partikel 21 eingebracht. Die abrassiven Partikel 21 befin- den sich nicht nur auf der Oberfläche der Kontaktsegmente 21, sondern durchsetzen diese vollständig. Die abrassiven Partikel 21, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Feldspatpartikel, sind homogen über das gesamte Volumen der Kon- taktsegmente 19 verteilt.

Wie aus Fig. 2B zu erkennen ist, sind die Stirnseiten 20 der Bürsten nach relativ kurzer Zeit in einem mittleren Abschnitt aufgrund der Einwirkung der abrassiven Partikel 21 planeben geschliffen, wodurch sich die Kontaktfläche vergrößert .

Am in Fig. 2C dargestellten Ende der Einlaufphase sind die Bürsten 12 über ihren gesamten Querschnitt plangeschliffen, so dass eine maximale Kontaktfläche realisiert ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind in den Bürsten 12 keine abrassiven Partikel vorgesehen, wohingegen die Kontaktsegmente 19 des Kommutators 11 vollständig mit abrassiven Partikel gleichmäßig verteilt durchsetzt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die Kontaktelemente 19 abrassivpartikelfrei ausgebildet, wohingegen abrassive Partikel 21 gleichmäßig über die gesamten Bürsten 12 verteilt angeordnet sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 vereinigt die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 3 und 4, da sowohl in den Bürsten 12 als auch in den Kontaktsegmenten 19 abrassive Partikel 21 gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind in den Kontaktsegmenten 19 keine abrassiven Partikel vorgesehen. Da- gegen weisen die Bürsten 12 abrassive Partikel auf. Diese sind jedoch nicht gleichmäßig über das gesamte Volumen der Bürsten 12 verteilt, sondern ausschließlich in einer begrenzten Schicht 23 mit der Dicke d zusammengefasst, wobei die Dicke d etwa einem Fünftel der Gesamtdicke der Bürsten 12 entspricht. Die Schicht 23 ist senkrecht zu einer von der ebenen Oberfläche der Stirnseite 16 gebildeten Kontaktebene angeordnet und verläuft in Umfangsrichtung gesehen mittig durch die jeweilige Bürste 12.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind zusätzlich zu der senkrechten Schicht 23 aus Fig. 6 zwei weitere Schichten 23 mit gleichmäßig verteilten abrassiven Partikeln vorgesehen, wobei sämtliche Schichten 23 in diesem Ausfüh- rungsbeispiel eine gleiche Dicke d aufweisen. Die mittlere Schicht 23 mit abrassiven Partikeln ist mit Abstand von zwei in Umfangsrichtung endseitigen parallelen Schichten 23 umgeben, die erst nach einiger Zeit mit der Stirnseite 16 der Kontaktsegmente 19 in Kontakt treten können, nämlich dann, wenn der mittlere Bereich der bogenförmigen Stirnseite 20 der Bürsten 12 abgetragen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist lediglich eine einzige Schicht 24 mit abrassiven Partikeln mit einer Dicke d vorgesehen. Die Schicht 24 verläuft nicht senkrecht, sondern parallel zur Stirnseite 16 des Kommutators 11. Anders ausgedrückt, ist der gesamte bogenförmige, stirnseitige Bereich der Bürsten 12 mit abrassiven Partikeln 21 versehen, wohingegen in einem weiter von der Kontaktebene entfernten Bereich keine abrassiven Partikel 21 vorgesehen sind.

Claims

Ansprüche

1. Elektrische Maschine mit einem Kommutator (11) mit Kontaktsegmenten (19) und mit mindestens einer die Kontaktsegmente (19) kontaktierenden Bürste (12),

dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eines der Kontaktsegment (19) und/oder die Bürste (12) abrassive Partikel (21) umfasst.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abrassiven Partikel (21) homogen über das gesamte Kontaktsegmenet (19) und/oder die ge- samte Bürste (12) verteilt angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abrassiven Partikel (21) in mindestens einer begrenzten Schicht (21, 23, 24) angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abrassive Schicht (21, 23, 24) parallel zu einer Kontaktebene zwischen der Bürste (12) und den Konatktsegmenten (19) angeordnet ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abrassive Schicht

(21, 23, 24) senkrecht oder schräg zu einer Kontaktebene zwischen der Bürste (12) und den Kontaktsegmenten (19) angeordnet ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallele abras- sive Schichten (21, 23, 24) vorgesehen sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abrassiven Partikel (21) Feldspat und/oder Siliziumcarbid und/oder Siliziumoxid umfassen.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutator (11) als Plankommutator ausgebildet ist, bei dem die Kontaktsegmente (19) stirnseitig an diesem angeordnet sind.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste (12) auf der den Kontaktsegmenten (19) zugewandten Stirnseite gebogen oder seitlich abgeschrägt ausgebildet ist .

10.Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste

(12) auf der den Kontaktsegmenten (19) zugewandten

Stirnseite profiliert, insbesondere sägezahnartig geriffelt, ist.

11.Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten mittels Rollfedern in Richtung der Kontaktsegmente federkraftbeaufschlagt sind.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante der zur Anwendung kommenden Rollfedern nahe null ist.