WO2009053216A1 - Bürstenvorrichtung mit einer feder für eine elektromaschine - Google Patents

Bürstenvorrichtung mit einer feder für eine elektromaschine Download PDF

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commutator
springs
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Michael Bayer
Walter Gerschwitz
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/38—Brush holders
    • H01R39/381—Brush holders characterised by the application of pressure to brush
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/38—Brush holders
    • H01R39/40—Brush holders enabling brush movement within holder during current collection

Definitions

  • the invention relates to a brush device for an electric machine with a brush holder, with a housed therein brush with integrated strand, with a first spring which biases the brush against a commutator.
  • Electric machines electric motors
  • DC and three-phase machines have brush pairs that are biased against a commutator.
  • DC motors To start internal combustion engines mainly mechanically commutated DC motors (starters) are used.
  • the current is introduced via one or more pairs of brushes via the commutator in the armature winding.
  • These brushes usually consist of a sintered material, which has mainly copper and graphite shares. The brushes are therefore also called carbon brushes.
  • These brushes and the commutator are subject to wear during operation.
  • the DC motors are typically designed for short-term operation and normally suitable for 30-60,000 switching cycles.
  • the starter is designed for higher loads and for longer running times, the service life is shorter. It is known to use a coil spring for the contact pressure of the carbon brush on the commutator. Due to the radial space limitation of a starter, there is a compromise with the height of the carbon brush, which has a direct influence on the carbon brush possible wear length has and the necessary contact pressure. The contact pressure and the spring rate C are strongly influenced by radial conditions. It can thus be achieved contact forces with a certain characteristic with only minimal spring rates C.
  • a concept of the invention is to provide a second spring arranged parallel to the first spring, which biases the brush against the commutator.
  • a possible homogeneous contact pressure is created on the commutator of the brush.
  • the carbon brush pressing force is no longer effective on the tread due to a high axial length of the carbon brushes.
  • the contact pressure decreases during the wear length of the carbon brush significantly lower compared to a contact pressure, which is generated by only one coil spring. It can thus be achieved higher switching numbers with less wear and longer maturities of the electric machine.
  • the total contact force F (x) is thus composed as follows.
  • F G ES (X) F 1 (X) + F 2 (x).
  • the strand integrated in the brush is arranged in the radial direction parallel to the first spring. Characterized in that the strand is not arranged in the radial direction one behind the other to the spring, but in parallel, the wear length of the brush is increased. The increased wear length increases the service life and allows more frequent repeat starts of electric motors with at least the same service life.
  • the strand is made of a copper alloy and pressed into the brush.
  • the possible wear length of a brush is normally the distance from the contact surface of the brush to the commutator to the predetermined end of the pure carbon brush in the radial direction.
  • the predetermined end is the radial height at which the diameter of the strand in the brush begins.
  • the strand between the first and at least second spring is arranged parallel in an intermediate extension in the brush.
  • the radial distance from the commutator to the center of the at least one strand is greater than to a bearing surface on the brush of the spring or springs.
  • the wear length is increased.
  • the spring rate C is low as possible for the available space.
  • the spring rate of the first and second spring is smaller than in a brush with a single spring according to the prior art (series spring). With at least two springs, the spring rate C can thus be lowered even further, which is no longer possible with a single spring due to manufacturing conditions. With at least two springs arranged in parallel, even stronger contact forces can be generated which fulfill the conditions for the spring rate C.
  • An optimized condition by the combination of two identical springs with the spring rate C 1 in relation to a spring rate Cs ene of a conventional spring is: 2 • C 1 ⁇ Cse ⁇ e-
  • the dimensions of the first and second springs are smaller than those of a brush device with a single spring.
  • the at least two springs are smaller in diameter, thinner in thickness and thus achieve a halving of the initial force of a spring in order to fulfill the condition 2 • C 1 ⁇ Cs ene len.
  • the brush device is advantageously designed for an overall service life of the electric machine.
  • the brush device is designed to be interchangeable in the electric machine.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a brush device
  • FIG. 3 is a schematic side view of the brush device with a parallel to the spring strand
  • Fig. 1 shows a schematic side view of a brush device 1 according to the invention for an electric machine, such as a mechanically commutated DC motor, as a starter for a
  • the brush device 1 comprises a brush holder 2, in which a brush 3 is housed.
  • the brush 3 is made of a material with a high graphite content. represents and is therefore called carbon brush.
  • the brush 3 is pressed by means of a first and second spring 4, 5 of the brush holder 2 against a rotating commutator 6 and is thus biased.
  • the first and second springs 4, 5 are arranged parallel to each other in the radial direction R.
  • the springs have the same spring rate Ci and are of the same dimensions as the diameter, length and thickness of the spring wire.
  • both springs 4, 5 may also have a different spring rate C.
  • the first and second springs 4, 5 are coil springs.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the brush device 1 shown in FIG. 1.
  • the equally sized springs 4, 5 are accommodated in parallel, which ensure a homogeneous contact pressure of the brush 3 with a seat on the commutator 6.
  • Fig. 3 shows a schematic side view of the brush device 1 according to the invention with a further essential inventive idea, according to which a strand 7 of the brush 3 is not as conventional, in the radial direction serially. is arranged in series with the spring 4, 5, but parallel to the first spring 4 and the second spring 5. The strand 7 is, as shown in Fig. 3, pressed in an intermediate approach 8 of the brush 3.
  • Fig. 4 shows a path-force diagram with spring characteristics of springs for the brush device.
  • the uppermost spring characteristic I shows the normalized spring force F N with respect to the spring length L F when using two springs with a low spring rate Ci according to the invention.
  • the diagram shows that the spring force decreases slightly over a longer spring length.
  • the spring characteristic III shows the normalized spring force F N relative to the spring length L F for a single spring 4 or 5, as installed in the stock exchange device 1 according to the invention.

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Abstract

Es wird eine Bürstenvorrichtung (1 ) für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung (2), mit einer darin untergebrachten Bürste (3) mit integrierter Litze (7), mit einer ersten Feder (4), die die Bürste (3) gegen einen Kommutator (6) vorspannt, beschrieben. Um eine hohe Lebensdauer bei Elektromaschinen mit häufigen Wiederholstarts und längeren Laufzeiten zu erzielen, ist mindestens eine zweite Feder (5) parallel zur ersten Feder (4) angeordnet, die die Bürste (3) gegen den Kommutator (6) vorspannt.

Description

B E S C H R E I B U N G
Bürstenvorrichtung mit einer Feder für eine Elektromaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenvorrichtung für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung, mit einer darin untergebrachten Bürste mit integrierter Litze, mit einer ersten Feder, die die Bürste gegen einen Kommutator vorspannt.
Elektromaschinen (E-Motoren), Gleichstrom- sowie Drehstrommaschinen weisen Bürstenpaare auf, die gegen einen Kommutator vorgespannt sind.
Zum Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren (Starter) zum Einsatz. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer- und Graphitanteile hat. Die Bürsten werden deshalb auch Kohlebürsten genannt. Diese Bürsten sowie der Kommutator un- terliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei sind die Gleichstrommotoren typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normalerweise für 30-60.000 Schaltzyklen geeignet.
Wird der Starter für höhere Lasten und für längere Laufzeiten ausgelegt, so zeigt sich eine geringere Lebensdauer. Es ist bekannt, eine Schraubenfeder für die Anpressung der Kohlebürste auf den Kommutator einzusetzen. Aufgrund der radialen Bauraumbeschränkung eines Starters besteht ein Kom- promiss aus der Höhe der Kohlebürste, die einen direkten Einfluss auf die mögliche Verschleißlänge hat und der notwendigen Anpresskraft. Die Anpresskraft und die Federrate C sind durch radiale Bedingungen sehr stark beeinflusst. Es können somit Anpresskräfte mit einer bestimmten Charakteristik mit nur minimalen Federraten C erreicht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Bürstenvorrichtung der Eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Elektromaschinen mit häufigen Wiederholstarts und längeren Laufzeiten eine verbesserte Lebensdauer aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Erfindungsgedanke ist, eine zweite Feder parallel zur ersten Feder an- geordnet vorzusehen, die die Bürste gegen den Kommutator vorspannt. Somit wird ein möglichst homogener Anpressdruck an den Kommutator der Bürsten geschaffen. Eine Asymmetrie bezüglich der Flächenpressung der Kohlebürste bei einer hohen Anpresskraft, wie sie bei lediglich einer Feder pro Kohlebürste mit einer zumeist mittigen Anpressung gemäß dem Stand der Technik auftritt, wird erfindungsgemäß vermieden. Somit wird auch unterbunden, dass die Kohlebürstenandruckkraft durch eine hohe axiale Länge der Kohlebürsten nicht mehr homogen an der Lauffläche wirksam ist. Es wird ferner durch die parallele Befestigung der Federn an der Bürste ein stabiler Zustand bezüglich axialer Bewegungen der Kohlebürsten mit gleichmäßigem und gleichmäßig verteiltem Anpressdruck im Gegensatz zum Stand der Technik mit einer mittigen Fixierung geschaffen.
Der Anpressdruck senkt sich während der Verschleißlänge der Kohlebürste deutlich geringer gegenüber einem Anpressdruck, der von lediglich einer Spiralfeder erzeugt wird. Es können somit höhere Schaltzahlen mit geringerem Verschleiß und längere Laufzeiten der Elektromaschine erreicht werden.
Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere Federn zusätzlich an der Bürste parallel nebeneinander verbaut. Die Gesamtanpresskraft F(x) setzt sich somit wie folgt zusammen. FGES(X) = F1(X)+ F2(x).
Gemäß einem weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken ist die in die Bürste integrierte Litze in radialer Richtung parallel zur ersten Feder angeordnet. Dadurch, dass die Litze in radialer Richtung nicht hintereinander zur Feder angeordnet ist, sondern parallel, ist die Verschleißlänge der Bürste vergrößert. Die vergrößerte Verschleißlänge erhöht die Lebensdauer und lässt häufigere Wiederholstarts von E-Motoren bei zumindest gleicher Le- bensdauer zu. Die Litze ist aus einer Kupferlegierung hergestellt und in die Bürste eingepresst.
Die mögliche Verschleißlänge einer Bürste ist normalerweise der Abstand von der Kontaktfläche der Bürste zum Kommutator bis zum vorgegebenen Ende der reinen Kohlebürste in radialer Richtung. Das vorgegebene Ende ist die radiale Höhe, an der der Durchmesser der Litze in der Bürste beginnt.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Litze zwischen der ersten und mindestens zweiten Feder parallel in einem Zwi- schenansatz in der Bürste angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Verschleißlänge der Bürste optimiert groß ist und die Bürste stabil in der Bürstenfassung sitzt.
Vorteilhafter Weise ist die radiale Distanz vom Kommutator zur Mitte der mindestens einen Litze größer als zu einer Auflagefläche an der Bürste der Feder oder Federn. Somit ist die Verschleißlänge vergrößert.
Um ein möglichst homogenes System zu erhalten, sind vorteilhafterweise mindestens zwei gleiche Federn eingesetzt, deren Federrate im Wesentli- chen gleich groß ist. Es ergibt sich somit FGes(x) = F1(X)+ F1(X)= 2 • F1(X).
Durch die Verwendung von zwei gleichen Federn kann die doppelte Anpresskraft einer heutigen Serienfeder mit einer Federrate Csene erzielt wer- den. Die höhere Anpresskraft der Kohlebürste an den Kommutator einer als Starter eingesetzten Elektromaschine führt somit direkt zum Erreichen einer höheren Schaltzahl. Es ergibt sich somit bei der gleichen Gesamtfederrate:
FGΘS(x) = CGes • x = F1(X) + F1(X) = 2« F1(X) = 2« C1 • x.
Aus Versuchen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine möglichst konstante Federrate C für eine hohe Lebensdauer einer mechanisch kommutierten Elektromaschine vorteilhaft ist.
Es hat sich weiter als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Federrate C möglichst für den vorhandenen Bauraum gering ist. Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Federrate der ersten und zweiten Feder kleiner als bei einer Bürste mit einer einzigen Feder gemäß dem Stand der Technik (Serienfeder). Mit mindestens zwei Federn kann die Federrate C somit noch weiter abgesenkt werden, was mit einer einzigen Feder aufgrund Fertigungsbedingungen nicht mehr möglich ist. Mit mindestens zwei parallel angeordneten Federn lassen sich noch stärkere Anpresskräfte erzeugen, die die Bedingungen an die Federrate C erfüllen. Eine optimierte Bedingung durch die Kombination von zwei gleichen Federn mit der Federrate C1 in Relation zu einer Federrate Csene einer herkömmlichen Feder lautet: 2 • C1 < Cseπe-
Eine Halbierung der Anfangskraft von zwei Federn, die in Kombination die gesamte notwendige Anpressanfangskraft im vorgespannten Zustand der Kohlebürste leisten, machen es möglich, die gleichen Anfangsbedingungen wie mit einer Feder zu erzielen.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform sind die Di- mensionen der ersten und zweiten Feder kleiner als die einer Bürstenvorrichtung mit einer einzigen Feder. Die mindestens zwei Federn sind im Durchmesser kleiner, in der Stärke dünner und erzielen somit eine Halbierung der Anfangskraft einer Feder, um die Bedingung 2 • C1 < Csene zu erfül- len. Durch das Absenken der Gesamtfederrate CGes bei der Bürstenvorrichtung erhält man somit ein stabileres Verhalten über die Lebensdauer der Bürstenvorrichtung. Die minimale Federrate Ci jeder einzelnen Feder ist somit weniger kostenintensiv und einfacher zu erreichen als die Federrate bei einer Bürstenvorrichtung mit einer einzigen Serienfeder.
Die Bürstenvorrichtung ist vorteilhafter Weise für eine Gesamtlebensdauer der Elektromaschine ausgelegt. Um eine Instandhaltung der Elektromaschi- ne nach Ende der Lebensdauer der Elektromaschine zu ermöglichen, ist die Bürstenvorrichtung in der Elektromaschine auswechselbar ausgebildet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Bürstenvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht der Bürstenvorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Bürstenvorrichtung mit einer zur Feder parallelen Litze,
Fig. 4 einen Weg-Kraft-Diagramm der Bürstenvorrichtung.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 für eine Elektromaschine, wie beispielsweise einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor, der als Starter für einen
Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug eingesetzt ist. Die Bürstenvorrichtung 1 umfasst eine Bürstenfassung 2, in der eine Bürste 3 untergebracht ist. Die Bürste 3 ist aus einem Werkstoff mit einem hohen Graphitanteil herge- stellt und wird deshalb auch Kohlebürste genannt. Die Bürste 3 wird mittels einer ersten und zweiten Feder 4, 5 der Bürstenfassung 2 gegen einen rotierenden Kommutator 6 angedrückt und ist somit vorgespannt. Die erste und zweite Feder 4, 5 sind in radialer Richtung R zueinander parallel angeord- net, In einer besonderen Ausführungsform besitzen die Federn die gleiche Federrate Ci und sind in den Dimensionen, wie Durchmesser, Länge und Stärke des Federdrahts, gleich ausgebildet. In einer anderen besonderen Ausführungsform, falls axiale Beanspruchungen es notwendig machen, können beide Federn 4, 5 auch eine unterschiedliche Federraten C aufweisen. Die erste und zweite Feder 4, 5 sind Spiralfedern.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Bürstenvorrichtung 1. In der Bürstenfassung 2 sind parallel die gleich großen Federn 4, 5 untergebracht, die für ein homogenes Anpressverhalten der Bürste 3 mit einem Sitz auf dem Kommutator 6 sorgen.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 mit einem weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken, gemäß dem eine Litze 7 der Bürste 3 nicht wie herkömmlich, in radialer Richtung seriell d.h. in Reihe zur Feder 4, 5 angeordnet ist, sondern parallel zur ersten Feder 4 und zur zweiten Feder 5. Die Litze 7 ist, wie in der Fig. 3 gezeigt, in einem Zwischenansatz 8 der Bürste 3 eingepresst.
Durch die parallele Anordnung der Litze 7 zu den Federn 4, 5 ergibt sich eine zusätzliche Verschleißlänge, die in der Fig. 3 mit einer axialen Linie als Verschleißgrenze VGi abstrahiert dargestellt ist. Zum Vergleich hierzu ist in gestrichelter Linie eine Litze 9 in radialer Richtung vor der Feder 5 eingezeichnet, wie sie im Stand der Technik beispielsweise eingebaut ist und somit eine Verschleißgrenze VGSΘΠΘ bildet. Die Anhebung der Verschleißlänge bei konstanten Randbedingungen führt direkt zu einer längeren Lebensdauer des Kommutierungssystems und des Starters.
Die Fig. 4 zeigt ein Weg-Kraft-Diagramm mit Federkennlinien von Federn für die Bürstenvorrichtung. Die oberste Federkennlinie I zeigt die normierte Federkraft FN gegenüber der Federlänge LF bei einem Einsatz von zwei Federn mit einer niedrigen Federrate Ci gemäß der Erfindung. Das Diagramm zeigt, dass die Federkraft über eine größere Federlänge gering abnimmt.
Darunter ist eine Federkennlinie Il einer herkömmlichen Einzelfeder eingezeichnet, wie sie in einer Bürstenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik verbaut ist. Die Federkraft FN nimmt bei größerer Federlänge LF, d.h. bei größerem Verschleiß der Bürste 3, stärker ab als bei zwei parallel angeord- neten Federn 4, 5 mit niedriger Federrate C.
Die Federkennlinie III zeigt die normierte Federkraft FN gegenüber der Federlänge LF für eine einzelne Feder 4 bzw. 5, wie sie in der erfindungsgemäßen Börsenvorrichtung 1 eingebaut ist. Durch den Einsatz von mindestens zwei parallel angeordneten Federn 4, 5, die die Bürste 3 an den Kommutator 6 anpressen, wird ein möglichst hoher homogener Anpressdruck bei häufigen Wiederholstarts und längeren Laufzeiten in mechanisch kommutierten Elektromaschinen geschaffen.
Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
1. Bürstenvorrichtung (1 ) für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung (2), mit einer darin untergebrachten Bürste (3) mit integrierter Litze (7), mit einer ersten Feder (4), die die Bürste (3) gegen einen Kommutator (6) vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Feder (5) parallel zur ersten Feder (4) angeordnet ist, die die Bürste (3) gegen den Kommutator (6) vorspannt.
2. Bürstenvorrichtung (1 ) für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung (2), mit einer darin untergebrachten Bürste (3) mit einer integrierten Litze (7), mit einer ersten Feder (4), die die Bürste (3) gegen einen Kommutator (6) vorspannt, insbesondere nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet dass, die Litze (7) parallel zur ersten Feder (4) angeordnet ist.
3. Bürstenvorrichtung (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (7) zwischen der ersten und zweiten Feder (5) parallel in einem Zwischenansatz (8) der Bürste (3) angeordnet ist.
4. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Distanz vom Kommutator (6) zur Mitte der Litze (7) größer ist als zu einer Auflagefläche an der Bürste (3) der Feder (4, 5).
5. Bürstenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Federrate (d) der ersten und zweiten Feder (5) im Wesentlichen gleich groß ist.
6. Bürstenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federrate (d) der ersten und zweiten Feder (5) kleiner ist als bei einer Bürstenvorrichtung (1 ) mit einer Feder.
7. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen der ersten und zweiten Feder (5) kleiner sind als bei einer Bürstenvorrichtung (1 ) mit einer Feder.
8. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenvorrichtung (1 ) auswechselbar ist.
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