WO2011054723A1 - Bürstenanordnung für einen kommutator einer elektrischen maschine - Google Patents

Bürstenanordnung für einen kommutator einer elektrischen maschine Download PDF

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WO2011054723A1
WO2011054723A1 PCT/EP2010/066339 EP2010066339W WO2011054723A1 WO 2011054723 A1 WO2011054723 A1 WO 2011054723A1 EP 2010066339 W EP2010066339 W EP 2010066339W WO 2011054723 A1 WO2011054723 A1 WO 2011054723A1
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brush
electrode
movement
commutator
brush electrode
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Application number
PCT/EP2010/066339
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wehrle
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H01R39/381—Brush holders characterised by the application of pressure to brush

Definitions

  • the invention relates to brush-commutated electrical machines, in particular commutators with brush holders, in which a brush electrode is guided in a brush holder.
  • the commutator includes commutator bars attached to the rotor, each of which is in electrical connection with one or more terminals of one or more rotor coils.
  • the commutator bars are contacted via brush electrodes of a brush arrangement.
  • the influence of the contact between the brush electrode and the commutator blades has an effect, inter alia, on the noise during operation of the electrical machine.
  • the brush electrode is usually held in a brush holder movable in the direction of the commutator blade to be contacted and is biased by means of, for example, a spring which presses the Bürstenelektode on the respective commutator.
  • a brush arrangement is an oscillatable structure, the brush electrode being periodically excited by the commutator lamella moving past the brush electrode. This excitation can, for example, via eccentricities of Commutator, form error of the commutator and / or through the insulating gap between the Karluntatorlamellen done.
  • noises can arise due to moment discontinuities due to the magnetic interaction between the permanent magnet and the armature coils. It may be a further excitation of the brush electrode in the axial direction on the bearing clearance of the armature, on shape errors on the surfaces of the commutator, on externally applied vibrations to the electric machine, eg in a shoring in a motor vehicle, and the axial movement of the rotor due a load change, eg in a reversal of rotation, done.
  • the noise development results mainly from the forced and self-excited movement and the vibrations of the brush electrodes in the brush holder.
  • the damping of the brush electrode in the brush holder is responsible for the noise development.
  • the brush holders have a sleeve-shaped design so that they have a sound-enhancing effect. Because of the relatively low mass of the Bürsteelektode this, however, has a small proportion of the total noise.
  • a well damped brush assembly which provides damping between the brush selectors and the brush holder greatly reduces noise against a non-damped brush assembly. In all previously known brush arrangements, the damping of the brush electrodes is realized by additional components.
  • the springs via which the brush electrodes are pressed onto the commutator blades, are arranged independently of the components which effect the damping. This is complicated and can lead to an increased susceptibility to errors, e.g. lead to a release of the damping component.
  • a brush arrangement for a commutator of an electric machine comprises:
  • a brush electrode for electrically contacting a commutator blade
  • a brush holder for movably guiding the brush electrode in a direction of movement
  • a spring member for urging the brush electrode with a force in the direction of movement
  • the spring member is coupled to the brush electrode for urging the brush electrode against at least a portion of the brush holder so that a frictional force is generated upon movement of the brush electrode in the direction of movement.
  • An idea of the present invention is to bias the brush electrode so by means of a spring element, that in addition to the contacting force in the direction of movement, ie the direction in which Kommutatorlamellen are to be contacted, a pressing or pressing the brush electrode to a part of the brush holder.
  • a spring element that in addition to the contacting force in the direction of movement, ie the direction in which Kommutatorlamellen are to be contacted, a pressing or pressing the brush electrode to a part of the brush holder.
  • the life of the brush assembly can be increased by the damped movement of the brush electrodes, since the brush electrodes stand out less from the commutator of the commutator. This leads to a lower brush fire, which contributes significantly to a wear of the brush electrodes and the commutator blades.
  • the spring element can exert a torsional moment on the brush electrode, so that the brush element is pressed with a region on the brush holder and thereby a frictional force is generated during movement of the brush electrode in the direction of movement.
  • the brush holder may be sleeve-shaped, wherein the brush electrode is received in the brush holder, so that the brush electrode along a longitudinal axis of the sleeve is movable.
  • the brush holder may have an inner cross section which offers at least one abutment surface, wherein the brush electrode offers a further abutment surface, wherein the spring element is designed to press the abutment surfaces against each other and thereby during a movement of the brush electrode. de in the direction of movement to generate a frictional force between the brush electrode and the brush holder.
  • the brush holder may have on its inner surface one or more projections, so that the brush electrode is pressed on application of the spring element to the one or more projections.
  • the inner cross section of the brush holder and the cross section of the brush electrode may each have a rectangular, square, oval or polygonal cross section or combinations thereof.
  • the spring element may be formed as a spiral spring, which is arranged in the sleeve-shaped brush holder, wherein one end of the coil spring is coupled to the brush holder and another end of the coil spring to the brush electrode, between the brush holder and the coil spring both a force in the direction of movement as well as a torsion to effect the direction of movement.
  • the spring member may be formed as a spiral spring disposed about the sleeve-shaped brush holder, one end of the coil spring being coupled to the brush holder and another end of the coil spring being coupled to the brush electrode to both force the brush holder and the coil spring in the direction of movement as well as to cause a torsional moment about the direction of movement.
  • a commutator with the above brush arrangement and movable with respect to the brush assembly Kommutatorlamellen is provided, wherein the brush electrode is pressed by the spring element on one of the Kommutatorlamellen to achieve electrical contacting of the respective Kommutatorlamelle by the brush electrode.
  • an electric machine is provided with a rotor arranged on a shaft and the above commutator, wherein the commutator bars are coupled to the shaft of the rotor of the electric machine in order to transverse the commutator bars during a movement of the rotor to move to the brush assembly, so that depending on the position of the rotor different commutator blades are contacted.
  • Figures 1 a and 1 b are schematic representations of various sectional views of an electric machine with a commutator with a brush assembly;
  • Figures 2a and 2b are cross-sectional views through a brush assembly according to one embodiment
  • FIGS. 3a and 3b cross-sectional views through a brush assembly according to another embodiment.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a brush assembly according to another embodiment.
  • Figure 1 a shows a cross-sectional view through an electric machine 1 with a sectional plane in a direction perpendicular to an axial direction Z.
  • the electric machine 1 comprises a housing 2 in which permanent magnets 3 are arranged as part of a stator arrangement.
  • the permanent magnets 3 surround a circular cylindrical rotor region, in which a rotor 4 is arranged rotatably.
  • the rotor 4 is fixed to a rotor shaft 5, which is mounted in two bearings 6 on the housing 2, so that the rotor 4 can rotate in the recess surrounded by the permanent magnet 3.
  • the rotor 4 comprises rotor coils, which can be supplied with electrical energy via a commutator 7.
  • the commutator 7 is shown in cross-section in the axial direction Z. It can be seen firmly coupled to the rotor 4 via the rotor shaft 5 coupled commutator 8, which is each connected to a terminal of one of the rotor coils.
  • mutually opposite commutator bars 8 are connected to two terminals of one or more rotor coils (not shown) so that they can be contacted via two brush assemblies 9 opposite to the rotor shaft 5.
  • the brush assemblies 9 each comprise a brush electrode 10, which is arranged movably in a brush holder 11 in a direction of movement. The direction of movement of the brush electrodes 10 extends substantially in the direction of the commutator blade to be contacted, ie in the direction of the axis of rotation of the rotor shaft 5 or slightly offset thereto.
  • the commutator can also be designed as an axial commutator, in which the commutator bars protrude substantially in the radial direction perpendicular or obliquely from the rotor shaft 5.
  • the brush assembly may be arranged so that the moving direction of the brush electrode 10 is in the axial direction to the rotor shaft or obliquely thereto.
  • the brush electrode 10 is usually formed as a carbon electrode, so that it has good properties with respect to abrasion and resistance for use in a commutator 7.
  • An electrical contacting of the brush electrode 10 and the carbon electrode can be done by a Kohlelitze and the like, which is electrically connected to the carbon electrode.
  • the brush holder 1 1 may be formed in the form of a sleeve in which the brush electrode is partially accommodated, wherein the brush holder 1 1 at an end facing the commutator 8 is open, so that there the brush electrode 10 protrudes from the brush holder 1 1 and on the located there commutator 8 lies.
  • a biased spring element 12 is provided in the brush holder 1 1.
  • the spring element 12 may preferably comprise a coil spring made of elastic spring material.
  • the spring element 12 may also be another type of spring element which is able to simultaneously exert a contacting force and a torsional moment about the direction of the provided contacting force, ie in a plane perpendicular to the direction of movement.
  • a spring element 12 is a coil spring as this can generate both a spring force in the direction of the spiral winding and a torsional moment.
  • FIGS. 2 a and 2 b show cross-sectional views of a further embodiment of the brush arrangement 9.
  • the brush assembly 9 comprises the brush electrode 10 and the brush holder 1 1, wherein, as shown in Figure 2b, the brush electrode 10 has a rectangular cross-section. Accordingly, the brush holder 1 1 also has a rectangular inner cross section, so that the brush electrode 10 can move in the direction of movement within the brush holder 1 1.
  • the brassiere 1 1 is sleeve-shaped and has a closed end 15, in which between the one inside of the closed end 15 and the brush electrode 10, a spring element 12 is arranged, so that the brush element 10 in the direction of a closed end of the 15th opposite open end of the brush holder 1 1 is pressed. There, a commutator 8 is arranged, the electrode 10 is contacted by the brushes.
  • the spring element 12 may be e.g. formed in the form of a spiral spring and at the closed end 15 of the brassiere 1 1 and on the brush electrode 10 against rotation in the direction of movement of the brush electrode
  • the closed end 15 as well as the closed end 15 opposite end of the brush electrode 10 take a spring element 12 caused torsional moment.
  • the spring element 12 is biased not only in the movement direction X, but also causes a torsional moment on the brush element
  • the torsional moment acting on the brush electrode 10 causes the brush electrode 10 to be tilted in the brush holder 11, so that edges of the brush electrode 10 abut against an inner wall of the sleeve-shaped brush holder 11 and during a movement of the brush To brush- cause the electrode 10 in the direction of movement X, for example due to a vibration caused by the movement of the commutator, a frictional force acting in damping on a vibration exerted by the brush electrode 10 vibration.
  • the fixation of the spring element 12 on the closed end 15 can take place, for example, by a groove 17, in which a first end section 16 is inserted at one end of the spring element 12, so that the torsional moment can be absorbed by the groove 17.
  • a groove 18 can also be provided on a end of the brush electrode 10 facing the closed end 15 of the brush holder 11, in which a second end section 19 is accommodated on a further end of the spring element 12 in order to effect that caused by the spring element 12 Take torsional moment.
  • Other possibilities for fixing the end portions 16, 19 of the spring element 12 for receiving a torque to the brush holder 1 1 and to the brush electrode 10 are conceivable. Due to the two-sided fixation of the spring element 12, torsional stressing of the spring element 12 in one
  • FIGS. 3a and 3b show cross-sectional views of an alternative embodiment of a brush arrangement.
  • the spring element 12 is not disposed in the interior of the brush holder 1 1 between a closed end 15 and a corresponding facing end of the brush electrode 10 but is disposed outside of the brassiere 1 1.
  • the first end section of the spring element 12 is connected to an abutment 20, e.g. in a groove 21 in the housing
  • the spring element 12 which is formed as a spiral spring in the embodiment shown, surrounds the brush holder 1 1 and engages with the second end portion in a slot 22 and a recess of a brush holder 1 1 and further engages in a recess or an opening 23 (eg, a bore) of the brush electrode 10 a.
  • the brush electrode 10 By corresponding bias of the spring element 12 in the direction of movement X, which corresponds to the axial direction of the spiral winding of the spiral spring, and in the direction of rotation about the movement direction X, the brush electrode 10 in the same manner as in the embodiment of Figures 2a and 2b biased and with a torsional moment be charged.
  • the cross section of the brush electrodes 10 is also rectangular.
  • the brush holder 1 1 is formed with a likewise rectangular cross section and the brush electrode 10 movably mounted in the brush holder. Due to the tension of the brush electrode 10 by the torsional moment acting on it, a damping of a vibration introduced onto the brush electrode 10 is effected.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a further embodiment is shown schematically.
  • a resilient spring element 25 which engages in a slot or in a bore 26 of the brush electrode 10 and on the brush electrode 10 both a torsional moment and a force in the direction of movement X exerts.
  • the inner walls of the brush holder 1 1 may be provided with a structure to more precisely define the frictional force and thus the damping of the brush electrodes.
  • the inner walls of the brush holder 1 for example, projections 27 which form preferred abutment surfaces for the brush electrode 10 and the brush electrode 10 is pressed upon the action of a torsional moment.
  • the friction of the brush electrode 10 on one or more of the projections 27 causes a frictional force thereon, which acts upon movement of the brush electrode 10 in the direction of movement.
  • the cross section of the brush electrode 10 is not limited to a rectangular cross section. There are all cross-sections conceivable that allow a guide of the brush electrode 10 in the brush holder 1 1.
  • the guide for the brush electrode 10 only has to be designed such that a torsional moment can be absorbed thereby. This is usually not the case with brush electrodes 10 with a purely circular cross-section, since there is no stop edge.
  • the brush electrode 10 it is possible for the brush electrode 10 to be provided with one or more webs and / or grooves arranged in the direction of movement, which webs can be guided in corresponding brush or webs arranged in the direction of movement in or on the brush holder 11. This allows the torsional moment to be absorbed men, and the brush electrode 10 can not rotate freely in the brush holder 1 1 about the movement axis X.
  • the brush holder 1 1 need not be formed as a sleeve-shaped brush holder 1 1. It is sufficient if the brush holder 1 1 is formed only as a guide that holds the brush electrode 10 movable in the direction of movement of the commutator 8 and at the same time can absorb a torsional moment about the direction of movement. Due to the absorbed torsional moment, a part of the outer surface of the brush electrode 10 is pressed against a part of the outer surface of the brush holder 11, with a frictional force acting on a movement of the brush electrode 10 in the direction of movement.
  • the frictional force can be increased by pressing a part of the brush electrode 10 to the brush holder.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bürstenanordnung (9) für einen Kommutator (7) einer elektrischen Maschine (1), umfassend: - eine Bürstenelektrode (10) zur elektrischen Kontaktierung einer Kommutatorlamelle (8); einen Bürstenhalter (11) zur beweglichen Führung der Bürstenelektrode (10) in einer Bewegungsrichtung, ein Federelement, um die Bürstenelektrode (10) mit einer Kraft in Bewegungsrichtung zu beaufschlagen; dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement mit der Bürstenelektrode (10) gekoppelt ist, um die Bürstenelektrode (10) gegen zumindest einen Abschnitt des Bürstenhalters (11) zu drücken, so dass bei einer Bewegung der Bürstenelektrode (10) in der Bewegungsrichtung eine Reibungskraft erzeugt wird.

Description

Beschreibung Titel
Bürstenanordnung für einen Kommutator einer elektrischen Maschine Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft bürstenkommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Kommutatoren mit Bürstenhaltern, bei denen eine Bürstenelektrode in einem Bürstenhalter geführt wird.
Stand der Technik
Zum Betreiben einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine erfolgt die elektrische Kontaktierung von Läuferspulen über einen Kommutator. Der Kommutator umfasst an dem Läufer angebrachte Kommutatorlamellen, die jeweils mit einem oder mehreren Anschlüssen einer bzw. mehrerer Läuferspulen in elektrischer Verbindung stehen. Die Kommutatorlamellen werden über Bürstenelektroden einer Bürstenanordnung kontaktiert. Durch die Bewegung des Läufers wechselt die durch eine jeweilige Bürstenelektrode kontaktierte Kommutatorlamelle, um so abhängig von der Bewegung des Läufers zwischen der jeweils kommutier- ten Läuferspule zu schalten.
Der Einfluss der Kontaktierung zwischen der Bürstenelektrode und den Kommutatorlamellen wirkt sich unter anderem auf die Geräuschentwicklung beim Betrieb der elektrischen Maschine aus. Die Bürstenelektrode ist in der Regel in einem Bürstenhalter beweglich in Richtung der zu kontaktierenden Kommutatorlamelle gehalten und wird mit Hilfe z.B. einer Feder vorgespannt, die die Bürstenelektode auf die jeweilige Kommutatorlamelle drückt. Systembedingt ist eine solche Bürs- tenanordung ein schwingfähiges Gebilde, wobei die Bürstenelektrode durch den die sich an der Bürstenelektrode vorbeibewegenden Kommutatorlamelle periodisch angeregt wird. Diese Anregung kann beispielsweise über Exzentritäten der Kommutatorlamellen, Formfehler der Kommutatorlamellen und/oder durch die isolierende Spalte zwischen den Kommuntatorlamellen erfolgen. Außerdem können Geräusche durch Momentenunstetigkeiten durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Permanentmagnet und Ankerspulen entstehen. Es kann eine weitere Anregung der Bürstenelektrode in axialer Richtung über das Lagerspiel des Ankers, über Formfehler auf den Oberflächen der Kommutatorlamellen, über von extern einwirkende Schwingungen auf die elektrische Maschine, z.B. bei einem Verbau in einem Kraftfahrzeug, und über die axiale Bewegung des Läufers infolge eines Lastwechsels, z.B. bei einer Drehrichtungsumkehr, erfolgen.
Die Geräuschentwicklung resultiert maßgeblich aus der zwangs- und selbsterregten Bewegung und der Schwingungen der Bürstenelektroden im Bürstenhalter. Dabei ist die Dämpfung der Bürstenelektode im Bürstenhalter maßgeblich für die Geräuschentwicklung verantwortlich. Die Bürstenhalter sind hülsenförmig ausge- bildet, so dass diese schallverstärkend wirken. Wegen der verhältnismäßig geringen Masse der Bürstenelektode hat diese dagegen einen geringen Anteil an der gesamten Geräuschentwicklung. Eine gut gedämpfte Bürstenanordnung bei der eine Dämpfung zwischen den Bürstenelektoden und dem Bürstenhalter besteht, vermindert die Geräuschentwicklung gegenüber einer nicht gedämpften Bürstenanordnung erheblich. Bei allen bisher bekannten Bürstenanordnungen wird die Dämpfung der Bürstenelektroden durch zusätzliche Bauelemente realisiert. Dabei sind die Federn, über die die Bürstenelektroden auf die Kommutatorlamellen gedrückt werden, unabhängig von den Bauelementen, die die Dämpfung bewirken, angeordnet. Dies ist aufwändig und kann zu einer erhöhten Feh- leranfälligkeit z.B. bei einem Lösen des dämpfenden Bauelementes führen.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 061 896 A1 ist eine Bürstenanordnung bekannt, bei der eine Bürste in einem Bürstenköcher durch ein Führungselement geführt ist, so dass ein Schlagen der Bürste gegen den Bürstenköcher reduziert wird.
Weiterhin ist aus DE 203 80 215 U1 bekannt, eine Bürste schräg bezüglich eines Kollektors eines Gleichstrommotors anzuordnen, so dass beim Aufdrücken der Bürste auf den Kollektor eine seitliche Kraft auf die Bürste wirkt. Die Kraft drückt die Bürste an eine Innenwand eines Bürstenschachtes und erhöht somit die Rei- bung zwischen dem Bürstenschacht und der Bürste, die eine Dämpfung einer
Schwingung der Bürste bewirkt. Aus der Druckschrift DE 31 42 879 A1 ist bekannt, in einem Köcher eine Bewegung einer Kohlebürste mit Hilfe von U-förmig gebogenen Blattfedern zu dämpfen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bürstenanordnung für einen Kommutator einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Dämpfung zwischen der Bürstenelektrode und dem Bürstenhalter ohne zusätzliche Bauelemente realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Bürstenanordnung nach Anspruch 1 sowie durch den Kommutator und die elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Bürstenanordnung für einen Kommutator einer elektrischen Maschine vorgesehen. Die Bürstenanordnung umfasst:
- eine Bürstenelektrode zur elektrischen Kontaktierung einer Kommutatorlamelle;
- einen Bürstenhalter zur beweglichen Führung der Bürstenelektrode in einer Bewegungsrichtung,
- ein Federelement, um die Bürstenelektrode mit einer Kraft in Bewegungsrichtung zu beaufschlagen;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement mit der Bürstenelektrode gekoppelt ist, um die Bürstenelektrode gegen zumindest einen Abschnitt des Bürstenhalters zu drücken, so dass bei einer Bewegung der Bürstenelektrode in der Bewegungsrichtung eine Reibungskraft erzeugt wird.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Bürstenelektrode so mit Hilfe eines Federelementes vorzuspannen, dass zusätzlich zu der Kontaktie- rungskraft in der Bewegungsrichtung, d.h. der Richtung, in der Kommutatorlamellen kontaktiert werden sollen, eine Anpressung bzw. ein Andrücken der Bürstenelektrode an einen Teil des Bürstenhalters erfolgt. Auf diese Weise kann durch die dort entstehende Reibungskraft eine zusätzliche Dämpfung zwischen der Bürstenelektrode und der Bürstenhalterung erreicht werden. Bei einer solchen Anordnung ist kein zusätzliches Bauelement zur Realisierung einer Dämpfung zwischen der Bürstenelektrode und dem Bürstenhalter notwendig. Weiterhin kann das Dämpfungsverhalten der Bürstenelektrode in dem Bürstenhalter durch Einstellen der Stärke der Anpressung der Bürstenelektrode abgestimmt werden. Da die Dämpfung nicht über ein zusätzliches Bauelement erreicht wird, kann ein quasi konstantes Dämpfungsverhalten über die gesamte Lebensdauer der Bürs- tenanordung erreicht werden.
Durch die gedämpfte Bewegung der Bürstenelektroden kann insgesamt die Lebensdauer der Bürstenanordnung erhöht werden, da sich die Bürstenelektroden weniger von den Kommutatorlamellen des Kommutators abheben. Dies führt zu einem geringeren Bürstenfeuer, das erheblich zu einem Verschleiß der Bürstenelektroden und der Kommutatorlamellen beiträgt.
Durch das Anpressen der Bürstenelektroden an den Bürstenhalter können weiterhin Klappergeräusche der Bürstenelektrode im Bürstenhalter und somit tangentiale Schwingungen der Bürstenelektrode im Bürstenhalter verringert werden. Weiterhin können unterschiedliche Temperaturausdehnungen zwischen der Bürstenelektrode und dem Bürstenhalter ausgeglichen werden.
Zum Bereitstellen der Anpressung kann das Federelement ein Torsionsmoment auf die Bürstenelektrode ausüben, so dass das Bürstenelement mit einem Bereich an den Bürstenhalter gedrückt wird und dadurch bei einer Bewegung der Bürstenelektrode in Bewegungsrichtung eine Reibungskraft erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Bürstenhalter hülsenförmig ausgebildet sein, wobei in dem Bürstenhalter die Bürstenelektrode aufgenommen ist, so dass die Bürstenelektrode entlang einer Längsachse der Hülse beweglich ist.
Der Bürstenhalter kann einen Innenquerschnitt aufweisen, der mindestens eine Anschlagsfläche bietet, wobei die Bürstenelektrode eine weitere Anschlagsfläche bietet, wobei das Federelement ausgebildet ist, um die Anschlagsflächen gegeneinander zu drücken und dadurch bei einer Bewegung der Bürstenelektro- de in Bewegungsrichtung eine Reibungskraft zwischen der Bürstenelektrode und dem Bürstenhalter zu erzeugen.
Der Bürstenhalter kann an seiner Innenfläche einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, so dass die Bürstenelektrode bei Beaufschlagung durch das Federelement an den einen oder die mehreren Vorsprünge gedrückt wird.
Insbesondere können der Innenquerschnitt des Bürstenhalters und der Querschnitt der Bürstenelektrode jeweils einen rechteckigen, quadratischen, ovalen oder vieleckigen Querschnitt oder Kombinationen davon aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Federelement als Spiralfeder ausgebildet sein, die in dem hülsenförmigen Bürstenhalter angeordnet ist, wobei ein Ende der Spiralfeder mit dem Bürstenhalter und ein weiteres Ende der Spiralfeder mit der Bürstenelektrode gekoppelt ist, um zwischen dem Bürstenhalter und der Spiralfeder sowohl eine Kraft in der Bewegungsrichtung als auch ein Torsionsmoment um die Bewegungsrichtung zu bewirken.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Federelement als Spiralfeder ausgebildet sein, die um den hülsenförmigen Bürstenhalter angeordnet ist, wobei ein Ende der Spiralfeder mit dem Bürstenhalter und ein weiteres Ende der Spiralfeder mit der Bürstenelektrode gekoppelt ist, um zwischen dem Bürstenhalter und der Spiralfeder sowohl eine Kraft in der Bewegungsrichtung als auch ein Torsionsmoment um die Bewegungsrichtung zu bewirken.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kommutator mit der obigen Bürstenanordnung und mit bezüglich der Bürstenanordnung bewegliche Kommutatorlamellen vorgesehen, wobei die Bürstenelektrode durch das Federelement auf eine der Kommutatorlamellen gedrückt wird, um eine elektrische Kontaktierung der betreffenden Kommutatorlamelle durch die Bürstenelektrode zu erreichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einem an einer Welle angeordneten Läufer und dem obigen Kommutator vorgesehen, wobei die Kommutatorlamellen mit der Welle des Läufers der elektrischen Maschine gekoppelt sind, um bei einer Bewegung des Läufers die Kommutatorlamellen quer zur Bürstenanordnung zu bewegen, so dass je nach Position des Läufers verschiedenen Kommutatorlamellen kontaktiert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 a und 1 b schematische Darstellungen verschiedener Schnittansichten einer elektrischen Maschine mit einem Kommutator mit einer Bürstenanordnung;
Figuren 2a und 2b Querschnittsdarstellungen durch eine Bürstenanordnung gemäß einer Ausführungsform;
Figuren 3a und 3b Querschnittsdarstellungen durch eine Bürstenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Figur 4 eine Querschnittsdarstellung einer Bürstenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 a zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine 1 mit einer Schnittebene in einer Richtung senkrecht zu einer Achsrichtung Z.
Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem Permanentmagneten 3 als Teil einer Statoranordnung angeordnet sind. Die Permanentmagneten 3 umgeben einen kreiszylinderförmigen Rotorbereich, in dem ein Rotor 4 drehbeweglich angeordnet ist. Der Rotor 4 ist an einer Rotorwelle 5 befestigt, die in zwei Lagern 6 an dem Gehäuse 2 gelagert ist, so dass sich der Rotor 4 in der von den Permanentmagneten 3 umgebenen Ausnehmung drehen kann. Der Rotor 4 umfasst Rotorspulen, die über einen Kommutator 7 mit elektrischer Energie versorgt werden können.
In Figur 1 b ist der Kommutator 7 im Querschnitt in Achsrichtung Z dargestellt. Man erkennt fest mit dem Rotor 4 über die Rotorwelle 5 gekoppelte Kommutatorlamellen 8, die jeweils mit einem Anschluss einer der Rotorspulen verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind einander gegenüberliegende Kommutatorlamellen 8 mit zwei Anschlüssen einer oder mehrerer Rotorspulen (nicht gezeigt) verbunden, so dass diese über zwei bezüglich der Rotorwelle 5 gegenüberliegenden Bürstenanordnungen 9 kontaktiert werden können. Die Bürsten- anordnungen 9 umfassen jeweils eine Bürstenelektrode 10, die in einer Bewegungsrichtung beweglich in einer Bürstenhalter 1 1 angeordnet ist. Die Bewegungsrichtung der Bürstenelektroden 10 erstreckt sich im Wesentlichen in Richtung der zu kontaktierenden Kommutatorlamelle, d.h. in Richtung der Drehachse der Rotorwelle 5 oder leicht versetzt dazu.
Der Kommutator kann auch als axialer Kommutator ausgebildet sein, bei dem die Kommutatorlamellen in wesentlichen in radialer Richtung senkrecht oder schräg von der Rotorwelle 5 abstehen. In diesem Fall kann die Bürstenanordnung so angeordnet sein, dass die Bewegungsrichtung der Bürstenelektrode 10 in axialer Richtung zur Rotorwelle oder schräg dazu verläuft. Vorzugsweise verläuft die
Bewegungsrichtung der Bürstenelektrode 10 senkrecht zur Oberfläche der Kommutatorlamelle.
Die Bürstenelektrode 10 ist üblicherweise als eine Kohleelektrode ausgebildet, so dass diese bezüglich Abrieb und Beständigkeit gute Eigenschaften für den Einsatz in einem Kommutator 7 aufweist. Eine elektrische Kontaktierung der Bürstenelektrode 10 bzw. der Kohleelektrode kann durch eine Kohlelitze und dergleichen, die mit der Kohleelektrode elektrisch leitend verbunden ist, erfolgen. Der Bürstenhalter 1 1 kann in Form einer Hülse ausgebildet sein, in der die Bürstenelektrode teilweise aufgenommen ist, wobei der Bürstenhalter 1 1 an einem den Kommutatorlamellen 8 zugewandten Ende offen ist, so dass dort die Bürstenelektrode 10 aus dem Bürstenhalter 1 1 hervorsteht und an der dort befindlichen Kommutatorlamelle 8 anliegt. Um eine Kontaktierungskraft zwischen der Bürstenelektrode 10 und der betreffenden Kommutatorlamelle 8 bereitzustellen, ist in der Bürstenhalterung 1 1 ein vorgespanntes Federelement 12 vorgesehen. Mit anderen Worten wird durch die durch das Federelement 12 ausgeübte Kraft das den Kommutatorlamellen 8 zugeordnete Ende der Bürstenelektrode 10 auf die der Bürstenanordnung gegenüberliegenden Kommutatorlamelle 8 gedrückt, so dass dort eine elektrische Verbindung zwischen der Bürstenelektrode 10 und der betreffenden Kommutatorlamelle 8 ausgebildet wird. Das Federelement 12 kann vorzugsweise eine Spiralfeder aus elastischem Federmaterial umfassen. Das Federelement 12 kann aber auch eine andere Art von Federelement sein, das in der Lage ist gleichzeitig eine Kontaktierungskraft und ein Torsionsmoment um die Richtung der bereitgestellten Kontaktierungskraft, d.h. in einer Ebene senkrecht zu der Bewegungsrichtung, auszuüben. Als Federelement 12 eignet sich eine Spiralfeder da diese sowohl eine Federkraft in Richtung der Spiralwicklung als auch ein Torsionsmoment generieren kann.
In den Figuren 2a und 2b sind Querschnittsansichten einer weiteren Ausfüh- rungsform der Bürstenanordnung 9 dargestellt. Die Bürstenanordnung 9 umfasst die Bürstenelektrode 10 und den Bürstenhalter 1 1 , wobei, wie in Figur 2b gezeigt ist, die Bürsten elektrode 10 einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Entsprechend weist der Bürstenhalter 1 1 ebenfalls einen rechteckigen Innenquerschnitt auf, so dass sich die Bürstenelektrode 10 in der Bewegungsrichtung innerhalb des Bürstenhalters 1 1 bewegen kann. Der Büstenhalter 1 1 ist hülsenförmig ausgebildet und weist ein verschlossenes Ende 15 auf, wobei in dem zwischen der einen Innenseite des verschlossenen Endes 15 und der Bürsten elektrode 10 ein Federelement 12 angeordnet ist, so dass das Bürstenelement 10 in Richtung aus einem dem geschlossenen Ende 15 gegenüberliegenden offenen Ende des Bürstenhalters 1 1 gedrückt wird. Dort ist eine Kommutatorlamelle 8 angeordnet, die durch die Bürsten elektrode 10 kontaktiert wird.
Das Federelement 12 ist kann z.B. in Form einer Spiralfeder ausgebildet und an dem geschlossenen Ende 15 des Büstenhalters 1 1 sowie an der Bürsten- elektrode 10 gegen eine Verdrehung in Bewegungsrichtung der Bürstenelektrode
10 fixiert sein. Das heißt das geschlossene Ende 15 als auch das dem geschlossene Ende 15 gegenüberliegende Ende der Bürstenelektrode 10 nehmen ein dem Federelement 12 bewirktes Torsionsmoment auf. In gezeigtem Ausführungsbeispiel ist das Federelement 12 nicht nur in Bewegungsrichtung X vorge- spannt, sondern bewirkt auch ein Torsionsmoment das auf das Bürstenelement
10 wirkt.
Wie aus der Figur 2b ersichtlich führt das auf die Bürstenelektrode 10 wirkende Torsionsmoment zur einer Verkantung der Bürstenelektrode 10 in dem Bürsten- halter 1 1 , so dass Kanten der Bürstenelektrode 10 an einer Innenwand des hül- senförmigen Bürstenhalters 1 1 anliegen und bei einer Bewegung der Bürsten- elektrode 10 in Bewegungsrichtung X z.B. aufgrund einer durch die Bewegung der Kommutatorlamellen bewirkten Schwingung eine Reibungskraft bewirken, die dämpfend auf eine durch die Bürstenelektrode 10 ausgeübten Schwingung wirkt. Die Fixierung des Federelementes 12 an dem geschlossenen Ende 15 kann bei- spielsweise durch eine Nut 17 erfolgen, in der ein erster Endabschnitt 16 an einem Ende des Federelementes 12 eingelegt ist, so dass das Torsionsmoment durch die Nut 17 aufgenommen kann. Analog kann an einem dem geschlossenen Ende 15 des Bürstenhalters 1 1 zugewandtes Ende der Bürstenelektrode 10 ebenfalls eine Nut 18 vorgesehen sein, in der ein zweiter Endabschnitt 19 an ei- nem weiteren Ende des Federelementes 12 aufgenommen ist, um dort das durch das Federelement 12 bewirkte Torsionsmoment aufzunehmen. Auch andere Möglichkeiten zur Befestigung der Endabschnitte 16, 19 des Federelementes 12 zur Aufnahme eines Drehmomentes an dem Bürstenhalter 1 1 und an der Bürstenelektrode 10 sind denkbar. Durch die beidseitige Fixierung des Federelemen- tes 12 kann durch eine Torsions-Verspannung des Federelementes 12 in einer
Drehrichtung um die Bewegungsrichtung X ein Torsionsmoment auf die Bürstenelektrode 10 ausgeübt werden.
In den Figuren 3a und 3b sind Querschnittsansichten einer alternativen Ausfüh- rungsform einer Bürstenanordnung dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figuren 2a und 2b ist das Federelement 12 nicht im Inneren des Bürstenhalters 1 1 zwischen einem verschlossenem Ende 15 und einem entsprechendem zugewandten Ende der Bürstenelektrode 10 angeordnet sondern ist außerhalb des Büstenhalters 1 1 angeordnet. Der erste Endabschnitt des Federele- ments 12 ist dabei an einem Widerlager 20 z.B. in einer Nut 21 in dem Gehäuse
2 der elektrischen Maschine 1 gehalten. Das Federelement 12, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Spiralfeder ausgebildet ist, umgibt den Bürstenhalter 1 1 und greift mit dem zweiten Endabschnitt in einen Schlitz 22 bzw. eine Ausnehmung eines Bürstenhalters 1 1 ein und greift weiterhin in eine Ausneh- mung bzw. eine Öffnung 23 (z.B. eine Bohrung) der Bürstenelektrode 10 ein.
Durch entsprechende Vorspannung des Federelementes 12 in Bewegungsrichtung X, die der axialen Richtung der Spiralwicklung der Spiralfeder entspricht, und in Drehrichtung um die Bewegungsrichtung X kann die Bürstenelektrode 10 in gleicher weise wie bei der Ausführungsform der Figuren 2a und 2b vorge- spannt und mit einem Torsionsmoment beaufschlagt werden. In der Ausführungsform der Figur 3a und 3b ist der Querschnitt der Bürstenelektroden 10 ebenfalls rechteckig. Der Bürstenhalter 1 1 ist mit einem ebenfalls rechteckigen Querschnitt ausgebildet und die Bürstenelektrode 10 beweglich in dem Bürstenhalter gelagert. Durch die Verspannung der Bürstenelektrode 10 durch das auf sie wirkende Torsionsmoment wird eine Dämpfung einer auf die Bürstenelektrode 10 eingebrachten Schwingung bewirkt.
In Figur 4 ist eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform schematisch gezeigt. Bei der Ausführungsform der Figur 4 ist keine Spiralfeder vorgesehen, sondern ein federelastisches Federelement 25, das in einen Schlitz oder in eine Bohrung 26 der Bürstenelektrode 10 eingreift und auf die Bürstenelektrode 10 sowohl ein Torsionsmoment als auch eine Kraft in Bewegungsrichtung X ausübt. Bei allen Ausführungsformen können die Innenwände des Bürstenhalters 1 1 mit einer Struktur versehen sein, um die Reibungskraft und somit die Dämpfung der Bürstenelektroden genauer zu definieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 weisen die Innenwände des Bürstenhalters 1 1 beispielsweise Vorsprünge 27 auf, die bevorzugte Anschlagflächen für die Bürstenelektrode 10 bilden und auf die beim Wirken eines Torsionsmomentes die Bürstenelektrode 10 gedrückt wird. Die Reibung der Bürstenelektrode 10 an einem oder mehreren der Vorsprünge 27 verursacht dort eine Reibungskraft, die bei einer Bewegung der Bürstenelektrode 10 in Bewegungsrichtung wirkt. Im Allgemeinen ist der Querschnitt der Bürstenelektrode 10 nicht auf einen rechteckigen Querschnitt beschränkt. Es sind alle Querschnitte denkbar, die eine Führung der Bürstenelektrode 10 in dem Bürstenhalter 1 1 ermöglichen. Die Führung für die Bürstenelektrode 10 muss lediglich so ausgebildet sein, dass dadurch ein Torsionsmoment aufgenommen werden kann. Dies ist in der Regel bei Bürstenelektroden 10 mit einem rein kreisförmigen Querschnitt nicht der Fall, da dort keine Anschlagskante vorhanden ist. Jedoch ist es möglich, die Bürstenelektrode 10 mit einem oder mehreren in Bewegungsrichtung angeordneten Stegen und/oder Nuten versehen, die in entsprechenden in Bewegungsrichtung angeordneten korrespondierenden Nuten bzw. Stegen in bzw. an dem Bürstenhal- ter 1 1 geführt werden können. Dadurch kann das Torsionsmoment aufgenom- men werden, und die Bürstenelektrode 10 kann sich in dem Bürstenhalter 1 1 nicht frei um die Bewegungsachse X drehen.
Der Bürstenhalter 1 1 muss nicht als hülsenförmiger Bürstenhalter 1 1 ausgebildet sein. Es ist ausreichend, wenn der Bürstenhalter 1 1 lediglich als eine Führung ausgebildet ist, die die Bürstenelektrode 10 in Bewegungsrichtung der Kommutatorlamellen 8 beweglich hält und die gleichzeitig ein Torsionsmoment um die Bewegungsrichtung aufnehmen kann. Durch das aufgenommene Torsionsmoment kommt es zu einem Andrücken eines Teils der Außenfläche der Bürstenelektrode 10 an einem Teil der Außenfläche des Bürstenhalters 1 1 , wobei eine Reibungskraft bei einer Bewegung der Bürstenelektrode 10 in Bewegungsrichtung wirkt.
Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, mit Hilfe des Federelementes 12 die Bürstenelektrode 10 sowohl mit dem Torsionsmoment als auch mit einer schräg zur Bewegungsrichtung der Bürstenelektrode 10 wirkenden Federkraft zu beaufschlagen. So kann die Reibungskraft durch Anpressen eines Teils der Bürstenelektrode 10 an den Bürstenhalter vergrößert werden.

Claims

Ansprüche
1 . Bürstenanordnung (9) für einen Kommutator (7) einer elektrischen Maschine (1 ), umfassend:
- eine Bürstenelektrode (10) zur elektrischen Kontaktierung einer Kommutatorlamelle (8);
- einen Bürstenhalter (1 1 ) zur beweglichen Führung der Bürstenelektrode (10) in einer Bewegungsrichtung,
- ein Federelement (12), um die Bürstenelektrode (10) mit einer Kraft in Bewegungsrichtung zu beaufschlagen;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement mit der Bürstenelektrode (10) gekoppelt ist, um die Bürstenelektrode (10) gegen zumindest einen Abschnitt des Bürstenhalters (1 1 ) zu drücken, so dass bei einer Bewegung der Bürstenelektrode (10) in der Bewegungsrichtung eine Reibungskraft erzeugt wird.
2. Bürstenanordnung (9) nach Anspruch 1 , wobei das Federelement (12) ein Torsionsmoment auf die Bürstenelektrode (10) ausübt, so dass die Bürstenelektrode (10) mit einem Bereich an den Bürstenhalter (1 1 ) gedrückt wird und dadurch bei einer Bewegung der Bürstenelektrode (10) in Bewegungsrichtung eine Reibungskraft erzeugt wird.
3. Bürstenanordnung (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bürstenhalter (1 1 ) hülsenförmig ausgebildet ist, wobei in dem Bürstenhalter (1 1 ) die Bürstenelektrode (10) aufgenommen ist, so dass die Bürstenelektrode (10) entlang einer Längsachse der Hülse beweglich ist.
4. Bürstenanordnung (9) nach Anspruch 3, wobei der Bürstenhalter (1 1 ) einen Innenquerschnitt aufweist, der mindestens eine Anschlagsfläche bietet, und wobei die Bürstenelektrode (10) eine weitere Anschlagsfläche bietet, wobei das Federelement (12) ausgebildet ist, um die Anschlagsflächen gegeneinander zu drücken und dadurch bei einer Bewegung der Bürstenelektrode (10) in Bewegungsrichtung eine Reibungskraft zwischen der Bürstenelektrode (10) und dem Bürstenhalter (1 1 ) zu erzeugen.
Bürstenanordnung (9) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Bürstenhalters
(1 1 ) an seiner Innenfläche einen oder mehrere Vorsprünge (27) aufweist, so dass die Bürstenelektrode (10) bei Beaufschlagung durch das Federelement
(12) an den einen oder die mehreren Vorsprünge (27) gedrückt wird.
Bürstenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Innenquerschnitt des Bürstenhalters (1 1 ) und der Querschnitt der Bürstenelektrode (10) jeweils einen rechteckigen, quadratischen, ovalen oder vieleckigen Querschnitt oder Kombinationen davon aufweisen.
Bürstenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Federelement (12) als Spiralfeder ausgebildet ist, die in dem hülsenförmigen Bürstenhalter (1 1 ) angeordnet ist, wobei ein Ende der Spiralfeder mit dem Bürstenhalter (1 1 ) und ein weiteres Ende der Spiralfeder mit der Bürstenelektrode (10) gekoppelt ist, um zwischen dem Bürstenhalter (1 1 ) und der Spiralfeder sowohl eine Kraft in der Bewegungsrichtung als auch ein Torsionsmoment um die Bewegungsrichtung zu bewirken.
Bürstenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Federelement (12) als Spiralfeder ausgebildet ist, die um den hülsenförmigen Bürstenhalter (1 1 ) angeordnet ist, wobei ein Ende der Spiralfeder mit dem Bürstenhalter (1 1 ) und ein weiteres Ende der Spiralfeder mit der Bürstenelektrode (10) gekoppelt ist, um zwischen dem Bürstenhalter (1 1 ) und der Spiralfeder sowohl eine Kraft in der Bewegungsrichtung als auch ein Torsionsmoment um die Bewegungsrichtung zu bewirken.
Kommutator (7) mit einer Bürstenanordnung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche und mit bezüglich der Bürstenanordnung (9) bewegliche Kommutatorlamellen (8), wobei die Bürstenelektrode (10) durch das Federelement auf eine der Kommutatorlamellen (8) gedrückt wird, um eine elektrische Kontaktierung der betreffenden Kommutatorlamelle (8) durch die Bürstenelektrode (10) zu erreichen.
10. Elektrische Maschine (1 ) mit einem an einer Welle angeordneten Läufer (4) und einem Kommutator (7) nach Anspruch 9, wobei die Kommutatorlamellen (8) mit der Welle (5) des Läufers (4) der elektrischen Maschine (1 ) gekoppelt sind, um bei einer Bewegung des Läufers (4) die Kommutatorlamellen (8) quer zur Bürstenanordnung (9) zu bewegen, so dass je nach Position des
Läufers (4) verschiedenen Kommutatorlamellen (8) kontaktiert werden.
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