WO2022207591A1 - Schichtkohlebürste für einen elektromotor - Google Patents

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WO2022207591A1
WO2022207591A1 PCT/EP2022/058192 EP2022058192W WO2022207591A1 WO 2022207591 A1 WO2022207591 A1 WO 2022207591A1 EP 2022058192 W EP2022058192 W EP 2022058192W WO 2022207591 A1 WO2022207591 A1 WO 2022207591A1
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WO
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carbon brush
electric motor
material thickness
brush part
layered
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PCT/EP2022/058192
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Spielmann
Enrico Floete
Daniel Schreck
Werner Rudloff
Oliver Sontowski
Original Assignee
Metabowerke Gmbh
Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
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    • H01R39/26—Solid sliding contacts, e.g. carbon brush
    • H—ELECTRICITY
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    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/58—Means structurally associated with the current collector for indicating condition thereof, e.g. for indicating brush wear

Definitions

  • the invention relates to a layered carbon brush for an electric motor with at least a first carbon brush part and a second carbon brush part, which are connected by means of a non-conductive connecting layer arranged in between for the mechanical connection of the carbon brush parts.
  • Carbon brushes for electric motors also referred to as carbon brushes or motor carbons, are used to produce sliding contact with the essentially cylindrical commutator of an electric motor.
  • a manufacturing method for a two-layer carbon brush is already known from published application DE 10 2014 214 221 A1.
  • a homogeneously formed connecting layer is provided between two carbon brush parts with a curing adhesive mass directly adjoining the connecting contact surfaces of the carbon brush parts. This from the prior art is also shown below in FIG.
  • DE 10 2010 038832 A1 discloses a multi-layer carbon brush with a carbon body which has two carbon layers which are separated from one another by an insulating layer and are arranged in a composite and which, with their end faces opposite a connecting conductor side of the carbon body, have a contact surface in a contact section for resting against a commutator form an electric motor.
  • the resulting contact section has a contact cross-section which has a width a parallel to a commutator axis and a height t tangential to the circumference of the commutator, with a height t greater than or equal to 4.5 mm and less than 5.5 mm the width a is at least 2.8 times the height t.
  • Document DE 10 2013 103 480 A1 discloses a multilayer carbon brush for making sliding contact with a commutator of an electric motor, comprising a body and a shunt.
  • the body includes a first electrically conductive layer, a second electrically conductive layer, and a separator layer disposed between the first and second conductive layers and electrically separating the first and second conductive layers.
  • the shunt is coupled to the first conductive layer.
  • the first conductive layer has a thickness greater than a thickness of the second conductive layer, and the separating layer has a lateral series resistance greater than the series resistance of the first and second conductive layers. Since only the first conductive layer is electrically coupled via the shunt, the second layer is not electrically connected to the conductive terminal of the electric motor.
  • the body acts in a similar way to a capacitor.
  • one object of the present invention is to improve known multilayer carbon brushes for use in an electric motor.
  • a layered carbon brush with the features of claim 1 .
  • This is characterized in that the first carbon brush part is made from a different material than the second carbon brush part.
  • Such a layered carbon brush can be used both in motors with a single direction of rotation (the drive shaft of the electric motor) and in motors with two directions of rotation (the drive shaft). So it is conceivable to use the claimed layered carbon brush in electric motors of washing machines, for example, or in electric motors of powered tools in the kitchen or construction sector.
  • the motor-driven drive shaft of a rotary hammer or a kitchen mixer can have one main direction of rotation, but can also rotate in the opposite direction (two directions of rotation with one main direction of rotation), while the drive shaft of, for example, an angle grinder, an electrically powered saw, a multi-tool and the like can rotate in one direction single direction of rotation can be driven.
  • Both carbon brush parts have their own interface for connection to a connecting line for the power supply and are therefore electrically active.
  • electrically conductive materials can be used as materials for the carbon brush parts, with the specific electrical resistance of the carbon brush part being able to vary depending on the material selected. Further factors influencing the choice of a suitable material or a suitable material composition can be a desired hardness, bending strength and the like.
  • the layered carbon brush By means of the layered carbon brush, current is to be conducted in a known manner through the carbon brush to the commutator (also collector or commutator).
  • the commutator is usually circumferential formed with lamellae.
  • the carbon brushes that connect the stationary supply lines to the rotating coils of the rotor of the electric motor slide on the lamellae. Each bar is connected to the beginning of one coil and the end of another coil of a commutator winding.
  • undesired cross currents can occur between the slats if several slats are in contact with a carbon brush at the same time.
  • the neutral zone twists out of the middle of the pole gap under load, which means that the induction voltage is not equal to zero at the time of commutation.
  • the flow of current in the outgoing coil connected to the commutator bars is broken, causing stall sparks called brush sparks.
  • the layered carbon brush is built into the electric motor in such a way that the direction of the layers runs essentially tangentially to the peripheral contour of the cylindrical commutator or collector.
  • the individual thicknesses of the carbon brush parts are halved compared to the total thickness by the insulation layer provided between the carbon brush parts, which electrically insulates the individual carbon brush parts from one another, and thus both the transverse currents that occur and the current density are reduced.
  • the reduction in thickness also undesirably increases the electrical resistance in the individual carbon brush parts.
  • the undesirable effects described above can be reduced if suitable materials are selected by selecting two carbon brush parts made of different materials.
  • the first carbon brush part (the first layer) running in the main direction of rotation of a rotating motor part (the rotating commutator) of the electric motor can be made of a first conductive material that has a reduced electrical resistance, thereby providing a higher current density in the first carbon brush part becomes.
  • the trailing second carbon brush part can be made of a second conductive material which, for example, has a higher electrical resistance than the first material, whereby a reduced current density is provided at the second carbon brush part and so-called carbon brush fires can in turn be reduced.
  • this task can also be solved by a layered carbon brush with the features of claim 2 .
  • This is characterized in that the first carbon brush part has a first material thickness and the second carbon brush part has a second material thickness, the first material thickness and the second material thickness being different.
  • the well-known undesired effects of occurring cross currents and carbon brush fire can be counteracted, for example, in that the first carbon brush part (the first layer) accumulating in the main direction of rotation of the rotating part (the rotating commutator) of the electric motor has a first larger material thickness (in tangential Direction based on the outer circumference of the commutator).
  • the first carbon brush part can, for example, in turn have a lower electrical resistance, as a result of which a higher current density can be provided, while the trailing second carbon brush part can have a second material thickness that is reduced compared to the first material thickness.
  • the second carbon brush part can in turn have a higher electrical resistance than the first carbon brush part, as a result of which a reduced current density is provided and so-called carbon brush fires can in turn be reduced.
  • an electric motor having the features of claim 5 is provided.
  • each of the carbon brush parts which are electrically insulated from one another, has its own interface for connection to a connecting line for the electrical power supply. It is known from the prior art that each carbon brush part can have a centrally arranged interface (cf. FIG. 1). In contrast to this, the interfaces in the present invention can be arranged decentrally symmetrically to the connection layer (as a plane of symmetry). This Variant is particularly useful for carbon brush parts that have the same thickness but are made of a different material.
  • the individual carbon brush parts can be glued together with adhesive as a connecting layer, or the layered carbon brushes are manufactured in a pressing process, as is known from the prior art.
  • the layered carbon brushes can then be provided with interfaces or connection points for connecting the connecting lines and can be precisely cut to size during final processing.
  • it can have a hole as an interface into which a connecting line, for example a copper cable, is inserted and pressed ("tamped"), or it can be soldered directly to a bronze leaf spring in the area of its interface .
  • the assembled layered carbon brushes i.e. the carbon brush parts that are already connected to one another by means of the non-conductive connecting layer
  • these can also be arranged diametrically on the composite layered carbon brush, so that regardless of whether the carbon brush part later installed in the electric motor on the leading side is arranged on the left side or the right side, the connection points are always placed in the right place.
  • the diametrical arrangement is defined in relation to that surface of the layered carbon brush which has the interfaces.
  • an interface in the assembled state of the layered carbon brush, an interface can be arranged in an upper left corner (when viewed from above onto the surface containing the interfaces) and another interface can be arranged in a lower right corner.
  • the distance to the outer edges of the layered carbon brush can be specified such that a corresponding interface (for example in the form of a bore) is provided on each carbon brush part, regardless of the different material thicknesses (thickness) of the individual carbon brush parts.
  • the layered carbon brush has a switch-off element.
  • the brushes wear out during operation and become shorter. For this reason, they are often accommodated in metal guides in which they are pressed onto the commutator by means of a spring. If a predetermined threshold value for the abrasion is exceeded, the shut-off device serves to automatically protect the electric motor from damage caused by the carbon brushes that have been abraded.
  • the shut-off device made of an electrically non-conductive material interrupts the flow of current (the transmission to the commutator) and consequently leads to the electric motor being switched off automatically.
  • Shut-off devices of this type are already known from the prior art, which is why a detailed description is not given here. According to a further development of the invention, it can be provided that the switch-off element is arranged centrally for particularly even wear of the carbon brush parts in relation to the overall material thickness of the layered carbon brush.
  • shut-off element is arranged eccentrically in relation to the overall material thickness of the layered carbon brush for particularly reliable protection of the electric motor, in particular centrally in the carbon brush part which, in the installed state of the electric motor, is on a (main) direction of rotation of the rotating one Motor part is arranged on the leading side.
  • FIG. 1 shows a layered carbon brush according to the prior art
  • FIG. 2 shows a layered carbon brush according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 3 shows a layered carbon brush according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a layered carbon brush according to the invention according to a third embodiment in the state installed in an electric motor.
  • the figures generally show a layered carbon brush, which is designated by the reference numeral 20 .
  • FIG. 1 shows a known embodiment according to DE 102014214221 A1, namely a layered carbon brush 20, which is composed of the two carbon brush parts 10 and 19, with a non-conductive connecting layer 18 between the two carbon brush parts 10 and 19 for the mechanical connection of the carbon brush parts 10 and 19 is provided.
  • the connecting layer 18 can be formed, for example, as described in the prior art, from a hardening adhesive mass made from a reactive 1-component PUR hotmelt.
  • Alternative solutions for the configuration of the connecting layer 18 are of course also conceivable in connection with the invention according to FIGS.
  • FIG. 1 known from the prior art is used in particular in the motors of washing machines.
  • the present invention can also be used in the electric motors of other machines driven by electric motors, for example in the household, kitchen or construction sector.
  • a layered carbon brush according to the invention as shown in FIGS. 2 to 4 can be used in motors with a single direction of rotation (the drive shaft of the electric motor) and in motors with two directions of rotation (the drive shaft).
  • the motor-driven drive shaft of a machine tool such as a rotary hammer, or a kitchen appliance, such as a kitchen mixer
  • the drive shaft of, for example, a Angle grinder, an electrically powered saw, a multi-tool and the like can be driven in a single direction of rotation (main direction of rotation D).
  • the first carbon brush part 10 which in an assembled state of an electric motor 100 (cf. Figure 4) is on an accumulating side relative to the main direction of rotation D of a moving part of electric motor 100, in particular a commutator 110 of the electric motor, is formed from a different material than the second carbon brush part 19 .
  • the first carbon brush part 10 has a lower specific (electrical) resistance than the second carbon brush part 19.
  • the first carbon brush part 10 which when an electric motor 100 is in the assembled state (cf. Figure 4), can be positioned on a leading side relative to the main direction of rotation D of a moving part of the electric motor 100, in particular the commutator 110 of the electric motor, is arranged, have a greater thickness T1 than the second carbon brush part 19 with its thickness T2.
  • the thickness T or T1 and T2 designates (in the assembled state of the electric motor 100) the tangential extension in relation to the essentially circular cross section of the commutator 110.
  • FIG. 4 shows an electric motor 100 and its commutator 110 in a highly schematic manner, which is contacted by means of a layered carbon brush 20 according to FIG.
  • the commutator as the rotating part of the electric motor 100, rotates in a main direction of rotation D about an axis of rotation (not shown). This main direction of rotation is also indicated in FIGS. 2 and 3 by an arrow labeled D.
  • FIG. 4 also shows a further embodiment related to the layered carbon brush 20, which is composed of two carbon brush parts 10 and 19 with different thicknesses T1 and T2 in a manner analogous to the second embodiment in FIG.
  • the layered carbon brushes according to the present invention can be designed with an interface 12, 14 for connection to connecting lines 120, 140 in the form of carbon cables or strands (cf. FIG. 2) for each carbon brush part.
  • the interfaces can be arranged mirror-symmetrically in relation to the connection layer 18 and in the middle or off-centre (cf. FIG. 2).
  • a diametrical arrangement of the interfaces 12, 14 is also conceivable.
  • this control step is omitted during production, particularly when setting the interfaces 12, 14, for example in the form of bores.
  • Figures 2 to 4 also show a shut-off element 150 which, in the illustration shown in Figures 3 and 4, is eccentric (i.e. the distance y between the shut-off element 150 and the outer surface 19a of the second carbon brush part is greater or smaller than the distance x between the shut-off element 150 to the outer surface 10a of the first carbon brush part) based on the total thickness T of the layered carbon brush 20 is arranged.
  • This can in turn be arranged, for example, in the middle with respect to the thickness T1 of the first carbon brush part 10 (cf. FIG. 4) or coincidentally with the connecting layer 18 (cf. FIG. 3).

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schichtkohlebürste (20) für einen Elektromotor (100) mit wenigstens einem ersten Kohlebürstenteil (10) und einem zweiten Kohlebürstenteil (19), die mittels einer dazwischen angeordneten nicht-leitenden Verbindungsschicht (18) zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteile (10, 19) verbunden sind, wobei das erste Kohlebürstenteil (10) aus einem anderen Material hergestellt ist als das zweite Kohlebürstenteil (19). Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt (2) eine Schichtkohlebürste (20) mit wenigstens einem ersten Kohlebürstenteil (10) und einem zweiten Kohlebürstenteil (19), die mittels einer dazwischen angeordneten nicht-leitenden Verbindungsschicht (18) zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteile (10, 19) verbunden sind, wobei das erste Kohlebürstenteil (10) eine erste Materialstärke (T1) aufweist und das zweite Kohlebürstenteil (19) eine zweite Materialstärke (T2) aufweist, wobei die erste Materialstärke (T1) und die zweite Materialstärke (T2) unterschiedlich sind.

Description

Schichtkohlebürste für einen Elektromotor
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2021 107 839.3 in Anspruch, deren Inhalt durch Verweis hierin vollständig mit aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft eine Schichtkohlebürste für einen Elektromotor mit wenigstens einem ersten Kohlebürstenteil und einem zweiten Kohlebürstenteil, die mittels einer dazwischen angeordneten nicht-leitenden Verbindungsschicht zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteile verbunden sind.
Kohlebürsten für Elektromotoren, auch als Schleifkohlen oder Motorkohlen bezeichnet, dienen dazu, einen Gleitkontakt zu dem im wesentlichen zylinderförmigen Kommutator eines Elektromotors herzustellen.
Insbesondere in Elektromotoren, die mit hohen Drehzahlen betrieben werden, wie beispielsweise Waschmaschinenmotoren, die mit Wechselstrom betrieben sind, ist es üblich, als Mehrschichtkohlebürsten ausgebildete Kohlebürsten einzusetzen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 214 221 A1 ist bereits ein Herstellungsverfahren für eine zweischichtige Kohlebürste bekannt. Bei diesem wird zwischen zwei Kohlebürstenteilen eine homogen ausgebildete Verbindungsschicht mit einer unmittelbar an Verbindungs-Kontaktflächen der Kohlebürstenteile angrenzenden aushärtenden Klebermasse bereitgestellt. Diese aus dem Stand der Technik ist nachfolgend auch in der Figur 1 gezeigt.
Eine weitere Lösung für ein Herstellungsverfahren von Mehrschichtkohlen ist aus der EP 3 018 772 B1 bekannt, bei der schichtweise das elektrisch leitende Material oder ein dieses als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material in einer dem Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste entsprechenden Reihenfolge in eine Form eingebracht, sodann verpresst und anschließend wärmebehandelt werden. Vergleichbare Herstellungsverfahren sind auch aus den Druckschriften DE 10 209 199 A1 , WO 2007 099 435 A1 , WO 2007 012 453 A1 , WO 2007 090 435 A1 und DE199 135 99 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2010 038832 A1 ist schließlich eine Mehrschichtkohlebürste bekannt, mit einem Kohlenstoffkörper, der zwei durch eine Isolationslage voneinander getrennte und im Verbund angeordnete Kohlenstoffschichten aufweist, die mit ihren einer Anschlussleiterseite des Kohlenstoffkörpers gegenüberliegenden Stirnflächen in einem Kontaktabschnitt eine Kontaktfläche zur Anlage gegen einen Kommutator eines Elektromotors bilden. Der resultierende Kontaktabschnitt weist im eingebauten Zustand einen Kontaktquerschnitt auf, der achsenparallel zu einer Kommutator-Achse eine Breite a und tangential zum Umfang des Kommutators eine Höhe t aufweist, wobei bei einer Höhe t größer oder gleich 4,5 mm und kleiner 5,5 mm die Breite a zumindest das 2,8-fache der Höhe t beträgt. Somit ist bei dieser Lösung ein sehr spezifisches Verhältnis der Dimensionierung der Kontaktfläche vorgegeben. Die Druckschrift DE 10 2013 103 480 A1 offenbart eine mehrschichtige Kohlebürste zum Herstellen eines Gleitkontakts mit einem Kommutator eines Elektromotors, die einen Körper und einen Shunt umfasst. Der Körper umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht und eine Trennschicht, die zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist und die erste und zweite leitfähige Schicht elektrisch trennt. Der Shunt ist mit der ersten leitenden Schicht gekoppelt. Die erste leitende Schicht hat eine Dicke, die größer ist als eine Dicke der zweiten leitenden Schicht, und die Trennschicht hat einen seitlichen Längswiderstand, der größer ist als der Längswiderstand der ersten und zweiten leitenden Schicht. Da nur die erste leitfähige Schicht über den Shunt elektrisch gekoppelt ist, ist die zweite Schicht ist die zweite elektrisch leitende Schicht mit dem leitenden Anschluss des elektrischen Motors nicht elektrisch verbunden. Der Körper wirkt bei dieser Lösung in ähnlicher Weise wie ein Kondensator.
Eine vergleichbare Lösung ist auch in der US 2007/0042650 A1 gezeigt.
Demgegenüber besteht eine Aufgabe der vorliegende Erfindung darin, bekannte mehrschichtige Kohlebürsten für die Anwendung in einem Elektromotor zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Schichtkohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Kohlebürstenteil aus einem anderen Material hergestellt ist als das zweite Kohlebürstenteil. Eine solche Schichtkohlebürste kann sowohl in Motoren mit einer einzigen Drehrichtung (der Antriebswelle des Elektromotors) als auch in Motoren mit zwei Drehrichtungen (der Antriebswelle) zur Anwendung kommen. So ist es denkbar, die anspruchsgemäße Schichtkohlebürste in Elektromotoren von beispielsweise Waschmaschinen oder in Elektromotoren von angetriebenen Werkzeugen im Küchen- oder Baubereich einzusetzen. Dabei kann die motorisch angetriebene Antriebswelle eines Bohrhammers oder eines Küchenmixers eine Hauptdrehrichtung aufweisen, sich jedoch auch in eine entgegengesetzte Richtung drehen (zwei Drehrichtungen mit einer Hauptdrehrichtung), während die Antriebswelle von beispielsweise einem Winkelschleifer, einer elektrisch angetriebenen Säge, eines Multitools und dergleichen in einer einzigen Drehrichtung angetrieben werden kann.
Beide Kohlebürstenteile sind über eine eigene Schnittstelle zur Verbindung mit einer Verbindungsleitung zur Versorgung mit Strom versehen und somit elektrisch aktiv.
Als Materialien für die Kohlebürstenteile kommen grundsätzlich elektrische leitende Materialien infrage, wobei je nach gewähltem Material der spezifische elektrische Widerstand des Kohlebürstenteils unterschiedlich sein kann. Weitere Einflussfaktoren bei der Wahl eines geeigneten Materials bzw. einer geeigneten Materialzusammensetzung können eine gewünschte Härte, Biegebruchfestigkeit und dergleichen sein.
Mittels der Schichtkohlebürste soll in bekannter Weise Strom durch die Kohlebürste auf den Kommutator (auch Kollektor oder Stromwender) geleitet werden. Der Kommutator ist üblicherweise in Umfangsrichtung mit Lamellen ausgebildet. Auf den Lamellen schleifen die Kohlebürsten, die die ruhenden Zuleitungen mit den rotierenden Spulen des Rotors des Elektromotors verbinden. Jede Lamelle ist mit dem Anfang einer Spule und dem Ende einer anderen Spule einer Kommutator- Wicklung verbunden. Im Betrieb können sich bei gleichzeitiger Kontaktierung mehrerer Lamellen mit einer Kohlebürste zwischen den Lamellen unerwünschte Querströme einstellen.
Ein bekannter Nachteil bei der Verwendung von Kohlebürsten in Elektromotoren ist in einer übermäßigen Funkenbildung am Kommutator (Bürstenfeuer) zu erkennen. Zwei Effekte bewirken, dass an den Kohlebürsten elektrische Überschläge auftreten, die als Funken Sichtbar werden:
Zum einen verdreht sich unter Belastung die neutrale Zone aus der Mitte der Pollücke, wodurch zum Zeitpunkt der Stromwendung die Induktionsspannung ungleich Null ist. Genau in diesem Moment wird der Stromfluss in der an den Kommutatorlamellen angeschlossenen ablaufenden Spule getrennt, sodass Abreißfunken entstehen, die Bürstenfeuer genannt werden.
Des Weiteren gibt es Motoren, bei denen die Bürsten so dick sind (die Dicke bezeichnet dabei die tangentiale Erstreckung bezogen auf den im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt des Kommutators), dass sie für kurze Zeit eine Vielzahl Lamellen des Kommutators berühren und somit sowohl Querströme zwischen den Lamellen als auch einen kurzzeitigen Kurzschluss verursachen, der auch ein Bürstenfeuer nach sich zieht. Bürstenfeuer hat mehrere nachteilige Konsequenzen: So verursacht es zum einen eine Verschmutzung der Lamellen und führt zum anderen zu erhöhter Abnutzung der Kohlebürsten, da die dabei entstehende Hitze den Verschleiß der Kohlebürsten begünstigt.
In der Praxis besteht eine bekannte Lösung daher darin, möglichst viele Lamellen und Ankerwicklungen zu verwenden, um die Stromdichte an den Kohlebürsten zu verringern. Gleichzeitig wird hierdurch jedoch die Anzahl der gleichzeitig kontaktierten Lamellen mit einer gleichbleibend dicken Bürste erhöht, wodurch mehr unerwünschte Querströme auftreten können.
Die Schichtkohlebürste ist in montiertem Zustand des Elektromotors derart in dem Elektromotor eingebaut, dass die Schichtrichtung im Wesentlichen tangential zur Umfangskontur des zylinderförmigen Kommutators bzw. Kollektors verläuft. Auf diese Weise werden auch bei bekannten Zweischichtkohlebürsten die Einzel-Dicken der Kohlebürstenteile durch die zwischen den Kohlebürstenteilen vorgesehene Isolationsschicht, die die einzelnen Kohlebürstenteile elektrisch voneinander isoliert, gegenüber der Gesamtdicke halbiert und somit sowohl die auftretenden Querströme als auch die Stromdichte verringert. Allerdings wird durch die Verringerung der Dicken auch der elektrische Wderstand in den einzelnen Kohlebürstenteilen unerwünscht erhöht.
Gegenüber dieser bekannten Lösung können durch die Auswahl zweier Kohlebürstenteile aus unterschiedlichen Materialien die vorstehend beschriebenen unerwünschten Effekte bei Auswahl geeigneter Materialien verringert werden. So kann das in der Hauptdrehrichtung eines sich drehenden Motorteils (des sich drehenden Kommutators) des Elektromotors auflaufende erste Kohlebürstenteil (die erste Schicht) aus einem ersten leitfähigen Material hergestellt sein, das einen verringerten elektrischen Widerstand aufweist, wodurch eine höhere Stromdichte in dem ersten Kohlebürstenteil bereitgestellt wird. Das nachlaufende zweite Kohlebürstenteil indes kann aus einem zweiten leitfähigen Material hergestellt sein, das beispielweise einen dem ersten Material gegenüber höheren elektrischen Widerstand aufweist, wodurch an dem zweiten Kohlebürstenteil eine verringerte Stromdichte bereitgestellt wird und sogenannte Kohlebürstenfeuer wiederum reduziert werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann diese Aufgabe auch durch eine Schichtkohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst werden. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Kohlebürstenteil eine erste Materialstärke aufweist und das zweite Kohlebürstenteil eine zweite Materialstärke aufweist, wobei die erste Materialstärke und die zweite Materialstärke unterschiedlich sind.
Auf diese Weise kann wiederum den bekannten unerwünschten Effekte von auftretenden Querströmen und Kohlebürstenfeuer begegnet werden, indem beispielsweise das in der Hauptdrehrichtung des sich drehen Teils (des sich drehenden Kommutators) des Elektromotors auflaufende erste Kohlebürstenteil (die erste Schicht) eine erste größere Materialstärke (in tangentialer Richtung bezogen auf den Außenumfang des Kommutators) aufweist.
Hierdurch kann das erste Kohlebürstenteil beispielsweise wiederum einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, wodurch eine höhere Stromdichte bereitgestellt werden kann, während das nachlaufende zweite Kohlebürstenteil eine gegenüber der ersten Materialstärke verringerte zweite Materialstärke aufweisen kann. Auf diese Weise kann das zweite Kohlebürstenteil wiederum einen gegenüber dem ersten Kohlebürstenteil höheren elektrischen Wderstand aufweisen, wodurch eine verringerte Stromdichte bereitgestellt wird und sogenannte Kohlebürstenfeuer wiederum reduziert werden können.
Beide Aspekte der Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 2 lösen folglich die gleiche technische Aufgabe. Diese können für sich genommen oder in Kombination miteinander in einem Elektromotor zur Anwendung kommen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung weist jedes der elektrisch voneinander isolierten Kohlebürstenteile eine eigene Schnittstelle zur Verbindung mit einer Verbindungsleitung zur elektrischen Versorgung mit Strom auf. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass jedes Kohlebürstenteil eine zentral angeordnete Schnittstelle aufweisen kann (vgl. Figur 1). Im Unterschied hierzu können die Schnittstellen bei der vorliegenden Erfindung dezentral symmetrisch zur Verbindungsschicht (als Symmetrieebene) angeordnet sein. Diese Variante bietet sich insbesondere bei Kohlebürstenteile an, die eine gleiche Dicke aufweisen, aber aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sind.
Bei der Herstellung der Schichtkohlebürsten können die einzelnen Kohlebürstenteile mit Klebstoff als Verbindungsschicht miteinander verklebt werden oder die Schichtkohlebürsten werden in einem Pressverfahren, wie aus dem Stand der Technik bekannt, gefertigt. Anschließend können die Schichtkohlebürsten mit Schnittstellen bzw. Anschlussstellen zum Anschluss der Verbindungsleitungen versehen und bei der Endbearbeitung präzise auf Maß gebracht werden. Zur besseren Kontaktgabe der Schichtkohlebürste mit dem Stromanschluss kann diese als Schnittstelle eine Bohrung aufweisen, in die eine Verbindungsleitung, beispielsweise ein Kupferseil, eingesetzt und eingepresst („verstampft“) wird, oder sie kann im Bereich ihrer Schnittstelle direkt an eine Bronze-Blattfeder angelötet sein.
Um die Herstellung zu vereinfachen, und insbesondere auf eine Überprüfung der Orientierung der zusammen gefügten Schichtkohlebürsten (d.h. der Kohlebürstenteile, die bereits mittels der nicht-leitenden Verbindungsschicht miteinander verbunden sind) beim Vorsehen der Schnittstellen bzw. Anschlussstellen, insbesondere der Bohrungen, verzichten zu können, können diese alternativ auch an der zusammengesetzten Schichtkohlebürste diametral angeordnet sein, so dass unabhängig davon, ob das später im Elektromotor eingebaute auf der vorlaufenden Seite angeordnete Kohlebürstenteil auf der linken Seite oder der rechten Seite angeordnet ist, die Anschlussstellen immer an der richtigen Stelle platziert sind.
Die diametrale Anordnung ist bezogen auf diejenige Oberfläche der Schichtkohlebürste definiert, welche die Schnittstellen aufweist. Dabei kann beispielsweise im zusammengebauten Zustand der Schichtkohlebürste eine Schnittstelle in einer (in Draufsicht auf die die Schnittstellen enthaltenden Oberfläche betrachtet) linken oberen Ecke und eine weitere Schnittstelle in einer rechten unteren Ecke angeordnet sein. Der Abstand zu den Außenkanten der Schichtkohlebürste kann dabei so vorgegeben sein, dass unabhängig von der unterschiedlichen Materialstärke (Dicke) der einzelnen Kohlebürstenteile, an jedem Kohlebürstenteil eine entsprechende Schnittstelle (beispielsweise in Form einer Bohrung) vorgesehen ist.
Weiterhin kann bei einer Weiterbildung unabhängig von der spezifischen Ausgestaltung und Anordnung der Schnittstellen für die Verbindungsleitungen vorgesehen sein, dass die Schichtkohlebürste ein Abschaltorgan aufweist.
Die Bürsten verschleißen im Betrieb und werden kürzer. Daher bringt man sie oft in metallischen Führungen unter, in denen sie mittels einer Feder auf den Kommutator gedrückt werden. Ist ein vorbestimmter Schwellenwert für den Abrieb überschritten dient das Abschaltorgan zum automatischen Schutz des Elektromotors vor Beschädigung durch die abgeriebenen Kohlebürsten. Das Abschaltorgan aus einem elektrisch nicht- leitenden Material unterbricht dabei den Stromfluss (die Übertragung auf den Kommutator) und führt folglich zu einer automatischen Abschaltung des Elektromotors. Abschaltorgane dieser Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt, weshalb vorliegend auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Abschaltorgan für eine besonders gleichmäßige Abnutzung der Kohlebürstenteile bezogen auf die Gesamtmaterialstärke der Schichtkohlebürste mittig angeordnet ist.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Abschaltorgan für einen besonders zuverlässigen Schutz des Elektromotors bezogen auf die Gesamtmaterialstärke der Schichtkohlebürste außermittig angeordnet ist, insbesondere mittig in dem Kohlebürstenteil das auf einer im montierten Zustand des Elektromotors bezüglich einer (Haupt-)Drehrichtung des sich drehenden Motorteils auflaufenden Seite angeordnet ist.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie "umfassend" "aufweisen" oder "mit" keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe "ein" oder "das", die auf einer Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen mehrere Merkmale der Erfindung in Kombination miteinander. Selbstverständlich vermag der Fachmann diese jedoch auch losgelöst voneinander zu betrachten und gegebenenfalls zu weiteren sinnvollen Unterkombinationen zu kombinieren, ohne dass er hierfür erfinderisch tätig werden müsste.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 eine Schichtkohlebürste gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Schichtkohlebürste gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 3 eine erfindungsgemäße Schichtkohlebürste gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
Figur 4 eine erfindungsgemäße Schichtkohlebürste gemäß einer dritten Ausführungsform in in einem Elektromotor eingebauten Zustand.
Die Figuren zeigen allgemein eine Schichtkohlebürste, die mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist.
In der Figur 1 ist eine bekannte Ausführungsform gemäß der DE 102014214221 A1 gezeigt, nämlich eine Schichtkohlebürste 20, die sich aus den beiden Kohlebürstenteilen 10 und 19 zusammensetzt, wobei zwischen den beiden Kohlebürstenteilen 10 und 19 eine nicht-leitende Verbindungsschicht 18 zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteilte 10 und 19 vorgesehen ist. Die Verbindungsschicht 18 kann beispielsweise, wie im Stand der Technik beschrieben, aus einer aushärtenden Klebermasse aus einem reaktiven 1 -Komponenten PUR-Hotmelt gebildet sein. Alternative Lösungen zur Ausgestaltung der Verbindungsschicht 18 sind im Zusammenhang mit der Erfindung gemäß den Figuren 2 bis 4 selbstverständlich ebenfalls denkbar.
Die aus dem Stand der Technik bekannt Ausführungsform der Figur 1 findet insbesondere in den Motoren von Waschmaschinen Anwendung. Die vorliegende Erfindung kann zudem auch in den Elektromotoren von weiteren elektromotorisch angetriebenen Maschinen, beispielsweise im Haushalts- , Küchen- oder Baubereich zur Anwendung kommen.
Wie bereits vorstehend ausgeführt kann eine erfindungsgemäße Schichtkohlebürste wie in den Figuren 2 bis 4 gezeigt, in Motoren mit einer einzigen Drehrichtung (der Antriebswelle des Elektromotors) als auch in Motoren mit zwei Drehrichtungen (der Antriebswelle) zur Anwendung kommen. So kann beispielsweise die motorisch angetriebene Antriebswelle einer Werkzeugmaschine, wie eines Bohrhammers, oder eines Küchengeräts, wie eines Küchenmixers, eine Hauptdrehrichtung D aufweisen, sich jedoch auch in eine entgegengesetzte Richtung drehen (zwei Drehrichtungen mit einer Hauptdrehrichtung D), während die Antriebswelle von beispielsweise einem Winkelschleifer, einer elektrisch angetriebenen Säge, eines Multitools und dergleichen in einer einzigen Drehrichtung (Hauptdrehrichtung D) angetrieben werden kann.
Anders als im Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Figur 2 das erste Kohlebürstenteil 10, das in einem zusammengebauten Zustand eines Elektromotorsl OO (vgl. Figur 4) auf einer auflaufenden Seite bezogen auf die Hauptdrehrichtung D eines bewegten Teils des Elektromotors 100, insbesondere eines Kommutators 110 des Elektromotors, angeordnet ist, aus einem anderen Material als das zweite Kohlebürstenteil 19 ausgebildet.
Dabei kann bei der Materialwahl insbesondere darauf geachtet werden, dass das erste Kohlebürstenteil 10 einen geringeren spezifischen (elektrischen) Widerstand aufweist als das zweite Kohlebürstenteil 19.
In analoger Weise kann bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Figur 3 das erste Kohlebürstenteil 10, das in einem zusammengebauten Zustand eines Elektromotors 100 (vgl. Figur 4) auf einer auflaufenden Seite bezogen auf die Hauptdrehrichtung D eines bewegten Teils des Elektromotors 100, insbesondere des Kommutators 110 des Elektromotors, angeordnet ist, eine größere Dicke T1 aufweisen als das zweite Kohlebürstenteil 19 mit seiner Dicke T2. Die Dicke T bzw. T1 und T2 bezeichnet dabei (im zusammengebauten Zustand des Elektromotors 100) die tangentiale Erstreckung bezogen auf den im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt des Kommutators 110. Auf diese Weise kann auch bei gleichem Material der beiden Kohlebürstenteile 10 und 19 der spezifische (elektrische) Widerstand des ersten Kohlebürstenteils 10 im Vergleich zu dem spezifischen (elektrischen) Widerstand des zweiten Kohlebürstenteils 19 verringert werden. Die Dicke T1 im Verhältnis zu der Gesamtdicke T=T1+T2 ist größer 50%, insbesondere 60% bis 90%, bevorzugt 60% bis 80%.
In der Figur 4 ist in stark schematischer Art und Weise ein Elektromotor 100 bzw. dessen Kommutator 110 gezeigt, der mittels einer Schichtkohlebürste 20 gemäß der Figur 3 kontaktiert wird. Wie bereits vorstehend erwähnt, dreht sich der Kommutator als das sich drehende Teil des Elektromotors 100 in einer Hauptdrehrichtung D um eine Drehachse (nicht dargestellt). Diese Hauptdrehrichtung ist auch in den Figuren 2 und 3 durch einen mit D bezeichneten Pfeil angedeutet.
Die Figur 4 zeigt ferner bezogen auf die Schichtkohlebürste 20 eine weitere Ausführungsform, die sich in analoger Weise zu der zweiten Ausführungsform der Figur 3 aus zwei Kohlebürstenteilen 10 und 19 mit unterschiedlichen Dicken T1 und T2 zusammensetzt.
Die Schichtkohlebürsten gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie in den Figuren 2 bis 4 gezeigt, für jedes Kohlebürstenteil mit einer Schnittstelle 12, 14 zur Verbindung mit Verbindungsleitungen 120, 140 in Form von Kohleseilen oder Litzen (vgl. Figur 2) ausgebildet sein. Dabei können die Schnittstellen, wie im Stand der Technik spiegelsymmetrisch bezogen auf die Verbindungsschicht 18 und mittig oder außermittig (vgl. Figur 2) angeordnet sein. Alternativ ist jedoch auch, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, eine diametrale Anordnung der Schnittstellen 12, 14 denkbar. In der Herstellung muss bei einer Lösung, wie in der Figur 2 gezeigt, jedoch bei dem Vorsehen der Schnittstellen 12, 14 auf die korrekte Orientierung in Hinblick auf die spätere Einbaurichtung der Schichtkohlebürste 20 im Elektromotor 100 geachtet werden. Durch die diametrale Anordnung der Figuren 3 und 4 entfällt dieser Kontrollschritt bei der Herstellung, insbesondere beim Setzen der Schnittstellen 12, 14, beispielsweise in Form von Bohrungen.
Weiterhin ist in den Figuren 2 bis 4 auch ein Abschaltorgan 150 gezeigt, das in der gezeigten Darstellung der Figuren 3 und 4 außermittig (d.h. der Abstand y des Abschaltorgans 150 zur Außenfläche 19a des zweiten Kohlebürstenteils ist größer oder kleiner als der Abstand x des Abschaltorgans 150 zur Außenfläche 10a des ersten Kohlebürstenteils) bezogen auf die Gesamtdicke T der Schichtkohlebürste 20 angeordnet ist. Dieses kann wiederum beispielsweise mittig bezogen auf die Dicke T1 des ersten Kohlebürstenteils 10 angeordnet sein (vgl. Figur 4) oder zusammenfallend mit der Verbindungsschicht 18 (vgl. Figur 3).

Claims

P ate nta n s p rü ch e
1. Schichtkohlebürste (20) für einen Elektromotor (100) mit wenigstens einem ersten Kohlebürstenteil (10) und einem zweiten Kohlebürstenteil (19), die mittels einer dazwischen angeordneten nicht-leitenden Verbindungsschicht (18) voneinander elektrisch isoliert zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteile (10, 19) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kohlebürstenteile eine eigene Schnittstelle zur Verbindung mit einer Verbindungsleitung zur elektrischen Versorgung mit Strom aufweist, und dass das erste Kohlebürstenteil (10) aus einem anderen Material hergestellt ist als das zweite Kohlebürstenteil (19).
2. Schichtkohlebürste (20) für einen Elektromotor (100) mit wenigstens einem ersten Kohlebürstenteil (10) und einem zweiten Kohlebürstenteil (19), die mittels einer dazwischen angeordneten nicht-leitenden Verbindungsschicht (18) voneinander elektrisch isoliert zur mechanischen Verbindung der Kohlebürstenteile (10, 19) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kohlebürstenteile eine eigene Schnittstelle zur Verbindung mit einer Verbindungsleitung zur elektrischen Versorgung mit Strom aufweist, und dass das erste Kohlebürstenteil (10) eine erste Materialstärke (T1) aufweist und das zweite Kohlebürstenteil (19) eine zweite Materialstärke (T2) aufweist, wobei die erste Materialstärke (T1) und die zweite Materialstärke (T2) unterschiedlich sind.
3. Schichtkohlebürste (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialstärke (T1) größer ist als die zweite Materialstärke (T2), wobei das erste Kohlebürstenteil (10) mit der ersten Materialstärke (T1) in einem montierten Zustand des Elektromotors (100) bezüglich einer (Haupt-)Drehrichtung eines sich drehenden Motorteils auf der auflaufenden Seite angeordnet ist.
4. Schichtkohlebürste (20) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialstärke (T1) größer ist als die zweite Materialstärke (T2), wobei das erste Kohlebürstenteil (10) mit der ersten Materialstärke (T1) einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als das zweite Kohlebürstenteil (19) mit der zweiten Materialstärke (T2).
5. Elektromotor (100), insbesondere zum Betrieb einer Elektrowerkzeugmaschine, umfassend einen Stator, einen Rotor sowie einen Kommutator (110) mit einer Anzahl von Schichtkohlebürsten (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
6. Elektromotor (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (120, 140) der Kohlebürstenteile (10, 19) insbesondere Kohleseile oder Litzen zur elektrischen Versorgung der Kohlebürstenteile (10, 19) mit Strom aufweisen, wobei die Schnittstellen (12, 14) der Kohlebürstenteile (10, 19) zur Verbindung mit der jeweiligen Verbindungsleitung (120, 140) im zusammengefügten Zustand der Kohlebürstenteile (10, 19) diametral zueinander angeordnet sind.
7. Elektromotor (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtkohlebürste (20) ein Abschaltorgan (150) aufweist.
8. Elektromotor (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltorgan (150) bezogen auf die Gesamtmaterialstärke (T) der Schichtkohlebürste (20) mittig angeordnet ist.
9. Elektromotor (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltorgan (150) bezogen auf die Gesamtmaterialstärke (T) der Schichtkohlebürste (20) außermittig angeordnet ist, insbesondere mittig in dem Kohlebürstenteil (10) das auf einer im montierten Zustand des Elektromotors (100) bezüglich einer (Haupt-)Drehrich- tung des sich drehenden Motorteils auflaufenden Seite angeordnet ist.
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