Bürstenanordnung in einer Kommutierungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenanordnung in einer Kommutierungseinrichtung in einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

In der DE 20 2007 013 137 U1 wird eine Bürstenanordnung beschrieben, die Bestandteil einer Kommutierungseinrichtung zur Stromübertragung und -wendung in einer elektrischen Maschine ist. Die Bürstenanordnung umfasst mehrere über den Umfang verteilte Bürsten, die jeweils in einer Bürstenhalterung verschieblich geführt sind und auf Kontakt zur Mantelfläche eines mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine umlaufenden Kollektors stehen. Die Bürstenhalterungen befinden sich zwischen zwei ringförmigen Platten, die zum einen als Stromschiene, welche mit dem elektrischen Pluspol verbunden ist, und zum anderen als Bürstenplatte, die auf Masse gelegt ist, ausgeführt sind. Die Bürsten sind über Anschlusslitzen entweder mit der Stromschiene oder mit der Bürstenplatte elektrisch verbunden.

Zur Erhöhung der Standzeit ist man bestrebt, die Bürsten mit einer möglichst großen Kontaktfläche auszustatten, mit der die Bürsten auf der Ober- bzw. Mantelfläche des umlaufenden Kollektors anliegen.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Bürstenanordnung in einer Kommutierungseinrichtung einer elektri- sehen Maschine so auszubilden, dass die Bürsten mit einer verhältnismäßig großen Kontaktfläche am Kollektor anliegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Die erfindungsgemäße Bürstenanordnung ist Teil einer Kommutierungseinrichtung einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Startermotors für eine Brennkraftmaschine. Über die Kommutierungseinrichtung wird Strom auf ein Ankerpaket übertragen, das drehfest mit der Rotor- bzw. Ankerwelle der elektrischen Maschine umläuft. Bestandteil der Kommutierungseinrichtung ist neben der Bürstenanordnung ein mit der Rotor- bzw. Ankerwelle verbundener Kommutator bzw. Kollektor, an dessen Mantelfläche die Bürsten der Bürstenanordnung zur Stromübertragung anliegen.

Die Bürstenanordnung weist eine Stromschiene auf, über die ein Teil der Bürsten mit Strom versorgt wird. Die Stromschiene ist üblicherweise an den Pluspol einer elektrischen Stromversorgung angeschlossen. Die Stromschiene kann zudem als Abstützung für die Bürstenhalterungen dienen, in denen die Bürsten

verschieblich in Richtung auf die Mantelfläche des Kollektors gelagert sind. Des Weiteren ist eine Bürstenplatte vorgesehen, die üblicherweise parallel zu der Stromschiene angeordnet ist und an der die Bürstenhalterungen fixiert sind. Die Bürstenplatte kann elektrisch leitfähig ausgebildet und an die Masse angeschlossen sein, wobei diejenigen Bürsten, die nicht mit der Stromschiene verbunden sind, mit der auf Masse gelegten Bürstenplatte elektrisch verbunden sind. Die Bürstenhalterungen begrenzen die Bürstenanordnung in Achsrichtung, also senkrecht zur Ebene der Bürstenplatte gesehen bzw. parallel zur Längsachse des Kollektors.

Um bei begrenzter axialer Erstreckung der Bürstenanordnung die Kontakt- bzw. Aufstandsflächen der Bürsten, mit der diese an der Mantelfläche des Kollektors anliegen, zu maximieren, überragen die Bürstenhalterungen die Stromschienen in Achsrichtung. Die Bürstenhalterungen sind somit nicht mehr zwischen der Bürstenplatte und der Stromschiene eingeklemmt, sondern liegen nur an einer Seite an der Bürstenplatte an, wohingegen die gegenüberliegende Seite über die Stromschiene hinausragt. Damit ist bei einer gegebenen Achslänge der Bürsten- anordnung eine vergrößerte Ausführung der Bürstenhalterung und damit auch der in der Bürstenhalterung geführten Bürste möglich, so dass auch die Kontaktbzw. Aufstandsfläche der Bürste vergrößert ist. Insgesamt wird mit dieser Maßnahme der Bürstenverschleiß verringert und die Standzeit erhöht.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass die Stromschiene in Form eines Segmentes ausgebildet ist, das sich zwischen zwei benachbarten Bürstenhalterungen erstreckt. Zweckmäßigerweise werden die Bürsten der Bürs- tenhalterungen, welche an das Stromschienensegment angrenzen, von diesem über Anschlusslitzen oder dergleichen mit Strom versorgt. Sind beispielsweise über den Umfang verteilt vier Bürsten in der Bürstenanordnung vorgesehen, so kann die Stromschiene als Segment zwischen zwei benachbarten Bürstenhalterungen verlaufen und hierbei ein Winkelsegment abdecken, das kleiner als 180° ist, beispielsweise 90° oder 120°. Sofern mehr als vier Einzelbürsten vorgesehen sind, kann es zweckmäßig sein, mehr als ein Stromschienensegment anzuordnen, beispielsweise zwei Stromschienensegmente, die sich zweckmäßigerweise jeweils zwischen zwei Bürstenhalterungen erstrecken, deren Bürsten über das betreffende Stromschienensegment mit Strom versorgt werden.

Die gesamte Erstreckung in Achsrichtung der Bürstenanordnung ist üblicherweise bauartbedingt vorgegeben und richtet sich nach dem vorhandenen Bauraum bzw. der Achserstreckung des Kollektors, an dessen Mantelfläche die Bürsten anliegen. Für eine optimale Ausnutzung des Bauraums in Achsrichtung ist es vorteilhaft, dass die Bürstenhalterungen die Stromschiene so weit axial überragen, dass die Ebene, in der die Stromschiene liegt, die Bürsten in den Bürstenhalterungen schneiden. Dadurch ist sichergestellt, dass der vorhandene axiale Bauraum von den Bürsten in den Bürstenhalterungen in bestmöglicher weise ausgenutzt wird. Die Bürstenhalterungen überragen in dieser Ausführung die Stromschienen so weit, dass die Bürsten innerhalb der Bürstenhalterung sich mindestens bis zu der Stromschiene erstrecken.

Die Stromschiene kann mit einer oder mit mehreren Bürstenhalterungen verbunden sein, beispielsweise mit den beiden Bürstenhalterungen, zwischen denen sich die segmentförmige Stromschiene erstreckt. Zweckmäßigerweise ist die Stromschiene über ein Verbindungs- bzw. Abstützelement an der Bürstenplatte gehalten, wobei in diesem Fall auf eine Verbindung zwischen der Stromschiene und den Bürstenhalterungen ggf. verzichtet werden kann. Das Abstützelement befindet sich im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Bürstenhalterungen und ist beispielsweise als Abstützstift ausgeführt, welcher mit einem stirnseitigen Ende mit der Bürstenplatte und dem gegenüberliegenden stirnseitigen Ende mit der Stromschiene verbunden ist.

Es kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht, wie das Abstützelement mit der Stromschiene verbunden ist. Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist das Abstützelement formschlüssig mit der Stromschiene gekoppelt, beispielsweise durch Einknöpfen des Abstützelementes in eine Ausnehmung in der Stromschiene. Die Ausnehmung ist beispielsweise im Randbereich mit Schlitzen versehen, um beim Einknöpfvorgang ein elastisches Aufweiten der die Ausnehmung begrenzenden Wandungen zu ermöglichen. Die Ausnehmung kann, gemäß einer weiteren Ausführung, auch nach Art eines Schlüssellochs zwei zusammenhängende Teilausnehmungen unterschiedlichen Durchmessers aufweisen, wobei das Abstützelement zunächst in die Teilausnehmungen größeren Durchmessers eingeführt und anschließend durch Verschieben in Querrichtung in die Teilaus- nehmung kleineren Durchmessers eingeschoben wird, bis eine formschlüssige Verbindung zwischen Abstützelement und Stromschiene erreicht ist.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsvariante ist das Abstützelement als ein Kunststoff-Spritzgießbauteil ausgeführt, das in die Ausnehmung in der Stromschiene eingespritzt ist, wodurch ebenfalls eine formschlüssige Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Abstützelement erreicht wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kommutierungseinrichtung mit einer Bürstenanordnung, welche über den Umfang verteilt vier Bürstenhalterungen mit jeweils einer Bürste aufweist, die in den Bürstenhalterungen verschieblich geführt sind und auf Kontakt zur Mantelfläche eines mit der Rotorwelle umlaufenden Kollektors stehen, wobei ein Teil der Bürsten über ein Stromschienensegment mit Strom versorgt wird und das Stromschienensegment sich zwischen zwei benachbarten Bürstenhalterungen befindet, Fig. 2 die Kommutierungseinrichtung in einer weiteren perspektivischen Ansicht,

Fig. 3 die Kommutierungseinrichtung mit einer Darstellung einer Bürstenhalte- rung zwischen einer Bürstenplatte und der Stromschiene, dargestellt in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4 die Detailansicht gemäß Fig. 3 in Seitenansicht,

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung eine Stromschiene, die über ein Abstützelement mit der parallel liegenden Bürstenplatte verbunden ist,

Fig. 6 die segmentförmige Stromschiene in Einzeldarstellung,

Fig. 7 die Verbindung zwischen Bürstenplatte und Stromschiene über das Abstützelement in einer weiteren perspektivischen Ansicht,

Fig. 8 eine Darstellung gemäß Fig. 7, jedoch mit dem Abstützelement im

Schnitt,

Fig. 9 das Abstützelement in Einzeldarstellung,

Fig. 10 die Stromschiene, welche über das Abstützelement mit der Bürstenplatte verbunden ist, mit einer schlüssellochförmigen Ausnehmung zur formschlüssigen Aufnahme des Abstützelementes,

Fig. 1 1 die Stromschiene aus Fig. 10 in Einzeldarstellung,

Fig. 12 bis Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Verbindung zwischen Stromschiene und Bürstenplatte über ein Abstützelement, welches als Kunststoff-Spritzgießbauteil ausgeführt und in eine Ausnehmung in der Stromschiene eingespritzt ist.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen, weist die Kommutierungseinrichtung 1 eine Bürstenanordnung 2 auf, die mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Bürstenhalterungen 3 mit jeweils einer darin verschieblich aufgenommenen Bürste 4 umfasst. Die Bürstenhalterungen 3 mit den Bürsten 4 gruppieren sich um einen Kollektor 5, der drehfest mit der Rotor- bzw. Ankerwelle der elektrischen Maschine umläuft, und an dessen Mantelfläche die Bürsten 4 auf Kontakt anliegen. Bezogen auf die Längsachse des Kollektors 5 sind die Bürsten 4 in den Bürstenhalterungen 3 radial verschieblich gelagert.

Die Bürstenhalterungen 3 sind an einer Seite an einer Bürstenplatte 6 befestigt, welche elektrisch leitend ausgebildet ist und auf Masse gelegt ist. Die Bürstenplatte 6 ist ringförmig ausgebildet. Parallel zur Bürstenplatte 6 erstreckt sich eine Stromschiene 7 zwischen zwei benachbarten Bürstenhalterungen 3. Die Stromschiene 7 ist in Form eines Kreissegmentes ausgeführt und erstreckt sich über einen Winkelbereich kleiner als 120°. Die Stromschiene 7 ist mit dem Pluspol einer Stromversorgung verbunden, wobei die Stromanbindung im Ausführungsbeispiel über einen EMV-Filter 11 erfolgt; grundsätzlich ist aber auch eine Stromanbindung unabhängig bzw. ohne EMV-Filter möglich. In die Stromschiene 7 ist eine Ausnehmung 9 eingebracht, über die ein Abstützelement 8 mit der Stromschiene 7 formschlüssig verbunden ist, deren gegenüberliegende Stirnseite mit der Bürstenplatte 6 verbunden ist. Somit ist die Stromschiene 7 über das Abstützelement 8 an der Bürstenplatte 6 gehalten.

Die Stromversorgung der Bürsten 4 in den köcherförmigen Bürstenhalterungen 9 erfolgt über Anschlusslitzen 10, über die die Bürsten 4 entweder mit der Stromschiene 7 oder mit der Bürstenplatte 6 elektrisch verbunden sind. Jeweils eine Hälfte der Bürsten ist elektrisch mit der Stromschiene und die andere Hälfte elektrisch mit der Platte 6 verbunden.

Wie den Figuren 1 bis 4 zu entnehmen, überragen die Bürstenhalterungen 3 die Stromschiene 7 in Achsrichtung, gesehen in Richtung der Längsachse des Kollektors 5 bzw. senkrecht zur Ebene der Bürstenplatte 6. Insbesondere aus Fig. 4 ist zu erkennen, dass die Seitenwand der Bürstenhalterung 3 über die Außenseite der Stromschiene 7 axial hinausragt. Die Dimensionierungen sind so gewählt, dass sich auch die Bürste 4 bis über die Außenseite der Stromschiene 7 hinausgehend erstreckt, so dass die Ebene der Stromschiene 7 die Bürste 4 schneidet.

In den Figuren 5 und 6 ist in vergrößerter Darstellung die Verbindung zwischen der Stromschiene 7 und der Bürstenplatte 6 gezeigt. In die Stromschiene 7 ist eine Ausnehmung 9 eingebracht, die als Bohrung ausgeführt. Außerdem sind mehrere, sich zur Bohrung radial erstreckende Schlitze in die die Bohrung unmittelbar begrenzende Wandung eingebracht, wodurch diese Wandabschnitte eine erhöhte elastische Nachgiebigkeit aufweisen. Dies ermöglicht es, einen stirnseitigen, verbreiterten Kopf des Abstützelementes 8 in die Ausnehmung 9 einzuknöpfen, so dass der stirnseitige Abschnitt des Abstützelementes 8 formschlüssig in der Ausnehmung 9 aufgenommen ist.

Auch zwischen der Bürstenplatte 6 und dem Abstützelement 8 ist eine formschlüssige Verbindung möglich, was in Fig. 7 dargestellt ist. Der stirnseitige Kopf 8a des Abstützelementes 8 ist in eine Ausnehmung in der Bürstenplatte 6 eingesetzt, die halboffen ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als der Kopf 8a aufweist, wobei zwischen dem Kopf 8a und dem zylindrischen Abschnitt 8b eine teilringförmige Nut 8c eingebracht ist (Fig. 9), die in die Ausnehmung in der Bürstenplatte 6 eingesetzt ist und die formschlüssige Verbindung zu der Bürstenplatte 6 ermöglicht.

Fig. 8 entspricht im Wesentlichen Fig. 7, jedoch ist das Abstützelement 8 im Bereich der Aufnahme in der Ausnehmung in der Bürstenplatte 6 geschnitten dargestellt. Fig. 9 zeigt das Abstützelement 8 in Einzeldarstellung. Das Abstützelement 8 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet mit einem zylindrischen Abschnitt 8b und zwei stirnseitigen Köpfen 8a und 8d, wobei der Kopf 8d etwa konusförmig ausgebildet ist und sich zur Stirnseite hin erweitert. Der Kopf 8d ist in die Ausnehmung 9 in der Stromschiene 7 eingeknöpft.

In den Figuren 10 und 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verbindung zwischen der Bürstenplatte 6 und der Stromschiene 7 über das Abstützelement 8 dargestellt. Der Kopf 8d des Abstützelementes 8 ist in die Ausnehmung 9 in der Stromschiene 7 eingesetzt, wobei die Ausnehmung 9 zwei Teil- ausnehmungen 9a und 9b (Fig. 11) umfasst, die nach Art eines Schlüssellochs unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Durch die Teilausnehmung 9a mit größerem Durchmesser kann der Kopf 8d des Abschlusselementes 8 eingesetzt werden. Durch seitliches Verschieben in die Teilausnehmung 9b kleineren Durchmessers wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Abschlusselement 8 und der Stromschiene 7 erreicht.

In den Figuren 12 bis 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verbindung zwischen Bürstenplatte 6 und Stromschiene 7 über ein Abstützelement 8 dargestellt. Die Verbindung zwischen dem Abstützelement 8 und der Bürstenplatte 6 erfolgt in gleicher Weise wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. Die Verbindung zwischen der Stromschiene 7 und dem Abstützelement 8 erfolgt dagegen durch Umspritzen eines Abschnittes der Stromschiene 7 mit dem Kunststoffmaterial des Abstützelementes 8, das als Kunststoff-Spritzgießbauteil ausgeführt ist. Das Umspritzen erfolgt in der Weise, dass ein Abschnitt der Stromschiene 7 vollständig von dem Material des Abstützelementes 8 umschlossen ist. Möglich ist es auch, in den Verbindungsbereich eine Ausnehmung in der Stromschiene 7 vorzusehen, die von dem Kunststoffmaterial des Abstützelementes 8 ausgefüllt ist.