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Title:
BRUSH SYSTEM FOR AN ELECTRIC DRIVE UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/078907
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a brush system for an electric drive unit. Said brush system comprises a base to which brush system elements are fastened. Strip conductors via which required electrical connections are established are also provided on the base. Furthermore, a flat resistor that is disposed in a resistor housing is inserted into the brush system . Said resistor housing is made of a thermally conductive material while being provided with air passage holes.

Inventors:
Eisert, Horst (Adolph-Kolping-Str. 4, Waldbüttelbrunn, 97297, DE)
Hessdörfer, Robert (Kolpingstr. 22, Karlstadt-Stetten, 97753, DE)
Application Number:
PCT/EP2005/050238
Publication Date:
August 25, 2005
Filing Date:
January 20, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
Eisert, Horst (Adolph-Kolping-Str. 4, Waldbüttelbrunn, 97297, DE)
Hessdörfer, Robert (Kolpingstr. 22, Karlstadt-Stetten, 97753, DE)
International Classes:
H02K5/14; H02K9/28; H02K23/66; H01R39/38; (IPC1-7): H02K23/66; H02K9/28
Foreign References:
FR2763760A11998-11-27
FR2779585A11999-12-10
FR2780578A11999-12-31
DE29512310U11996-12-05
EP0363191A21990-04-11
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Bürstensystem für einen elektromotorischen Antrieb, wel ches aufweist : einen Grundkörper (9), auf dem Grundkörper (9) befestigte Bürstensystemelemente, insbesondere Bürstenträger (10), auf oder in dem Grundkörper vorgesehene Stromführungen (13) und mindestens einen in einem Widerstandsgehäuse (14) einge schlossenen elektrischen Flachwiderstand, wobei das Wider standsgehäuse (14) aus einem wärmeleitfähigen Material be steht und mit Luftdurchlassöffnungen (15) versehen ist.
2. Bürstensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (9) eine scheibenförmige Grundform auf weist und in seinem mittleren Bereich eine Aussparung (18) zur Aufnahme der Ankerwelle mit dem Kommutator hat.
3. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) in ei ner Ebenen des Grundkörpers (9) angeordnet ist und in eine weitere Aussparung des Grundkörpers (9) eingesetzt ist.
4. Bürstensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) eine scheibensegmentförmige Grundform aufweist.
5. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) mit dem Grundkörper (9) über Rastverbindungen (17) verbunden ist.
6. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der im Widerstandsgehäuse (14) enthaltene Flachwiderstand über Anschlusslaschen (16) an die Stromführungen (13) des Grundkörpers (9) angeschlossen ist.
7. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Luftdurchlassöffnungen (15) bohrungsoder schlitzförmige Durchbrüche durch das Wider standsgehäuse sind.
8. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) aus einem Leichtmetall besteht.
9. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse mit ober flächenvergrößernden Fortsätzen versehen ist.
10. Bürstensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Fortsätze Sicken oder Falze sind.
11. Bürstensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Fortsätze Luftstromablenk elemente (19) sind.
12. Bürstensystem nach einem der Ansprüche 911, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberflächenvergrößernder Fortsatz zur Kontaktierung des Widerstandsgehäuse mit dem Motorgehäuse vorgesehen ist.
13. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachwiderstand eine Wider standsfolie, ein mäanderförmiger Flachwiderstand oder ein drahtförmiger Widerstand ist.
14. Bürstensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) gas, flüssigkeitsund festkörperdicht ausgebildet ist.
15. Bürstensystem nach einem der Ansprüche 113, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsgehäuse (14) offen ausge bildet ist.
16. Elektromotorischer Antrieb, welcher ein Bürstensystem nach einem der Ansprüche 115 aufweist.
Description:
Beschreibung Bürstensystem für einen elektromotorischen Antrieb Die Erfindung betrifft ein Bürstensystem für einen elektromo- torischen Antrieb sowie einen elektromotorischen Antrieb, der mit einem derartigen Bürstensystem versehen ist.

Bei elektromotorischen Antrieben erfolgt eine gestufte Dreh- zahlregelung unter Verwendung einer Widerstandsschaltung. Im Betrieb wird von dieser Widerstandsschaltung elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie kann den elektromotorischen Antrieb bezüglich seiner Lebensdauer negativ beeinflussen. Es kann zu einer Überhitzung des An- triebs und zu einem erhöhten Verschleiß der Bestandteile des Antriebs kommen. Ist die Widerstandsschaltung motorintern an- geordnet, dann kann im Allgemeinen nicht gewährleistet wer- den, dass ein zur Abkühlung geeigneter Luftstrom fließt. Dies kann zu einer unerwünschten Hitzekonzentration in Teilberei- chen der Widerstandsschaltung oder im gesamten Antrieb füh- ren, was schließlich zu einem Ausfall von Komponenten führen kann.

Zur Ableitung bzw. Abführung der entstandenen Wärmeenergie ist es bereits bekannt, Kühlrippen, großflächige Kühlkörper oder eine Zusatzbelüftung zu verwenden. Weiterhin ist es be- kannt, zur Erhöhung der Lebensdauer temperaturbeständigere, dauerfestere und damit kostenintensivere Antriebskomponenten einzusetzen.

Aus der DE 101 29 234 AI ist eine elektrische Antriebseinheit bekannt. Diese weist ein Getriebegehäuse, ein Motorgehäuse, ein separat ausgebildetes und wasserdicht abgeschlossenes Elektronikgehäuse, einen Bürstenhalter und einen am Bürsten- halter angeordneten Signalempfänger auf. Der Bürstenhalter ist mit Steckkontakten versehen, mit denen eine im Elektro- nikgehäuse vorgesehene Elektronik elektrisch verbunden ist.

Weiterhin ist der Bürstenhalter im Übergangsbereich zwischen dem Motorgehäuse und dem Getriebegehäuse am Motorgehäuse be- festigt. Hinweise auf wie auch immer geartete Kühlmaßnahmen sind der DE 101 29 234 A1 nicht entnehmbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Weg aufzuzei- gen, wie in einem elektromotorischen Antrieb gebildete Wärme- energie wirkungsvoll abgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch Verwendung eines Bürstensystems mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-15 angegeben. Der Anspruch 16 hat einen elektromotorischen Antrieb zum Gegenstand, welcher ein Bürstensystem nach einem der Ansprüche 1-15 aufweist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch die Integration der Widerstandseinheit in das Bürsten- system und die spezielle Ausgestaltung der Widerstandseinheit als in einem mit Luftdurchlassöffnungen versehenen Wider- standsgehäuse enthaltener Flachwiderstand das Fließen des zur Abführung der entstandenen Wärmeenergie notwendigen Luft- stroms besser gewährleistet werden kann als bei bekannten An- triebssystemen. Weiterhin wird durch die flache Ausbildung der Widerstandseinheit und deren Integration in das Bürsten- system ein kompakter, platzsparender Aufbau erreicht.

Durch die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale wird erreicht, dass das Bürstensystem über die Welle des Motors geschoben und am Gehäuse des Motors befestigt werden kann. Dabei ist ein platzsparender Aufbau ebenso gewährleistet wie eine si- chere Kontaktierung der Kohlebürsten mit den Kommutatorlamel- len des Elektromotors.

Durch die in den Ansprüchen 3 und 4 angegebenen Merkmale wird eine platzsparende Anordnung der Widerstandseinheit im Bürs-

tensystem bei optimierter Anpassung der Widerstandseinheit an die Form des Grundkörpers des Bürstensystems erreicht.

Die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale erlauben ein schnelles und einfaches Einsetzen der Widerstandseinheit in das Bürs- tensystem.

Die im Anspruch 6 angegebenen Anschlusslaschen, die vorzugs- weise in eine jeweils zugehörige Aufnahmetasche des Wider- standsgehäuses eingeführt sind, erlauben in einfacher Weise die Kontaktierung der im Widerstandsgehäuse enthaltenen Wi- derstandsschaltung mit einer jeweils zugehörigen Stromführung auf dem Grundkörper des Bürstensystems.

Gemäß dem Anspruch 7 handelt es sich bei den Luftdurchlass- öffnungen um Löcher oder Schlitze. Diese können in vorteil- hafter Weise bereits während des Fertigungsvorganges der Wi- derstandseinheit in das Widerstandsgehäuse gebracht werden.

Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die in- nerhalb des Widerstandsgehäuses vorgesehene Widerstandsschal- tung nicht beschädigt wird.

Besteht das Widerstandsgehäuse aus Aluminium, wie es im An- spruch 8 angegeben ist, oder aus einem anderen Leichtmetall, dann kann das gesamte Bürstensystem im Sinne einer Leichtbau- weise ausgeführt sein.

Mittels der in den Ansprüchen 9,10 und 12 angegebenen Merk- male wird in vorteilhafter Weise eine Vergrößerung der zur Wärmeableitung zur Verfügung stehenden Gesamtfläche des Wi- derstandsgehäuses erreicht.

Die im Anspruch 11 angegebenen Luftstromablenkelemente ermög- lichen eine gezielte Führung des Luftstromes in dem Sinne, dass von stark wärmeerzeugenden Bauteilen Wärme effektiv ab- geführt werden kann und dass andererseits auch verhindert

werden kann, dass abgeführte Wärme unmittelbar in Richtung wärmeempfindlicher Bauteile geleitet wird.

Bei der im Widerstandsgehäuse enthaltenen Widerstandsschal- tung kann es sich um eine Widerstandsfolie, um einen mäander- förmigen Flachwiderstand oder um einen mäanderförmig gelegten Widerstandsdraht handeln.

Die im Anspruch 14 angegebene gas-, flüssigkeits-und fest- körperdichte Ausbildung des Widerstandsgehäuses hat den Vor- teil, dass die im Gehäuse befindlichen Bauteile vor Korrosion und anderweitiger Beschädigung durch im Motorraum auftretende Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper geschützt sind.

Eine Ausbildung des Widerstandsgehäuses im Sinne der Merkmale des Anspruchs 16 erlaubt ein Austreten von Gasen, Flüssigkei- ten bzw. Feuchtigkeit und Festkörpern, die während der Pro- duktion und des Einsatzes der Widerstandseinheit in uner- wünschter Weise in das Widerstandsgehäuse eingedrungen sind.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt : Figur 1 eine Skizze mit den zum Verständnis der Erfindung we- sentlichen Bestandteilen eines elektromotorischen An- triebs, Figur 2 eine Skizze einer detaillierteren Ansicht des Bürs- tensystems 6 von System 1, Figur 3 eine Skizze der rückwärtigen Ansicht des in der Figur 2 dargestellten Bürstensystems 6 und Figur 4 eine Skizze zur Erläuterung einer Weiterbildung der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine Skizze mit den zum Verständnis der Er- findung wesentlichen Bestandteilen eines elektromotorischen Antriebs. Ein derartiger elektromotorischer Antrieb weist ein nicht dargestelltes Motorgehäuse auf, in welchem Permanent- magnete 1 angeordnet sind. Das Motorgehäuse und die Perma- nentmagnete bilden einen Stator. Weiterhin enthält der elekt- romotorische Antrieb einen Anker 2, auf welchem Spulen 3 vor- gesehen sind. Der Anker 2 umfasst ferner eine Ankerwelle 4, auf welcher ein Kommutator mit Kommutatorlamellen 5 ange- bracht ist, wobei die Kommutatorlamellen mit den jeweiligen Wicklungen der Spulen 3 elektrisch leitend verbunden sind.

Ferner weist der dargestellte elektromotorische Antrieb ein Bürstensystem 6 auf, das im zusammengesetzten Zustand des An- triebs derart um die Welle 4 positioniert ist, dass es den Kommutatorlamellen unmittelbar benachbart ist. Dieses Bür- stensystem 6 ist im montierten Zustand am Motorgehäuse befes- tigt.

Weiterhin ist die Ankerwelle 1 im montierten Zustand des An- triebs mit einem Lüfterrad 7 mechanisch gekoppelt und treibt dieses an. Das Lüfterrad 7 ist derart ausgebildet, dass bei seiner Drehung mit der Welle 4 die Luft in der mit dem Pfeil 8 gekennzeichneten Richtung strömt, d. h. in einer im wesent- lichen parallelen Richtung zur Welle 4 des elektromotorischen Antriebs.

Durch eine, spezielle Ausgestaltung des Bürstensystems 6, die nachstehend anhand der Figuren 2-4 näher erläutert wird, ist dafür gesorgt, dass zumindest ein Teil des vom Lüfterrad 7 erzeugten Luftstromes die erzeugte Wärmeenergie effektiv aus dem Motor abführt.

Die Figur 2 zeigt eine Skizze einer detaillierteren Ansicht des Bürstensystems 6 von Figur 1. Das dargestellte Bürsten- system 6 weist einen Grundkörper 9 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material auf, beispielsweise aus Hartpapier oder

aus Kunststoff. Der Grundkörper 9 hat eine im Wesentlichen scheibenförmigen, vorzugsweise kreisscheibenförmigen Grund- form und ist in seinem mittleren Bereich mit einer Aussparung 18 versehen.

Auf dem Grundkörper 9 sind Bürstenträgerelemente 10 befes- tigt, die beispielsweise als Bürstenköcher ausgebildet sind.

Innerhalb dieser Bürstenträgerelemente 10 sind die Kohlebürs- ten gelagert, die im Betriebszustand die Kommutatorlamellen 5 kontaktieren. Weiterhin sind auf dem Grundkörper 9 Entstör- elemente befestigt, beispielsweise Drosseln 11 und Kondensa- toren. Ferner ist am Grundkörper 9 eine Steckverbindung 12 vorgesehen, über welche das Bürstensystem mit einer externen Spannungsversorgung elektrisch kontaktierbar ist. Die notwen- digen elektrischen Verbindungen der auf dem Grundkörper 9 be- festigten Bauteile untereinander und mit weiteren Bauteilen erfolgt über auf dem Grundkörper vorgesehene Stromführungen 13. Diese Stromführungen können in Form eines Stanzgitters realisiert sein, das aus einer Metallplatte ausgestanzt wur- de, als Leiterplatte oder als einzelne Leiterbahnen, die ent- weder in den Grundkörper eingespritzt sind oder nachträglich auf diesen aufgebracht wurden. Nachfolgend wird angenommen, dass die Stromführungen als Leiterbahnen realisiert sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in das Bürstensystem 6 eine Widerstandseinheit integriert, die ein Widerstandsgehäu- se 14 und eine in diesem Widerstandsgehäuse vorgesehene Flachwiderstandsanordnung aufweist, die nachfolgend stets als Flachwiderstand bezeichnet wird. Bei diesem Flachwiderstand handelt es sich um eine Widerstandsfolie, um einen mäander- förmigen Flachwiderstand oder um einen mäanderförmig angeord- neten Widerstandsdraht. Dieser Flachwiderstand wird im Rahmen einer gestuften Drehzahlregelung des elektromotorischen An- triebs verwendet.

Das Widerstandsgehäuse 14 weist einen im Wesentlichen schei- benförmigen, vorzugsweise scheibensegmentförmige Grundform

auf und besteht aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Alumini- um. Dies erlaubt es, das gesamte Bürstensystem im Sinne einer Leichtbauweise zu realisieren.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, ist das Wider- standsgehäuse 14 Bestandteil des Bürstensystems 6. Das Wider- standsgehäuse 14 ist in derselben Ebene angeordnet wie der Grundkörper 9 und in eine weitere, vorzugsweise scheibenseg- mentförmige Aussparung des Grundkörpers 9 formschlüssig ein- gesetzt. Die Befestigung des Widerstandsgehäuses 14 am Grund- körper 9 erfolgt mittels Rastverbindungen 17, in welche das Widerstandsgehäuse nach seinem Einsetzen einschnappt. Das Einsetzen des Widerstandsgehäuses in die Aussparung des Grundkörpers erfolgt von der Unterseite des Grundkörpers her.

Die notwendige elektrische Kontaktierung der Anschlüsse des im Widerstandsgehäuse 14 angeordneten Flachwiderstandes er- folgt unter Verwendung von Anschlusslaschen 16, die in Auf- nahmetaschen 20 des Widerstandsgehäuses 14 eingeschoben sind.

Die Anschlusslaschen 16 verbinden die Endanschlüsse des Flachwiderstandes mit jeweils einer der Leiterbahnen 13. Bei- spielsweise verbindet eine der Leiterbahnen einen Endan- schluss des Flachwiderstandes mit einem Stromanschlusskabel, welches von außen kommend in einen Kontakt der Steckverbin- dung 12 des Bürstensystems 6 geführt ist. Ferner verbindet eine andere der Leiterbahnen 13 den anderen Endanschluss des Flachwiderstandes über eines der Entstörelemente 11 mit einer der Kohlebürsten.

Um eine gute Durchlüftung und damit eine gute Wärmeabführung gewährleisten zu können, weist das Widerstandsgehäuse 14 eine Vielzahl von Luftdurchlassöffnungen 15 auf. Bei diesen kann es sich um Löcher oder um Schlitze, die bereits bei der Pro- duktion der Widerstandseinheit 14 in das Gehäuse eingebracht wurden, handeln. Je mehr Durchlüftung benötigt wird, desto größer kann die Anzahl der Luftdurchlassöffnungen sein. Al-

ternativ oder zusätzlich dazu kann auch die Größe der Luft- durchlassöffnungen verändert werden.

Aus einer gemeinsamen Betrachtung der Figuren 1 und 2 ist er- sichtlich, dass die Luftdurchlassöffnungen 15 derart angeord- net sind, dass sie den auf die Rotation des Lüfterrads 7 zu- rückzuführenden Luftstrom ungehindert durchlassen. Dadurch wird die von der Widerstandseinheit erzeugte Wärme wirkung- voll abgeleitet.

Zu einer wirkungsvollen Ableitung der von der Widerstandsein- heit erzeugten Wärme trägt auch das großflächige, gut wärme- leitende Gehäuse 14 bei, welches im Inneren des Widerstands- gehäuses entstehende Wärme nach außen weitergibt.

Um die Wärmeableitung weiter zu verbessern, ist das Wider- standsgehäuse 14 vorzugsweise mit oberflächenvergrößernden Fortsätzen versehen. Derartige Fortsätze sind beispielsweise Sicken oder Falze. Weiterhin kann es sich bei diesen oberflä- chenvergrößernden Fortsätzen auch um Luftstromablenkelemente handeln.

Ein Beispiel für ein derartiges Luftstromablenkelement ist in der Figur 4 veranschaulicht. In der Figur 4 ist eine Schnitt- darstellung gezeigt, aus welcher eines der Löcher 15 sowie die oberhalb und unterhalb des Loches vorliegenden Teile des Widerstandsgehäuses 14 ersichtlich sind. Weiterhin ist mit den Pfeilen 8 die Strömungsrichtung der Luft veranschaulicht.

Es ist ersichtlich, dass die durch das Loch 15 im Wider- standsgehäuse geleitete Luft durch das anschließende Luft- stromablenkelement 19 umgeleitet wird und nach dem Austritt aus dem Luftstromablenkelement eine andere Strömungsrichtung hat. Durch eine Verwendung derartiger Luftstromablenkelemente kann die Strömungsrichtung der Luft beeinflusst werden. Es besteht die Möglichkeit, wärmeabführende Luft vermehrt in Be- reich zu leiten, in denen stark wärmeerzeugende Bauteile an- geordnet sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit zu verhin-

dern, dass abgeführte Wärme unmittelbar in Richtung von wär- meempfindlichen Bauteilen geleitet wird.

Ein oberflächenvergrößernder Fortsatz des Widerstandsgehäuses 14 kann in vorteilhafter Weise auch das Widerstandsgehäuse mit dem Gehäuse des Motors verbinden. Dies hat zur Folge, dass auch Wärme über das Motorgehäuse abgeführt wird. Auch diese Maßnahme wirkt einer Überhitzung der Antriebseinheit entgegen.

Das Widerstandsgehäuse kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gas-, flüssigkeits-und festkörperdicht ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass im Betrieb der Antriebsein- heit ausgeschlossen ist, dass beispielsweise im Motorraum ei- nes Kraftfahrzeugs, in welchem sich die Antriebseinheit be- findet, auftretende Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper die im Gehäuse befindlichen Bauteile beschädigen. Insbesondere wird dadurch ein Auftreten von Korrosion verhindert.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Widerstandsgehäuse auch offen ausgebildet sein. Diese offene Ausbildung des Widerstandsgehäuses hat den Vorteil, dass Ga- se, Flüssigkeiten bzw. Feuchtigkeit sowie Festkörper, die be- reits während des Produktionsvorgangs und während des Einsat- zes in unerwünschter Weise in das Widerstandsgehäuse gelangt sind, in einfacher Weise auch wieder aus diesem entfernt wer- den können.

Die Erfindung betrifft nach alledem ein Bürstensystem, das in einem elektromotorischen Antrieb verwendet werden kann. Das Bürstensystem weist einen Grundkörper, auf dem Grundkörper befestigte Bürstenträgerelemente und Entstörelemente auf.

Weiterhin sind auf dem Grundkörper Stromführungen vorgesehen, über die die notwendigen elektrischen Verbindungen herge- stellt werden. Eine Widerstandseinheit, die einen in einem Widerstandsgehäuse angeordneten Flachwiderstand enthält, ist in den Grundkörper eingesetzt, an diesem befestigt und mit

den Stromführungen kontaktiert. Das Widerstandsgehäuse weist Luftdurchlassöffnungen auf, die einen Luftstrom, der auf die Drehung eines Lüfterrads zurückzuführen ist, begünstigen.

Durch diesen Luftstrom wird in effektiver Weise entstandene Wärme abgeführt, insbesondere Wärme, die während des Betriebs vom Flachwiderstand gebildet wird.