Bürstenaggregat für eine elektrische Maschine, Feder- und Dichtungsanordnung für dasselbe, sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Bürstenaggregat für elektrische Maschinen. Ein bevorzugtes Anmeldungsgebiet des Bürstenaggregats sind elektrische Motoren für Kraftfahrzeuge, insbesondere Startermotoren (Anlasser) für Verbrennungsmotoren.

An Startermotoren (Anlasser) in Automobilen werden zunehmend höhere Anforderungen bezüglich der Lebensdauer und Leistungsausbeute gestellt, die zum Teil durch die ständig steigenden Umweltanforderungen bedingt sind. Ein Beispiel hierfür ist die bereits in vielen Neufahrzeugen zur Treibstoffeinsparung eingebaute Start-Stopp-Funktion, bei der der Motor beim Stillstand des Fahrzeuges automatisch abgestellt und für das Anfahren automatisch wieder gestartet wird. Dies führt zu einer höheren Belastung des Startermotors, der durch Maßnahmen wie Erhöhung des Leiterquerschnitts und/oder Erhöhung der Bürstenzahl begegnet werden muss, wodurch sich jedoch die Materialkosten erhöhen. Dies führt zu Bemühungen, den höheren Materialkosten durch Senkung der Montagekosten zu begegnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bürstenaggregat für elektrische Maschinen vorzuschlagen, das eine einfache kostengünstigere Konstruktion aufweist, mit der insbesondere der Montagevorgang erheblich vereinfacht und damit auch verbilligt, werden kann, die aber gleichwohl auch die Verwendung einer erhöhten Anzahl von Bürsten, z. B. sechs Bürsten, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 angegebenen Bürstenaggregat gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bürstenaggregats bzw. einer Feder- und/oder Dichtungsanordnung für das Bürstenaggregat und ein Verfahren zu dessen Montage.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bürstenaggregats und ein Verfahren zu seiner Montage wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 perspektivisch die Hauptbestandteile des Bürstenaggregats vor dem Zusammenbau.

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer der beiden Führungsplatten.

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des fertig montierten Bürstenaggregats.

Fig. 4 das teilweise montierte Bürstenaggregat mit noch einzusetzenden Federn

Fig. 5, 6 u. 7 veranschaulichen das Einsetzen einer Bürste ^' nfeder in ihre Aufnahme.

Gemäß Fig. 1 besteht die Halterkonstruktion des Bürstenaggregats aus vier ringförmigen plattenförmigen Elementen, nämlich einer oberen und einer unteren Leiterplatte 1, 3, die aus Metallblech mit geeigneter Leitfähigkeit bestehen, und zwischen diesen angeordnet einer oberen und unteren Führungsplatte 5, 7, die aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise als Spritzgussteil aus Kunststoff, ausgebildet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat das Bürstenaggregat insbesondere sechs Bürsten 9, von denen je drei mit der oberen bzw. unteren Leiterplatte elektrisch leitend verbunden sind. Die Verbindung erfolgt jeweils über ein Kabel 11, das an der zugehörigen Bürste 9 vorzugsweise durch Einpressen befestigt ist und dessen anderes Ende IIa mit der jeweiligen Leiterplatte 1, 3 verschweißt ist.

Die Führungsplatten 5, 7 sind an ihren den Leiterplatten 1, 3 zugewandten Seiten eben ausgebildet und haben an ihren einander zugewandten Seiten eine Formgebung mit Vorsprüngen (Erhöhungen) 13 und Vertiefungen, wobei die Formgebungen der beiden Führungsplatten 5, 7 im wesentlichen spiegelbildlich bzw. wendegleich zueinander sind.

Wie aus der gegenüber Fig. 1 etwas vergrößerten Einzeldarstellung der unteren Führungsplatte 7 in Fig. 2 erkennbar ist, haben die Vorsprünge 13 obere

Stützflächen 15. Die Stützflächen 15 kommen beim Zusammenfügen der Führungsplatten 5, 7 in Anlage an die entsprechenden Stützflächen der oberen Führungsplatte 5, so dass sich die Führungsplatten 5, 7 über die Vorsprünge 13 gegeneinander abstützen. Die Vorsprünge 13 sind abwechselnd mit Positionierzapfen 17 und Positionierlöchern 19 versehen, die mit den entsprechenden Zapfen und Löchern der oberen Führungsplatte 5 in Eingriff kommen, um die Führungsplatten in der korrekten Winkelstellung gegeneinander zu zentrieren und zu positionieren (indexieren). Auch die Führungsplatten 5, 7 sind zueinander spiegelbildlich bzw. wendegleich ausgebildet und können vorzugsweise identisch geformt sein, was die Herstellung der Bürstenaggregate vereinfacht. Auch die Leiterplatten 1,3 sind zueinander weitgehend spiegelsymmetrisch geformt, abgesehen von funktionsbedingten Abweichungen von der Spiegelsymmetrie, wie z. B. dem Vorhandensein einer von der unteren Leiterplatte 3 einstückig vorspringenden Anschlussfahne 45 für ein Anschlusskabel (nicht dargestellt).

Zwischen den Vorsprüngen 13 weist die Formgebung der unteren Führungsplatte 7 Vertiefungen in Form von radial durchgehenden Führungsrinnen 21 auf. Diese ergänzen sich mit den entsprechenden Führungsrinnen der oberen Führungsplatte 5 zur Bildung von radialen Führungen, in die die Bürsten 9 radial verschiebbar eingesetzt und geführt werden können. Neben jeder Führungsrinne 21, und dieser zugeordnet, ist eine Aufnahme 40 für eine auf die Bürste einwirkende Feder vorgesehen, deren Ausbildung und Funktion später beschrieben wird.

Zur Montage des Bürstenaggregats werden die Leiterplatten 1, 3 und Führungsplatten 5, 7 in der in Fig. 1 dargestellten Reihenfolge aufeinandergesta- pelt und mit Verbindungselementen, im vorliegenden Fall sechs Nieten 23, 24, zusammengefügt, so dass die sie einen starren zusammengefügten ringförmigen Block bilden.

Für den Durchtritt der Nieten 23, 24 sind in den Leiterplatten 1, 3 Löcher 25, 26 vorgesehen, und auch jede der Führungsplatten 5, 7 hat entsprechende Löcher 27 und in deren Fortsetzung halbrunde Ausnehmungen 29 an der nach außen gerichteten Seite jedes Vorsprungs 13.

Bei der dargestellten Ausführungsform mit sechs Bürsten 9 ist die Anordnung der Nieten so getroffen, dass jede der Leiterplatten (z. B. 1) nur drei Löcher

25 für die Aufnahme von drei Nieten 23 aufweist und im übrigen eine etwa dreiecksförmige Form hat, die drei Ausbuchtungen 31 bildet, die Platz für die übrigen drei Nieten 24 bieten. Deshalb werden beim Zusammenfügen der Bestandteile drei Nieten 23, das heißt jede zweite Niete, sich durch Löcher 25 der oberen Leiterplatte 1 und Löcher 27 der beiden Führungsplatten 5, 7 erstrecken und diese miteinander verbinden, während die übrigen drei Nieten 24 sich durch Löcher 27 der beiden Führungsplatten 5, 7 und Löcher 26 der unteren Leiterplatte 3 erstrecken und diese Teile unlösbar miteinander verbinden. Jede Leiterplatte 1 bzw. 3 ist somit durch drei Nieten mit den beiden Führungsplatten 5, 7, aber nicht mit der anderen Leiterplatte 3 bzw. 1 verbunden. Durch diese Anordnung der Nieten wird vermieden, dass die Nieten gleichzeitig mit der oberen und unteren Leiterplatte 1, 3 in elektrischen Kontakt sind und diese kurzschließen. Diese Vermeidung einer leitfähigen Verbindung zwischen den Leiterplatten 1, 3 wird ohne Verwendung von zusätzlichen Isolierbuchsen oder dgl., die die Nieten gegenüber den Leiterplatten 1, 3 isolieren.

Nach dem Zusammenfügen der vier plattenförmigen Elemente 1, 3, 5 und 7 können die Bürsten radial von außen her in die von den Führungsrinnen 21 der Führungsplatten 5, 7 gebildeten Führungen eingeschoben werden. Da die Bürsten 9 über die Kabel 11 bereits unlösbar mit der zugehörigen Leiterplatte 1 oder 3 verbunden sind, muss die Länge und Flexibilität der Kabel 11 gewählt sein, dass das Einschieben der Bürsten 9 in die Führungen möglich ist.

Nach dem Vernieten der Teile und dem Einschieben der Bürsten 9 in die Führungen erhält man den in Fig. 4 dargestellten Zwischenzustand des Bürstenaggregats.

Fig. 4 zeigt auch einen zylindrischen Füllkörper 33 (Schablone, Dummy), dessen Durchmesser gleich oder etwas größer ist als der des Kommutators oder Kollektors, für den das Bürstenaggregat vorgesehen ist. Dieser Dummy dient bei der Montage und für den Transport als Schablone, die als radial innerer Anschlag für die verschiebbaren federbelasteten Bürsten 9 dient und deren Endlage in der jeweiligen radialen Führung 21 definiert.

Um das Bürstenaggregat zu komplettieren und funktionsfähig zu machen, müssen noch Federn angebracht werden, die die Bürsten radial nach innen gegen den zugeordneten zylindrischen Kommutator oder Kollektor einer elektrischen Maschine drücken sollen. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die den Bürsten 9

zuzuordnenden Federn 35 als aus Federstahlband gewickelte Spiralfedern ausgebildet. Ihr äußeres, rinnenförmig abgebogenes Ende 37 soll gegen die radial nach außen gerichtete Stirnfläche der zugehörigen Bürste 9 anliegen. Das innere Ende der Spiralfeder 35 ist an einem Dorn oder Wickelkern 39 befestigt, insbesondere angeschweißt, der einen flach rechteckigen Querschnitt hat und dessen somit ebenfalls abgeflachte Enden auf beiden Seiten über die Spiralfeder 35 überstehen. Jede dieser Federn 35 wird in eine zugehörige Aufnahme 40 eingesetzt, die jeweils neben einer zugeordneten Bürste in den Führungsplatten 5, 7 ausgebildet ist und an ihrer oberen und unteren Stirnfläche je eine Führungsrille 41 zur Aufnahme des oberen bzw. unteren Endes des Wickelkerns 39 der Feder 35 aufweist.

Fig. 5, 6 und 7 zeigen vergrößert ein Detail einer Draufsicht auf die untere Führungsplatte 7 und erläutern das Einsetzen einer Feder 35 in die einer Bürste 9 zugeordnete Aufnahme 40. Fig. 5 zeigt die Feder 35 auf ihrem Wickelkern 39 vor dem Einsetzen. In Fig. 6 ist die Feder 35 teilweise eingesetzt, wobei die Enden des Wickelkerns 39 in dem Anfangsabschnitt der oberen und unteren Führungsrille 41 geführt werden. Nachdem das freie Ende 37 der Feder 35 zur Anlage an der äußeren Stirnfläche der Bürste 9 gelangt ist, wird die Feder 35 noch weiter eingeschoben, wobei sie einerseits vorgespannt wird und andererseits ihr Wickelkern 39 eine nach innen vorspringende Rastnase 43 der Füh- rungsrille 41 passiert. Da das freie Ende 37der Feder 35 auf die Bürste 9 drückt, wirkt auf die Feder und den an ihrem inneren Ende befestigten Winkelkern 39 eine Reaktionskraft, die am inneren Ende der Feder und an dem daran befestigten Wickelkern 39 ein Drehmoment (in Fig. 5 bis 7 entgegen dem Uhrzeigersinn) ausübt, durch welches der Wickelkern 39 hinter die Rastnase 43 einrastet. Die Feder 35 hat dadurch ihre Endlage erreicht und ist in dieser durch ihre eigene Reaktionskraft fixiert.

Nach dem Einsetzen der Federn ist das Bürstenaggregat im wesentlichen vollständig montiert. Die untere Leiterplatte 3 hat eine radial abstehende Stromanschlussfahne 45, deren Ende mit einem Stromzuführungskabel verbunden werden kann. (Die obere Leiterplatte 1 weist eine nicht dargestellte Verbindung mit Masse auf.) Beim Einbau des Bürstenaggregats in einen Startermotor muss die Anschlussfahne 45 sich durch die (nicht dargestellte) Wandung des Motorgehäuses erstrecken und gegen diese mit einem Dichtungselement ab ^¬ gedichtet werden. Gemäß Fig. 3, die den montierten Endzustand des Bürsten ^¬ aggregates zeigt, ist hierfür ein Dichtungselement 47 aus elastomerem

Material vorgesehen, dessen Besonderheit darin besteht, das es einen in Querrichtung verlaufenden, an einem Ende offenen Schlitz 49 aufweist, der ein seitliches Aufschieben des Dichtungselements 47 auf die Anschlussfahne 45, das heißt in Tangentialrichtung zu dem Bürstenaggregat, gestattet. Damit wird das zeit- und kraftaufwendige Aufstecken in Radialrichtung, sowie die Ausübung von Radialkräften, die zur Verformung der Leiterplatte 3 und der Anschlussfahne 45 führen können, vermieden. Außerdem ist es dadurch möglich, den Stromanschluss in Form einer einfachen, mit der unteren Leiterplatte 3 einstückigen Anschlussfahne, ohne Kabel und Kabelschuh zu verwirklichen.

In Fig. 3 ist das fertig montierte Bürstenaggregat nicht mit der für Montage- und Transport verwendeten Schablone 33 (Dummy) dargestellt, sondern bereits mit einem Kommutator 50, an dem die radial inneren Enden der Bürsten schleifend anliegen sollen.

Man erkennt, dass der beschriebene Montagevorgang des Bürstenaggregats im wesentlichen drei Phasen umfasst, nämlich

a) axiale Montage durch Aufeinanderstapeln der Leiter- und Führungsplatten 1, 5, 7 und 3 und Zusammenfügen mittels der axial eingebrachten Nieten 23, 24, wobei alle Nieten in einem Arbeitsgang gleichzeitig gleich zeitig vernietet werden können;

b) radiale Montage durch radiales Einschieben der Bürsten 9 in die zugehörigen Führungen 21 und anschließendes radiales Einsetzen der Federn 35 mit ihren Wickelkernen 39 in die entsprechenden Aufnahmen 40 und Führungsrillen 41, wobei alle sechs Federn 35 gleichzeitig radial eingeführt werden können;

c) tangentiale Montage durch Aufschieben des quer geschlitzten Dichtungselements 47 in Tangentialrichtung auf die Anschlussfahne 45.

Insgesamt ergibt sich ein sehr vereinfachtes und kostengünstiges Montageverfahren des Bürstenaggregats. Insbesondere das radiale Fügen der Spiralfedern 35 liefert die folgenden Vorteile: es ist kein oder nur ein geringes Vorspannen der Federn 35 vor dem Einsetzen notwendig; durch die radiale Bewegung in die radial nach außen offenen Aufnahmen 40 ergibt sich eine gute Zugänglich ^¬ keit; hinsichtlich der Bürstenposition in Radialrichtung vor dem Einsetzen der

Federn besteht eine hohe Toleranz. Die flachen Wickelkerne 39 der Federn 35 rasten beim Erreichen der Endlage aufgrund der Reaktionskräfte der Federn selbsttätig hinter die Rastnasen 43 der Führungsrillen 41 der oberen und unteren Führungsplatte ein. Im übrigen wird durch die Reaktionskraft der Wickelkerne 37 der Federn die Steifigkeit des gesamten Aggregats, zusätzlich zu den Positionierzapfen 17 und Nieten 23, 24, noch weiter erhöht.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausführungsform beschränkt. Obwohl ein Bürstenaggregat mit sechs Bürsten also bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung unabhängig von der Bürstenzahl, im Grenzfall auch mit einer einzigen Bürste, anwendbar. Als Verbindungselemente zum Zusammenfügen der Leiter- und Führungsplatten sind Nieten beschrieben worden, jedoch können wahlweise oder zusätzlich auch andere Verbindungselemente wie Schrauben, Klammern, oder auch eine Verklebung angewendet werden.