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Patent Searching and Data


Title:
CARBON BRUSH FOR ELECTRIC MOTORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1995/006965
Kind Code:
A1
Abstract:
A carbon brush for an electric motor is disclosed. Said carbon brushes (3) are guided in tubular brush-holders (2) and pressed against a collector. In the state of the art, such carbon brushes have a square cross-section and stand vertically on a surface perpendicular to the axis of the collector. The side edges (35, 35') between the front frontal surface of the carbons and the side surfaces (30, 30') thus extend parallel to the lamellas of the collector which are separated from each other by slits. When the edges (35, 35') slide on the collector, noises are generated, as the carbons act like a ratchet. Inclined side edges (35, 35') are therefore disclosed, so that the front frontal surface has a trapezoidal cross-section. As a result, when the side edges (35, 35') slide on the collector, they are always supported by the lamellas along most of their length. The ratchet effect is thus suppressed.

Inventors:
Bruhn, Rainer
Application Number:
PCT/EP1994/002865
Publication Date:
March 09, 1995
Filing Date:
August 30, 1994
Export Citation:
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Assignee:
ITT AUTOMOTIVE EUROPE GMBH BRUHN, Rainer.
International Classes:
H01R39/26; H01R39/40; H02K13/00; (IPC1-7): H01R39/26; H01R39/40
Domestic Patent References:
WO1989011170A1
Foreign References:
DE3022991A1
EP0076403A1
DE3148581A1
US2206366A
DE3920047A1
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Claims:
Patentansprüche
1. Kohlebürste (3) für einen Elektromotor, die im wesent¬ lichen stabförmig ausgebildet ist und im Querschnitt im wesentlichen rechteckig ist, wobei der Stab an einem Ende durch eine vordere Stirnfläche (6) , der an einen Kollektor (1) anlegbar ist, und an seinem anderen Ende durch eine hintere Stirnfläche (7) begrenzt ist, an der eine Feder abstützbar ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die äußere Kontur eines Querschnitts durch die Kohle (3) nahe der vorderen Stirnfläche (6) im wesentlichen trapez fömig ist.
2. Kohlebürste nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der Querschnitt der Kohlebürste (3) im Bereich der hinteren Stirnfläche (7) rechteckig bzw. quadratisch ist.
3. Kohlebürste nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die abgeschrägten Seitenkanten (35, 35') des Trapezes einen Winkel mit den geraden Seiten¬ flächen von ca. 10 bis 15° einschließen.
4. Kohlebürste nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die hintere Stirnfläche in Längsrich¬ tung der Kohlebürste (3) geneigt ist.
5. Kohlebürste nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der Längsschnitt durch die Kohle die Form eines Parallelogramms hat.
6. Kohlebürste nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die vordere Stirnfläche (6) zylin¬ drisch geformt ist, wobei die Achse der Zylinderkontur ge¬ genüber einer Senkrechten (33) zur oberen bzw. unteren Fläche der Kohlebürste gekippt ist.
Description:
Kohlebürste für einen Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlebürste für einen Elektromotor. Derartige Kohlenbürsten sind stabförmig ausge¬ bildet und im Querschnitt im wesentlichen rechteckig. Der Stab weist an seinem einen Ende eine vordere Stirnfläche auf, die an einen Kollektor angelegt wird. An seinem anderen Ende weist der Stab eine hintere Stirnfläche auf, an die eine Fe¬ der abgestützt wird, die die vordere Stirnfläche gegen den Kollektor drückt.

Die Kohlebürste wird in einem Köcher geführt, dessen Innen¬ querschnitt den gleichen Querschnitt aufweist, wie die Kohle¬ bürste selbst, wobei aber im Regelfall ein relativ großes Spiel vorgesehen ist. Ein zu kleines Spiel würde eine zu hohe Anforderung an die Genauigkeit der Herstellung des Köchers stellen. Der Köcher wird im allgemeinen auf einer Kohlehal¬ terplatte befestigt, die sich senkrecht zur Achse des Kollek¬ tors erstreckt. Der Köcher selbst steht wiederum senkrecht auf der Kohlehalterplatte, so daß die Seitenflächen der Koh¬ lebürsten parallel zur Achse des Kollektors verlaufen.

Üblicherweise weist der Kollektor an seinem Umfang mehrere Lamellen auf, die durch Schlitze voneinander getrennt sind. Lamellen und Schlitze verlaufen parallel zur Kollektorachse. Diese Anordnung hat zur Folge, daß die Kante zwischen der vorderen Stirnfläche der Kohle und der Seitenfläche einer Kohle über ihre gesamte Länge gleichzeitig über einen Schlitz geführt wird. Bei einem sich drehenden Kollektor wiederholt

sich dieser Vorgang in rascher Folge. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei diesem Vorgang Geräusche entstehen, wie das bei einer Ratsche der Fall ist. Gleichzeitig werden Flat¬ terbewegungen der Kohle innerhalb des Köchers induziert, die ebenfalls Geräusche verursachen.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, die Kohlebür¬ sten derart zu gestalten, daß bei ihrem Einsatz in einem Elektromotor möglichst wenig Geräusche entstehen. Damit wird der Elektromotor besonders geeignet für den Einsatz im Fahr¬ zeugbau, z.B. für den Antrieb von Wischern oder andere Anla¬ gen im Fahrzeug, die selbsttätig arbeiten.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die äußere Kontur eines Querschnitts nahe der vorderen Stirn¬ fläche trapezförmig ist. Dies hat zur Folge, daß die Kante zwischen der vorderen Stirnfläche und der Seitenfläche schräg verläuft, so daß die Kante beim Überfahren eines Schlitzes auf dem größten Teil ihrer Länge von den jeweils benachbarten Lamellen unterstützt wird. Nur ein kleiner Bereich der Kante befindet sich über einem Schlitz. Es ist ohne weiteres er¬ sichtlich, daß der aus dem Stand der Technik bekannte Rat¬ scheneffekt hier nicht auftreten kann.

Dabei hat sich herausgestellt, daß es vollkommen ausreicht die Kohlenbürste nur im vorderem Bereich auf diese Weise zu gestalten. Im hinteren Bereich kann ein rechteckförmiger Querschnitt beibehalten werden, der dafür sorgt, daß die Kohle im Köcher geführt wird. Es reicht im allgemeinen voll¬ kommen aus, wenn die Kohle etwa über 10% ihrer Länge im Quer¬ schnitt trapezförmig ist, wobei sich die Schräge der Seiten¬ kanten nach hinten hin mehr und mehr verringert, so daß ein langsamer Übergang vom trapezförmigen Bereich in den recht¬ eckigen Bereich stattfindet.

Wie schon erläutert beruht die Geräuschreduzierung zum einen auf die Vermeidung des Ratscheneffekts beim Gleiten der Kohle über die Kollektorfläche. Zum anderen werden auf diese Weise Flatterbewegungen der Kohle innerhalb des Köchers in nur ge¬ ringerem Maße induziert. Eine Maßnahme, um die verbleibenden Flatterbewegungen und Vibrationen zu unterbinden, besteht darin, die Kohle innerhalb des Köchers zu verkanten. Dies kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Zum einen kann die hintere Stirnfläche einerseits gegen die obere und untere Fläche der Kohle geneigt werden und andererseits gegen die Seitenflächen geneigt werden. Die Federkraft greift dann nicht mehr gradlinig an, sondern leicht schräg, so daß eine Seitenkraft ausgeübt wird, die die Kohle gegen die Seitenwan¬ dungen des Köchers bzw. in eine Ecke des Köchers drängt. Eine entsprechende Schrägstellung ist auch für die vordere Stirn¬ fläche vorgesehen, so daß die Kohle im Längsschnitt einen in etwa parallelogrammförmige Kontur aufweist. Eine Verkantung der Kohle innerhalb des Köchers wird auch durch die folgende Maßnahme erzielt. Die vordere Stirnfläche ist entsprechend der Zylinderform des Kollektors zylinderförmig ausgebildet. Die Achse für die Zylinderform der vorderen Stirnseite kann nun so gelegt werden, daß sie einen Winkel einschließt mit einer Senkrechten auf der oberen bzw. unteren Seite der Koh¬ le. Diese Kippung der Achse der Zylinderkontur der vorderen Stirnfläche hat zur Folge, daß die Kohle sich entsprechend um ihre Längsachse dreht, damit die Zylinderkontur der vorderen Stirnfläche passend auf der Zylinderoberfläche des Kollektors aufliegt. Dies führt zu einer Verkantung der Kohle im Köcher, wodurch in effektiver Weise Flatterbewegungen unterbunden werden.

Um die Erfindung zu verdeutlichen, soll sie anhand der fol¬ genden neun Figuren erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung aus Kol¬ lektor und Kohle mit Köcher

Fig. 2 zeigt eine seitliche Ansicht von Kollektor und Kohle

Fig. 3 zeigt eine Abwicklung der Kollektoroberfläche sowie die Konturen der vorderen Stirnfläche der Kohle und des Köchers

Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Abwicklung

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Kohle

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht der Kohle

Fig. 7 eine Draufsicht auf die obere Fläche

Fig. 8 eine Draufsicht auf die vordere Stirnfläche

Fig. 9 eine Draufsicht auf die hintere Stirnfläche

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kollektor bezeichnet. Dieser ist zy- linderförmig und befindet sich auf der Achse eines Elektromo¬ tors. In einem Köcher 2 ist eine Kohle 3 bzw. Kohlebürste ge¬ führt. Köcher und Kohle weisen jeweils einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt auf, wobei der Köcher derart angeordnet ist, daß die Längsachse 4 der Kohle 3 in einem Ab¬ stand an der Drehachse 5 des Kollektors 1 vorbeiläuft.

Die vordere Stirnfläche 6 der Kohle 3 ist an der Kollektor¬ oberfläche angelegt. Sie weist die gleiche zylinderförmige Kontur auf wie der Kollektor. An der hinteren Stirnfläche 7

der Kohle 3 ist eine Feder 8 abgestützt, die sich mit ihrer anderen Seite an dem hinteren Abschluß 9 des Köchers ab¬ stützt. Die Feder 8 drückt die Kohle 3 gegen die Zylinder¬ oberfläche des Kollektors 1, so daß ein guter elektrisch lei¬ tender Kontakt zwischen dem Kollektor 1 und der Kohle 3 her¬ gestellt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht. Man erkennt den Kollek¬ tor 1 mit den Lamellen 10 und den dazwischen angeordneten Schlitzen 11. Die Lamellen 10 und die Schlitze 11 erstrecken sich parallel zur Drehachse 5 des Kollektors 1. Man erkennt weiterhin, daß der Köcher 2 auf einer Kohlenhalterplatte 12 angeordnet ist, die senkrecht zur Achse 5 des Kollektors 1 angeordnet ist. D.h., daß die Längsachse der Kohle 3 in einer Ebene senkrecht zur Achse 5 des Kollektors 1 verläuft.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen verschiedene Ansichten einer Kohle, die in einem Köcher 2 untergebracht werden kann. Fig. 6 zeigt die Sicht auf eine Seitenfläche einer Kohle 3. Im Montagezu¬ stand steht diese Fläche senkrecht zur Kohlenhalterplatte 12.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Kohle und damit die obe¬ re Fläche 31 der Kohle. Diese verläuft parallel zur Kohlen¬ halterplatte. Aus der oberen Fläche 31 der Kohle 3 ragt eine Litze 32 heraus. Über die Litze 32 wird Strom zur Kohle 3 und über die Lamellen 10 zum Anker des Elektromotors geleitet.

Fig. 8 zeigt die Sicht auf die vordere Stirnfläche 6 und Fig. 7 auf die hintere Stirnfläche 7.

In der Draufsicht gemäß Fig. 6 erkennt man, daß die vordere Stirnfläche 6 entsprechend der Zylinderform des Kollektors gekrümmt ist. Entsprechend dem Versatz des Köchers gegenüber

der Achse 5 des Kollektors 1 (siehe Fig. 1) ist die Stirn¬ fläche 6 gegenüber der Seitenfläche 30 geneigt.

Wie Fig. 8 zeigt, soll die Achse 33 der zylinderförmigen Krümmung der Stirnfläche 6 gegenüber einer Senkrechten 34 zur oberen Fläche 31 um ca. 3° geneigt sein. Der Effekt dieser Maßnahme soll weiter unten beschrieben werden.

Gleichzeitig sind die Seitenkanten 35,35' im Übergang zwi¬ schen der vorderen Stirnfläche 6 und den Seitenflächen 30, 30' geneigt. Der Winkel beträgt ca. +15° bzw. -15° gegenüber einer Senkrechten zur oberen Fläche 31. Insgesamt ergibt sich damit ein in etwa trapezförmiger Querschnitt der vorderen Fläche 6. Diese maximale Schrägstellung von ca. 15° liegt aber nur in der vorderen Fläche bei einer noch nicht abge¬ schliffenen Kohle vor. Legt man Schnitte an, die hinter der vorderen Fläche liegen, so wird die Schrägstellung der Kanten 35, 35' kleiner, bis ein Querschnitt erreicht ist, der im we¬ sentlichen rechteckförmig ist.

Der rechteckförmige Querschnitt wird, gemessen am Neuzustand der Kohle, schon kurz nach der vorderen Stirnfläche erreicht, nämlich auf einer Länge von ca. 10% der Gesamtlänge der Kohle im Neuzustand.

Dies ist mit der Kante 36 angedeutet, die den Bereich ab¬ grenzt, in der der Querschnitt durch die Kohle trapezförmig ist. Auf diese Weise sind beidseitig der Stirnfläche schräge Flächen 37, 37' ausgebildet, die einerseits gegenüber der Seitenfläche 30 bzw. 30' und andererseits gegenüber der Stirnfläche 6 geneigt sind.

Die hintere Stirnfläche 7 ist - wie der Fig. 5 zu entnehmen ist - ebenfalls geschrägt. Sie ist gegenüber der Bodenfläche

38 geneigt. Mit einer gedachten senkrechten Stirnfläche schließt sie einen Winkel von ca. 10° ein. Wie aus der Draufsicht gemäß Fig. 6 zu erkennen ist, ist die hintere Stirnfläche 7 gleichzeitig leicht zu einer Seitenfläche hin geneigt. Diese Neigung führt in die Richtung, daß die ent¬ sprechend geneigte Fläche der vorderen Stirnfläche einen Win¬ kel mit der geneigten hinteren Stirnfläche einschließt. Hin¬ tere und vordere Stirnfläche sind somit in der Draufsicht ge¬ mäß Fig. 6 gegeneinander gekippt.

Durch die Kippung der Fläche gegen die Bodenfläche und die Neigung gegenüber der Seitenfläche verläuft die obere Begren¬ zungskante 40 der schrägen Flächen mit dem senkrechten Teil der hinteren Stirnfläche 7 schräg gegenüber einer gedachten Mittelsenkrechten.

Die in den Fig. 6 bis 9 beschriebene Ausbildung der Kohle hat die folgende Wirkung. Dies ist sehr gut auf Fig. 3 zu erken¬ nen. Diese zeigt eine Abwicklung der Seitenfläche des Kollek¬ tors und an die ihr angrenzende Flächen der Kohle 3 sowie des Köchers 2 . Der Köcher 2 bildet im Querschnitt in etwa ein Quadrat dessen Seitenwände 41 parallel zu den Schlitzen im Kollektor 1 verlaufen. Die Kohle 3 ist in den Köcher geführt und stößt mit ihrer vorderen Stirnflächen 6 an den Kollektor an. Diese Fläche ist, wie auch aus Fig. 8 zu erkennen ist, trapezförmig. Dies hat zur Folge, daß die Seitenkanten 35, 35' unter einem Winkel zu den Schlitzen 11 zwischen den La¬ mellen 10 verlaufen. Dies wiederum hat zur Folge, daß, wie auf Fig. 3 zu erkennen ist, die Kanten 35, 35' stets über ei¬ nen Großteil ihrer Länge von den Lamellen unterstützt sind.

Die Fig. 4 entspricht in ihrer Darstellung der Fig. 3. Es wird das Ergebnis verdeutlicht, daß sich ergibt, wenn die

Achse 33 der Zylinderkontur der vorderen Stirnfläche gegen¬ über einer Senkrechten 34 zur der oberen bzw. unteren Fläche der Kohle gekippt ist.

Die Kohle wird sich im Köcher soweit drehen, daß die Achse 33 der gekrümmten Oberflächenkontur der Stirnfläche 6 in Über¬ einstimmung steht mit der Achse 5 des Kollektors. Dies geht nur, wenn die Kohle um ihre Längsachse um den entsprechenden Winkel 42 gekippt wird. Dies wiederum hat zur Folge, daß je¬ weils eine Kante zwischen den Seitenflächen 30, 30' und der oberen bzw. unteren Fläche 31, 38 gegen die obere bzw. untere Fläche des Köchers anschlägt. Dadurch wird die Kohle im Köcher verklemmt.

Da die -Abschrägungen der Seitenfläche ca. 15° beträgt und die Neigung der Achse ca. 3°, wird sich die Neigung der Seiten¬ kanten 33, 35' gegenüber den Schlitzen 11 auf der einen Seite etwas vergrößern auf der anderen Seite etwas verkleinern. Da¬ mit wird auch im ungünstigsten Fall eine Schrägstellung der Seitenkante gegenüber der Lamellen 10 verbleiben.

Mit der Fig. 5 soll die Wirkung der Abschrägung der hinteren Stirnfläche 7 aufzeigen. Die Kohle 3 wird sich so im Köcher 2 ausrichten, daß die hintere Stirnfläche 7 in etwa senkrecht im Köcher steht. Dies hat zur Folge, daß die Kohle der Länge nach gekippt wird und daß an der vorderen Stirnseite 6, die an den Kollektor anliegt, eine entsprechende Schrägung einge¬ schliffen wird. Diese Schrägung kann auch von vornherein an der neuen Kohle 3 vorgesehen sein. Damit erhält die Kohle insgesamt einen parallelogrammförmigen Längsschnitt.

Die Kohle wird im Köcher gekippt, so daß die Kante zwischen der vorderen bzw. hinteren Stirnfläche und der oberen bzw.

unteren Seite an die Innenwände des Köchers anschlagen. Dies führt zu einer zusätzlichen Klemmkraft, die dazu führt, daß das Flattern der Kohle im Köcher unterbunden wird.

Bezugszeichenliste

1 Kollektor

2 Köcher

3 Kohle

4 Längsachse

5 Drehachse

6 vordere Stirnfläche

7 hintere Stirnfläche

8 Feder

9 Abschluß

10 Lamellen

11 Schlitze

12 Kohlenhalterplatte

31 Oberfläche

32 Litze

33 Zylinderache

34 Senkrechte

35,35' Seitenkanten

36 Kante

37,37' schräge Flächen

40 Begrenzungskante

41 Seitenwand