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Title:
COMMUTATION DEVICE FOR AN ELECTRICAL MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/028190
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a commutation device for an electrical machine, especially for a D.C. motor for use in motor vehicles. Said device comprises a commutator with a plurality of commutator bars insulated from one another and disposed one by one on the periphery, and at least two brushes (14) disposed in a substantially diametrical manner on the commutator. Every brush consists of two self-contained, electrically interconnected brush bases (15, 16) that configure electrical contact surfaces (24, 25) that rest on the commutator bars in a non-positive fit with their commutator-side front ends. In order to reduce phase shift of commutation during change-over of the machine to a minimum, the two brush bases (15, 16) of each brush (26, 27) are disposed in such a manner that the centers of area (26, 27) of their contact surfaces (24, 25) are off-set from each other in the peripheral direction of the commutator.

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Inventors:
WEHRLE ANDREAS
Application Number:
PCT/DE2002/003357
Publication Date:
April 03, 2003
Filing Date:
September 10, 2002
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
H01R39/27; H01R39/24; H01R39/26; H01R39/38; H01R39/39; H02K13/10; (IPC1-7): H02K13/10; H01R39/24; H01R39/26; H01R39/38; H01R39/39; H01R39/40; H02K13/00; H02K23/66
Foreign References:
DE4438868A11996-05-15
GB2244603A1991-12-04
US5773907A1998-06-30
EP0540306A11993-05-05
US6288468B12001-09-11
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1995, no. 04 31 May 1995 (1995-05-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 457 (E - 688) 30 November 1988 (1988-11-30)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2000, no. 25 12 April 2001 (2001-04-12)
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Claims:
Ansprüche
1. Kommutierungsvorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor in Kraftfahrzeugen, mit einem Kommutator (10), der einen Kommutatorbelag aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung isoliert aneinandergereihten Kommutatorlamellen (13) aufweist, und mit mindestens zwei am Kommutator (10) im wesentlichen diametral angeordneten Bürsten (14), von denen jede aus zwei eigenständigen, elektrische leitend miteinander verbundenen Bürstenkörpern (15, 16) besteht, die an ihren kommutatorseitigen Stirnenden kraftschlüssig auf dem Kommutatorlamellen (13) aufliegende Kontaktflächen (24, 25 ; ', 25'; 24", 25"; 24'", 25'"; 24IV, 25IV) für den Stromfluß zwischen Bürstenkörper (15, 16) und Kommutatorlamellen (13) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bürstenkörper (15, 16) einer jeden Bürste (14) so angeordnet sind, daß die Flächenschwerpunkte (26,27) ihrer beiden Kontaktflächen (24, 25) in Umfangsrichtung des Kommutators (10) gesehen relativ zueinander versetzt sind.
2. Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15,16) so angeordnet sind, daß ihre Kontaktflächen (24, 25 ; 24', 25' ; 24", 25" ; 24""r 25"', 24IV, 25 V) in Achsrichtung des Kommutators (10) nebeneinanderliegen.
3. Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15,16) so angeordnet sind, daß ihre Kontaktflächen (24, 25) in Umfangsrichtung des Kommutators (10) einander überlappen.
4. Kommutierungsvorrichtun. g nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) so angeordnet sind, daß ihre Kontaktflächen (24', 25° ; 24", 25"; 24'", 25'"; 24IV, 25IV) in Umfangsrichtung des Kommutators (10) im Abstand aufeinanderfolgen.
5. Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) so angeordnet sind, daß ihre in Umfangsrichtung des Kommutators (10) aufeinanderfolgenden Kontaktflächen (2411, 25"; 24'", 25'"; 24IV, 25IV) miteinander fluchten.
6. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) durch eine elektrisch leitende Litze (17) miteinander verbunden sind.
7. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16F dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) so'angeordnet sind, daß ihre Längsachsen (151, 151) parallel zueinander verlaufen.
8. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) so angeordnet sind, daß ihre Längsachsen (151, 161) radial zur Kommutatorachse ausgerichtet sind und einen spitzen Winkel (ß) miteinander einschließen.
9. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche l8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bürstenkörper (15, 16) in einem Köcher (18,19) längsverschieblich geführt ist und an seiner vom Kommutator (10) abgekehrten Stirnseite von einer Bürstenandruckfeder (22, 23) mit zum Kommutator (10) hin gerichteter Federkraft beaufschlagt ist.
10. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) im Querschnitt so gestaltet sind, daß die sich an ihren kommutatorseitigen Stirnenden ausbildenden Kontaktflächen (24, 25; 24', 25'; 24", 25") Rechteckform mit zur Kommutatorachse parallelen Längskanten aufweisen.
11. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15,16) im Querschnitt so gestaltet sind, daß die sich an ihren kommutatorseitigen Stirnenden ausbildenden Kontaktflächen (24"', 25...) Loder Winkelform mit zwei Schenkeln aufweisen, daß die einen Schenkel in Drehrichtung des Kommutators (10) miteinander fluchten und parallel zueinander ausgerichtet sind und die anderen Schenkel in Umfangsrichtung des Kommutators (10) im Parallelabstand zueinander verlaufen.
12. Kommutierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenkörper (15, 16) im Querschnitt so gestaltet sind, daß die sich an ihren kommutatorseitigen Stirnenden ausbildenden Kontaktflächen (24, 25) die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen, und im Bürstenhalter (20) so ausgerichtet sind, daß zwei parallel zueinander verlaufende Katheten der Kontaktflächen (24, 25IY) sich in und zwei parallel zueinander verlaufende Katheten der Kontaktflächen (24IV, 25IV) sich quer zur Drehrichtung des Kommutators (10) erstrecken und die Hypothenusen der Kontaktflächen (24IV, 25, v) mit geringem Abstand parallel zueinander verlaufen.
Description:
Kommutierungsvorrichtung für eine elektrische Maschine Stand der Technik Die Erfindung geht aus-von einer Kommutierungsvorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Kommutierungsvorrichtung für einen elektrischen Gleichstrommotor (DE 85 74 879 Ul) sind zur Reduzierung des Bürstenverschleisses aufgrund verstärkt auftretenden Bürstenfeuers bei Schüttelbelastung des Gleichstrommotors die beiden separaten Bürstenkörper jeder Bürste, die durch die elektrische Verbindung untereinander gleiche Polarität aufweisen, am Kommutator in Richtung der Kommutatorachse gesehen hinter-oder nebeneinander angeordnet und in Drehrichtung des Kommutators so geneigt, daß die Längsachsen der beiden Bürstenkörper eine Winkel von mindestens 20° einschließen. Durch diese konstruktive Maßnahme wird bei extremer Schüttelbelastung zwar ein

Bürstenkörper von dem Kollektor-oder Kommutatorbelag abgehoben, doch der andere Bürstenkörper um so stärker auf den Kommutatorbelag aufgepreßt, so daß das Bürstenfeuer auf das übliche Maß reduziert bleibt.

Die Bürstenkörper liegen üblicherweise in räumlich feststehenden Köchern eines Bürstenträgers ein und werden mittels einer Bürstenandruckfeder, die den Bürstenkörper mit einer in Längsrichtung des Bürstenkörpers gerichteten Federkraft beaufschlagt, mit ihrer kommutatorseitigen Stirnseite auf den von den Kommutatorlamellen. gebildeten Kommutator aufgedrückt. Durch Führungsspiel der Bürstenkörper in den Köchern und dem Wechsel der Anlagefläche im Köcher bei Drehrichtungsumkehr des Kommutators wird dabei die für den Stromfluß zwischen Bürstenkörper und Kommutatorbelag relevante Kontaktfläche an der Stirnseite des Bürstenkörpers nicht über die ganze, in Drehrichtung des Kommutators gesehene Breite des Bürstenkörpers umgesetzt, sondern ist in ihrer in Drehrichtung gesehenen Breitenabmessung deutlich kleiner. Dadurch wird nicht nur der Übergangswiderstand zwischen Kommutatorbelag und Bürstenkörper vergrößert, sondern es findet vor allem eine Verschiebung'der Stromphasenlage statt, die sich bei in inversen Drehrichtungen betriebenen Gleichstrommotoren bei jeder Drehrichtungsumkehr ändert.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäß. Kommutierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung der beiden Bürstenkörper einer

Bürste das einmal festgelegte Verhältnis zwischen der Kommutatorlamellenbreite und der Breite der Kontaktfläche der Bürste bei wechselndem Rechts-und Linkslauf der Maschine weitgehend konstant bleibt, so daß bei Drehrichtungsumkehr keine oder nur eine minimale Phasenverschiebung der Kommutierung auftritt. Zudem wird durch die beiden Kontaktflächen der Bürste mit dem Drehwinkelversatz ihrer Flächenschwerpunkte ein Kommutierungsbereich erreichte der größer ist als der Kommutierungsbereich einer nur einen einzigen Bürstenkörper aufweisenden Bürste, bei der das gleiche Verhältnis von Bürstenbreite und Kommutatorlamellenbreite besteht wie bei der erfindungsgemäßen Kommutierungsvorrichtung. Darüber hinaus haben die massekleineren Bürstenkörper einen positiven Einfluß auf das Masseschwingsystem, was zusätzlich zu einer gleichmäßigeren Kommutierung beiträgt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Kommutierungsvorrichtung möglich.

Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Bürstenkörper so angeordnet sein, daß die Kontaktflächen in Achsrichtung des Kommutators nebeneinanderliegen und sich in Drehrichtung des Kommutators überlappen oder nicht überlappen. Sie können aber auch so angeordnet werden, daß ihre Kontaktflächen in Drehrichtung des Kommutators fluchten und parallel zueinander ausgerichtet sind. Die üblicherweise in einem Köcher geführten Bürstenkörper können dabei so ausgerichtet werden, daß ihre Längsachsen parallel zueinander verlaufen oder einen. spitzen Winkel einschließen.

Zeichnung Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisierter Darstellung : Fig. 1 ausschnittweise eine Draufsicht einer Kommutierungsvorrichtung für einen elektrischen Gleichstrommotor mit Kommutator und einer Bürste, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 Fig. 3 eine Unteransicht der Bürste mit Bürstenhalter der Kommutierungsvorrichtung in Fig. 1 mit schematisch eingezeichneten, bei Rechtslauf des Kommutators sich ausbildenden Kontaktflächen am Stirnende der Bürstenkörper der Bürste, Fig. 4 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 3 bei Linkslauf des Kommutators, Fig. 5 ausschnittweise eine Draufsicht einer Kommutierungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 6 eine Unteransicht der Bürste der Kommutierungsvorrichtung in Fig. 5 mit sich

bei Rechtslauf des Kommutators ausbildenden Kontaktflächen an den Stirnenden der Bürstenkörper der Bürste, Fig. 7 jeweils eine Draufsicht sich ausbildender bis 10 Kontaktflächen einer Bürste bei vier verschiedenen Ausgestaltungen der Bürstenkörper.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die in Fig. 1 nur ausschnittweise in Draufsicht dargestellte Kommutierungsvorrichtung für einen Gleichstrommotor, der beispielsweise als Antriebsmotor für die elektrische Sitzverstellung oder Fensterbetätigung in Kraftfahrzeugen verwendet wird, als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine elektrische Kommutatormaschine, weist einen Stromwender, Kollektor oder Kommutator 10 auf, der zusammen mit einem Anker oder Rotor des Gleichstrommotors drehfest auf einer Anker-oder Motorwelle 11 sitzt. Der Kommutator 10 besteht in bekannter Weise aus einem Kommutatorkörper 12 und aus einer größeren Anzahl von Kommutatorlamellen 13, die in Umfangsrichtung des Kommutatorkörpers 12 gegeneinander isoliert nebeneinanderliegen und den sog. Stromwender-oder Kommutatorbelag bilden. Die Kommuta. torlamellen 13 sind mit den einzelnen Wicklungen einer im Anker des Gleichstrommotors angeordneten Ankerwicklung verbunden. Zur Kommutierungsvorrichtung gehören ferner mindestens zwei feststehende, am Kommutator 10 im wesentlichen diametral anliegende Stromwender-, Kollektor-, Kohle-oder Kommutatorbürsten, im folgenden kurz Bürsten 14, genannt von

denen in Fig. 1 und 2 nur eine Bürste 14 dargestellt ist. Die Anzahl der jeweils paarweise einander diametral gegenüberliegenden Bürsten 14 ist bestimmt durch die Polzahl der Ankerwicklung und kann ein Vielfaches von Zwei betragen.

Jede Bürste 14 weist zwei eigenständige Bürstenkörper 15, 16 auf, die elektrisch-leitend miteinander verbunden sind, z. B. durch eine in Fig. 2 strichliniert eingezeichnete Verbindungslitze 17. Jeder Bürstenkörper 15 bzw. 16 ist in einem Köcher 18 bzw. 19 geführt. Im Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 sind die beiden Köcher 18,19 zu einem gemeinsamen Bürstenhalter 20 zusammengefaßt und durch S-und U-förmige Abwinklungen von Blechabschnitten aus einer Blechplatine geformt. Stirnseitig ist der Bürstenhalter 20 mit einem Andruckglied 21, z. B. einen Deckel, verschlossen, und zwischen Andruckglied 21 und Bürstenkörper 1. bzw. 16 ist eine Bürstenandruckfeder 22 bzw. 23 eingelegt, unter deren Federkraft der jeweilige Bürstenkörper 15,16 über den kommutatorseitigen Köcherrand der Köcher 18, 19 ausgeschoben und mit seiner kommutatorseitigen Stirnseite auf die Kommutatorlamellen 13 aufgedrückt wird. Der Bürstenhalter 20 mit den Köchern 18, 19 ist radial zur Kommutatorachse ausgerichtet und die Köcher 18, 19 sind so ausgebildet, daß die Längsachsen 151, 161 der darin axial verschieblich aufgenommenen Bürstenkörper 15,16 zueinander parallel verlaufen. Durch das Führungsspiel der Bürstenkörper 15,16 in den Köchern 18, 19 liegen die Bürstenkörper 15, 16 nicht mit ihrer gesamten Stirnfläche auf den Kommutatorlamellen 13 auf, sondern es bilden sich bei rotierendem Kommutator 10 an den Stirnenden der Bürstenkörper 15, 16 elektrische Kontaktfläche 24, 25 für den Stromfluß zwischen den Bürstenkörper 15, 16 und den Kommutatorlamellen 13. Diese in

Fig. 3 und 4 durch Kreuzschraffur kenntlich gemachten Kontaktflächen 24,25 verlagern sich bei Drehrichtungsumkehr des Kommutators 10. Die sich an den Bürstenkörpern 15 16 ausbildenden Kontaktfläche 24,25 sind in Fig. 3 für den Rechtslauf und in Fig. 4 für den Linkslauf des Kommutators 10, also bezüglich Fig. 1 für die Drehrichtung im Uhrzeigersinn und entgegen Uhrzeigersinn, dargestellt.

Um in beiden Drehrichtungen des Kommutators 10 ein. gleiches Verhältnis zwischen der Breite der Kontaktflächen 24,25 und der Breite der Kommutatorlamellen 13, beides in Umfangsrichtung des Kommutators 10 gesehen, zu erhalten, sind durch entsprechende Anordnung der Köcher 18. 19 die Bürstenkörper 15, 16 so angeordnet, daß die Flächenschwerpunkte 26, 27 ihrer beiden Kontaktflächen 24, 25 in Dreh-oder Umfangsrichtung des Kommutators 10 relativ zueinander um einen Drehwinkel a (Fig. 3 und 4) versetzt sind. Infolge dieses Versatzes wird auch der Kommutierungsbereichf der sich von der auflaufenden Kante des einen Bürstenkörpers 15 bzw. 16 bis zur ablaufenden Kante des anderen Bürstenkörpers 16 bzw. 15 erstreckt, in beiden Drehrichtungen des Kommutators 10 annähernd konstant gehalten und gegenüber einer herkömmlichen Bürste mit nur einem Bürstenkörper, die ein gleiches Verhältnis zwischen der Bürstenbreite und der Kommutatorlamellenbreite aufweist, wesentlich vergrößert.

Bei der Bürste 14 gemäß Fig. l-4 sind die Bürstenkörper 15, 16 in Achsrichtung des Kommutators 10 nebeneinander angeordnet, und zwar so, daß die Kontaktflächen 24, 25 mit ihren um den Drehwinkel a versetzten Flächenschwerpunkten

26,27 sich in Drehrichtung des Kommutators 10 überlappen. In Fig. 7-9 sind drei weitere Beispiele für die Lage der Kontaktflächen bei modifizierter Anordnung und Ausbildung der Bürstenkörper 15,16 dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind die Bürstenkörper so angeordnet, daß die Kontaktflächen 24', 25'in Achsrichtung des Kommutator 10 ebenfalls nebeneinanderliegen, sich in Umfangsrichtung aber nicht überlappen, sondern einen größeren Abstand voneinander aufweisen. In Achsrichtung des Kommutators 10 liegen die Kontaktflächen 241, 25'darüber hinaus weiter voneinander entfernt. Eine Kommutatorlamelle 13 mit ihrer Lamellenbreite bK zur Verdeutlichung der Lage der Kontaktflächen 24 r 25¢ zum Kommutator 10 ist strichliniert angedeutet. Wie üblich ist auch hier die Bürstenbreite bK einer Bürste größer als die Lamellenbreite gewählt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 liegen die Kontaktflächen 24', 25'durch entsprechende Anordnung der Bürstenkörper in Drehrichtung des Kommutators 10 fluchtend hintereinander und sind exakt parallel zueinander ausgerichtet.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 liegen die Kontaktflächen 24"und 25"ebenfalls in Drehrichtung des Kommutators 10 fluchtend hintereinander. Durch entsprechende Formgebung der Bürstenkörper weisen die Kontaktflächen 24"und 25"'L-oder Winkelform mit einem kurzen Winkelschenkel und einem langen Winkelschenkel auf, wobei die langen Winkelschenkel sich parallel zueinander in Umfangsrichtung des Kommutators 10

erstrecken und mit Abstand vor dem jeweils anderen kurzen Winkelschenkel enden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 10 sind die durch entsprechende Formgebung der Bürstenkörper als Prismen mit einem Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Dreiecks dreieckigen Kontaktflächen 24Iv und 25IV so ausgerichtet, daß jeweils parallele Katheten der beiden Kontaktflächen 24T und 25IV sich einmal in und einmal quer zur Drehrichtung des Kommutators erstrecken und die Hypothenusen der Kontaktflächen 24IV und 25V mit geringem Abstand parallel zueinander verlaufen. Die beiden Bürstenkörper sind wiederum über die Verbindungslitze 17 elastisch leitend miteinander verbunden, und die Breite der aus den Bürstenkörpern zusammengesetzten Bürste ist kleiner als die Breite bk der Kommutatorlamellen 13.

Mit den Anordnungen der Bürstenkörper 15, 16 so, daß sich an ihren kommutatorseitigen Stirnenden die Kontaktflächen 241, 25' bzw. 24" und 25" ausbilden (Fig. 7 und 8), wird durch die geringste Phasenverschiebung die beste Kommutierung erzielt.

Allerdings ist ein hoher Stromfluß über die Kontaktflächen 24,25 in Kauf zu nehmen, was zu einem relativ hohen Bürstenverschleiß führt. Bei der Gestaltung der Kontaktflächen 24"'und 25"'gemäß Fig. 9 wird eine kurze axiale Baulänge der Bürste 14 erzielt, wobei allerdings die Fertigung der Bürstenkörper 15, 16 und Köcher 18, 19 relativ aufwendig ist. Bei der Bürstenausbildung gemäß Fig. 1-4 erhält man dagegen einen geringen Bürstenverschleiß, ein geringes Reibmoment und vermeidet innenliegendes

Bürstenfeuer. Die Phasenverschiebung ist jedoch etwas schlechter als bei der Bürstenausbildung gemäß Fig. 7.

Das Ausführungsbeispiel der Kommutierungsvorrichtung gemäß Fig. 5 und 6 ist gegenüber der zu Fig. 1-4 beschriebenen Kommutierungsvorrichtung nur insoweit modifìziert, als die Längsachsen 151 und 161 der Bürstenkörper 15,16 nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, sondern durch radiale Ausrichtung der Bürstenkörper 15,16 einen kleinen spitzen Winkel ß einschließen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, bilden sich an den Stirnenden der Bürstenkörper 15,16 etwa gleich große Kontaktflächen 24,25 aus wie bei den parallel zueinander ausgerichteten Bürstenkörpern 15, 16 in Fig. 1-4O