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Title:
DC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/022631
Kind Code:
A1
Abstract:
In a DC machine (1) with a number of carbon brushes (12), which are each arranged in a carbon guide (14) such that they can be displaced in their longitudinal direction, brush sparking should be reduced or avoided and therefore excessive noise development and radiofrequency interference largely ruled out. For this purpose, the invention provides a carbon guide (14), which is formed by a base face (20) possibly by side faces and by a number of guide faces (16) which are bevelled relative to the base face (20).

Inventors:
SCHROEDER SEBASTIAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2007/001479
Publication Date:
February 28, 2008
Filing Date:
August 22, 2007
Export Citation:
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Assignee:
TEMIC AUTO ELECTR MOTORS GMBH (DE)
SCHROEDER SEBASTIAN (DE)
International Classes:
H01R39/40
Foreign References:
DE19639009A11997-03-27
GB2195835A1988-04-13
DE1613251A11971-01-21
US20030185693A12003-10-02
DE565821C1932-12-08
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Claims:

Patentansprüche

1. Gleichstromiuaschine (1) mit einer Anzahl von Kohlebürsten (12), die jeweils in ihrer Längsrichtung verschiebbar in ei- nem Führungskanal (14) angeordnet sind, der von einer Basisfläche (20) , gegebenenfalls von Seitenflächen und von einer Anzahl von relativ zur Basisfläche (20) abgeschrägten Führungsflächen (16) gebildet ist.

2. Gleichstrommaschine (1) nach Anspruch 1, deren Kohlebürsten (12) in ihrer Konturierung an die Führungsflächen (16) angepasste abgeschrägte Kontaktflächen (18) aufweisen.

3. Gleichstrommaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, deren Koh- leführung (14) eine zur Basisfläche (20) gerichtete auf die Kohlebürste (12) einwirkende Andruckvorrichtung aufweist.

Description:

Beschreibung

Gleichstrommaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrommaschine mit einer Anzahl von Kohlebürsten, die jeweils in ihrer Längsrichtung verschiebbar in einem Führungskanal, der so genannten Kohleführung, angeordnet sind.

Die für die Funktionsfähigkeit von elektrischen Maschinen, beispielsweise von Gleichstrommaschinen, erforderliche Bereitstellung eines relativ zur Wicklung drehenden oder wandernden Stromes auf der Grundlage eines Gleichstromes als Eingangsstrom wird üblicherweise über den so genannten Kommu- tator, auch als Stromwender bezeichnet, erzielt. üblicherweise sind Stromwendeeinrichtungen als Lamellen-Bürste-System ausgeführt, beispielsweise in Gleichstrommaschinen. Eine Gleichstrommaschine kann ausgeführt sein als Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, oder als Generator, der mechanische Energie in Gleichstrom umwandelt. In einigen Anwendungsfällen kann eine Gleichstrommaschine auch beide Funktionen erfüllen.

Eine Gleichstrommaschine umfasst als wesentliche Komponenten typischerweise einen unbeweglichen äußeren Teil, den Stator, und einen drehbar gelagerten inneren Teil, den Rotor oder Anker. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen umfasst der unbewegliche Teil mindestens einen Elektromagneten oder in kleineren, weniger leistungsfähigen Ausführungen mindestens einen Permanentmagneten.

Wesentliche Vorteile der typischen Gleichstrommaschine, beispielsweise gegenüber Drehfeldmaschinen, ist die veränderbare Betriebsdrehzahl, die bei gleichbleibendem Drehmoment über die Spannungsamplitude gesteuert werden kann. Durch diesen

Aufbau können Gleichstrommaschinen in einem großen Drehzahlbereich eingesetzt werden.

In Elektromotoren mit Kommutatoren werden zum Abgreifen des erzeugten Stroms, bei elektrischen Generatoren zum Einspeisen des Stroms , Kohlebürsten verwendet . Früher verwendete man statt Graphit Pinselbürsten als Gleitkontakt, daher die Bezeichnung Bürste. Eine solche Kohlebürste besteht meist aus Graphit und stellt über Schleifringe oder Kollektoren einen (Gleit-) Kontakt zum rotierenden Teil der Maschine, dem Rotor oder Anker, her. Wegen -der zum Teil hohen Drehzahlen kann es bei konventionellen Gleichstrommaschinen in den kurzen Momenten, in denen die Bürste vom Kommutator galvanisch getrennt ist oder zwei unterschiedlich geladene Lamellen kurzschließt, zu elektrostatischen Entladungen kommen, die als Funken sichtbar werden. Dabei handelt es sich um das so genannte Bürstenfeuer.

Dieses so genannte Bürstenfeuer kann die Ursache für hochfrequente Störungen sein, die beispielsweise die Gleichstrommaschine im Betrieb abstrahlt und in das Leitungsnetz zurück- speist und somit Störungen für andere Verbraucher im Leitungsnetz verursachen kann. Auch ist die Drehgeschwindigkeit durch diese Funkenbildung begrenzt, da die Kohlebürste bei hohen Drehzahlen heiß wird und schneller als in für diese Gleichstrommaschinen typischen Temperaturbereichen ver- schleißt. Des Weiteren bewirken hohe Drehzahlen eine höhere Induktionsspannung, die ein umlaufendes Bürstenfeuer initialisieren kann.

Ein weiterer Nachteil der typischen Verwendung von Kohlebür- sten ist die auftretende Geräuschentwicklung, die durch die

Stoßanregungen der Kohleführung, verursacht durch die tangentiale und radiale Anregung der Kohlebürsten durch den Kommutator, entsteht. Verantwortlich für diese Anregung der Kohlebürsten ist das Spiel der Kohlebürste in der Kohleführung. Dieses Spiel ist allerdings notwendig, um der Kohlebürste die radiale Anpressung an den Kommutator zu ermöglichen, da insbesondere bei Hitzeentwicklung dieses Spiel eine Veränderung

durch die unterschiedliche Ausdehnung der verschiedenen Materialien, die in der Kohlebürste und in der Kohleführung Verwendung finden, erfährt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrommaschine der oben genannten Art anzugeben, bei der das Bürstenfeuer reduziert oder vermieden ist und somit eine übermäßige Geräuschentwicklung sowie hochfrequente Störungen weitestgehend ausgeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Kohleführung von einer Basisfläche, gegebenenfalls von Seitenflächen und von einer Anzahl von relativ zur Basisfläche abgeschrägten Führungsflächen gebildet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die Erfindung geht von der überlegung aus, dass das so ge- nannte Bürstenfeuer im Wesentlichen durch das Spiel zwischen der Kohlebürste und der Kohleführung bedingt ist. Daher sollte dieses minimiert werden. Um trotz des unterschiedlichen Ausdehungsverhaltens der genannten Komponenten des Systems unter Temperatureinfluss die freie Beweglichkeit der Kohle- bürste zu erhalten, sollte eine geeignete Führung vorgesehen sein. Dazu ist die Kohleführung geeignet ausgestaltet.

üblicherweise ist die Kohleführung als rechteckiger Schacht ausgelegt. Das vorgesehene und notwendige Spiel der Kohle- bürste in tangentialer Richtung in der Kohleführung ist über die gesamte Höhe der Kohlebürste und Kohleführung vorhanden und ermöglicht eine Anregung der Kohlebürste und somit die Geräuschentwicklung und die Funkenbildung, das so genannte Bürstenfeuer. Eine Abschrägung der Führungsflächen sowie der Andruck der Kohlebürste in Richtung der Basisfläche und der relativ zur Basis abgeschrägten Führungsflächen erzielt mindestens eine punktuelle Berührung und Führung der üblicher-

weise rechteckig ausgebildeten Kohlebürste in der Kohleführung.

Um den Kontakt zwischen der Kohlebürste und der Kohleführung als Flächenberührung auszubilden, weist die Kohlebürste ebenfalls eine Führungsfläche auf, die an die Führungsfläche der Kohleführung angepasst ist.

Um die ausgebildete Abschrägung sowohl der Führungsflächen der Kohlebürste als auch der Führungsflächen der Kohleführung für eine möglichst spielfreie Führung der Kohlebürste in der Kohleführung vorzusehen, wirkt vorteilhafterweise eine An- druckkraft auf die Kohlebürste in Richtung der Basisfläche.

Der Andruck der Kohlebürste in Richtung der Basisfläche der Kohleführung erfolgt vorzugsweise über die Integration eines zusätzlichen Bauteils wie einer Spiral-, Torsions- oder Biegefeder in die Kohleführung. Das Federelement kann auch fertigungstechnisch in der Kohleführung oder in einem der Anbau- teile vorgesehen sein. In einer besonders vorteilhaften Auslegung erfolgt der Andruck der Kohlebürste durch eine in radialer Richtung wirkende Federvorspannung über eine Hebelumlenkung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Abschrägung der Führungsflächen sowohl der Kohlebürste als auch der Kohleführung beim Andrücken der Kohlebürste eine Justierung und eine seitliche Fixierung erfolgt, die die Funkenbildung oder die durch seitliches Pen- dein entstehenden Stoßanregungen eliminiert. Dadurch wird sowohl die Geräuschbildung der Gleichstrommaschine minimiert als auch das EMV-Verhalten durch die Reduzierung der hochfrequenten Störungen verbessert.

Weiterhin liegen Vorteile dieser Ausführung in einer einfacheren und daher kostengünstigeren Fertigung des Lamellen- Bürste-Systems, da an der Kohlebürste selber und an der Koh-

leführung größere Fertigungstoleranzen vertretbar sind als bei der bisher üblichen Ausführung.

Des Weiteren liegt die Werkzeugstandzeit gegenüber den bishe- rigen Ausführungen höher, da die Abnutzung der Kohlebürste durch die Minimierung der Stoßanregung und der Funkenbildung reduziert ist, was sich für den Betrieb der Gleichstrommaschine ebenfalls kostengünstig auswirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG. 1 eine Gleichstrommaschine im Querschnitt,

FIG. 2 die Gleichstrommaschine nach FIG. 1 in perspektivischer Ansicht,

FIG. 3 eine Kohleführung der Gleichstrommaschine nach

FIG. 1 im Schnitt, und

FIG. 4 eine Kohlebürste der Gleichstrommaschine nach

FIG. 1 in dreidimensionaler Ansicht.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen.

Die Gleichstrommaschine 1 gemäß FIG. 1 ist grundsätzlich in üblicher Weise aufgebaut, wobei eine Erregerwicklung 2 in einem Ständer 4, auch als Stator bezeichnet, angeordnet ist. Die Erregerwicklung 2 erzeugt im Betrieb der Gleichstrommaschine 1 ein hier nicht dargestelltes zeitlich und räumlich konstantes Feld. Diese Art der Ausführung wird auch als Au- ßenpolmaschine bezeichnet. Ein Anker 6, auch als Rotor oder Läufer bezeichnet, trägt eine Wicklung oder Ankerwicklung 8, in die bei Bewegung des Ankers 6 eine Spannung induziert wird.

FIG. 2 zeigt ebenfalls eine Gleichstronimaschine 1 sowie das Zusammenwirken der Komponenten. Die Ankerwicklung 8 des Ankers 6 ist über einen Kommutator 10 angeschlossen. Die Kontakte 12 des Kommutators 10, auch als Kohle oder Bürste oder Kohlebürste bezeichnet, sind derart aufgebaut, dass sie während der Drehung des Ankers 6 ständig die hier nicht dargestellte Polung der Ankerwicklung 8 wechseln. Die Kohlebürste 12 besteht aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise aus Graphit, das sich außerdem durch die Eigen- schaft auszeichnet, dass während des Betriebes durch das Anpressen der Kohlebürste 12 an den Kommutator 10 Abrieb entsteht, der die Berührungsfläche zwischen Kohlebürste 12 und Kommutator 10 schmiert . Durch das Anliegen der Kohlebürste 12 am Kommutator 10 und das daraus erfolgende Wechseln der Po- lung ist bei einer Gleichstrommaschine 1 die Drehbewegung gewährleistet. Ist die Gleichstrommaschine 1 nicht als Elektromotor, sondern als Generator ausgeführt, entsteht durch die Funktion des Kommutators 10 aus dem Wechselstrom des Ankers 6 Gleichstrom.

Die Führung der Kohlebürste 12 eines Kommutators 10 erfolgt in einem so genannten Kohleschacht 14 , auch als Kohleführung bezeichnet, gemäß FIG. 3. Beim Betrieb der Gleichstrommaschine 1 und durch das Anliegen der Kohlebürste 12 am Kommutator 10 entsteht Wärme, die mit zunehmender Drehzahl ansteigt. Da die Kohleführung 14 und die Kohlebürste 12 aus unterschiedlichen Materialien bestehen, dehnen sich diese bei der Erhitzung im Betrieb der Gleichstrommaschine 1 unterschiedlich aus. Dazu ist ein Spiel zwischen der Innenwandung der Kohle- führung 14 und der Kohlebürste 12 vorgesehen, das die unterschiedlichen Ausdehnungen auffängt. Durch einen durch das Spiel entstehenden Luftspalt ist die Kohlebürste 12 in der Kohleführung 14 tangential und radial beweglich und erzeugt durch die zwangsläufig erfolgende tangentiale und radiale Be- wegung und das Aufprallen der Kohlebürste 12 auf die Innenwandung der Kohleführung 14 ein Geräusch. Dieses Geräusch

steigert sich mit zunehmender Drehzahl der Gleichstrommaschine 1.

Um den Luftspalt zwischen der Kohlebürste 12 und der Innen- wandung der Kohleführung 14 und somit die Bewegung der Kohlebürste 12 in tangentialer Richtung an der dem Kommutator 10 zugeordneten Seite zu vermeiden, dennoch aber genügend Spiel für das unterschiedliche Ausdehungsverhalten der Komponenten zu gewährleisten, sind die Führungsflächen 16 der Kohlefüh- rung 14 , wie aus der FIG. 3 ersichtlich, abgeschrägt.

Um eine wesentliche Verstärkung des Führungseffektes der Kohlebürste 12 in der mit einer Abschrägung zur Basisfläche versehenen Kohleführung 14 zu erreichen, ist die Führungsfläche 18 der Kohlebürste 12 mit einer der Führungsfläche 16 der Kohleführung 14 angepassten Abschrägung ausgelegt.

Durch die Abschrägung der Führungsfläche 16 in der Kohleführung 14 relativ zur Basisfläche 20 ist die Führung der Kohle- bürste 12 zumindest im Kontaktbereich gewährleistet. Hierzu erfolgt vorteilhafterweise eine Anpressung der Kohlebürste 12 in Richtung der Basisfläche 20 an den Kommutator 10, damit die Kohlebürste 12 im abgeschrägten Teil der Führungsfläche 16 der Kohleführung 14 verbleibt. Der Anpressdruck wirkt da- bei axial auf die Kohlebürste 12, wobei dazu eine Vorrichtung zur Erzeugung des Anpressdrucks in die Kohleführung 14 integriert ist, die üblicherweise als hier nicht dargestellte Spiral-, Torsions- oder Biegefeder ausgelegt ist.

Eine besonders vorteilhafte Auslegung der Vorrichtung zur Erzeugung des Anpressdrucks zeigt die FIG. 4. Eine Feder 22 erzeugt durch ihre Vorspannung einen Druck auf einen Hebel 24, der seitlich zur Kohlebürste 12 in die Kohleführung 14 integriert ist. Durch eine Hebelumlenkung über einen Hebel 24, dessen Achse 26 in tangentialer Richtung verläuft, entsteht ein axialer Anpressdruck auf die Kohlebürste 12 in Richtung der Basisfläche 20 der Kohleführung 14.

Durch die Abschrägung der Führungsfläche 18 der Kohlebürste 12 sowie die Abschrägung der Führungsfläche 16 der Kohleführung 14 in Verbindung mit dem axialen Anpressdruck, der auf die Kohlebürste 12 in Richtung der Basisfläche 20 der Kohleführung 14 ausgeübt wird, entsteht zwischen der Führungsfläche 16 der Kohleführung 14 und der Führungsfläche 18 der Kohlebürste 12 eine Linienberührung oder ein Flächenkontakt.

Die Auslegung des Kontaktes zwischen der Kohleführung 14 und der Kohlebürste 12 als Flächenkontakt reduziert weitgehend die Geräuschentwicklung, wie sie durch Stoßanregung zwischen der Kohleführung 14 und der Kohlebürste 12, sowie das so genannte Bürstenfeuer, das an der Kontaktfläche zwischen Kohle- führung 14 und der Kohlebürste 12 entstehen kann.

Durch die Erzeugung des Anpressdrucks der Kohlebürste 12 an den Kommutator 10 in Richtung der Basisfläche 20 der Kohleführung 14 über ein Umlenksystem gemäß FIG. 4 und eine geeig- nete Auslegung der Feder 22 kann weitgehend sichergestellt werden, dass der Anpressdruck in jedem Zustandsbereich der Kohlebürste 12, der von Temperatur und Abnutzungsgrad abhängig ist, gleich ist. Damit wird ein gleichförmiges Laufverhalten der Gleichstrommaschine 1 erreicht. Auch eine Dämpfung der Bewegung der Kohlebürste 12 in der Kohleführung 14 durch den über den Hebel 24 und die Feder 22 erzeugten Anpressdruck kann erzielt werden.

Bezugszeichenliste

1 Gleichstrornmaschine

2 Erregerwicklung 4 Ständer

6 Anker

8 Ankerwicklung

10 Kommutator

12 Kohlebürste 14 Kohleführung

16 Führungsfläche der Kohleführung

18 Führungsfläche der Kohlebürste

20 Basisfläche

22 Feder 24 Hebel

26 Achse des Hebels