B E S C H R E I B U N G

Bürstenvorrichtung mit einer Feder für eine Elektromaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenvorrichtung für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung, mit einer darin untergebrachten Bürste mit integrierter Litze, mit einer ersten Feder, die die Bürste gegen einen Kommutator vorspannt.

Elektromaschinen (E-Motoren), Gleichstrom- sowie Drehstrommaschinen weisen Bürstenpaare auf, die gegen einen Kommutator vorgespannt sind.

Zum Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren (Starter) zum Einsatz. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer- und Graphitanteile hat. Die Bürsten werden deshalb auch Kohlebürsten genannt. Diese Bürsten sowie der Kommutator un- terliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei sind die Gleichstrommotoren typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normalerweise für 30-60.000 Schaltzyklen geeignet.

Wird der Starter für höhere Lasten und für längere Laufzeiten ausgelegt, so zeigt sich eine geringere Lebensdauer. Es ist bekannt, eine Schraubenfeder für die Anpressung der Kohlebürste auf den Kommutator einzusetzen. Aufgrund der radialen Bauraumbeschränkung eines Starters besteht ein Kom- promiss aus der Höhe der Kohlebürste, die einen direkten Einfluss auf die

mögliche Verschleißlänge hat und der notwendigen Anpresskraft. Die Anpresskraft und die Federrate C sind durch radiale Bedingungen sehr stark beeinflusst. Es können somit Anpresskräfte mit einer bestimmten Charakteristik mit nur minimalen Federraten C erreicht werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Bürstenvorrichtung der Eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Elektromaschinen mit häufigen Wiederholstarts und längeren Laufzeiten eine verbesserte Lebensdauer aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Erfindungsgedanke ist, eine zweite Feder parallel zur ersten Feder an- geordnet vorzusehen, die die Bürste gegen den Kommutator vorspannt. Somit wird ein möglichst homogener Anpressdruck an den Kommutator der Bürsten geschaffen. Eine Asymmetrie bezüglich der Flächenpressung der Kohlebürste bei einer hohen Anpresskraft, wie sie bei lediglich einer Feder pro Kohlebürste mit einer zumeist mittigen Anpressung gemäß dem Stand der Technik auftritt, wird erfindungsgemäß vermieden. Somit wird auch unterbunden, dass die Kohlebürstenandruckkraft durch eine hohe axiale Länge der Kohlebürsten nicht mehr homogen an der Lauffläche wirksam ist. Es wird ferner durch die parallele Befestigung der Federn an der Bürste ein stabiler Zustand bezüglich axialer Bewegungen der Kohlebürsten mit gleichmäßigem und gleichmäßig verteiltem Anpressdruck im Gegensatz zum Stand der Technik mit einer mittigen Fixierung geschaffen.

Der Anpressdruck senkt sich während der Verschleißlänge der Kohlebürste deutlich geringer gegenüber einem Anpressdruck, der von lediglich einer Spiralfeder erzeugt wird. Es können somit höhere Schaltzahlen mit geringerem Verschleiß und längere Laufzeiten der Elektromaschine erreicht werden.

Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere Federn zusätzlich an der Bürste

parallel nebeneinander verbaut. Die Gesamtanpresskraft F(x) setzt sich somit wie folgt zusammen. F _G ES(X) = F ₁ (X)+ F ₂ (x).

Gemäß einem weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken ist die in die Bürste integrierte Litze in radialer Richtung parallel zur ersten Feder angeordnet. Dadurch, dass die Litze in radialer Richtung nicht hintereinander zur Feder angeordnet ist, sondern parallel, ist die Verschleißlänge der Bürste vergrößert. Die vergrößerte Verschleißlänge erhöht die Lebensdauer und lässt häufigere Wiederholstarts von E-Motoren bei zumindest gleicher Le- bensdauer zu. Die Litze ist aus einer Kupferlegierung hergestellt und in die Bürste eingepresst.

Die mögliche Verschleißlänge einer Bürste ist normalerweise der Abstand von der Kontaktfläche der Bürste zum Kommutator bis zum vorgegebenen Ende der reinen Kohlebürste in radialer Richtung. Das vorgegebene Ende ist die radiale Höhe, an der der Durchmesser der Litze in der Bürste beginnt.

Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Litze zwischen der ersten und mindestens zweiten Feder parallel in einem Zwi- schenansatz in der Bürste angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Verschleißlänge der Bürste optimiert groß ist und die Bürste stabil in der Bürstenfassung sitzt.

Vorteilhafter Weise ist die radiale Distanz vom Kommutator zur Mitte der mindestens einen Litze größer als zu einer Auflagefläche an der Bürste der Feder oder Federn. Somit ist die Verschleißlänge vergrößert.

Um ein möglichst homogenes System zu erhalten, sind vorteilhafterweise mindestens zwei gleiche Federn eingesetzt, deren Federrate im Wesentli- chen gleich groß ist. Es ergibt sich somit F _Ges (x) = F ₁ (X)+ F ₁ (X)= 2 • F ₁ (X).

Durch die Verwendung von zwei gleichen Federn kann die doppelte Anpresskraft einer heutigen Serienfeder mit einer Federrate Cs _ene erzielt wer-

den. Die höhere Anpresskraft der Kohlebürste an den Kommutator einer als Starter eingesetzten Elektromaschine führt somit direkt zum Erreichen einer höheren Schaltzahl. Es ergibt sich somit bei der gleichen Gesamtfederrate:

F _GθS (x) = C _G es • x = F ₁ (X) + F ₁ (X) = 2« F ₁ (X) = 2« C ₁ • x.

Aus Versuchen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine möglichst konstante Federrate C für eine hohe Lebensdauer einer mechanisch kommutierten Elektromaschine vorteilhaft ist.

Es hat sich weiter als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Federrate C möglichst für den vorhandenen Bauraum gering ist. Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Federrate der ersten und zweiten Feder kleiner als bei einer Bürste mit einer einzigen Feder gemäß dem Stand der Technik (Serienfeder). Mit mindestens zwei Federn kann die Federrate C somit noch weiter abgesenkt werden, was mit einer einzigen Feder aufgrund Fertigungsbedingungen nicht mehr möglich ist. Mit mindestens zwei parallel angeordneten Federn lassen sich noch stärkere Anpresskräfte erzeugen, die die Bedingungen an die Federrate C erfüllen. Eine optimierte Bedingung durch die Kombination von zwei gleichen Federn mit der Federrate C ₁ in Relation zu einer Federrate Cs _ene einer herkömmlichen Feder lautet: 2 • C ₁ < Cseπe-

Eine Halbierung der Anfangskraft von zwei Federn, die in Kombination die gesamte notwendige Anpressanfangskraft im vorgespannten Zustand der Kohlebürste leisten, machen es möglich, die gleichen Anfangsbedingungen wie mit einer Feder zu erzielen.

Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform sind die Di- mensionen der ersten und zweiten Feder kleiner als die einer Bürstenvorrichtung mit einer einzigen Feder. Die mindestens zwei Federn sind im Durchmesser kleiner, in der Stärke dünner und erzielen somit eine Halbierung der Anfangskraft einer Feder, um die Bedingung 2 • C ₁ < Cs _ene zu erfül-

len. Durch das Absenken der Gesamtfederrate C _Ges bei der Bürstenvorrichtung erhält man somit ein stabileres Verhalten über die Lebensdauer der Bürstenvorrichtung. Die minimale Federrate Ci jeder einzelnen Feder ist somit weniger kostenintensiv und einfacher zu erreichen als die Federrate bei einer Bürstenvorrichtung mit einer einzigen Serienfeder.

Die Bürstenvorrichtung ist vorteilhafter Weise für eine Gesamtlebensdauer der Elektromaschine ausgelegt. Um eine Instandhaltung der Elektromaschi- ne nach Ende der Lebensdauer der Elektromaschine zu ermöglichen, ist die Bürstenvorrichtung in der Elektromaschine auswechselbar ausgebildet.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Bürstenvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht der Bürstenvorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Bürstenvorrichtung mit einer zur Feder parallelen Litze,

Fig. 4 einen Weg-Kraft-Diagramm der Bürstenvorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 für eine Elektromaschine, wie beispielsweise einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor, der als Starter für einen

Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug eingesetzt ist. Die Bürstenvorrichtung 1 umfasst eine Bürstenfassung 2, in der eine Bürste 3 untergebracht ist. Die Bürste 3 ist aus einem Werkstoff mit einem hohen Graphitanteil herge-

stellt und wird deshalb auch Kohlebürste genannt. Die Bürste 3 wird mittels einer ersten und zweiten Feder 4, 5 der Bürstenfassung 2 gegen einen rotierenden Kommutator 6 angedrückt und ist somit vorgespannt. Die erste und zweite Feder 4, 5 sind in radialer Richtung R zueinander parallel angeord- net, In einer besonderen Ausführungsform besitzen die Federn die gleiche Federrate Ci und sind in den Dimensionen, wie Durchmesser, Länge und Stärke des Federdrahts, gleich ausgebildet. In einer anderen besonderen Ausführungsform, falls axiale Beanspruchungen es notwendig machen, können beide Federn 4, 5 auch eine unterschiedliche Federraten C aufweisen. Die erste und zweite Feder 4, 5 sind Spiralfedern.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Bürstenvorrichtung 1. In der Bürstenfassung 2 sind parallel die gleich großen Federn 4, 5 untergebracht, die für ein homogenes Anpressverhalten der Bürste 3 mit einem Sitz auf dem Kommutator 6 sorgen.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bürstenvorrichtung 1 mit einem weiteren wesentlichen Erfindungsgedanken, gemäß dem eine Litze 7 der Bürste 3 nicht wie herkömmlich, in radialer Richtung seriell d.h. in Reihe zur Feder 4, 5 angeordnet ist, sondern parallel zur ersten Feder 4 und zur zweiten Feder 5. Die Litze 7 ist, wie in der Fig. 3 gezeigt, in einem Zwischenansatz 8 der Bürste 3 eingepresst.

Durch die parallele Anordnung der Litze 7 zu den Federn 4, 5 ergibt sich eine zusätzliche Verschleißlänge, die in der Fig. 3 mit einer axialen Linie als Verschleißgrenze V _G i abstrahiert dargestellt ist. Zum Vergleich hierzu ist in gestrichelter Linie eine Litze 9 in radialer Richtung vor der Feder 5 eingezeichnet, wie sie im Stand der Technik beispielsweise eingebaut ist und somit eine Verschleißgrenze V _GSθπθ bildet. Die Anhebung der Verschleißlänge bei konstanten Randbedingungen führt direkt zu einer längeren Lebensdauer des Kommutierungssystems und des Starters.

Die Fig. 4 zeigt ein Weg-Kraft-Diagramm mit Federkennlinien von Federn für

die Bürstenvorrichtung. Die oberste Federkennlinie I zeigt die normierte Federkraft F _N gegenüber der Federlänge L _F bei einem Einsatz von zwei Federn mit einer niedrigen Federrate Ci gemäß der Erfindung. Das Diagramm zeigt, dass die Federkraft über eine größere Federlänge gering abnimmt.

Darunter ist eine Federkennlinie Il einer herkömmlichen Einzelfeder eingezeichnet, wie sie in einer Bürstenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik verbaut ist. Die Federkraft F _N nimmt bei größerer Federlänge L _F , d.h. bei größerem Verschleiß der Bürste 3, stärker ab als bei zwei parallel angeord- neten Federn 4, 5 mit niedriger Federrate C.

Die Federkennlinie III zeigt die normierte Federkraft F _N gegenüber der Federlänge L _F für eine einzelne Feder 4 bzw. 5, wie sie in der erfindungsgemäßen Börsenvorrichtung 1 eingebaut ist. Durch den Einsatz von mindestens zwei parallel angeordneten Federn 4, 5, die die Bürste 3 an den Kommutator 6 anpressen, wird ein möglichst hoher homogener Anpressdruck bei häufigen Wiederholstarts und längeren Laufzeiten in mechanisch kommutierten Elektromaschinen geschaffen.

Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.