Bürstensystem und Verfahren zur Beschichtung einer Bürste

Die Erfindung betrifft ein Bürstensystem eines Elektromotors mit einem Kommuta tor, aufweisend mindestens eine in einem Bürstenköcher geführte und eine An schlussleitung aufweisende Bürste zur Anlage am Kommutator. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Beschichtung einer solchen Bürste und einen Elektromotor mit einem derartigen Bürstensystem. Unter Elektromotor wird insbesondere ein DC- oder Gleichstrom-Kommutatormotor verstanden.

Bei einer elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Elektromotor, der als DC- oder Gleichstrommotor ausgebildet ist, ist ein als Kommutator bezeichneter Stromwender vorgesehen, der den elektrischen Strom auf die Wicklungen eines gegenüber einem Stator, der üblicherweise mit Permanentmagneten bestückt ist, drehbar gelagerten Rotors überträgt. Dazu ist der Kommutator auf der Rotorwelle, die zugleich die Motorwelle des Elektromotors darstellt, in Form von axial ausge richteten und umfangsseitig zueinander beabstandeten Kommutatorlamellen (La mellen) gebildet. Die Lamellen werden von, insbesondere mittels eines Federele mentes federbelasteten, Bürsten bestrichen, die den Strom auf die Lamellen über tragen. Durch die Lamellen wird von Wicklung zu Wicklung eine Stromwendung erzeugt, die gegenüber den (feststehenden) Magnetpolen des Stators ein Dreh moment auf die Rotorwelle erzeugt.

Die Bürsten sind herkömmlicherweise aus verpresstem Kohlepulver hergestellt, das beispielsweise eine Mischung oder Zusammensetzung aus Natur- und/oder Elektrographit und Kupfer zur Leitungsverbesserung sowie anderen (seltenen) Metallen ist. Aufgrund des Schleifkontakts mit den Lamellen erfahren die Bürsten einen Abrieb. Um trotz des Abriebs den Kontakt zwischen der Bürste und dem Kommutator zu gewährleisten, sind die Bürsten häufig in einem sogenannten Bürstenköcher (Bürstenschacht) mittels Federelementen (mechanischen Federn) unter Wirkung deren Rückstellkraft verschiebbar gelagert, so dass eine automati sche Nachstellung der Bürsten erfolgt. Die Bürstenköcher können auf einem Trä ger (Bürstenträger oder Bürstenplatte) angeordnet sein, der zusammen mit dem oder jedem Bürstenköcher und mit den Bürsten sowie mit den erforderlichen elektrischen Kontaktmitteln und teilweise ebenfalls auf dem Träger angeordneten Entstörelementen (Spulen bzw. Drosseln und/oder Kondensatoren) ein Bürsten system für den Elektromotor (DC-Kommutatormotor) bildet. Der jeweilige Bürsten köcher oder Bürstenschacht besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen Kunststoff.

Da die geforderte Leistung des Bürstensystems im Zuge des motorischen Betriebs zumindest nahezu konstant ist, bleibt auch die Verlustleistung zumindest annä hern gleich. Allerdings wird das Volumen der typischerweise stab- oder quaderför migen Bürsten bzw. deren Bürstenkörper in Folge deren betriebsbedingten Ab riebs zunehmend kleiner, so dass die Wärmebelastung des Bürstensystems ent sprechend ansteigt. Dies wiederum kann dazu führen, dass die Temperatur der Bürste die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Köchermaterials über steigt. In Folge der Reibungskräfte zwischen der im Bürstenköcher federbelastet geführten Bürste und dem Kommutator bzw. dessen Lamellen wird die Bürste ge gen die diese führende Köcherwandung des Bürstenköchers gepresst und kann dort, insbesondere bei Erreichen der Erweichungstemperatur des thermoplasti schen Köchermaterials, anhaften. Dies wiederum führt häufig zum Ausfall des Bürstensystems, wenn aufgrund des Anhaftens der Bürste im Bürstenköcher der Kontakt der Bürste zum Kommutator unterbrochen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Bürstensys tem eines Elektromotors, insbesondere eines DC-Kommutatormotors, anzugeben, bei dem ein Anhaften der Bürsten im Bürstenköcher bzw. an dessen die Bürste führenden Köcherwand (-wandung) vermeiden ist. Der Erfindung liegt des Weite ren die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor, insbesondere einen DC-Kommu tatormotors mit einem derartigen Bürstensystem und ein geeignetes Verfahren zur Beschichtung einer Bürste eines solchen Bürstensystems anzugeben. Bezüglich des Bürstensystems wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des An spruchs 9 sowie bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Das für einen Elektromotors mit einem Kommutator vorgesehene und eingerich tete Bürstensystem weist mindestens eine in einem Bürstenköcher, vorzugsweise radial verschiebbar, geführte und eine Anschlussleitung aufweisende Bürste sowie ein Federelement auf, das eine Federkraft auf Bürste zu deren Anlage am Kom mutator ausübt. Die Bürste ist mit einer Pulverschicht versehen. Mit anderen Wor ten ist die Bürste mit einem Pulver, insbesondere mit einem Graphitpulver, be schichtet. Flierdurch ist ein Anhaften der Bürste im Bürstenköcher bzw. an dessen Köcherwand (Köcherwandung) auch bei betriebsbedingtem Erreichen einer Erwei chungstemperatur des Materials des Bürstenköchers zuverlässig vermieden.

In einer geeigneten Ausgestaltung des Bürstensystems weist dieses einen den Bürstenköcher haltenden Bürstenträger auf, der konzentrisch zum wellenfest mit einer Motorwelle gekoppelten Kommutator des Elektromotors angeordnet ist. Der Bürstenträger kann beispielsweise plattenförmig als Bürstenplatte ausgebildet sein.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Bürstenköcher aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyamid (z. B. PA6 oder PA6.6), hergestellt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Bürstenköcher eine die Bürste zumindest teil weise umschließende Köcherwand mit einem Längsschlitz aufweist, über welchen die Anschlussleitung herausgeführt ist. Das Federelement weist geeigneter Weise einen festgelegten Federschenkel und einen beweglichen Anlageschenkel auf weist, der aus einer Ruheposition in eine die Wirkverbindung herstellende Anlage position an die Bürste verstellbar ist. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Bürste sieht vor, dass diese bzw. deren Bürstenkörper quaderförmig ist. Besonders bevorzugt besteht die Bürste bzw. de ren Bürstenkörper aus einerverpressten Pulvermischung. Die Korn- oder Partikel größe des Beschichtungspulvers oder -puders sollte maximal ein Viertel des Tole- ranzspaltes zwischen der Bürste bzw. deren Bürstenkörper und dem Bürstenkö cher bzw. dessen Köcherwand (Köcherinnenwand) sein. Die Schichtdicke der Pul verbeschichtung sollte eine Mindeststärke von zweimal der typischen Partikel größe des Pulvers bzw. Puders aufweisen. Hinsichtlich des Verfahrens zur Beschichtung einer Bürste eines solchen Bürsten systems ist vorgesehen, dass die Bürste bzw. deren Oberfläche zunächst mit ei ner verdampfbaren und/oder zerstäubbaren Flüssigkeit benetzt und anschließend auf die benetzte Bürste ein Pulver, insbesondere ein Graphitpulver, aufgebracht wird. Als Flüssigkeit kann Wasser oder ein Alkohol verwendet werden.

Vorzugsweise wird die Bürste an einem Sprühnebel der verdampften oder zer stäubten Flüssigkeit vorbeigeführt, so dass die Oberfläche der Bürste benetzt wird. Anschließend wird die benetze Bürste an einem Sprühnebel aus Pulver, vorzugs weise aus feinem Graphitpulver, vorbeigeführt, das dann an der benetzten Bürste (Bürstenoberfläche) anhaftet. Nach der Verdunstung der Flüssigkeit befindet sich das Pulver an der gewünschten Stelle der Bürstenoberfläche. Hierbei sind bereits die Molekularkräfte ausreichend, um das Pulver an der gewünschten Stelle der Bürstenoberfläche zu halten. Die pulverbeschichtete Bürste kann anschließend in den Bürstenköcher eingesetzt werden.

Besonders bevorzugt weist ein Elektromotor, insbesondere ein DC-Kommutator- motor, ein solches Bürstensystem mit mindestens einer pulverbeschichteten Bürste auf. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläu tert. Darin zeigen: Fig. 1 in schematischer Draufsicht eine Darstellung eines Bürstensystems ei nes Elektromotors mit zueinander gegenüberliegend angeordneten, be schichteten Bürsten, die jeweils in einem Bürstenköcher federnd gegen einen Kommutator gelagert sind, Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die beschichtete Bürste im Bürstenkö cher mit einem anliegenden Federschenkel eines Federelements, Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Beschichtung der Bürste mit einem Graphitpulver vor deren Einsetzten in den Bürstenköcher, und Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Fensterheber als Verstellantrieb ei ner Fahrzeug-Fensterscheibe, mit einem antriebstechnisch mit einer Stellmechanik gekoppelten Elektromotor mit dem Bürstensystems.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das in Fig. 1 schematisch und in Fig. 2 ausschnittsweise perspektivisch darge stellte Bürstensystem 1 ist Teil eines als DC-Kommutatormotor ausgeführten Elektromotors 2, der beispielsweise wiederum Teil eines in Fig. 5 dargestellten Verstellantriebs 3 eines elektrischen Fensterhebers eines Kraftfahrzeugs ist.

Das Bürstensystem 1 umfasst einen hier etwa kreisringartigen Bürstenträger 4, beispielsweise eine Bürstenplatte, der bzw. die konzentrisch um einen wellenfest mit einer Motorwelle 5 (Fig. 5) gekoppelten Kommutator 6 des Elektromotors 2 an- geordnet ist. Das Bürstensystem 1 umfasst im Ausführungsbeispiel zwei Bürsten 7, die mit dem Kommutator 6 während des Betriebs nach Art von Gleitkontakten elektrisch leitfähig kontaktiert sind. Während des Betriebs drehen sich die Motor welle (Rotorwelle) 5 und damit der Kommutator 6 um die gemeinsame Rotations achse R, die in Fig. 2 als Kreuz veranschaulicht ist.

Des Weiteren umfasst das Bürstensystem 1 zwei im Ausführungsbeispiel gegen überliegend angeordnete, bezogen auf die Rotationsachse R der Motorwelle 5 ra dial um 180° versetzte Bürstenköcher oder Bürstenschächte 8, in denen die Bürsten 7 radial verschiebebeweglich geführt sind. Um eine Anpresskraft entlang einer radial gerichteten Bürstenandruckrichtung B zwischen den Bürsten 7 und dem Kommutator 6 zu erzeugen, weist das Bürstensystem 1 für jede Bürste 7 ein zugeordnetes Federelement 9 auf.

Die Bürsten 7 dienen zur Bestromung auf den im Betrieb rotierenden Kommutator 6 und damit auf die nicht näher dargestellten Wicklungen eines Rotors des Elekt romotors 2. Die Bürsten 7 weisen hierzu an einer dem Bürstenträger 4 abgewand ten Oberseite jeweils eine integrierte Anschlussleitung 10 zur Strom Übertragung auf. Die Anschlussleitung 10 ist über einen nicht näher dargestellten Steckkontakt mit einer Steuereinheit 11 (Fig. 5) des Elektromotors 2 elektrisch verbunden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Bürstenköcher 8 an den Bürstenträger 4 an geformt und insbesondere nach Art von radial verlaufenden Flohlzylindern mit ei nem rechteckigen Querschnitt zur im Wesentlichen formschlüssigen Aufnahme der im Bürstenschacht 8 schiebebeweglich geführten Bürsten 7 ausgestaltet. In nerhalb des jeweiligen Bürstenschachts 8 ist die etwa quaderförmige Bürste 7 an geordnet. Dabei ist eine radial innenliegende Kontaktfläche 12 der Bürste 7 kom plementär zu einer Außenkontur des Kommutators 6 abgerundet.

Über einen Längsschlitz 13 des Bürstenköchers 8 an dessen dem Bürstenträger 4 gegenüberliegenden (abgewandten) Köcherseite ist die Anschlussleitung 10 der Bürste 7 herausgeführt. In den Längsschlitz 13 kann eine Engstelle 14 eingebracht sein, welche die Anschlussleitung 10 durchschreitet, wenn die Wirkverbindung des Federelementes 9 mit der Bürste 7 hergestellt ist.

Die der Kontaktfläche 12 gegenüberliegenden Stirnseite der Bürste 7 bildet eine Anlagefläche 15, an der in einem wirkverbundenen Zustand ein Anlageschenkel 16 als Freiende des im Ausführungsbeispiel als Schenkelfeder ausgeführten Fe derelements 9 anliegt. Der Anlageschenkel 16 ist etwa L-förmig an einen Feder schenkel 17 angeformt, der zumindest teilweise innerhalb eines radial verlaufen den Führungsschlitzes 18 des Bürstenköchers 8 angeordnet ist. Ein wendelartiger Windungsteil 19 des Federelementes 9 umfasst eine Anzahl an Windungen, die um einen zylindrischen Tragzapfen 20 als Lagerstelle angeordnet sind, der außer halb des Bürstenköchers 8 auf dem Bürstenträger 4 positioniert und vorzugsweise an diesen angeformt ist. Die Windungen des Windungsteils 20 gehen in ein nicht näher bezeichnetes Federfreiende über, das an der Bürstenplatte 4 oder an einem Außenbereich der Köcherwand (-wandung) 21 des Bürstenköchers 8 festgelegt beziehungsweise daran abgestützt ist.

Die Bürste 7 ist beispielsweise eine gepresste Mischung oder Zusammensetzung aus Natur- und/oder Elektrographit sowie Kupfer zur Leitungsverbesserung und gegebenenfalls anderen Metallen. Die zweckmäßigerweise quaderförmige Bürste

7 besteht aus einer verpressten Pulvermischung.

Die Bürste 7 ist mit einer Pulverschicht oder Pulverbeschichtung 22 versehen. Die Korngröße der Pulverbeschichtung 22 sollte maximal einem Viertel der Spaltbreite des Toleranzspaltes zwischen der Bürste 7 und der Köcherwand (-wandung) 21 des Bürstenköchers 8 entsprechen.

Mittels der Pulverbeschichtung 22 ist ein Anhaften der Bürste 7 im Bürstenköcher

8 bzw. an dessen Köcherwand (Köcherwandung) 21 zuverlässig verhindert, auch wenn in Folge einer betriebsbedingten Wärmeentwicklung die Erweichungstempe ratur des Materials des vorzugsweise aus einem thermoplatischen Kunststoff be stehenden Bürstenköchers 8 erreicht ist.

In Fig. 3 ist schematisch eine Vorrichtung 23 zur Beschichtung der Bürste 7 bzw. deren Bürstenoberfläche 24 mit einem Pulver veranschaulicht. Die Vorrichtung 1 weist eine erste Einrichtung 25 zum Verdampfen oder Zerstäuben einer bevorrate ten Flüssigkeit auf. Als Flüssigkeit kann Wasser oder ein Alkohol vorgesehen sein. Die erste Einrichtung 25 erzeugt einen Sprühnebel 26 aus verdampfter bzw. zer stäubter Flüssigkeit. Die Vorrichtung 1 weist zudem eine zweite Einrichtung 27 zum Ausblasen von Pulver bzw. zur Erzeugung eines Pulvernebels 28 auf.

In einem ersten Verfahrensschritt wird die Bürste 7 bzw. deren Bürstenoberfläche 24 mit der verdampften oder zerstäubten Flüssigkeit 27 benetzt. Hierzu wird die Bürste 7 in einer Transportrichtung T am Sprühnebel 26 der verdampften oder zer stäubten Flüssigkeit vorbeigeführt, so dass die Oberfläche 24 der Bürste 7 benetzt wird. Anschließend wird die benetze Bürste 7 am Pulvernebel 28, vorzugsweise aus feinem Graphitpulver, vorbeigeführt, wobei das Pulver an der benetzten Bürste 7 bzw. deren Bürstenoberfläche 24 anhaftet. Nach Verdunstung der Flüs sigkeit befindet sich das Pulver an der gewünschten Stelle der Bürstenoberfläche 24. Die pulverbeschichtete Bürste 7 kann anschließend in den Bürstenköcher 8 eingesetzt werden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Verstellantrieb 3 handelt es sich um einen elektri schen Fensterheber für eine Fensterscheibe 29 eines Kraftfahrzeugs. Der Verstell antrieb 3 ist hierzu beispielsweise in einer nicht näher dargestellten Fahrzeugtür des Kraftfahrzeugs integriert. Der Verstellantrieb 3 umfasst die Steuereinheit 11 zur signaltechnischen Ansteuerung des Elektromotors 2, der über eine Stellme- chanik 30 mit der Fensterscheibe 29, hier über ein Schneckengetriebe 30a, ge koppelt ist. Die Fensterscheibe 29 kann innerhalb eines Verstellweges x reversibel zwischen einer Schließstellung S und einer Offenstellung O verfahren werden.

Zur Ermittlung der jeweils aktuellen Position x der Fensterscheibe 29 ist an der Motorwelle 5 ein Ringmagnet 31 angeordnet, mit dem ein Positionsgeber 32, bei spielsweise ein Flall-Sensor, zusammenwirkt. Der Positionsgeber 32 detektiert bei einer Drehung der Motorwelle 5 das fluktuierende Magnetfeld des Ringmagneten 31 und generiert ein pulsierendes Hall-Signal H, das an die Steuereinheit 11 aus gegeben wird. Diese ermittelt durch Zählung und Aufsummierung der Pulse des Hall-Signals Fl ein Positionsmaß, das proportional zur tatsächlichen Position x der Fensterscheibe 29 ist.

Ein Stellvorgang, bei dem die Fensterscheibe 29 aus ihrer Schließstellung S in Richtung auf die Offenstellung O verfahren werden soll, wird von einem Fahrzeug nutzer durch Betätigung eines zum Beispiel an einer Türverkleidung angeordneten Bedienelementes (Tasters, Schalters) 33 ausgelöst. Dadurch wird ein Betäti gungssignal an die Steuereinheit 11 gesendet, aufgrund dessen die Steuereinheit 11 eine den Elektromotor 2 antreibende Motorspannung U an den Elektromotor 2 ausgibt und dieser somit bestromt wird.

Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausfüh- rungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbe sondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungs beispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.

Zudem kann die beschriebene Lösung nicht nur in dem speziell dargestellten An wendungsfall zum Einsatz kommen, sondern auch in ähnlicher Ausführung bei an deren Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Tür- und Heckklappen systemen, bei Fahrzeugschlössern sowie bei verstellbaren Sitz- und Innen raumsystemen im Fahrzeug.

Bezugszeichenliste

1 Bürstensystem

2 Elektromotor 3 Verstellantrieb

4 Bürstenträger/-platte

5 Motor-/Rotorwelle

6 Kommutator

7 Bürste 8 Bürstenköcher/-schacht

9 Federelement

10 Anschlussleitung

11 Steuereinheit

12 Kontaktfläche 13 Längsschlitz

14 Engstelle

15 Anlagefläche

16 Anlageschenkel

17 Federschenkel 18 Führungsschlitz

19 Windungsteil

20 Tragzapfen

21 Köcherwand

22 Pulverschicht/-beschichtung 23 Vorrichtung

24 Bürstenoberfläche

25 erste Einrichtung

26 Sprühnebel

27 zweite Einrichtung 28 Pulvernebel

29 Fensterscheibe

30 Stellmechanik

30a Schneckengetriebe 31 Ringmagnet

32 Positionsgeber

33 Bedienelement B Bürstenandruckrichtung

H Hall-Signal

0 Offenstellung

R Rotationsachse

S Schließstellung T Transport-/Bewegungsrichtung x Position