Bürstenträger für Kontaktbürsten einer Kommutatormaschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Bürstenträger für Kontaktbürsten einer Kommutatormaschine ge- maß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Halterung und Führung von Kontaktbürsten einer Kommutatormaschine sind Bürstenträger bekannt, die aus einem den Kontaktbürsten angepassten Trägerrahmen bestehen, in den die Kontaktbürsten eingesetzt, in Längsrichtung des rahmenförmigen Trä- gerrahmens zum Nachstellen verschiebbar angeordnet sind und mittels einer an der dem Kommutator abgewandten Rückseite der Kontaktbürsten anliegenden Druckfeder in Richtung auf den Kommutator vorgespannt und mit dem Ankerstrom gespeist werden. Eine einfachere und kostengünstigere Lösung für einen Bürstenträger besteht aus Federelementen, insbesondere Blattfedern, die durch Formgebung und Eigenfederverhal- ten für die erforderliche Vorspannung der Kontaktbürsten sorgen und den Kontaktbürsten den Strom zuführen.

Aus der WO 03/032 468 A1 ist ein Bürstenhaltesystem für eine elektrische Antriebseinrichtung bekannt, das eine Bürstenhalteplatte mit einem zentralen Durchbruch zur Auf- nähme eines Kollektors und an der Bürstenhalteplatte angeordnete und je eine Bürste

aufweisende, den Bürstenstrom führende Blattfedern enthält, die die Bürsten in Richtung auf den Kollektor vorspannen. Die Blattfedern sind in der Seitenansicht U-förmig ausgebildet, wobei das freie Ende des einen Schenkels die unmittelbar oder über eine Bürstenaufnahme an der Blattfeder angeordnete Bürste und das andere Ende der Blattfeder senkrecht zur Bürstenhalteplatte in diese einsteckbar ist.

Um zu vermeiden, dass die Bürstenfedern mit den Bürsten bei Betrieb der Antriebseinrichtung leicht in Schwingungen geraten und störende Geräusche verursachen, weist die Bürstenhalteplatte des bekannten Bürstenhaltesystems Führungsmittel zur Führung der Bürsten bzw. der die Bürsten aufnehmenden Bürstenabschnitte der Blattfedern in radialer Richtung auf. Durch die Aufnahme von Querkräften sollen die Führungsmittel verhindern, dass die Bürsten oder Bürstenabschnitte der Blattfedern in Drehrichtung des Kommutators bewegt werden können, so dass ein freies Schwingen der die Bürsten aufweisenden Enden der Blattfedern unterbunden und damit die während des Betriebs der Antriebseinrichtung von den Blattfedern ausgehende Geräuschentwicklung reduziert wird.

Von dem bekannten Bürstenhaltesystem ausgehend, liegt dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, Schwingungen des Bürstenträgers und damit das Auftreten störender Geräusche mit einfachen, kostengünstig herstellbaren und einsetzbaren Mitteln zu verhindern bzw. wirksam zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung verhindert bzw. unterdrückt Schwingungen insbesondere mit der Kommutatorfrequenz oder Bürstengeräuschfrequenz und damit das Auftreten störender Geräusche mit einfachen und kostengünstig herstellbaren sowie kostengünstig einsetzbaren Mitteln. Dabei kann das Material, die Struktur, die Anordnung und die Verbindung des elastischen Elements mit den Federelementen in weitem Umfange variiert und den jeweiligen Bedingungen angepasst werden.

Durch geeignete Materialauswahl für das elastische Element ergibt sich die Möglichkeit einer Einstellung der Federkonstanten des elastischen Elements und damit des Dämpfungsgrades.

Vorzugsweise besteht das elastische Element aus einem elektrisch isolierenden Material, verbindet die Federelemente und spannt diese in Richtung des Kommutators vor, so dass sowohl der Anpressdruck der Kontaktbürsten an den Kommutator erhöht als auch eine erhöhte Dämpfung der Federelemente bewirkt wird.

Eine erste Variante der Ausbildung und Anordnung des elastischen Elements besteht in einem die den Kontaktbürstenstrom führenden Schenkel der Federelemente miteinander verbindenden Vorspannelement.

In einer zweiten Variante, die auch mit der ersten Variante kombiniert werden kann, sind über die Bürstenschuhe hinausragende Federarme der Federelemente mit dem elastischen Element verbunden.

Bei der zweiten Variante sind die Federarme der Federelemente an Auflagebereichen des elastischen Elements abgestützt, so dass durch die Art und Form der Auflage der Federarme auf dem elastischen Element der Dämpfungsgrad bei im Wesentlichen freier Auswahl der Formgebung der Federarme und dem Material sowie der Formgebung des elastischen Elements einstellbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung spannt das elastische Element die Federelemente in Richtung des Kommutators vor und sichert damit zusätzlich zu der Verbindung der Federelemente mit der Kommutatormaschine und die Formung der Federelemente einen festen Kontakt der Kontaktbürsten mit der segmentierten Oberfläche des Kommutators.

Durch ein Abwinkein der Enden der Federarme wird eine Abstützfläche der Federarme auf dem elastischen Element gebildet, durch deren Größe und Form das Maß der Schwingungsdämpfung bei gleichzeitiger Sicherstellung der Vorspannung und Nachführung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator einstellbar ist.

In bevorzugter Ausführung besteht das elastische Element aus einem Band, dessen Bandenden am Polrohr der Kommutatormaschine eingespannt sind.

Die Ausbildung des elastischen Elementes als Band ermöglicht eine kostengünstige Her- Stellung des aus einem Elastomer-, Kunststoff-, kombinierten Elastomer- und Kunststoff-

band oder einem vorzugsweise mit Kunststoff umspritzten Stahlband bestehenden Bandes durch Extrusion. Dabei ermöglicht die formschlüssige Verbindung des Bandes mit dem Bürstenträger einerseits eine Abstimmung des Bandes auf die Form und Abmessung der Federelemente und andererseits einen einfachen Ersatz bei einem Austausch der Kontaktbürsten sowie Unterbindung der übertragung von Körperschall vom Band auf die Bürstenträger.

Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung des elastischen Elementes als Band einen zusätzlichen Toleranzausgleich und durch Materialauswahl und Zusammensetzung so- wie Abmessung des Bandes eine Einstellung der Federkonstanten des Bandes und damit des Dämpfungsgrades. Sowohl die Querschnittsfläche als auch die Querschnittsform des Bandes kann dabei dem gewünschten Dämpfungsverhalten angepasst werden.

Die Länge der Federarme und des Bandes ist so bemessen und die Bandenden sind derart mit dem Bürstenträger verbunden, dass die Bandenden unter einem spitzen Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt sind

Durch die Neigung der Bandenden und den horizontalen Verlauf des Bandes zwischen den zu einander beabstandeten Enden der Federarme wird ein Bandknick bewirkt, der eine zusätzliche Abstützung und Vorspannung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator erzielt.

Weiterhin kann durch Festlegung des Winkels zwischen den Bandenden und der Horizontalen, des gegenseitigen Abstands der Abstützflächen der Federelemente, der Fe- derkraft des Bandes und/oder der Höhe der Abstützflächen der Federelemente auf dem Band gegenüber der Verbindung des Bandes mit dem Bürstenträger die Stärke der Schwingungsdämpfung eingestellt werden.

Durch eine insbesondere wellen- oder zackenförmig ausgebildete Profilierung der Aufla- gebereiche des Bandes wird einem Wegschwingen der freien Enden der Federelemente entgegen der Vorspannung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator entgegengewirkt und damit ein vorgegebener Andruck der Kontaktbürsten auf den Kommutator sichergestellt.

Durch Ausbildung der Profilierung des Bandes als Nachstellrasten, die einer Verstellung der Abstützflächen der Federelemente entgegen der Vorspannung der Kontaktbürsten entgegenwirken, wobei die Nachstellrasten vorzugsweise ein Sägezahnprofil mit unterschiedlicher Flankenneigung aufweisen, dessen stärker geneigte Flanken zur Mitte- längsachse des Bürstenträgers gerichtet sind, wird nicht nur einem Wegschwingen der freien Enden der Federelemente entgegen der Andruckrichtung der Kontaktbürsten entgegengewirkt, sondern zugleich ein Nachstellen der Federelemente und damit der Kontaktbürsten in Richtung auf den Kommutator bei Bürstenabnutzung bewirkt.

Zusätzlich können in den Kontaktbereichen des Bandes mit den Enden der Federarme Metallbügel beispielsweise durch Einspritzen in das Band eingesetzt werden, wodurch die Wärmebelastbarkeit des Bandes erhöht wird.

Zur Stabilisierung des zwischen den freien Enden der Federelemente verlaufenden Bandabschnitts kann zwischen dem Bürstenträger und der dem Kommutator abgewandten Seite des Bandes ein elastisches Stützelement angeordnet werden.

Zur Vereinfachung der Herstellung und Einsparung von Verbindungsleitungen sowie zur Platz sparenden Anordnung sind die Schenkel der Federelemente mit einer Schaltungs- platine für die Steuerung der Kommutatormaschine verbunden.

Um die Vorspannung der Federelemente in Richtung auf den Kommutator zu erhöhen, weisen die Schenkel der Federelemente zueinander gerichtete Biegeabschnitte auf, in denen Längsschlitze zur Aufnahme des stabförmig ausgebildeten Vorspannelements angeordnet sind, das die Schenkel mit einander verbindet und so zusätzlich vorspannt und Schwingungen dämpft.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Polrohrs einer Kommutatormaschine, eines Kommutators und eines mit einer Schaltungsplatine verbundenen Bürstenträgers mit an einem Schwingungsdämpfungsband abgestützten Blattfedern;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung wie in Fig. 1 mit einem in Längsschlitze der Federschenkel der Federelemente eingesetztem Vorspann- und Dämpfungselements;

Fig. 3 einen schematisch-perspektivischen Querschnitt durch das Polrohr der

Kommutatormaschine, den Kommutator und den Bürstenträger mit am Schwingungsdämpfungsband abgestützten Blattfedern und zusätzlichem Abstützelement;

Fig. 4 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Variante der Enden der Federarme der Blattfedern und

Fig. 5a bis 5c verschiedene Oberflächengestaltungen und Profilierungen des Schwin- gungsdämpfungsbandes gemäß den Fig. 1 bis 3.

In den Fig. 1 bis 3 ist in schematisch-perspektivischer Ansicht und im Querschnitt eine Kommutatormaschine 1 mit einem Polrohr 10, einem mit dem Anker der Kommutatormaschine 1 verbundenen Kommutator oder Kollektor 6 und einem Bürstenträger 2 dargestellt. An den Kommutatorsegmenten bzw. -Stegen liegen zwei diametral zueinander angeordnete Kontaktbürsten 31 , 32 an, die von zwei als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 gehalten und in Richtung des Kommutators 6 vorgespannt sind, so dass sie an den Kommutatorsegmenten mit vorgegebenem Anpressdruck anliegen. Die Schenkel 41 , 51 der Federelemente 4, 5 sind mit einer Schaltungsplatine 9 zur Steuerung der Kommutatormaschine 1 verbunden und führen den Ankerstrom zu den über Bürstenschuhe 40, 50 mit den Federelementen 4, 5 verbundenen Kontaktbürsten 31 , 32.

Im Betrieb der Kommutatormaschine 1 , d. h. bei rotierendem Kommutator 6, gleiten die Kontaktbürsten 31 , 32 auf den Kommutatorsegmenten bzw. Kommutatorstegen und werden dabei in Schwingungen versetzt. Bei dem aus den Kontaktbürsten 31 , 32 und den Federelementen 4, 5 gebildeten schwingungsfähigen Systemen ist die Ausbildung mehrerer mit der Kommutatorfrequenz oder Bürstengeräuschfrequenz auftretender Resonanzstellen von besonderem Nachteil, da sie die durch den Kontakt der Kontaktbürsten mit den Kommutatorsegmenten verursachten Schwingungen verstärken und über die Verbindung der Federelemente mit der Bürstenträger zu erheblich störenden Bürsten- bzw. Kommutierungsgeräuschen führen. Die nachstehend beschriebenen Maßnahmen

dienen dazu, die durch das schwingungsfähige System aus Kontaktbürsten 31 , 32 und den als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 hervorgerufenen Schwingungen zu unterdrücken bzw. zu reduzieren.

Eine erste Variante zur Dämpfung der durch das schwingungsfähige System aus Kontaktbürsten 31 , 32 und den als Blattfedern ausgebildeten Federelementen 4, 5 hervorgerufenen Schwingungen und zur zusätzlichen Erhöhung des Anpressdruckes der Kontaktbürsten 31 , 32 an dem Kommutator 6 besteht darin, dass die Schenkel 41 , 51 der Federelemente 4, 5 mit Biegeabschnitten versehen sind, die zueinander und in Vorspann- richtung gerichtet sind und Längsschlitze 43, 53 aufweisen, in die ein stabförmiges Vorspann- und Dämpfungselement 8 aus elektrisch isolierendem Material eingesetzt ist, das die Schenkel 41 , 51 der Federelemente 4, 5 miteinander verbindet und dadurch sowohl in Vorspannrichtung, d. h. in Richtung auf den Kommutator 6, federnd vorgespannt als auch eine Dämpfung von Schwingungen bewirkt. Zum Einsetzen des Vorspann- und Dämpfungselements 8 in die Längsschlitze 43, 53 der Schenkel 41 , 51 weisen diese an einem Ende einen vergrößerten Ausschnitt auf, durch den die verdickten Enden des stabförmigen Vorspann- und Dämpfungselements 8 steckbar sind. Durch Verlagern des Vorspann- und Dämpfungselements 8 zum Ort des geringsten Abstandes der Schenkel 41 , 51 liegen die verdickten Enden des stabförmigen Vorspann- und Dämpfungsele- ments 8 formschlüssig an den vom Kommutator weggerichteten Außenseiten der Schenkel 41 , 51 an.

Alternativ weisen die Federelemente 4, 5 über die Bürstenschuhe 40, 50 hinaus verlängerte Federarme 42, 52 mit abgewinkelten Enden 44, 54 auf, die an einem als Schwin- gungsdämpfungsband 7 ausgebildeten elastischen Element abgestützt sind, das die durch das schwingungsfähige System aus Federelementen 4, 5, Bürstenschuhen 40, 50 und Kontaktbürsten 31 , 32 verstärkten Schwingungen gegebenenfalls zusätzlich zu dem Vorspann- und Dämpfungselement dämpft bzw. eliminiert.

Das Schwingungsdämpfungsband 7 ist in Aufnahmeelementen 21 , 22 an den Seiten des Polrohrs 10 der Kommutatormaschine 1 eingespannt, die unter Berücksichtigung der Länge des Bandes 7 so angeordnet sind, dass das Band 7 an den Berührungspunkten bzw. Berührungsflächen mit den Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 abgewinkelt ist. Dadurch weist das Band 7 zwei schräg verlaufende Bandenden 71 ,

72 und einen waagerecht zwischen den abgewinkelten Enden 42, 52 der Federarme 42, 52 verlaufenden mittleren Abschnitt 70 auf.

Dieser Verlauf des Bandes 7 und die ausgehend von den Bürstenschuhe 40, 50 mit ihren Enden 44, 54 zur Mittelängsachse des Bürstenträgers 2 bzw. Kommutatrors 6 ausgerichteten Federarmen 42, 52 bewirken, dass die Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 zusätzlich zur Mittelängsachse des Bürstenträgers 2 hin vorgespannt und damit die Kontaktbürsten 31 , 32 verstärkt gegen den Kommutator 6 gedrückt werden, wobei die Formung der Federelemente 4, 5 in Verbindung mit dem Verlauf und der Oberflächengestal- tung des Bandes 7 sowie die Ausformung der Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 eine Dämpfung der Federelemente 4, 5 nach außen, d. h. von der Mittelängsachse des Bürstenträgers 2 weggerichtet sowie eine freie Bewegung zur Mittelängsachse hin, bewirken.

Dabei bestimmt der Winkel α, den die Bandenden 71 , 72 des Bandes 7 mit der Horizon- talen einschließen, und der damit ein Maß für die Abwinklung des Bandes 7 darstellt, in Verbindung mit der Federkraft des Bandes 7 und der Auflagefläche der Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 auf dem Band 7 die Stärke der Schwingungsdämpfung. Durch Einstellung der Federkonstanten des Bandes 7, durch Variation des Winkels α und durch Veränderung der Größe und Art der Auflagefläche der Enden 44, 54 der Federarme 42, 52 auf dem Band 7 kann somit das Maß der Dämpfung bei vorgegebener Konfiguration des schwingungsfähigen Systems aus Kommutator 6, Kontaktbürsten 31 , 32 und Federelementen 4, 5 eingestellt werden. Das Band 7 ermöglicht dabei gleichzeitig einen Toleranzausgleich für die Anordnung und die Abmessung des Bürstenhalters 2 und der Elemente des Bürstenhalters 2.

An den Berührungsflächen der Federelemente 4, 5 mit dem Band 7 kann zusätzlich ein Metallbügel eingelegt werden, der die Wärmebeständigkeit des Bandes 7 infolge der Erhitzung der Kontaktbürsten 31 , 32 und der Federelemente 4, 5 erhöht.

Das Band 7 wird beispielsweise aus einem Elastomer, aus Kunststoff oder einer Kombination aus einem Elastomer und einem Kunststoff hergestellt oder als vorzugsweise mit Kunststoff umspritztes Stahlband ausgebildet und insbesondere extrudiert. Die Verbindung des Bandes 7 mit der Bürstenträger 2 erfolgt durch Formschluss zwischen an den Bandenden 71 , 72 angeordneten keilförmigen Befestigungsteilen 73, 74 und an den Sei-

tenflächen des Polrohrs 10 angeordneten Befestigungsaufnahmen 21 , 22 mit entgegen gesetztem Aufnahmeprofil, d. h. mit einer schwalbenschwanzähnlichen Ausnehmung.

Zur Abstützung des mittleren, waagerechten Abschnitts 70 des Bandes 7 kann ein vor- zugsweise elastisches Stützelement 15 zwischen der dem Kommutator 6 abgewandten Fläche des mittleren Abschnitts 70 des Bandes 7 und einem an der Innenseite des Polrohrs 10 vorgesehenen Vorsprung 23 angeordnet werden.

Die Enden 44, 45 der Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 können beliebig ge- formt, insbesondere in der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Form ausgebildet werden oder als Enden 54' mit einer breiten Auflagefläche eines Federelementes 5' in der Konfiguration gemäß Fig. 4 zur Kontaktierung mit dem Band 7 aufweisen.

Um ein Wegschwingen der Federarme 42, 52 der Federelemente 4, 5 im Betrieb der Kommutatormaschine zu verhindern, ist die dem Kommutator 6 zugewandte Oberfläche des Bandes 7 mit einer Profilierung versehen. Fig. 5a zeigt ein Band 7' mit einer wellenförmigen Profilierung und Fig. 5b eine Band 7" mit einer zackenförmig ausgebildet Profilierung.

In einer weiteren in Fig. 5c schematisch dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche eines Bandes 7'" mit einer sägezahnförmigen Struktur versehen, wobei die steil abfallenden Flanken 701 des sägezahnförmigen Bandes 7"' der Mittelängsachse des Bürstenträgers 2 zugewandt ist, während die flach abfallenden Flanken 702 entgegengerichtet sind. Das Sägezahnprofil gemäß Fig. 5c bewirkt ein Nachstellrasten der Federele- mente 4, 5 beim Abrieb der Kontaktbürsten 31 , 32 sowie beim Auftreten exzessiver Schwingungen und dementsprechender, zur Mittelängsachse gerichteter Bewegung der Federelemente 4, 5.

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Bezugszeichenliste

1 Kommutatormaschine

2 Bürstenträger 4, 5, 5' Federelemente

6 Kommutator oder Kollektor

7 Schwingungsdämpfungsband

T Schwingungsdämpfungsband mit wellenförmiger Profilierung

7" Schwingungsdämpfungsband mit zackenförmiger Profilierung

7'" sägezahnförmiges Schwingungsdämpfungsband

8 Vorspann- und Dämpfungselement

9 Schaltungsplatine

10 Pol röhr

15 elastisches Stützelement

21 , 22 Aufnahmeelemente

23 Vorsprung

31, 32 Kontaktbürsten

40. 50 Bürstenschuhe

41. 51 Schenkel der Federelemente 42, 52 Federarme der Federelemente 43, 53 Längsschlitze

44, 54 abgewinkelten Enden der Federarme

54' Ende mit breiter Auflagefläche

70 mittlerer Abschnitt des Schwingungsdämpfungsbandes

71 , 72 Bandenden des Schwingungsdämpfungsbandes

73, 74 keilförmigen Befestigungsteile

701 Stark abfallende Sägezahnflanken

702 flach abfallenden Sägezahnflanken