Elektrische Maschine mit mindestens zwei Paar Kohlebürsten

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens zwei Paaren von Kohlebürsten, bestehend aus einer Plus- und einer Minus-Kohlebürste zur Stromversorgung des Läufers der Maschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Bei den bekannten so genannten Kommutatormaschinen werden die Wicklungen des Läufers über einen Kommutator von stationär angeordneten Kohlebürsten mit Strom versorgt. Je nach Einsatz der elektrischen Maschine werden dabei die Kohlebürsten im Betrieb mehr oder weniger stark an ihrer Lauffläche auf dem Kommutator dem Verschleiß ausgesetzt. Besonders hohen Beanspruchungen unterliegen dabei Gleichstrommotoren, die zum Starten von Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Die Kohlebürsten bestehen dabei zumeist aus einem Sinterwerkstoff mit hauptsächlich

Kupfer- und Graphitanteilen. Die Startermotoren sind dabei typischerweise jeweils für einen kurzzeitigen Betrieb mit einer Lebensdauer von etwa 30 000 bis 60 000 Schaltzyklen ausgelegt.

Beim Einsatz von Startermotoren in Kraftfahrzeugen mit einer Start-Stopp-Automatik sind dagegen aufgrund der häufigen Start-Stopp-Vorgänge deutlich höhere Schaltzyklen erforderlich. Dazu ist es wichtig, dass alle Kohlebürsten der Maschine eine möglichst gleichgroße und gleichmäßige Belastung aufweisen. Bei den bisher zum Einsatz kommenden Startermotoren werden die Kohlebürsten mit einem äquidistanten

Winkelabstand am Umfang des Kommutators angeordnet, der bei einer sechspoligen Maschine 60° beträgt. Zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit wird für den Kommutator des Startermotors eine Lamellenzahl gewählt, die nicht durch die Polzahl glatt teilbar ist. So werden zum Beispiel für eine sechspolige Maschine Kommutatoren mit 23 oder 28 Lamellen eingesetzt. Hierbei kommt es zu einer unterschiedlichen

Belastung für die Plus- und Minus-Bürsten, da die Bürstenpaare drehrichtungsabhängig unterschiedliche Positionen beim Auflaufen und Ablaufen auf den Lamellen einnehmen. Dieser Unterschied bewirkt, dass für die Bürstenpaare beziehungsweise für einzelne Kohlebürsten ein unterschiedliches Lastprofil entsteht, indem drehrichtungsabhängig bestimmte Kohlebürsten beim Auflaufen auf eine Lamelle beziehungsweise beim

Ablaufen von einer Lamelle mit einer unterschiedlichen Strombelastung gegenüber der anderen Kohlebürste des Bürstenpaares beaufschlagt ist. Außerdem entstehen dabei an den einzelnen Kohlebürsten deutlich höhere Belastungsspitzen. Folglich altern beziehungsweise verschleißen die Kohlebürsten unterschiedlich stark, so dass die erreichbare Lebensdauer der Maschine wegen des stärkeren Verschleißes einzelner

Kohlebürsten in nachteiliger Weise vermindert ist. Die Kohlebürsten der einzelnen Paare sind dabei jeweils um 180° versetzt.

Zur Erhöhung der Lebensdauer der elektrischen Maschine wird dabei ein möglichst geringer und gleichmäßiger Verschleiß an allen Kohlebürsten durch eine optimale

Verteilung der Strombelastung und der Belastungsspitzen an den Kohlebürsten angestrebt. Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, dass bei mindestens einem Bürstenpaar der Maschine die Plus- und Minus-Bürste sich in einem Winkel gegenüberstehen, der von 180° abweicht. Mit einer derartigen asymmetrischen Anordnung der Kohlebürsten lässt sich durch die Lamellen-überdeckung der

Kohlebürsten, die im Normalfall bei einer bis eineinhalb Lamellen liegt, eine optimale Aufteilung der elektrischen Belastung und der Lastspitzen an den Kohlebürsten erzielen. Da der Versatz einzelner Kohlebürsten aus der symmetrischen Position je nach Laufrichtung des Kommutators für eine optimale Kommutierung unterschiedlich ist, müssen für einen Linkslauf andere Anordnungen gewählt werden als bei einem

Rechtslauf. Außerdem ergeben sich je nach Lamellenzahl unterschiedlich große asymmetrische Anordnungen einzelner Kohlebürsten. Da die Kohlebürsten in Bürstenfassungen aufgenommen sind, die in bekannter Weise mit einer Aufnahme an einer fest montierten Bürstenplatte eingehängt werden, ist es von Nachteil, wenn zur Erzielung der erforderlichen asymmetrischen Anordnung einzelner Kohlebürsten eine

Vielzahl verschiedener Bürstenplatten und Bürstenfassungen benötigt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, zur Erzielung einer asymmetrischen Anordnung einzelner Kohlebürsten die Teilevielfalt möglichst gering zu halten.

Offenbarung der Erfindung

Eine elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit einer einheitlichen Bürstenplatte eine drehrichtungsabhängige asymmetrische Anordnung einzelner Kohlebürsten für beide Drehrichtungen realisierbar ist, eine Variation von Bürstenplatten für symmetrische und asymmetrische Anordnungen von Kohlebürsten für einen Linkslauf oder Rechtslauf ist ebenfalls nicht erforderlich. Diese Lösung hat den weiteren Vorteil, dass lediglich die asymmetrisch anzuordnende Kohlebürste ein entsprechend modifiziertes Aufnahmeteil an der Bürstenfassung benötigt, welches an der symmetrisch angeordneten Aufnahme der Bürstenplatte einsetzbar ist. Je nach Drehrichtung des Läufers ist dabei das Aufnahmeteil aus der Mitte der Bürstenfassung um einen Winkel α nach rechts oder links versetzt. Dabei kann unter Verwendung von Bürstenfassungen aus Kunststoff das Grundwerkzeug für die Herstellung der Bürstenfassung beibehalten werden. Für die verschiedenen, drehrichtungsabhängigen Fassungen müsste dann nur das Gegenstück des Werkzeugs angepasst werden, welches die Position des Aufnahmeteils an der Rückseite der Bürstenfassung festlegt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Dabei wird in einfachster Weise bei einer Kommutatormaschine mit zwei Bürstenpaaren nur an einer Bürstefassung das Aufnahmeteil seitlich zur Mitte versetzt angeordnet. Alternativ dazu ist es möglich, an jeder Plus- oder Minus-Kohlebürste der Bürstenpaare

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das Aufhahmeteil der Bürstenfassung zu versetzten. Des Weiteren ist es zweckmäßig, in Abhängigkeit von der Lamellenzahl des Kommutators das Aufnahmeteil um einen mehr oder weniger großen Winkel α aus der Mitte der Bürstenfassung versetzt anzuordnen. Im einfachsten Fall ist dabei das Aufnahmeteil an der Bürstenplatte als Nut und das dazu passende Aufnahmeteil an der Bürstenfassung als Rippe ausgebildet, wobei Nut und

Rippe der Aufnahme radial zur Läuferachse ausgerichtet sind. Eine besonders vorteilhafte und einfache Aufnahme der Bürstenfassungen an der Bürstenplatte wird dadurch realisiert, dass die Nut zum Innenumfang der Bürstenplatte offen ist und dass die Rippe an der Rückseite der aus Kunststoff hergestellten Bürstenfassung angeordnet ist und mit einem schuhförmigen flachen Vorsprung hinter die Bürstenplatte greift. In Anwendung der Erfindung bei einem sechspoligen Startermotor für Brennkraftmaschinen beträgt der auf die Läuferachse bezogene Winkel α, um den das Aufnahmeteil der Bürstenfassung aus ihrer Symmetrieachse versetzt ist, 2° entgegen der Drehrichtung des Läufers.

Im Idealfall ist bei einer sechspoligen Kommutatormaschine mit vier Kohlebürsten nur eine der beiden Minus-Kohlebürsten mit einer Bürstenfassung ausgestattet, die ein versetztes Aufnahmeteil hat. Bei einer sechspoligen Kommutatormaschine mit sechs Kohlebürsten sind in idealer Weise alle drei Minus-Kohlebürsten mit Bürstenfassungen ausgestattet, die jeweils ein versetztes Aufnahmeteil haben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Querschnitt durch einen sechspoligen Startermotor mit zwei Bürstenpaaren, Figur 2 eine Bürstenfassung mit einem Aufnahmeteil und einen Ausbruch einer Bürstenplatte mit einer Aufnahme zum Einsetzten der Bürstenfassung, Figur 3 zeigt die Rückseite der Bürstenfassung mit symmetrischer Anordnung des Aufnahmeteils,

Figur 4 zeigt eine Bürstenfassung mit einem asymmetrisch angeordneten Aufnahmeteil, Figur 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine schräg gestellte Bürstenfassung mit asymmetrischer Anordnung des Aufnahmeteils,

Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung einen Kommutator mit einer Bürstenplatte und vier Kohlebürsten, von denen eine asymmetrisch angeordnet ist und

Figur 7 zeigt als weiteres Ausführangsbeispiel in schematischer Darstellung einen Kommutator und eine Bürstenplatte mit sechs Kohlebürsten, von denen die drei Minus- Kohlebürsten asymmetrisch angeordnet sind.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist eine elektrische Kommutatormaschine im Kommutatorbereich im Querschnitt dargestellt, die als Startermotor für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen mit einer Start-Stopp-Automatik eingesetzt wird. Der mit 10 bezeichnete Startermotor hat ein stationäres Polgehäuse 11 , in dessen vorderen Teil am Innenumfang sechs gestrichelt angedeutete Magnetpole 12 angeordnet sind, die mit einem auf einer Läuferwelle 13 befestigten nicht erkennbaren Läufer zusammenwirken. Die Läuferwicklungen werden über Lamellen 14 eines am hinteren Wellenende befestigten Kommutators 15 elektrisch versorgt, die mit vier Kohlebürsten 16 zusammenwirken, welche über Bürstenfassungen 17 axial verschiebbar an einer Bürstenplatte 18 befestigt sind. Die metallische

Bürstenplatte 18 ist am hinteren Ende der Maschine befestigt und über das Polgehäuse 11 auf Masse gelegt. Die Kohlebürsten 16 bilden zwei Bürstenpaare aus je einer Plus- und einer Minus-Kohlebürste. Die beiden Plus-Kohlebürsten sind dabei über je eine Anschlusslitze 19 mit einem durch das Polgehäuse 11 nach außen hindurch geführten Steckanschluss 20 kontaktiert. Die Anschlusslitzen 19 der beiden Minus-Kohlebürsten sind dagegen mit einer Lasche 18a der Bürstenplatte 18 verschweißt und damit auf Masse gelegt. Die Kohlebürsten 16 sind jeweils mit ihren Bürstenfedern 22 in ihrer Bürstenfassung 17, 17a axial verschiebbar aufgenommen.

In Figur 2 ist dargestellt, dass die Bürstenfassungen 17 an der Bürstenplatte 18 mittels einer Aufnahme 21 montiert sind. Dort ist in raumbildlicher Darstellung erkennbar, dass das Aufnahmeteil 21a an der Bürstenplatte 18 als Nut ausgebildet ist, die zum Innenumfang der Bürstenplatte 18 offen ist. Als Gegenstück ist an der Rückseite der aus Kunststoff hergestellten Bürstenfassung 17 das Aufnahmeteil 21b als Rippe ausgebildet, welche in die Nut 21a der Bürstenplatte einzuschieben ist. Dabei greift ein flacher schuhförmiger Vorsprung 21c jeweils hinter die Bürstenplatte 18. Nut 21a und Rippe 21b der Aufnahme 21 sind dabei jeweils radial zur Läuferachse x ausgerichtet. Die Nuten 21a sind an der Bürstenplatte 18 symmetrisch um jeweils 60° verteilt und liegen sich paarweise diametral um 180° versetzt gegenüber.

Während drei Bürstenfassungen 17 auf ihrer Rückseite mit einem Aufnahmeteil 21b versehen sind, welches gemäß Figur 3 senkrecht in der Mitte der Bürstenfassung 17 auf ihrer Symmetrieachse y angeordnet ist, ist zur Erzielung einer asymmetrischen Anordnung der vierten Kohlebürste die Aufnahme 21b der Bürstenfassung 17a gemäß Figur 4 um einen auf die Läuferachse x bezogenen Winkel α aus der Mitte der

Symmetrieachse y der Bürstenfassung 17a versetzt. Die Kohlebürste 16 mit der Bürstenfassung 17a ist dabei mit einem Winkel ß von 90° senkrecht zur Oberfläche des Kommutators 15 ausgerichtet. In Abhängigkeit von der Drehrichtung der Maschine ist das Aufnahmeteil 21b an der Bürstenfassung 17a nach links oder rechts versetzt anzuordnen. Gemäß Figur 4 ist dabei das Aufnahmeteil 21b gegen die Drehrichtung des

Kommutators 15 um den Winkel α nach rechts versetzt.

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung eine zur Kommutatordrehung schräg gestellte Bürstenanordnung. Dort bildet die Symmetrieachse y der Bürstenfassung 17a' zur Lamellenoberfläche des Kommutators 15 einen Winkel ß' von über 90°. Auch hier wird das Aufnahmeteil 21b der einen asymmetrisch anzuordnenden Bürstenfassung 17a' um den auf die Läuferachse x bezogenen Winkel α aus der Mitte der Bürstenfassung 17a entgegen der Drehrichtung der Maschine versetzt und dabei radial zur Läuferachse x ausgerichtet.

Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung bei einer sechspoligen Kommutatormaschine die Anordnung von vier Kohlebürsten 16 auf ihrer Bürstenplatte 18. Dabei hat nur eine der beiden Minus-Kohlebürsten eine Bürstenfassung 17a mit einem um den Winkel α aus der Mitte der Bürstenfassung 17a versetzten Aufnahmeteil 21b. In Abhängigkeit von der Lamellenzahl des Kommutators 15 muss das betreffende Aufnahmeteil mit einem mehr oder weniger großen Winkel α aus der Mitte der Bürstenfassung 17a versetzt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist bei einem dem Kommutator 15 mit achtundzwanzig Lamellen der Winkel α = 2°. Damit beträgt der Winkel zur nachfolgenden Plus- Kohlebürste γ = 60° - α = 58°. Der Winkel zur vorherigen Minus-Kohlebürste 16 beträgt demzufolge 122°. Bei einem Kommutator mit beispielsweise dreiundzwanzig Lamellen liegt bei einer sechspoligen Kommutatormaschine der Winkel α im Bereich von 2° bis 3°.

In Figur 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung eine sechspolige Kommutatormaschine mit sechs Kohlebürsten 16 dargestellt, bei der alle drei

Minus-Kohlebürsten eine Bürstenfassung 17a mit um den Winkel α versetztem Aufnahmeteil 21b haben. Dadurch ergibt sich hier bei allen drei Minus-Kohlebürsten 116 zu ihrer in Drehrichtung des Kommutators 15 jeweils nachfolgende Kohlebürste 16 ein Winkel γ = 60° - α. Bei einem Winkel α = 2° beträgt somit der Winkel γ = 58°. Zur jeweils vorhergehenden Plus-Kohlebürste 16 beträgt demzufolge der Winkel jeweils 62°.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alternativ können zum Ausführungsbeispiel nach Figur 6 auch beide Minus- Kohlebürsten in einer Bürstenfassung 17a mit versetztem Aufnahmeteil angeordnet werden. Ebenso ist es möglich, im Ausführungsbeispiel nach Figur 7 nur eine oder zwei der drei Minus-Kohlebürsten 16 in einer Bürstenfassung 17a mit versetztem Aufnahmeteil 21b anzuordnen. Ebenso lässt sich das Lösungsprinzip auch bei vierpoligen, achtpoligen oder zwölfpoligen Kommutatormaschinen realisieren, sofern deren Lamellenzahl durch die Polzahl nicht glatt teilbar ist. Außerdem können im Rahmen der Erfindung auch die Aufnahmen zwischen Bürstenfassungen und

Bürstenplatte konstruktiv anders aufgebaut sein. Wesentlich ist jedoch, das zur Vermeidung einer unnötigen Teilevielfalt die Bürstenplatte 18 unabhängig von der Drehrichtung der Maschine und der Lamellenzahl des Kommutators 15 eine einheitliche symmetrische Anordnung der Aufnahmeteile 21a für Kohlebürsten 16 aufweist und dass lediglich einzelne Bürstenfassungen modifiziert werden, indem hier das Aufnahmeteil

21b aus der Mitte in einem mehr oder weniger großen Winkel α in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Maschine nach rechts oder links versetzt wird. Im einfachsten Fall kann eine Befestigung der Bürstenfassungen über die lose Aufnahme beziehungsweise den Sitz der Bürstenfassungen in der ortsfesten Bürstenplatte erfolgen, indem deren Fixierung über die Bürstenfeder, die Kohlebürste und den Kommutator stattfindet. Es sind aber auch andere, zum Beispiel genietete Verbindungen von Bürstenfassungen auf der Bürstenplatte denkbar. Auch in solchen Fällen muss zur Erzielung einer asymmetrischen Bürstenanordnung die Nietaufnahme an der Bürstenfassung um den Winkel α aus der Mitte der Bürstenfassung heraus versetzt werden.