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Title:
ELECTRICAL CONTACTING DEVICE FOR AN ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/130286
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a contacting device for an electric motor comprising a base plate (8) having a normal axis (11), at least one spring element (12) fastened to the base plate (8), which spring element has a free spring leg (15), and a contact element (16) arranged on the free spring leg (15) for the spring-loaded contacting of a commutator (5) of the electric motor (1), wherein the spring force (F) caused by the spring element (12) is arranged in a contacting plane, which comprises the normal axis (11).

Inventors:
SEICHTER WERNER (DE)
TAUBERT MICHAEL (DE)
GRAF THORSTEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/050586
Publication Date:
July 19, 2018
Filing Date:
January 12, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SCHUNK GERHARD CARBON TECH GMBH (DE)
IGARASHI MOTOREN GMBH (DE)
International Classes:
H02K13/00; H01R39/38; H01R39/39; H02K5/14; H01R39/26
Foreign References:
DE10251368A12004-05-13
US20050134139A12005-06-23
US20040245885A12004-12-09
US20050116577A12005-06-02
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
QIP PATENTANWÄLTE DR. KUEHN & PARTNER MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Kontaktierungs-Vorrichtung für einen Elektromotor umfassend

a. eine Grundplatte (8) mit einer Normalachse (1 1 ),

b. mindestens ein an der Grundplatte (8) befestigtes Federelement

(12) mit einem freien Federschenkel (15),

c. ein an dem freien Federschenkel (15) angeordnetes Kontaktelement (16) zum federnden Kontaktieren eines Kommutators (5) des Elektromotors (1),

wobei die durch das Federelement (12) verursachte Federkraft (F) in einer Kontaktierungsebene angeordnet ist, die die Normalachse (1 1 ) umfasst.

2. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Federelement (12) an der Grundplatte (8) stehend angeordnet ist.

3. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelemenl ( 16) als Koh- le ausgeführt ist.

4. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle mit dem freien Federschenkel (15) verschweißt ist.

5. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) als Blattfeder ausgeführt ist, wobei insbesondere der freie Federschenkel (15) in einer Ausgangsposition im Wesentlichen parallel zur Normalachse (1 1 ) orientiert ist, wobei insbesondere ein Neigungswinkel des freien Federschenkels ( 15) gegenüber der Normalachse (1 1 ) höchstens 10°, insbesondere 5° und insbesondere 2°, beträgt. 6. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seitliche Führungselemente (21) zur Führung einer Federbewegung des freien Federschenkels (15).

7. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprü- che, gekennzeichnet durch eine Drosselspule zur EMV-Entstörung, wobei die Drosselspule insbesondere innerhalb eines von dem Federelement (12) festgelegten Bauraums (18) angeordnet ist.

8. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement ( 12) einen Haltesteg (13) aufweist mit dem das Federelement ( 12) an der Grundplatte (8) befestigt ist.

9. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass der freie Federschenkel (15) an einem Scheitel (14) schwenkbar am Haltesteg (13) angelenkt ist.

10. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) und der Scheitel ( 14) entlang der Normalachse (1 1 ) beabstandet zueinander angeordnet sind.

1 1. Kontaktierungs-Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) einteilig ausgeführt ist.

12. Kontaktierangs- Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Federelemente (12) vorgesehen sind, die insbesondere in Umfangsrichtung zur Normalachse (1 1) parallelen Zentralachse gleich beabstandet zueinander angeordnet sind.

13. Elektromotor mit

a. einem Rotor (4),

b. einem mit dem Rotor (4) um eine Drehachse (2) des Elektromotors (1 ) drehfest verbundenen Kommutator (5),

c. einer Kontaktierungs- Vorrichtung (6) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die Drehachse (2) parallel zur Normalachse (1 1) orientiert ist.

14. Elektromotor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das

Kontaktelement (16) an dem Kommutator (5) anliegt, wobei eine Kontaktfläche (20) zwischen dem Kontaktelement (16) und dem Kommutator (5) angeordnet ist.

15. Elektromotor gemäß Ansprach 14, dadurch gekennzeichnet, dass die

Kontaktfläche (20) im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgeführt ist und eine Axiallänge und eine Umfangslänge aufweist, wobei insbesondere die Umfangslänge unabhängig von der Neigung des freien Federschenkels (15) ist.

Description:
ELEKTRISCHE KONTAKTIERUNGS- VORRICHTUNG FÜR EINEN ELEKTROMOTOR

Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungs- Vorrichtung für einen Elektro- motor sowie einen Elektromotor mit einer derartigen Kontaktierungs- Vorrichtung.

Für eine zuverlässige elektrische Verbindung in einem Elektromotor zwischen Kohlebürsten und einem Anschluss werden Litzenkohlen verwendet, die robust sind. Die Litzenkohlen werden manuell montiert. Montageaufwand und Montagekosten sind hoch. Die manuelle Montage birgt Qualitätsrisiken. Die Litzenkohle umfasst einen aus feinen Drähten, insbesondere Kupferdrähten, geflochtenen Zopf, der mit der Kohle verpresst ist. Die Montage des Zopfes im Motor muss derart erfolgen, dass ein ausreichender Kontaktdruck zwischen der Kohle und dem Kollektor des Elektromotors auch bei Abrieb der Kohle aufrechterhalten bleibt. Aufgrund der manuellen Montage ist die Beweglichkeit des Zopfes mit der Kohle abhängig von der manuellen Fertigkeit und Sorgfalt des Monteurs. Eine zuverlässigere Montage ist mit Blattfederkohlen möglich. Bei einer Blattfederkohle wird eine Kohle mittels einer Blattfeder radial an den Kommutator gedrückt. Infolge des Abriebs der Kohle ändert sich die Winkelposition der Kontaktfläche zwischen Kohle und Kommutator, der sogenannte Kommutierungswinkel. Dies kann zu Leistungsunterschieden des Elektromotors bei einem Drehrichtungswechsel führen. Es resultieren Risiken für eine Steuerelektronik, die die Klappenstellung eines Aktuators über den Elektromotor regelt. Infolge des Abriebs kann sich die Größe der Kontaktfläche ändern. Es besteht ein Risiko, dass statt ursprünglich einem, zwei Kollektorschlitze überdeckt und damit zwei anstelle einer Wicklung kurzgeschlossen werden. Die Leistung des Elektromotors ist dadurch verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktierung eines Kom- mutators in einem Elektromotor robust und unaufwendig auszuführen.

Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Kontaktierungs- Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch einen Elektromotor mit den im Anspruch 13 angegebenen Merkmalen. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine Kontaktierungs- Vorrichtung ein Federelement mit einem freien Federschenkel aufweist, an dem ein Kontaktelement zum federnden Kontaktieren eines Kommutators eines Elektromotors vorgesehen ist, wobei das Federelement in einer senkrecht zu einer Grundplatte orientierten Ebene, einer Kontaktierungsebene, angeordnet ist. Die Kontaktie- rungsebene umfasst eine Normalachse der Grundplatte. Die Normalachse ist insbesondere senkrecht zu einer Plattenoberfläche der Grundplatte orientiert. Die Grundplatte wird auch als Bürstenbrücke bezeichnet.

Eine stehende Anordnung des Federelements an der Grundplatte gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine vorteilhafte Kontaktierung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Blattfederkohlen sind an einer Bürstenbrücke liegend angeordnet, also erstrecken sich innerhalb einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zur Grundplatte und insbesondere senkrecht zur Normalachse orientiert sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Federelements ist gewährleistet, dass auch bei einem Verschleiß des Kontaktelements der Kommutierungswinkel und die Kontaktfläche, insbesondere deren Um längs länge unverändert bleiben. Ein Kontaktelement gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine vorteilhafte, insbesondere gasdichte, Kontaktierung.

Eine Verbindung der Kohle am freien Federschenkel gemäß Anspruch 4 ist besonders robust. Die Kohle ist insbesondere aus einer Kupfer- und Kohle/Kupferpulver-Mischung hergestellt. Der freie Federschenkel ist insbesondere aus Kupfermaterial hergestellt, an dem die Kupferschicht der Kohle vorteilhaft angeschweißt werden kann. Eine Blattfeder gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine mechanisch stabile An- federung des Kontaktelements. In einer Ausgangsposition, also wenn das Kontaktelement unverschlissen ist, ist der freie Federschenkel im Wesentlichen parallel zur Normalachse orientiert. Infolge des Verschleißes des Kontaktelements über die Lebensdauer des Elektromotors kann der freie Federschenkel mit einem Neigungswinkel gegenüber der Normalachse angeordnet sein. Wesentlich ist, dass die Neigungsebene, in der der freie Federschenkel neigbar ist, der Kontaktierungsebene entspricht, die die Normalachse enthält. Seitliche Führungselemente gemäß Anspruch 6 gewährleisten eine zuverlässige Kontaktierung in der Kontaktierungsebene. Die Führungselemente sind insbesondere an der Grundplatte angeordnet und insbesondere einstückig an der Grundplatte angeformt. Eine Drosselspule gemäß Anspruch 7 ermöglicht eine verbesserte EMV- Entstörung.

Ein Haltesteg gemäß Anspruch 8 gewährleistet eine robuste und mechanisch vorteilhafte Ausführung des Federelements. Eine Anlenkung des freien Federschenkels gemäß Anspruch 9 gewährleistet einen vorteilhaften Federweg in der Kontaktierungsebene. Eine beabstandete Anordnung gemäß Anspruch 10 sichert eine vorteilhafte Kontaktierung des Kommutators durch das Kontaktelement.

Eine einteilige Ausführung des Federelements gemäß Anspruch 1 1 reduziert den Aufwand für Herstellung und Montage des Federelements und damit der Kontaktierungs- Vorrichtung.

Mehrere Federelemente gemäß Anspruch 12 gewährleisten die Funktion des Elektromotors. Ein Elektromotor gemäß Anspruch 13 weist im Wesentlichen die Vorteile der Kontaktierungs- Vorrichtung selbst auf, worauf hiermit verwiesen wird. Wesentlich ist, dass die Kontaktierungs-Vorrichtung derart im Elektromotor, insbesondere in einem Gehäuse des Elektromotors, angeordnet ist, dass die Normalachse parallel zur Drehachse des Elektromotors orientiert ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Kommutierungswinkel während der Lebensdauer der Kontaktierungs-Vorrichtung, also auch bei einem Abrieb der Kontaktelemente, konstant bleibt.

Ein Elektromotor gemäß Anspruch 14 ermöglicht eine vorteilhafte Kontak- tierung.

Eine Ausführung einer Kontaktfläche gemäß Anspruch 15 gewährleistet einen zuverlässigen, störungsfreien Betrieb des Elektromotors über die gesamte Lebensdauer der Kontaktelemente hinweg. Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Komponenten eines erfindungsgemäßen Elektromotors, eine Draufsicht auf die Kontaktierungs- Vorrichtung gemäß Fig 1, eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie III - III in Fig. 2 und eine Fig. 3 entsprechende, vergrößerte Detailansicht mit kontak- tiertem Kommutator.

Ein in Fig. 1 gezeigter Elektromotor 1 ist ein Gleichstrommotor. Aus Darstellungsgründen sind nicht alle Komponenten des Elektromotors 1 dargestellt. Der Elektromotor 1 umfasst eine eine Drehachse 2 aufweisende Welle 3, einen Rotor 4 und einen Kommutator 5. Der Kommutator 5 ist mit dem Rotor 4 bezüglich der Drehachse 2 drehfest verbunden.

Der Elektromotor 1 weist eine Kontaktierungs-Vorrichtung 6 auf. Die Kontaktierungs- Vorrichtung 6 ist an einer Gehäusekappe 7 gehalten, die an dem nicht gezeigten Gehäuse des Elektromotors 1 anbringbar ist.

Die Kontaktierungs-Vorrichtung 6 weist eine Grundplatte 8 mit einer im Wesentlichen ebenen Plattenoberfläche 9 auf. An der Plattenoberfläche 9 ist ein äußerer Ringsteg 10 einteilig an der Grundplatte 8 angeformt. Senk- recht zur Plattenoberfläche 9 ist eine Normalachse 11 orientiert, im Elektromotor 1 ist die Kontaktierungs-Vorrichtung 6 derart angeordnet, dass die Normalachse 1 1 parallel und insbesondere konzentrisch zur Drehachse 2 orientiert ist. Die Drehachse 2 und die Normalachse 1 1 fallen zusammen.

An der Grundplatte 8 sind zwei Federelemente 12 befestigt. Insbesondere sind die Federelemente 12 in dem Kunststoff-Grundwerkstoff der Grundplatte 8 eingegossen. Die Federelemente 12 sind jeweils identisch ausgeführt. Die Federelemente 12 sind bezogen auf die Normalachse 1 1 einander gegenüberliegend, spiegelsymmetrisch an der Grundplatte 8 angeordnet. Die Federelemente 12 sind bezüglich der Normalachse 1 1 diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet.

Die Federelemente 12 sind jeweils im Wesentlichen U-förmig ausgeführt und mit der Öffnung des U der Plattenoberfläche 9 zugewandt an der Grundplatte 8 angeordnet. Jedes Federelement 12 weist einen Haltesteg 13 auf, der an der Grundplatte 8 befestigt ist. Der Haltesteg 13 erstreckt sich in einer Richtung, die parallel zur Normalachse 11 orientiert ist. An einem der Grundplatte 8 gegenüberliegenden Ende des Haltestegs 13 ist ein Scheitel 14 vorgesehen. Der Scheitel 14 verbindet einen freien Federschenkel 15 mit dem Haltesteg 13. Der freie Federschenkel 15 ist um den Scheitel 14 gegenüber dem Haltesteg 13 schwenkbar. Der freie Federschenkel 15 ist in einer Kontaktierungsebene angeordnet, die die Normal achse 1 1 umfasst. Die Kontaktierungsebene entspricht der Schnittebene gemäß Fig. 3. Der Scheitel 14 ist gemäß Fig. 3 etwa in der Mitte des Bogens des U angeordnet. In Abhängigkeit der Krümmung des Bogens, also des Biegeradius des Federelements 12, kann der Scheitel 14 auch an einer anderen Position angeordnet sein. An einer dem freien Federschenkel 15 abgewandten Rückseite weist der Haltesteg 13 einen einteilig angeformten Stützfuß 17 auf. Der Stützfuß 17 ist im Wesentlichen C-förmig ausgeführt und ermöglicht ein Abstützen des Federelements 12 an der Grundplatte 8. Das Federelement 12 ist als Blatt- feder ausgeführt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Federstahl. Das Federelement 12 kann aus einem Blechzuschnitt gestanzt und durch Biegen in die gewünschte, dreidimensionale Form überfuhrt werden.

Unterhalb des U des Federelements 12 ist ein Bauraum 18 definiert, der gemäß dem gezeigten Ausführangsbeispiel unausgeftillt ist. Es ist denkbar, in dem Bauraum 18 eine Drosselspule anzuordnen, um die EMV-Entstö- rung des Elektromotors zu verbessern. In dem Bauraum 18 ist die Drosselspule platzsparend und besonders kompakt angeordnet. Zusätzlicher Bauraum für die Unterbringung der Drosselspule in dem Elektromotor 1 entbehrlich. Die Drosselspule kann an der Grandplatte 8 befestigt sein.

An einem dem Scheitel 14 gegenüberliegenden, freien Ende des freien Federschenkels 15 ist ein Kontaktelement 16 angeordnet. Das Kontaktelement 16 ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kohle ausgeführt, die mit dem freien Federschenkel 15 verschweißt ist. Entlang einer Richtung parallel zur Normalachse 1 1 sind das Kontaktelement 16 und der Scheitel 14 beabstandet zueinander angeordnet.

Zur Begrenzung und/oder zur Führung des freien Federschenkels 15 in der Kontaktierungsebene sind Führungselemente 21 vorgesehen, die an der Grundplatte 8 befestigt sind und zur seitlichen Führung des freien Federschenkels 15 dienen. Die Führungselemente 21 sind stegartig ausgeführt. Jeweils zwei Führungsei ementc 21 sind seitlich neben dem Federelement 12 im Bereich des freien Federschenkels 15 angeordnet. Die beiden gegen- überliegend an dem Federelement 12 angeordneten Führungselemente 21 geben einen Führungskorridor für die Federbewegung des freien Federschenkels 15 vor. In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, also ohne ein Kontaktieren der Kontaktelemente 16 am Kommutator 5, sind die Federelemente 12 spannungsfrei, also nicht mit einer Federkraft vorgespannt, angeordnet. In dieser Anordnung sind die einander zugewandten Kontaktelemente 16 der gegenüberliegenden Federelemente 12 mit minimalen Abstand zueinander ange- ordnet. Durch Einfuhren des Kommutators 5 in einen von den gegenüberliegend angeordneten Kontaktelementen 16 gebildeten Spalt 19 werden die freien Federschenkel 15 mit den daran befestigten Kontaktelementen 16 jeweils zu dem zugehörigen Haltesteg 13 verlagert. Dadurch wird eine elastische Federkraft auf den freien Federschenkel 15 eingeprägt, mit der das jeweilige Kontaktelement 16 gegen den Kommutator 5 gedrückt wird. Die Federkraft wirkt in der Kontaktierungsebene.

In Fig. 4 ist die Kontaktierung des Kommutators 5 durch die Kontaktelemente 16 schematisch dargestellt. In dieser Anordnung, in der die Kontak- telemente 16 unverschlissen sind, liegt eine Ausgangsposition vor. In dieser Ausgangsposition sind die Federelemente 12 maximal vorgespannt. Die auf das jeweilige Kontaktelement 16 wirkende Federkraft F ist maximal. Der Federweg, also die Auslenkung des freien Federschenkels 15 in der gezeigten, unbelasteten Position, ist maximal.

Dadurch, dass die jeweilige Federkraft F. mit der die Kontaktelemente 16 gegen den Kommutator 5 gedrückt werden, in der Kontaktierungsebene gemäß Fig. 3 und 4 liegt, ist der Kommutierungswinkel über die Lebensdauer des Elektromotors und über die Lebensdauer der Federelemente 12 konstant. Auch die Kontaktfläche 20, die sich jeweils zwischen dem

Kommutator 5 und dem anliegenden Kontaktelement 16 ausbildet, ist bezüglich einer Umfangslänge um die Zentralachse 11 konstant. Steuerungs problemc und Verschlechterungen der Motorleistung, wie sie von radial angedrückten Blattfedern aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind ausgeschlossen.

Die Kontaktfläche 20 ist im Wesentlichen zylinderaiantelförmig ausgeführt und weist eine Umfangslänge und eine Axiallänge auf. Die Axiallänge er- streckt sind parallel zur Normalachse 11. Die Umfangslänge ist in Um- fangsrichtung um die Normalachse 1 1 orientiert.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausgangsposition der Federelemente 12 sind die freien Federschenkel 15 im Wesentlichen parallel zu der Normalachse 11 orientiert. Ein Neigungswinkel beträgt 0°. Es ist auch denkbar, dass die freien Federschenkel 15 in der Ausgangsposition mit einem von 0° verschiedenen Neigungswinkel angeordnet sein könnten, der insbesondere höchstens 10° beträgt.