DE3790199C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Bürstenkontaktvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das USA-Patent Nr. 25 45 365 vom 13. März 1951 beschreibt eine elektrische Kontaktvorrichtung mit Bürsten der Art, die einen scheibenförmigen Bürstenkörper, hauptsächlich aus Kohle oder einem anderen geeigneten, elektrisch leitenden Material, aufweist, wobei der Bürstenkörper drehbar auf einem zentralen Drehzapfen angeordnet ist und durch Drehung gegen den Kommutator gedrückt wird. Beim Betrieb des Motors unterliegt die Bürste einer fortschreitenden Abnutzung entlang ihrem Umfang tangential zum Kommutatorumfang.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese bekannte Vorrichtung einen schwerwiegenden Nachteil besitzt, der in der Praxis eine industrielle Anwendung solcher Vorrichtungen verhindert hat trotz deren grundsätzlichen Vorteilen, welche daher nicht ausgenutzt werden konnten. Diese grundsätzlichen Vorteile bestehen in der Möglichkeit, Bürsten in kompakter Form herzustellen und das Vorhandensein von Armen beträchtlicher Länge zwischen der Kontaktfläche und der Drehachse zu vermeiden, wodurch das Risiko eines Vibrierens des die Kontaktfläche tragenden Armes sowie eines Brechens dieses im allgemeinen aus Kohle hergestellten Armes vermieden wird.

Die elektrische Bürsten-Kontaktvorrichtung des Standes der Technik, die in dem oben genannten USA-Patent gezeigt ist, führt insbesondere zur Erzeugung von Funken und daher zur Ablagerung einer Kohleschicht auf dem Kommutator, was zu einer Verschlechterung des elektrischen Kontakts und schließlich zu einer Unterbrechung der Motorfunktion führt. Bis zu diesem Tag konnte keine Lösung dieses Problems gefunden werden.

Die DE-OS 24 18 474 beschreibt eine Anordnung zur Stromzuführung und zur Kommutierung für elektrische Maschinen mittels einer oder mehrerer walzenförmiger Bürsten, wobei die Bürsten zusammen mit den die Walzenbürsten tragenden, der Stromzuführung dienenden und den zum Zweck des Andruckes der Walzenbürsten an den Kommutator ein Drehmoment an den Walzenbürsten erzeugenden Teilen eine Baueinheit bilden, die einteilig an der Maschine bzw. den dafür vorgesehenen Teilen, z. B. einem aus Isoliermaterial bestehenden Bürstenträger befestigt wird.

Auch hierbei tritt noch der Nachteil der Erzeugung von Funken und daher der Ablagerung einer Kohleschicht auf dem Kommutator auf, wodurch eine Verschlechterung des elektrischen Kontaktes und schließlich eine Unterbrechung der Motorfunktion bedingt wird. Dies beruht darauf, daß ein Teil der Kontaktflächen zwischen der zylindrischen Kommutatorfläche und dem Bürstenkörper, in Richtung der Motorachse und der Bürstendrehachse gesehen, im Schnittpunkt mit einer die diesen Achsen entsprechenden Punkte verbindenden Geraden angeordnet ist. Da in diesem Teil der Berührungsflächen keinerlei radiale Kraft besteht, um die Bürste gegen den Kommutator zu drücken und es demzufolge am guten elektrischen Kontakt mangelt, werden Funken erzeugt, durch die ein Teil der Kohleschicht auf der Kommutatoroberfläche abgelagert wird. Ferner entstehen durch die einander diametral gegenüberliegend angeordneten Walzenbürsten mechanische Schwierigkeiten hinsichtlich der Einbautoleranz des Lagers in Radialrichtung zur Kommutatorfläche.

Die US-PS 27 75 717 beschreibt insbesondere im Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 eine Halterung für zwei parallel nebeneinander angeordnete Bürsten für den Kommutator eines Elektromotors, wobei nach Abnutzung der einen Bürste diese durch einen Rückstellmechanismus außer Eingriff mit dem Kommutator gebracht wird und an ihrer Stelle die parallel dazu angeordnete Reservebürste in den Eingriff mit dem Kommutator gebracht wird, um so die Lebensdauer des Motors zu verdoppeln, ohne eine Bürste manuell austauschen zu müssen.

Die DE-OS 28 12 214 beschreibt eine Bürstenhalteanordnung für einen Gleichstrom-Kleinstmotor, der mit zwei Hebelbürsten versehen ist, die jeweils auf einem gehäusefesten, mit einer Anschlagschulter versehenen Zapfen radial verschwenkbar angeordnet sind und durch eine um den Zapfen gewickelte Torsionsschraubenfeder gegen den Kollektor des Motors gedrückt sind. Jede der beiden Hebelbürsten steht über eine Anschlußlitze mit einer formschlüssig im Gehäuse befestigten Anschlußfahne in Verbindung, wobei ein an der Anschlußfahne vorgesehener Teil zur axialen Begrenzung der auf dem Zapfen gelagerten Hebelbürste dient. Die Bürstenhalteranordnung ist also derart ausgebildet, daß eine Sicherung der Hebelbürste in axialer Richtung bewirkt wird, ohne daß die Gefahr einer Verklemmung der Hebelbürste auf dem Lagerzapfen besteht.

Die US-PS 12 38 666 beschreibt schließlich einen kompakten Elektromotor, in dem die elektrische Steueranordnung in einem Raum untergebracht werden soll, der sonst leerstehen würde, und zwar in der Nähe des Kommutators bei einem abnehmbaren Deckel, unterhalb dessen die beiden Bürsten angeordnet sind. Die Bürsten sind dabei kreissegmentförmig ausgestaltet, wobei ihre zylindrische Andruckfläche am Kommutator anliegt und ihr der zylindrischen Andruckfläche entgegengesetztes Ende offenbar mit einer Schraubverbindung mit einem Bürstenhalter verbunden ist, der von einer Feder beaufschlagt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Bürstenkontaktvorrichtung für einen Elektromotor zu schaffen, bei der keine Funkenbildung mehr zwischen der Bürste und dem Kommutator auftritt und bei der die Ablagerung einer isolierenden Kohleschicht auf dem Kollektor vermieden ist, so daß die Lebensdauer der Kontaktvorrichtung erheblich verlängert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst; ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist im Unteranspruch beschrieben.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß die genannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen darauf zurückzuführen sind, daß ein Teil der Kontaktfläche zwischen der zylindrischen Kommutatorfläche und dem Bürstenkörper, in Richtung der Motorachse und der Bürstendrehachse gesehen, im Schnittpunkt mit einer die diesen Achsen entsprechenden Punkte verbindenden Geraden angeordnet ist. In diesem Teil der Berührungsfläche besteht natürlich keinerlei radiale Kraft, um die Bürste gegen den Kommutator zu drücken, und demnach ist auch kein guter elektrischer Kontakt in dem entsprechenden Bereich vorhanden. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Umstand zur Erzeugung von Funken führt, welche die Ablagerung einer Kohleschicht auf der Kommutatoroberfläche zur Folge haben, wie dies oben erwähnt wurde. Ferner entstehen dadurch, daß man im allgemeinen zwei einander diametral gegenüberliegend angeordnete Bürsten verwendet, Schwierigkeiten mechanischer Art infolge der Einbautoleranz des Lagers in Radialrichtung zur Kommutatorachse. Die Kontaktflächen der Bürsten in den erwähnten diametral gegenüberliegenden Kommutatorbereichen sind ja hier in einer festen Entfernung voneinander angeordnet. Es ergibt sich daraus eine Abnutzung in diesen Bereichen, die sich ebenfalls störend auf das Funktionieren des Kommutators auswirkt.

Durch das Vorhandensein des kreisförmigen Einschnitts befindet sich der zentrale Teil des Bürstenkörpers immer in einem bestimmten Abstand vom Kommutator, und die effektive Kontaktfläche bzw. Verschleißfläche des Bürstenkörpers in dessen Umfangsteil ist ständig dem Druck des elastischen Rückführorgans unterworfen, unabhängig vom Abnutzungsgrad der Bürste.

Die Erfindung wird besser verständlich durch die folgende detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Bürsten-Kontaktvorrichtung, wobei diese Beschreibung ein nicht einschränkendes Beispiel betrifft und sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht, in der:

Fig. 1 eine parallel zur Motorachse betrachtete Frontalansicht eines Teils der inneren Stirnseite eines Endteils eines elektrischen Motors mit zylindrischem Kommutator ist, wobei die gegenseitige Anordnung der Bürsten und des Kommutators im Fall einer elektrischen Kontaktvorrichtung mit einem nockenförmigen Bürstenkörper entsprechend dem Stand der Technik gezeigt ist, und

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Frontalansicht ist, die den Fall einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Bürsten-Kontaktvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

In Fig. 1 wurde ein Teil eines Bürstenträgerteils 1 eines elektrischen Gleichstrommotors dargestellt. Der Teil 1 hat eine zylindrische Form und wird aus einem formbeständigen Kunststoff gegossen. Er weist eine kreisförmige Öffnung 2 auf, die zum Durchlaß der nicht dargestellten Rotorachse des Motors bestimmt ist. Der Raum, der durch die Innenfläche der Seitenwand 3 des Teils 1 und die innere kreisförmige Stirnseite 4 derselben begrenzt wird, bildet einen Aufnahmeraum, in dessen Innerem zwei Bürsten 5 angeordnet sind, die jeweils drehbar um eine entsprechende, auf dem Teil 1 befestigte Drehachse 6 angeordnet sind. Die Drehachsen 6 sind entweder zur Gänze aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie Messing, hergestellt, oder von einem Teil aus einem solchen Material umgeben, und sind jeweils elektrisch einerseits mit dem Körper der Bürste 5 verbunden, und zwar mittels eines Leiterkabels 11, welches vorteilhafterweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, und andererseits mittels eines elektrischen Leiterkabels 12 mit einer leitenden Zunge 13. Die leitende Zunge 13 tritt durch die Endfläche des Teils 1 durch, um die elektrische Verbindung mit einer der nicht gezeigten Anschlußklemmen des Motors, die auf der Außenwand dieser Wand befestigt sind, herzustellen.

Die Zunge 13 und das entsprechende Ende des Kabels 12 sind miteinander in einem diametral verlaufenden Einschnitt eines Klötzchens 14, das Bestandteil des Teils 1 ist, miteinander verklemmt.

Da die Anordnung der beiden Bürsten 5 und der beiden entsprechenden Klötzchen 14 symmetrisch zur Achse des Teils 1 ist, wurde zur Vereinfachung der Zeichnung nur ein Teil von 1 dargestellt, welcher eine Bürste 5 und das entsprechende Klötzchen 14 trägt.

Auf der Innenfläche 4 des Teils 1 sind zwei Erhebungen 7 geformt, die jeweils einer Bürste 5 zugeordnet sind und auf die sich jeweils eine nicht dargestellte Spiralfeder abstützt, die gegenüber der Achse 6 der entsprechenden Bürste zentriert ist und eine Drehwirkung im Gegenuhrzeigersinn auf die Bürste ausübt, so daß deren Kontaktfläche 8 auf den Kollektor 9 gedrückt wird. Der letztere ist in Fig. 1 im Schnitt senkrecht zur Rotorachse des Motors gezeigt.

In die Fläche 4 des Teils 1 ist eine Vertiefung eingelassen, die durch einen kreisförmigen Randteil 10 begrenzt ist und die konzentrisch zur Öffnung 2 verläuft, um das Ende des Kommutators 9 aufzunehmen. Die Kontaktfläche 8 der Bürste gegenüber dem Kommutator 9 wird ständig unter dem Einfluß der durch die Spiralfeder ausgeübten Kraft mit merklichem Druck gegen die Kommutatoroberfläche gedrückt, und die Drehung des Kommutators 9 bewirkt eine fortschreitende Abnutzung der Bürste ohne Veränderung der Form der Kontaktfläche 8, welche ständig in dem Bürstenkörper ausgeschliffen wird. Im Zuge der Abnutzung der Bürste 5 erstreckt sich jedoch der zylindrische Teil 16 der Außenfläche der Bürste 5 entlang einer Linie, die durch den von der Bezugsziffer 15 ausgehenden Pfeil bezeichnet ist, und bleibt dabei tangential zum Kommutator 9. Die genannte Linie stellt die Grenze zwischen dem zylindrischen Teil 16 der Bürstenoberfläche und der Kontaktfläche 8 dar. Es ist leicht einzusehen, daß die Zone des Teils 16 der Bürstenfläche, welche in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Linie gelegen ist, sich in einem sehr geringen Abstand vom Kommutator 9 befindet, so daß elektrische Funken in dieser Zone zwischen dem Kommutator und der Bürste entstehen.

Diese elektrischen Funken bewirken die Ablagerung einer isolierenden Kohleschicht auf dem Kollektor und haben den weiter oben erwähnten Nachteil zur Folge.

Es ist ferner zu bemerken, daß dadurch, daß der zylindrische Teil 16 der Oberfläche der Bürste 5 tangential zum Kommutator 9 verläuft, die Drehung des letzteren nur möglich ist, wenn er ganz genau in gleichem Abstand zu den Drehachsen der beiden Bürsten 5 zentriert ist und wenn ferner sein Umfang genau zylindrisch ist. Dies macht die Einhaltung von äußerst engen Herstellungstoleranzen notwendig, die praktisch in einer industriellen Groß-Serienherstellung nicht erreichbar sind. Dies stellt einen weiteren Nachteil dar, der zu dem der Ablagerung einer Kohleschicht auf dem Kommutator hinzukommt, so daß die Verwendung von Bürsten der genannten Art bis jetzt nicht möglich war.

Man ersieht aus Fig. 2, in der zu entsprechenden Elementen der Fig. 1 identische Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, daß die Ausbildung der Bürsten 5′ im ganzen und ihre Anordnung gegenübr dem Kommutator 9 gleich sind wie im Fall der Kontaktvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

In der elektrischen Kontaktvorrichtung gemäß der Erfindung besitzen die Bürsten 5′ jedoch einen kreisförmigen Einschnitt 17, der sich über einen Kreisbogen des Bürstenkörpers erstreckt, und der einen Umfangsteil 5a desselben, dessen freies Ende durch die Kontaktfläche 8′ der Bürste mit dem Kommutator 9 begrenzt ist, von einem zentralen Teil 5b, welcher die Drehachse 6 umgibt, trennt. Demzufolge verlängert sich die Kontaktfläche 8′ der Bürste 5′ mit dem Kommutator 9 nicht durch die zylindrische Fläche 16′, die konzentrisch zur Drehachse 6 der Bürste 5′ ist, sondern ist von dieser durch den Einschnitt 17 getrennt, und zwar unabhängig vom Abnutzungsgrad der Bürste, zumindest so lange dieser nicht zu einem vollständigen Verschwinden des Einschnitts 17 geführt hat, d. h. so lange die Kontaktfläche 8′ nicht jene Zone erreicht hat, wo die Teile 5a und 5b des Bürstenkörpers miteinander verbunden sind. Daraus ergibt sich, wie ersichtlich, daß die zylindrische Fläche 16′ keine Tangentenlinie mit dem Kommutator 9 (wie die Linie 15 der Fig. 1) aufweist und daß alle Teile dieser Fläche in genügend großem Abstand von der äußeren Fläche des Kommutators sind, um das Risiko einer elektrischen Funkenbildung zwischen der zylindrischen Fläche 16′ der Bürste und dem Kommutator zu beseitigen.

Dieses Ergebnis kann z. B. in der Praxis dadurch erreicht werden, daß für eine Bürste 5′, deren Umfangsfläche einen Radius von 4 mm in dem von ihrer Achse am weitesten entfernten Teil aufweist, insbesondere im Teil 5a, und die einen Radius von 2 mm an der zylindrischen Fläche 16′ des zentralen Teils 5b aufweist, indem dem Einschnitt 17 eine Breite von 0,4 mm gegeben wird.

Es ist daher zu verstehen, daß die erfindungsgemäße Bürste eine beträchtliche Beschränkung des Risikos der Funkenbildung zwischen dem Bürstenkörper und dem Kommutator erlaubt.

Durch die Tatsache, daß der Kommutator nur durch die Fläche 8′ mit der Bürste in Verbindung steht, welche Fläche am Ende des eine gewisse Flexibilität aufweisenden Umfangsteils 5a liegt, ist ferner die Drehung des Kommutators keineswegs behindert, auch wenn die Toleranzen der Zentrierung seiner Achse sowie diejenigen der Zylinderform seines Umfangs nicht sehr eng sind.

Claims (2)

1. Elektrische Bürstenkontaktvorrichtung für einen Elektromotor mit zylindrischem Kommutator, welche einen Bürstenkörper in Form einer Nocke aus elektrisch leitendem Material mit mindestens einer zylindrischen Kontaktfläche aufweist, Mittel, um diesen Bürstenkörper drehbar um eine axiale Drehachse anzubringen, und elastische Rückführmittel, die eine Drehwirkung auf den Bürstenkörper ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bürstenkörper einen im wesentlichen zylindrischen Einschnitt aufweist, der durch zwei im wesentlichen zylindrische, voneinander getrennte und im wesentlichen zur Bürstendrehachse konzentrische Fläche begrenzt ist, wobei dieser Einschnitt einen die genannte Kontaktfläche bildenden Umfangsteil des Bürstenkörpers von einem die Drehachse umgebenden zentralen Teil des Bürstenkörpers trennt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenkörper aus Kohle ist.