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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere
ein Käfigbürstensystem für einen Elektromotor
mit Konstantkraftfeder.
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STAND DER TECHNIK
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Elektromotoren
mit Käfigbürsten sind hinreichend bekannt. Solche
Motoren sind unter anderem Gleichstrommotoren und Universalmotoren.
Käfigbürstensysteme verwenden einen Käfig,
in dem die Bürste gleitend angeordnet ist, so dass sie
zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Kommutator
in Kontakt gebracht werden kann. Das Käfigbürstensystem
umfasst den Käfig, die Bürste und eine Feder,
durch welche die Bürste elastisch aus dem Käfig
gedrückt und mit dem Kommutator in Kontakt gebracht wird.
Die Feder sorgt für eine Bewegung der Bürste unter
Einrechnung deren Abnutzung und von Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche des Kommutators. Da die Lebensdauer der
Bürste ein wesentlicher Faktor für die Lebensdauer
des Motors ist, sind möglichst lange Bürsten erwünscht.
Das bedeutet, dass die Feder in der Lage sein muss, die notwendige
Kraft auf die Bürste auszuüben und dabei von einem
maximal komprimierten Zustand, wenn die Bürste neu ist,
in einen vollständig expandierten Zustand, wenn die Bürste
abgenutzt ist (Ende der Lebensdauer) wechseln kann. Selbst im vollständig
expandierten Zustand muss die Feder die benötigte Kraft
auf die Bürste ausüben, damit der gewünschte Bürstendruck
auf den Kommutator beibehalten werden kann. Daher ist der vollständig
expandierte Zustand ein Berechnungszustand und nicht der Entspannungszustand
der Feder. Diese Längenänderung der Feder unter
Aufrechterhaltung einer angemessenen Kraftbeaufschlagung der Bürste
ist schwierig zu erzielen. Die Feder ist traditionell eine Schraubenfeder,
und die Länge der Feder, die notwendig ist, um über
die Lebensdauer der Bürste eine allgemein konstante Kraft
aufzubringen, ist aufgrund des verfügbaren Raumes für
den Käfig, in dem sowohl die Bürste als auch die
Feder in Reihe angeordnet sind, häufig begrenzt. Für
Bürsten mit einer kurzen Länge hat sich die Verwendung
von Torsionsfedern bewährt, und da diese außerhalb
des Käfigs montiert sind, lässt sich der Käfig
vorteilhaft für die Maximierung der Bürstenlänge
nutzen. Für den Endverbraucher ist es jedoch nicht einfach,
die Bürsten in Torsionsfedereinheiten zu wechseln, weshalb
sich die Lebensdauer des Motors häufig auf die Lebensdauer
eines Bürstensatzes beschränkt. Gewisse Einschränkungen
bestehen auch hinsichtlich des Bewegungsbereichs der Torsionsfedern.
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Es
wurde eine Konstantkraftfeder vorgeschlagen, um diese bekannten
Nachteile zu beseitigen. Hierzu wird beispielsweise auf das Dokument
US5602957 verwiesen. Die
Konstantkraftfeder ist ein Band aus Federmaterial (normalerweise
Federstahl), das an beiden Enden ähnlich wie eine Uhrfeder
eingerollt ist und in der Mitte zwischen den beiden Spiralen einen
geraden oder flachen Abschnitt hat. Die Bürste ist in dem
Käfig angeordnet, wobei die Mitte der Feder das äußere
Ende der Bürste mit Druck beaufschlagt und die beiden Spiralabschnitte
an dem oder in der Nähe des dem Kommutator benachbarten Endes
des Käfigs angreifen. Ausgerollte Abschnitte der beiden
Spiralen erstrecken sich entlang der Seiten der Bürste
innerhalb des Käfigs, während die Enden außerhalb
des Käfigs liegen, indem sie unter Vermeidung eines Kontakts
zwischen der Feder und dem Kommutator durch eine an das innere Ende
des Käfigs angrenzende Öffnung nach draußen
führen. Im Betrieb versuchen die Spiralabschnitte der Feder sich
einzurollen, indem der Rest der Feder aus dem Käfig herausgezogen
wird, wodurch aufgrund der elastischen Kraft der Spiralabschnitte
auch die Bürste aus dem Käfig herausgezogen wird.
Die durch die Feder auf die Bürste ausgeübte Kraft
ist von der maximalen Spannung bis zur annähernden Entspannung
im Wesentlichen konstant, und daher die Bezeichnung Konstantkraftfeder.
Dieser Federtyp ermöglicht ein ausgezeichnetes Verhältnis
von Bürstenlänge zu Käfiglänge,
das heißt, dass annähernd die gesamte Käfiglänge
für die Länge der Bürste verfügbar
ist, so dass durch ein Maximum an Bürstenlänge
auch ein Maximum an Lebensdauer der Bürste gegeben ist.
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Ein
Nachteil der Konstantkraftfeder ist, dass die Feder am Ende der
Lebensdauer der Bürste und bei der Montage nichts davon
abhält, sich von dem Käfig zu lösen,
wodurch die Gefahr eines Kurzschlusses in dem Motor besteht. Bei
Niederspannungsmotoren ist das kein Problem, doch bei Hochspannungsmotoren
bedeutet dies ein potenzielles Sicherheitsrisiko durch Stromschlag-
und Brandgefahr.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Motor mit einer Konstantkraftfeder-Bürstenkäfiganordnung
erwünscht, bei welcher sich die Feder nicht von dem Käfig
lösen kann, wenn die Bürste abgenutzt ist. Dies
wird durch vorliegende Erfindung dadurch erreicht, dass der Käfig
Finger hat, die die Konstantkraftfeder ergreifen.
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Zudem
kann der Käfig einen Stopper aufweisen, um die Möglichkeit
zu verringern, dass sich ein Spiralabschnitt an sich selbst aufhängt
oder in die Höhe treibt, mit der Gefahr, den Kommutator
oder andere elektrische Komponenten oder Verbindungen in dem Motor
zu berühren.
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Demzufolge
wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung eine Käfigbürstenanordnung bereitgestellt,
umfassend: eine Bürste, die einen elektrischen Gleitkontakt
mit einem Kommutator des Motors herstellt; einen Käfig
zum Führen der Bürste entlang eines Weges, wobei
der Käfig einen ersten Endbereich hat, der im Betrieb für
eine an den Kommutator angrenzende Anordnung vorgesehen ist, und
einen zweiten Endbereich, der von dem Kommutator entfernt ist; eine
Feder zur elastischen Beaufschlagung der Bürste entlang
des Weges durch den Käfig, wobei die Feder eine Konstantkraftfeder ist,
die aus einem Band aus elastisch verformbarem Material besteht,
das einen im Wesentlichen flachen mittleren Abschnitt und zwei eingerollte
Endabschnitte hat, wobei der mittlere Abschnitt ein Ende der Bürste
kontaktiert, und wobei der Käfig zwei Finger aufweist,
um die herum jeweils die eingerollten Endabschnitte der Feder angeordnet
sind, wobei sich die beiden Finger an dem ersten Endbereich des
Käfigs befinden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor
bereitgestellt, umfassend: einen Stator; einen gewickelten Rotor mit
einer Welle, Rotorwicklungen und einem Kommutator; und einen Bürstenträger
für die Verbindung des Kommutators mit einer Stromquelle,
wobei der Bürstenträger mindestens zwei Käfigbürstenanordnungen aufweist,
deren jede umfasst: eine Bürste zur Herstellung eines elektrischen
Gleitkontakts mit dem Kommutator; einen Käfig zum Führen
der Bürste entlang eines Weges, wobei der Käfig
einen ersten Endbereich aufweist, der im Betrieb für eine
an den Kommutator angrenzende Anordnung vorgesehen ist, und einen
zweiten Endbereich, der von dem Kommutator entfernt ist; eine Feder
zur elastischen Beaufschlagung der Bürste entlang des Weges
durch den Käfig, wobei die Feder eine Konstantkraftfeder
ist, die aus einem Band aus elastisch verformbarem Material besteht,
das einen im Wesentlichen flachen mittleren Abschnitt und zwei eingerollte
Endabschnitte hat, wobei der mittlere Abschnitt ein Ende der Bürste
kontaktiert, und wobei der Käfig zwei Finger aufweist,
um die herum jeweils die eingerollten Endabschnitte der Feder angeordnet
sind, wobei sich die beiden Finger an dem ersten Endbereich des
Käfigs befinden.
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Vorzugsweise
hat die Bürste einen eingebetteten Shunt, der mit dem zweiten
Endbereich des Käfigs verbunden ist.
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Vorzugsweise
hat der Käfig zwei Öffnungen, die in dem ersten
Endbereich auf gegenüberliegenden Seiten des Käfigs
gebildet sind, und die eingerollten Endabschnitte der Feder erstrecken
sich durch die Öffnungen hindurch.
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Vorzugsweise
ist jede der Öffnungen durch das Herausbiegen einer Klappe
aus der Käfigwand gebildet, wobei jede Klappe eine Aufnahme
für die eingerollten Endabschnitte der Feder bildet.
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Vorzugsweise
sind die Finger eine Verlängerung der Klappen.
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Vorzugsweise
hat jede Klappe an einem von dem Käfig entfernten Ende
eine Leiste.
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Vorzugsweise
ist die Leiste durch das Umbiegen des Klappenendes in Richtung auf
den Endbereich der Feder gebildet.
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Vorzugsweise
ist der Käfig einschließlich der Klappen, Leisten
und Finger aus einem einteiligen Blech geformt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand
lediglich eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
Teilschnittansicht eines Elektromotors gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische perspektivische Darstellung einer Bürstenkäfiganordnung,
die Teil des Elektromotors von 1 ist;
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3 eine perspektivische Unteransicht eines
Käfigs, der Teil der Bürstenkäfiganordnung
von 2 ist;
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4 eine
perspektivische Darstellung einer Bürste und Feder, die
Teil der Bürstenkäfiganordnung von 2 sind;
und
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5 eine
Draufsicht auf die Feder von 4 im entspannten
Zustand.
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Identische
Konstruktionen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur
erscheinen, tragen in all diesen Figuren die gleichen Bezugszeichen.
Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt
sind, sind allgemein im Hinblick auf übersichtliche Darstellung
gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
folgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung am Beispiel eines
Gebläsemotors. Der Motor 10, der in 1 in
einem Teilquerschnitt dargestellt ist, ist ein Universalmotor mit
einem Gehäuse 12, in dem ein gewickelter Stator 14 und
ein gewickelter Rotor 20 angeordnet sind. Der Rotor 20 hat eine
Antriebswelle 22, einen Rotorkern 24, um den die
Rotorwicklungen 26 herumgeführt sind, und einen
Kommutator 28, an dem die Wicklungen 26 enden.
Ein Gebläse ist an einem Ende des Motors montiert und hat
ein Laufrad 30, das an einem Ende der Antriebswelle 22 montiert
ist und für eine Drehung in einem an dem Ende des Gehäuses 12 befestigten Gebläsegehäuse
oder Gebläseraum 32 angeordnet ist. Der Stator 14 hat
einen zweipoligen Statorkern 16 mit Statorwicklungen 18,
die um den Kern 16 herumgeführt sind. Der Bürstenträger
in Form von zwei Käfigbürsteneinheiten 34 verbindet
die Rotorwicklungen 26 über den Kommutator 28 mit
einer Stromquelle. Die Universalmotoren können eine Reihenwicklung oder
eine Shuntwicklung aufweisen. Bei der Shuntwicklung sind die Statorwicklungen
und die Rotorwicklungen parallelgeschaltet, weshalb die Bürsten den
Kommutator direkt mit den Motorklemmen verbinden. Bei der Reihenwicklung
sind die Statorwicklungen und die Rotorwicklungen in Reihe geschaltet, weshalb
eine oder beide Bürsten über die Statorwicklungen
mit den Motorklemmen verbunden sind.
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Die
Käfigbürsteneinheiten 34 sind vorzugsweise
identisch, so dass nur eine Käfigbürsteneinheit im
Detail beschrieben wird. Die Käfigbürsteneinheit 34 hat
eine Bürste 40, einen Käfig 50 und
eine Feder 70. Die Bürste 40 ist für
die Herstellung eines Gleitkontakts mit dem Kommutator 28 ausgebildet.
Die Bürste 40 hat eine längliche Form
und einen rechteckigen Querschnitt, mit einem ersten und einem zweiten
Ende 42, 44 und mit vier Seiten 46. Das
erste Ende 42 ist für den Kontakt mit dem Kommutator 28 ausgebildet.
Das zweite Ende 44 hat einen eingebetteten Shunt 48.
Der Käfig 50 führt die Bürste 40 entlang
eines Weges zu dem Kommutator. Der Käfig 50 ist
vorzugsweise ein Messingrohr, in dem die Bürste gleitbeweglich
aufgenommen ist. Der Käfig hat einen ersten Endbereich 52,
der an den Kommutator angrenzt, und einen zweiten Endbereich 54,
der von dem Kommutator entfernt ist. Der zweite Endbereich 54 kann
eine Motorklemme oder einen Anschluss bilden, mit der/dem die Statorwicklung
und/oder Leitungsdrähte verbunden werden können,
wobei in diesem Fall der Shunt 48 direkt mit dem zweiten
Endbereich 54 des Käfigs verbunden sein kann.
Die Feder 70 ist eine Konstantkraftfeder. Wie 5 zeigt,
ist die Feder 70 aus einem Band oder Streifen aus elastisch verformbarem
Material geformt und hat einen flachen mittleren Abschnitt 72 und
zwei Endabschnitte 74, die ähnlich wie eine Uhrfeder
eingerollt sind. Der flache mittlere Abschnitt 72 kontaktiert
das oder greift an dem zweiten Ende 44 der Bürste 40 an,
und die eingerollten Endabschnitte 74 rollen sich im Betrieb
teilweise aus und erstrecken sich entlang der gegenüberliegenden
Seiten 46 der Bürste 40, wie das in 4 dargestellt
ist.
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Wie 3 zeigt, hat der Käfig 50 zwei Öffnungen 56,
die in zwei gegenüberliegenden Seiten angrenzend an den
ersten Endbereich 52 gebildet sind. Die Öffnungen 50 sind
durch das Einschneiden und Herausbiegen von zwei Klappen 58 gebildet,
die Aufnahmen für die eingerollten Endabschnitte 74 der Feder 70 bilden.
Im Betrieb wird die Bürste 40 aus dem Käfig 50 herausgedrückt,
während die nunmehr ausgerollten Endabschnitte 74 der
Feder versuchen, elastisch in ihren eingerollten Zustand zurückzukehren.
Die Klappen 58 haben eine Leiste 60, die durch das
Umbiegen eines schmalen Streifens entlang der freien Kante der Klappe 58 in
Richtung auf den eingerollten Endabschnitt 74 der Feder
gebildet ist. Aus der Klappe 58 ist auch ein Finger 62 ausgeschnitten und
herausgebogen. Der Finger 62 ist durch einen kurzen Arm 64 mit
der Klappe 58 verbunden und so angeordnet, dass er sich über
die Klappe 58 in einer zur Seite des Käfigs parallelen
Richtung und senkrecht zu der Richtung des Bürstenweges
erstreckt, um sich durch einen Ring hindurch zu erstrecken, der durch
den eingerollten Endabschnitt 74 der Feder 70 gebildet
ist.
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Der
Finger 62 bildet einen Riegel, der die Feder 70 während
der Montage und am Ende der Lebensdauer, wenn die Bürste
abgenutzt ist, an Ort und Stelle hält. Bei der Montage
werden die eingerollten Enden der Feder über den Fingern 62 in
Anordnung gebracht, und die Finger halten die Feder während des
Einsetzens der Bürste an Ort und Stelle. Auf ähnliche
Weise verhindern die Finger am Ende der Lebensdauer, dass die Feder
aus dem Käfig freikommt. Die Leiste 60 dient zur
Verringerung der Tendenz der eingerollten Endabschnitte 74 der
Feder, sich aufgrund der Reibung zwischen den Oberflächen
der Feder und/oder zwischen der Oberfläche der Feder und
der Oberfläche der Klappe 58 zu expandieren. Das
Ende der Feder 70 kann möglicherweise mit dem
Finger 62 in Kontakt treten, während sich die
Feder 70 einrollt, was auch dazu führen kann,
dass die Feder nicht gleichmäßig über
sich selbst gleitet, sondern in die Höhe treibt, mit dem
Risiko eines möglichen Kurzschlusses mit anderen elektrischen
Teilen. Die Leiste 64 übt eine sanfte Kraft auf
die Spirale aus, während diese beginnt, in die Höhe
zu treiben, wobei diese Kraft ausreicht, um die Reibung oder das
Fangen der Feder zu überwinden und zu verhindern, dass
die Spiralen der Feder 70 in die Höhe treiben.
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Der
Käfig hat auch zwei Positionierungsvorsprünge 66,
die aus einer Seite des Käfigs hochgezogen sind. Die Positionierungsvorsprünge 66 sind
an eine Vertiefung in dem Gehäuse angepasst, um den Käfig
in seiner axialen Richtung (in der radialen Richtung des Motors)
relativ zu dem Gehäuse zu positionieren und um einen radialen
Spalt zwischen dem Käfig 50 und dem Kommutator 28 einzustellen.
Eine Sattelklemme 36 (siehe 1) verspannt
den Käfig 50 mit dem Gehäuse 12.
Der Käfig 50 samt Klappen 58, Leisten 60,
Armen 62 und Fingern 64 ist vorzugsweise durch
Stanzen und Biegen eines Bleches, bevorzugt eines Messingbleches,
gebildet.
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Es
ist ersichtlich, dass die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung eine verbesserte Bürstenanordnung für
Elektromotoren sowie Elektromotoren, die eine solche Bürstenanordnung
enthalten, bereitstellen und dadurch für eine einfachere Montage
und für eine höhere Sicherheit sorgen, wenn die
Bürsten abgenutzt sind.
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Die
in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen
verwendeten Verben wie "umfassen", "enthalten" und "haben" sowie
Abwandlungen derselben verstehen sich in einem inkludierenden Sinn,
das heißt sie geben an, dass das genannte Element vorhanden
ist, schließen jedoch nicht aus, dass weitere Elemente
vorhanden sind.
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Wenngleich
die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen
Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der
Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche
definiert ist.
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Während
der dargestellte Motor beispielsweise ein Universalmotor ist, könnten
die Bürstenanordnungen auch bei anderen Motortypen verwendet werden,
bei denen Käfigbürsten zum Einsatz kommen, zum
Beispiel bei Permanentmagnet-Gleichstrommotoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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