DE102010009833A1

DE102010009833A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102010009833A1
Application number: DE102010009833A
Authority: DE
Inventors: James Ching Sik Lau; Duncan Yiu Lung Wong; Chang Lin Jin; Yuen Tung Louie
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US20100225198A1; JP2010207083A; US8648515B2

Abstract

Ein Elektromotor hat ein Bürstenpaar für die Übertragung von Strom auf Wicklungen eines gewickelten Rotors durch die Herstellung eines Gleitkontakts mit einem zylindrischen Kommutator. Jede Bürste 10 hat einen Körper 12 mit einem Paar Endflächen 15, 16 und mit einer sich zwischen den Endflächen erstreckenden Kontaktfläche 13, die für einen Gleitkontakt mit einer zylindrischen Umfangsfläche des Kommutators konfiguriert ist. Die Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche ist relativ zur axialen Richtung des Kommutators geneigt, und die Kontaktfläche ist bei Betrachtung in ihrer Erstreckungsrichtung V-förmig.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen Elektromotor mit einer Kohlebürste, die dem Motor bessere Charakteristiken verleiht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem Gleichstrommotor ist Geräuscharmut ein wesentlicher Faktor. Eine übliche Vorgehensweise für die Reduzierung von Geräuschen ist das Kleben von Vibrationsdämpfern an Vibrationsquellen. Diese übliche Vorgehensweise ist jedoch kompliziert und teuer.
Ferner werden bei einigen Motoren, zum Beispiel bei Motoren für Fensterheber in Fahrzeugen, Hall-Sensoren benötigt, um die Umdrehungen der Welle zu zählen oder um die Drehzahl des Motors zu berechnen, was kompliziert und teuer ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Daher besteht der Wunsch nach einer verbesserten Bürste, die in der Lage ist, einige oder sämtliche der vorgenannten Probleme zu beseitigen.
Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Bürste für die Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem Kommutator eines Motors bereitgestellt, umfassend: eine erste Endfläche, eine der ersten Endfläche gegenüberliegende zweite Endfläche und eine sich zwischen der ersten und der zweiten Endfläche erstreckende Kontaktfläche, die für einen Gleitkontakt mit einer zylindrischen Umfangsfläche des Kommutators ausgebildet ist, wobei die Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche relativ zu der axialen Richtung des Kommutators geneigt und bei Betrachtung in ihrer Erstreckungsrichtung V-förmig ist.
Vorzugsweise ist die Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche relativ zur axialen Richtung des Kommutators in einem Winkel von 1~60 Grad geneigt.
Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel zwischen 3 und 10 Grad.
Vorzugsweise hat die Kontaktfläche einen Vorsprung, der einen Bereich der Kontaktfläche bildet, dessen Neigung zur axialen Richtung des Kommutators stärker ist als die der übrigen Kontaktfläche.
Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel des Vorsprungs etwa 60 Grad.
Vorzugsweise hat die Bürste ein Nutenpaar, das in ihren einander gegenüberliegenden Flächen gebildet ist, um die Bürste zu dem Kommutator zu führen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend: einen Rotor, der einen Kommutator mit einer zylindrischen Umfangsfläche aufweist, einen Stator und einen Bürstenträger, der zumindest zwei Bürsten hat, deren jede eine Kontaktfläche für den Gleitkontakt mit der Kommutatorfläche aufweist, wobei jede Kontaktfläche bei Betrachtung in einer zur Achse des Rotors parallelen Richtung V-förmig ist und in dieser axialen Richtung relativ zur Kommutatorfläche geneigt ist, so dass der Anfangskontakt zwischen der Kontaktfläche jeder Bürste und der Kommutatorfläche ein Paar von Punktkontakten ist. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel in einem Bereich von 1~60 Grad.
Vorzugsweise hat jede Bürste ein Nutenpaar, das in ihren einander gegenüberliegenden Flächen gebildet ist, wobei jede Bürste von einem Bürstenhalter gehalten wird und jeder Bürstenhalter ein Führungszapfenpaar aufweist, das in den jeweiligen Nuten geführt ist.
Vorzugsweise werden die Bürsten durch Federn elastisch in Richtung auf den Kommutator beaufschlagt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend einen Rotor, der einen Kommutator mit einer zylindrischen Umfangsfläche aufweist, einen Stator und einen Bürstenträger, der zumindest zwei der vorstehend angegebenen Bürsten umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen beschrieben. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur dargestellt sind, tragen in all diesen Figuren die gleichen Bezugszeichen. Abmessungen von Teilen und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind generell im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine isometrische Ansicht einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen Kommutator und ein in 1 dargestelltes Bürstenpaar;
3 ist eine geschnittene Seitenansicht der Anordnung von 2;
4 ist eine Ansicht der Anordnung von 2;
5 zeigt ein Bürstenpaar gemäß 1, das an einer Endkappe eines Elektromotors installiert ist;
6 zeigt eine Stromwellenform eines konventionellen Elektromotors;
7 zeigt eine Stromwellenform eines Elektromotors mit Bürsten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine schnelle Fourier Transformation einer Stromwellenform eines konventionellen Elektromotors;
9 zeigt eine schnelle Fourier Transformation eines Elektromotors mit Bürsten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine isometrische Ansicht einer Bürste gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 zeigt einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine isometrische Ansicht einer Bürste 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bürste 10 umfasst einen Körper 12 und einen Shunt 11, der sich von dem Körper 12 erstreckt. Der Körper 12 hat eine quaderförmige Konfiguration mit sechs Seiten und weist eine Kontaktfläche 13, eine der Kontaktfläche gegenüberliegende Basisfläche 14, ein Paar Endflächen 15, 16 und ein Paar Seitenflächen 17, 18 auf. In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die axiale, radiale und Umfangsrichtung auf die axiale, radiale und Umfangsrichtung der Motorwelle. Die Dimensionen der Bürste beziehen sich auf die Orientierung der Bürste, wenn diese an dem Motor befestigt ist. Somit bedeutet die Länge der Bürste 10 die von der Kontaktfläche 13 zur Basisfläche, d. h. in der radialen Richtung des Motors gemessene Dimension der Bürste, die Höhe der Bürste 10 bedeutet die zwischen den Endflächen 15, 16 gemessene Dimension des Körpers bei den axialen Enden des Motors zugekehrten Endflächen oder die in der axialen Richtung gemessene Dimension der Bürste, und die Breite der Bürste 10 bedeutet die zwischen den Seitenflächen 17, 18, d. h. in Umfangsrichtung oder zumindest in einer zu der axialen und radialen Richtung orthogonalen Richtung gemessene Dimension der Bürste.
Der Shunt 11 erstreckt sich von einer der Seitenflächen 18. Der Shunt verbindet den Körper mit einer Stromquelle. Normalerweise sind die Shunts entweder direkt oder über Joche, Spulen oder andere elektrische Komponenten mit den Motoranschlüssen verbunden. Die Seitenflächen 17, 18 haben jeweils eine Nut 19, die sich von der Basisfläche 14 zur Kontaktfläche 13 erstreckt. Die Nuten sind Teil eines Bürstenführungssystems, das später noch im Detail beschrieben wird. Die Basisfläche 14 kann orthogonal zu der radialen Richtung angeordnet sein, ist aber vorzugsweise zur radialen Richtung geneigt, liegt aber dennoch parallel zur Motorachse, zur besseren Verbindung mit einem Arm einer Feder.
Es wird auf die 2 bis 4 Bezug genommen. Die Kontaktfläche 13 ist für den Kontakt mit der zylindrischen Umfangsfläche eines Kommutators 20 konfiguriert. Die Kontaktfläche 13 ist bei Betrachtung in der Höhenrichtung der Bürste 10 (axiale Richtung des Motors) V-förmig, wie das in 4 gezeigt ist. Das heißt, in der Breitenrichtung der Bürste 10 ist der Mittelbereich der Kontaktfläche 13 relativ zu den gegenüberliegenden Seitenbereichen der Kontaktfläche 13 konkav gestaltet. Die Kontaktfläche 13 ist in der Höhenrichtung von einer axialen Endfläche zur anderen geneigt. Das heißt, die Kontaktfläche 13 ist relativ zur axialen Richtung des Kommutators 20 geneigt. Wenn daher die Kontaktfläche 13 erstmalig mit dem Kommutator 20 in Kontakt tritt, sind es nur zwei Punkte auf gegenüberliegenden Seiten an einem Ende der Kontaktfläche 13, die mit der Oberfläche des Kommutators 20 in Kontakt gelangen, wodurch sich die Kontaktfläche 13 unter Anpassung an die Oberfläche des Kommutators 20 einfach und problemlos in den Kommutator einbetten kann. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel der Kontaktfläche 13 in einem Bereich von 1 bis 60 Grad. Da jedoch ein starker Neigungswinkel von beispielsweise 60 Grad zu einer raschen Abnutzung der Bürste führt und da bei flachen Winkeln eine längere Zeit zum Einbetten nötig ist, liegt ein bevorzugter optionaler Winkel in dem Bereich von 3 bis 10 Grad.
Es wird auf 5 Bezug genommen. Ein Bürstenpaar 10 ist an Bürstenhaltern 32 auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Endkappe 30 eines Elektromotors befestigt. Die Endkappe 30 hat in ihrer Mitte eine Öffnung für die Aufnahme der Motorwelle. Der Kommutator 20 ist an der Welle montiert und den Bürsten 10 zugekehrt. Jeder Bürstenhalter 32 hat ein Paar Führungszapfen 34, die jeweils in Nuten 19 aufgenommen sind, die in den Seitenflächen 17, 18 der entsprechenden Bürste 10 gebildet sind. Federn 36 sind an Stützen 38 montiert, wobei sich ein freies Ende derselben an den Basisflächen 14 abstützt, so dass die Bürsten 10 in Richtung auf den Kommutator 20 gedrückt werden.
6 zeigt eine Stromwellenform eines konventionellen Elektromotors mit Bürsten, die ebene Kontaktflächen haben. 7 zeigt eine Stromwellenform eines Elektromotors mit Bürsten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt eine schnelle Fourier Transformation der Stromwellenform des konventionellen Elektromotors von 6. 9 zeigt eine schnelle Fourier Transformation der Stromwellenform von 7.
Wie die 6 und 7 zeigen, ist die V-förmige Kontaktfläche gemäß vorliegender Erfindung vorteilhaft für die Reduzierung von Stromschwankungen, wodurch auch Vibrationsquellen und somit das Motorgeräusch reduziert werden. Ferner ist die V-förmige Kontaktfläche gemäß vorliegender Erfindung aufgrund der verringerten Kontaktpunkte zwischen der V-förmigen Kontaktfläche der Bürste und dem Kommutator vorteilhaft für die Erhöhung der dBA-Differenz zwischen der Grundwelle und der Oberwelle. Vorzugsweise ist die dBA-Differenz zwischen der Grundwelle und der Oberwelle der Stromwelle des Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung größer als 6 dBA, so dass der Motorregler in der Lage ist, die Grundwelle zu bestimmen und dadurch die Umdrehungen zu zählen oder die Drehzahl des Elektromotors zu berechnen, ohne dass hierfür ein Hall-Sensor verwendet wird.
Eine alternative Bürste ist in 10 gezeigt. Diese Bürste ist ähnlich wie die Bürste in 1 ausgebildet, mit der Ausnahme, dass die Kontaktfläche 13 einen Vorsprung 24 hat, der eine übertriebene Spitze bildet, die den ersten Kontakt mit dem Kommutator herstellt. Zur Beibehaltung der Form der übrigen Kontaktfläche 13 ist der Vorsprung 24 ebenfalls V-förmig. Der Vorsprung 24 ist ein Teil der Kontaktfläche, der mit der Kommutatorfläche einen geneigten Winkel bildet. Dieser Winkel ist wesentlich größer als der geneigte Winkel der übrigen Kontaktfläche. in einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der durch den Vorsprung 21 gebildete Winkel etwa 60 Grad, und der durch die übrige Kontaktfläche gebildete Winkel beträgt etwa 4 Grad. Diese an der Kontaktfläche gebildete scharfe Spitze sorgt für eine sehr rasche Einbettung der Bürste in den Kommutator und führt zu einem ausgezeichneten Langzeitkontakt zwischen der Bürste und dem Kommutator. Der Vorsprung 24 ist ein relativ kleiner Bereich der Kontaktfläche, so dass, wenn die Spitze während der Einlaufzeit des Motors rasch abgetragen wird, um die Bürste einzubetten, der Rest der Kontaktfläche mit dem Kommutator in Kontakt tritt. Da der Rest der Kontaktfläche mit der Kommutatorfläche einen Winkel bildet, bettet sich die Bürste weiter ein, jedoch langsamer, da ein größerer Bereich der Kontaktfläche mit dem Kommutator in Kontakt tritt, bis sich die Bürste schließlich vollständig mit der Oberfläche des Kommutators in Kontakt befindet. Der Vorsprung 24 sorgt also für ein rasches Einbetten der initialen Kontaktpunkte der Bürste in der Oberfläche des Kommutators, wobei anfänglich zwei Kontaktpunkte mit der Kommutatorfläche vorhanden sind, während die V-förmige Konfiguration des Vorsprungs 24 an die übrige Kontaktfläche angepasst ist. Im Laufe des Einsatzes des Motors werden die Kontaktpunkte abgenutzt und werden zu Kontaktzonen, die sich zunehmend vergrößern, bis die Bürste soweit abgenutzt ist, dass ein vollständiger Kontakt zwischen der Bürste und dem Kommutator vorhanden ist.
11 zeigt einen Elektrokleinmotor 40, auf den die Erfindung anwendbar ist. Der Motor 40 ist vorzugsweise ein Mikromotor wie beispielsweise ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC-Motor) mit einer Leistung von weniger als 1000 Watt. Der Motor hat einen Stator und einen Rotor. Der Stator hat ein Gehäuse 42, das einen oder mehrere Permanentmagneten trägt, die die Pole des Stators bilden, und eine Endkappe 30, die ein offenes Ende des Gehäuses verschließt und einen Bürstenträger und Motoranschlüsse 31 trägt. Der Rotor hat eine Welle 44, einen Rotorkern, einen Kommutator und Wicklungen, die um den Rotorkern herumgeführt sind und an dem Kommutator enden. Der Rotor ist durch Lager des Stators drehbar gelagert. Der Bürstenträger hat Bürsten der vorstehend beschriebenen Art, die mit dem Kommutator in Gleitkontakt sind, um elektrischen Strom von den Motoranschlüssen zu den Wicklungen des Rotors zu übertragen.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Ableitungen bedeuten nicht notwendigerweise eine vollständige Auflistung von Bauteilen, Komponenten, Elementen oder Teilen.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Der Schutzrahmen der Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche definiert.

Claims

Bürste zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem Kommutator eines Elektromotors, wobei die Bürste (10) einen Körper (12) aufweist, umfassend: eine erste Endfläche (15); eine der ersten Endfläche gegenüberliegende zweite Endfläche (16); und eine Kontaktfläche (13), die sich zwischen der ersten und der zweiten Endfläche (15, 16) erstreckt und konfiguriert ist für die Herstellung eines Gleitkontakts mit einer zylindrischen Umfangsfläche des Kommutators, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche (13) relativ zur axialen Richtung des Kommutators geneigt ist und dass die Kontaktfläche (13) bei Betrachtung in ihrer Erstreckungsrichtung V-förmig ist.
Bürste nach Anspruch 1, wobei die Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche (13) relativ zu der axialen Richtung des Kommutators in einem Winkel von 1~60 Grad geneigt ist.
Bürste nach Anspruch 2, wobei der geneigte Winkel zwischen 3 und 10 Grad beträgt.
Bürste nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Kontaktfläche (13) einen Vorsprung (24) hat, der einen Teil der Kontaktfläche (13) bildet, dessen Neigung zur axialen Richtung des Kommutators stärker ist als die der übrigen Kontaktfläche.
Bürste nach Anspruch 4, wobei der geneigte Winkel des Vorsprungs (24) etwa 60 Grad beträgt.
Bürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (12) ein Nutenpaar (19) aufweist, das in seinen einander gegenüberliegenden Flächen (17, 18) gebildet ist, um die Bürste zu dem Kommutator zu führen.
Elektromotor, umfassend: einen Rotor mit einem Kommutator (20), der eine zylindrische Umfangsfläche hat; einen Stator und einen Bürstenträger mit wenigstens zwei Bürsten (10), deren jede eine Kontaktfläche (13) für die Herstellung eines Gleitkontakts mit der Oberfläche des Kommutators (20) aufweist, wobei jede Kontaktfläche (13) bei Betrachtung in einer zur Rotorachse parallelen Richtung V-förmig ist und relativ zur Oberfläche des Kommutators (20) in dieser axialen Richtung derart geneigt ist, dass der Anfangskontakt zwischen der Kontaktfläche (13) jeder Bürste und der Oberfläche des Kommutators ein Paar von Punktkontakten ist.
Elektromotor nach Anspruch 7, wobei der geneigte Winkel in dem Bereich von 1~60 Grad liegt.
Elektromotor nach Anspruch 7 oder 8, wobei jede Bürste (10) ein in ihren einander gegenüberliegenden Flächen (17, 18) gebildetes Nutenpaar (19) aufweist, wobei jede Bürste durch einen Bürstenhalter (32) gehalten wird und jeder Bürstenhalter ein Paar Führungszapfen (34) hat, die in den jeweiligen Nuten (19) aufgenommen sind.
Elektromotor, umfassend: einen Rotor mit einem Kommutator (20), der eine zylindrische Umfangsfläche hat; einen Stator und einen Bürstenträger mit zumindest zwei Bürsten (10) wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 angegeben.