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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungseinrichtung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Kommutierungseinrichtungen für elektrische Maschinen zur Stromübertragung und -wendung auf rotorseitige Ankerspulen. Die Kommutierungseinrichtung umfasst rotorseitig einen Kollektor bzw. Kommutator mit mehreren, über den Umfang verteilt angeordneten Lamellen, an denen statorseitig gehaltene, bestrombare Kohlebürsten anliegen, die in Bürstenfassungen radial verschieblich gehalten sind. Die Bürstenfassungen sind an einer Bürstenplatte angeordnet, die elektrisch auf Masse gelegt ist. Die Bestromung erfolgt über eine Stromschiene, die Bürstenplatte und die Stromschiene sind jeweils scheibenförmig ausgebildet und befinden sich axial an gegenüberliegenden Seiten der Bürstenfassungen. Eine derartige Kommutierungseinrichtung wird beispielsweise in der
DE 20 2007 013 137 U1 , der
DE 10 2010 063 688 A1 oder der
DE 10 2009 002 725 A1 beschrieben.
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Eine Anwendung dieser Kommutierungseinrichtung ist ein elektrischer Startermotor für eine Startvorrichtung, um eine Brennkraftmaschine zu starten. Für einen Einsatz in Start-Stopp-Systemen müssen die Kohlebürsten, die einem Verschleiß unterliegen, für eine hohe Anzahl an Startvorgängen ausgelegt sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Kommutierungseinrichtung so auszubilden, dass eine lange Betriebszeit gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Kommutierungseinrichtung wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, um rotorseitige Ankerwicklungen zu bestromen und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches mit einem statorseitigen Feld interagiert, das entweder von Permanentmagneten oder von elektrisch erregbaren, statorseitigen Spulen erzeugt wird.
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Die Kommutierungseinrichtung wird beispielsweise in elektrischen Startermotoren von Startvorrichtungen eingesetzt, um Brennkraftmaschinen zu starten. Hierbei treibt der Startermotor ein Starterritzel an, das in Eingriff mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht. Das Starterritzel ist entweder permanent in den Zahnkranz eingespurt oder wird mithilfe eines Starterrelais zwischen einer zurückgezogenen Außereingriffsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz verstellt. Die Startvorrichtung kann im Rahmen von Start-Stopp-Systemen, die hohe Anzahl an Startvorgängen bewältigen müssen, eingesetzt werden.
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Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbundenen Kommutator bzw. Kollektor sowie statorseitig Strom führende Bürsten, die an der Mantelfläche des Kollektors anliegen und in Bürstenfassungen aufgenommen sind. Vorteilhafterweise sind die Bürsten in den Bürstenfassungen bezogen auf die Motorlängsachse radial verschieblich gelagert und von der Kraft eines auf sie wirkenden Federelementes in Richtung auf die Mantelfläche des Kollektors kraftbeaufschlagt.
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Die Bürsten liegen an Lamellen des Kollektors an, die in Umfangsrichtung über Trennspalte voneinander elektrisch separiert und mit den Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind.
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Die Bürstenfassungen sind mit Aufnahmeelementen zu versehen, die zur Verbindung mit einer Bürstenplatte und einer Stromschiene dienen. Die Aufnahmeelemente befinden sich axial – bezogen auf die Motorlängsachse – an gegenüberliegenden Außenseiten der Aufnahmeelemente, so dass entsprechend die Bürstenplatte und die Stromschiene an axial gegenüberliegenden Außenseiten in den Aufnahmeelementen jeder Bürstenfassung aufgenommen sind. Die Bürstenplatte ist am Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet und gehalten und elektrisch auf Masse gelegt (Minuspol). Die Stromschiene ist elektrisch positiv (Pluspol) geladen und kann ebenfalls mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine mechanisch verbunden sein. Die Bürsten sind paarweise angeordnet, wobei jeweils eine Bürste mit der Stromschiene und eine diametral gegenüberliegende Bürste mit der Bürstenplatte elektrisch verbunden ist. Über den Umfang verteilt sind beispielsweise vier oder sechs Bürsten mit alternierender Polarität angeordnet.
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Die Bürsten liegen an Lamellen des Kollektors an, die in Umfangsrichtung über Trennspalte elektrisch voneinander separiert und mit den Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind. Hierzu sind die Lamellen des Kollektors über Anschlussdrähte mit den Ankerwicklungen verbunden. Die Anschlussdrähte können ggf. als die Wicklungsenden der Ankerwicklungen ausgeführt sein. In Betracht kommt aber auch eine separate Ausführung, bei der die Anschlussdrähte mit den Wicklungsenden der Ankerwicklungen verbunden werden. Auf Seiten des Kollektors sind die Anschlussdrähte jeweils mit einer Lamelle verbunden, wobei die Verbindung mechanisch, beispielsweise durch Festklemmen, oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Löten oder in sonstiger Weise erfolgen kann. Die Anschlussdrähte sind vorzugsweise als fester oder unflexibler Draht ausgeführt, wobei ggf. auch eine Ausführung als feindrähtige, flexible Litze in Betracht kommt.
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Auf der den Ankerwicklungen zugewandten Seite ist die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte, die über die Aufnahmeelemente an der Außenseite der Bürstenfassungen angeordnet ist, mit radialem Abstand zu den Anschlussdrähten angeordnet. In Achsrichtung gibt es zwischen den Anschlussdrähten auf der Kollektormantelfläche und den Aufnahmeelementen und/oder der Stromschiene bzw. der Bürstenplatte eine axiale Überschneidung.
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Dies ermöglicht ein größeres Aufnahmevolumen in der Bürstenfassung, insbesondere in Achsrichtung und damit auf Grund der größeren axialen Länge auch ein größeres Bürstenvolumen, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt und insbesondere eine größere Anzahl von Startvorgängen erlaubt.
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Es genügt, wenn entweder die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte oder das der Ankerwicklung zugewandte Aufnahmeelement axial überschneidend und mit radialem Abstand zu den Anschlussdrähten angeordnet ist. Es kann beispielsweise ausreichend sein, dass lediglich die Aufnahmeelemente an der Außenseite der Bürstenfassung axial überschneidend zu den Anschlussdrähten angeordnet sind, nicht jedoch die an dieser Seite angeordnete Stromschiene oder Bürstenplatte. Umgekehrt ist es auch möglich, dass die Stromschiene bzw. Bürstenplatte axial überschneidend zu den Anschlussdrähten angeordnet ist, nicht jedoch die zugehörigen Aufnahmeelemente. In einer weiteren Ausführung sind sowohl die Aufnahmeelemente als auch die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte, welche in diesen Aufnahmeelementen angeordnet ist, axial überschneidend zu den Anschlussdrähten angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung befindet sich auf der den Ankerwicklungen und den Anschlussdrähten zugewandten Seite die Stromschiene in den zugehörigen Aufnahmeelementen der Bürstenfassung. Auf der axial gegenüberliegenden Seite ist in weiteren Aufnahmeelementen, die an der Außenseite der Bürstenfassungen angeordnet sind, die Bürstenplatte aufgenommen. Im Prinzip kommt aber auch eine umgekehrte Ausführung in Betracht, bei der die Bürstenplatte auf der den Ankerwicklungen zugewandten Seite und die Stromschiene auf der den Ankerwicklungen abgewandten Seite an der Bürstenfassung angeordnet sind.
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Die Aufnahmeelemente an den Bürstenfassungen sind, gemäß vorteilhafter Ausführung, winkelförmig ausgeführt. Die Winkelform umfasst einen axialen und einen radialen Abschnitt, die zusammen eine L-Form bilden und eine radial nach innen oder nach außen gerichtete Aufnahmeöffnung zur Aufnahme der Stromschiene bzw. Bürstenplatte begrenzen. Vorteilhafterweise befinden sich an beiden gegenüberliegenden axialen Stirnseiten der Bürstenfassungen derartige, winkelförmige Aufnahmeelemente, so dass sowohl die Stromschiene als auch die Bürstenplatte in den Aufnahmeelementen aufgenommen werden können. Diese Ausführung ermöglicht es, die Bürstenfassungen mechanisch auf die Stromschiene und die Bürstenplatte, die axial zueinander beabstandet sind, aufzusetzen.
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Es kann zweckmäßig sein, die Aufnahmeöffnung in den Aufnahmeelementen auf Seiten der Stromschiene und/oder der Bürstenplatte in Achsrichtung so zu dimensionieren, dass die aufgenommene Stromschiene bzw. Bürstenplatte mit Spiel aufgenommen ist.
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Bei radial nach außen offener Aufnahmeeinrichtung werden die Bürstenfassungen radial von innen nach außen auf die Stromschiene bzw. die Bürstenplatte aufgeschoben. Bei radial nach innen offenen Aufnahmeelementen erfolgt die Befestigung der Bürstenfassungen entsprechend in umgekehrter radialer Richtung. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, dass die Aufnahmeeinrichtungen zur Aufnahme der Stromschiene und die Aufnahmeeinrichtungen zur Aufnahme der Bürstenplatte in radial entgegengesetzte Richtungen offen ausgebildet sind.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung sind die Aufnahmeelemente einteilig mit den Bürstenfassungen ausgebildet. Die Bürstenfassungen sind aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und bestehen beispielsweise aus Kunststoff oder einem Sintermaterial.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Bürste als Mehrschichtbürste ausgeführt, die in Umfangs- bzw. Drehrichtung des Kollektors aus mindestens zwei verschiedenen Schichten aufgebaut ist. Die Schichten sind beispielsweise als Leistungsschicht und als Kommutierungsschicht ausgebildet, die sich in ihrem elektrischen Widerstand unterscheiden können; zweckmäßigerweise besitzt die Leistungsschicht einen kleineren elektrischen Widerstand als die Kommutierungsschicht. Die Leistungsschicht liegt beispielsweise in Drehrichtung vorne und die Kommutierungsschicht hinten. Es kann vorteilhaft sein, dass sich sämtliche Schichten der Bürste über die gesamte axiale Bürstenlänge erstrecken.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Starterritzel, das axial über ein Starterrelais verstellbar und über einen elektrischen Startermotor drehend anzutreiben ist,
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2 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine, die beispielsweise als elektrischer Startermotor eingesetzt wird, mit einer Darstellung der Kommutierungseinrichtung,
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3 in perspektivischer Ansicht die Verbindung zwischen einer Bürstenfassung der Kommutierungseinrichtung und einer ringförmigen Stromschiene,
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4 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine im Bereich der Kommutierungseinrichtung in einer Ausführungsvariante,
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5 einen Schnitt durch eine Mehrschichtbürste.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Antriebswelle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist, beispielsweise über ein Steilgewinde. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Relaiswicklung 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition umgesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung auf die Antriebswelle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe 12, das insbesondere als ein Planetengetriebe ausgeführt ist, mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Antriebswelle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt. Der Startermotor 11 ist beispielsweise als permanenterregter Motor mit Permanentmagneten an der Statorinnenseite ausgebildet und weist einen mit der Rotorwelle verbundenen Anker mit Ankerwicklungen auf, die über eine Kommutierungseinrichtung bestromt werden.
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Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch eine kinematische Kopplung des Schaltgliedes mit der Stellbewegung des Hubankers 8 der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Antriebswelle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.
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Die Startvorrichtung 1 ist mit einer Freilaufeinrichtung versehen, die als Rollenfreilauf 14 ausgebildet ist. Der Einrückhebel 9 wirkt auf ein Federelement 13, das einen Mitnehmer 15 des Rollenfreilaufs 14 axial kraftbeaufschlagt, wobei mit dem Mitnehmer 15 ein Ritzel- bzw. Rollenbund 16 des Rollenfreilaufs 14 zusammenwirkt und der Ritzelbund 16 einteilig mit dem Starterritzel 2 ausgebildet ist. Der Rollenfreilauf 14 erlaubt eine Übertragung der Drehbewegung in Antriebsrichtung des elektrischen Startermotors 11. Sobald jedoch nach dem Starten der Brennkraftmaschine 4 die Drehgeschwindigkeit des Zahnkranzes 3 so hoch wird, dass die Antriebsrichtung umgekehrt wird, wird über den Rollenfreilauf 14 die kinematische Kopplung zwischen Mitnehmer 15 und Ritzelbund 16 aufgehoben.
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2 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine 11 im Bereich der Kommutierungseinrichtung 25. Die elektrische Maschine 11 weist in einem Gehäuse 20, das ein Statorgehäuse bildet und stirnseitig von einem Kommutatorlagerdeckel 21 verschlossen ist, eine Rotorwelle 23 auf, die in einem Lager 22 im Lagerdeckel 21 drehbar gelagert ist. Fest mit der Rotorwelle 23 ist ein Anker 24 verbunden, der Träger von Ankerwicklungen ist, welche über die Kommutierungseinrichtung 25 bestromt werden.
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Die Kommutierungseinrichtung 25 umfasst einen rotorseitigen Kollektor 26 sowie einen Bürstenapparat bzw. -halter 27, der eine statorseitig angeordnete Bürstenplatte 28 mit Bürstenfassungen 29 und darin aufgenommenen Bürsten 30 umfasst. Über den Umfang verteilt sind mehrere Bürsten 30 in jeweils einer Bürstenfassung 29 angeordnet, von denen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bürsten ein zusammengehörendes Bürstenpaar bilden, von denen eine Bürste eine positive und die gegenüberliegenden Bürste eine negative Polarität aufweisen. Jede Bürste 30 ist in der Bürstenfassung 29 radial verschieblich aufgenommen und wird durch die Kraft eines in der Bürstenfassung 29 abgestützten Federelementes 31 radial in Richtung auf den Kollektor 26 kraftbeaufschlagt. Die radial innen liegende Stirnseite der Bürste 30 liegt auf Kontakt zur Mantelfläche des Kollektors 26, der über den Umfang verteilt mehrere Lamellen aufweist, welche elektrisch voneinander separiert sind und jeweils über Anschlussdrähte 37 mit den Ankerwicklungen des Ankers 24 verbunden sind. Die Anschlussdrähte 37 sind einenends über Befestigungselemente 38 mit den Lamellen des Kollektors 26 verbunden. Anderenends sind die Anschlussdrähte 37 mit den Wicklungsenden der Ankerwicklungen verbunden; es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die Anschlussdrähte 37 von den Wicklungsenden der Ankerwicklungen gebildet sind. Die Anschlussdrähte 37 auf der Mantelfläche des Kollektors 26 erstrecken sich axial nur über eine verhältnismäßig kurze Teillänge des Kollektors 26.
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An der Innenseite des Gehäuses 20 befinden sich über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 32, deren Feld mit dem Feld der Ankerwicklungen interagiert.
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Die Bürstenfassung 29 ist auf seiner dem Anker 24 zugewandten Außenseite mit einem winkelförmigen Aufnahmeelement 35 versehen, das einteilig mit der Bürstenfassung 29 ausgeführt ist. Das Aufnahmeelement 35 ist L-förmig ausgeführt und weist eine radial nach innen weisende Aufnahmeöffnung auf, in die eine ringförmige Stromschiene 36 eingeführt ist.
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Die Stromschiene 36 und die Bürstenplatte 28 befinden sich axial auf gegenüberliegenden Außenseiten der Bürstenfassung 29. Auch die Bürstenplatte 28 kann in einem winkelförmigen Aufnahmeelement aufgenommen sein.
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Die Relativpositionierung der Bürstenfassung 29 sowie seine Dimensionierung sind so ausgeführt, dass das Aufnahmeelement 35, das dem Anker 24 zugewandt ist, sich radial außerhalb der Anschlussdraht 37 einschließlich des Befestigungselementes 38 befindet. In Achsrichtung – bezogen auf die Motorlängsachse 34 – gibt es eine Überschneidung zwischen dem Anschlussdraht 37 und dem Aufnahmeraum 35, die sich in den radial oberhalb des Anschlussdrahts 37 befindlichen Bereich hinein erstreckt. Die Außenseite der Stromschiene 36 endet axial etwa in Höhe der freien Stirnseite des Anschlussdrahts 37.
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Diese Ausführung ermöglicht eine axial verhältnismäßig groß bauende Bürstenfassung 29 und dementsprechend eine axial große Bürste 30, wodurch die Bürste ein entsprechend großes Volumen einnimmt.
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Der perspektivischen Ansicht gemäß 3 ist zu entnehmen, dass das Aufnahmeelement 35 einteilig mit der Bürstenfassung 29 ausgebildet ist und die Stromschiene 36 teilweise umgreift.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht im Wesentlichen demjenigen nach 2, jedoch mit dem Unterschied, dass das Aufnahmeelement 35 zur Aufnahme der Stromschiene 36 radial nach außen offen ausgeführt ist. In Achsrichtung überschneiden sich die Positionen von Anschlussdraht 37 und Aufnahmeelement 35. In Radialrichtung gesehen liegt das Aufnahmeelement 35 einschließlich der darin aufgenommenen Stromschiene 36 außerhalb des Anschlussdrahts 37.
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Sowohl bei 2 als auch bei 4 ist die Außenwand der Bürstenfassung 29 der Stirnseite des Anschlussdrahts 37 axial unmittelbar vorgelagert, jedoch mit axialem Abstand angeordnet.
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Wie 2 und 4 in Verbindung mit 5 zu entnehmen, ist die Bürste 30 als Zweischichtbürste ausgebildet und umfasst zwei Schichten 30a und 30b, die sich hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften voneinander unterscheiden. Die beiden Schichten 30a und 30b sind fest miteinander verbunden, die Schicht 30a liegt in Drehrichtung vorne und ist als Leistungsschicht ausgebildet, die in Drehrichtung hinten liegende Schicht 30b bildet die Kommutierungsschicht. Dementsprechend gelangt beim Umlaufen zunächst die Leistungsschicht 30a in Kontakt mit einer Lamelle des Kollektors 26 und erst anschließend die Kommutierungsschicht 30b in Kontakt mit der betreffenden Lamelle. Die Leistungsschicht 30a weist insbesondere einen geringeren elektrischen Widerstand auf als die Kommutierungsschicht 30b. Beide Schichten 30a, 30b erstrecken sich über die gleiche axiale Länge der Bürste.
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Die beschriebene Ausführungsform der Bürste betrifft sämtliche Bürsten der Kommutierungseinrichtung. Je nach Ausführung können unterschiedlich viele Bürsten in der Kommutierungseinrichtung vorhanden sein, beispielsweise vier oder sechs Bürsten. Die Bürstenplatte 28 kann zwischen der Stirnseite des Gehäuses 20 und dem Lagerdeckel 21 eingeklemmt sein. Es ist aber auch möglich, die Bürstenplatte am Gehäuse oder am Lagerdeckel anzuschrauben.
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Des Weiteren kommt auch eine elektrische Erregung des Motors 11 in Betracht, so dass anstelle von Permanentmagneten elektrische Wicklungen an der Innenseite des Gehäuses 20 angeordnet sind. Die Kommutierungseinrichtung kann ggf. anstatt auf der dem Lagerdeckel 21 zugewandten Seite auf der axial gegenüberliegenden Seite im Motor 11 angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007013137 U1 [0002]
- DE 102010063688 A1 [0002]
- DE 102009002725 A1 [0002]
