DE69513655T2

DE69513655T2 - Mehrfachgeschwindigkeitsmotor

Info

Publication number: DE69513655T2
Application number: DE69513655T
Authority: DE
Inventors: Daniel Bexten; Larry Shannon; David Welch
Original assignee: Lear Automotive Dearborn Inc
Current assignee: Lear Automotive Dearborn Inc
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2015-05-18
Also published as: TW264585B; US5485049A; MX9605750A; US5594290A; KR970703056A; CN1051655C; CN1149937A; EP0761035B1; CA2190356A1; BR9507881A; JPH10503640A; ES2142482T3; JP2966525B2; EP0761035A1; DE69513655D1; WO1995032543A1

Description

Gebiet der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gleichstrommotoren und insbesondere auf Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotoren mit zwei Geschwindigkeiten, die eine Konfiguration mit zwei Polen und drei Bürsten oder eine Konfiguration mit vier Polen und sechs Bürsten aufweisen.

Stand der Technik

Eine übliche Anwendung für einen Gleichstrommotor mit zwei Geschwindigkeiten ist die als Antriebsmotor zum Antrieb der Scheibenwischer eines Motorfahrzeugs bei geringer Geschwindigkeit oder hoher Geschwindigkeit. Typischerweise positioniert der Antrieb des Motorfahrzeugs einen Wischerschalter entweder auf eine Einstellung mit niedriger Geschwindigkeit oder eine Einstellung mit hoher Geschwindigkeit, wobei durch zugeordnete elektronische Schaltungen elektrischer Strom geleitet wird, um den Gleichstrommotor anzutreiben. Ein Typ eines üblicherweise verwendeten Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten weist drei Bürsten auf, mit einer Niedriggeschwindigkeitsbürste, einer Hochgeschwindigkeitsbürste und einer gemeinsamen Erdungsbürste, um den Wicklungen des Ankers des Motors Strom zu liefern. Jede der Bürsten kontaktiert einen auf der Ankerwelle angebrachten und sich mit dieser drehenden Kommutator. Ein Paar der Bürsten, im allgemeinen die Niedriggeschwindigkeitsbürste und die gemeinsame Erdungsbürste, sind in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung im wesentlichen 180º voneinander beabstandet angeordnet. Beim Betrieb des Motors wird Strom von einer Stromquelle durch die Niedriggeschwindigkeitsbürste zu dem Kommutator geleitet, von dort durch die Motorwicklungen und zurück zur Stromquelle durch die gemeinsame Erdungsbürste, die im wesentlichen umfangsmäßig um 180º von der Niedriggeschwindigkeitsbürste beabstandet positioniert ist.
Wenn der Niedriggeschwindigkeitsbürste Strom geliefert wird, arbeitet der Motor zunächst mit geringerer Drehzahl (weniger U/min), und die Scheibenwischer wischen mit geringerer Geschwindigkeit, beispielsweise mit 45 Zyklen pro Minute. Wenn es erwünscht ist, den Motor mit einer zweiten, höheren Geschwindigkeit zu betreiben, wird der Strom statt dessen den Wicklungen durch die Hochgeschwindigkeitsbürste zugeführt, die in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung zu und zwischen der Niedriggeschwindigkeits- und der gemeinsamen Erdungsbürste positioniert ist. Wie es dem Fachmann leicht verständlich ist, wird, wenn der Strom dem Motor durch diese dritte Bürste zugeführt wird, die umfangsmäßig der gemeinsamen Erdungsbürste näher liegt als die Niedriggeschwindigkeitsbürste, die Drehzahl des Motors auf eine zweite höhere Drehzahl (U/min) heraufgesetzt und die Scheibenwischer wischen mit höherer Geschwindigkeit, beispielsweise mit 65 Zyklen pro Minute. Die relative Differenz zwischen der niedrigeren Drehzahl und der höheren Drehzahl des Motors wird durch die Versetzung, d. h. den Beabstandungswinkel der Hochgeschwindigkeitsbürste von der gemeinsamen Erdungsbürste bestimmt.
Ein beim Betrieb von Gleichstrommotoren mit zwei Geschwindigkeiten auftretendes, inhärentes Problem ergibt sich aus dem elektrischen Verschleiß, üblicherweise Erosion genannt, der Endflächen der Hochgeschwindigkeitsbürste. Diese Erosion wird durch elektrische Bogenbildung verursacht, die auftritt, wenn der Kontakt zwischen der Bürstenendfläche und dem Kommutator unterbrochen wird. Aufgrund der Positionierung der Hochgeschwindigkeitsbürste derart, daß eine Kommutation mit den Ankerwicklungen auftritt, wenn die Wicklungen außerhalb der Neutralzone des durch die Feldmagneten des Motors hergestellten Magnetfelds hindurchlaufen, der durch Permanentmagnetpole oder gewickelte Elektromagnetpole gebildet werden kann, ist die Bogenbildung stärker als die bei der Niedriggeschwindigkeits- und gemeinsamen Erdungsbürste auftretende, die so positioniert sind, daß eine Kommutation mit den Ankerwicklungen stattfindet, wenn die Wicklungen innerhalb der Neutralzone der durch die Feldmagneten hergestellten Magnetfelder hindurchlaufen.
Die Erosion der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste resultiert in einer Verschiebung der effektiven Kontaktlinie zwischen der Bürste und dem Kommutator, wenn die Hochgeschwindigkeitsbürste während der Frühphase ihrer Betriebslebensdauer aufsitzt, typischerweise etwa über die ersten paar hundert Stunden Betrieb des Motors. Damit verschiebt sich die effektive Kontaktlinie zwischen der Hochgeschwindigkeitsbürste und dem Kommutator zur Vorderkante der Bürste von ihrer Anfangsposition am Zentrum der Bürste weg, wo die Kontaktlinie positioniert war, als der Motor für einen Test der Spezifikation vor der Inbetriebnahme betrieben wurde.
Ein Variationsversuch in der Bürstenkonfiguration ist in der FR-A 2 366 735 gezeigt. In diesem Dokument ist eine Bürste so positioniert, daß sich die Kontaktfläche während der Verwendung so verschiebt, daß die Winkelbeabstandung zwischen der Hochgeschwindigkeitsbürste und der Niedriggeschwindigkeitsbürste sich im Lauf der Zeit verändert. Es ist äußerst wünschenswert, jegliche Verschiebung in der Position der Hochgeschwindigkeitsbürste und der effektiven Kontaktlinie zwischen der Hochgeschwindigkeitsbürste und dem Kommutator zu verhindern. Diese Verschiebung in der effektiven Kontaktlinie hat einen nachteiligen Einfluß auf die Motorleistung, da sie eine Zunahme der Drehzahl des Motors bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb über die gewünschte Drehzahl des Motors bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb ergibt, was bewirkt, daß die Scheibenwischer bei der Hochgeschwindigkeitseinstellung mit bis zu 75 bis 80 Zyklen pro Minute statt der gewünschten 65 Zyklen pro Minute wischen. Für einen eingefahrenen Motor kann die tatsächliche Hochgeschwindigkeitsdrehzahl um einiges über der hohen Drehzahl liegen, die während des Spezifikationstests gemessen wurde, und tatsächlich außerhalb des zulässigen Bereichs von Spezifikationsgeschwindigkeiten liegen.

Abriß der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mehrfachgeschwindigkeits-Gleichstrommotor bereitzustellen, der eine minimale Hochgeschwindigkeitsverschiebung aufweist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die effektive Kontaktlinie zwischen einer Hochgeschwindigkeitsbürste und der Kommutator-Kontaktfläche so vorgesehen, daß die Hochgeschwindigkeitsbürste im wesentlichen so verbleibt, wie sie bei der Installierung positioniert war.
Die Erfindung stellt einen Mehrfachgeschwindigkeits- Gleichstrom-Elektromotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 der beigefügten Ansprüche bereit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Endfläche der zwischen der Niedriggeschwindigkeits- und der gemeinsamen Erdungsbürste angeordneten Hochgeschwindigkeitsbürste eine nicht-gekrümmte Endfläche auf, die im Gegensatz zu der herkömmlichen gekrümmten Bürstenendfläche keiner Geschwindigkeitsverschiebungserosion ausgesetzt ist. Die nicht-gekrümmte Endfläche ist aus zwei versetzten Oberflächen konfiguriert, welche sich schneiden, um eine Kontaktlinie zwischen der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste und dem Kommutator vorzusehen, die von der Mittellinie der Hochgeschwindigkeitsbürste um eine vorgewählte umfangsmäßige Beabstandung in einer Richtung entgegen der Drehrichtung des Motors verschoben ist, d. h. zur Vorderkante der Bürste hin. Die sich schneidenden Oberflächen können entweder flache, planare Oberflächen oder konturierte Oberflächen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste eines zweipoligen Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten und drei Bürsten, die zwischen der diametral entgegengesetzten Niedriggeschwindigkeitsbürste und der gemeinsamen Erdungsbürste angeordnet ist, eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die sich an einer Schnittlinie schneiden, welche die Kontaktlinie mit dem Kommutator des Motors bildet, wenn die Zwischenbürste in ihrer Betriebsposition angeordnet ist, wobei die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche in einem spitzen Winkel versetzt ist und die Größe des Versetzungwinkels zwischen der ersten und zweiten Oberfläche entsprechend dem Durchmesser, auf dem die Bürste angeordnet ist, variiert. In einer spezifischen Aus führungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Gleichstrom-Kleinstmotor mit zwei Geschwindigkeiten umfaßt, der besonders gut zur Verwendung als Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug-Scheibenwischersystem geeignet ist, weist der Motor einen Kommutator auf, der einen Durchmesser von etwa 0,860 Inch (etwa 21,84 mm) hat, wobei die ersten und zweiten Oberflächen der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste flache planare Oberflächen umfassen und die ersten und zweiten flachen planaren Oberflächen sich unter einem Versetzungswinkel schneiden, der zwischen 10º und 15º und optimal bei einem Winkel von etwa 13º liegt, und die eine Kontaktlinie liefern, welche etwa 0,025 Inch (etwa 0,635 mm) einwärts der Vorderkante der Hochgeschwindigkeitsbürste gelegen ist, statt an der mittleren Breitenlinie der etwa 0,20 Inch (etwa 5,15 mm) breiten Bürste gelegen zu sein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Kraftfahrzeug-Scheibenwischersystems, das einen Gleichstrommotor mit zwei Geschwindigkeiten verwendet,
Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten,
Fig. 3 eine vergrößerte Schnitt-Endansicht längs Linie 3-3 von Fig. 2, welche die Dreibürstenkonfiguration des Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten darstellt,
Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht zur Darstellung der herkömmlichen Konfiguration nach dem Stand der Technik der Endflächen der diametral entgegengesetzten Niedriggeschwindigkeitsbürste und gemeinsamen Erdungsbürste des Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten von Fig. 3,
Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht zur Darstellung der Oberfläche der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste des Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten von Fig. 3, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist,
Fig. 6 eine vergrößerte Seitenansicht zur Darstellung der Oberfläche der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste des Gleichstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten von Fig. 3, der gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, und
Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht zur Darstellung der Oberfläche der Endfläche der Hochgeschwindigkeitsbürste eines vierpoligen Mehrfachgeschwindigkeits-Gleichstrommotors mit sechs Bürsten, der gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Die Erfindung wird im folgenden in ihrer Anwendung auf einen Gleichstrom-Kleinstmotor mit zwei Geschwindigkeiten des allgemein als Antriebsmotor bei Kraftfahrzeug- Scheibenwischersystemen verwendeten Typs beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfindung allgemein auf andere Arten von dynamoelektrischen Mehrfachgeschwindigkeitsvorrichtungen anwendbar ist, welche Bürsten verwenden, die zumindest in den Frühstadien des Betriebs einer starken Bogenbildung unterworfen sind.
In Fig. 1 ist ein relativ typisches Wischersystem 100 für die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs schematisch dargestellt. Im allgemeinen umfaßt ein solches Wischersystem einen Wischer- Modusschalter 110, typischerweise einen Multifunktionsschalter oder eine Mehrzahl mechanisch gekoppelter Schalter, einen Gleichstrommotor 120 mit zwei Geschwindigkeiten, der eine Niedriggeschwindigkeitsbürste 22, eine Hochgeschwindigkeitsbürste 24 und eine gemeinsame Erdungsbürste 26 aufweist, einen elektronischen Treiber und Controller 130, der funktionsmäßig mit dem Wischer-Modusschalter 110 und dem Motor 120 verbunden ist, ein Potentiometer 140, das funktionsmäßig mit dem Treiber und Controller 130 verbunden ist, um eine einstellbare Verzögerung für den intermittierenden Wischerbetrieb zu liefern, sowie ein Paar Wischer 150, die betätigbar sind, um die Windschutzscheibe des Fahrzeugs zu wischen und die funktionsmäßig mit dem Motor 120 verknüpft sind, um durch den Motor 120 selektiv entweder mit einer relativ geringen Geschwindigkeit oder einer relativ hohen Geschwindigkeit als Antwort auf die Einstellung des Wischer-Modusschalters 110 angetrieben zu werden.
In Fig. 2 ist ein zweipoliger Gleichstrom-Kleinstmotor mit zwei Geschwindigkeiten und drei Bürsten des üblicherweise in einem typischen Kraftfahrzeug-Wischersystem 100 als Antriebsmotor 120 verwendeten Typs dargestellt. Der Antriebsmotor 120 weist ein Gehäuse 10 mit einem Paar entgegengesetzter länglicher Magnetpole 20 auf, die darin angebracht sind, wobei jeder der Magnetpole Permanentmagneten umfaßt, die typischerweise die Form einer Sektion eines zylindrischen Mantels aufweisen, obwohl die Magnetpole auch gewickelte Elektromagnete statt der Permanentmagnete umfassen können. Ein Anker 30, der aus einer Mehrzahl von Drahtwicklungen 33 besteht, ist auf einer axial langgestreckten Ankerwelle 35 gelagert, um innerhalb des Gehäuses 10 so zu rotieren, daß die Drahtwicklungen 33 durch das zwischen den Permanentmagneten 20 erzeugte Magnetfeld rotieren. Wie am besten aus dem gleichzeitigen Bezug auf die Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind die drei Bürsten 22, 24 und 26 auf eine herkömmliche Weise auf einer Bürstenkarte 28 so angebracht, daß die Endfläche jeder der Bürsten gegen einen an der Ankerwelle 35 angebrachten Kommutator 40 anliegt. Der Kommutator 40 ist zwar in den Zeichnungen als ein typischer trommelförmiger Kommutator dargestellt, der aus einer Mehrzahl sich in Axialrichtung erstreckender, umfangsmäßig angeordneter, eng beabstandeter Kommutatorlamellen 42 besteht, die eine radiale äußere Kommutations-Kontaktfläche bereitstellen, es ist jedoch erkennbar, daß der Kommutator 40 auch vom Plattentyp sein kann, der eine Endfläche aufweist, welche eine Kommutations-Kontaktfläche liefert. Im Betrieb wird den Drahtwicklungen 33 auf herkömmliche Weise durch den Kommutator 40 Strom zugeführt, indem Strom von einer Energiequelle, z. B. dem elektrischen System des Fahrzeugs, entweder der Niedriggeschwindigkeitsbürste 22 oder der Hochgeschwindigkeitsbürste 24 zugeführt wird, wobei der Stromkreis durch die gemeinsame Erdungsbürste 26 geschlossen wird.
Die Niedriggeschwindigkeitsbürste 22 und die gemeinsame Erdungsbürste 26 sind in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung im wesentlichen 180º voneinander beabstandet angeordnet, d. h. an entgegengesetzten Seiten des Kommutators diametral entgegengesetzt beabstandet, und sind relativ zu den gepaarten Permanentmagneten 20 so positioniert, daß ein Kontakt zwischen den Endflächen 23 und 27 der Niedriggeschwindigkeitsbürste 22 bzw. der gemeinsamen Erdungsbürste 26 und dem Kommutator 40 derart erfolgt, daß eine Kommutation mit den Ankerwicklungen stattfindet, wenn die Wicklungen die neutrale Zone der gepaarten Permanentmagnete 20 passieren.
Die Hochgeschwindigkeitsbürste 24 ist in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung mit sowie zwischen der Niedriggeschwindigkeitsbürste 22 und der gemeinsamen Erdungsbürste 26 positioniert und gegenüber der Niedriggeschwindigkeitsbürste 22 um einen vorgewählten spitzen Winkel, beispielsweise etwa 60º, versetzt. Wie es jedoch dem Fachmann leicht erkennbar ist, ist die relative Differenz zwischen der Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute (U/min) des Motors bei hoher Geschwindigkeit im Vergleich zu niedriger Geschwindigkeit durch die Größe des Beabstandungswinkels X zwischen der Niedriggeschwindigkeitsbürste und der Hochgeschwindigkeitsbürste bestimmt, und damit ist der gewählte Beabstandungswinkel von der Anwendung des Motors und der gewünschten Beziehung zwischen hoher und niedriger Geschwindigkeit abhängig. Bei dieser Positionierung jedoch ist die Hochgeschwindigkeitsbürste 24 so gelegen, daß eine Kommutation mit der Ankerwicklung erfolgt, wenn die Wicklung außerhalb der Neutralzone der gepaarten Permanentmagnete 20 passiert. Infolgedessen ist die Hochgeschwindigkeitsbürste 24 einer stärkeren Erosion nahe dem hinteren Bereich ihrer Endfläche 27 ausgesetzt, was derjenige Bereich seiner Endfläche ist, an dem der Kommutator 40 außer Kontakt mit der Endfläche kommt, d. h. der nachgeschaltete Bereich der Endfläche bezüglich der Drehung des Kommutators, im Vergleich zu einer etwaigen Erosion, die bezüglich der angeordneten Bürsten 22 und 26 auftreten kann.
Da die Bürsten 22 und 26 so angeordnet sind, daß eine Kommutation mit den Ankerwicklungen erfolgt, wenn die Wicklungen die Neutralzone der Magnete 20 passieren und deshalb keiner starken Erosion ausgesetzt sind, werden die Endflächen 23 und 27 der Bürsten 22 bzw. 26 mit einer herkömmlichen bogenförmigen Oberfläche konfiguriert. Typischerweise umfaßt diese bogenförmige Oberfläche, wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, einen Winkel eines Kreises mit einem Krümmungsradius, der größer ist als der Radius des Kommutators 40, gegen den die Endflächen 23 und 27 der Bürsten 22 bzw. 26 anliegen. Infolgedessen berühren die Bürsten 22 und 26, die innerhalb der neutralen Zone der gepaarten Permanentmagnete 20 angeordnet sind, die Oberfläche des Kommutators 40 längs einer Kontaktlinie 41, die sich axial über die Tiefe der bogenförmigen Endflächen 23 bzw. 27 mit größerem Radius längs der mittleren Breitenlinie im zentralen Bereich derselben erstrecken.
Gemäß den Fig. 5 und 6 ist die Endfläche 25 der zwischen den diametral entgegengesetzten Bürsten 22 und 26 gelegenen Bürste 24, die so gelegen ist, daß eine Kommutation der Ankerwicklungen erfolgt, wenn die Wicklungen außerhalb des Neutralbereichs der Magnetpole passiert und in der dargestellten Ausführungsform des Motors 120 die Hochgeschwindigkeitsbürste umfaßt, in der Kontur nicht-bogenförmig, und ist durch eine erste Oberfläche 55, 57 sowie eine zweite Oberfläche 65, 67 gebildet, welche zueinander um einen spitzen Winkel Y versetzt sind, der vorteilhafterweise geringer als 25º ist, und schneiden sich, um eine sich axial erstreckende Kontaktlinie 43 mit dem Kommutator 40 zu liefern, die nicht im Zentralbereich der Endfläche 25 gelegen ist, sondern vielmehr vom Zentralbereich derselben um eine gewünschte Umfangsbeabstandung zum Vorderrand 21 der Endfläche 25 und vom Hinterrand 29 der Endfläche 25 der Bürste 24 weg verschoben ist. Die ersten bzw. zweiten Oberflächen 55, 57 bzw. 65, 67 können flache, planare Oberflächen oder bogenförmige Oberflächen umfassen. Idealerweise sollte die Kontaktlinie 43 so nahe wie möglich am Vorderrand 21 der Bürste 24 gelegen sein, ohne einen Zustand zu schaffen, bei dem der Vorderrand der Bürste in die Schlitze zwischen den Kommutatorlamellen fallen würde. Auf diese Weise wird die Endfläche 25 der Bürste 24 anfänglich so konfiguriert, daß sie die Endfläche einer herkömmlichen bogenförmigen Bürste simuliert, die über eine ausreichende Betriebszeit hinweg einer Erosion ausgesetzt war, um voll aufzusitzen. Daher verändert bzw. verschiebt die Kontaktlinie 43 zwischen dem Kommutator und der Bürste 24 mit einer nichtbogenförmigen Endfläche 25, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, ihre Position nicht, sondern verbleibt im wesentlichen so, wie sie bei der Installation positioniert wurde. Folglich vergrößert sich die Geschwindigkeit des Motors 120, der mit der gemäß der vorliegenden Erfindung konfigurierten Bürste 24 ausgestattet ist, nicht beim Einlaufen des Motors, sondern verbleibt im wesentlichen auf derselben Drehzahl wie der in Zusammenhang mit dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei der Inbetriebnahme.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 5 weist die Endfläche 25 der Bürste 24 eine erste flache, planare Oberfläche 55 und eine zweite flache, planare Oberfläche 65 auf, wobei sich die flachen, planaren Oberflächen an einer Schnittlinie schneiden, welche die Kontaktlinie 43 mit dem Kommutator 40 bildet. Die erste flache, planare Oberfläche 55 erstreckt sich einwärts vom Vorderrand 21 der Bürste 24 und am vorteilhaftesten mit dem Vorderrand 21, d. h. dem vorgeschalteten Rand der Bürste bezüglich der Drehung des Kommutators 40, senkrecht zur Schnittlinie 43, und die zweite flache, planare Oberfläche 65 erstreckt sich einwärts vom Hinterrand 29 der Bürste 24, d. h. dem nachgeschalteten Rand derselben in bezug auf die Drehung des Kommutators 40 zur Schnittlinie 43. Die zweite planare Oberfläche 65 ist jedoch von der ersten planaren Oberfläche 55 um einen spitzen Winkel Y versetzt. Die Größe des Versetzungwinkels Y variiert von Motor zu Motor entsprechend dem Durchmesser des Kommutators 40, auf dem die Bürsten 24 aufsitzen.
In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem zweipoligen Gleichstrom- Kleinstmotor mit drei Bürsten und zwei Geschwindigkeiten, der besonders geeignet ist zur Verwendung als Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug-Scheibenwischersystem und eine Bürstenkonfiguration beinhaltet, wie sie in Fig. 5 veranschaulicht ist, weist der Motor einen Kommutator mit einem Durchmesser von etwa 0,860 Inch (etwa 21,34 mm) auf, die beiden diametral entgegengesetzten Bürsten umfassen eine Niedriggeschwindigkeitsbürste bzw. eine gemeinsame Erdungsbürste, die so angeordnet sind, daß sie eine Kommutation der Ankerwicklungen bewirken, wenn die Wicklungen innerhalb der Neutralzone der Magnetpole passieren, wobei die Hochgeschwindigkeitsbürste zwischen der Niedriggeschwindigkeitsbürste und der gemeinsamen Erdungsbürste positioniert ist. So gelegen, erfolgt eine Kommutation der Ankerwicklungen an der Hochgeschwindigkeitsbürste, wenn die Wicklungen außerhalb der Neutralzone der Magnetpole passieren. Die ersten und zweiten planaren Oberflächen der Hochgeschwindigkeitsbürste umfassen flache, planare Oberflächen, welche sich unter einem Versetzungswinkel zwischen 10º und 15º und optimal unter einem Winkel von etwa 13º schneiden, und an einer Kontaktlinie, die etwa 0,025 Inch (etwa 0,635 mm) einwärts vom Vorderrand der Bürste gelegen ist, die eine Breite von etwa 0,203 Inch (etwa 5,15 mm) aufweist. Für diese spezifische Ausführungsform stellte sich heraus, daß die Lokalisierung der durch die sich schneidenden Ebenen in einem Abstand von 25 Tausendstel Inch einwärts vom Vorderrand der Hochgeschwindigkeitsbürste angemessen war, um sicherzustellen, daß die Schlitze zwischen den Lamellen des sich drehenden Kommutators reibungslos unter der Bürste hindurchgehen, ohne daß der Vorderrand derselben in die Schlitze hineinfällt, während gleichzeitig eine Konfiguration bereitgestellt wird, die vom Standpunkt der Herstellung leicht zu bewerkstelligen ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 6 weist die Endfläche 25 der Bürste 24 eine erste konturierte Oberfläche 57 und eine zweite konturierte Oberfläche 67 auf, welche bogenförmige Oberflächen umfassen, die sich an einer die Kontaktlinie 43 mit dem Kommutator bildenden Schnittlinie schneiden. Die erste bogenförmige Oberfläche 57 erstreckt sich vom Vorderrand 21 der Bürste 24 einwärts zur Schnittlinie 43, während sich die zweite bogenförmige Oberfläche 67 einwärts vom Hinterrand 29 der Bürste 24 zur Schnittlinie 43 erstreckt. Wie bei den flachen, planaren Oberflächen ist die zweite bogenförmige Oberfläche 67 gegenüber der ersten bogenförmigen Oberfläche 57 um einen spitzen Winkel Y versetzt, und die Größe dieses Versetzungswinkels hängt wiederum vom Kommutatordurchmesser ab.
Wie zu erkennen ist, kann die Endfläche 25 der Zwischenbürste 24 mit sich schneidenden Oberflächen konfiguriert sein, von denen beide weder flache, planare Oberflächen noch bogenförmige Oberflächen sind, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise könnte die Endfläche 25 der Bürste 24 gemäß Fig. 5 so modifiziert sein, daß sie eine flache, planare Oberfläche und eine bogenförmige Oberfläche umfaßt, wobei entweder die vordere Oberfläche 55 flach oder bogenförmig und die hintere Oberfläche 65 demgegenüber bogenförmig oder flach ist. Wenn eine oder beide der sich schneidenden Oberflächen eine bogenförmige Oberfläche ist, kann diese bogenförmige Oberfläche ferner nach innen konkav sein, wie in Fig. 6 dargestellt ist, oder im Gegensatz dazu nach außen konvex, oder, im Fall einer Endfläche mit zwei sich schneidenden, bogenförmigen Oberflächen, könnte eine konvex und die andere konkav sein, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung findet auch Anwendung auf vierpolige Mehrgeschwindigkeitsmotoren, wie den in Fig. 7 dargestellten, wobei sechs Bürsten vorgesehen sind, um eine Kommutation der Ankerwicklungen auszuführen. In einem vierpoligen Motor sind vier Magnetpole in umfangsmäßig gleich beabstandeten Intervallen um das Innere des Motorgehäuses vorgesehen. Die Magnetpole können Permanentmagnete oder gewickelte Elektromagnete umfassen. Ein aus einer Mehrzahl von Drahtwicklungen gebildeter Anker ist auf einer axial langgestreckten Ankerwelle gelagert, um sich innerhalb des Motorgehäuses so zu drehen, daß die Ankerwicklungen das zwischen den Magnetpolen erzeugte Magnetfeld passieren.
Die sechs Bürsten 82, 84, 86, 92, 94 und 96 sind auf herkömmliche Art und Weise auf einer Bürstenkarte so angebracht, daß die Endfläche jeder der Bürsten gegen einen an der Ankerwelle 35 angebrachten Kommutator 40 anliegen. Wie in der herkömmlichen Praxis umfassen zwei Bürsten 82 und 92 Niedriggeschwindigkeitsbürsten, zwei Bürsten 84 und 94 umfassen gemeinsame Erdungsbürsten, und zwei Bürsten 86 und 96 umfassen Hochgeschwindigkeitsbürsten. Die beiden gemeinsamen Erdungsbürsten 84 und 94 sind parallel verdrahtet und in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung im wesentlichen um 180º voneinander angeordnet, d. h. zueinander diametral entgegengesetzt an entgegengesetzten Seiten des Kommutators 40. Die beiden Niedriggeschwindigkeitsbürsten 82 und 92 sind parallel verdrahtet und ebenfalls in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung im wesentlichen 180º voneinander angeordnet, d. h. diametral entgegengesetzt voneinander an entgegengesetzten Seiten des Kommutators 40, sie sind jedoch in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung mit den gemeinsamen Erdungsbürsten 84 und 94 mit einer Beabstandung von im wesentlichen 90º angeordnet. Die Niedriggeschwindigkeitsbürsten 82 und 9-2 und die gemeinsamen Erdungsbürsten 84 und 94 sind bezüglich der vier Magnetpole so angeordnet, daß eine Kommutation der Ankerwicklungen erfolgt, wenn die Wicklungen die Neutralzonen der durch die vier Magnetpole erzeugten Magnetfelder passieren.
Die beiden Hochgeschwindigkeitsbürsten 86 und 96 sind parallel verdrahtet und in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung im wesentlichen 180º voneinander angeordnet, d. h. diametral entgegengesetzt zueinander an entgegengesetzten Seiten des Kommutators 40, und sind auch in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung mit und zwischen den Niedriggeschwindigkeitsbürsten 82 bzw. 92 und gemeinsamen Erdungsbürsten 84 bzw. 94 angeordnet. Die Hochgeschwindigkeitsbürste 86 ist von der Niedriggeschwindigkeitsbürste 82 und die Hochgeschwindigkeitsbürste 96 von der Niedriggeschwindigkeitsbürste 92 um einen spitzen Beabstandungswinkel Z von beispielsweise etwa 30º versetzt. Wie jedoch dem Fachmann leicht erkennbar ist, ist die relative Differenz zwischen der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) des Motors bei hoher Geschwindigkeit im Vergleich zur niedrigen Geschwindig keit durch die Größe des Beabstandungswinkels 2 zwischen den Niedriggeschwindigkeitsbürsten und den Hochgeschwindigkeitsbürsten bestimmt, und damit hängt der gewählte Beabstandungswinkel von der Anwendung des Motors und der gewünschten Beziehung zwischen hoher Geschwindigkeit und niedriger Geschwindigkeit ab.
So positioniert, sind die Hochgeschwindigkeitsbürsten 86 und 96 jedoch derart gelegen, daß eine Kommutation der Ankerwicklungen erfolgt, wenn die Wicklungen außerhalb der Neutralzone der vier Polmagnete passieren. Infolgedessen sind die Hochgeschwindigkeitsbürsten einer stärkeren Erosion nahe dem hinteren Bereich ihrer betreffenden Endflächen ausgesetzt, im Vergleich zu einer etwaigen Erosion, die bezüglich der Bürsten 82, 84, 92 und 94 auftreten kann. Daher ist jede der Hochgeschwindigkeitsbürsten 86 und 96 des vierpoligen Motors gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung mit einer nichtbogenförmigen Endfläche konfiguriert, die durch erste und zweite sich schneidende Oberflächen gebildet ist, welche zueinander um einen Winkel Y so versetzt sind, daß sie sich zur Bildung einer Kontaktlinie 83 mit dem Kommutator 40 schneiden, die nicht im Zentralbereich der Endfläche gelegen ist, sondern vielmehr vom Zentralbereich derselben um eine gewünschte Umfangsbeabstandung zum Vorderrand der Endfläche hin verschoben ist. Wie in bezug auf die zweipolige Motorkonfiguration festgestellt wurde, können die ersten und zweiten planaren Oberflächen entweder flache, planare Oberflächen oder bogenförmige, planare Oberfläche sein und, falls sie bogenförmig sind, entweder konvex oder konkav sein.

Claims

1. Mehrfachgeschwindigkeits-Gleichstrom-Elektromotor (120) mit:

mindestens zwei Magnetpolen (20), die in einem Motorgehäuse (10) in zusammenwirkender Beziehung zum Erzeugen eines Magnetfeldes angeordnet sind,

einer Rotorbaugruppe mit einer Ankerwindung (33), die um eine axial langgestreckte Ankerwelle (35) zur Rotation innerhalb des Magnetfelds, das durch die Magnetpole (20) erzeugt wird, angeordnet ist, und mit einem Kommutator (40), der auf der Ankerwelle (35) angebracht und elektrisch mit der Ankerwindung (33) verbunden ist, wobei der Kommutator (40) eine Kommutations-Kontaktoberfläche bietet,

eine Niedriggeschwindigkeitsbürste (22), die in zusammenwirkender Beziehung zu der Rotorbaugruppe angeordnet ist und eine Endfläche (25) besitzt, die mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkt,

eine gemeinsame Erdungsbürste (26), die in zusammenwirkender Beziehung mit der Rotorbaugruppe angeordnet ist und eine Endfläche (25) besitzt, die mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkt, wobei die Niedriggeschwindigkeitsbürste (22) und die gemeinsame Erdungsbürste (26) funktionsmäßig zugeordnet sind, um den Motor (120) zur Rotation bei einer ersten verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit zu veranlassen, wenn ein elektrischer Strom an die Niedriggeschwindigkeitsbürste (22) geliefert wird, und

eine Hochgeschwindigkeitsbürste (24), die in zusammenwirkender Beziehung zu der Rotorbaugruppe und in beabstandeter Beziehung zu und zwischen der Niedriggeschwindigkeitsbürste (22) und der gemeinsamen Erdungsbürste (26) angeordnet ist, wobei die Hochgeschwindigkeitsbürste (24) und die gemeinsame Erdungsbürste (26) funktionsmäßig zugeordnet sind, um den Motor (120) zur Rotation bei einer zweiten relativ hohen Geschwindigkeit zu veranlassen, wenn ein elektrischer Strom an die Hochgeschwindigkeitsbürste (24) geliefert wird, wobei die Hochgeschwindigkeitsbürste (24) eine Endfläche (25) besitzt, die mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkt, wobei die Endfläche (25) der Hochgeschwindigkeitsbürste (24) eine erste Oberfläche (55) und eine zweite Oberfläche (65, 67) besitzt, welche sich an einer Schnittlinie (43) schneiden, die die Kommutations- Kontaktoberfläche des Kommutators (40) nach Einbau der Hochgeschwindigkeitsbürste (24) in den Motor berührt, wobei die Schnittlinie (43) von einem Mittelbereich der Endfläche (25) der Hochgeschwindigkeitsbürste (24) in einer Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung des Motors (120), das heißt zur Vorderkante (21) der Hochgeschwindigkeitsbürste hin versetzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Schnittlinie (43) um einen Betrag versetzt ist, der vorgewählt ist, um die Position einer effektiven Kontaktlinie zwischen der Hochgeschwindigkeitsbürste und der Kommutations- Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zu simulieren, die sich sonst aufgrund von Erosion der Hinterkante der Hochgeschwindigkeitsbürste einstellen würde, wenn die Hochgeschwindigkeitsbürste eingelaufen ist.

2. Ein Mehrfachgeschwindigkeits-Gleichstrom- Elektromotor mit vier Polen und sechs Bürsten gemäß Anspruch 1 mit:

vier Magnetpolen, die in dem Motorgehäuse (10) angeordnet sind,

einem Paar Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92), die parallel verkabelt und in zusammenwirkender Beziehung zu der Rotorbaugruppe in diametral gegenüberliegender Beziehung auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorbaugruppe angeordnet sind, wobei jede der Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) eine Endfläche besitzt, die mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkt,

einem Paar gemeinsamer Erdungsbürsten (84, 94), die parallel verkabelt und in zusammenwirkender Beziehung zu der Rotorbaugruppe in diametral gegenüberliegender Beziehung auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorbaugruppe angeordnet sind, wobei das Paar gemeinsamer Erdungsbürsten (84, 94) umfangsmäßig um 90º von dem Paar der Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) beabstandet ist, wobei jede der gemeinsamen Erdungsbürsten (84, 94) eine mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkende Endfläche besitzt, wobei jede der Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) funktionsmäßig einer jeweiligen der gemeinsamen Erdungsbürsten (84, 94) zugeordnet ist, um den Motor zur Rotation bei einer ersten relativ langsamen Geschwindigkeit zu veranlassen, wenn ein elektrischer Strom an die Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) geliefert wird, und

einem Paar Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) die parallel verkabelt und in zusammenwirkender Beziehung zu der Rotorbaugruppe in diametral gegenüberliegender Beziehung auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorbaugruppe angeordnet sind, wobei das Paar der Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) zwischen dem Paar Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) und dem Paar Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) angeordnet ist, wobei jede der Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) umfangsmäßig um einen spitzen Winkel von einer jeweiligen der Niedriggeschwindigkeitsbürsten (82, 92) beabstandet ist, wobei jede der Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) funktionsmäßig einer jeweiligen der gemeinsamen Erdungsbürsten (84, 94) zugeordnet ist, um den Motor bei einer zweiten relativ hohen Geschwindigkeit zur Rotation zu veranlassen, wenn ein elektrischer Strom an die Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) geliefert wird, wobei jede der Hochgeschwindigkeitsbürsten (86, 96) eine Endfläche (25) besitzt, die mit der Kommutations-Kontaktoberfläche des Kommutators (40) zusammenwirkt, wobei die Endfläche (25) jeder Hochgeschwindigkeitsbürste eine erste Oberfläche (55) und eine zweite Oberfläche (65) besitzt, die sich an einer Schnittlinie (43) zum Berühren der Kommutations- Kontaktoberfläche des Kommutators (40) schneiden, wobei die Schnittlinie (43) von einem Mittelbereich der Endfläche (25) jeder Hochgeschwindigkeitsbürste weg versetzt ist.

3. Ein Gleichstrom-Elektromotor (120) gemäß Anspruch 1 mit:

einem Paar Permanentmagnetpolen (20), die in dem Motorgehäuse (10) in zusammenwirkender Beziehung zum Erzeugen · eines Magnetfelds angeordnet sind.

4. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und zweiten Oberflächen (55, 65) jeweils flache planare Oberflächen aufweisen.

5. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und zweiten Oberflächen (57, 67) jeweils bogenförmige Oberflächen aufweisen.

6. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Oberflächen eine flache planare Oberfläche aufweist.

7. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Oberflächen eine bogenförmige Oberfläche aufweist.

8. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Oberflächen voneinander um einen Winkel von weniger als 25º versetzt sind,

9. Ein Gleichstrom-Elektromotor gemäß Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Oberflächen voneinander um einen Winkel im Bereich von 10 bis 15º versetzt sind.