DE10157604A1

DE10157604A1 - Kohlebürstenführung

Info

Publication number: DE10157604A1
Application number: DE10157604A
Authority: DE
Inventors: Diethard Schaut
Original assignee: SCHUNK ITALIA Srl
Current assignee: SCHUNK ITALIA Srl
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-06-05
Also published as: CN1618151B; EP1449282A1; KR100925338B1; DE50211854D1; ATE388510T1; CN1618151A; KR20040068158A; ES2301694T3; EP1449282B1; WO2003047051A1; AU2002352128A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlebürstenführung (10) für insbesondere eine Mehrschichtkohlebürste (12), hergestellt aus einem zumindest kohlebürstenseitig mit einer Isolationsschicht (20) versehenen Metallblech. Um eine entsprechende Kohlebürstenführung als Massenartikel kostengünstig herzustellen, wobei gleichzeitig eine geringe Geräuschentwicklung auftreten soll, wird vorgeschlagen, dass das Metallblech (42) der Kohlebürstenführung ein eine Zinnschicht aufweisendes Stahlblech ist, das mit einem Anstrichstoff als die Isolationsschicht versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlebürstenführung für insbesondere eine Mehrschichtkohlebürste hergestellt aus einem zumindest kohlebürstenseitig mit einer Isolationsschicht versehenen Metallblech.
Bei Kohlebürstenführungen - auch Kohlebürstenhalter genannt - handelt es sich um Massenartikel, die jährlich mit ca. 40 Mio. Stück für Schichtkohlebürsten, die überwiegend in Waschmaschinenmotoren zum Einsatz gelangen, hergestellt werden. Entsprechende Kohlebürstenhalter bestehen üblicherweise aus Messingblech, da hierdurch eine gute elektrische Leitfähigkeit gegeben ist. Auch zeigt Messingblech Vorteile in Bezug auf die Verarbeitbarkeit, d. h. geringe Werkzeugkosten fallen an.
Werden in entsprechende aus elektrisch leitendem Material bestehende Halter Schichtkohle eingebracht, so ist zur Vermeidung eines Kurzschlussstroms ein großes axiales und radiales Spiel zu wählen, wobei das axiale Spiel größer als das radiale Spiel ist. Radial und axial beziehen sich dabei auf den Kommutator, auf den sich die Schichtkohlebürste abstützt. Da Waschmaschinenmotoren sowohl rechts- als auch linksdrehend arbeiten, kippt infolgedessen die Kohlebürste und läuft über die Bürstenkante. Hierdurch kommt es zur Geräuschbildung. In der Kippstellung haben die Kohleriegel der Schichtkohlebürsten linienförmigen Kontakt mit dem Kohlebürstenhalter und lassen somit einen Kurzstrom zu, so dass hohe Wicklungs- und Kollektortemperaturen auftreten.
Um entsprechende Kohlebürstenführungen bzw. -halter auch dort einzusetzen, wo eine hohe Luftfeuchtigkeit herrscht, wird zur Vermeidung von Grünspanbildung galvanisch beschichtetes Messingblech wie vernickeltes Messingblech eingesetzt.
Messingbleche sind jedoch teuer sind, so dass alternativ beidseitig messingplattierte Stahlbleche als Kohlebürstenhaltermaterial benutzt worden sind. Nachteilig ist jedoch, dass die Bearbeitung aufwendig ist und somit relativ hohe Werkzeugkosten anfallen.
Ferner sind Kohlebürstenhalter bzw. -führungen aus Stahlblech bekannt, das jedoch wegen der Rostanfälligkeit Nachteile zeigt.
Aus der EP 0 358 812 A1 ist ein Metallbürstenköcher für eine Mehrschichtbürste bekannt, bei dem die Führungswände mit einer Isolationsschicht aus Polytetrafluoräthylen beschichtet sind. Damit das Polytetrafluoräthylen eine hinreichende Haftung auf dem Blechmaterial aufweist, wird es flammgespritzt und anschließend gesintert. Das diesbezügliche Auftragsverfahren ist nicht nur teuer, sondern zeigt zudem den Nachteil, dass die Schicht eine relativ große Dicke bei relativ großen Toleranzen aufweist mit der Folge, dass die von entsprechend ausgebildeten Kohlebürsteführungen aufgenommene Kohlebürsten ein unerwünschtes Spiel aufweisen, das einerseits zu einer Geräuschbildung führt und andererseits zu einem relativ hohen Verschleiß der Kohlebürsten. Würde man entsprechende Schichten aus Polytetrafluoräthylen durch zum Beispiel Sprayen aufbringen, so ergäben sich zwar dünnere Schichten, die jedoch keine mechanische Festigkeit in einem Umfang aufweisen, dass ein Einsatz in Kohlebürstenhaltern technisch vertretbar wäre.
Der US 3,983,432 ist eine Kohlebürstenhalterung zu entnehmen, die eine aus Kunststoff bestehende Trägerplatte aufweist, in der aus Metall bestehende Führungen für Kohlebürsten eingebracht sind.
In der EP 0 547 437 A2 ist ein aus einem Messingblech bestehendes Führungsrohr für eine Kohlebürste beschrieben, das in einem aus einem Isolierwerkstoff bestehenden Bürstengehäuse einsetzbar und in diesem verrastbar ist.
Bei einer Kohlehalteranordnung nach der EP 1 117 160 A1 besteht eine Trägerplatte aus Kunststoff, in der zueinander beabstandet aus Metall bestehende Kohlebürstenführungsabschnitte fixiert sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kohlebürstenführung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese als Massenartikel kostengünstig herstellbar ist. Dabei soll im Betrieb eine geringe Geräuschentwicklung auftreten. Auch soll eine Reduzierung des Kohlebürstenverschleißes erreichbar sein.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Metallblech ein eine Zinnschicht aufweisendes Stahlblech ist, das mit einem Anstrichstoff als die Isolationsschicht versehen ist. Dabei handelt es sich bei dem Anstrichstoff insbesondere um einen Lack wie Phenolharzlack, Epoxidharzlack oder Polystyrollack, ohne dass hierdurch eine Einschränkung des die Isolationsschicht bildenden Anstrichstoffes erfolgen soll.
Der Anstrichstoff selbst sollte mit einer Dicke D_a mit 0,01 mm ≤ D_a ≤ 0,05 mm auf das verzinnte Stahlblech aufgetragen sein. Sofern das Stahlblech von einem Coil abgezogen wird, kann ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess durchgeführt werden, um anschließend das beschichtete vom Coil abgezogene Stahlblech durch einen Durchlaufofen zu führen und auszuhärten. Üblicherweise erfolgt dies bei der Verwendung von Epoxidharzlacken über einen Zeitraum zwischen 10 und 20 Minuten bei einer Temperatur zwischen 180°C und 220°C. Durch diese Maßnahmen lassen sich insbesondere definierte und gleichmäßige Schichtdicken, also solche in engen Toleranzen herstellen. Ungeachtet der geringen Schichtdicke von zum Beispiel im Bereich von 0,02 mm ergibt sich eine hinreichende Isolationswirkung bei sehr guter mechanischer Beständigkeit.
Erfindungsgemäß wird folglich ein Weißblech benutzt, das kostengünstig zur Verfügung gestellt werden kann und bei geringen Werkzeugkosten leicht verarbeitbar ist. Die Gefahr eines Rostens oder Ausbildung von Grünspan erwächst nicht. Folglich werden die Nachteile bekannter Kohlebürstenführungen vermieden bei gleichzeitiger Beibehaltung deren Vorteile.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Kohlebürste und der Kohlebürstenführung ein axiales Spiel und/oder ein radiales Spiel besteht, dass der DIN- Norm 43008 entspricht, eine Möglichkeit, die der Stand der Technik nicht erfüllen kann. Hierdurch ergibt sich eine exakte Führung der Kohlebürste mit der Folge einer Reduzierung der Geräuschbildung auf ein Minimum. Gleichzeitig wird eine unerwünschte Temperaturerhöhung des Systems Kohlebürstenführung-Bürste und Kollektor und deren Wicklung vermieden, so dass infolgedessen der Kohlebürstenverschleiß reduziert werden kann.
Vergleichsmessungen haben überraschenderweise gezeigt, dass bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Kohlebürstenführung gegenüber einer solchen aus Messing eine Verschleißreduzierung von 15-20% erreichbar ist. Dies wiederum bedeutet, dass geforderte Standzeiten von Motoren mit einer um 15-20% kürzeren Baulänge der Kohlebürste gegenüber den zur Zeit zum Einsatz gelangenden erreicht werden kann. Infolgedessen kann der Raumbedarf des Motors reduziert werden. Auch Materialeinsparungen ergeben sich. Umgekehrt können bei Beibehaltung der üblicherweise zum Einsatz gelangenden Kohlebürsten Serviceintervalle gestreckt werden, wodurch insbesondere bei gewerblich bzw. halbgewerblich wie z. B. In Mietanlagen genutzten Motoren Vorteile gegeben sind.
Nach einem weiteren Vorschlag ist vorgesehen, dass das verzinnte Stahlblech abschnittsweise unbeschichtet ist, also kein elektrisch isolierendes Material aufweist. Der entsprechende Bereich kann dann als Funktionsabschnitt einer fertigen Kohlebürste wie Anschlussfahne für einen elektrischen Leiter benutzt werden.
Um eine erfindungsgemäße Kohlebürstenführung in einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Trägerplatte wie Lagerschild einzusetzen, ist vorgesehen, dass die Kohlebürstenführung von einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Aufnahme wie Gehäuse aufgenommen ist.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Kohlebürstenführung beidseitig mit einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht zu versehen.
Die ebenfalls insbesondere aus Epoxidharzlack, Polystyrollack oder Phenolharzlack bestehende elektrisch isolierende Schicht sollte auch außenseitig eine Dicke zwischen 0,001 mm und 0,05 mm aufweisen. Gegebenenfalls kann die Außenfläche der Kohlebürstenführung allein in Bereichen mit dem elektrisch isolierenden Material versehen sein, indem die Verbindung mit einer Trägerplatte erfolgt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsformen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Kohlebürstenführung mit Schichtkohlebürste,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die Kohlebürstenführung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 Abschnitte eines Metallblechs,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer in einer nach dem Stand der Technik ausgebildeten Kohlebürstenführung mit in dieser angeordneten Kohlebürste,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Kohlebürstenführung,
Fig. 6 eine Detail der Kohlebürstenführung gemäß Fig. 5 und
Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Trägerplatte einer Kohlehalteranordnung.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Kohlebürstenführung 10 - auch Kohlehalter genannt - dargestellt, die im Ausführungsbeispiel eine Schichtkohlebürste 12 geführt aufnimmt, ohne dass hierdurch die Erfindung eingeschränkt wird. Die Schichtkohlebürste 12 besteht gemäß Ausführungsbeispiel aus zwei Kohleriegeln 14, 16, die gegeneinander über eine Isolierschicht 18 getrennt sind. Eine entsprechende Schichtkohlebürste 12 wird zum Beispiel in Waschmaschinenmotoren eingesetzt.
Die Kohlebürstenführung 10 besteht erfindungsgemäß aus einem Abschnitt eines kaltgewalzten Stahlblechs einer Dicke D_s von in etwa 0,5 mm, das eine Zinnschicht aufweist, die zum Beispiel elektrolytisch aufgebracht sein kann. Die Dicke der Zinnschicht kann zum Beispiel 2 g Zinn/m² Stahlblechfläche betragen, um nur beispielhaft Werte anzugeben. Ein entsprechendes verzinntes Stahlblech wird auch als Weißblech bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist das Weißblech kohlebürstenseitig mit einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht 20 versehen, bei der es sich insbesondere um eine Lackschicht wie Phenolharzlack, Epoxidharzlack oder Polystyrollackschicht handeln kann. Die Dicke der aus dem elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht sollte im Bereich zwischen 0,001 mm und 0,05 mm liegen, wobei bevorzugter Bereich 0,01 mm-0,03 mm ist. Die Schicht 20 kann auf das Weißblech in einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess aufgetragen werden, insbesondere dann, wenn das Weißblech von einem Coil abgezogen wird. Die aufgebrachte Lackschicht kann sodann in einem Durchlaufofen ausgehärtet werden, wobei eine Verweildauer zwischen 10 und 20 Minuten bei einer Temperatur zwischen 180°C und 220°C ausreicht.
Entsprechend dünne Isolationsschichten weisen eine hinreichende mechanische Stabilität bei gleichzeitig ausreichenden elektrisch isolierenden Eigenschaften auf. Hierdurch bedingt kann eine enge geometrische Anpassung der Kohlebürstenführung 10 an die Kohlebürste 12 mit der Folge vorgenommen werden, dass radiales Spiel S_r und axiales Spiel S_a bezogen auf die Drehachse eines Kommutators sehr klein ausfallen können. Dabei kann das radiale Spiel und das axiale Spiel derart eingestellt werden, dass der DIN-Norm 43008 vollständig entsprochen wird. Hierdurch bedingt kann beim Betrieb die Geräuschbildung nahezu unterdrückt werden. Gleichzeitig wird eine unerwünschte Erwärmung einerseits des Systems Kohlebürstenführung 10 und Kohlebürste 12 und andererseits des Kollektors und der Akerwicklung reduziert, wodurch sich eine Reduzierung des Verschleißes der Kohlebürste 12 ergibt.
Diese Vorteile ergeben sich nach dem Stand der Technik nicht, wie anhand der Fig. 4 verdeutlicht werden soll. In Fig. 4 sind rein prinzipiell Begrenzungswandungen 22, 24 eines aus Messing bestehenden Kohlehalters dargestellt, um eine Schichtkohlebürste 26 axial zu führen, die ihrerseits auf einem Kommutator 28 zur Stromübertragung aufliegt. Um Kurzschlüsse zu reduzieren, muss das axiale und radiale Spiel zwischen Kohlebürste 26 und Kohlebürstenführung relativ groß gewählt werden, wobei das axiale Spiel größer als das radiale Spiel ist. Bei einem Einsatz in Waschmaschinen, die sowohl rechts- als auch linksdrehend arbeiten, kippt die Kohlebürste 26 und liegt mit ihren Kohleriegeln 30, 32 linienförmig (Bereiche 34, 36) an den Wandungen 22, 24 an, so dass ein Kurzschlussstrom fließt. Als Folge hiervon treten hohe Wicklungs- und Kollektortemperaturen auf, die zu einem erhöhten Verschleiß führen. Auch ist die Geräuschbildung relativ groß.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kohlebürstenführung 10 und der engen Geometrieanpassung an die Außengeometrie der Schichtkohlebürste 12 ist eine Reduzierung des axialen und radialen Spiels mit der Folge gegeben, dass die unerwünschten Temperaturerhöhungen unterbleiben und eine Geräuschentwicklung reduziert bzw. nahezu völlig vermieden wird. Ferner haben Vergleichsmessungen mit aus Messing bestehenden Kohlebürstenführungen ergeben, dass eine Verschleißreduzierung einer von einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kohlebürstenführung aufgenommenen Kohlebürste zwischen 15 und 20% erfolgt. Somit kann bei Einhaltung geforderter Standzeiten eine Kohlebürste mit einer um 15-20% kürzerer Baulänge zum Einsatz gelangen, wodurch sich wiederum der Raumbedarf des Motors reduziert und zudem ein geringerer Materialeinsatz erforderlich ist. Umgekehrt würden dann, wenn Kohlebürsten üblicher Länge eingesetzt werden, die Serviceintervalle verlängert werden, ein Vorteil, der insbesondere bei gewerblich bzw. halbgewerblich genutzten Motoren erheblich ist.
Ist anhand der Fig. 1 und 2 erläutert worden, dass eine erfindungsgemäße aus verzinntem Stahlblech bestehende Kohlebürstenführung 10 nur kohlebürstenseitig mit einem elektrisch isolierendem Material wie mit einem Lack beschichtet ist, so besteht auch die Möglichkeit, eine Kohlebürstenführung 40 innen- und außenflächig zu beschichten, wie anhand der Fig. 5 und 6 verdeutlicht wird. Die Kohlebürstenführung 40 besteht ebenfalls aus einem aus verzinntem Stahlblech bestehenden Grundkörper 42, der innen- und außenflächig mit einer insbesondere aus Epoxidharzlack bestehenden elektrisch isolierenden Schicht 44, 46 beschichtet ist, deren Dicke im Bereich zwischen 0,001 mm und 0,05 mm liegt. Die entsprechende Kohlebürstenführung 40 kann sodann unmittelbar in einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Trägerplatte wie Motorschild 42 eingesetzt werden, ohne dass es einer zusätzlichen Isolierung bedarf. Würde dagegen die Kohlebürstenführung 10 gemäß der Fig. 1 und 2 in eine entsprechende Trägerplatte eingesetzt werden, so müsste die Kohlebürstenführung 10 zunächst von einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Aufnahme wie Gehäuse eingebracht werden, das seinerseits mit der Trägerplatte verbunden wird.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird von der Kohlebürstenführung 40 grundsätzlich auch eine Schichtkohlebürste 44 aufgenommen, die in bekannter Weise aus Kohleriegeln 46, 48 und einer zwischen diesen verlaufenden Isolierschicht 50 besteht.
Des Weiteren kann die Kohlebürstenführung 40 in gewohnter Weise Federbäuche 52, 54 aufweisen.
Das für die Kohlebürstenführung 10, 40 benutzte verzinnte Stahlblech kann - wie die Fig. 3 verdeutlichen soll - vollständig (linke Darstellung) oder teilweise (rechte Darstellung der Fig. 3) mit der aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht wie der Lackschicht versehen sein. Der unbeschichtete Bereich, der in Fig. 3 mit den Bezugszeichen 56 versehen ist, kann als Funktionsabschnitt benutzt werden. Der unbeschichtete Abschnitt oder Streifen 56 kann zum Beispiel als elektrisches Anschlussteil beim Ausstanzen der Abwicklung des Bürstenhalters aus dem von einem Coil oder einem Streifen abgezogenen verzinnten Stahlblech benutzt werden.

Claims

1. Kohlebürstenführung (10, 40) für insbesondere eine Mehrschichtkohlenbürste (12, 44), bestehend aus zumindest kohlebürstenseitig mit einer Isolationsschicht (20, 44) versehenem Metallblech (42), dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (42) der Kohlebürstenführung (10, 40) ein eine Zinnschicht aufweisendes Stahlblech ist, das mit einem Anstrichstoff als die Isolationsschicht (20, 44) versehen ist.

2. Kohlebürstenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstrichstoff ein Lack ist oder diesen enthält.

3. Kohlebürstenführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack ein Phenolharzlack, ein Epoxidharzlack und/oder ein Polystyrollack ist oder diesen enthält.

4. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstrichstoff eine Dicke D_a mit 0,001 mm ≤ D_a ≤ 0,05 mm aufweist.

5. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech eine Dicke D_s mit 0,1 mm ≤ D_s ≤ 0,8 mm aufweist.

6. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech eine Dicke D_s von in etwa 0,5 mm aufweist.

7. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kohlebürste (12) und der Kohlebürstenführung (10) bestehendes axiales Spiel und/oder radiales Spiel der DIN-Norm 43008 entspricht.

8. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech abschnittsweise unbeschichtet ist.

9. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech in einem Bereich (56) unbeschichtet ist, der Funktionsabschnitt der Kohlebürstenführung ist.

10. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürstenführung (10) von einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Aufnahme wie Gehäuse aufgenommen ist, die ihrerseits mit einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Trägerplatte wie Lagerschild verbunden ist.

11. Kohlebürstenführung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürstenführung (40) innen- und außenseitig eine Schicht (44, 46) aus dem Anstrichstoff wie insbesondere dem Lack aufweist.