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Dokumentenidentifikation DE4438868A1 15.05.1996
Titel Kohlebürste für Gleichstrommotor
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Eckstein, Dietrich, Dipl.-Ing. (FH), 77876 Kappelrodeck, DE;
Bertsch, Hans, 77839 Lichtenau, DE;
Bohnert, Michael, 77889 Seebach, DE
DE-Anmeldedatum 03.11.1994
DE-Aktenzeichen 4438868
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse H01R 39/26
IPC additional class // H02K 11/00  
Zusammenfassung Eine Kohlebürste (3) für einen Gleichstrommotor, insbesondere für einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor, bei dem die Welligkeit des Stroms, die bei der Kommutierung des Motorstroms des Gleichstrommotors entsteht, mit Hilfe einer elektronischen Schaltung erfaßbar ist und die Frequenz der Welligkeit als ein Maß für die Drehzahl auswertbar ist, wird vorgeschlagen, daß deren Lauffläche (1, 2) derart gestaltet ist, daß zwei definierte, möglichst weit auseinander liegende im wesentlichen punkt- bzw. linienförmige Auflageflächen (4, 5) zwischen der Kohlebürste (3) und der bzw. den kontaktierten Lamellen (6, 7) des Kollektors (8) des Gleichstrommotors vorhanden sind. Dadurch werden von Anfang an die Stromripples verbessert und Fehlsignale vermieden.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kohlebürste für einen Gleichstrommotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Es ist allgemein bekannt, den Wechselanteil des Stromes ("Welligkeit") von Gleichstrommotoren als Maß für die Drehzahl des Motors zu erfassen, auszuwerten und auszunutzen. Dabei gibt es zwei Verfahren. Bei dem ersten Verfahren, dem sogenannten Nulldurchgangsverfahren, verläuft das Stromwelligkeitssignal im Mittel glatt und nach Eliminination des Gleichstromanteils werden die Nulldurchgänge erfaßt. Ein Beispiel dafür ist in der DE 35 27 906 A1 beschrieben.

Bei dem zweiten Verfahren, dem sogenannten ripple-count- Verfahren, verläuft das Signal wegen ungleicher Teilspulen auf Grund von Fertigungstoleranzen mit einer niederfrequenten Modulation, zusätzlich zur höherfrequenten Welligkeit. Es ergeben sich dabei lokale Minima und Maxima, bei denen Minima absolut höhere Werte als Maxima aufweisen können. Daher ist eine lokale Erfassung mittels eines aufwendigen, differenzierenden Verfahrens erforderlich.

Es ist auch bekannt, wie in einem Aufsatz "Unkonventionelle Drehzahlmessung und -regelung bei Gleichstrommotoren" von M. Birk, Elektronik 25/14. 12. 1987, S. 71, 72, beschrieben, die Drehzahl inkremental aus der Kommutierungswelligkeit des Ankerstroms zu bestimmen. Dazu wird eine an einem Meßwiderstand im Motorstromkreis abfallende Spannung über einen Kondensator kapazitiv ausgekoppelt und einem Filter zugeführt. Das Filter wird dabei adaptiv über den ganzen Drehzahlbereich mitgefahren, d. h. die Eckfrequenzen sind drehzahlabhängig veränderbar. Am Ausgang des Filters steht die aus der Kommutierungswelligkeit ausgefilterte Grundschwingung zur Verfügung. Die Frequenz dieses Signals ist proportional zur Drehzahl. Es ist hier ein erheblicher schaltungstechnischer Aufwand notwendig.

In der älteren Patentanmeldung DE-44 22 083 der Anmelderin ist ein Verfahren und eine Anordnung angegeben, mit deren Hilfe oben genannte Probleme mit geringem Aufwand schaltungstechnischer und kostenmäßiger Art gelöst werden.

Eine andere Problemquelle liegt, wie die Praxis in diesem Zusammenhang gezeigt hat, darin, daß durch die übliche Gestaltung der Lauffläche der verwendeten Kohlebürsten zusätzliche digitale Signale dort auftreten, wo sie nicht auftreten sollten. Im Zusammenhang mit einem Teil der Fig. 1 und mit Fig. 5 ist dies anschließend näher erläutert. Kurz gesagt besteht durch die herkömmliche Gestaltung der Lauffläche der Kohlebürste, besonders wenn diese neu und noch nicht eingelaufen ist, eine räumlich und zeitlich zu geringe Überdeckung. Dies führt insbesondere bei leichtem geometrischem Versatz der zusammenarbeitenden Kohlebürsten zu zusätzlichen, unerwünschten Falschsignalen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäß gestaltete Kohlebürste mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei geometrischem Versatz der zusammenarbeitenden Kohlebürsten ein hoher Überdeckungsgrad geometrisch wie zeitlich durch die weit auseinander liegenden Auflage- bzw. Kontaktflächen sichergestellt ist, so daß eine Generierung von Falschsignalen allein hierdurch bereits vermieden wird. Dies erlaubt letztlich einen geringeren Aufwand schaltungstechnischer und kostenmäßiger Art für eine zuverlässige Erfassung und Signalaufbereitung der Stromwelligkeit. Gemäß vorliegender Erfindung, kann insbesondere bei neuen Kohlebürsten von Anbeginn des Betriebs an ein fehlerfreies Signal geliefert werden, was bei Verwendung der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürsten in einem Gleichstrommotor mit Stromripplesteuerung zu der Möglichkeit führt, die Signalauswertung mit besonders einfachen und herkömmlichen Mitteln durchzuführen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lauffläche der Kohlebürste im Querschnitt gesehen dach- bzw. V-förmig gestaltet oder gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung mittig mit einer Ausnehmung, insbesondere in Form einer Nut, versehen. Hierbei kann die Lauffläche, neben ebener bzw. gerader Gestaltung, auch bogen-, insbesondere kreisbogenförmig sein.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Kohlebürste aus zwei Teilen bestehen, die elektrisch parallel geschaltet und in Andruckrichtung gegeneinander verschiebbar sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Teile, aus denen die Kohlebürste bestehen kann, gleich. Sie werden spiegelbildlich zur Kohlebürste zusammengesetzt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in Seitenansicht im oberen Teil der Figur die erfindungsgemäß gestaltete Kohlebürste und im unteren Teil zum Vergleich dazu eine Kohlebürste mit herkömmlich gestalteter Lauffläche;

Fig. 2 schematisch in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste, nämlich aus zwei Teilen bestehend;

Fig. 3 schematisch in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste, bei welcher eine nutenförmige Ausnehmung im mittleren Bereich der Lauffläche vorgesehen ist;

Fig. 4 schematisch in Seitenansicht eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste, bei welcher wie bei der Ausführungsform von Fig. 3 eine nutenförmige Ausnehmung im mittleren Bereich der Lauffläche vorgesehen ist, die jedoch aus zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen besteht;

Fig. 5 schematisch ein Diagramm analoger und daraus gewonnener digitaler Signale, generiert mit Kohlebürsten herkömmlicher Art, und

Fig. 6 schematisch ein Diagramm ähnlich dem in Fig. 5, jedoch generiert mit Hilfe von Kohlebürsten, deren Lauffläche gemäß der Erfindung gestaltet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist schematisch in Seitenansicht im oberen Teil der Figur die erfindungsgemäß gestaltete Kohlebürste 3 mit ihren beiden V-förmig zueinander geneigten Laufflächen 1 und 2 dargestellt. Gleichzeitig ist in Fig. 1 im unteren Teil zum Vergleich dazu eine Kohlebürste 13 mit herkömmlich gestalteter gerundeter Lauffläche dargestellt, deren Radius größer ist als der Radius des Kollektors 8 mit seinen Lamellen 6 und 7.

Kohlebürsten mit relativ großem Radius der Lauffläche, wie mit der herkömmlich gestalteten Kohlebürste 13 im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt, werden aus Geräuschgründen gewählt. Dies hat zur Folge, daß solche Kohlebürsten nur eine einzige punkt- bzw. linienförmige Auflagefläche 133 mit den Lamellen des Kollektors 8 bilden. Dies führt zu sehr kurzen Kommutierungszeiten. Bei nur geringfügigem geometrischem Versatz der Auflageflächen, die ja fast linienförmig sind, der beiden zusammenarbeitenden kohlebürsten, entstehen zwei kurze aufeinander folgende Ripples, wie sie beispielhaft im unteren Teil der Fig. 5 jeweils beim Stromimpuls 4 und 6 im analogen Verlauf des Kommutierungsstroms 50 dargestellt sind. Dort sind weiterhin mit 51 die als "Stromripple" bezeichneten höckerförmigen Spitzen im Verlauf des Kommutierungsstroms 50 gezeigt. Im oberen Teil der Fig. 5 ist der digitale Signalverlauf 52 dargestellt, der durch eine nicht dargestellte Auswertelektronik aus dem Verlauf des Kommutierungsstroms 50 gewonnen wird. Diese Generierung der digitalen Signale kann dabei z. B. abhängig sein von der Steilheit und/oder der Größe der jeweiligen Minima und Maxima im Verlauf des Kommutierungsstroms 50. Durch die Auswertelektronik werden die auf Grund des geringfügigen Versatzes der Auflageflächen 133 der herkömmlichen Kohlebürsten 13 erzeugten kurz aufeinander folgenden Ripples 4a und 4b sowie 6a und 6b jeweils als separates digitales Signal erkannt. Diese digitalen Signale sind in Fig. 5 im ober Teil die Impulse 4, 5 sowie 7, 8. So ergeben sich im digitalen Verlauf 52 insgesamt 9 statt der tatsächlich vorhandenen 7 Impulse.

Die erfindungsgemäß gestaltete Kohlebürste 3 hat von Beginn an eine Lauffläche, die mit Sicherheit zwei weit auseinander liegende Auflagepunkte mit den Lamellen des Kollektors 8 aufweist. Dadurch ist sichergestellt, daß der Kommutierungsvorgang zeitlich möglichst lange ist und zwei Lamellen des Kollektors möglichst lange kurz geschlossen sind. Dadurch werden die "Stromripples" verbessert, sie erhalten eine Form, die klar ist und die einfach und eindeutig auswertbar ist.

In Fig. 6 ist im unteren Teil mit 60 der analoge Verlauf des Kommutierungsstrom dargestellt, welcher mit Kohlebürsten gemäß der Erfindung erzielt wird. Es ist klar erkennbar, daß hier ein Verlauf mit eindeutigen Ripples 61 vorliegt, die kaum Anlaß zu Fehlinterpretationen und -zählungen Anlaß geben. Dementsprechend eindeutig ist der im oberen Teil der Fig. 6 darstellte zugehörige digitale Verlauf 62 der Signale. Den unteren acht Stromripples 1 bis 8 entsprechen eindeutig und klar die oberen acht Impulse 1 bis 8.

In Fig. 2 ist schematisch in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste gezeigt. Diese Kohlebürste 23 besteht aus zwei identischen Teilen 9 und 10 mit jeweils einer schrägen Lauffläche 21 bzw. 22. Die beiden Teile 9 und 10 sind in Andruckrichtung 11 entlang einer Trennlinie 290 gegeneinander verschiebbar. Die beiden identischen Teile 9 und 10 werden spiegelbildlich zusammengesetzt und von einer nicht dargestellten Vorrichtung gehalten. Weiterhin sind sie im Betrieb elektrisch parallel geschaltet. Im zusammengesetzten Zustand, wie in Fig. 2 dargestellt, ergeben die beiden Laufflächen 21 und 22 wiederum die V-förmige Lauffläche, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 oben.

In Fig. 3 ist schematisch in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste 33 dargestellt. Bei dieser Kohlebürste 33 ist eine nutenförmige Ausnehmung 34 im mittleren Bereich der aus zwei Teillaufflächen 31 und 32 bestehenden Lauffläche vorgesehen. Die Teillaufflächen 31 und 32sind bogenförmig, vorzugsweise kreisbogenförmig gestaltet. Diese Ausführungsform kann einfach durch mittiges Einbringen der nutförmigen Ausnehmung 34 in die Lauffläche einer herkömmlich gestalteten Kohlebürste hergestellt werden.

In Fig. 4 ist schematisch in Seitenansicht eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Kohlebürste dargestellt. Bei dieser Kohlebürste 43 ist wie bei der Ausführungsform von Fig. 3 eine nutenförmige Ausnehmung im mittleren Bereich der Lauffläche vorgesehen. Diese Ausnehmung besteht aus zwei Teilausnehmungen 494 und 414, die zu je einem identischen Teil 49 und 410 gehören, welche spiegelbildlich zu einer Trennlinie 490 angeordnet und in Andruckrichtung 11 entlang der Trennlinie 490 gegeneinander verschiebbar sind. Die jeweiligen Teillaufflächen 41 und 42 sind wie bei der Ausführungsform von Fig. 3 bogen- bzw. kreisbogenförmig geformt.

Die aus zwei, vorzugsweise identischen, Teilen bestehenden Kohlebürsten sind besonders einfach herstellbar und gewährleisten einen sicheren Kontakt mit den zu überbrückenden Lamellen, da sie flexibler in ihrer Anpassung an die Lamellenlaufflächen sind als einstückige Kohlebürsten.

Durch die erfindungsgemäß gestaltete Kohlebürste mit den beiden definierten, weit auseinander liegenden Auflageflächen werden von Anbeginn des Betriebs des Gleichstrommotors an lange Kommutierungszeiten und eindeutige, verbesserte "Stromripples" sichergestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Kohlebürste für Gleichstrommotor, insbesondere für einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotors, bei dem die Welligkeit des Stroms, die bei der Kommutierung des Motorstroms des Gleichstrommotors entsteht, mit Hilfe einer elektronischen Schaltung erfaßbar ist und die Frequenz der Welligkeit als ein Maß für die Drehzahl auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (1, 2; 21, 22; 31, 32; 41, 42) der Kohlebürste (3; 23; 33; 43) derart gestaltet ist, daß zwei definierte, möglichst weit auseinander liegende im wesentlichen punkt- bzw. linienförmige Auflageflächen (4, 5) zwischen der Kohlebürste (3; 23; 33; 43) und der bzw. den kontaktierten Lamellen (6, 7) des Kollektors (8) das Gleichstrommotors vorhanden sind.
  2. 2. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (1, 2; 21, 22) der Kohlebürste (3; 23) im Querschnitt gesehen dach- bzw. V-förmig gestaltet ist.
  3. 3. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (31, 32; 41, 42) der Kohlebürste (33; 43) mittig mit einer Ausnehmung (34; 494, 414), insbesondere in Form einer Nut, versehen ist.
  4. 4. Kohlebürste nach einem der vorigen Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlebürste (23; 43) aus zwei Teilen (9, 10; 49, 410) besteht, die elektrisch parallel geschaltet und in Andruckrichtung (11) gegeneinander verschiebbar sind.
  5. 5. Kohlebürste nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (9, 10; 49, 410) aus denen die Kohlebürste (23; 43) besteht, gleich sind und spiegelbildlich zusammengesetzt werden.
  6. 6. Kohlebürste nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen (31, 32; 41, 42) der Kohlebürste (33; 43) bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig sind.






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