专利名称：用于碳刷的刷保持装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于碳刷的刷保持装置，碳刷用于在电机中传输电流。
背景技术：
已知的是，电动机设有用于向旋转支承在定子中的电枢传输电流的换向器，该换向器还用于在短接的电枢线圈中整流。这种换向器由电枢侧的集电器和与壳体固定的碳刷构成，该碳刷贴靠在处于旋转的集电器的外周面上。碳刷径向沿朝向电枢侧的集电器的方向可移动地支承在刷保持装置中并且通过弹簧元件被朝向集电器施加力。以此方式可以通过沿径向的自动调整来补偿碳刷的磨损。特别是在设计用于大量通断循环的电动机，例如用于内燃机的起动电动机中，为了实现所要求的寿命必须确保碳刷或刷架的振动不会导致磨损增加。这种振动(除了刷架和碳刷之外还与弹簧元件有关)可能通过在碳刷与集电器支架之间的滑动接触激励。在JP 2008220040A中描述了一种具有受弹簧力加载的碳刷的刷保持装置，该碳刷可移动地支承在刷架中，其中为了稳定用于使碳刷贴靠在集电器上的按压力，在弹簧元件与碳刷之间设置有阻尼材料。
发明内容
本发明的目的在于，以简单的结构措施提供一种结构很小的用于电机中的碳刷的刷保持装置，其中刷保持装置可以设计用于大量的通断循环。根据本发明，此目的通过权利要求1的特征来实现。从属权利要求给出了有利的
改进方案。根据本发明的用于刷架的刷保持装置是用于在电机中传输电流和整流的换向器的组成部分，该电机具有定子和旋转支承的转子，该转子是带有可通电线圈的电枢铁心支架。碳刷与集电器接触以进行电流传输，该集电器也是换向器的组成部分并且与转子轴一体式地构成。碳刷可调节地保持在刷架中并且被弹簧元件加载力抵靠在电枢侧的或者说转子侧的集电器，使得即使在碳刷有磨损的情况下也确保在碳刷与集电器之间的充分接触。碳刷在刷架中的可移动支承和通过弹簧元件的力作用实现了碳刷沿径向朝向集电器的调難
iF.0为了有效地衰减碳刷及刷架包括弹簧元件的振动，在刷保持装置中设有阻尼元件。阻尼元件具有阻尼率，该阻尼率与集电器相对于圆形的径向偏移有关。这种偏移可能通过集电器的波纹度产生，还有可能通过由集电器片引起的在集电器表面上的不平度产生。在转子旋转时，贴靠在集电器外周面上的碳刷由于波纹度和不平度承受径向加速，其中通过将阻尼元件的阻尼率设计为集电器相对于圆形的径向偏移的函数，阻尼率能够以优化的方式匹配具体的实际情况。因此，阻尼元件的大小可以设置成，使碳刷的径向运动最小化并且在转子轴旋转时尽管存在由集电器外周面的波纹度或者不平度产生的激励，碳刷仍保持其径向位置并持续地贴靠在集电器的外周面上。为了求得阻尼元件的阻尼率可以考虑不同的影响因素。因此，有利的是，例如阻尼率与集电器相对于圆形的超过阈值的径向偏移的数量有关。由此，仅考虑径向向内或径向向外相对于圆形具有最小量差别的偏移。相反地，低于阈值的径向偏移极小，使得在转子轴旋转期间由此产生对碳刷的激励不再显著地产生影响。例如，有利的是考虑在集电器圆周上分布的换向器片的数量。在相邻的换向器片之间的过渡区域中可能存在极小的径向不平度，这会导致对碳刷的激励，这可以通过阻尼元件的阻尼率来补偿。根据另一有利的实施方式，为了确定阻尼率，确定作为静态按压力的百分比数值的因数，通过该静态按压力，碳刷在理想状态下、即在圆形集电器中被朝向所述集电器施加力。该因数通常在1%与5%之间的大小范围内，以静态按压力为参照。作为用于确定阻尼率的其它影响因素，可以考虑电机的额定转速。高的额定转速导致较小的阻尼率，较低的额定转速导致较大的阻尼率。根据另一有利的实施方式，阻尼率被设计成避免在碳刷的径向振动特性中发生非周期性的极限情况。作为额外的标准可以预定，所述阻尼率具有最小阻尼。在既考虑避免发生非周期性的极限情况又考虑期望的最小阻尼的条件下，阻尼率位于以该方式限制的范围内，其中还存在与集电器相对于圆形的径向偏移的相关性。阻尼元件的阻尼率有利地位于0.1Ns/m与lONs/m之间的数值范围内。在此数值范围内的全部数值可以是有利的，例如为lNs/m、2Ns/m或5Ns/m。在优选的实施方式中，阻尼元件的阻尼率在0.2Ns/m与INs/m之间的数值范围内。弹簧元件和阻尼元件可以构成一个共同的、集成的结构单元。通过将弹簧元件和阻尼元件联合成一个共同的结构单元，能够仅用极小的空间需求实现紧凑的结构方式。该结构单元能够集成在刷架中并且不再需要比弹簧元件更大的空间或仅需要比弹簧元件略大的空间。该结构单元的阻尼元件用于有效的振动衰减，使得特别是在碳刷、弹簧元件和刷架的共振频率中激励的振动不会增强，而是重新减小。由此确保了碳刷不承受振动或仅承受极小的振动并且均匀地或者说连续地贴靠在电枢的集电器表面上。以更好的方式确保了电流传输，同时减小了磨损，使得可以实现更大量的具有连通和断开过程的通断循环。根据一种有利的改进方案，弹簧元件和阻尼元件彼此并联地设置在共同的结构单元内。通过并联连接，与阻尼元件的支撑特性无关地确保了碳刷在刷架上的持续支撑。由此，可以根据阻尼功能优化阻尼元件。阻尼元件并非强制性地参与碳刷在刷架中的力支撑，然而这根据一种实施方式变型是可能的，使得碳刷并非仅通过弹簧元件支撑在碳刷上，而是也通过阻尼元件。原理上阻尼元件和弹簧元件也可以串联，只要阻尼元件可以传递静态力。阻尼元件可以由泡沫类材料构成并且由此具有很高的夹气，其优点在于，除了阻尼特性之外还具有弹性。此外，泡沫类材料具有极小的自重。作为用于阻尼元件的材料还可以考虑弹性体，其被设计成特别软并且具有很大的固有阻尼。能够以不同的方式实现弹簧元件和阻尼元件集成在一个共同的结构单元中。例如可行的是，阻尼元件可以插入弹簧元件中，使得阻尼元件被弹簧元件包围。弹簧元件例如实施为螺旋弹簧或盘簧并且在内部空间容纳阻尼元件。代替地，弹簧元件也可以插入阻尼元件中，使得弹簧元件被阻尼元件包围。阻尼元件例如设计成环形，其中弹簧元件插入阻尼元件的位于中央的内部空间中。在此处可以考虑在阻尼元件中设有凹部以容纳弹簧元件的实施方式，也可以考虑弹簧元件完全集成在阻尼元件的材料中的实施方式。后者的实施方式特别适用于在结构单元的制造中用来包封弹簧元件的阻尼元件的泡沫类材料或弹性体材料。最后有可行的是，具有弹簧元件和阻尼元件的结构单元实施为共同的弹簧阻尼块，其特别地由同时具有弹性和阻尼特性的相同的材料构成。根据另一可选的实施方式，在包括弹簧元件和阻尼元件的结构单元与碳刷之间设置有隔热层，该隔热层具有用于保护弹簧元件和/或阻尼元件的热保护层的功能。在电机的工作中，碳刷可能由于摩擦而明显变热，其中通过隔热层确保了从碳刷到结构单元的热传导或热传递减小的程度使得避免了由热量导致的结构单元的损害。刷保持装置特别地应用在用于内燃机的起动装置的起动电动机中。这种起动电动机必须在具有起停系统的内燃机的实施方式中能够可靠地执行大量的通断循环。在这种数值范围内的阻尼元件的设计的优点在于，在存在处于刷保持装置的共振频率的范围内的激励的情况中也实现了有效的阻尼。
其它权利要求、对附图的描述及附图给出了其它优点和有利的实施方式。在附图中:图1示出了具有刷保持装置和弹簧阻尼系统的换向器的示意图，该刷保持装置包括可调节地支承在刷架中的碳刷以及电枢侧的集电器，碳刷通过该弹簧阻尼系统支撑在刷架上，其中弹簧阻尼系统构成一个结构单元并且阻尼元件集成在弹簧元件中，图2示出了换向器的另一种实施方式，其中阻尼元件由泡沫类材料构成并且弹簧元件完全集成在阻尼元件中，图3示出了与图2相似的一种实施例，但其具有构造成环形的阻尼元件，弹簧元件插入该阻尼元件的中央凹部中，图4示出了为一体式块状形式的弹簧阻尼结构单元的另一种实施例，图5示出了与图4相似地构造的又一实施例，其中在弹簧阻尼结构单元与碳刷之间设置有隔热层。
具体实施例方式在附图中相同的部件具有相同的附图标记。图1示出的换向器I是电机、例如内燃机中的起动电动机的组成部分，并且包括刷保持装置2，该刷保持装置具有保持在刷架3中的碳刷4和电枢侧的集电器5，该集电器不可相对转动地与电机的转子轴连接。为了传输电流及整流，碳刷4与处于旋转的集电器5的外周面接触。碳刷4可移动地支承在U形截面的刷架3中并且可以相对于集电器5的纵轴线沿径向朝向集电器外周面的方向运动。为了确保碳刷4与集电器5之间充分的接触，碳刷4在背离集电器5的一侧通过弹簧元件7支撑在刷架3的底部上，该弹簧元件是弹簧阻尼结构单元6的组成部分，该弹簧阻尼结构单元还包括阻尼元件8。阻尼元件8用于有效地衰减刷保持装置2中的振动，即刷架3、碳刷4和结构单元6的振动。这种振动可能相对于集电器5的纵轴线沿径向地出现，也可能沿集电器的周向和轴向出现。弹簧阻尼结构单元6将弹簧元件7和阻尼元件8同时集成在同一个部件中。其优点在于，简化了装配并且所需的结构空间极小。在根据图1的实施例中，弹簧元件实施为盘簧或螺旋弹簧，其中阻尼元件8集成在弹簧元件7的内部中。阻尼元件8例如由弹性体或泡沫类材料构成，其插入弹簧元件7的内部。这种布置为弹簧元件7和阻尼元件8的并联连接，因为这两个部件同时沿相对于集电器5纵轴线的径向传递力。在根据图2的实施例中，弹簧元件7集成在阻尼元件8中，该阻尼元件构造为泡沫状的块体或块状弹性体并且在碳刷4的背离集电器5的整个端面上延伸。弹簧元件7被阻尼元件8的材料包封。图3示出了与图2相似的实施方式，然而区别在于，阻尼元件8构造成环形并且具有位于中央的凹部，弹簧元件7插入该凹部。弹簧元件7和阻尼元件8由此构成独立的部件，但共同组成结构单元6。在根据图4的实施例中，结构单元6实施为弹簧阻尼块，其例如构造为除了具有弹性特性之外还具有阻尼功能的弹性泡沫或弹性体。在根据图5的实施例中，结构单元6也构造为弹簧阻尼块，其既具有弹性特性又具有阻尼特性。此外，在碳刷4的背离集电器5的端面与弹簧阻尼块6之间设置有隔热层9，该隔热层用作热保护层并且能够防止从热的碳刷到结构单元6的热传导或热传递。由此确保在工作中由于摩擦在碳刷中的产生的`热量不会导致弹簧阻尼结构单元6的损害。阻尼元件的阻尼率d有利地构造成使得集电器5相对于圆形的径向偏移Λ r影响阻尼率的大小。由此可以实现，由偏移导致的施加给碳刷的激励不会或仅以尽可能小的方式作用于碳刷的径向位置。根据集电器外周面相对于圆形的径向偏移的大小和数量，阻尼率发生变化并且可以使用相应的阻尼元件。相对于圆形的偏移事先通过测量技术和/或由结构上的实际情况确定，例如由在集电器上的换向器片的数量和换向器片的径向突出或径向凹入来确定。只要这些信息已知，就可以使用相应设计的将碳刷支撑在刷架中的阻尼元件。在已知径向偏移△!■、径向偏移的数量Z (超过最低限度)、静态按压力Ftl (用于在集电器为圆形时将碳刷压靠在集电器的外周面上)以及电机的额定转速《4的情况下，可以通过如下求得阻尼率d:
权利要求
1.用于在电机中的碳刷(4)的刷保持装置，该刷保持装置具有碳刷(4)和分配给所述碳刷(4)的阻尼元件(8)，所述碳刷可调节地保持在刷架(3)中并被弹簧元件(7)加载力抵靠在电枢侧的集电器(5)上，其特征在于，所述阻尼元件(8)具有阻尼率(d)，该阻尼率与所述集电器(5)相对于圆形的径向偏移(Ar)有关。
2.按照权利要求1所述的刷保持装置，其特征在于，所述阻尼率(d)与超过阈值的所述径向偏移(△!■)的数量有关。
3.按照权利要求1或2所述的刷保持装置，其特征在于，为了确定所述阻尼率(d)，确定作为静态按压力(Ftl)的百分比数值的因数(k)，通过该静态按压力，所述碳刷(4)被加载力抵靠在所述集电器(5)上。
4.按照权利要求3所述的刷保持装置，其特征在于，所述因数(k)在1%与5%之间。
5.按照前述权利要求1至4中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，由以下公式确定所述阻尼率⑷:
6.按照前述权利要求1至5中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述阻尼率(d)能够避免发生非周期性的极限情况。
7.按照前述权利要求1至6中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述阻尼率(d)能够实现最小阻尼。
8.按照前述权利要求1至7中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述径向偏移(Ar)在所述集电器的半径(r)的1/1000的数量级内。
9.按照前述权利要求1至8中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述径向偏移(Ar)的数量(Z)最大为换向器片的数量的一半。
10.按照前述权利要求1至9中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述弹簧元件(7)和所述阻尼元件(8)构成一个共同的、集成的结构单元(6)。
11.按照前述权利要求1至10中任一项所述的刷保持装置，其特征在于，所述阻尼元件(8)的阻尼率在0.1Ns/m与10Ns/m之间的数值范围内。
12.电机，特别是电动机，具有按照前述权利要求1至11中任一项所述的刷保持装置⑵。
13.用于内燃机的起动装置，具有按照权利要求12所述的电动机。
全文摘要
本发明涉及一种用于在电机中的碳刷的刷保持装置，该刷保持装置具有碳刷，所述碳刷可调节地保持在刷架中并被弹簧元件加载力抵靠在电枢侧的集电器上。此外，碳刷配设有阻尼元件，所述阻尼元件具有阻尼率，该阻尼率与集电器相对于圆形的径向偏移有关。
文档编号H02K5/14GK103178637SQ201210585640
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月20日 优先权日2011年12月21日
发明者S·哈特曼 申请人:罗伯特·博世有限公司