Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft einen Kommutator für einen Rotor mit Rotorwicklung und Rotorwelle
aufweisende elektrische Maschinen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
[0002] Bei einem bekannten Kommutator dieser Art (WO 90/04864) sind die Anschlußfahnen als
unter einem spitzen Winkel zu den Lamellen hin zurückgebogene Haken ausgeführt, in
deren Hakengrund jeweils ein Wicklungsdraht umläuft. Die elektrische und mechanische
Verbindung zwischen den Wicklungsdrähten und den Anschlußfahnen erfolgt durch Umbiegen
der Haken unter gleichzeitiger Ultraschalleinwirkung, wozu die Sonotrode der Ultraschweißvorrichtung
zugleich als Biegewerkzeug verwendet wird, und durch Ultraschallverschweißen der Hakenenden
auf den Kollektorlamellen.
[0003] Bei einem ebenfalls bekannten Kommutator (z.B. GB 2 202 095 A) stehen die Anschlußfahnen
radial von den Lamellenenden ab und nehmen nahe ihrer Abwinkelungsstelle an den Lamellen
die Wicklungsdrähte der Rotorwicklung auf. Die elektrische und mechanische Verbindung
zwischen den Wicklungsdrähten und den Anschlußfahnen erfolgt durch Ultraschalltorsionsschweißen.
Dabei wird die hochfrequente Torsionsschwingungen mit extrem kleinen Amplituden ausführende,
hohle Sonotrode der Schweißvorrichtung über den auf der Rotorwelle aufgepreßten Kommutator
geschoben und preßt sich mit ihrer ringförmigen Schweißfläche mit hoher axialer Kraft
(z.B. 1000N) auf die um die Anschlußfahnen gelegten Wicklungsdrähte auf. Zur Abstützung
des Kommutators und um ein Mitschwingen der Anschlußfahnen während des Schweißens
zu verhindern werden die freien Enden der Anschlußfahnen auf in Achsrichtung des Kommutators
voneinander abgekehrten Flächen von einem Amboß gegriffen und beim Schweißvorgang
gehalten.
[0004] Nachteilig ist bei solchen Kommutatoren deren relativ große Abmessung in Radialrichtung
mit dem Erfordernis nach einem entsprechend großen Bauraum, der in vielen Maschinen-
oder Motortypen nicht zur Verfügung steht. Außerdem kann es beim Schweißvorgang zu
Schädigungen des Kommutators insofern kommen, als die Verbindung der Kupferlamellen
zum Isolierstoffkörper durch die hohe Axialkraft der Sonotrode extrem belastet wird,
was einerseits den Festsitz der Lamellen auf dem Isolierstoffkörper beeinträchtigen
und andererseits die Position des Kommutators auf der Rotorwelle verändern kann.
Vorteile der Erfindung
[0005] Der erfindungsgemäße Kommutator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1
hat demgegenüber den Vorteil der Bauraumersparnis in radialer Richtung, da wegen des
spitzwinkeligen Verlaufs der Anschlußfahnen der Durchmesser des Außenkreises, auf
dem die Enden der Apschlußfahnen liegen, bei gleicher Länge der Anschlußfahnen wesentlich
kleiner ist. Darüber hinaus ergeben sich Fertigungsvorteile beim Ultraschalltorsionsschweißen,
da die Axialkraft der Sonotrode in Form von Druckspannungen vom Isolierstoffkörper
aufgenommen wird, was dem Festigkeitsverhalten des Isolierstoffkörpers entgegenkommt.
Durch die Schrägstellung der Anschlußfahnen wird zudem die auf den Isolierstoffkörper
wirkende Axialkraft vermindert, und zwar um den Cosinus des Anstellwinkels der Anschlußfahnen.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn man die Torsionsschwingungen berücksichtigt,
die die Sonotrode beim Schweißvorgang ausführt. Bei nebeneinanderliegenden Wicklungsdrähten
auf den Anschlußfahnen ist durch die Schrägstellung der Anschlußfahnen der Abstand
der auf jeder Anschlußfahne innen und außen liegenden Wicklungsdrähte voneinander
kleiner als bei dem bekannten Kommutator mit radial abstehenden Anschlußfahnen. Dadurch
wird die unerwünschte Differenz zwischen den unterschiedlich großen Amplituden der
Sonotrode an den beiden äußeren Wicklungsdrähten etwas reduziert. Weiterin bewirkt
die Schrägstellung der Anschlußfahnen bei zunächst nicht kolinearer Ausrichtung der
Achsen von Sonotrode und Kommutator eine Selbstzentrierung der Sonotrode während des
Schweißvorgangs.
[0006] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kommutators möglich.
[0007] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Seitenflanken der
schräg gegenüber der Kommutatorachse angestellten Anschlußfahnen profiliert, wobei
die Profilierung aus mehreren, in jeder Seitenflanke eingearbeiteten, nebeneinanderliegenden
Rillen besteht. In diesen Rillen werden die um die Anschußfahnen geschlungenen Wicklungsdrähte
zumindest teilweise formschlüssig aufgenommen und so ein Abrutschen der Wicklungsdrähte
von den Anschlußfahnen bei der Herstellung der Drahtverbindung zwischen Rotorwicklung
und Kommutator und beim anschließenden Schweißvorgang verhindert.
[0008] Unterstützt wird dies dadurch, daß gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
die Drahtverbindung zwischen der Rotorwicklung und den Anschlußfahnen in Umhakenwickeltechnik,
vorzugweise in α-Umhakenwickeltechnik, ausgeführt ist, bei welcher die Anschlußdrähte
einer Spule der Rotorwicklung an die diametral gegenüberliegenden Anschlußfahnen gelegt
werden, so daß sich die Wicklungsdrähte im Bereich der Rotorwelle kreuzen. Durch diese
Wicklungstechnik können große Radialkräfte am Wickelkopf der Rotorwicklung aufgenommen
werden und zusätzlich wird die Lage der Wicklungsdrähte auf den schräg gestellten
Anschlußfahnen bei der Montage und während des Schweißvorgangs sehr gut stabilisiert.
[0009] Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ultraschweißen der um die Anschlußfahnen
geschlungenen Wicklungsdrähte für den erfindungsgemäßen Kommutator ist in Anspruch
10 angegeben.
Zeichnung
[0010] Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Stirnansicht eines Kommutators,
- Fig. 2
- einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
- Fig. 3
- ausschnittweise eine vergrößerte Darstellung der Ansicht des Kommutators in Richtung
Pfeil III in Fig. 2,
- Fig. 4
- einen Längsschnitt des Kommutators gemäß Fig. 1 - 3 in einer Vorrichtung zum Ultraschalltorsionsschweißen,
schematisch dargestellt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0011] Der in Fig. 1 in Stirnansicht und in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellte Kommutator,
Kollektor oder Stromwender für eine elektrische Maschine weist einen zylindrischen
Isolierstoffkörper 11 mit einer Durchgangsbohrung 12 auf, mittels welcher der Kommutator
auf eine einen Rotor mit Rotorwicklung tragende Rotorwelle 10 der elektrischen Maschine
(Fig. 4) aufgepreßt wird. Der Isolierstoffkörper 11 trägt eine Vielzahl von über seinen
Zylinderumfang mit gleichem Umfangsabstand voneinander angeordneten Lamellen 13 aus
elektrisch leitendem Material, die im Isolierstoffkörper 11 verankert sind. An den
dem Rotor zugekehrten Stirnenden der Lamellen 13 sind jeweils Anschlußfahnen 14 einstückig
angeformt, die zum Anschließen von Wicklungsdrähten der hier nicht dargestellten Rotorwicklung
des Rotors dienen, die die Anschlußdrähte der einzelnen Wicklungsspulen der Rotorwicklung
an den den Wickungsspulen zugeordneten Kommutatorlamellen 13 bilden. Wie aus Fig.
1 und 3 ersichtlich ist, ist die Breite a der Anschlußfahnen 14 gegenüber der Lamellenbreite
b wesentlich reduziert und beträgt etwa die Hälfte der Lamellenbreite b (Fig. 3).
Die Anschlußfahnen 14 sind unter einem spitzen Winkel τ (Fig. 2) zu den Lamellen 13
angestellt, so daß ihr Radialabstand von der Kommutatorachse in Richtung zum Rotor
hin zunimmt, und am Isolierstoffkörper 11 in einem über den die Lamellen 13 tragenden
Zylinderteil 111 hinaus verlängerten Abschnitt 112 des Isolierstoffkörpers 11 abgestützt.
Im einzelnen sind hierzu im Endabschnitt 112 radiale Stützstege 15 ausgeformt, die
strahlenförmig im gleichen Umfangsabstand voneinander angeordnet sind und etwa eine
gleiche Breite wie die Fahnenbreite a aufweisen. Die Anschlußfahnen 14 liegen auf
den in Achsrichtung sich erstreckenden Stegrücken 16 auf und sind darauf befestigt.
Jeder Stegrücken 16 weist dabei einen langen, unter dem Winkel τ hin zum Zylinderteil
111 des Isolierstoffkörpers 11 abfallenden Rückenabschnitt 161 und stirnendnah einen
sehr kurzen Rückenabschnitt 162 auf, der parallel zur Achse des Isolierstoffkörpers
11 verläuft. Die Anschlußfahnen 14 sind endseitig etwas abgewinkelt, so daß der Abwinklungsbereich
ebenfalls parallel zur Achse des Isolierstoffkörpers 11 verläuft und auf dem Rückenabschnitt
162 aufliegt. Das freie Stirnende der Anschlußfahnen 14 ist bündig mit dem Stegende
der Stützstege 15.
[0012] Zur Aufnahme der Wicklungs- oder Anschlußdrähte 18 (in Fig. 4 strichliniert angedeutet),
die den Anschluß der einzelnen Spulen der Rotorwicklung zu den einzelnen Lamellen
13 herstellen, sind, wie dies insbesondere in Fig. 3 verdeutlicht ist, die beiden
Seitenflanken 141,142 der Anschußfahnen 14 profiliert, wobei im Ausführungsbeispiel
die Profilierung aus mehreren, in jeder Seitenflanke 141,142 eingearbeitete, nebeneinanderliegende
Rillen 17 besteht, deren Rillengrund an den Drahtdurchmesser der Wicklungsdrähte 18
angepaßt ist. Diese Profilierung der Anschußfahnen 14 sorgt dafür, daß beim Wicklungsvorgang
und beim anschließenden Schweißvorgang die Wicklungsdrähte 18 ihre vorgegebene Lage
auf den Anschlußfahnen 14 nicht verändern, insbesondere nicht hin zu den Lamellen
13 verrutschen. Die Verlegung der Wicklungsdrähte 18 zwischen den einzelnen Spulen
der Rotorwicklung und den Anschlußfahnen 14 ist in sog. α-Umhakenwickeltechnik ausgeführt,
bei welcher die jeweils einen Spulenanschluß herstellenden Wicklungsdrähte 18 zu den
der zugeordneten Spule diametral an der Rotorwelle gegenüberliegenden Lamellen 13
des Kommutators geführt sind. Dadurch kreuzen sich die Wicklungsdrähte 18 im Bereich
der Rotorwelle. Eine solche Ausbildung des kommutatorseitigen Wickelkopfes der Rotorwicklung
ist in der Lage, große Radialkräfte aufzunehmen, ist also für hohe Umlaufgeschwindigkeiten
des Rotors geeignet. Die Wicklungsdrähte 18 verlaufen ungefähr im rechten Winkel zur
Anschlußfahne 14, wodurch die Gefahr des Verrutschens verringert wird.
[0013] In Fig. 4 sind drei zu einer Anschlußfahne 14 des Kommutators führende Wicklungsdrähte
18 strichliniert angedeutet. Deutlich ist zu sehen, daß die Wicklungsdrähte 18 von
der Lamelle 13 ausgehend am Rotor vorbeiführen und der an der Rotorwelle diametral
gegenüberliegenden Spule der Rotorwicklung zustreben. Jeder Wicklungsdraht 18 umläuft
dabei die Stützstege 15 im Bereich der Rückenabschnitte 161 und liegt in den Rillen
17 der Seitenflankenprofilierung der Anschlußfahne 14 ein.
[0014] Bei dem wie vorstehend beschrieben ausgeführten, auf die Rotorwelle aufgepreßten
und mit der Rotorwicklung verbundenen Kommutator oder Kollektor wird mittels Ultraschalltorsionsschweißen
die elektrische und mechanische Verbindung der Wickungsdrähte 18 mit den Anschlußfahnen
14 hergestellt. Die hierzu verwendete Schweißvorrichtung ist in Fig. 4 schematisch
dargestellt. Sie besteht aus einer hohlzylindrischen Sonotrode 20, die mit Spiel axial
über den Außenumfang des mit den Lamellen 13 bestückten Zylinderteils 111 des Isolierstoffkörpers
11 geschoben und mit einer an ihrer Stirnseite vorhandenen Schweißfläche 21 auf die
Wicklungsdrähte 18 auf der Oberseite der Anschlußfahnen 14 aufgedrückt wird, und aus
einem Amboß 22, der die Anschlußfahnen 14 während des Schweißvorgangs abstützt und
die Gegenkraft der Anpreßkraft der Sonotrode 20 auf den Kommutator mindestens teilweise
aufnimmt. Der Amboß 22 wird dabei auch auf das endseitig abgewinkelte, den Rückenabschnitt
162 der Stege 16 überziehende Stück der Anschlußfahnen 14 aufgedrückt, um durch Form-
und/oder Reibschluß das Mitschwingen der Anschlußfahnen 14 während des Schweißvorgangs
zu verhindern. Entsprechend der sich nach außen erweiternden Schräglage der Anschlußfahnen
14 ist die Schweißfläche 21 der Sonotrode 20 als Kegelmantelabschnitt eines Kegels
ausgebildet, dessen Kegelwinkel das Zweifache des Anstellwinkels τ der Anschlußfahnen
14 beträgt. Dadurch verläuft die Schweißfläche 21 beim Aufsetzen der Sonotrode 20
auf den Kommutator parallel zu den von den Stützstegen 15 abgekehrten Oberseiten der
Anschußfahnen 14. Der Amboß 22 ist in mindestens zwei Amboßteile 221 und 222 unterteilt,
die radial zur Rotorwelle zugeführt werden und zumindest die freien Stirnenden der
Anschlußfahnen 14 übergreifen, so daß der Kommutator insgesamt im Bereich des stirnseitigen
Endes aller Anschlußfahnen 14 axial abgestützt wird. Selbstverständlich ist es möglich,
daß die Amboßteile 221 und 222 auch Teile der Stirnseiten der einzelnen Stützstege
15 übergreifen, so daß auch noch zusätzlich der Isolierstoffkörper 11 axial abgestützt
wird. Beim Schweißvorgang führt die Sonotrode 20 hochfrequente Torsionsschwingungen
mit sehr kleinen Amplituden aus, wobei ihre Schweißfläche 21 mit einer Axialkraft
von beispielsweise ca. 1000N auf die Wicklungsdrähte 18 aufgedrückt wird.
1. Kommutator für einen Rotor mit Rotorwicklung und Rotorwelle aufweisende elektrische
Maschinen, mit einem eine Durchgangsbohrung (12) zum Aufpressen auf die Rotorwelle
(10) aufweisenden, zylindrischen Isolierstoffkörper (11) und mit in diesem verankerten,
axialen Lamellen (13) aus elektrisch leitendem Material, an deren zu dem Rotor weisenden
Enden Anschlußfahnen (14) zum Anschließen von Wicklungsdrähten (18) der Rotorwicklung
einstückig angeformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen (14) unter
einem spitzen Winkel (τ) zu den Lamellen (13) angestellt und am Isolierstoffkörper
(11) radial abgestützt sind.
2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen (14) nahe
ihres Fahnenendes abgewinkelt sind und im Abwinklungsbereich parallel zur Achse des
Isolierstoffkörpers (11) verlaufen.
3. Komutator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung der Anschlußfahnen
(14) in einem über den die Lamellen (13) tragenden Zylinderteil (111) hinaus verlängerten
Endabschnitt (112) des Isolierstoffkörpers (11) vorgenommen ist.
4. Kommutator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen (14) in
Umfangsrichtung gesehen schmaler ausgeführt sind als die Lamellen (13) und daß der
Endabschnitt (112) des Isolierstoffkörpers (11) im gleichen Umfangsabstand voneinander
strahlenförmig angeordnete, radiale Stützstege (15) mit vorzugsweise gleicher Breite
wie die Anschlußfahnen (14) aufweist, auf deren Stegrücken (16) die Anschlußfahnen
(14) aufliegen.
5. Kommutator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stegrücken (16) einen
zum Zylinderteil (111) des Isolierstoffkörpers (11) hin stetig abfallenden, langen
Rückenabschnitt (161) und im stirnendnahen Bereich einen parallel zur Achse des Isolierstoffkörpers
(11) verlaufenden, sehr kurzen Rückenabschnitt (162) aufweist.
6. Kommutator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahnen
(14) bündig mit dem den Rotor zugekehrten Stirnende der Stützstege (15) enden.
7. Kommutator nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflanken
(141,142) der Anschlußfahnen (14) zur teilweisen formschlüssigen Aufnahme von Wicklungsdrähten
(18) der Rotorwicklung profiliert sind.
8. Kommutator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung aus mehreren,
in jeder Seitenflanke (141,142) eingearbeiteten, nebeneinanderliegenden Rillen (17)
besteht, deren Rillengrund an den Drahtdurchmesser der Wicklungsdrähte (18) angepaßt
ist.
9. Kommutator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlegung der Wicklungsdrähte
(18) im Bereich zwischen der Rotorwicklung und den Anschlußfahnen (14) in Umhakenwickeltechnik,
vorzugsweise in α-Umhakenwickeltechnik, ausgeführt ist.
10. Vorrichtung zum Ultraschalltorsionsschweißen der um die Anschlußfahnen (14) geschlungenen
Wicklungsdrähte (18) bei einem Kommutator nach einem der Ansprüche 1 - 9, mit einer
hochfrequente mechanische Schwingungen erzeugenden Sonotrode (20), die mittels einer
stirnseitigen, ringförmigen Schweißfläche (21) eine zur Kommutatorachse parallele
Andruckkraft auf die Wicklungsdrähte aufbringt, und mit einem Amboß (22) zur Abstützung
der Sonotrode (20) während des Schweißvorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißfläche
(21) der Sonotrode (20) als Kegelmantelabschnitt eines Kegels mit einem dem Zweifachen
des Anstellwinkels (τ) der Anschlußfahnen (14) entsprechenden Kegelwinkel ausgebildet
ist und der Amboß (22) zumindestens die Stirnenden der Anschlußfahnen (14) axial abstützt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (22) an den Stützstegen
(15) auf deren dem Rotor zugekehrten Stirnende anliegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (22) mindestens
zwei radial zum Kommutator zuführbare, teilringförmige Amboßteile (221,222) aufweist,
die die Stirnenden der Stützstege (15) übergreifen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Übergreifungstiefe
der Amboßteile (221,222) der radialen Dicke der Anschußfahnen (14) entspricht.