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(11) | EP 0 838 102 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES PLANKOMMUTATORS METHOD OF PRODUCING A FLAT COMMUTATOR PROCEDE DE FABRICATION D'UN COMMUTATEUR PLAT |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.
[0002] Wenn ein Kommutator in einer für Kupfer aggressiven Umgebung, beispielsweise in methanolhaltigem Treibstoff für Kraftfahrzeuge, verwendet wird, ist es üblich, als Material für die Kommutatorsegmente Kohlenstoff vorzusehen. Diese Kohlenstoffsegmente müssen jedoch von Segmenttragteilen aus Kupfer getragen werden, um ohne Schwierigkeiten die Wicklungsenden der Rotorwicklung mit den Segmenten verbinden zu können.
[0003] Es ist zwar ein Verfahren zur Herstellung eines Kohle-Plankommutators bekannt (DE 40 28 420 A1), das einen Kommutator ergibt, bei dem alle Bereiche des aus Kupfer bestehenden Trägerkörpers mit Ausnahme der Anschlußhaken vollständig von den Kohlesegmenten und der Preßmasse bedeckt sind. Deshalb genügt dieser Kommutator höchsten Ansprüchen. Seine Herstellung ist jedoch relativ teuer.
[0004] Wesentlich kostengünstiger ist ein bekanntes Verfahren der eingangs genannten Art (US 5,255,426), bei dem nach dem Anformen der Nabe an den Trägerkörper die aus Kohlestoff bestehende Ringscheibe auf die Segmenttragteile aufgelötet wird und dann sowohl die Ringscheibe als auch der Trägerkörper durch Trennschnitte segmentiert wird. Nachteilig ist bei diesem Kommutator jedoch, daß die Schnittflächen des Trägerkörpers, also die die Luftspalte begrenzenden Seitenflächen der aus Kupfer bestehenden Segmenttragteile, freiliegen.
[0005] Die US 4,358,319 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutators aus einem gesinterten Werkstoff, wobei bereits während des Sintervorgangs des Trägerkörpers in der verwendeten Preßform auf einer Seite des Trägerkörpers Nuten eingeformt werden, und der Trägerkörper anschließend auf der den Nuten gegenüberliegenden Seite soweit abgetragen wird, daß die Segmente durch die freigelegten Nuten elektrisch isoliert sind. Die gewünschten elektrischen Eigenschaften und die geforderte mechanische Widerstandsfähigkeit des Kommutators wird durch eine gezielte Zugabe von Kohlenstoffpulver zum metallischen Sinterwerkstoff erreicht.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators der in Rede stehenden Art anzugeben, das einen Kommutator liefert, der frei von diesem Nachteil ist, und sich dennoch kostengünstig ausführen läßt. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
[0007] Eine Weiterbildung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspuchs 8 dient zur Herstellung eines Elektromotors.
[0008] Dadurch, daß die Dicke des Trägerkörpers bis zur vollständigen Trennung der Segmenttragteile voneinander reduziert wird, ehe die Ringscheibe mit den Segmenttragteilen verbunden wird, brauchen die Trennschnitte, mittels deren die Ringscheibe segmentiert wird, nur letztere zu durchtrennen. Da außerdem die Materialpartien der Preßmasse, welche die im Trägerkörper vorgesehenen Nuten ausfüllen, eine Breite haben, die größer ist als die bei der Segmentierung der Ringscheibe gebildeten Luftspalte, schließen sich diese Luftspalte an die Preßmasse zwischen den Segmenttragteilen an, so daß letztere durch die Trennschnitte nicht freigelegt werden.
[0009] Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Dickenreduzierung durch ein Abdrehen. Dabei wird zweckmäßigerweise aus der die Begrenzungsfläche der zentralen Bohrung bedeckenden Materialpartie der Preßmasse eine über die Anlagefläche für die Ringscheibe überstehende Zentrierbuchse für die Ringscheibe geformt, was zu einer Reduzierung der Fertigungskosten beiträgt.
[0010] Um die aus Kohlenstoff bestehende Ringscheibe auf die Segmenttragteile auflöten zu können, ist es notwendig, die der Lotschicht zugewandte Seite der Ringscheibe zu metallisieren. Üblicherweise wird dabei eine dünne Kupferschicht aufgedampft. Möchte man vermeiden, daß diese dünne Kupferschicht mit einer agressiven Umgebung des Kommutators in Berührung kommt, weil sie im Luftspalt freiliegt, kann man statt der Kupferschicht eine Silberschicht aufdampfen oder aber die Kupferschicht mit einer Silberschicht galvanisch überziehen. Ebenso kann man die Anlagefläche der Segmenttragteile mit einer dünnen Silberschicht überziehen. Sofern man außerdem noch ein Silberlot verwendet, ist jeglicher Kontakt zwischen der agressiven Umgebung und dem den Trägerteil bildenden Kupfer ausgeschlossen.
[0011] Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen
- Fig. 1
- einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels,
- Fig. 2
- eine unvollständig dargestellte Draufsicht auf die Mantelfläche des ersten Ausführungsbeispiels in Richtung des Pfeiles X der Fig. 1,
- Fig. 3
- einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels mit stark vergrößert dargestellten Metallschichten im Bereich der Verbindung zwischen den Kohlesegmenten und den Segmenttragteilen,
- Fig. 4
- eine unvollständig dargestellte Draufsicht auf die Mantelfläche des zweiten Ausführungsbeispiels in Richtung des Pfeiles X,
- Fig. 5
- eine gegenüber den Fig. 1 bis 4 in verkleinertem Maßstab und nur zur Hälfte dargestellte Draufsicht auf den Tragkörper,
- Fig. 6
- einen Schnitt nach der Linie VI - VI der Fig. 5,
- Fig. 7
- eine im Maßstab der Fig. 5 dargestellte Draufsicht auf die Stirnseite des Tragkörpers nach dem Entfernen der Stege zwischen den Segmenttragteilen.
[0012] Aus einem Kupferflachband oder dergleichen wird zur Herstellung eines Tragkörpers eine Platine ausgestanzt, welche die Form einer Kreisringscheibe hat, von deren äußerem Rand im Abstand voneinander und gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Zungen 1 radial abstehen. Die Zahl der Zungen ist gleich der Anzahl der Segmente des herzustellenden Plankommutators gewählt. In die kreisrunde, zentrale Öffnung der Kreisringscheibe ragen in radialer Richtung eine der Zahl der Zungen 1 entsprechende Zahl von Fingern 2, welche wie die Zungen 1 voneinander getrennt sind und in gleicher Winkellage wie die Zungen 1 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Je eine der Zungen 1 und einer der Finger 2 ist einem der aus der Kreisringscheibe zu bildenden Segmentträgerteile 3 zugeordnet, und zwar derart, daß die Symmetrieebenen der Zunge 1 und des Fingers 2 in der Symmetrieebene des Segmentes 3 liegen.
[0013] Bei dem Stanzvorgang werden auf derjenigen Seite der Kreisringscheibe, an die später eine Nabe 4 aus Preßmasse angeformt wird, Nuten 3', im Ausführungsbeispiel durch Fließpressen, eingeprägt, die sich in radialer Richtung vom inneren zum äußeren Rand der Kreisringscheibe erstrecken und bei dem fertigen Kommutator die Segmenttragteile voneinander trennen. Die Tiefe der Nuten 3' ist so gewählt, daß die den Nutgrund bildenden Stege 3" möglichst dünn sind, jedoch zunächst die Segmenttragteile 3 noch in der durch die Kreisringscheibe bestimmten Ebene halten.
[0014] In einem folgenden Arbeitsgang werden die Zungen 1 unter Bildung von Wandelementen einer zylindrischen Buchse um 90° gegenüber dem mit ihr einstückig ausgebildeten Segmenttragteil 3 abgebogen. Außerdem werden Hakenelemente 5, die zunächst vom freien Ende jeder Zunge 1 mittig in radialer Richtung abstehen, in der entgegengesetzten Richtung um mehr als 90° abgebogen, so daß sie, wie Fig. 1 zeigt, beim fertigen Kommutator je einen Haken für den Anschluß der Rotorwicklung bilden.
[0015] Die Finger 2 werden ebenfalls um mehr als 90°, jedoch in derselben Richtung wie die Zungen 1 abgebogen zur Bildung von Verankerungselementen. Schließlich werden noch, wie Fig. 1 ebenfalls zeigt, von der Innenseite jedes abgebogenen Fingers 2 Verankerungselemente 6 abgespalten, das mit der Zunge 1 einen spitzen Winkel einschließt.
[0016] Nunmehr wird an diejenige Seite des Trägerkörpers, zu der hin die Nuten 4 offen sind, die aus Preßmasse bestehende Nabe 4 angeformt. Die Nabe 4 weist eine im Ausführungsbeispiel gestufte Nabenbohrung 7 auf, die im Bereich der Segmenttragteile 3 ihren kleinsten Durchmesser hat, der, wie Fig. 1 zeigt, deutlich kleiner ist als der Durchmesser der Begrenzungsfläche 8 der zentralen Öffnung des Trägerkörpers. Die Begrenzungsfläche 8 wird deshalb vollständig von der Preßmasse bedeckt, die die Nabe 4 bildet. Wie Fig. 1 erkennen läßt, erstreckt sich die Nabe 4 in axialer Richtung über die von der Begrenzungsfläche 8 definierte Ringzone hinaus. Fig. 2 zeigt ferner, daß die die Nabe 4 bildende Preßmasse die Nuten zwischen den Segmenttragteilen 3 mit je einer Materialpartie 13 vollständig ausfüllt.
[0017] Nunmehr wird der Tragkörper auf der der Nabe 4 abgekehrten Seite auf einer Drehmaschine so weit abgedreht, bis die Stege 3" zwischen den Segmenttragteilen 3 vollständig entfernt und die die Nuten füllende Preßmasse zu der bearbeiteten Fläche 9 hin völlig frei liegt. Bei dieser Bearbeitung wird aus dem in axialer Richtung über den Trägerkörper überstehenden Endabschnitt der Nabe 4 eine Zentrierbuchse 10 gebildet, die über die bearbeitete Fläche 9 in axialer Richtung übersteht und einen Außendurchmesser hat, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Begrenzungsfläche 8.
[0018] Unter Zwischenlage einer Silberlotschicht wird nunmehr eine aus Kohlenstoff gepreßte Ringscheibe, deren Innendurchmesser an den Außendurchmesser der Zentrierbuchse 10 angepaßt ist, auf die bearbeitete Fläche 9 aufgelegt. Zuvor wurde die Ringscheibe 11 auf der der Lotschicht zugekehrten Seite metallisiert, und zwar im Ausführungsbeispiel durch Aufdampfen von Kupfer. Nunmehr wird die Ringscheibe 11 auf die durch die bearbeitete Fläche 9 gebildeten Anlageflächen der Segmenttragteile 3 aufgelötet.
[0019] Danach wird die Ringscheibe durch radiale Schnitte in die Kommutatorsegmente 11 unterteilt. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Weite dieser Schnitte, durch welche die Luftspalte 12 zwischen den Kommutatorsegmenten 11 gebildet werden, wesentlich geringer als die Breite der Materialpartien 13 der Preßmasse, welche die zunächst vorhandenen Nuten des Tragkörpers ausgefüllt haben und dann beim Abdrehen des Tragkörpers freigelegt worden sind. Ferner zeigt Fig. 2, daß die Trennschnitte auf die Mitte der Materialpartien 13 ausgerichtet sind und in diese geringfügig eindringen.
[0020] Zum Schluß wird die freiliegende Seite der Kommutatorsegmente 11, welche die Bürstenlauffläche 14 bildet, geringfügig abgedreht, um sicherzustellen, daß die Bürstenlauffläche 14 glatt ist und in einer radialen Ebene des Kommutators liegt.
[0021] Nachdem der Kommutator auf der Welle eines Motors festgelegt und die Rotorwicklung mit den Hakenelementen 5 mechanisch fest und elektrisch leitend, vorzugsweise durch Verschweißen, verbunden worden ist, wird der Kommutator auf seinem Umfang in einen Kunststoff eingebettet, welcher vollständig die Außenseite der Zungen 1 und vorzugsweise eine angrenzende Ringzone der Kommutatorsegmente 11 sowie die Hakenelemente 5 abdeckt. Die Segmenttragteile 3 einschließlich der Hakenelemente 5 sind deshalb vor dem Zutritt aggressiver Stoffe geschützt, weshalb der Kommutator auch beispielsweise für den Antriebsmotor einer Treibstoffpumpe verwendet werden kann, bei welcher der Kommutator mit dem Treibstoff in Berührung kommt, auch dieser Methanol enthält.
[0022] Sollte es störend sein, daß die seitlichen Ränder der auf die Ringscheibe aufgedampften Kupferschicht in den Luftspalten 12 freiliegen und hier in Berührung mit dem den Kommutator umgebenden Medium kommen können, kann man, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, statt Kupfer eine dünne Silberschicht 15 auf die Ringscheibe aufdampfen oder die aufgedampfte Kupferschicht mit einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht zu überziehen.
[0023] Ferner kann vorsorglich die bearbeitete Fläche 9 des Trägerkörpers mit einer Silberschicht 16 bedeckt werden, beispielsweise durch Galvanisieren. Wenn dann außerdem die Lotschicht 17 aus einem Silberlot besteht, kann es auch in den Luftspalten 12 nicht mehr zu einem Kontakt des den Kommutator umgebenden Mediums mit Kupfer kommen, wie vor allem Fig. 4 deutlich erkennen läßt.
- durch Anformen mit einer Nabe (4) aus Preßmasse unter Bildung einer vollständigen Abdeckung der zylindrischen Begrenzungsfläche einer zentralen Bohrung (7) des Trägerkörpers versehen wird,
- mit den Segmenttragteilen (3) elektrisch leitend und mechanisch fest eine Ringscheibe (11) aus Kohlenstoff verbunden wird,
- und danach die Ringscheibe (11) entsprechend der Segmentierung des Trägerkörpers in Segmente geteilt wird,
gekennzeichnet durch die Schritte:a) Versehen des Trägerkörpers - vor dem Anformen der Nabe (4) - in dem die Anlagefläche (9) für die Ringscheibe (11) bildenden Bereich auf der der Anlageseite abgekehrten Seite mit sich in radialer Richtung vom Rand (8) der zentralen Bohrung (7) bis zum äußeren Rand erstreckenden, um jeweils den durch die Segmentierung definierten Winkel gegeneinander versetzten, gleich ausgebildeten Nuten (3'), die zu der der Anlageseite abgekehrten Seite hin offen sind und eine Tiefe haben, die kleiner ist als die Dicke des Trägerkörpers,
b) Reduzieren des Trägerkörpers - vor dem Verbinden der Ringscheibe mit den Segmenttragteilen (3) - in dem die Anlagefläche (9) für die Ringscheibe (11) bildenden Bereich von der Anlageseite her in seiner Dicke so weit, bis alle Segmenttragteile (3) vollständig durch die Nuten (3') elektrisch voneinander getrennt sind und die die Nuten (3') füllende Preßmasse in der Anlagefläche (9) freiliegt, und
c) Teilen der Ringscheibe (11) in die Segmente unter Bildung von sich an die Preßmasse zwischen den Segmenttragteilen (3) anschließenden Luftspalten (12), wobei die Nuten (3') breiter sind als die durch die Teilung der Ringscheibe (11) in die Segmente vorhandenen Luftspalte (12).
- is provided with a hub (4) of moulded material by integral forming, with the formation of a complete cover for the cylindrical delimiting surface of a central bore (7) of the carrier body,
- an annular disc (11) of carbon is connected to the segment-carrying portions (3) in an electrically conductive and mechanically rigid manner,
- and thereafter the annular disc (11) is divided into segments in accordance with the segmentation of the carrier body,
characterised by the steps:a) providing the carrier body - before the integral forming of the hub (4) - in the region forming the abutment face (9) for the annular disc (11), on the side remote from the abutment side, with identically formed grooves (3') which extend in the radial direction from the edge (8) of the central bore (7) as far as the outer edge and which are mutually offset by the angle defined by the segmentation, and which grooves are open at the side remote from the abutment side and have a depth smaller than the thickness of the carrier body,
b) reducing the thickness of the carrier body - before the connection of the annular disc to the segment-carrying portions (3) - in the region forming the abutment face (9) for the annular disc (11), starting from the abutment side, to such an extent that all of the segment-carrying portions (3) are completely separated from one another electrically by the grooves (3') and the moulded material filling the grooves (3') in the abutment face (9) is exposed, and
c) dividing the annular disc (11) into segments, with the formation of air gaps (12) adjacent to the moulded material between the segment-carrying portions (3), the grooves (3') being wider than the air gaps (12) present as a result of the division of the annular disc (11) into segments.
- est muni d'un moyeu (4) réalisé dans une matière de moulage et formé contre ledit corps de support en recouvrant totalement la surface de délimitation d'une forure centrale (7) du corps de support,
- un disque annulaire (11) en carbone est assemblé avec les segments de support (3) de manière mécaniquement inamovible et de manière à assurer la liaison électrique,
- et ensuite le disque annulaire (11) est divisé en segments correspondant à la segmentation du corps de support,
caractérisé par les étapes suivantes :a) réalisation dans le corps de support - avant le formage du moyeu (4) - de rainures (3') identiques, disposées dans la zone formant la surface de contact (9) pour le disque annulaire (11), sur la face opposée à la face de contact, réalisées dans le sens radial depuis le bord (8) de la forure centrale (7) jusque vers le bord extérieur et décalées les unes par rapport aux autres selon l'angle défini par la segmentation, lesquelles rainures sont ouvertes vers la face opposée à la face de contact et présentent une profondeur inférieure à l'épaisseur du corps de support ;
b) réduction de l'épaisseur du corps de support - avant l'assemblage du disque annulaire avec les segments de support (3) - dans la zone formant la surface de contact (9) pour le disque annulaire (11), en profondeur à partir de la face de contact jusqu'à ce que tous les segments de support (3) soient entièrement séparés électriquement les uns des autres par les rainures (3') et jusqu'à ce que la matière de moulage remplissant les rainures (3') soit dégagée sur la surface de contact (9) ;
c) et segmentation du disque annulaire (11) en formant des fentes d'aération (12) attenantes à la matière de moulage entre les segments de support (3), les rainures (3) étant plus larges que les fentes d'aération (12) obtenues par la segmentation du disque annulaire (11).