Kollektor für eine elektrische Maschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

 Kollektor für elektrische Maschinen, welche aus einem rotationssymmetrischen gesinterten Keramikkörper (1) und einer Vielzahl von radial angeordneten, durch je einen Zwischenraum voneinander getrennten metallischen Segmenten (2) besteht, welche über eine eutektische Zwischenschicht (3) mit dem Keramikkörper (1) verbunden sind. Die Segmente (2) werden nach dem eutektischen Verfahren mit dem Keramikkörper (1) verbunden, indem sie oberflächlich an ihrer innenliegenden Schmalseite oxydiert und radial an den Keramikkörper (1) angepresst werden und das Ganze auf die dem Eutektikum Metall/Metalloxyd entsprechende Schmelztemperatur gebracht und anschliessend wieder abgekühlt wird. Bevorzugte Ausführung: Kupfersegmente auf Al₂O₃-Keramikkörper.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Kollektor nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Verfahren zu dessen Herstellung nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 6.

[0002] Kollektoren für elektrische Maschinen bestehen aus radial angeordneten, zentralsymmetrisch ausgerichteten, einen zylindrischen Rotationskörper bildenden metallischen Segmenten (Kupferlamellen), welche voneinander isoliert und durch Ringe zusammengehalten sind. Beim sogenannten Pressringkollektor sind die Segmente schwalbenschwanzförmig ausgebildet und werden durch einen axialen Druck ausübende Pressringe unter Zwischenschaltung von Glimmerisolation zusammengehalten. Die Segmente des Schrumpfringkollektors dagegen sind durch Schrumpfringe zusammengehalten, welche auf das ganze Lamellenpaket radiale Kräfte ausüben. Das letztere muss als Ganzes in allen Fällen gegenüber benachbarten Metallteilen isoliert sein. Zu diesem Zweck werden vorwiegend Glimmer und Glimmerprodukte (Mica) verwendet.

[0003] Kollektoren werden im Betrieb sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Daher werden sie meistens als sogenannte Gewölbedruckkollektoren ausgeführt. Dies bedeutet, dass auch bei den höchsten Umfangsgeschwindigkeiten (Schleuderdrehzahl) benachbarte Lamellen nicht klaffen dürfen, sondern immer noch unter gegenseitigem tangentialem Druck aneinander anliegen müssen. Die Berechnung und Konstruktion dieser herkömmlichen Kollektoren erfordert daher grosse Sorgfalt und Erfahrung. Ihre Fertigung sowie ihre gesamte Technologie (Wärmebehandlung, Formierung) stellt praktisch eine handwerkliche Kunst dar, an die sehr hohe Anforderungen gestellt wird. Dies hängt mit der Neigung zur Instabilität der Mica-Isolation zusammen. Die Glimmerprodukte haben senkrecht zu ihrer Schichtfläche keinerlei Zug- und parallel dazu nur eine verschwindend geringe Scherfestigkeit. Sie dürfen daher nur senkrecht zur Schichtfläche auf Druck belastet werden. Die einzelnen Glimmerplättchen haben die Neigung, sich gegeneinander zu verschieben, was durch ungleichmässige Erwärmung (Anfahren aus dem Stillstand bei Bahnmotoren) oder mechanische Ueberlastung verursacht sein kann. Dadurch können einzelne Lamellen irreversibel verschoben werden und zu Betriebsstörungen führen.

[0004] Aus dem Vorstehenden geht klar hervor, dass der herkömmliche Kollektor ein recht kompliziertes, zu mechanischen Instabilitäten und geometrischen Veränderungen neigendes Gebilde ist, dessen gesamte Herstellungstechnologie zeitraubend und aufwendig und mit viel handwerklichem Können verbunden ist. Es besteht daher ein Bedürfnis, die Konstruktion zu vereinfachen und das Herstellungsverfahren abzukürzen.

[0005] Aus der Metallbeschichtungstechnik, wie sie vor allem in der Elektronik bei der Printherstellung angewendet wird, ist das direkte Verbinden von Metallen mit keramischen Werkstoffen nach dem sog. eutektischen Verfahren bekannt. Hierbei wird durch die Erzeugung eines Metall/Metalloxyd-Eutektikums, dessen Schmelzpunkt sich nur knapp unter demjenigen des reinen Metalls befindet, ein im submikroskopisch-atomaren Bereich wirksamer Bindungsmechanismus ausgenutzt. Dieser an den Grenzflächen Metall/Keramik unmittelbar und ohne zusätzliche Zwischenschichten wirksame Bindungsmechanismus gestattet eine fest haftende Verbindung zwischen den beiden ungleichen Komponenten (siehe z.B. J. F. Burgess and C. A. Neugebauer, "The Direct Bonding of Metals to Ceramics by the Gas-Metal Eutectic Method", J. Electrochem. Soc., May 1975, Vol. 122, No. 5; J. F. Burgess, C. A. Neugebauer, G. Flanagan, R. E. Moore, "The Direct Bonding of Metals to Ceramics and Applications. in Electronics", General Electric Report No. 75CRD105, May 1975; US-PS 3 766 634; US-PS 3 911 553).

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kollektor für eine elektrische Maschine anzugeben, welche sich als Ganzes möglichst wie ein monolithischer Körper verhält, keinerlei zu mechanischen Instabilitäten neigende isolierende Zwischenschichten enthält und in seinem Aufbau möglichst einfach ist. Das entsprechende Herstellungsverfahren soll mit einfachen Mitteln reproduzierbar sein und keine hohen Anforderungen an handwerkliches Können stellen.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0009] Dabei zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Kollektor mit glattem Keramikkörper,

Fig. 2 den Querschnitt durch einen Kollektor mit glattem Keramikkörper,

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Kollektor mit genutztem Keramikkörper,

Fig. 4 verschiedene Segmentformen im Aufriss.

[0010] In Fig. 1 ist ein Kollektor mit glattem Keramikkörper im Längsschnitt dargestellt. 1 ist ein rotationssymmetrischer gesinterter Keramikkörper (Al₂O₃) mit glatter zylindrischer Mantelfläche. 2 stellt ein metallisches Segment (Kupferlamelle) mit rechteckförmigem Querschnitt und ebener innerer Begrenzungsfläche dar. Die Verbindung zwischen 1 und 2 ist durch eine eutektische Zwischenschicht 3 (Cu/Cu₂0-Eutektikum) gewährleistet. Die innere Begrenzungsfläche des Keramikkörpers 1 kann verschieden gestaltet sein und auch von der Zylinderform abweichen. Insbesondere können aus konstruktiven Gründen der Befestigung auf der Maschinenwelle Absetzungen, Ausnehmungen etc. vorgesehen sein.

[0011] Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch den Kollektor gemäss Fig. 1. Die Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der ersten Figur. Es soll noch darauf hingewiesen werden, 'dass die Dicke der eutektischen Zwischenschicht 3 stark übertrieben gezeichnet ist, um ihre Bedeutung hervorzuheben. In Wirklichkeit bewegt sich diese Dicke im Bereich von ca. 5 bis 50 ₁₁.

[0012] Fig. 3 stellt einen Kollektor mit genutztem Keramikkörper im Querschnitt dar. 4 ist eine parallel zur Achse des Keramikkörpers 1 in demselben verlaufende Nut, 5 der entsprechende Steg. Die Segmente 2 sind praktisch spielfrei in die Nuten 5 eingelassen. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 2.

[0013] In Fig. 4 sind verschiedene Formen der Segmente im Aufriss dargestellt. Die stirnseitigen Partien der Segmente 2 weisen jeweils gegen das Ende zu abnehmende radiale Höhe auf. 6 ist ein abgeschrägtes, 7 ein ausgerundetes Ende des Segments 2, während im letzten Fall das Ende des Segmentes 2 eine Entlastungskerbe 8 aufweist.

Ausführungsbeispiel

Siehe Figuren 1 und 2!

[0014] Aus technisch reinem Aluminiumoxyd wurde ein dichter Keramikkörper 1 durch Sintern hergestellt. Der Keramikkörper 1 war rotationssymmetrisch und wies im allgemeinen ungefähr eine hohlzylindrische Form folgender Abmessungen und Eigenschaften auf:

[0015] 

Der Keramikkörper 1 wurde zunächst folgender Vorbehandlung unterworfen:

Entfetten: FREON 22, Ultraschall, 10 min.

Entfernen organischer Reste: H₂SO₄ konz., 150°C, 20 min. Entfernen metallischer Reste: Aqua regia, 20°C, 20 min. Destilliertes Wasser, 2 x Ultraschall, 10 min.

Trocknen: Aufheizen im Ofen an Luft in 2 Std. auf 1000°C, 20 min. halten, abkühlen auf Raumtemperatur, 4 Std.

[0016] Zur Herstellung der Segmente 2 wurde von einer massiven Elektrolytkupferplatte von 176 x 75 x 5 mm ausgegangen. Auf einer Seite wurden in die Kupferplatte parallele Nuten von 0,6 mm Breite, 3,5 mm Tiefe und 4,75 mm Mittenabstand eingefräst. Hierauf wurde die gefräste Kupferplatte zwecks Entspannung und Erweichung des Werkstoffs während 20 min. bei einer Temperatur von 800^oC unter Schutzgas (90 % Ar/ 10 % H₂) geglüht. Die abgekühlte Kupferplatte wurde auf der ebenen, nicht gefrästen Seite mit Abdecklack überzogen und zwecks oberflächlicher Oxydation während 20 min. in ein chemisches Bad folgender Zusammensetzung eingetaucht:

[0017] Anschliessend wurde die Kupferplatte während 2 x 10 min. in destilliertem Wasser gespült und der Abdecklack auf der Aussenseite abgelöst. Die Kupferplatte wurde nun, die genutete Seite nach innen zeigend, um den Keramikkörper 1 herumgebogen, so dass ein vollständiger hohlzylindrischer Körper von 66 mm Aussendurchmesser gebildet wurde. In dieser Stellung wurde der gebogene Kupferkörper durch Umwickeln von Molybdändraht von 0,2 mm Dicke unter Anwendung einer Zugspannung radial an den Keramikkörper 1 angepresst und festgehalten.

[0018] In Abweichung zu dieser Methode wird der Kupferkörper durch eine aus einer Nickel-Superlegierung (z.B. IN 100) bestehende Haltevorrichtung unter Zwischenschaltung eines dünnen Molybdänblechs (ca. 0,05 mm Dicke) zwecks Vermeidung einer unerwünschten metallurgischen Verbindung zwischen Werkstück und Werkzeug an den Keramikkörper 1 angedrückt.

[0019] Das Ganze wurde nun langsam in einen Rohrofen geschoben, so dass das Werkstück in Verlaufe von 30 min. die Temperatur von 1072⁰C (Toleranz ± 2°C) erreichte. Dadurch bildete sich an den zuvor oxydierten Grenzflächen zwischen Kupferkörper und Keramikkörper 1 eine eutektische Zwischenschicht 3 (Cu/Cu₂0-Eutektikum), welche einen Schmelzpunkt von 1065°C besitzt. Das reine Kupfer hat demgegenüber einen Schmelzpunkt von 1083°C. Die sich bildende flüssige eutektische Phase benetzte sowohl den Keramikkörper 1 wie den Kupferkörper ausgezeichnet, wobei sie in die Poren des ersteren eindrang. Werkstück und Spannvorrichtung wurden während 25 min auf der Temperatur von 1072°C belassen und anschliessend im Verlaufe von weiterer 30 min. auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei erstarrte die zuvor flüssige Phase und bildete eine feste Verbindung (Zwischenschicht 3) zwischen Kupferkörper und Keramikkörper 1. Die ganze Wärmebehandlung des eutektischen Verbindungsprozesses wurde unter Schutzgas (hochreiner Stickstoff mit weniger als 5 ppm H₂0 und 0₂) durchgeführt.

[0020] Nach der Abkühlung wurde das Werkstück aus der Halterung entfernt und der hohlzylindrische Kupferkörper bis zum Durchbruch der Nuten auf einen Aussendurchmesser von 63 mm abgedreht. Die durch diesen Verfahrensschritt entstandenen freigelegten Segmente 2 haben nun keinerlei Verbindung mehr untereinander.

Ausführunssbeispiel II:

Siehe Figur 3!

[0021] Aus Aluminiumoxyd wurde durch Strangpressen und Sintern ein an seinem äusseren Umfang mit Nuten 4 und Stegen 5 versehener Keramikkörper 1 hergestellt. Seine Eigenschaften entsprachen denjenigen von Beispiel I. Die Abmessungen betrugen:

[0022] Der Keramikkörper 1 wurde gemäss Beispiel I vorbehandelt.

[0023] Die Segmente 2 aus Elektrolytkupfer hatten rechteckigen Querschnitt und besassen folgende Abmessungen:

[0024] Die Segmente 2 wurden in einem chemischen Bad wie in Beispiel I angegeben oberflächlich oxydiert. Dann wurden sie mittels einer warmfesten Spannvorrichtung radial in die Nuten 4 des Keramikkörpers eingepresst und festgehalten. Die Wärmebehandlung zwecks Erzeugung der eutektischen Zwischenschicht 3 erfolgte genau gemäss Beispiel I. Die sich dabei bildende eutektische Zwischenschicht 3 umfloss U-förmig die Segmente 2 und verband sie nach der Erstarrung mit dem Keramikkörper 1 allseitig längs der gesamten Nut 4. Dieses Verfahren wird insbesondere für die Herstellung von Kollektoren grösserer Abmessungen angewendet.

[0025] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Die Temperatur für die Erhitzung der zu verbindenden Werkstückteile darf im Falle des Cu/Cu₂0-Eutektikums 1075 i 7°C betragen. Die Enden der Segmente 2 werden mit abnehmender radialer Höhe ausgeführt, um Eigenspannungen abzubauen und Spannungsspitzen an den Unstetigkeitsstellen zu vermeiden. Dazu dienen die in Figur 4 a bis c dargestellten abgeschrägten (6) oder ausgerundeten (7) Enden der Segmente 2 sowie die Entlastungskerbe 8. Der Keramikkörper 1 kann aus Zirkonoxyd oder aus mit Zirkonoxyd dotiertem Aluminiumoxyd bestehen. Die Segmente 2 können auch aus einem anderen Werkstoff als Kupfer oder eine Kupferlegierung bestehen und lediglich an den mit dem Keramikkörper 1 zu verbindenden Flächen verkupfert sein. Auch andere Eutektika als Cu/Cu₂0 sind zum Verbinden verwendbar.

[0026] Die Vorteile des neuen Kollektors lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Vereinfachung der Fertigung und Verkürzung der Herstellungsdauer, insbesondere Fortfall des "Formierens" (Wärmebehandlung).

- Geringere Anforderungen an handwerkliches Können bei der Fertigung.

- Einfacher, monolithischer Aufbau des Kollektors.

- Wegfall von zu Kurzschlüssen und Massenschlüssen neigenden Konstruktionselementen.

- Hohe thermische Ueberlastbarkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit einzelner Segmente ohne Gefahr irreversibler Verschiebungen.

- Vereinfachung und Erleichterung von Ueberhol- und Reparaturarbeiten im Betrieb.

- Wegfall des.zeitraubenden, periodischen Ausfräsens der mit Glimmerprodukten ausgefüllten Zwischenräume (Nuten) zwischen den Segmenten im Betrieb.

[0027] Im allgemeinen müssen mindestens die mit dem Keramikkörper (1) zu verbindenden Flächen der Segmente (2) vor dem eutektischen Verbinden oxydiert werden. Es können aber selbstverständlich auch alle Flächen diesem Verfahrensschritt unterzogen werden, was in gewissen Fällen eine Vereinfachung darstellt.

Ansprüche

1. Kollektor für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem rotationssymmetrischen zentralen gesinterten Keramikkörper (1) und radial stehenden, auf dessen Mantelfläche durch je einen Zwischenraum voneinander getrennt angeordneten und mit demselben über eine eutektische Zwischenschicht (3) verbundenen metallischen Segmenten (2) besteht.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (1) aus dicht gesintertem Aluminiumoxyd oder aus mit Zirkonoxyd dotiertem Aluminiumoxyd oder aus Zirkonoxyd, die metallischen Segmente (2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Zwischenschicht (3) aus dem Eutektikum Kupfer/Kupferoxydul bestehen.

3. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (1) eine glatte zylindrische Mantelfläche besitzt und dass die Segmente (2) auf der Innenseite tangentiale ebene Begrenzungsflächen aufweisen.

4. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (1) auf seiner äusseren Begrenzungsfläche mit Nuten (4) und Stegen (5) versehen ist.

5. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Segmente (2) an ihren Stirnseiten eine gegen das Ende zu abnehmende radiale Höhe besitzen oder mit ausgerundeten Entlastungskerben versehen sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kollektors für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein rotationssymmetrischer Keramikkörper (1) gesintert sowie eine Vielzahl von metallischen Segmenten (2) mindestens auf ihren innenliegenden Schmalseiten oberflächlich oxydiert und unter Aufwendung eines radial wirkenden Aufpressdrucks und um die Mantelfläche des Keramikkörpers (1) angeordnet werden und das Ganze in einem Ofen auf die für die Erzeugung eines Eutektikums Metall/Metalloxyd erforderliche Temperatur erhitzt und nach dem eutektischen Verfahren zur Verbindung von Keramik- und Metallteilen behandelt und schliesslich auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikkörper (1) aus Aluminiumoxyd dicht gesintert und mit Segmenten (2) aus Kupfer unter Erzeugung einer eutektischen Zwischenschicht (3) verbunden wird, indem das Ganze auf eine Temperatur von 1072 1 7^oC gebracht und anschliessend auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf einer Seite mit parallelen rechteckigen Längsnuten von einer Breite, welche dem tangentialen Abstand der Segmente (2) entspricht, versehene Kupferplatte derart um den Keramikkörper (1) gebogen wird, dass die Längsnuten auf die Innenseite und parallel zur Längsachse des Keramikkörpers zu liegen kommen, wobei die Aussenseite einen glatten zylindrischen Körper bildet, dass das Ganze in eine, radiale Druckkräfte ausübende Vorrichtung gespannt und auf die eutektische Temperatur erwärmt und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird, worauf der aussenliegende zylindrische Kupfermantel bis zum Durchbruch der Längsnuten abgedreht wird.

Zeichnung