[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator einer elektrischen Maschine.
[0002] Kommutatoren für elektrische Maschinen auch unter dem Namen Stromwender bekannt,
weisen Kommutatorlamellen auf. Über die Kommutatorlamellen wird der zu wendende Strom
geführt. Kommutatorlamellen bestehen aus wenigstens einem elektrisch leitenden Material,
wie z.B. Kupfer. Die elektrisch leitenden Kommutatorlamellen sind durch ein isolierendes
Material voneinander getrennt. Bei Stromwendern elektrisch rotatorischer Maschinen
sind die Kommutatorlamellen kreisförmig um eine Rotationsachse angeordnet und sitzen
auf einem zylindrischen Körper auf. Der durch die Kommutatorlamellen geführte Strom
wird über Bürsten abgegriffen.
[0003] Insbesondere bei schnellen Relationsbewegungen eines rotatorischen Kommutators wirken
auf die Kommutatorlamellen hohe Zentripetalkräfte, d.h. Fliehkräfte. Durch diese Zentripetalkräfte
entstehen Wölbungen und Veränderungen in der Geometrie des Kommutators und insbesondere
der Kommutatorlamellen. Diese Wölbungen sind vorzugsweise dort im besonderen Maße
ausgeprägt, wo die Kommutatorlamellen wenig Gegenkräfte entwickeln bzw. aufweisen.
Bei einem rotationssymmetrischen Kommutator weisen die Kommutatorlamellen zwei Enden
auf. Insbesondere an diesen Enden sind die Kommutatorlamellen so ausgeführt, dass
Mittel vorgesehen sind, welche die Kommutatorlamellen an dem zylindrischen Körper
halten und eine Gegenkraft zur Zentripetalkraft aufbauen. Lange Kommutatoren können
auch zwischen den beiden Enden des Kommutators Mittel zur Halterung an dem zylindrischen
Körper aufweisen. Dies ist allerdings sehr aufwendig und kostentreibend. Durch die
der Zentripetalkraft entgegenwirkende Kraft ist eine Gewölbedruck aufgebaut. Beispiele
für den Aufbau eines Gewölbedrucks sind der Patentschrift DE 32 45 699 C2 entnehmbar.
Je weiter ein Punkt einer Kommutatorlamelle von einem Befestigungspunkt entfernt ist,
desto kleiner werden die der Zentripetalkraft entgegenwirkenden Kräfte und desto ausgeprägter
ist die Wölbung bei ausgeführten Rotationsbewegungen. Derartige Wölbungen können auch
eine bleibende Verformung der Kommutatorlamellen bzw. Wölbung des Kommutators zur
Folge haben. Eine radiale Auswölbung wenigstens von Teilbereichen des Kommutators
ergibt sich auch insbesondere dann, wenn sich bestimmte Kommutatorlamellen stärker
erwärmen als benachbarte Kommutatorlamellen und sich die wärmeren Kommutatorlamellen,
insbesondere radial nach außen ausdehnen und so eine Erhebung auf der ansonsten kreisförmigen
Kommutatoroberfläche entsteht. Eine lokal stärkere Erwärmung von Kommutatorlamellen
ergibt sich beispielsweise wenn die Kommutatorlamelle Strom führt, der Kommutator
sich jedoch nur langsam dreht oder still steht. Geometrische Veränderungen des Kommutators,
insbesondere der Kommutatorlamellen haben Auswirkungen auf die Stromabnehmer, d. h.
die Bürsten, welche die Spannung bzw. den Strom von den Kommutatorlamellen abgreifen.
Der Abrieb der Bürsten ist vergrößert. Diese sind öfter auszutauschen, was die Betriebszeiten
des Stromwenders und der elektrischen Maschine, vorzugsweise der Gleichstrommaschine
reduziert. Durch den erhöhten Abrieb vergrößert sich die Temperatur im Bereich der
Bürsten. Eine hohe Temperatur hat höhere Widerstände der elektrisch leitenden Teile
zur Folge, welche wiederum die Temperatur erhöhen. So wird nicht nur der Abrieb der
Bürsten erhöht, sondern es wird auch der Kommutator in einem höheren Maße thermisch
beansprucht. Des weiteren tritt auch an den Kommutatorlamellen ein höherer Verschleiß
auf. Durch den höheren Verschleiß reduziert sich die Betriebsstundenzahl der elektrischen
Maschine und die Kosten durch Wartung und Reparatur sind erhöht.
[0004] Kommutatoren sind nicht nur mit einteiligen Kommutatorlamellen aus Kupfer ausführbar,
sondern auch zweiteilig mit zwei elektrisch leitenden Materialien, wie Kupfer und
Kohle; Beispiele hierfür sind der deutschen Patentschrift Nr. 925661 entnehmbar.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kommutator anzugeben, bei welchen
der Verschleiß reduziert ist.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Ein Kommutator für eine rotatorische elektrische Maschine, mit einer Rotationsachse,
weist mehrere auf einer kreisartigen Isolierschicht rotationssymmetrisch angeordnete
Kommutatorlamellen auf. Die Kommutatorlamellen sind voneinander durch wenigstens eine
Isolierung isoliert, wobei die Isolierung, die Kommutatorlamelle und der Kommutator
im Bereich der Kommutatorlamellen wenigstens zweischichtig ausgeführt ist. Die Kommutatorlamellen
weisen zumindest eine der Rotationsachse zugewandte Unterschicht und eine der Rotationsachse
abgewandte Oberschicht auf wobei die Unterschicht der Kommutatorlamellen ein metallisches
Material aufweist und die Oberschicht der Kommutatorlamellen eine elektrisch leitendes
Material aufweist. Die Oberschicht des Kommutators im Bereich der Kommutatorlamellen
weist eine geringere Wärmeausdehnung auf als die Unterschicht des Kommutators im Bereich
der Kommutatorlamellen.
[0007] Durch die Verarbeitung der Isolierung zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen
bei verschiedenen Temperaturen ist ein Gewölbedruck aufbaubar.
[0008] Der Stromwender, d. h. der Kommutator einer elektrischen Maschine, insbesondere einer
Gleichstrommaschine ist ein zylinderartiger Körper. Auf einem Kommutatorlamellenträger,
welcher eine Welle einer elektrischen Maschine aufnimmt, sind mehrere Kommutatorlamellen
angebracht wobei die Kommutatorlamellen vom Kommutatorlamellenträger beispielsweise
durch eine kreisartige Isolierschicht elektrisch isoliert sind. Die Anbringung der
Kommutatorlamellen an dem Kommutatorlamellenträger erfolgt beispielsweise formschlüssig
und/oder kraftschlüssig durch hakenartige Verbindungen, kraftschlüssige Verbindungen
und/oder durch stoffflüssige Verbindungen wie beispielsweise durch Kleber und/oder
eine Lötverbindung. Sind die Kommutatorlamellen aus einem metallischen Teil als Unterschicht,
und einem anderen elektrischen leitenden Teil als Oberschicht aufgebaut, so ist der
metallische Teil vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Material
wie Aluminium oder Eisen und der Teil der Oberschicht aus einem anderen elektrisch
leitenden Material, z.B. wenigstens teilweise aus Kohle und/oder Graphit. Eine elektrisch
leitende Oberschicht, z.B. eine Kohleschicht befindet sich auf der rotatorisch nach
außen gerichteten Fläche des metallischen Teils der Kommutatorlamellen. Die Kohleschicht
ist beispielsweise durch das Anbringen einzelner Segmente aus Kohle auf den Kommutatorlamellen
ausbildbar. Die Anbringung erfolgt beispielsweise durch stoffflüssige Verbindungen
wie dem Kleben und/oder dem Anlöten. Eine weitere Art, den metallischen Teil der Kommutatorlamellen
im radial äußeren Bereich des Stromwenders mit einer Kohleschicht zu versehen, ist
die Verwendung eines Beschichtungsverfahrens. Diese Methode ist sowohl segmentiell
jeweils nur über einer Kommutatorlamelle anwendbar, als auch für den ganzen rotatorischen
Außenbereich des zylinderartigen Stromwenders, so dass sich ein Kohlemantel ausbildet.
Ein derartiger Kohlemantel ist auch durch eine Hülsenkonstruktion ausführbar. Eine
Hülse aus einem zumindest kohlehaltigem Material deren Innendurchmesser größer, gleich
oder etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des Stromwenders mit den rotatorisch
angeordneten Kommutatorlamellen, die zunächst nur einen metallischen Teil aufweisen,
wird über die zunächst nur metallischen Kommutatorlamellen gestülpt. Ist der Innendurchmesser
der Kohlehülse kleiner als der Außendurchmesser der metallischen Teile der Kommutatorlamellen,
so ist beispielsweise der Teil mit den metallischen Teilen der Kommutatorlamellen
abkühlbar, so dass er sich zusammenzieht und/oder die Hülse ist erwärmbar, so dass
diese sich ausdehnt und somit ein Ineinanderfügen der beiden Teile durchführbar ist.
Die Verbindung der beiden Teile erfolgt beispielsweise durch eine Klebeverbindung
und/oder durch eine Lötverbindung.
[0009] Die Segmentierung, d.h. die Ausbildung einer Lamellenstruktur der Kohleschicht erfolgt
durch das Abtragen der Kohle in den Bereichen, welche über der Isolierung zwischen
dem metallischen Teilen der Kommutatorlamellen liegen. Diese Isolierung besteht beispielsweise
aus Glimmer. Diese Segmentierung der Kohleschicht des Kommutators erfolgt beispielsweise
über eine optische Abtastung der Isolierung zwischen den Kommutatorlamellen um eine
Fräseinrichtung beispielsweise so zu positionieren, dass oberhalb der Isolierung die
Kohleschicht durchtrennt wird.
[0010] Die Zwischenräume zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen werden durch
eine Isoliermasse gefüllt. Dies geschieht beispielsweise durch Vergießen oder Verpressen.
Daraus resultiert der zumindest zweischichtige Aufbau der Isolierung zwischen den
Kommutatorlamellen, da die Verarbeitung der Isolierung zeitlich versetzt vollzogen
ist. Die Isolierung ist somit zweischichtig, unabhängig davon, ob nur ein Isoliermaterial
oder verschiedene Isoliermaterialien verarbeitet werden. In vorteilhafter Weise erfolgt
die Verarbeitung der Isolierung zwischen den Oberschichten bei einem erwärmten Kommutator.
[0011] Die Unterschicht des Kommutators weist als einen Teil die Unterschicht der Kommutatorlamellen
und als anderen Teil die dazwischenliegende Isolierung auf. Die Oberschicht des Kommutators
weist als einen Teil die Oberschicht der Kommutatorlamellen und als anderen Teil die
dazwischenliegende Isolierung auf, wobei diese Isolierung der Oberschicht im erwärmten
Zustand des Kommutators verarbeitet ist. Da in vorteilhafter Weise die Oberschicht
des Kommutators eine kleiner Wärmeausdehnung aufweist als die Unterschicht des Kommutators
ergibt sich bei einem erwärmten Kommutator ohne Isolierung in der Oberschicht eine
größere Lücke zwischen den Kommutatorlamellen, als dies bei einem nicht erwärmten
Kommutator der Fall ist. In diese größere Lücke wird die Isolierung zwischen den Oberschichten
der Kommutatorlamellen eingebracht. Kühlt der Kommutator ab, so zieht sich die Unterschicht
des Kommutators stärker zusammen als die Oberschicht, wobei beide Schichten fest miteinander
verbunden sind. Daraus entstehen Spannungen und Kräfte, welche einen Gewölbedruck
aufbauen. Damit ist eine Gegenkraft zur Zentripetalkraft ausgebildet. Auch bei lokalen
Erwärmungen der Kommutatorlamellen wölbt sich der Kommutator in diesem lokalen Bereich
nur noch vermindert auf.
[0012] Damit auch bei hohen Betriebstemperaturen ein Gewölbedruck aufrecht erhalten bleibt,
erfolgt die Verarbeitung der Isolierung zwischen der Oberschicht der Kommutatorlamellen
vorzugsweise bei einer Temperatur der Kommutators oberhalb der maximalen Betriebstemperatur
des Kommutators.
[0013] Oberschichten und/oder Unterschichten sind in ihrer radialen Ausrichtung auch mehrschichtig
aufbaubar. Dabei ist die Wärmeausdehnungsfähigkeit der in den Bereichen der Kommutatorlamellen
mit großem Radius verwendeten Materialien kleiner zu halten als die Wärmeausdehnungsfähigkeit
der Materialien in den Bereichen der Kommutatorlamellen mit dazu kleinerem Radius.
[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist die Isolierschicht im
Bereich der Oberschicht der Kommutatorlamellen einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als die Isolierschicht im Bereich der Unterschicht der Kommutatorlamellen auf.
[0015] Wird der Kommutator mit seiner sequentiell in Lamellen aufgeteilten Oberschicht erwärmt,
so vergrößern sich die Zwischenräume zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen.
In diese Zwischenräume wird eine Isoliermasse eingebracht, welche zumindest einen
kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als wenigstens die Oberschicht der Kommutatorlamellen
aufweist. Vorzugsweise ist der Ausdehnungskoeffizient der Isoliermasse bzw. des Isoliermaterials
zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen Null oder negativ. Beim Abkühlen
des Kommutators zieht sich die Oberschicht, welche z.B. eine Kohleschicht ist stärker
zusammen als die Isoliermasse. Auf diese Weise entsteht innerhalb des äußeren Bereiches
des Stromwenders ein Druck. Dieser Druck übt eine Kraft auf die Kommutatorlamellen
aus. Durch diese Kraft bzw. durch den Gewölbedruck minimieren sich die geometrischen
Veränderungen des Kommutators bzw. des Stromwenders im Falle vom rotatorischen Bewegungen
und den in diesem Zusammenhang auftretenden Zentripetalkraft, da diese Kraft der Zentripetalkraft
wenigstens in Teilen entgegenwirkt.
[0016] Zur Erhöhung des Gewölbedrucks bzw. der auftretenden Spannung sind verschiedene Maßnahmen
ausführbar, die miteinander kombinierbar sind. Der Aufbau des Gewölbedruckes hängt
beispielsweise unter anderem auch von der Kombination aus den verwendeten Materialien
mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit der Dicke, d.h., dem eingenommenen
Volumen ab. Je größer das Volumen ist, desto größer ist absolut gesehen dazu die Ausdehnung.
[0017] Durch den aufgebrachten Gewölbedruck und den geringeren Veränderungen bezüglich den
Auswirkungen von Fliehkräften, verbessern sich die Rundlaufeigenschaften im Vergleich
zum bisherigen Stand der Technik.
[0018] In vorteilhafter Weise ist die Vorgehensweise bei der Verarbeitung der Isolierung
im Bereich der Oberschicht der Kommutatorlamelle auch bei der Isolierung zwischen
den Unterschichten der Kommutatorlamellen anwendbar.
[0019] Eine Verwendung zweier Materialien für die Isolierung der Kommutatorlamellen untereinander
ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn verschiedene Materialeigenschaften wie die
Wärmeausdehnungsfähigkeit oder auch verschiedene Verarbeitungseigenschaften der Materialien
ausnutzbar sind.
[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist der Abstand in
Umfangsrichtung zwischen den Isolierschichten größer ist als der Abstand in Umfangsrichtung
zwischen den Kommutatorlamellen wobei die Oberschicht der Kommutatorlamellen einen
kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Unterschicht der Kommutatorlamellen
aufweist.
[0021] In diesem Fall ist der Blick auf die Dicke der Kommutatorlamellen in Bezug auf die
Dicke der dazwischenliegenden Isolierung gerichtet. Bei einem zweischichtigen Kommutator
weist die Oberschicht beispielsweise ein Kohlematerial auf und die Unterschicht ein
Kupfermaterial. Da Kohle mit ca.
α = 2,7 • 10
-6 K
-1 einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten α als Kupfer mit ca. α =
16,5 • 10
-6 K
-1 aufweist und die Kohlematerialschicht dicker ist als die Isolierschicht dazwischen
spielt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolierschicht nunmehr nur noch eine untergeordnete
Rolle.
[0022] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist die Isolierschicht zwischen
den Oberschichten der Kommutatorlamellen in Bezug auf eine Lauffläche von Bürsten
an der Oberschicht zur Welle hin zurückversetzt.
[0023] Dies trägt zur Erhöhung der Bürstenstandzeit bei, insbesondere bei einer Oberschicht
aus zumindest kohlehaltigem Material. Die Zurücksetzung liegt beispielsweise in einem
Bereich von wenigen Zehntel Millimetern bis zu einigen Millimetern.
[0024] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators sind die Kommutatorlamellen
und die elektrische Isolierung zwischen den Kommutatorlamellen jeweils zweischichtig
aufgebaut.
[0025] Ein zweischichtiger Aufbau ermöglicht die Realisierung der Vorteile des Schichtenaufbaus
und ist dennoch relativ einfach, sowie kostengünstig realisierbar.
[0026] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist zwischen der Oberschicht
der Kommutatorlamelle und der Unterschicht der Kommutatorlamelle ein Grenzbereich,
welcher gleiche Abstände zur Rotationsachse aufweist. Dieses Aufbauprinzip hat den
Vorteil, dass es einfach und kostengünstig realisierbar ist. Ein Beispiel hierfür
ist die bereits beschriebene Verwendung einer Hülse zum Aufbau einer Oberschicht der
Kommutatorlamellen.
[0027] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Oberschicht mit der
Unterschicht einen Überlappungsbereich in radialer Richtung aufweist, wobei dadurch
insbesondere im Betrieb und bei Rotation auf die Oberschicht der Kommutatorlamellen
eine Kraft wirkt, welche die Oberschicht an die Unterschicht der Kommutatorlamellen
drückt. Überlappungen in Form von Verzahnungen sind in verschiedenartiger Weise ausführbar.
[0028] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist die Isolierschicht im
Bereich der Oberschicht der Kommutatorlamellen mit der Isolierschicht im Bereich der
Unterschicht der Kommutatorlamellen eine Grenzschicht auf, wobei diese Grenzschicht
einen kleineren Abstand von der Rotationsachse aufweist als den kleinsten Abstand
des Grenzbereiches zwischen der Oberschicht und der Unterschicht der Kommutatorlamellen.
[0029] Auf diese Weise überlappt sich die Oberschicht der Isolierung mit der Unterschicht
der Kommutatorlamelle, so dass eine sichere und definierte Isolierung im Bereich der
Grenzschichten ausgebildet ist. Bei der Bildung der Oberschicht der Kommutatorlamellen
mittels einer Hülse aus Kohle ergibt sich eine Überlappung vorteilhaft, so dass die
Abtragung der Kohle oberhalb der Isolierung zwischen den Unterschichten der Kommutatorlamellen
nur etwas tiefer zu erfolgen hat, um auch bereits Teile der bestehenden Isolierung
zwischen den Unterschichten der Kommutatorlamellen mit zu erfassen. Vorteilhaft ist
dies auch dahingehend, dass bei nicht exakter Justage des Abtragungsbereiches stets
eine saubere Isolierung der Kommutatorlamellen untereinander gewährleistbar ist.
[0030] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist das elektrisch leitenden
Material der Oberschicht Kohle auf und die Unterschicht der Kommutatorlamellen Kupfer.
[0031] Kupfer und Kohle sind gängigerweise für Kommutatoren verwendbar und bieten sich als
Standardmaterialien an. Kommutatoren ihrerseits sind üblicherweise bei Gleichstrommaschinen
verwendet. Die Oberschicht aus Kohle stellt das Kontaktmaterial zu den Bürsten dar.
Kohle weist vorteilhafter Weise geringe Verschleißwerte auf, wodurch hohe Betriebsstundenzeiten
des Kommutators erreichbar sind. Neben Kohle sind auch andere verschleißarme Kontaktmaterialien
mit geringen Verschleißwerten für die Oberschicht verwendbar. Beispiele hierfür seien
gehärtete Metalle und/oder Legierungen bzw. Keramiken, welche vorteilhafter Weise
als Verbundwerkstoff mit gut elektrisch leitenden Materialien verarbeitet sind.
[0032] Ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators in wenigstens einer der obig beschriebenen
erfindungsgemäßen Ausgestaltungen lässt sich wie folgt kurz und prinzipiell beschreiben.
[0033] Der Kommutator mit Kommutatorlamellen, die eine Oberschicht und eine Unterschicht
aufweisen, wobei die einzelnen Unterschichten der Kommutatorlamellen wenigstens teilweise
durch ein Isolationsmaterial voneinander isoliert sind wird
- auf eine Temperatur vorzugsweise oberhalb Betriebstemperatur des Kommutators erwärmt
um danach
- wenigstens zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen Isolationsmaterial einzubringen.
Zur Herstellung des Kommutators mit Kommutatorlamellen, die eine Oberschicht und eine
Unterschicht aufweisen, wobei die einzelnen Unterschichten der Kommutatorlamellen
wenigstens teilweise durch ein Isolationsmaterial voneinander isoliert sind, sind
folgende Schritte auszuführen:
- die Unterschichten der Kommutatorlamellen werden abwechselnd mit Isolierungen auf
einen isolierten zylinderartigen Rotationskörper, dem Kommutatorlamellenträger aufgebracht,
- danach wird der Kommutator mit den Unterschichten der Kommutatorlamellen zur Rotationsachse
des Rotationskörpers hin zusammengedrückt,
- um danach an den Enden der Unterschicht der Kommutatorlamellen im Bereich von axialen
Stirnseiten des Kommutators Spannringe in eine Nut der Unterschicht der Kommutatorlamellen
einzusetzen, wobei diese dort verbleiben,
- hiernach wird das Zusammendrücken aufgehoben,
- um daraufhin eine die Oberschicht bildende Hülse auf die Unterschicht des Kommutators
zu schieben,
- wobei die Oberschicht mit der Unterschicht elektrisch und mechanisch fest verbunden
wird und
- im Bereich der Isolierung zwischen den Unterschichten der Kommutatorlamellen die Hülse
aufgetrennt wird.
[0034] Um den Bürstenabrieb zu reduzieren wird das Isolationsmaterial zwischen den Oberschichten
der Kommutatorlamellen zur Lauffläche der Oberschicht zurückversetzt, indem der Spalt
zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen nur bis kurz unterhalb der Lauffläche
mit Isoliermaterial gefüllt wird. Auch eine nachträgliche Zurücksetzung der Isolierung
ist beispielsweise durch das Abschleifen der Isolierung ausführbar.
[0035] Die Verwendung von Spannringen ist technisch bekannt, ebenso wie die Herstellung
des zylinderartigen Rotationskörpers mit einer aufliegenden Isolierung. Ein gängiges
Isolationsmaterial zur Isolierung von Kommutatorlamellen aus Kupfer untereinander,
ist beispielsweise Glimmer.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommutators ausschnittsweise und schematisch
veranschaulicht ist.
FIG 1 zeigt einen Ausschnitt eines Stromwenders einer elektrischen Gleichstrommaschine
in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse der Welle.
FIG 2 zeigt wie FIG 1 einen Ausschnitt eines Stromwenders jedoch in erwärmten Zustand,
FIG 3 zeigt einen Ausschnitt eines Stromwenders mit überlappenden Schichten der Kommutatorlamellen
und
FIG 4 zeigt schematisch den Aufbau eines Kommutators mit Spannringen.
[0036] Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt im Querschnitt den Ausschnitt eines Stromwenders,
d.h. eines Kommutators 10 einer nicht dargestellten elektrischen Gleichstrommaschine.
Ein Kommutatorlamellenträger 7 setzt auf einer Welle 8 mit einer Rotationsachse 17
auf, welche die Achse einer elektrischen Gleichstrommaschine bildet und als Teil der
mechanischen Kraftübertragung dient. Auf dem Kommutatorlamellenträger 7 befindet sich
eine kreisartige Isolierschicht 9, die in der FIG 1 nur segmentartig dargestellt ist
und den Kommutatorlamellenträger 7 von einer Unterschicht 5 elektrisch isoliert, welche
elektrische Ströme aufnimmt, wobei die Unterschicht 5 beispielsweise eine Kupferlamelle
ist. Die Unterschichten 5 sind voneinander elektrisch durch eine Isolierschicht II
2 isoliert. Die Isolierschicht II 2 verläuft über die kreisartige Isolierschicht 9
radial nach außen. Auch die Unterschichten 5 verlaufen radial nach außen und grenzen
an einem äußeren Lamellenrand 11 an einer Oberschicht 4 an. Die Oberschicht 4 besteht
beispielsweise wenigstens teilweise aus Kohle und/oder einem kohlenartigen Material.
Die Oberschicht 4 bildet mit der Unterschicht 5 eine Kommutatorlamelle 3. Die Kommutatorlamellen
3 weisen zu einer Welle 8 hin eine Verjüngung auf. Diese Verjüngung resultiert aus
den unterschiedlich großen Radienbereichen des Stromwenders 10, die von den Kommutatorlamellen
3 eingenommen werden. Die Oberschichten 4 werden durch Isolierschichten I 1 elektrisch
voneinander getrennt. Dabei ragt die Isolierschicht I 1 in eine Grenzbereich 12 zwischen
die Unterschichten 5 hinein. Die Isolierschicht I 1 ist weiterhin zu einem Umfangsradius
6 hin zurückgesetzt. Auf einer Lauffläche 16, welche die Kontaktfläche zu wenigstens
einer Bürste 20 darstellt, setzt eine Bürste 20 auf. Der in der FIG 1 in einen Kreisausschnitt
dargestellte Kommutator 10 weist aufgrund des Aufbaus der Kommutatorlamellen 3 und
der dazwischen liegenden Isolierung 1, 2 eine Kommutatoroberschicht 14 und eine Kommutatorunterschicht
15 auf. Des weiteren zeigt der in der FIG 1 dargestellte Kommutator 10 einen kleineren
Abstand 18 zwischen den Kommutatorlamellen 3 im Vergleich zum Abstand 19 zwischen
den Isolierungen 2 der Kommutatorlamellen, wobei figürlich nur eine Isolierung 2 gezeigt
ist.
[0037] Die nachfolgenden FIG 2 und 3 zeigen wie FIG 1 einen Kommutator 10, wobei gleiche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen mit vorangestellten Figurennummer bezeichnet sind,
z.B. Welle 8, 28, 38.
[0038] Die Darstellung gemäß Figur 2 zeigt den Ausschnitt eines Kommutators 10 mit Kommutatorlamellen
23, wobei der gesamte Kommutator erwärmt ist. Ist die Unterschicht 25 beispielsweise
aus Kupfer und die Oberschicht 24 beispielsweise aus Kohle, so hat sich durch die
Erwärmung das Kupfer weiter ausgedehnt als die Kohle, so dass im Bereich zwischen
den Oberschichten 24 mit der Kohle ein breiter Füllbereich 213 entsteht. Dieser Füllbereich
213 ist mit der Isolierschicht I 1 gemäß Figur 1 aufzufüllen. Ist der Füllbereich
aufgefüllt, so verkleinert sich der Füllbereich überproportional bei Abkühlung des
Kommutators 10, so dass sich im Bereich der Kommutatoroberschicht 214 ein Gewölbedruck
aufbaut.
[0039] Die Darstellung gemäß Figur 3 zeigt eine Kommutator 10 wie in Figur 1, mit dem Unterschied,
dass sich die Oberschicht 34 und die Unterschicht 35 überlappen. Dies erhöht die Bindung
zwischen Oberschicht 34 und Unterschicht 35.
[0040] Die Darstellung gemäß Figur 4 zeigt den Ausschnitt eines Längsschnittes eines Kommutators
50, wobei zwei Spannringe 53 und 54 gezeigt sind, welche in Nuten 55 und 56 an Stirnseiten
51 und 52 des Kommutators 50 liegen. Die Nuten 55 und 56 sind mit einer Füllmasse
57 ausgefüllt. Die Kommutatorlamelle 43 ist wie in den vorangegangenen Figuren zweischichtig
aufgebaut, und weist eine Oberschicht 44 und eine Unterschicht 45 auf. Die Spannringe
53, 54 drücken die Kommutatorlamellen 43 radial in Richtung der Rotationsachse 417
zusammen, wobei die Kommritatorlamellenn auf dem Kommutatorlamellenträger 47 aufsetzen
und von diesem elektrisch durch die kreisartige Isolierschicht 49 isoliert sind.
1. Kommutator (10) für eine rotatorische elektrische Maschine, mit einer Rotationsachse
(15), mit mehreren auf einer kreisartigen Isolierschicht (9, 29) rotationssymmetrisch
angeordneten Kommutatorlamellen (3, 23), welche voneinander durch wenigstens eine
Isolierung (1,2) isoliert sind, wobei die Isolierung (1,2) , die Kommutatorlamelle
(3,23) und der Kommutator (10) im Bereich der Kommutatorlamellen (3,23) wenigstens
zweischichtig ausgeführt ist, wobei die Kommutatorlamellen (1,2) zumindest eine der
Rotationsachse (15) zugewandte Unterschicht (5,25) und eine der Rotationsachse (15)
abgewandte Oberschicht (4,24) aufweisen, wobei die Unterschicht (5,25) der Kommutatorlamellen
(3,23) ein metallisches Material aufweist und die Oberschicht (4,24) der Kommutatorlamellen
(3,23) ein elektrisch leitendes Material aufweist und die Oberschicht (4,24) des Kommutators
(10) im Bereich der Kommutatorlamellen (3,23) eine geringere Wärmeausdehnung aufweist
als die Unterschicht (5,25) des Kommutators (10) im Bereich der Kommutatorlamellen
(3,23).
2. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (1) im Bereich der Oberschicht (4,24) der Kommutatorlamellen (3,23)
einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Isolierschicht (2,22) im Bereich
der Unterschicht (5,25) der Kommutatorlamellen (3,23) aufweist.
3. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (17) in Umfangsrichtung zwischen den Isolierschichten (1,2) größer ist
als der Abstand (16) in Umfangsrichtung zwischen den Kommutatorlamellen (3) und die
Oberschicht (4,24) der Kommutatorlamellen (3,23) einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als die Unterschicht (5,25) der Kommutatorlamellen (3,23) aufweist.
4. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (1) zwischen den Oberschichten (4) der Kommutatorlamellen (3)
in Bezug auf eine Lauffläche (14) von Bürsten ( ) an der Oberschicht (4) zur Welle
(8) hin zurückversetzt ist.
5. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutatorlamellen (3) und die elektrische Isolierung (1,2) zwischen den Kommutatorlamellen
(3) jeweils zweischichtig aufgebaut ist.
6. Kommutator (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberschicht (4) der Kommutatorlamelle (3) und der Unterschicht (5) der
Kommutatorlamelle (3) ein Grenzbereich (11) ist, welcher gleiche Abstände zur Rotationsachse
(17,217) aufweist.
7. Kommutator (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht (34) mit der Unterschicht (35) einen Überlappungsbereich in radialer
Richtung aufweist.
8. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (1) im Bereich der Oberschicht (4) der Kommutatorlamellen (3)
mit der Isolierschicht (2) im Bereich der Unterschicht (5) der Kommutatorlamellen
(3) eine Grenzschicht (12) aufweist, wobei diese Grenzschicht (12) einen kleineren
Abstand von der Rotationsachse (17,217) aufweist als den kleinsten Abstand des Grenzbereiches
zwischen der Oberschicht (4) und der Unterschicht (5) der Kommutatorlamellen (3).
9. Kommutator (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitenden Material der Oberschicht (4) Kohle aufweist und die Unterschicht
(5) der Kommutatorlamellen (3) Kupfer aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10) nach Anspruch 1, wobei der Kommutator
(10), mit Kommutatorlamellen (3,23), die eine Oberschicht (4,24) und eine Unterschicht
(5,25) aufweisen und die einzelnen Unterschichten (5,25) der Kommutatorlamellen (3,23)
wenigstens teilweise durch ein Isolationsmaterial (2,22) voneinander isoliert sind,
- auf eine Temperatur oberhalb Betriebstemperatur des Kommutators (10) erwärmt wird
und danach
- wenigstens zwischen den Oberschichten (4,24) der Kommutatorlamellen (3,23) Isolationsmaterial
(1) eingebracht wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Kommutators (10) mit Kommutatorlamellen (3,23), die eine Oberschicht
(4,24) und eine Unterschicht (5,25) aufweisen, wobei die einzelnen Unterschichten
(5,25) der Kommutatorlamellen (3,23) wenigstens teilweise durch ein Isolationsmaterial
(2,22) voneinander isoliert sind,
- die Unterschichten (5,25) der Kommutatorlamellen (3,23) abwechselnd mit Isolierschichten
II (2,22) auf einen isolierten zylinderartigen Rotationskörper dem Kommutatorlamellenträger
(7,27) aufgebracht werden,
- danach der Kommutator (10) mit den Unterschichten (5,25) der Kommutatorlamellen
(3,23) zur Rotationsachse (17) des Kommutatorlamellenträgers(7,17) hin zusammengedrückt
wird,
- wobei an den Enden der Unterschicht (45) der Kommutatorlamellen (43) im Bereich
der axialen Stirnseiten (51,52) des Kommutators Spannringe (53,54) in eine Nut (55,56)
der Unterschicht (45) der Kommutatorlamellen (43) eingesetzt werden um dort zu verbleiben,
- und danach das Zusammendrücken aufgehoben wird,
- um daraufhin eine die Oberschicht (44) bildende Hülse auf die Unterschicht (45)
des Kommutators (50) zu schieben,
- wobei die Oberschicht (44) mit der Unterschicht (45) elektrisch und mechanisch fest
verbunden wird und
- im Bereich der Isolierung (49) zwischen den Unterschichten (45) der Kommutatorlamellen
(43) die Hülse aufgetrennt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (1,31) zwischen den Oberschichten (4,34) der Kommutatorlamellen
(3,33) zur Lauffläche (6,36) der Oberschicht (4,34) zurückversetzt wird.