-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Kommutator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Aus
der
WO 02/19478 A1 ist
ein Haken-Kommutator für
einen Elektromotoranker bekannt. Der bekannte Kommutator weist eine
Vielzahl von voneinander distanzierten, metallischen Segmenttragteilen
mit jeweils einem in einem Nabenkörper verkrallten Befestigungsabschnitt
auf, der mit einem Kohlekontaktsegment fest und elektrisch leitend verbunden
ist, wobei die Kontaktsegmente in Summe eine Bürstenlauffläche bilden. An den Befestigungsabschnitt
des Segmenttragteils schließt
in axialer Richtung ein Axialabschnitt an, an dem endseitig ein Wicklungsanschlusshaken
vorgesehen ist, mit dem ein Wicklungsdraht elektrisch verbindbar
ist. Bei der Herstellung des Elektromotorankers wird in jeden Wicklungsanschlusshaken
mindestens ein Wicklungsdraht gewickelt. Dabei kommt es bei einem
notwendigen Verbindungsprozess von Wicklungsdraht und Wicklungsanschlusshaken
auf eine gleichbleibend gute mechanische und elektrische Verbindungsqualität von Wicklungsanschlusshaken
und Wicklungsdraht an. Als einen Verbindungsprozess nutzt man das
sogenannte hot-staking. Dabei wird der Wicklungsanschlusshaken so
verformt, dass der Wicklungsdraht eingeklemmt wird. Danach wird
eine elektrische Spannung angelegt, damit sich Wicklungsanschlusshaken
und Wicklungsdraht erwärmen,
unter anderem deshalb, weil ein Kontaktwiderstand zwischen Wicklungsdraht
und Wicklungsanschlusshaken vorhanden ist. Bei diesem Vorgang löst sich
eine Isolationsschicht von dem Wicklungsdraht, und es findet eine
Verschweißung
von Wicklungsdraht und Wicklungsanschlusshaken statt. Aus der Druckschrift
ist es ferner bekannt, im Übergangsbereich
zwischen Axialabschnitt und Befestigungsabschnitt des Segmenttragteils
einen Bereich mit verringerter Querschnittsfläche vorzusehen, um die Wärmeleitung
von dem Wicklungsanschlusshaken zu dem Befestigungsabschnitt zu
reduzieren, unter anderem um eine Beeinträchtigung der Lötverbindung
zwischen Kontaktsegment und Befestigungsabschnitt bei dem hot-staking-Prozess
zu vermeiden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Technische Aufgabe
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kommutator vorzuschlagen,
bei dem auf zusätzliche
oder alternative Weise der Wärmeübergang
von dem Wicklungsanschlusshaken zu dem Befestigungsabschnitt des
zugehörigen
Segmenttragteils reduziert ist.
-
Technische Lösung
-
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zudem
fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest
zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten
Merkmale.
-
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zusätzlich oder alternativ zu einem
Bereich verminderten Querschnitts in den Axialabschnitt, bevorzugt jeden
Segmenttragteiles, mindestens eine in radialer Richtung durchgehende,
umfangsgeschlossene oder randseitig offene Ausnehmung einzubringen.
Durch das Vorsehen einer Ausnehmung wird der metallische Übergangsbereich
zu dem Befestigungsabschnitt mit daran befestigten, insbesondere
verlötetem
Kontaktsegment, insbesondere aus unterseitig metallisiertem Kohlenstoff
oder einem Carbon-Graphitgemisch verkleinert. Hierdurch wird der
Wärmefluss
von dem Wicklungsanschlusshaken zu dem Befestigungsabschnitt minimiert,
wodurch wiederum negative Auswirkungen einer erhöhten Temperatur im Bereich
des Wicklungsanschlusshakens, insbesondere bei einem hot-staking-Prozess
zur Befestigung eines Wicklungsdrahtes an dem Wicklungsanschlusshaken,
auf eine mögliche
Lötverbindung
am Befestigungsabschnitt vermieden werden. Dabei liegt es im Rahmen
der Erfindung, dass sich die Ausnehmung innerhalb des Axialabschnittes
bis in den Befestigungsabschnitt hinein erstreckt. Die Ausnehmung
kann auf einfache Weise bei der Herstellung des metallischen Segmenttragteils
(Lamelle), insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, beispielsweise
im Stanz-Biegeverfahren, eingebracht werden.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich
das Nabenkörpermaterial,
insbesondere ein duroplastischer Kunststoff mit Verfestigungselementen,
wie Glasfasern und/oder Glasfaserkugeln, in radialer Richtung in
die Ausnehmung, bevorzugt bis zur Außenoberfläche des Axialabschnitts hinein
erstreckt. Diese Ausgestaltungsform des Kommutators hat verschiedene Vorteile.
Zum einen wird eine zusätzliche
Verankerung des Segmenttragteils im, bevorzugt als Spritzgussteil
hergestellten, Nabenkörper
erreicht, so dass gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf schräg oder senkrecht
in den Nabenkörper hinein
ragende Verankerungskrallen, zumindest an einigen Segmenttragteilen
verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil einer zumindest teilweise
mit Nabenkörpermaterial
gefüllten
Ausnehmung im Axialabschnitt des Kommutators besteht darin, dass
von Kommutatoren aus dem Stand der Technik bekannte Rissbildungen
im Nabenkörper,
insbesondere in Bereichen dünner
Materialstärke
vermieden werden können.
Die randseitige Wandstärke
des Nabenkörpers
wird bereichsweise durch das Vorsehen der in radialer Richtung erstreckenden
Ausnehmung erhöht,
wodurch Materialspannungen und hierdurch verursachte geschwächte Bereiche
und/oder Materialrisse vermieden werden.
-
Ein
weiterer Grund für
die reduzierte Rissbildung ist der durch die Ausnehmung verbesserte
Materialfluss von Nabenkörpermaterial
bei der Herstellung des Kommutators. Durch die reduzierte Rissbildung
wird nicht nur die Stabilität
des Kommutators, sondern auch die Versiegelungseigenschaft des Nabenkörpers verbessert.
Der Nabenkörper
versiegelt kritische Bereiche des Kommutators, insbesondere Seitenflächen von
Kontaktsegmenten, beispielsweise aus Carbon oder Carbongemischen,
die ansonsten bei dem Einsatz des Kommutators in von Fluid durchströmen elektrischen
Maschinen, beispielsweise Kraftstoffpumpen durch chemische Reaktionen mit
dem zum Teil aggressiven Fluid Schaden nehmen können.
-
Wie
erwähnt,
ist es durch das Vorsehen von mit Nabenkörpermaterial zumindest teilweise
gefüllten
Ausnehmungen möglich,
zumindest zum Teil auf Verankerungskrallen zu verzichten. Unter
Verankerungskrallen werden hierbei von dem Befestigungsabschnitt
senkrecht oder schräg
in den Nabenkörper hineinragende
metallische Fortsätze
verstanden. Durch den Verzicht auf derartige Verankerungskrallen
lassen sich die Segmenttragteile leichter, insbesondere plattenförmig, fertigen
und handhaben.
-
Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Ausnehmung im Übergangsbereich
des Axialschnittes zu dem benachbarten Befestigungsabschnitt angeordnet
ist, wobei sich die Ausnehmung auch in den Befestigungsabschnitt
hinein erstrecken kann. Diese Ausführungsform, bei der die Ausnehmung
unmittelbar benachbart zu dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist,
ist von besonderem Vorteil bei einem als Plankommutator ausgebildeten
Kommutator, bei dem axial benachbart zu der Ausnehmung ein das Kontaktelement
umfangsseitig versiegelnder Umfangswandabschnitt des Nabenkörpers vorgesehen ist.
Da dieser Umfangswandabschnitt in der Regel eine geringe Wandstärke hat,
neigt dieser Bereich ohne das Vorsehen der mindestens einen Ausnehmung
zur Rissbildung.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zu der Anordnung der Ausnehmung im Übergangsbereich kann diese mit
axialem Abstand zu dem Befestigungsabschnitt angeordnet werden,
wobei der Ausnehmung bei einer derartigen Anordnung hauptsächlich eine
Verankerungsfunktion sowie eine Wärmedämmfunktion zukommt.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Ausnehmung zumindest abschnittsweise gekrümmt bzw. bogenförmig konturiert ist,
um die Anzahl von Ecken zu reduzieren, bzw. um bevorzugt Ecken vollständig zu
vermeiden, um hierdurch die Anzahl von Wärmekonzentrations punkten zu
reduzieren. Beispielsweise sind kreisförmig, halbkreisförmig oder
ellyptisch, jedoch auch rechteckig oder polygonförmig konturierte Ausnehmungen
realisierbar.
-
Die
Ausnehmung im Axialabschnitt der Segmenttragteile kann sowohl bei
einem als Plankommutator ausgebildeten Kommutator als auch bei einem
Kommutator mit am Umfang angeordneter, gekrümmter Bürstenlauffläche realisiert werden. Bei
einem Kommutator mit gekrümmter
Bürstenlauffläche handelt
es sich bei dem Befestigungsabschnitt um einen zusätzlichen
Axialabschnitt, der benachbart zu dem die Ausnehmung aufweisenden
Axialabschnitt angeordnet ist.
-
Bei
einem Plankommutator ist die Ausnehmung bevorzugt im Übergangsbereich
zwischen dem Axialabschnitt und dem rechtwinklig dazu angeordnete,
als Radialabschnitt ausgebildeten Befestigungsabschnitt vorgesehen,
um einen an die Ausnehmung angrenzenden Umfangswandabschnitt, welcher
im rechten Winkel zu dem Radialabschnitt angeordnet ist, vor einer
Rissbildung zu schützen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen; diese zeigt in
-
1 eine
Seitenansicht eines Plan-Kommutators,
-
2 eine
Draufsicht auf die Bürstenlauffläche des
Plankommutators gem. 1
-
3 eine
geschnittene Ansicht des Plan-Kommutators entlang der Schnittlinie
A-A gemäß 2.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In
den Figuren ist ein als Plankommutator ausgebildeter Kommutator 1 für eine ansonsten
bekannte elektrische Maschine (nicht dargestellt) gezeigt. Der Kommutator 1 ist
symmetrisch zu einer Längsachse
L ausgebildet und ist in montiertem Zustand auf einer nicht gezeigten,
eine zentrische Aufnahmeöffnung 2 des
Kommutators 1 durchsetzenden Ankerwelle drehfest montiert.
-
Der
Kommutator 1 weist einen als Kunststoffspritzgussteil ausgebildeten
Nabenkörper 3 auf,
der mehrere, über
den Umfang verteilte, voneinander distanzierte Segmenttragteile 4 aus
einem elektrischen leitfähigen
Material, z. Bsp. Kupfer trägt.
Jedes Segmenttragteil 4 weist einen bei dem als Plankommutator
ausgebildeten Kommutator 1 als Radialabschnitt ausgebildeten,
plattenförmigen
Befestigungsabschnitt 5 und einen um 90° hierzu abgewinkelten Axialabschnitt 6 auf,
wobei letzterer an seinem dem Befestigungsabschnitt 5 abgewandten
Ende einen Wicklungsanschlusshaken 7 trägt. Die Wicklunganschlusshaken 7 sind
in Richtung einer stirnseitigen, ebenen Bürstenlauffläche 8 gebogen.
-
Die
Bürstenlauffläche 8 wird
gebildet von einer Vielzahl von Kontaktsegmenten 9 aus
Carbon. Jedem sich in radialer Richtung nach Innen verjüngenden
Kontaktsegment 9 ist ein Befestigungsabschnitt 5 eines
Segmenttragteils 4 zugeordnet, wobei jedes Kontaktsegment 9 fest
und elektrisch leitend mit dem zugehörigen Befestigungsabschnitt 5 verbunden,
bevorzugt verlötet
ist. Zur Ermöglichung
des Lötprozesses
sind die Kontaktsegmente 9 auf der den Befestigungsabschnitten 5 zugewandten
Seite in bekannter Weise metallisiert.
-
In
Umfangsrichtung sind jeweils zwei benachbarte Kontaktsegmente 9 über einen
in radialer Richtung verlaufenden Luftspalt 10 elektrisch
voneinander isoliert.
-
Randseitig
erstreckt sich der Nabenkörper 3 in
axialer Richtung über
die Axialabschnitte 6 der Segmenttragteile 4 hinaus,
wobei in diesem Bereich von dem Nabenkörper 3 Umfangswandabschnitte 11 mit
dazwischen liegendem Luftspalt 10 gebildet sind. Die Wandstärke dieser
Umfangswandabschnitte 11 ist, wie insbesondere aus 2 ersichtlich
ist, vergleichsweise gering, so dass insbesondere diese Bereiche
des Nabenkörpers 3 zu
einer Rissbildung neigen.
-
Wie
aus den 1 und 3 ersichtlich
ist, ist in die Axialabschnitte 6 jeweils eine in Umfangsrichtung
mittige Ausnehmung 12 eingebracht, die den jeweiligen Axialabschnitt 6 in
radialer Richtung durchsetzt und bis an die Außenoberfläche 13 des zugehörigen Axialabschnittes 6 in
radialer Richtung reicht. In axialer Richtung ist jeder Umfangswandabschnitt 11 durch
jede Ausnehmung 12 hindurch mit einem Grundkörper 14 des
Nabenkörpers 3 einstückig verbunden.
Im Stand der Technik wird diese einstückige Verbindung lediglich über einen seitlichen
Abschnitt 15 randseitig an den Axialabschnitten 6 realisiert.
-
Aufgrund
der Ausnehmungen 12 mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt
wird der Materialfluss bei der Herstellung des Kommutators 1 verbessert
und die Wandstärke
des Nabenkörpers 3 bereichsweise
vergrößert, so
dass insgesamt die Rissbildungsgefahr im Nabenkörper 3, insbesondere
im Bereich der Umfangswände 11 minimiert
ist.
-
Gleichzeitig
wird durch das Vorsehen der in diesem Ausführungsbeispiel an dem dem Befestigungsabschnitt 5 zugewandten
axialen Ende vorgesehenen Ausnehmung 12 der Wärmeübergang
zwischen dem Wicklungsanschlusshaken 7 und dem zugehörten Befestigungsabschnitt 5 verschlechtert,
da für
den Wärmeübergang
lediglich zwei die der Ausnehmung 12 seitlich begrenzende
Verbindungsabschnitte 16, 17, zur Verfügung stehen.
-
Die
Umfangswandabschnitte 11 liegen radial außen an den
kohlenstoffhaltigen Kontaktsegmenten 9 an und schützen diese
somit vor den chemischen Angriffen aggressiver Fluide, insbesondere
bei dem Einsatz des Kommutators 1 in dem Motor einer Kraftstoff
durchströmten
Kraftstoffpumpe.