DE102008043150A1

DE102008043150A1 - Kommutator und Herstellungsverfahren eines Kommutators

Info

Publication number: DE102008043150A1
Application number: DE200810043150
Authority: DE
Inventors: Michael Bayer; Hans-Dieter Siems
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-04-29
Also published as: EP2180561A3; EP2180561A2

Abstract

Es wird ein Kommutator (1) für eine elektrische Maschine beschrieben, insbesondere für einen Starter, wobei der Kommutator (1) eine Vielzahl von Lamellen (2) umfasst, die mit einer zusammenhaltenden Pressmasse (3) einen Ring ausbilden, wobei jede Lamelle (2) an der äußeren Umfangsfläche einen ersten Kontaktbereich (5) für einen Kontakt mit Bürsten (6) und einen Kontaktbereich (7) für einen Kontakt mit einer Ankerwicklung (8) aufweist. Um einen Kommutator (1) zu schaffen, der höhere Drehzahlen mit einer hohen Lebensdauer standhält, ist der Kommutator (1) mit mindestens einem von einer unteren Seite (20) der Lamellen (2) eingebrachten Armierungsring (9) ausgebildet, wobei die untere Seite (20) dem ersten Kontaktbereich (5) gegenüberliegt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator und ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter, wobei der Kommutator eine Vielzahl von Lamellen umfasst, die mit einer zusammenhaltenden Pressmasse einen Ring ausbilden, wobei jede Lamelle an der äußeren Umfangsfläche einen ersten Kontaktbereich für einen Kontakt mit Bürsten und einen zweiten Kontaktbereich für einen Kontakt mit einer Ankerwicklung aufweist.
Kommutatoren besitzen zur Stromversorgung von einem Läufer, der auch als Anker bezeichnet wird, in elektrischen Maschinen an ihrem Umfang Lamellen aus Kupfer, die von Kohlebürsten gleitend kontaktiert werden.
Die DE 749 319 beschreibt einen Kommutator, dessen Lamellen in eine isolierende Pressmasse eingebettet sind. Die Lamellen weisen stirnseitig Aussparungen auf, in die Verstärkungsringe zur Armierung eingesetzt und in der Pressmasse eingebettet sind.
In einem Fahrzeug mit einem Antriebsaufbau, der eine Start-Stopp-Betriebsstrategie für die Brennkraftmaschine einschließt, sind die Anforderungen an eine elektrische Maschine zum Starten der Brennkraftmaschine erhöht. Neben einem häufigeren Einsatz des elektrischen Starters werden höhere Drehzahlen vom Starter verlangt, um eine schnelle Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Deshalb treten am Kommutator höhere Zentrifugalkräfte auf, die sich auf die Lebensdauer des Kommutators auswirken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Kommutator der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass der Kommutator höheren Drehzahlen mit einer hohen Lebensdauer standhält.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, die Festigkeit des Kommutators dadurch zu erhöhen, dass der Kommutator einen zusätzlichen Armierungsring aufweist, der bei Kommutatoren gemäß dem Stand der Technik bisher nicht vorgesehen ist.
Die Aufgabe wird mit einem Kommutator dadurch gelöst, dass der Kommutator mit mindestens einem von einer unteren Seite der Lamellen eingebrachten, Armierungsring ausgebildet ist, wobei die untere Seite dem ersten Kontaktbereich gegenüber liegt. Der erste Kontaktbereich bildet eine Lauffläche bzw. eine Laufbahn für eine elektrisch kontaktierende Kohlebürste. Der mindestens eine Armierungsring ist somit unter einer Laufbahn einer Kohlebürste angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Armierungsring die Stabilität des Kommutators gegenüber einfachen Kunststoffumspritzungen von den Lamellen mit einem charakteristischen Querschnittsprofil deutlich verbessert, so dass höhere Drehzahlen des Kommutators mit einer hohen Lebensdauer möglich werden. Ein zusätzlicher Armierungsring unter der Lauffläche verbessert die Stabilität des Kommutators während der gesamten Betriebszeit.
Um diese Stabilität zu erreichen, ist der mindestens eine Armierungsring unterhalb des ersten Kontaktbereichs in eine Aussparung von der Unterseite der Lamellen eingebettet. Der Armierungsring wird somit in eine Aussparung an der Unterseite der Lamellen eingebracht und danach wird der Armierungsring zusammen mit den Lamellen mit einer Pressmasse verpresst.
Um die Festigkeit des Armierungsrings in den Lamellen zu verbessern ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der mindestens eine Armierungsring in einer Ausspa rung an der Unterseite der Lamellen ausgebildet, die im Längsprofil gesehen eine Schwalbenschwanzform aufweist.
Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Armierungsring in einer Aussparung an der Unterseite der Lamellen im Längsprofil gesehen mit einer Eck- oder T-Form ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der mindestens eine Armierungsring in eine Aussparung mit einer Eckform leicht einsetzbar ist. Bei einer T-Form sind sogar zwei Armierungsringe über einen gemeinsamen Zugangskanal einsetzbar.
Um die Festigkeit der Lamellen zu verbessern, ist die Aussparung an der Unterseite vollständig mit einem Material, insbesondere einem Kupfer-Werkstoff, aus dem die Lamellen hergestellt sind, verschließbar. Somit ist der mindestens eine Armierungsring formschlüssig in die Lamellen einsetzbar.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist der Kommutator mit einem in axialer Richtung langen ersten Kontaktbereich ausgebildet. Bei Kommutatoren mit einer axial sehr langen Lauffläche tritt eine erhöhte Belastung aufgrund von Zentrifugalkräften bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten auf. Um diese Belastung aufzunehmen und zu stabilisieren, ist es deshalb gerade bei langen Kommutatoren sehr effizient, Armierungsringe zum Behelf unter der Laufbahn einzusetzen.
Um möglichst gleichmäßige stabilisierende Kräfte zu erzielen, ist gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform, der mindestens eine Armierungsring ungefähr mittig zur Länge der Lamelle von der Unterseite der Lamellen unter dem vom ersten Kontaktbereich her eingebettet. Somit wird eine Stabilität erreicht, die bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten über die gesamte Länge des Kommutators wirkt. Alternativ kann die Lage des Armierungsrings außer mittig im ersten drittel der gesamten axialen Länge von der stirnseitigen Ankerwicklung ausgesehen vorgesehen sein.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist jede Lamelle zumindest an einer Stirnseite mit jeweils einer Aussparung mit einem in der Pressmasse eingebetteten Armierungsring ausgebildet. Somit werden die Lamellen mit charakteristischem Querschnittsprofil zusätzlich mit der Pressmasse noch besser zusammen gehalten. Geht man von bekannten Kommutatoren mit stirnseitigen Armierungsringen aus, so ist mindestens ein erfindungsgemäßer Armierungsring unter dem ersten Kontaktbereich vorteilhaft, um die Stabilität des Kommutators und der Lauffläche bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu verbessern.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist ein Armierungsring zwischen erster und zweiter Kontaktfläche, insbesondere an der äußeren Umfangsfläche, angeordnet. Der zusätzliche Armierungsring schafft wiederum eine erhöhte Stabilität, die bei hohen Drehzahlen des Kommutators Zentrifugalkräften entgegenwirkt, so dass die Dauerfestigkeit erhöht wird.
Die Aufgabe gemäß der Erfindung wird auch mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kommutators dadurch gelöst, dass in Lamellen mit mindestens einer, insbesondere hakenförmigen, Aussparung an der unteren Seite der Lamellen mindestens ein Armierungsring eingesetzt wird, die Lamellen um die Aussparung verprägt werden und anschließend die Lamellen mit einer Pressmasse stirnseitig und an der Unterseite zu einem zusammenhaltenden Ring verpresst werden.
Zur verbesserten Fixierung des Kommutators auf einer Ankerachse wird eine Wendelbuchse mit der Pressmasse axial mit verpresst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Kommutator mit einer hohen Stabilität geschaffen, dessen Verschleiß auch bei erhöhten mechanischen Belastungen aufgrund von höheren Rotationsgeschwindigkeiten oder höheren Schaltzyklen gesenkt ist und einer erhöhten Verformung der Lauffläche, d. h. im ersten Kontaktbereich, entgegengewirkt wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer ersten Ausführungsform und
2 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kommutator 1. Der Kommutator 1 ist mit Lamellen 2 ausgebildet, die ringförmig angeordnet sind und mit einer Pressmasse 3 zu einem Verbundkörper ausgebildet sind. Die Pressmasse 3 umgibt Stirnseiten 18, 19 und die untere axial verlaufende Seite 20 von jeder Lamelle 2. In der Pressmasse 3 ist eine Wendelbuchse 23 zum besseren Halt an einer nicht dargestellten Ankerachse mit verpresst. Der Kommutator 1 wird um die Achse 30 gedreht. Jede Lamelle 2 weist einen ersten, sich in axialer Richtung erstreckenden Kontaktbereich 5 auf, der bei Rotation mit einer feststehenden Bürste 6 im Betrieb einen wechselnden elektrischen Kontakt ausbildet. An einem zweiten elektrischen Kontaktbereich 7 sind Wicklungsenden 81, 82 einer Ankerwicklung 8 verschweißt. Optional ist die Ankerwicklung 8 mit einem Haltering 4 gesichert.
Erfindungsgemäß sind in jeder Lamelle 2 von der unteren Fläche 20 bevorzugt ungefähr in der Mitte der axialen Länge von der Lamelle 2 eine Aussparung 17 in Form eines T ausgebildet. In dem liegenden Rechteckprofil der T-Aussparung 17 ist ein erfindungsgemäßer zusätzlicher Armierungsring 9 eingesetzt, der die Stabilität des Kommutators 1 verbessert. Der Armierungsring 9 ist gemäß in der 1 dargestellten Ausführungsform zusätzlich zu Armierungsringen 12, 14 in der Pressmasse 3 eingebettet, die in stirnseitige Aussparungen 11, 13 eingesetzt sind.
Die Armierungsringe 12, 14 erhöhen die Stabilität des Kommutators 1 gegenüber einfachen Kunststoffumspritzungen ohne stirnseitige Armierungsringe deutlich und ermöglichen so höhere Drehzahlen. Die Armierungsringe 12, 14, 9 sind Verstärkungsringe aus einem verstärkten, insbesondere Glasfaser- oder Kohlefaser- verstärkten Kunststoff hergestellt, die auch gegenüber hohen Temperaturen und hohen radialen Belastungen auf Grund von Zentrifugalkräften, die bei den sehr hohen Drehzahlen auftreten, beständig sind. Für axial besonders lange Kommutatoren 1 verbessert der axiale Verstärkungsring 9 die Stabilität. Je länger die Kommutatoren 1 sind, desto höher sind die Belastungen über die Laufbahn bei sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten. Direkt unter der Lauffläche der Bürsten 6 entsteht im Laufe der Lebensdauer ein radialer Abtrag von dem ersten Kontaktbereich 5 der Lamelle 2 aus Kupfer. Dies führt zu einer reduzierten Stabilität an dieser Stelle. Durch einen erfindungsgemäßen Armierungsring 9 unter dem ersten Kontaktbereich 5 wird die Stabilität auch bei auftretendem Verschleiß erhöht. Die verbesserte Stabilität führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer durch einen längeren Ernutzungszeitraum.
Es ist somit auch bei einem erhöhten Verschleiß und bei hohen Drehzahlen eine verbesserte Stabilität erreichbar, dadurch sind beispielsweise für einen Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeugs höhere Schaltzahlen möglich.
Damit der in der 1 dargestellte Armierungsring 9 in den Lamellen 2 fixiert ist, werden die Lamellen 2 um die Aussparung 17 verprägt, nachdem der Armierungsring 9 in die Aussparung 17 eingesetzt ist. Die Verprägung des Armierungsrings 9 führt somit zu einem Formschluss, anschließend werden die Lamellen mit der Pressmasse 3 verpresst. Die Lamellen 2 werden aufgrund eines charakteristischen Querschnittprofils zu einem Ring von der Pressmasse 3 zusammen gehalten.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird die untere Seite, die dem als Laufbahn ausgebildeten ersten Kontaktbereich 5 abgewandt ist, komplett verschlossen, nachdem der Armierungsring 9 eingebracht wurde. Somit wird die Aussparung 17 nicht wie in der 1 dargestellt noch mit einer Pressmasse 3 ausgefüllt, sondern vollständig mit dem Werkstoff der Lamelle, d. h. einem Kupfer-Werkstoff, ausgefüllt.
Die 2 zeigt eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß der 1 die Aussparung 17 in der Lamelle 2 als Eckprofil quer zur axialen Richtung ausgebildet. Somit kann in vorteilhafter Weise einfach ein Armierungsring 9 ohne eine aufwendige Nachbearbeitung des Profils von den Lamellen 2 eingesetzt werden und mit der Pressmasse 3 verpresst werden. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Kommutatoren 1 mit einer axial kurzen als auch einer axial langen Laufbahn. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 749319 [0003]

Claims

Kommutator (1) für eine elektrischen Maschine, insbesondere für einen Starter, wobei der Kommutator (1) eine Vielzahl von Lamellen (2) umfasst, die mit einer zusammenhaltenden Pressmasse (3) einen Ring ausbilden, wobei jede Lamelle (2) an der äußeren Umfangsfläche einen ersten Kontaktbereich (5) für einen Kontakt mit Bürsten (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) für einen Kontakt mit einer Ankerwicklung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutator (1) mit mindestens einem von einer unteren Seite (20) der Lamellen (2) eingebrachten, Armierungsring (9) ausgebildet ist, wobei die untere Seite (20) dem ersten Kontaktbereich (5) gegenüberliegt.
Kommutator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Armierungsring (9) unterhalb des ersten Kontaktbereichs (5) in eine Aussparung (17) von einer unteren Seite (20) der Lamellen (2) eingebettet ist.
Kommutator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Armierungsring (9) in eine Aussparung (17), die im Längsprofil gesehen eine Schwalbenschwanzform aufweist, an der unteren Seite (20) der Lamellen (2) eingesetzt ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Armierungsring (9) in eine Aussparung an der unteren Seite (20) der Lamellen (2) eingesetzt ist, die im Längsprofil gesehen mit einer Eck- oder T-Form ausgebildet ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung an der unteren Seite (20) vollständig mit Material, insbesondere einem Kupfer-Werkstoff, aus dem die Lammellen (2) hergestellt sind, verschließbar ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutator (1) mit einem langen ersten Kontaktbereich (5) ausgebildet ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Armierungsring (9) ungefähr mittig zur Länge der Lamelle (2) von der unteren Seite (20) der Lamelle (2) her eingebettet ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lamelle an zumindest einer Stirnseite mit jeweils einer Aussparung (11, 13) mit einem in der Pressmasse (3) eingebetteten Armierungsring (12, 14) ausgebildet ist.
Kommutator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Armierungsring zwischen erster und zweiter Kontaktfläche, insbesondere an der äußeren Umfangsfläche angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (1), für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter, wobei der Kommutator (1) eine Vielzahl von Lamellen (2) aufweist, die mit einer zusammenhaltenden Pressmasse (3) einen Ring ausbilden, wobei jede Lamelle (2) in der äußeren Umfangsfläche einen ersten Kontaktbereich (5) für einen Kontakt mit Bürsten (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) für einen Kontakt mit einer Ankerwicklung (8) aufweist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Lamellen (2) mit mindestens einer, insbesondere hakenförmigen, Aussparung (17) an der unteren Seite (20) im Längsprofil gesehen mindestens ein Armierungsring (9) eingesetzt wird, die Lamellen um die Aussparung verprägt werden und anschließend die Lamellen mit einer Pressmasse stirnseitig und an der unteren Seite zu einem zusammenhaltenden Ring verpresst werden.