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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Kommutators mit einer Mehrzahl von
Leitersegmenten und mindestens einem ringförmigen, sich
in einer zur Kommutatorachse senkrechten Ebene
erstreckenden und an den Leitersegmenten an jeweils einem Sitz
angreifenden Verstärkungselement, wobei das
Verstärkungselement an den Leitersegmenten angebracht wird,
nachdem diese in einer zur Kommutatorachse
konzentrischen Positionierung angeordnet wurden. Des weiteren
betrifft die vorliegende Erfindung einen Kommutator mit
einer Mehrzahl von Leitersegmenten, wobei mindestens
ein ringförmiges Verstärkungselement vorgesehen ist,
welches sich in einer zur Kommutatorachse senkrechten
Ebene erstreckt und an den Leitersegmenten angreift.
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Kommutatoren unterliegen je nach ihrer Baugröße und
ihren Betriebsbedingungen (Drehzahl) zum Teil
erheblichen fliehkraftbedingten Spannungen, die insbesondere
bei hohen Betriebstemperaturen zu Verformungen des
Kommutators führen können. Derartige Verformungen
beeinträchtigen hinwiederum sowohl die Lebensdauer des
Kommutators als auch dessen Wirkungsgrad sowie den
Wirkungsgrad der zugeordneten elektrischen Maschine. Zur
Vermeidung unerwünschter Verformungen weisen daher
Kommutatoren häufig ringförmige Verstärkungselemente auf,
welche an den Leitersegmenten an jeweils einem Sitz
angreifen und einen wesentlichen Teil der auf die
Leitersegmente wirkenden fliehkraftbedingten Kräfte
aufnehmen. Kommutatoren dieser Art sind beispielsweise aus
der EP 0693230 B1 bekannt. Dabei wird ein
vorgefertigter, beispielsweise aus Glasfasermaterial bestehender
Verstärkungsring auf die Leitersegmente aufgesetzt,
nachdem diese zuvor in einer zur Kommutatorachse
konzentrischen Positionierung angeordnet wurden.
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Ein solches Herstellverfahren erweist sich insbesondere
unter dem Gesichtspunkt, daß sowohl der vorgefertigte
Verstärkungsring als auch die übrigen vorgefertigten
Komponenten des Kommutators, insbesondere die
Leitersegmente toleranzbehaftet sind, als nicht optimal. Denn
im ungünstigen Falle addieren sich die Toleranzen der
Leitersegmente und des Verstärkungsrings dahingehend,
daß die Leitersegmente nicht tragend an dem
Verstärkungsring anliegen, so daß dieser eine Verlagerung der
Leitersegmente infolge der auf diese wirkenden
Fliehkräfte und somit eine Verformung des Kommutators nicht
zu verhindern vermag. Wird demgegenüber jeder
Verstärkungsring und jedes Leitersegment vermessen und für
jeden einzelnen Kommutator in Abhängigkeit von den
tatsächlichen Abmessungen der Leitersegmente ein
spezifischer Verstärkungsring ausgewählt, so läßt sich
hierdurch zwar das vorstehend erläuterte Toleranzproblem
entschärfen; indessen führt dies zu einer nicht
akzeptablen Steigerung der Herstellkosten. Im übrigen läßt
sich auf diese Weise nicht kompensieren, daß die
einzelnen Sitze der Leitersegmente infolge von
Herstellungstoleranzen ggf. nicht auf einer idealen Kreisbahn
liegen.
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Vor dem Hintergrund der vorstehend dargelegten
Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung eines Kommutators der eingangs angegebenen Art
zu schaffen, bei dessen Anwendung sich mit möglichst
geringen Herstellkosten Kommutatoren fertigen lassen,
die auch unter hohen Belastungen höchsten Ansprüchen an
die Formhaltigkeit genügen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese
Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß das Verstärkungselement in
situ aus mehreren Windungen eines Fadens gewickelt
wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich mit
anderen Worten dadurch aus, daß nicht ein
vorgefertigter Verstärkungsring auf den Leitersegmenten angebracht
wird, nachdem diese in einer zur Kommutatorachse
konzentrischen Positionierung angeordnet wurden, sondern
daß vielmehr für jeden einzelnen Kommutator das
ringförmige Verstärkungselement in situ, d. h. an Ort und
Stelle an den Leitersegmenten jeweils an dem
betreffenden Sitz anliegend aus mehreren Windungen eines Fadens
gewickelt wird. Auf diese Weise wird mit einfachsten
Mitteln sichergestellt, daß das Verstärkungselement
hinsichtlich seiner Abmessungen sowie seiner Form
(unrunde Sitzfläche) exakt auf den individuellen
Kommutator, d. h. die bei diesem verwendeten einzelnen
Bauteile, abgestimmt ist. Das Verstärkungselement liegt
auf diese Weise an allen Leitersegmenten des
betreffenden Kommutators gleichmäßig und mit gleicher Kraft an.
Auf diese Weise kann es seine Funktion optimal
erfüllen, ohne daß hiermit nicht akzeptable Herstellkosten
verbunden wären. Im Gegenteil, das erfindungsgemäße
Verfahren ist sogar auch in wirtschaftlicher Hinsicht
durchaus attraktiv. Denn es entfällt jeglicher beim
Stand der Technik mit der Vorfertigung, Lagerhaltung
und Montage der Verstärkungsringe verbundene Aufwand.
Zudem sind an diejenigen Fertigungstoleranzen, welche
die Leitersegmente einzuhalten haben, geringere
Anforderungen zu stellen, was sich ebenfalls im Sinne einer
Verringerung der Herstellkosten auswirkt. Desweiteren
ist das erfindungsgemäße Herstellverfahren für
Kommutatoren weniger anfällig im Hinblick auf unvermeidbare
prozeßbedingte Schwankungen, was sich über einen
entsprechend verringerten Ausschuß ebenfalls im Sinne
reduzierter Herstellkosten auswirkt. Ebenfalls trägt
hierzu bei, daß sich unter Verwendung eines einzigen
Ausgangsmaterials, nämlich eines bestimmten Fadens,
sämtliche Verstärkungselemente herstellen lassen, und
seien die entsprechenden Kommutatoren noch so
unterschiedlich aufgebaut bzw. dimensioniert.
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Eine erste bevorzugte Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Herstellverfahrens für Kommutatoren zeichnet sich
dadurch aus, daß der Faden aus mindestens einem
Fasermaterial aus der folgenden Auswahl, gegebenenfalls aus
einer geeigneten Fasermischung, besteht:
Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, Borfasern,
Aluminiumoxidfasern, Siliziumcarbidfasern, Quarzfasern,
Polyethylenfasern. Diese Materialien haben sich im Hinblick auf
die besonderen Anforderungen der erfindungsgemäßen
Verwendung des aus ihnen gebildeten Fadens als besonders
geeignet erwiesen. Besonders günstig ist es dabei, wenn
der Faden aus einem isolierenden Material besteht; denn
in diesem Falle bedarf es keines zusätzlichen Aufwandes,
um die Leitersegmente im Bereich des Sitzes gegenüber
dem Faden zu isolieren.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der das
Verstärkungselement bildende Faden auf zuvor kalibrierte
Leitersegmente gewickelt werden. Dies ist jedoch
keineswegs zwingend. Vielmehr zeichnet sich das
erfindungsgemäße Verfahren gerade dadurch aus, daß auch
nicht kalibrierte Leitersegmente verwendet werden
können, eben weil, wie weiter oben bereits dargelegt
wurde, das ringförmige Verstärkungselement individuell für
jeden einzelnen Kommutator in Abhängigkeit und unter
Berücksichtigung von den spezifischen Abmessungen der
einzelnen verwendeten Leitersegmente hergestellt wird.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Herstellverfahrens für Kommutatoren zeichnet sich
dadurch aus, daß die die Leitersegmente und das
gewickelte Verstärkungselement umfassende Einheit zur
Bildung eines Trägerkörpers mit isolierendem Preßstoff
umspritzt wird. Indessen ist auch dieses nicht
zwingend. Vielmehr läßt sich die vorliegende Erfindung
nutzbringend auch bei solchen Kommutatoren einsetzen,
welche nicht über einen derartigen aus Preßstoff
gespritzten Trägerkörper verfügen.
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Besonders bevorzugt ist jener Faden, welcher zur
Herstellung des in situ hergestellten Verstärkungselements
verwendet wird, beschichtet. Ein derartiger, mit einer
(beispielsweise aus Teflon® bestehenden) Beschichtung
versehener Faden ist besonders geeignet zum Einsatz in
solchen Herstellungsverfahren, bei denen der Faden mit
hoher Geschwindigkeit gewickelt wird. Denn die
Beschichtung wirkt in diesem Falle einer Beschädigung des
Fadens während des Wickelns des Verstärkungselements
entgegen.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von
fünf in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
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Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellten
Trommelkommutator,
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Fig. 2 eine Detailansicht des Kommutators nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine Detailansicht eines weiteren gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellten
Trommelkommutators,
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Fig. 4 in perspektivischer Ansicht einen dritten gemäß
der vorliegenden Erfindung hergestellten
Trommelkommutator,
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Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen vierten gemäß
der vorliegenden Erfindung hergestellten
Trommelkommutator,
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Fig. 6 einen Axialschnitt durch einen gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellten
Plankommutator und
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Fig. 7 eine zur Verwendung im Rahmen des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens geeignete
Vorrichtung in schematischer Ansicht.
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Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte
Trommelkommutator umfaßt eine Vielzahl von Leitersegmenten 1,
welche konzentrisch um eine Achse 2 herum angeordnet
sind. Zwischen jeweils zwei einander benachbarten
Leitersegmenten 1 ist eine Isolationslage 3 aufgenommen.
Die radialen Außenflächen 4 der Leitersegmente 1
definieren eine zylindrische Bürstenlauffläche 5.
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Jedes der Leitersegmente 1 weist radial innenliegend
jeweils einen Ankerabschnitt 6 auf. Jeder derartige
Ankerabschnitt 6 umfaßt zwei endseitig angeordnete,
jeweils durch eine Aussparung 7 definierte axiale
Vorsprünge 8. Jeder Vorsprung 8 bildet auf seinen radialen
Außenflächen 9 einen Sitz 10 für ein umlaufendes,
senkrecht zur Kommutatorachse 2 angeordnetes ringförmiges
Verstärkungselement 11. In dem vorstehend dargelegten
Umfang entspricht der Trommelkommutator nach den
Fig. 1 und 2 dem hinlänglich bekannten Stand der
Technik, so daß es an dieser Stelle weitergehender,
detaillierterer Erläuterungen nicht bedarf.
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Wie dies insbesondere der Fig. 2 entnehmbar ist,
besteht jedes Verstärkungselement 11 aus einem in einer
Mehrzahl von parallelen Windungen gewickelten Faden 12.
Der Faden 12 ist dabei als Kevlar® ausgeführt, d. h. er
besteht aus einer Vielzahl von Aramid-Fasern. Der Faden
12 weist dabei eine Beschichtung aus Teflon® auf. Das
ringförmige Verstärkungselement 11 wird an Ort und
Stelle hergestellt, indem der Faden 12 unter
gleichmäßiger Anlage an den den Sitz 10 bildenden radialen
Außenflächen 9 der Vorsprünge 8 um diese herum gewickelt
wird.
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Während bei dem Trommelkommutator nach den Fig. 1
und 2 das ringförmige Verstärkungselement 11 lediglich
eine Lage von Windungen des Fadens 12 umfaßt,
veranschaulicht Fig. 3 die Verhältnisse bei einem
Trommelkommutator, bei welchem das ringförmige
Verstärkungselement 11 vierzig in zwei Lagen angeordnete Windungen
des Fadens 12 umfaßt. Erkennbar lassen sich somit unter
Verwendung desselben Fadens 12 in Abhängigkeit und
unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen und
Betriebsbedingungen des Kommutators unterschiedlich
starke Verstärkungselemente 11 herstellen. Im übrigen
entspricht der Trommelkommutator nach Fig. 3 demjenigen
nach den Fig. 1 und 2, so daß auf die entsprechenden
Ausführungen verwiesen werden kann.
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Fig. 4 veranschaulicht einen Trommelkommutator, der
hinsichtlich seiner maßgeblichen Gestaltungselemente
dem Trommelkommutator nach den Fig. 1 und 2
entspricht. Ergänzend erkennbar ist hier ein aus Preßstoff
gefertigter Trägerkörper 13, welcher die
Ankerabschnitte 6 der Leitersegmente 1 vollständig umschließt und in
welchen somit insbesondere die beiden ringförmigen
Verstärkungselemente 11 eingebettet sind. Radial innen ist
in den Trägerkörper 13 eine Buchse 14 eingesetzt.
Erkennbar sind in Fig. 4 desweiteren die Anschlußfahnen
15, welche endseitig radial nach außen von den
Leitersegmenten 1 abstehen.
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Der in Fig. 5 veranschaulichte Trommelkommutator
unterscheidet sich von den vorstehend erläuterten
Trommelkommutatoren nach den Fig. 1 bis 4 insbesondere
dadurch, daß die Leitersegmente 1 nicht einzeln
hergestellt und anschließend, im Rahmen der Fertigung des
Kommutators zusammengefügt worden sind, sondern daß
vielmehr die einzelnen Leitersegmente zunächst Teil
eines zusammenhängenden Rohlings sind, der erst später
durch eine entsprechende Bearbeitung in die einzelnen
gegeneinander isolierten Leitersegmente 1 unterteilt
wird. Der Rohling kann dabei von Anfang an hülsenförmig
hergestellt sein; ebenso kann er streifenförmig
hergestellt und erst später in eine Hülsenform gebogen sein.
In jedem Falle werden zwei ringförmige
Verstärkungselemente 11 dadurch hergestellt, daß jeweils ein Faden 12
mit mehreren Windungen auf zugeordnete, radial nach
innen von den Leitersegmenten 1 vorstehende Vorsprünge
16 gewickelt wird. Anschließend wird ein Trägerkörper
13 angespritzt, bevor der Leiterrohling durch geeignete
Bearbeitung (Sägen, Abdrehen oder dergleichen) in
einzelne, gegeneinander isolierte Leitersegmente 1
unterteilt wird.
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Fig. 6 veranschaulicht die Umsetzung der vorliegenden
Erfindung an einem Plankommutator. Im Lichte der
vorstehenden Erläuterungen zu den Fig. 1 bis 5 ist die
der Fig. 6 zugrundeliegende Konstruktion aus sich
heraus verständlich. Zur Vermeidung von Wiederholungen
wird auf entsprechende Erläuterungen an dieser Stelle
verzichtet.
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Bei sämtlichen vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispielen ist das mindestens eine ringförmige
Verstärkungselement 11 innenliegend angeordnet. Lediglich der
Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, daß
dies keineswegs zwingend ist. Vielmehr kommt im Rahmen
der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise in
Betracht, daß das ringförmige Verstärkungselement
außenliegend angeordnet wird, indem es an einer nach außen
offenen radialen Außenfläche der Leitersegmente
anliegt.
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Fig. 7 veranschaulicht eine Vorrichtung, wie sie sich
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung des aus Faden gewickelten Verstärkungsrings an Ort
und Stelle einsetzen läßt. Die Vorrichtung umfaßt einen
Wickeldorn 17, eine Fadenführung 18, eine Spanneinheit
19 in Form einer Spannrolle 20, einen Fadenhalter 21
und ein Schneidelement 22. Der Faden 12 ist auf einer
entsprechenden Rolle 23 bevorratet und wird von dieser
über die Spannrolle 20 abgezogen. Die Spannrolle sorgt
dabei für eine gleichmäßige Spannung des Fadens 12, so
daß dieser gleichmäßig an dem jeweiligen Sitz 10
sämtlicher Leitersegmente 1 anliegt. Auf dem Wickeldorn 17
ist die aus den einzelnen zusammengefügten
Leitersegmenten 1 bestehende Baugruppe 24 aufgenommen. Ein Ring
25 umgibt dabei die Leitersegmente 1; diese liegen mit
ihren radialen Außenflächen 4 innen an dem Ring 25 an,
so daß die Innenabmessungen des Rings 25 den
Durchmesser der Bürstenlauffläche 5 des fertigen Kommutators
vorgeben.
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Die Fadenführung 18 ist in drei Achsen verstellbar, um
eine exakte Positionierung der Fadenführung relativ zu
der mit der Wicklung zu versehenden Baugruppe und die
Erzeugung einer kompakten Wicklung zu ermöglichen.
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Der Fadenhalter 21 dient dazu, das Ende des Fadens 12
in Zeiträumen außerhalb des eigentlichen Wickelvorgangs
zu fixieren, insbesondere während an der Baugruppe 24
hantiert wird. Mittels des Schneidelements 22 wird der
Faden 12 am Ende des Wickelvorgangs durchtrennt.
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Unter Anwendung der in Fig. 7 veranschaulichten
Vorrichtung wird der hier maßgebliche Verfahrensabschnitt,
nämlich die Herstellung des ringförmigen
Verstärkungselements 11 wie folgt durchgeführt: Zunächst wird die
Baugruppe 24 auf dem Wickeldorn 17 fixiert.
Anschließend wird unter entsprechender Positionierung der
Fadenführung 18 der Faden 12 in die Aussparung 7
eingelegt. Hier wird der Faden nun fixiert,
beispielsweise mittels eines Klebepunkts. Anschließend wird der
Faden zwischen jener Fixierung und dem Fadenhalter 21
durchtrennt, und zwar mittels des Schneidelements 22.
Hernach wird die Wicklung durch entsprechende Drehung
des Wickeldorns 17 hergestellt. Sodann wird der Faden
12 am Ende der hergestellten Wicklung fixiert, wiederum
beispielsweise mittels eines Klebepunkts. Der
Fadenhalter 21 ergreift nun den Faden benachbart jener
Fixierung, bevor abschließend, wiederum mittels des
Schneidelements 22, der Faden 12 durchtrennt wird.
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Alternativ zu der vorstehend angesprochenen Fixierung
des Fadens am Anfang und am Ende der Wicklung mittels
jeweils eines Klebepunkts kommen verschiedene andere
Möglichkeiten in Betracht. So kann der Faden
beispielsweise auch mittels einiger Wicklungen an einem Stift
fixiert werden. Desweiteren kann der Faden in einen
schmalen Spalt eingelegt werden, der anschließend so
deformiert wird, daß der Faden eingeklemmt wird. Der
Faden kann desweiteren mittels eines zusätzlichen
Elements, beispielsweise eines Keils festgelegt werden.
Auch kann die Wicklung insgesamt abgedeckt werden, um
ihre Enden zu fixieren.
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Bei der vorstehend erläuterten Vorrichtung dreht sich
zur Erzeugung der Wicklung des Fadens 12 der Wickeldorn
17 mit der auf ihm fixierten Baugruppe. Es versteht
sich, daß in kinematischer Umkehr die Wicklung des
Fadens 12 auch bei feststehender Baugruppe und
rotierender Fadenführung erzeugt werden kann.