DE10148443A1

DE10148443A1 - Kommutator einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10148443A1
Application number: DE2001148443
Authority: DE
Inventors: Erich Auernhammer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: DE50208690D1; EP1298775A1; EP1298775B1; DE10148443C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kommutator (10) für eine elektrische Maschine, 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 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). Dadurch ist ein Gewölbedruck im Kommutator aufbaubar, durch welchen der Verschleiß reduziert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator einer elektrischen Maschine.

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.

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.

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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kommutator anzugeben, bei welchen der Verschleiß reduziert ist.

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.

Durch die Verarbeitung der Isolierung zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen bei verschiedenen Temperaturen ist ein Gewölbedruck aufbaubar.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist die Isolierschicht im Bereich der Oberschicht der Konunutatorlamellen einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Isolierschicht im Bereich der Unterschicht der Kommutatorlamellen auf.

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.

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.

Durch den aufgebrachten Gewölbedruck und den geringeren Veränderungen bezüglich den Auswirkungen von Fliehkräften, verbessern sich die Rundlaufeigenschaften im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators sind die Kommutatorlamellen und die elektrische Isolierung zwischen den Kommutatorlamellen jeweils zweischichtig aufgebaut.

Ein zweischichtiger Aufbau ermöglicht die Realisierung der Vorteile des Schichtenaufbaus und ist dennoch relativ einfach, sowie kostengünstig realisierbar.

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.

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.

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.

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 Kornmutatorlamellen 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.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist das elektrisch leitenden Material der Oberschicht Kohle auf und die Unterschicht der Kommutatorlamellen Kupfer.

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.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators in wenigstens einer der obig beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen lässt sich wie folgt kurz und prinzipiell beschreiben.

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 Kornmutatorlamellen 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.

Um den Bürstenabrieb zu reduzieren wird das Isolationsmaterial zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen zur Lauf fläche der Oberschicht zurückversetzt, indem der Spalt zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen nur bis kurz unterhalb der Lauf fläche mit Isoliermaterial gefüllt wird. Auch eine nachträgliche Zurücksetzung der Isolierung ist beispielsweise durch das Abschleifen der Isolierung ausführbar.

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.
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 6 hin eine Verjüngung auf. Diese Verjüngung resultiert aus den unterschiedlich großen Radienbereichen des Stromwenders 10, die von den Kornmutatorlamellen 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 16 zwischen den Kommutatorlamellen 3 im Vergleich zum Abstand 19 zwischen den Isolierungen 2 der Kommutatorlamellen, wobei figürlich nur eine Isolierung 2 gezeigt ist.
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, 36.
Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt den Ausschnitt eines Kornmutators 10 mit Kommutatorlamellen 23, wobei der gesamte Kornmutator 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 Fig. 1 aufzufüllen. Ist der Füllbereich aufgefüllt, so verkleinert sich der Füllbereich überproportional bei Abkühlung des Kommutators 10, 50 dass sich im Bereich der Kommutatoroberschicht 214 ein Gewölbedruck aufbaut.
Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt eine Kommutator 10 wie in Fig. 1, mit dem Unterschied, dass sich die Oberschicht 34 und die Unterschicht 35 überlappen. Dies erhöht die Bindung zwischen Oberschicht 34 und Unterschicht 35.
Die Darstellung gemäß Fig. 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 Kommutatorlamellen auf dem Kommutatorlamellenträger 47 aufsetzen und von diesem elektrisch durch die kreisartige Isolierschicht 49 isoliert sind.

Claims

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 Konunutatorlamellen (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 Komrnutatorlamellen (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 Kornmutatorlamellen (3) in Bezug auf eine Lauf fläche (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 Komrnutatorlamellen (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 Komrnutatorlamellen (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 Kommutatorlameilen (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 Hälse 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 Komrnutatorlamellen (43) die Hälse 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.