DE102004026540B4

DE102004026540B4 - Verfahren zur Herstellung von Lamellen eines Flachkommutators

Info

Publication number: DE102004026540B4
Application number: DE200410026540
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Rinn; Dieter Stroh; Frank Droß; Conrad Dr. Reynvaan
Original assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Current assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: DE102004026540A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Lamellen eines Flachkommutators mit aus einer Mischung aus Kohlenstoffmaterial und einem Bindemittel bestehenden Laufflächen und aus Metall wie Kupfer oder Kupferlegierung bestehenden Hinterlegungen mit gegebenenfalls Kontaktfahnen, dadurch gekennzeichnet, dass als Hinterlegung ein Metallblech verwendet wird, dass das Metallblech auf einer Seite mit einem rauen Haftgrund versehen wird oder ein solcher auf der Seite ausgebildet und das Metallblech mit einer Strukturierung versehen wird, dass die Mischung aus zumindest dem Kohlenstoffmaterial als Füllstoff und dem Bindemittel als eine erste Schicht und das Metallblech als eine zweite Schicht in eine Pressform derart eingebracht werden, dass die Mischung den Haftgrund und/oder die Strukturierung bedeckt, und dass anschließend Formgebung und Fügen der Schichten mittels Ultraschall erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Lamellen eines Flachkommutators mit aus einer Mischung aus Kohlenstoffmaterial und einem Bindemittel bestehenden Laufflächen und aus Metall wie Kupfer oder Kupferlegierung bestehenden Hinterlegungen mit gegebenenfalls Kontaktfahnen.
Die DE-T-691 17 298 bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes aus Verbundwerkstoff. Nach einem Ausführungsbeispiel wird ein Scheibenbremsbelag dadurch hergestellt, dass in eine Pressform eine Stahlstützplatte angeordnet wird, auf der eine Haftschicht und sodann eine Schicht aus Reibungsmaterial aufgebracht werden, die sodann mittels Ultraschalleinwirkung verbunden werden. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Ring- oder Trommelkollektor dadurch hergestellt, dass in einen Kupferring elektrisch isolierendes Material eingebracht wird, das mittels Ultraschall verdichtet und mit dem Kupferring verbunden wird.
Um nicht klebbare und nicht schweißbare Polymere mit anderen Materialien zu verbinden, ist nach der DE-A-44 28 938 vorgesehen, dass erstere mit Löchern versehen werden, in die die anderen klebbaren und schweißbaren Materialien eindringen und sodann mittels Ultraschall verschweißt werden.
Aus der WO-A-89/03298 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Formkörpern aus teilchenförmigem Material bekannt, wobei zur Herstellung des Formkörpers Schichten unterschiedlicher Materialien in eine Pressform eingebracht und sodann mittels Ultraschalleinwirkung verdichtet und miteinander verbunden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verfahrensmäßige Vereinfachung gegenüber bekannten Verfahren erfolgt, wobei der für die Stromübertragung benutzte Kohlenstoff optimal bei der fertigen Kohlebürste genutzt werden soll.
Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen, dass die Blattfeder in zumindest einem Abschnitt oder einem mit der Blattfeder verbundenen Abschnitt auf einer Seite mit einem rauen Haftgrund versehen wird oder ein solcher auf der Seite ausgebildet und der Abschnitt mit einer Strukturierung versehen wird, dass die Mischung aus zumindest dem Kohlenstoffmaterial und dem Bindemittel und der Abschnitt in die Pressform derart eingebracht werden, dass die Mischung den Haftgrund und/oder die Strukturierung bedeckt, und dass anschließend das Kohlenstoffmaterial mit dem Abschnitt mittels des Ultraschalls verbunden wird.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Fügen eines Metallblechs mit einer Kohlenstoff wie Graphit enthaltenden Mischung mittels Ultraschall, wobei die erforderliche innige Verbindung zwischen der das Kohlenstoffmaterial enthaltenden Mischung in Pulverform und dem Metallblech dadurch sichergestellt ist, dass dieses mit einem rauen Haftgrund versehen bzw. aus dem Metallblech ein solcher ausgebildet wird.
Ergänzend oder alternativ kann das Metallblech strukturiert werden. Hierzu können in das Metallblech Durchbrechungen wie Löcher eingebracht werden, das Metallblech durch Formgebung profiliert und/oder Hinterschneidungen ausgebildet werden. Dabei wird die Strukturierung zumindest bereichsweise von dem Gemisch Kohlenstoffmateri al/Bindemittel umgeben. Auch kann das Metallblech eine Gitterstruktur aufweisen oder z. B. als Lochblech ausgebildet sein, zumindest in dem Bereich, der von der Mischung umschlossen wird.
Dabei wird als Bindemittel bevorzugterweise ein Thermoplast wie Polyphenylensulfide verwendet oder Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyetheretherketone, Polyimide, Polyhenylchinoxaline bzw. deren Imide oder ein Duromer wie Phenol/Kresol-Harze, Polyester-Formmassen, ein Epoxidharz oder anderes geeignetes Material verwendet.
Erfindungsgemäß vereinfacht sich die Herstellung des Flachkommutators. Demgegenüber ist es nach dem Stand der Technik z. B. erforderlich, dass eine Mischung aus Graphitpulver und Bindemittel bei hohem Druck gepresst werden, sodann so hergestellter Pressling drucklos gesintert wird, schließlich ein mehrstufiges galvanisches Metallisieren des Kohlenstoffkörpers erfolgt, sodann ein Stanzteil aus Kupferblech hergestellt wird, um dieses mit dem Pressling, d. h. der metallisierten Seite durch Löten zu verbinden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Metallblechmaterial wie Kupferblechmaterial mit dem rauen Haftgrund z. B. durch Sandstrahlen, durch Lichtbogen- oder Plasmaspritzen, Aufsintern von Metallpulver oder Verbinden von Metallpulver mit dem Metallblechmaterial mittels Ultraschall versehen wird, dass anschließend das Metallblechmaterial zur Herstellung des die zweite Schicht bildenden Metallblechs ausgeschnitten wie ausgestanzt wird und dass das Metallblech vor oder nach Einbringen der die erste Schicht bildende Mischung in die Pressform mit dieser mittels Ultraschall verbunden wird, wobei gleichzeitig eine Formgebung erfolgt.
Dabei kann gegebenenfalls zwischen den Schichten eine formschlüssige Verbindung über Ausstanzungen in dem Metallblechmaterial erfolgen. Auch ein Verzahnen über Grate der Ausstanzungen ist möglich. Unabhängig hiervon sollten die Ausstanzungen dimensionsmäßig relativ klein sein.
Zumindest eine Begrenzungswandung der Pressform ist durch eine Sonotrode eines Ultraschallschweißschwingersystems begrenzt, wobei die Sonotrode mit einer Frequenz ν mit 10·10³ Hz ≤ ν ≤ 50·10³ Hz, gegebenenfalls bis zu 100·10³ Hz schwingen sollte. Ferner sollte Amplitude L der Sonotrode zwischen 5 μm und 100 μm liegen.
Der zum Formgeben und Fügen erforderliche Druck, der über die Sonotrode auf die Materialien bzw. Schichten übertragen wird, sollte zwischen 5 N/mm² und 10⁴ N/mm² liegen.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Flachkommutators eines Läufer- wie Scheibenläufermotors, umfassend eine Trägerscheibe aus elektrisch isolierendem Material, metallische Kontakte sowie aus Kohlenstoffmaterial bestehende Laufflächen durch die Verfahrensschritte aus:

– Herstellen einer Trägerscheibe,
– Bestücken der Trägerscheibe mit einzelnen metallischen Kontakten,
– Einlegen der bestückten Trägerscheibe in eine Pressform und
– Aufpressen harzgebundenen Kohlenstoffmaterials zumindest auf die metallischen Kontakte mittels Ultraschalleinwirkung zum Ausbilden der Laufflächen.

Ferner zeichnet sich die Erfindung zur Herstellung eines Flachkommutators durch die Verfahrensschritte aus:

– Einlegen der metallischen Kontakte in ein Spritzgießwerkzeug,
– Herstellen der Trägerscheibe durch teilweises Umspritzen der Kontakte mit elektrisch isolierendem Material,
– Einlegen der teilweise umspritzten Kontakte in eine Pressform und Aufpressen harzgebundenen Kohlenstoffmaterials mittels Ultraschalleinwirkung zum Ausbilden der Laufflächen.

Bei den metallischen Kontakten handelt es sich insbesondere um solche, die überstehende Löthaken aufweisen.
Als Material für die aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Trägerscheiben eignet sich insbesondere Duromer-Material wie glasfasergefülltes Phenolharz, wobei die Trägerscheibe bzw. Abschnitte dieser durch Spritzgießen hergestellt werden.
Das Kohlenstoffmaterial selbst ist insbesondere ein kunstharzgebundener Graphitwerkstoff.
Unabhängig hiervon kann die Mischung aus zumindest Kohlenstoffmaterial und Bindemittel in die Pressform in mehr oder weniger vorverdichteter Form eingegeben werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Flachkommutator,
2 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Flachkommutators.
Um einen Lamellenkommutator 10 herzustellen, der aus einer Kohlenstoffmaterial enthaltenden ersten Schicht und einer aus einem Metallblech bestehenden zweiten Schicht zusammengesetzt ist, wird erfindungsgemäß ein Verfahren durchgeführt, dass an Hand der 2 näher erläutert wird. So wird in einem Schritt 12 eine Mischung aus Kohlenstoffmaterial wie Graphitpulver mit Bindemittel wie z. B. Polyphenylensulfid hergestellt. Unabhängig hiervon wird auf einer Seite eines Metallblechmaterials wie Kupferblechs in einem Schritt 14 ein rauer Haftgrund ausgebildet. Dies kann nach üblichen Verfahren wie Lichtbogen- oder Plasmaspritzen von Metall, Aufsintern von Metallpulver oder Verbinden von Metallgranulat auf das Metallblechmaterial mit Ultraschall, wie dieses in der WO-A-89/03298 beschrieben ist, erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, die entsprechende Seite mechanisch z. B. durch Sandstrahlen oder Stanzen aufzurauen.
Unabhängig hiervon wird in einem Verfahrensschritt 16 ein Metallblech gewünschter Größe ausgeschnitten wie ausgestanzt, wobei das Metallblech eine Dimensionierung aufweist, die auf den Anwendungsfall abgestellt ist. Sodann wird das ausgestanzte Metallblech in eine Form eines Presswerkzeuges eingebracht (Schritt 18). Der von der Pressform (Matrize) umgebene Raum (Kavität) wird mit dem nach dem Verfahrensschritt 12 hergestellten Pulver aufgefüllt. Sodann wird die Form mit einem Stempel verschlossen, der ein Abschnitt einer Sonotrode wie Sonotrodenkopfs eines Ultraschallschweißschwingersystems ist. Dieses wird in Schwingung versetzt, wobei gleichzeitig ein Pressdruck appliziert wird (Verfahrensschritt 20). Hierdurch erfolgt ein Fügen bei gleichzeitiger Formgebung der sich in der Pressform befindenden Materialien, also des Pulvers und des Metallblechs.
Nach dem so durchgeführten Ultraschallpressen wird der Verbundkörper aus der Form herausgenommen, um sodann gegebenenfalls weiterverarbeitet zu werden (Verfahrensschritt 22).
Bei dem in die Form bzw. Matrize einzubringenden Metall kann es sich z. B. um Kupfer oder Kupfer enthaltendes oder ein sonstiges elektrisch leitendes Material handeln. Das Metall dient dabei als Hinterlegungen 24, 26 für Lamellen 28, 30 des Flachkommutators 10. Die Hinterlegungen 24, 26 sind in gewohnter Weise auf elektrisch isolierendem Material 36 befestigt. Entsprechende Flachkommutatoren 10 werden z. B. bei nasslaufenden Ben zinpumpen eingesetzt. Auch bei der Ausbildung der Lamellen 28, 30 weisen die erwähntermaßen vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Hinterlegungen 24, 20 graphitseitig einen rauen Haftgrund auf, um die erforderliche Verbindung zu dem durch das Ultraschallpressen verdichteten Pulver aus Graphit und Bindemittel sicherzustellen.
Unabhängig hiervon können die Hinterlegungen 24, 26 bereits die erforderlichen Kontakthaken aufweisen, die mit den Windungen des Motors verbunden werden.
Die erfindungsgemäße Lehre soll an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Um den Flachkommutator 10 herzustellen, wird zunächst ein Einlegeteil bestehend aus einem aufgerauten Metallformblech wie Kupferblech in die Kavität einer Pressform (Matrize) gelegt, um anschließend die Kavität der Pressform mit einem z. B. Polyphenylensulfid gebundenen Graphitwerkstoff zu füllen. Die Matrize wird mittels eines Pressstempels verschlossen, der Sonotrode eines Ultraschallschweißschwingers ist. Über den Stempel erfolgt eine mechanische Verdichtung mit einem Druck von z. B. 10 N/mm², wobei über einen Zeitraum von z. B. 2 bis 5 Sekunden eine Ultraschallerregung mit einer Frequenz vorzugsweise > 20·10³ Hz und einer Schwingungsamplitude > 15 μm erfolgt. Auf Grund der Beschallung wird das Bindemittel aufgeschmolzen und somit das Kohlenstoffmaterial wie der Graphit gebunden. Gegebenenfalls kann auch ein Nachtempern bei einer Temperatur T > 100°C erfolgen.
In der 3 ist ein Ausschnitt eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Flachkommutators 40, insbesondere bestimmt für Scheibenläufermotoren, dargestellt. Entsprechend können jedoch auch Kommutatoren für Glockenläufermotoren hergestellt werden.
So ist in 3 im Schnitt ein um eine Achse 38 drehbarer Flachkommutator 40 dargestellt, der eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Lochscheibe 42 aufweist. Die Loch- oder Trägerscheibe 42 besteht insbesondere aus elektrisch isolierendem Duromer wie glasfasergefülltes Phenolharz und ist im Spritzgießverfahren hergestellt. Nach Herstellen der Trägerscheibe 42 werden in entsprechende Aussparungen 44, 46 metallische Kontakte 48, 50 eingelegt, die seitlich überstehende Löthaken 52, 54 zum Verbinden mit den Ankerwicklungen aufweisen. Nach Einlegen der Metallkontakte 48, 50 in die Aussparungen 44, 46 wird die Trägerscheibe 42 in eine Pressform eingelegt, um sodann die Aussparungen mit kunstharzgebundenem Graphitwerkstoff auszufüllen, der sodann durch Ultraschalleinwirkung in zuvor beschriebener Art verpresst wird. Dabei ist die Gegenform derart ausgelegt, dass beim fertig hergestellten Flachkommutator 40 das Kohlenstoffmaterial über der Trägerscheibe 42 vorsteht, um somit die erforderlichen Laufflächen 56, 58, zur Verfügung zu stellen.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die metallischen Kontakte 48, 50 in ein Spritzgießwerkzeug einzulegen, um sodann diese teilweise mit dem elektrisch isolierenden Material beim Ausbilden der Trägerscheibe zu umspritzen. Dabei müssen die elektrischen Kontakte 46, 48 in einem Umfang unbedeckt sein, dass ein hinreichend elektrischer Kontakt zu dem Kohlenstoffmaterial besteht, das anschließend aufgepresst wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren ergeben sich bessere physikalische Eigenschaften, wobei gewünschte Materialkombinationen zur Herstellung entsprechender Flachkommutatoren gewählt werden können.

An Hand nachstehender Tabelle 1 erfolgt ein Vergleich physikalischer Eigenschaften von nach dem Stand der Technik hergestellten Flachkommutatoren und solchen, die erfindungsgemäß durch Ultraschallpressen hergestellt sind.

Mischung Graphit-PPS	Standard	Ultraschallpressen
Dichte [g/cm³]	1,94–1,95	1,97–2,06
Spez. elektr. Widerstand (in Pressrichtung) [μΩm]	20–40	> 35
Härte HR 10/40	95–100	100–110
Biegefestigkeit [N/mm²]	> 15	25–30

Ist zuvor im Wesentlichen erläutert worden, dass das Metallblech aufgeraut wird, um einen Haftgrund zu bilden, so kann zur erforderlichen Verbindung zwischen dem Metallblech und dem Kohlenstoffmaterial-Bindemittel ersteres auch strukturiert werden. So können zum Beispiel in das Metallblech Durchbrechungen wie Löcher eingebracht werden. Auch besteht die Möglichkeit, das Metallblech zu profilieren. Spezielle Geometriebildungen wie Hinterschneidungen sind gleichfalls möglich. Die entsprechende Strukturierung kann alternativ zu der Aufrauung oder ergänzend zu dieser vorgesehen sein. Ein Gitter als Metallblech zu nutzen, ist gleichfalls möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Lamellen eines Flachkommutators mit aus einer Mischung aus Kohlenstoffmaterial und einem Bindemittel bestehenden Laufflächen und aus Metall wie Kupfer oder Kupferlegierung bestehenden Hinterlegungen mit gegebenenfalls Kontaktfahnen, dadurch gekennzeichnet, dass als Hinterlegung ein Metallblech verwendet wird, dass das Metallblech auf einer Seite mit einem rauen Haftgrund versehen wird oder ein solcher auf der Seite ausgebildet und das Metallblech mit einer Strukturierung versehen wird, dass die Mischung aus zumindest dem Kohlenstoffmaterial als Füllstoff und dem Bindemittel als eine erste Schicht und das Metallblech als eine zweite Schicht in eine Pressform derart eingebracht werden, dass die Mischung den Haftgrund und/oder die Strukturierung bedeckt, und dass anschließend Formgebung und Fügen der Schichten mittels Ultraschall erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallblechmaterial wie Blechmaterial aus z. B. einem Kupferlegierungsmaterial auf einer Seite z. B. durch mechanisches Bearbeiten wie Sandstrahlen oder Stanzen oder durch Lichtbogen- oder Plasmaspritzen, Aufsintern von Metallparti keln oder Verbinden von Metallpartikeln mit dem Metallblechmaterial mittels Ultraschall mit dem rauen Haftgrund versehen wird, dass aus dem Metallblechmaterial das als zweite Schicht bestimmte Metallblech ausgeschnitten wie ausgestanzt wird und dass das Metallblech vor oder nach Einbringen der die erste Schicht bildenden Pulvermischung aus Kohlenstoffmaterial und Bindemittel mit dieser sodann mittels Ultraschall verbunden wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Begrenzungswandung der Pressform durch eine Sonotrode eines Ultraschallschwingersystems begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode mit einer Frequenz ν mit vorzugsweise 10·10³ Hz ≤ ν ≤ 50·10³ Hz, ggfls. ν ≤ 100·10³ Hz schwingt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode mit einer Amplitude L mit 5 μm ≤ L ≤ 100 μm schwingt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode mit einem Druck p mit 10 N/mm² ≤ p ≤ 10⁴ N/mm² beim Fügen und/oder Formgeben auf die den Verbundkörper bildenden Materialien einwirkt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallblech zum formschlüssigen Verbinden mit dem Kohlenstoffmaterial insbesondere durch Stanzen Aussparungen ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Flachkommutators eines Läufer- wie Scheibenläufermotors, umfassend eine Tragscheibe aus elektrisch isolierendem Material, metallische Kontakte sowie aus Kohlenstoffmaterial bestehende Laufflächen, unter Verwendung von Lamellen, hergestellt nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte – Herstellen einer Trägerscheibe, – Bestücken der Trägerscheibe mit einzelnen metallischen Kontakten, – Einlegen der bestückten Trägerscheibe in eine Pressform und – Aufpressen harzgebundenen Kohlenstoffmaterials zumindest auf die metallischen Kontakte mittels Ultraschalleinwirkung zum Ausbilden der Laufflächen.
Verfahren zur Herstellung eines Flachkommutators eines Läufer- wie Scheibenläufermotors umfassend eine Trägerscheibe aus elektrisch isolierendem Material, metallische Kontakte sowie aus Kohlenstoffmaterial bestehende Laufflächen, unter Verwendung von Lamellen, hergestellt nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte – Einlegen der metallischen Kontakte in ein Spritzgießwerkzeug, – Herstellen der Trägerscheibe durch teilweises Umspritzen der Kontakte mit elektrisch isolierendem Material, – Einlegen der teilweise umspritzten Kontakte in eine Pressform und Aufpressen harzgebundenen Kohlenstoffmaterials mittels Ultraschalleinwirkung zum Ausbilden der Laufflächen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Kontakte solche mit seitlich überstehenden Lötfahnen verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierendes Material ein isolierendes Duromer wie glasfasergefülltes Phenolharz verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe durch Spritzgießen hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel ein Thermoplast verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Durchbrechungen wie Löcher, Hinterschneidungen und/oder Profilierung des Metallblechs gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallblech ein Gitter oder ein Lochblech oder ein Abschnitt von diesen verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Pressform eingebrachte Mischung zumindest teilweise vorverdichtet wird.