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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen eines Kunststoffüberzugs
auf der Oberfläche
oder eines Teils der Oberfläche
eines Ankers einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Ein
derartiges Verfahren ist bekannt. Bei einem herkömmlichen Anker, der im Betrieb
in einer Flüssigkeit
rotiert, ergeben sich drehzahlabhängig erhebliche hydraulische
Verluste durch die Strukturen des Ankers. Die Strukturen ergeben
sich dabei aus den Bestandteilen des Ankers. Die größten hydraulischen
Verluste entstehen durch Strömungsabrisse und
Verwirbelungen durch Nutöffnungen
des Pakets, die wie Schaufeln wirken. Die übliche Lösung, diese hydraulischen Verluste
zu minimieren, ist es, einen Kunststoffüberzug auf der Oberfläche oder
eines Teils der Oberfläche
des Ankers durch Spritzgießen zu
erstellen. Der komplette Anker wird dabei „vollumspritzt". Die dadurch entstehende
zylindrische Mantelfläche
des Kunststoffüberzugs
erzeugt deutlich kleinere hydraulische Verluste bei einem rotierenden Anker,
wobei sich der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei Betrieb
in Flüssigkeiten
erhöht.
Von besonderer Bedeutung zur Verringerung der hydraulischen Verluste
ist dabei ein Oberflächenbereich
an einem Kommutator des Ankers. Zum Abdichten von Kommutatorhaken
des Ankers werden diese einzeln abgedeckt und gespritzt („Sternumspritzung"). Zum Spritzgießen wird
ein Spritzwerkzeug verwendet, das mehrere Kavitäten und Spritzdüsen mit
entsprechenden Kanälen
aufweist. Zur Realisierung der Sternumspritzung muss der Anker im
Spritzwerkzeug axial und tangential genau ausgerichtet sein. Weiterhin müssen auch
die Spritzdüsen
genau ausgerichtet sein. Wird das Spritzgießen in der so genannten Kaltkanal-Umspritzungstechnik
ausgeführt,
ist das Aufbringen des Kunststoffüberzugs (die Abdichtung) aufgrund
des zähen
Kunststoffes einfach realisierbar. Bei der Kaltkanal-Umspritzungstechnik
werden jedoch so hohe Spritzdrücke
verwendet, dass diese zu Kommutatorbelastungen führen.
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Vorteile der Erfindung
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Beim
erfindungsgemäßen ist
vorgesehen, dass der Kunststoffüberzug
im Heißkanalspritzgussverfahren
auf die Oberfläche
aufgebracht wird. Dabei werden die Teile des Ankers wie Paket, Welle,
Nutisolation, Kommutator und Wicklungen mit einem Kunststoffüberzug versehen,
sodass der Anker mit dem Kunststoffüberzug eine zylindrische Form
mit strukturloser Mantelfläche
hat. Mit einer zylindrischen Form erzeugt der Anker bei Betrieb
in einer Flüssigkeit
deutlich kleinere hydraulische Verluste als ohne eine entsprechend
geformte Mantelfläche.
Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor, vorzugsweise
ein Elektromotor, einer Kraftstoffpumpe, der in Kraftstoff rotiert.
Bei Verwendung des Heißkanalspritzgussverfahrens
wird ein Spritzdruck verwandt, der eine relativ geringe Kommutatorbelastung zur
Folge hat. Die Kommutatorbelastung beim Heißkanalspritzgussverfahren ist
insbesondere deutlich geringer als bei einem Kaltkanalspritzgussverfahren. Um
Belastungen des Kommutators beim Spritzgießen der Oberfläche des
Ankers zusätzlich
zu minimieren wird insbesondere eine Einschnürung – vorzugsweise im Bereich des
Wickelkopfs unter dem Kommutator – erstellt. Die Einschnürung dient
der Spannungsentlastung beim Zusammenziehen des Kunststoffes des
Kunststoffüberzugs
in einer Abkühlphase
nach der Heißumspritzung.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Spritzgießen durch Direktanspritzen
des Ankers erfolgt. Wird der Kunststoffüberzug durch direktes Anspritzen – als so
genannte Direktanspritzung – entstellt, so
entstehen keine unerwünschten
Strukturen an der Mantelfläche,
wie Anguss und Grate, die anschließend in einem weiteren Arbeitsgang
entfernt werden müssen.
Das als Direktanspritzung durchgeführte Heißkanalspritzgussverfahren ist
somit ein „abfallloses" Verfahren, das nur
geringe Spritzdrücke
benötigt
und für
kraftstoffresistente Kunststoffe und dünne Schichtdicken des Kunststoffüberzugs
geeignet ist. Dadurch reduziert dieses Verfahren die Herstellkosten.
Das Verfahren ist insbesondere für
geringe Taktzeiten und hohe Stückzahlen
geeignet.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Anker beim Spritzgießen vertikal ausgerichtet ist.
Dadurch können
die Kavitäten
des Spritzwerkzeugs als Schieber ausgebildet sein, wodurch sich
der Kunststoffüberzug
kostengünstiger
herstellen lässt
als mit Kavitäten
für ein
Spritzgießen
mit horizontal ausgerichtetem Anker, die als Halbschalenwerkzeug
ausgebildet sind. Weiterhin muss der Anker zum Einsetzen in die Kavität nicht
mehr in die Horizontale gedreht werden. Dies ist insbesondere bei
manueller Bestückung
des Spritzwerkzeugs einer Spritzgussmaschine von Vorteil. Der Aufwand
einer automatischen Bestückung wird
ebenfalls reduziert, da keine Ausrichtung und keine Lagerabfrage
des Ankers erfolgen muss.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Anker beim Spritzgießen umfänglich von mehreren Segmenten
umgeben ist. Diese Segmente können
als Schieber ausgebildet sein, die ein kostengünstiges und schnelles Spritzgießen des
Kunststoffüberzugs mit
hoher Fertigungsqualität
ermöglichen,
wodurch ein Nacharbeiten des Ankers (zum Beispiel durch Überdrehen,
Reinigen und/oder Ähnlichem)
entfällt.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Spritzgießen mit nur einem Angusspunkt
pro Kavität
erfolgt. Die Reduzierung von mehreren auf nur noch einen Angusspunkt
pro Kavität
führt zu
einem Rückgang
der Kommutatorbelastung während
des Einspritzvorgangs, was sich insbesondere vorteilhaft bei der
Verwendung von empfindlichen Kohlekommutatoren auswirkt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spritzgießen aus
nur einem Heißkanal
pro Kavität
erfolgt. Die Reduzierung von zwei Heißkanälen auf nur noch einen Heißkanal pro Kavität verringert
die Komplexität
des Spritzgusswerkzeugs.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass auf der Mantelfläche des Ankers angeordnete
Strukturen durch Aufbringen des Kunststoffüberzugs bis in mindestens einen
axialen Endbereich der Mantelfläche
bedeckt werden. Der dabei entstehende Kunststoffüberzug erstreckt sich dabei
unabhängig
von der Anordnung von Strukturen auf der Mantelfläche bis
in den axialen Endbereich.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass der Kunststoffüberzug in einem axialen Endbereich
mit einer geraden, die Mantelfläche
umgreifenden Abschlusskante abschließt. Dieser axiale Endbereich
ist insbesondere ein kommutatorseitiger Endbereich. Beim bekannten
Verfahren zum Spritzgießen
eines Kunststoffüberzugs
ist dessen Abschluss im kommutatorseitigen axialen Endbereich als
so genannte Sternumspritzung ausgebildet. Bei der Sternumspritzung
ergibt sich eine Kronengeometrie des Abschlusses, bei der die Abschlusskante
wellenförmig zwischen
den Kommutatorschlitzen und Kommutatorhaken ausgeführt ist.
Bei dieser vorteilhaften Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Abschlusskante gerade ausgebildet, wodurch sich die hydraulischen
Verluste eines in einer Flüssigkeit rotierenden
Ankers weiter verringern. Die dafür benötigte Abdichtungsfläche des
Spritzwerkzeugs ist einfach strukturiert.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Kunststoffüberzug für Anker mit gleichen Ausmaßen unabhängig von
der Anzahl und Anordnung der Strukturen auf der Mantelfläche des
Ankers mit den gleichen Kavitäten
erstellt wird. Ein solches, universal einsetzbares Spritzwerkzeug
reduziert die Taktzeiten beim Spritzgießen von Kunststoffüberzügen auf
verschieden geformten Ankern mit nur einem Spritzwerkzeug.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass der Kunststoffüberzug mindestens eine Stirnseite
des Ankers abdeckt. Die Stirnseite ist insbesondere die Mitnehmerseite
des Ankers. Diese weist einen Wickelkopf auf. Durch den Kunststoffüberzug auf
dieser Stirnseite verringern sich bei einem in einer Flüssigkeit
rotierenden Anker insbesondere die hydraulischen Verluste durch
die Drahtstrukturen des Wickelkopfs.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Element eine Ankerisolation ist. Diese
Ankerisolation ist bei jedem Anker notwendig, um die Ankerwicklung
gegen das Lamellenpaket elektrisch zu isolieren. Die Ankerisolation
kann hierbei entweder durch eine Pulverbeschichtung, aufgeschobene
Isoliermasken oder ebenfalls durch einen Kunststoffüberzug (eine
Kunststoffumspritzung) von Ankerwelle und Lamellenpaket (Blechpaket)
ausgeführt
sein.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass eine die Ankerwelle umgreifende Abdichthülse zwischen
mindestens eine Kavität
und dem Element eingebracht wird, wobei die Abdichthülse radial
und/oder axial mit dem Element abschließt. Durch die Abdichthülse wird
ein direkter Kontakt des Kunststoffüberzugs mit der Ankerwelle
unterbunden, sodass sich der Schwund durch Zusammenziehen des Kunststoffes nach
der Heißumspritzung
nicht direkt auf die Welle übertragen
kann. So wird der Wellenrundlauf der Ankerwelle kaum beeinträchtigt.
Dabei kann die Abdichthülse
radial und/oder axial mit dem Element abschließen. Das Element ist insbesondere
eine Ankerisolation.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
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1A bis 1C den
Anker einer elektrischen Kraftstoffpumpe vor und nach dem Spritzgießen eines
Kunststoffüberzugs
auf der Oberfläche
des Ankers,
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2A bis 2C den Anker der 1A nach unterschiedlichen
Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Spritzgießen eines Kunststoffüberzugs,
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3 die
Mitnehmerseite des Ankers vor dem Spritzgießen des Kunststoffüberzugs,
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4A und 4B den
Anker mit einem Kunststoffüberzug,
der durch ein erfindungsgemäßes Spritzgießen erstellt
wurde und
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5A und 5B zwei
Varianten eines Spritzgießwerkzeugs
zum Spritzgießen
des Kunststoffüberzugs
gemäß 4A und 4B auf
dem Anker.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1A zeigt
einen Anker 1 einer elektrischen Maschine 2, die
als Elektromotor einer elektrischen Kraftstoffpumpe ausgebildet
ist. Auf der Ankerwelle 3 des Ankers 1 ist ein
vorwiegend zylinderförmiges
Blechpaket (Lamellenpaket) 4 mit axial verlaufenden Nuten 5 angeordnet.
An einem Ende 6 des Blechpakets 4 ist ein die
Ankerwelle 3 umgreifender Kommutator 7 angeordnet.
Der Kommutator 7 weist in der Darstellung der 1A acht
gleich beabstandete, radial verlaufende Nutschlitze 8 auf.
Auf dem Umfang des Kommutators 7 sind acht Kommutatorhaken 9 angeordnet,
die umfänglich
jeweils zwischen zwei Kommutatorschlitzen 8 angeordnet
sind. An beiden axialen Endbereichen 10, 11 des
Ankers 1 ragt die Ankerwelle 3 aus dem Blechpaket 4 beziehungsweise
dem Kommutator 7 hervor. Der Anker 1 der 1A ist
ohne Wicklung/Wicklungen dargestellt. Die 1B zeigt
den Anker 1 der 1A mit
einem durch Spritzgießen
erstellten Kunststoffüberzug 12. Dazu
schließt
der Kunststoffüberzug 12 auf
der Mantelfläche 13 des
Ankers 1 in einem axialen Endbereich 14 (in einem
zum Kommutator 7 gehörenden Bereich
des Ankers 1) mit einer wellenförmigen Abschlusskante 15 ab,
die zwischen den radialen Enden der Kommutatorschlitze 8 und
den Kommutatorhaken 9 verläuft. Diese wellenförmige Abschlusskante 15 des
Kunststoffüberzugs 12 hat
eine Kronengeometrie und kann auch durch eine übliche Sternumspritzung im
Kaltkanalspritzgussverfahren erstellt werden. Die 1C zeigt
den Kommutator 7 mit der wellenförmigen Abschlusskante 15,
die die Kronengeometrie des in der 1B gezeigten
Kunststoffüberzugs
ausmacht. Zur Herstellung einer solchen wellenförmigen Abschlusskante 15 wird
eine entsprechend geformte Abdichtungsfläche 15' des in den 5A und 5B gezeigten
Spritzwerkzeugs benötigt.
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Die 2A zeigt
den Anker 1 der 1A mit einem
durch das erfindungsgemäße Heißkanalspritzgussverfahren
hergestellten Kunststoffüberzug 12 mit
einer die Mantelfläche
umgreifenden, geraden Abschlusskante 16. Der dabei entstandene
Kunststoffüberzug 12 (Vollumspritzung)
ist dabei insbesondere in Vollkanalheißumspritzungstechnik durch
Direktanspritzen im Direktanspritzungsverfahren erstellt. Die 2B zeigt die
gerade Abschlusskante 16 am Außenumfang des Kommutators 7.
An dieser Stelle muss das zum erfindungsgemäßen Spritzgießen benutzte
Spritzgießwerkzeug
lediglich eine gerade verlaufende Abdichtungsfläche 16' zwischen den Kommutatorhaken 9 und
den Kommutatorschliten 8 aufweisen. Diese gerade verlaufende
Abdichtungsfläche 16' ist in 2B eingezeichnet.
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Die 3 zeigt
den dem einen axialen Endbereich 10 gegenüberliegenden
anderen axialen Endbereich 11 auf der Mitnehmerseite 17 des
Ankers 1. Dabei zeigt die 3 die Blechpakete 4 mit
den Nuten 5, in denen die Windungen 18 der Wicklung 19 einliegen.
Die Windungen 18 bilden an einer Stirnseite 20 der
Mitnehmerseite 17 einen Wickelkopf 21. Zwischen
dem Wickelkopf 21 und dem mitnehmerseitigen Ende der Ankerwelle 3 ist
ein die Ankerwelle 3 umgreifendes Element 22 angeordnet.
Dieses Element ist als Ankerisolation 23 ausgebildet und
dient der elektrischen Isolation der Ankerwicklung 19 gegen
das Blechpaket 4 und die Ankerwelle 3. Die 4A zeigt
einen Kunststoffüberzug 12 auf
dem Anker 1, der die Stirnseite 20 auf der Mitnehmerseite 17 abdeckt
und auf dieser Stirnseite 20 an der Ankerwelle 3 des
Ankers 1 abschließt.
Dieser Kunststoffüberzug 12 hat
jedoch den Nachteil, dass durch die Kräfte, die bei der Schwindung
des Kunststoffes nach dem Spritzguss entstehen, direkt auf die Ankerwelle 3 übertragen
werden. Hierdurch entsteht eine Verformung der Welle im elastischen
Bereich, wobei der Wellenrundlauf stark negativ beeinflusst wird
und nicht prozesssicher eingehalten werden kann. Die 4B zeigt
einen Kunststoffüberzug 12,
der die mitnehmerseitige Stirnseite 20 abdeckt und an einem die
Ankerwelle 3 umgreifenden Element 22 abschließt. Dabei
ist das Element 22 als Ankerisolation 23 ausgebildet,
die die Wicklung 19 gegen die Ankerwelle 3 isoliert.
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Die 5A und 5B zeigen
zwei Varianten der Abdichtung von Kavitäten 24 des Spritzgießwerkzeugs 25 gegenüber dem
Anker 1. Dabei ist der Anker 1 zum Spritzgießen vertikal
ausgerichtet. Vertikal ausgerichtet heißt in diesem Zusammenhang, dass
die Ankerwelle 3 des Ankers 1 vertikal ausgerichtet
ist. Zum Spritzgießen
ist der vertikal ausgerichtete Anker 1 umfänglich von
Kavitäten 24 umgeben,
wobei jede Kavität 24 nur
einen Heißkanal
mit einer entsprechenden Einspritzdüse 26 aufweist. Um eine
entsprechende Abdichtung des Ankers 1 an dem die Ankerwelle 3 umgebenden
Element 22 zu erreichen, ist zwischen die Kavitäten 24 und
das Element 22 eine die Ankerwelle 3 umgreifende
Abdichthülse
eingebracht. Dabei zeigt die 5A eine
Abdichthülse 27,
die axial auf dem Element 22 abschließt und die 5B eine
Abdichthülse 27,
die radial mit dem Element 22 abschließt.
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Insbesondere
die Abdichtungsfläche 16', mit der die
gerade Abschlusskante 16 des Kunststoffüberzugs 12 auf dem
Umfang des Kommutators 7 erstellt wird, muss in ihrer Lage
präzise
definiert sein. Die Definition der Lage der Abdichtungsfläche ergibt sich
unter Berücksichtigung
der Länge
der Kommutatorhaken 9 und deren Deformation beim Schweißen zur
Erstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Segmenten
des Kommutators 7 und den die Windungen 18 bildenden
Kupferdrähten 28 und unter
Berücksichtigung
der Tiefe der Kommutatorschlitze 8. Die Abdichtungsfläche 16' ist im Vergleich zu üblichen
Kommutatoren 7 in der axialen Richtung kürzer und
ist daher günstiger
bei der Kommutatorherstellung. Dabei sind beliebige Kommutierungswinkel
mit demselben Spritzwerkzeug möglich.
Hydraulische Verluste bei drehendem Anker 1 sind wegen
der die Mantelfläche
gerade umgreifenden Abschlusskante 16 – und damit einem Entfall der
Sternumspritzung – reduziert.