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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutatorrings
für einen Kommutator einer Elektromaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Elektromaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 195 43 998
A1 und der
DE
197 43 086 A1 sind bereits Verfahren der eingangs genannten
Art zur Herstellung von sogenannten Rollkommutatoren bekannt. Bei
diesen Verfahren wird ein zuvor geprägtes, mit einem gewünschten
Profil versehenes Endlosband aus Kupfer oder einem anderen elektrisch
leitenden verformbaren Metall quer zu seiner Bewegungsrichtung gekerbt,
um die Lamellen zu formen, die durch einen schmalen Steg mit den
benachbarten Lamellen verbunden sind und bei dem Kommutator aus
der
DE 195 43 998
A1 mehrere in Längsrichtung des Bandes verlaufende
schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen aufweisen. Von dem
derart umgeformten Endlosband wird eine gewünschten Anzahl
von Lamellen abgetrennt und durch Rollen mittels eines Rollwerkzeugs
zum Kommutatorring geschlossen.
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In
den geschlossenen Kommutatorring wird anschließend ein
hohlzylindrischer Träger so eingeführt, dass er
koaxial zum Kommutatorring ausgerichtet ist, und dann der Zwischenraum
zwischen dem inneren Umfang des Kommutatorrings und dem äußeren
Umfang des Trägers mit einer fließfähigen Isoliermasse
vergossen, welche die um den inneren Umfang des Kommutatorrings
umlaufenden schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen und die
axialen Kerben zwischen den Lamellen füllt und nach dem
Vergießen aushärtet, um eine sichere formschlüssige
Verbindung zwischen dem Träger und dem Kommutatorring herzustellen
und die benachbarten Lamellen an der Kontaktfläche der
Kohlebürsten elektrisch voneinander zu isolieren.
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Da
sich die mit dem Kommutator ausgestatteten Elektromaschine im Betrieb
mit Drehzahlen von bis zu 30 000 Umdrehungen pro Minute drehen kann, unterliegt
der Kommutatorring starken Zentrifugalkräften, die ohne
geeignete Gegenmaßnahmen zu einer unerwünschten
Verformung des metallischen Kommutatorrings und damit ggf. zu einer
vermehrten Funkenbildung zwischen den Kohlebürsten und
dem Kommutator führen können. Um dem entgegenzuwirken,
ist es aus der
DE
103 19 460 A1 unter anderem bereits bekannt, die Stirnenden
der Lamellen mit nutartigen Ausnehmungen zu versehen, die von einem vorspannbaren
Ringanker durchgriffen werden, der jede einzelne Lamelle radial
nach innen auf den Träger des Kommutatorrings vorgespannt
hält. Dadurch werden zumindest die Stirnenden der Kommutatorlamellen
daran gehindert, sich bei hohen Betriebsdrehzahlen des Kommutators
radial nach außen vom Träger bzw. von der Isoliermasse
zu lösen. Zur Vermeidung von Unwuchten sollte der Ringanker
allerdings rotationssymmetrisch ausgebildet sein, was die Konstruktion
vorspannbarer Ringanker aus zugfesten, nicht dehnbaren Materialien
erheblich erschwert. Darüber hinaus ist auch die Fertigung
und Montage von vorspannbaren Ringankern im Kommutatorring relativ
aufwändig.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein Armieren
des Kommutatorrings von Rollkommutatorenerleichtert wird, und eine
Elektromaschine der eingangs genannten Art mit einem einfach herzustellenden
und zu montierenden armierten Kommutatorring bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass nach dem Schließen der Lamellen ein
Armierungsring aus einem elektrisch nicht-leitenden verformungsbeständigen
Material in die Ausnehmung eingeführt und durch plastische
Verformung der Lamellen des geschlossenen Kommutatorrings in der
Ausnehmung fixiert wird.
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Durch
diese Maßnahme kann zum einen der Armierungsring aus einem
beliebigen geeigneten Material und mit einer beliebigen geeigneten
Form hergestellt werden. Zum anderen wird der Armierungsring durch
die Verformung des Kommutatorrings in der Ausnehmung gesichert,
so dass er vor versehentlichem Verlieren bei weiteren Bearbeitungsvorgängen
geschützt ist. Außerdem kann auf diese Weise die
Temperatur- und Schleuderfestigkeit des fertigen Kommutators verbessert
und durch die Verformung des Kommutatorrings auf ein aufwändiges
Vorspannen des Armierungsrings verzichtet werden.
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Im
Hinblick auf die Elektromaschine wird die Aufgabe dadurch gelöst,
dass mindestens ein die Ausnehmung begrenzender Teil der Lamellen
zur Fixierung des Armierungsrings plastisch verformt ist, so dass
dort die Lamellen gegen den Armierungsring angepresst werden.
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Die
Ausnehmung in den Lamellen ist vorzugsweise in axialer Richtung
des geschlossenen Kommutatorrings offen, so dass der Armierungsring in
dieser Richtung in die Ausnehmung eingeführt werden kann.
Nach dem Verformen des Kommutatorrings kann die Ausnehmung in axialer
Richtung offen bleiben, jedoch kann sie auch durch die ausgehärtete
Verguss- oder Isoliermasse verschlossen werden, die den Kommutatorring
beim fertigen Kommutator mit seinem Träger verbindet. In
diesem Fall dringt die Verguss- oder Isoliermasse nicht nur in die Zwischenräume
zwischen den Lamellen sondern auch in die Ausnehmung ein, wodurch
der Armierungsring zusätzlich in der Ausnehmung gesichert wird.
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Dort,
wo die Lamellen des Kommutatorrings eine einzige Ausnehmung für
einen Armierungsring aufweisen, ist diese Ausnehmung zweckmäßig
im Bereich eines Ankerlagers der Elektromaschine angeordnet. Jedoch
können die Lamellen auch zwei Ausnehmungen aufweisen, die
so an den entgegengesetzten Stirnenden des Kommutatorrings angeordnet
sind, dass in jeder Ausnehmung ein Armierungsring fixiert werden
kann.
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Die
Fixierung des Armierungsrings in der Ausnehmung unter plastischer
Verformung der Lamellen des Kommutatorrings erfolgt vorzugsweise durch Verstemmen
von mindestens einem Randbereich der Ausnehmung, jedoch kann der
Armierungsring auch dadurch in der Ausnehmung fixiert werden, dass
eine Begrenzung derselben beim geschlossenen Kommutatorring in Richtung
der Drehachse des Kommutators nach innen gebogen ist und durch Hindurchführen
eines Dorns durch die vom Kommutatorring umschlossene Öffnung
von innen her gegen eine gegenüberliegende innere Umfangsfläche
des Armierungsrings angepresst wird.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, den Armierungsring in einer Ausnehmung
der Lamellen zu fixieren, die in radialer Richtung in die als Lauffläche für
die Kohlebürsten dienende Umfangsfläche des Kommutatorrings
mündet. Diese Lösung ist jedoch ungünstiger
als eine in axialer Richtung offene Ausnehmung, da sich ein in Umfangsrichtung
geschlossener Armierungsring nur in eine in axialer Richtung offene
Ausnehmung einführen lässt, die dann durch Verformung
des Kommutatorrings an der offenen Seite geschlossen werden muss,
was eine stärkere Verformung der Lamellen erforderlich
macht.
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Der
Armierungsring besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten
Harz- oder Kunststoffmaterial, so dass er sich einfach und preiswert
herstellen lässt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines sogenannten
Rollkommutators für eine elektrische Maschine;
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2 eine
teilweise geschnittene Ansicht des Kommutators;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines profilierten metallischen
Bandmaterials, das zur Fertigung eines Kommutatorrings des Kommutators
verwendet wird;
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4 eine
Stirnseitenansicht eines Abschnitts des Bandmaterials nach dem Formen
von Lamellen des Kommutatorrings;
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5 eine
Stirnseitenansicht eines Abschnitts des Bandmaterials nach dem Schließen
der Lamellen zum Kommutatorring;
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6 eine
Stirnseitenansicht entsprechend 5, jedoch
nach dem Einführen eines Armierungsrings in eine in den
Lamellen ausgesparte Nut;
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7 eine
Schnittansicht des Kommutatorrings entlang der Linie VII-VII der 5;
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8 eine
Schnittansicht des Kommutatorrings nach dem Einführen des
Armierungsrings in die Nut entlang der Linie VIII-VIII der 6;
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9 eine
Ansicht entsprechend 8, jedoch nach einem Fixieren
des Armierungsrings in der Nut unter plastischer Verformung des
Kommutatorrings;
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10 eine
Schnittansicht entsprechend 7, jedoch
von einem Kommutatorring mit zwei Armierungsringen;
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11 eine
Ansicht des Kommutatorrings aus 10, entsprechend 8.
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12 eine
Ansicht des Kommutatorrings aus 10, entsprechend 9.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
in den 1 und 2 dargestellte hohle Kommutator 2 einer
elektrischen Maschine ist zur Montage auf einer Rotorwelle eines
Rotors der elektrischen Maschine bestimmt. Der Kommutator 2 besteht
im Wesentlichen aus einem an seinem inneren Umfang angeordneten
spiralig gewundenen röhrenförmigen Träger 4,
einem am äußeren Umfang des Kommutators 2 angeordneten
metallischen Kommutatorring 6, der eine Mehrzahl von axialen
Lamellen 8 umfasst, sowie einer aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial
bestehenden ausgehärteten Isolier- oder Vergussmasse 10,
die den Kommutatorring 6 formschlüssig mit dem
Träger 4 verbindet und die Lücken 12 zwischen
jeweils benachbarten Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 füllt.
Der Kommutator 2 umfasst weiter einen Armierungsring 14 (1, 8 und 9)
oder zwei Armierungsringe 15, 16 (11 und 12),
die jeweils in einer zugehörigen, im Wesentlichen ringförmigen
Aufnahmenut 18 bzw. 20 und 22 der Lamellen 8 des
Kommutatorrings 6 angeordnet sind. Die Armierungsringe 14, 15, 16 verhindern,
dass sich der Kommutatorring 6 infolge der im Betrieb bei
hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte verformt
bzw. vom Träger 4 löst.
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Im
Längsschnitt des Kommutators 2 gesehen besitzen
die Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 ein L-förmiges
Profil, wie am besten in 2 und 7 bis 12 dargestellt.
Ein längerer, zur Drehachse 24 des Kommutators 2 paralleler
Schenkel 26 bildet mit seiner Außenseite 27 den
Gegenkontakt für die auf dem Umfang des Kommutators 2 gleitenden Kohlebürsten,
während ein an einem Stirnende des längeren Schenkels 26 radial überstehender
kürzerer Schenkel 28 als Wicklungsanschluss dient,
der nach der Montage des Kommutators 2 auf der Rotorwelle mit
den Rotorwicklungen verbunden wird. An seinem inneren Umfang weist
der Kommutatorring 6 drei ausgesparte etwa schwalbenschwanzförmige
Befestigungsnuten 30 auf, die sich ebenso wie die Lücken 12 zwischen
den Lamellen 8 bei der Montage des Kommutatorrings 6 auf
dem Träger 4 mit der fließfähigen
Isolier- oder Vergussmasse 10 füllen.
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An
den beiden entgegengesetzten Stirnenden des Kommutators 2 bildet
die Isolier- oder Vergussmasse 10 jeweils einen Bund 32 bzw. 34,
der einen Teil der benachbarten Stirnflächen der Lamellen 8 des
Kommutatorrings 6 überlappt und die Aufnahmenut 18 bzw.
die Aufnahmenuten 20 und 22 verschließt.
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Der
Armierungsring 14 bzw. die beiden Armierungsringe 15 und 16 bestehen
aus einem mit Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern verstärkten
Kunststoff- oder Harzmaterial und weisen jeweils einen rechteckigen
Querschnitt auf.
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Zur
Herstellung des Kommutatorrings 6 wird ein profiliertes
Bandmaterial 34 aus Kupfer oder einem anderen verformbaren
elektrisch leitenden Metall verwendet, von dem in 3 ein
Abschnitt dargestellt ist. Der Querschnitt des profilierten Bandmaterials 34 entspricht
im Wesentlichen dem Querschnitt der Lamellen 8, jedoch
mit dem Unterschied, dass sich die zur Aufnahme des Armierungsrings 14 dienende
Aufnahmenut 18 bzw. die zur Aufnahme der Armierungsringe 15, 16 dienenden
Aufnahmenuten 20, 22 in Richtung der benachbarten
Stirnfläche der Lamellen 8 erweitern und im Vergleich
zum Querschnitt des zugehörigen Armierungsrings 14, 15, 16 einen
etwas größeren Nutquerschnitt aufweisen. Speziell
divergiert mindestens eine der beiden gegenüberliegenden
Begrenzungen der Aufnahmenut 18 bzw. 20 und 22 in
Richtung der benachbarten Stirnfläche.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Vielzahl von quer zur
Längsrichtung des Bandmaterials 34 verlaufenden
parallelen Kerben 38, 40 (4) in die
entgegengesetzten Seiten des Bandmaterials 34 eingeformt,
wodurch sich bei Betrachtung der mit der Aufnahmenut 18 versehenen
Stirnfläche des Bandmaterials 34 in 3 der
in 4 dargestellte Querschnitt mit einer Vielzahl
von parallelen Lamellen 8 ergibt, die von den beiden benachbarten
Lamellen 8 jeweils durch eine obere und eine untere Kerbe 38 bzw. 40 getrennt
und mit diesen Lamellen 8 jeweils durch einen dünnen
Steg 42 verbunden ist.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird von dem quer zur Längsrichtung
gekerbten Bandmaterial 34 eine vorbestimmte Anzahl von
Lamellen 8 abgetrennt, indem das Bandmaterial 34 entlang
von einem der Stege 42 durchschnitten wird.
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Die
abgetrennten Lamellen 8 werden anschließend in
einem weiteren Verfahrensschritt mittels eines Rollwerkzeugs zum
geschlossenen Kommutatorring 6 geformt, wie in 5 als
Ausschnitt dargestellt, wobei sich die unteren Kerben 40 zwischen
den längeren Schenkeln 26 bis auf schmale Spalte
schließen, während die oberen Kerben 38 zwischen
den kürzeren Schenkeln 28 weiter werden.
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Bei
diesem Verfahrensschritt wird auch jede der zuvor in gerader Linie
durch ein bzw. beide Stirnenden des längeren Schenkels 26 verlaufende
Aufnahmenuten 18, 20, 22 zu einer polygonal
geformten Aufnahmenut 18, 20, 22, wie
in 5 am Beispiel der Aufnahmenut 18 dargestellt.
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Wie
in 6 am Beispiel der Aufnahmenut 18 dargestellt,
wird beim nächsten Verfahrensschritt in jede dieser in
axialer Richtung offenen, in die benachbarte Stirnfläche
des Kommutatorrings 6 mündenden Aufnahmenuten 18, 20, 22 der
zugehörige Armierungsring 14 bzw. 15, 16 in
axialer Richtung eingeführt.
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Beim
folgenden Verfahrensschritt wird der Armierungsring 14 bzw. 15, 16 unter
plastischer Verformung des Kommutatorrings in der zugehörigen Aufnahmenut 18 bzw. 20, 22 fixiert.
Dazu wird das jeweils benachbarte Stirnende des Kommutatorrings 6 durch
eine in radialer Richtung von innen und von außen auf den
inneren und den äußeren Umfang der Lamellen 8 aufgebrachte
Druckkraft F unter plastischer Verformung zusammengedrückt,
wie in 9 bzw. 12 dargestellt, um den Armierungsring 14 bzw. 15, 16 in
der zugehörigen Aufnahmenut 18 bzw. 20, 22 festzuklemmen,
so dass die gegenüberliegenden inneren und äußeren
Begrenzungen der Nut 18, 20, 22 im Bereich
der Lamellen 8 gegen die innere bzw. äußere
Umfangsfläche des Armierungsrings 14; 15, 16 angepresst
werden.
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Bei
dem in den 1 bis 9 dargestellten Kommutatorring 6 kann
dies zum Beispiel auch dadurch erfolgen, dass ein zylindrischer
Dorn mit einem dem Innendurchmesser der inneren Umfangsfläche 50 des
Kommutatorrings 6 entsprechenden Außendurchmesser
und mit einem verjüngten vorderen Stirnende von dem mit
den kürzeren Schenkeln 28 bzw. Wicklungsanschlüssen
versehenen Stirnende des Kommutatorrings 6 her in Richtung
des Pfeils A in 9 durch den vom Kommutatorring 6 umschlossenen
Hohlraum 52 gedrückt wird, um eine zuvor zur Stirnfläche 54 hin
divergierende innere Begrenzung 56 der Nut 18 im
Bereich der Lamellen 8 nach außen gegen die innere
Umfangsfläche des Armierungsrings 14 zu drücken.
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In
beiden Fällen verhindert ein den Umfang des Kommutatorrings 6 umgebendes
hohlzylindrisches Widerlager (nicht dargestellt) ein übermäßiges Aufweiten
der Stirnenden der Lamellen 8.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19543998
A1 [0002, 0002]
- - DE 19743086 A1 [0002]
- - DE 10319460 A1 [0004]