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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung
des unabhängigen Anspruchs.
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Aus
dem
DE-GBM 74 40 605 ist
bereits eine elektrische Maschine bekannt, deren Stator und/oder Rotor
Wicklungen aus Aluminium aufweist, welche aufgrund der geringeren
Materialkosten gegenüber Kupfer preiswerter herstellbar
sind und ein geringeres Gewicht besitzen. Die maximal erzielbare
Leistung verringert sich dabei zwar reziprok zu den spezifischen
Widerständen von Aluminium und Kupfer, was jedoch durch
einen größeren Leiterquerschnitt ohne Gewichtserhöhung
und bei nur geringfügiger Erhöhung der Baugröße
ausgeglichen werden kann. Die Einsatzmöglichkeiten von
Motorwicklungen aus Aluminium liegen dabei insbesondere bei Maschinen kleinerer
Leistung.
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Eine
Schwierigkeit bei der Verwendung von Aluminium für Motorwicklungen
besteht jedoch darin, dass die Endender Wicklung mit anderen stromführenden
Teilen der Maschine verbunden werden müssen, welche aus
Kupfer bestehen. Diese Kontaktstellen zwischen Kupfer und Aluminium
sind aufgrund der unterschiedlichen Standardpotentiale der beiden Materialien
korrosionsgefährdet. Dies gilt in besonderem Maße
für derartige Verbindungen von Kupfer und Aluminium, welche
erhöhter Korrosionsgefahr ausgesetzt sind, beispielsweise
durch Feuchtigkeits- und/oder Wärmeeinwirkung im Bereich
der Kontaktstellen. Ein derart erhöhtes Korrosionspotential
liegt vor bei elektrischen Maschinen, welche im Motorraum von Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden, wie dies beispielsweise bei Startern für
Brennkraftmaschinen der Fall ist, so dass hier zusätzliche
Maßnahmen zur Verringerung der Korrosion getroffen werden müssen.
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Zur
Reduzierung der Korrosionsprobleme und zur Verringerung des elektrischen Übergangswiderstandes
an der Verbindungsstelle von Aluminiumleitern einer Wicklung zu
den Kupferlamellen des Kommutators einer elektrischen Maschine ist
in der
JP-06253507
A bereits vorgeschlagen worden, auf den Schweißbereich
des Kommutators eine Zwischenschicht aus einem weichen, elektrisch
leitfähigen Material aufzubringen, welches in seiner Verarbeitbarkeit
zwischen derjenigen von Kupfer und Aluminium liegt und für
Ultraschallschweißungen geeignet ist. Durch eine derartige
Zwischenschicht soll das Kontaktierungsproblem beim Verbinden der
Metalle Kupfer und Aluminium behoben werden. Die Korrosionsgefahr
an der Verbindungsstelle ist hierbei jedoch nicht berücksichtigt.
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Eine
vergleichbar unbefriedigende Lösung zur Kontaktierung von
Kupfer- und Aluminiummaterialien ist auch aus der
FR-PS 978 953 bekannt, in welcher vorgeschlagen
wird, die mit den Kupferlamellen eines Kommutators zu verbindenden
Leiterenden einer Aluminiumwicklung in Schlitze des Kommutators einzupressen
und durch Verstemmen des Kupfermaterials des Kommutators zu arretieren
und zu kontaktieren. Durch diese Maßnahmen erreicht man
zwar eine Verbesserung der Kontaktierung und eine Verringerung der Korrosionsgefahr
gegenüber einer oberflächlichen Verbindung der
Aluminiumleiter mit dem Kommutator, die Korrosionsprobleme bleiben
im Prinzip jedoch bestehen, da die Oberfläche des Kommutators
nicht durch eine Schutzschicht oder dergleichen abgedeckt werden
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass gleiche Materialien an den Enden der Wicklungsleiter
und der mit ihnen elektrisch und mechanisch zu verbindenden stromführenden
Teile der Maschine vorliegen, so dass die geschilderten Korrosions-
und Kontaktierungsprobleme überhaupt nicht auftreten. Die
kritische Kontaktstelle am Ende der Aluminiumleiter wird von der
Verbindungsstelle im Motor, beispielsweise am Kommutator, wegverlegt
in einen Bereich, wo ein dauerhafter und sicherer Korrosionsschutz
ohne Beeinträchtigung der elektrischen Verbindung aufgebracht
werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn ein Leitungsabschnitt aus Kupfer am Ende
des Aluminiumleiters als Kontakthülse gestaltet ist, in
welche das abisolierte Ende des Aluminiumleiters eingesteckt und
darin formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt
und kontaktiert wird. Die Länge dieses Leitungsabschnittes
aus Kupfer ist derart zu bemessen, dass notwendige Biegungen am
Ende des Leiters außerhalb der Verbindungszone im Bereich
des Leitungsabschnittes aus Kupfer durchgeführt werden können
und die Verbindung mit der Kommutatorlamelle, welche vorzugsweise
durch Schweißen erfolgt, im Bereich des Leitungsabschnittes
aus Kupfer liegt. So ergibt sich in diesem korrosionsgefährdeten Bereich
eine reine Kupfer-Kupferverbindung, welche die aufgezeigten Schwierigkeiten
vermeidet.
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Ein
erstes zweckmäßiges Verfahren zum Verbinden der
Enden der Aluminiumleiter mit den Leitungsabschnitten aus Kupfer
besteht darin, die beiden Enden miteinander zu verschweißen.
Ein anderes vorteilhaftes Verfahren zum Verbinden dieser beiden
Enden besteht in der Anwendung einer Crimpverbindung, welche hinsichtlich
des Fertigungsaufwandes vorteilhafter sein kann. In beiden Fällen
ist es dabei möglich, die kritische Verbindungsstelle zwischen
den unterschiedlichen Materialien Aluminium und Kupfer von der eigentlichen
Kontaktierungsstelle in der elektrischen Maschine, insbesondere
vom Kommutator der Maschine, weg zu verlegen und die Verbindungsstelle
durch eine elektrisch isolierende Ummantelung gegen Korrosion sicher
zu schützen.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt einer elektrischen Maschine in der Ausführung
als Starter für eine Brennkraftmaschine,
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2 einen
schematisierten Längsschnitt der Verbindungsstelle zwischen
dem Ende eines Aluminiumleiters einer Wicklung und einem Leitungsabschnitt
aus Kupfer in Form einer aufgesteckten Hülse und
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3 eine
schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen
Anschlusses eines Aluminiumleiters einer Rotorwicklung an die Lamellen
des Kommutators einer elektrischen Maschine.
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Ausführungsform der
Erfindung
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In
der 1 ist eine Startvorrichtung 10 dargestellt.
Diese weist einen Startermotor 13 und ein Einrückrelais 16 auf.
Der Startermotor 13 und das Einrückrelais 16 sind
an einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt.
Der Startermotor 13 dient funktionell dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben,
wenn es im Zahnkranz 25 der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine
eingespurt ist.
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Der
Startermotor 13 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf,
das an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt,
die jeweils von einer Erregerwicklung 34 umwickelt sind.
An die Stelle der Polschuhe 31 und der Erregerwicklung 34 kann
auch eine permanentmagnetische Erregung der Maschine treten. Die
Polschuhe 31 umgeben wiederum einen Anker 37,
der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket 43 und eine
in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 49 aufweist.
Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst.
An dem vom Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 ist
des Weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der u. a. aus
einzelnen Kommutatorlamellen 55 aufgebaut ist. Die Kommutatorlamellen 55 sind
in bekannter Weise mit der Ankerwicklung 49 derartig elektrisch
verbunden, dass sich bei Bestromung der Kommutatorlamellen 55 durch
Kohlebürsten 58 eine Drehbewegung des Ankers 37 im
Polrohr 28 ergibt. Eine zwischen dem Einspurrelais 16 und
dem Startermotor 13 angeordnete Stromzuführung 61 versorgt
im Einschaltzustand sowohl die Kohlebürsten 58 als
auch die Erregerwicklung 34 mit Strom. Die Antriebswelle 44 ist kommutatorseitig
mit einem Wellenzapfen 64 in einem Gleitlager 67 abgestützt,
welches wiederum in einem Kommutatorlagerdeckel 70 ortsfest
gehalten ist. Der Kommutatordeckel 70 wiederum wird mittels Zuganker 73,
die über den Umfang des Polrohrs 28 verteilt angeordnet
sind (Schrauben, beispielsweise 2, 3 oder 4 Stück) im Antriebslagerschild 19 befestigt. Es
stützt sich dabei das Polrohr 28 am Antriebslagerschild 19 ab,
und der Kommutatorlagerdeckel 70 am Polrohr 28.
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In
Antriebsrichtung schließt sich an den Anker 37 ein
sogenanntes Sonnenrad 80 an, das Teil eines Planetengetriebes 83 ist.
Das Sonnenrad 80 ist von mehreren Planetenrädern 86 umgeben, üblicherweise
drei Planetenräder 86, die mittels Wälzlager 89 auf
Achszapfen 92 abgestützt sind. Die Planetenräder 86 wälzen
in einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 außenseitig
gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich
an die Planetenräder 86 ein Planetenträger 98 an,
in dem die Achszapfen 92 aufgenommen sind. Der Planetenträger 98 wird
wiederum in einem Zwischenlager 101 und einem darin angeordneten
Gleitlager 104 gelagert. Das Zwischenlager 101 ist
derartig topfförmig gestaltet, dass in diesem sowohl der
Planetenträger 98, als auch die Planetenräder 86 aufgenommen
sind. Des Weiteren ist im topfförmigen Zwischenlager 101 das
Hohlrad 95 angeordnet, das letztlich durch einen Deckel 107 gegenüber
dem Anker 37 geschlossen ist. Auch das Zwischenlager 101 stützt
sich mit seinem Außenumfang an der Innenseite des Polrohrs 28 ab.
Anstelle eines Planetengetriebes kann jedoch auch ein Direktantrieb
zum Zahnkranz 25 realisiert werden.
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Der
Anker 37 weist auf dem vom Kommutator 52 abgewandten
Ende der Antriebswelle 44 einen weiteren Wellenzapfen 110 auf,
der ebenfalls in einem Gleitlager 113 aufgenommen ist,
ab. Das Gleitlager 113 wiederum ist in einer zentralen
Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen. Der
Planetenträger 98 ist einstückig mit
der Abtriebswelle 116 verbunden. Diese Abtriebswelle 116 ist
mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 119 in einem
weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt
ist, abgestützt. Die Abtriebswelle 116 ist in
verschiedene Abschnitte aufgeteilt: So folgt dem Abschnitt, der
im Gleitlager 104 des Zwischenlagers 101 angeordnet
ist, ein Abschnitt mit einer sogenannten Geradverzahnung 125 (Innenverzahnung),
die Teil einer sogenannten Wellen-Nabe-Verbindung ist. Diese Welle-Nabe-Verbindung 128 ermöglicht
in diesem Fall das axial geradlinige Gleiten eines Mitnehmers 131.
Dieser Mitnehmer 131 ist ein hülsenartiger Fortsatz,
der einstückig mit einem topfförmigen Außenring 132 des
Freilaufs 137 ist. Dieser Freilauf 137 (Richtgesperre)
besteht des Weiteren aus dem Innenring 140, der radial
innerhalb des Außenrings 132 angeordnet ist. Zwischen
dem Innenring 140 und dem Außenring 132 sind
Klemmkörper 138 angeordnet. Diese Klemmkörper 138 verhindern in
Zusammenwirkung mit dem Innen- und dem Außenring eine Relativdrehung
zwischen dem Außenring und dem Innenring in einer zweiten
Richtung. Mit anderen Worten: Der Freilauf 137 ermöglicht
eine Relativbewegung zwischen Innenring 140 und Außenring 132 nur
in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der
Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und
dessen Verzahnung 143 (z. B. Außenschrägverzahnung)
ausgeführt.
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Der
Vollständigkeit halber sei hier noch auf den Einspurmechanismus
eingegangen. Das Eindrückrelais 16 weist einen
Bolzen 150 auf, der ein elektrischer Kontakt ist und der
an den Pluspol einer elektrischen Starterbatterie, die hier nicht
dargestellt ist, angeschlossen ist. Dieser Bolzen 150 ist
durch einen Relaisdeckel 153 hindurchgeführt.
Dieser Relaisdeckel 153 schließt ein Relaisgehäuse 156 ab, das
mittels mehrerer Befestigungselemente 159 (Schrauben) am
Antriebslagerschild 19 befestigt ist. Im Einrückrelais 16 ist
weiterhin eine Einzugswicklung 162 und eine sogenannte
Haltewicklung 165 angeordnet. Die Einzugswicklung 162 und
die Haltewicklung 165 bewirken beide jeweils im eingeschalteten
Zustand ein elektromagnetisches Feld, welches sowohl das Relaisgehäuse 156 (aus
elektromagnetisch leitfähigem Material), einen linear beweglichen Anker 168 und
einen Ankerrückschluss 171 durchströmt.
Der Anker 168 trägt eine Schubstange 174, die
beim linearen Einzug des Ankers 168 in Richtung zu einem
Schaltbolzen 177 bewegt wird. Mit dieser Bewegung der Schubstange 174 zum
Schaltbolzen 177 wird dieser aus seiner Ruhelage in Richtung
zu zwei Kontakten 180 und 181 bewegt, so dass
eine am Ende des Schaltbolzens 177 angebrachte Kontaktbrücke 184 beide
Kontakte 180 und 181 elektrisch miteinander verbindet.
Dadurch wird vom Bolzen 150 -elektrische Leistung über
die Kontaktbrücke 184 hinweg zur Stromzuführung 61 und
damit zu den Kohlebürsten 58 geführt.
Der Startermotor 13 wird dabei bestromt.
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Das
Einrückrelais 16 bzw. der Anker 168 hat aber
darüber hinaus auch die Aufgabe, mit einem Zugelement 187 einen
dem Antriebslagerschild 19 drehbeweglich angeordneten Hebel
zu bewegen. Dieser Hebel 190, üblicherweise als
Gabelhebel ausgeführt, umgreift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken"
an ihrem Außenumfang zwei Scheiben 193 und 194,
um einen zwischen diesen eingeklemmten Mitnehmerring 197 zum
Freilauf 137 hin gegen den Widerstand der Feder 200 zu
bewegen und dadurch das Andrehritzel 22 in dem Zahnkranz 25 einzuspuren.
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2 zeigt
in vereinfachter Darstellung die Verbindungsstelle zwischen dem
Ende eines Aluminiumleiters 50 der Ankerwicklung 49 und
einer zur Anschlussstelle hin geschlossenen Kontakthülse 51 aus
Kupfer, welche dann mit einem anderen stromführenden Kupferteil
der Maschine elektrisch und mechanisch verbunden wird. Das Ende
des Ankerleiters 50 ist in die Kontakthülse 51 eingesteckt
und mit dieser elektrisch und mechanisch fest verbunden. Die lichte
Weite der Kontakthülse 51 oder einer entsprechend
gestalteten Kappe ist dabei so bemessen, dass sie ohne Spiel auf
den Ankerleiter 50 aufsteckbar ist und dann durch Schweißen
oder durch eine Crimpverbindung an diesem befestigt wird. Die Kontakthülse 51 ist
derart gestaltet, dass nur der den Ankerleiter 50 überlappende
Teil hülsen- oder kappenförmig ausgebildet und
der Rest als massiver oder abgedichteter Leitungsabschnitt aus Kupfer
ausgeführt ist, so dass vom Ende her keine Feuchtigkeit oder
andere Partikel zur Verbindungsstelle hin eindringen können.
Die Länge der Kontakthülse 51 ist so bemessen,
dass einerseits eine für den Anschluss in der Maschine
erforderliche Biegung 53 und andererseits der Schweißbereich,
beispielsweise am Kommutator 52 der Maschine, außerhalb
des Verbindungsbereichs der Kontakthülse 51 mit
dem Ankerleiter 50 liegen. Die Verbindung in der Maschine
stellt dann eine reine Kupfer-Kupfer-Verbindung dar und ist korrosionsmäßig
unproblematisch. Schutzmaßnahmen an der Verbindungsstelle
zwischen Kupfer und Aluminium beeinträchtigen die elektrische
und mechanische Kontaktierung des freien Endes des durch die Kontakthülse 51 gebildeten
Leitungsabschnittes aus Kupfer nicht.
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3 zeigt
ebenfalls in schematisierter Darstellung den erfindungsgemäßen
Anschluss eines Ankerleiters 50 aus Aluminium an eine Lamelle 55 des
Kommutators 52 einer elektrischen Maschine. Der Schutz
der Verbindungsstelle zwischen dem Ankerleiter 50 aus Aluminium
und der Kontakthülse 51 aus Kupfer ist durch eine
Ummantelung 54 gebildet, welche vorzugsweise aus einer
Isolierstoffhülse aus temperaturbeständigem Schrumpfschlauch
besteht. Alternativen hierzu sind das Umspritzen der Verbindungsstelle
mit Kunstharz oder eine Ummantelung mit Lack. Die Verbindungsstelle
und die Ummantelung 54 sind ausreichend weit von der Schweißstelle 56 am
Ende der Kommutatorlamelle 55 entfernt, um den notwendigen
Freiraum für die Schweißverbindung und erforderliche
Biegungen 53 zum Heranführen des Ankerleiters 50 an
den Kommutator 52 im Bereich der Kontakthülse 51 sicher
zu stellen. Als alternatives Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Anschlusses von Aluminiumleitern an ein Kupfer-Anschlussteil im
Stator der Startvorrichtung 10 kann insbesondere der Anschluss
der Enden mehrerer paralleler Spulen einer vier- oder sechspoligen
Erregerwicklung 34 an eine gemeinsame Stromschiene aus
Kupfer genannt werden.
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Durch
die getroffenen Maßnahmen wird erreicht, dass die Kontaktstelle
zwischen den Materialien Kupfer und Aluminium von der korrosionsmäßig kritischen
Verbindungsstelle 56 weg und hin zu einem unproblematischen
Bereich verlegt wird, an dem ohne Schwierigkeiten Korrosionsschutzmaßnahmen durchgeführt
werden können.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Zu den variablen Gestaltungsmaßnahmen
gehören insbesondere die Form und die Länge des
Leitungsabschnitts 51 aus Kupfer zwischen dem Aluminiumleiter 50 und
beispielsweise der Anschlussfahne einer Kommutatorlamelle 55 unterhalb
der Trennungslinie 59 zum Auflagebereich der Bürsten,
sowie die verschiedenen, grundsätzlich bekannten Verbindungstechniken
zwischen einem Leiter 50 von Aluminiumwicklungen 34 oder 49 und
einem Maschinenteil aus Kupfer, wofür neben den verschiedenen
Schweißtechniken auch Lötverfahren oder Quetschverbindungen
verwendet werden können. Wesentlich ist, dass die Verbindungsstelle 56 zwischen
Kupfer- und Aluminiummaterial derart freiliegt, dass sie in geeigneter
Weise gegen Korrosion geschützt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 7440605 [0002]
- - JP 06253507 A [0004]
- - FR 978953 [0005]