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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kommutator und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Derzeitige
Rollkommuatoren bestehen aus einem Kommutatordruckring (gestanztes
Kupferprofil, welches gerollt wird) und einer Pressmasse, welche
dem Kommuator die Form gibt bzw. für dessen Stabilität sorgt.
Weiterhin hat die Pressmasse die Aufgabe die einzelnen Lamellen
voneinander elektrisch zu trennen, damit es keinen Kurzschluss zwischen
zwei benachbarten Lamellen gibt. Heute wird der Kommutator beispielsweise
aus einem L-Kupferprofil gestanzt, welches mit einem Schwalbenschwanzprofil
in Drehrichtung versehen ist. Dieser Schwalbenschwanz ist beim Kommutator
für die Formstabilität bei hohen
Drehzahlen ausschlaggebend und dient als Verankerung in der Pressmasse.
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Der
heutige Trend bei Pkw-Startern ist, dass der Starter zunehmend eine
Hochlaufunterstützung des
Motors übernehmen
soll. Daher muss der Starter immer höhere Ankerdrehzahlen (über 38.000
U/min) leisten. Zur Steigerung der Drehzahlfestigkeit des Kommutators
ist die hier vorgestellte Erfindung vorgesehen. Er verfügt über einen
Schwalbenschwanz (in Längsrichtung)
und einen Armierungsring. Es hat sich gezeigt, dass die Kombination
von Schwalbenschwanz und Armierungsring für eine deutliche Erhöhung der
maximal zulässigen
Drehzahl sinnvoll ist.
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Der
Armierungsring ist ein glasfaserverstärkter Kunststoffring, welcher
keilförmig
im Kommutatordruckring eingelegt und verstemmt wird.
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Der
Armierungsring in Kombination mit dem Schwalbenschwanz sorgt für eine wesentliche
Verbesserung der Steifigkeit bzw. Drehzahlfestigkeit. Der Kommutator
kann somit weitaus höhere
Drehzahlen und Temperaturen dauerhaft ertragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert: Es
zeigen:
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1 eine
Startvorrichtung in einem Längsschnitt,
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2 einen
Längsschnitt
durch den Kommutator,
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3a, 3b und 3c verschiedene Herstellungsschritte
für den
Kommutator.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
als elektrische Maschine eine Startvorrichtung in einem Längsschnitt.
Diese Startvorrichtung 10 weist beispielsweise 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. Die
Polschuhe 31 umgeben wiederum einen Anker 37,
der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket und eine
in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 49 aufweist.
Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst.
An dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 13 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 13 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
3 Planetenräder 37,
die mittels Wälzlager 89 auf
Achszapfen 92 abgestützt
sind. Die Planetenräder 37 wälzen in
einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 außenseitig
gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich
an die Planetenräder 37 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. Desweiteren 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. Der Anker 37 weist
auf dem vom Kommutator 52 abgewandten Ende der Antriebswelle 13 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 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 134 nur
in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und dessen
Schrägverzahnung 143 (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 zu den Kontakten 180 und 181 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
ausschnittweise einen Längsschnitt
durch den Kommutator 52. Eine Kommutatorlamelle 55 ist
in einer Seitenansicht gezeigt. Die Kommutatorlamelle 55 weist
eine Anschlussseite 300 auf, an der die Kommutatorlamelle 55 mit
der Ankerwicklung 49 elektrisch leitend verbunden ist.
In Umfangsrichtung des Kommutators 52 sind einige Kommutatorlamellen 55 angeordnet,
die einzeln und von einander beabstandet in einer Pressmasse 303 gehalten
sind. Die Pressmasse 303 verankert die Kommutatorlamellen 55 beispielsweise
mittels eines Schwalbenschwanzprofils 306, das in Längsrichtung (Drehrichtung)
des Kommutators 52 angeformt ist, sich also mit seinem
Profil in Längsrichtung
erstreckt.
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Am
von der Anschlussseite 300 abgewandten Ende 309 des
Kommutators 52 weist die Kommutatorlamelle 55 eine
Verzweigung 312 auf, die von einer radialen Unterseite 315 der
Kommutatorlamelle 55 ausgeht und sich in axialer Richtung
weg von der Anschlussseite 300 erstreckt.
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Zwischen
der Verzweigung 312 und der am Ende 309 nach radial
außen
etwas versetzten Unterseite 315 weist die Lamelle 53 eine
Nut 318 auf. In dieser durch Schenkel 321 und 324 begrenzten
und zum Ende 309 offenen Nut 318 ist ein Armierungsring 327 eingesetzt,
der in den entsprechenden Nuten 318 der anderen Kommutatorlamellen 55 ebenfalls eingesetzt
ist.
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Wie
in 3a, 3b und 3c dargestellt
ist, werden zunächst
die Kommutatorlamellen 55 derart angeordnet, dass alle
Nuten 318 in ein und dieselbe Richtung orientiert und kreisförmig angeordnet
sind. Alle Kommutatorlamellen 55 sind so gehalten, dass
zwischen ihnen ein Abstand ist. In einem späteren Schritt wird der Armierungsring 327 in
die Nuten 318 eingeschoben. Der radial außen angeordnete
Schenkel 324 ist auf seiner radialen Innenseite geschrägt, um das
Einführen
des Armierungsrings 327 zu vereinfachen. In einem späteren Schritt
wird der radial innen angeordnete Schenkel 312 gespalten,
so dass dieser Schenkel 312 in zwei Teilschenkel 330 und 333 aufgespalten
wird und ein Spalt 334 durch diese begrenzt ist. Der radial äußere Teilschenkel 333 wird
durch ein Spaltwerkzeug so gebogen, dass dieser äußere Teilschenkel 333 zur
axialen Richtung 336 schräg angeordnet ist.
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In
eine Pressform wird dem nachfolgend ein so gebildeter Ring aus Lamellen 53 und
Armierungsring 327 eingesetzt, eine Haltespirale 339 aus
T-förmigem
Draht eingesetzt und nachfolgend die noch nicht ausgehärtete Pressmasse 303 aus
elektrisch isolierendem Material in die Form gegeben, um nach der
Aushärtung
der Pressmasse 303 einen festen Verbund aus Kommutatorlamellen 55,
Armierungsring 327, Haltespirale 339 und Pressmasse 303 zu bilden.