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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutator für eine elektrische Maschine
und ein Verfahren zur Verbesserung einer Verbindung zwischen einer ersten
elektrisch leitenden inneren Schicht eines Kommutatorsegments und
einer zweiten elektrisch leitenden äußeren Schicht, die an einer
Außenfläche der
inneren Schicht befestigt ist.
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Kommutatoren,
die Drehschalter sind, die in Gleichstrommotoren verwendet werden,
umfassen mehrere elektrisch leitende Segmente, die zu einem Zylinder
oder in einer Fläche
angeordnet und in einer nichtleitenden Vergussmasse, normalerweise
Phenolharz, verankert sind. Jedes Segment ist von seinen Nachbarsegmenten
physisch getrennt und elektrisch isoliert, so dass eine elektrische
Bürste,
normalerweise eine Kohlebürste,
die an seiner Außenfläche entlang
streicht, nur mit dem Segment (oder den Segmenten), mit dem (denen)
es in einem gegebenen Moment in Kontakt ist, einen leitenden Pfad
bildet.
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Die 1 bis 4 zeigen
einen bekannten planaren Kommutator 1. Dieser Kommutator
umfasst eine elektrisch nichtleitende Phenolbasis 2 mit
einer zentralen Öffnung 3 für eine Motorwelle
und eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Segmenten 4,
die durch die Basis 2 gehalten sind. Jedes Segment 4 hat
eine Kupfer-Innenschicht 5, von welcher sich eine Zunge 6 für die Verbindung
mit einer Wicklung des Rotors erstreckt, und eine Graphit- Außenschicht 7 für den Bürstenkontakt,
die an der Kupfer-Innenschicht 5 befestigt ist.
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Die
Innenschicht 5 des Segments ist mit einer Anzahl von Fahnen 8 versehen,
in diesem Fall mit drei Fahnen. Die Fahnen ragen unter einem leichten
Winkel von den Kanten der Innenschicht ab und liegen an Kanten der
elektrisch nichtleitenden Basis 2. Während diese Anordnung eine
besonders sichere und robuste Anbringung erlaubt, verhindert sie
aufgrund des Verfahrens zur Bildung der radial inneren Fahne eine
Miniaturisierung des Kommutators. Dies bedeutet bezogen auf die
Anzahl von Segmenten eine Größeneinschränkung. Wird
die innere Fahne weggelassen, führt
dies zu einer instabilen Verbindung zwischen dem Segment und der
Basis, was in einer rauen, vibrationsbelasteten Umgebung unter Umständen zu
einer Lockerung führen
kann.
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Die
Graphit-Außenschicht 7 des
Segments wird normalerweise durch Löten mit der Kupfer-Innenschicht 5 verbunden.
Eine Abbildung mit Hilfe von Röntgenstrahlen
hat jedoch gezeigt, dass während der
Befestigung überschüssiges Flussmittel
und Luft zwischen den beiden Schichten 5, 7 eingeschlossen werden,
wodurch die Verbindung ungleichmäßig und schwächer wird.
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Ist
die Kupfer-Innenschicht 5 einmal mit der Phenolbasis 2 und
die Graphit-Außenschicht 7 für den Bürstenkontakt
mit der Innenschicht 5 verbunden, werden die Segmente des
Kommutators geschnitten, wofür
normalerweise eine Kreissäge
verwendet wird, die diagonal über
den Kommutator gezogen wird. Man hat jedoch festgestellt, dass die äußere Umfangskante
der Phenolbasis 2 häufig
absplittert, wenn das Schneidgerät
aus der Basis herausgezogen und von der Basis weggeführt wird.
Die Folge ist eine höhere
Ausschussrate. Der abgesplitterte Bereich schwächt die Kommutatorbasis, wodurch
es sehr viel leichter zu einer Rissbildung und zu einer rascheren
Abnutzung der Bürsten
kommen kann und damit zu einer negativen Auswirkung auf die Langlebigkeit des
Motors. Der abgesplitterte Bereich kann auch eine vollständige Abdichtung
einer Form rund um die Umfangskante verhindern, so dass Kunststoff für ein Overmold
des Ankers in den Kommutatorschlitz gelangen kann, wodurch die Lebensdauer
des Kommutators verkürzt
wird.
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Ausführungsformen
der Erfindung versuchen, eines oder mehrere der vorgenannten Probleme
zu beseitigen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kommutator vorgesehen, der
eine elektrisch nichtleitende Basis und eine Mehrzahl von durch
die Basis gehaltenen elektrisch leitenden Segmenten umfasst, deren
jedes eine an der Basis vorgesehene erste elektrisch leitende Innenschicht
und eine an der Innenschicht befestigte zweite elektrisch leitende
Außenschicht
aufweist, wobei die Innenschicht und die Außenschicht einander gegenüberliegende
Flächen haben,
die aneinandergrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung für die Aufnahme
von Flussmittel und/oder Luft während
des Befestigens der Außenschicht
an der Innenschicht in zumindest einer der einander gegenüberliegenden
Flächen
ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
ist diese Öffnung
eine mit Boden versehene Ausnehmung.
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In
vorteilhafter Weise kann die Öffnung
in der gegenüberliegenden
Außenfläche der
Innenschicht vorgesehen sein.
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Optional
kann die Öffnung
in der gegenüberliegenden
Innenfläche
der Außenschicht
vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
wird die Öffnung
durch Pressen hergestellt.
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In
vorteilhafter Weise kann der Kommutator einen Anker für die Verankerung
der Innenschicht an der Basis aufweisen. In diesem Fall kann der
Anker optional aus einem Bereich der Innenschicht gebildet sein.
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Vorzugsweise
ist der Anker aus einem Material gebildet, das beim Herstellen der Öffnung aus
der Innenschicht herausgedrückt
wird.
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Ferner
kann der Anker vorzugsweise eine umgekehrte V-Form aufweisen.
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In
zweckmäßiger Weise
kann der Anker von einer Kante der Innenschicht beabstandet sein.
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Vorzugsweise
hat die Innenschicht eines jeden Segments eine zweite Öffnung,
in der ein Abschnitt der Basis aufgenommen wird. In diesem Fall kann
die zweite Öffnung
bevorzugt eine Öffnung sein,
die sich durch die Innenschicht hindurch erstreckt.
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Vorzugsweise
hat das Segment eine Zunge, die aus der Innenschicht gebildet ist.
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Vorzugsweise
ist die Innenschicht Metall, die Außenschicht Graphit und die
Basis ein Harz.
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In
vorteilhafter Weise kann die elektrisch nichtleitende Basis bevorzugt
eine Mehrzahl von vorgeformten Kerben aufweisen, um ein Absplittern während der
Segmentierung zu verhindern oder einzuschränken.
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In
zweckmäßiger Weise
kann der Kommutator ebenflächig
ausgebildet sein. Ferner können
optional sechzehn elektrisch leitende Segmente vorhanden sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichstrommotor
vorgesehen, umfassend ein Motorgehäuse, einen Stator in dem Gehäuse, einen
Rotor, dessen Welle drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, einen Rotorkern,
der fest an der Welle vorgesehen und neben dem Stator angeordnet
ist, einen Kommutator gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung, der fest an der Welle montiert ist, und einen Bürstenträger, der
sich mit dem Kommutator in elektrischem Kontakt befindet.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung
einer Verbindung zwischen einer ersten elektrisch leitenden Innenschicht
eines Kommutatorsegments und einer zweiten elektrisch leitenden
Außenschicht
vorgesehen, wobei die Schichten durch ein Aneinanderlagern der einander
gegenüberliegenden
Flächen
aneinander befestigt sind, wobei das Verfahren den Schritt des Herstellens
einer Öffnung
zumindest in einer der einander gegenüberliegenden Flächen vor deren
gegenseitiger Befestigung umfasst, wobei die Öffnung Flussmittel und/oder
Luft, das bzw. die während
des Befestigens zwischen den Flächen
eingeschlossen wird, aufnimmt, so dass eine gleichmäßigere Verbindung
zwischen den Schichten erreicht wird.
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Vorzugsweise
ist die Öffnung
eine Ausnehmung in der Innenschicht, die durch Pressen hergestellt
ist.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise einen auf den ersten Schritt folgenden
zweiten Schritt des Verlötens
der Innenschicht und der Außenschicht.
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In
vorteilhafter Weise kann das Verfahren ferner optional einen auf
den ersten Schritt folgenden dritten Schritt umfassen, in dem aus
dem Material, das bei der Herstellung der Öffnung aus der Innenschicht
herausgedrückt
wird, an der Innenschicht ein Anker gebildet wird.
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Ferner
kann das Verfahren einen auf den ersten Schritt folgenden optionalen
vierten Schritt des Befestigens der Innenschicht an einer elektrisch nichtleitenden
Basis umfassen. In diesem Fall kann bevorzugt ein Einsatzformverfahren
zur Anwendung kommen, um die Basis und die Innenschicht zu verbinden.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren einen während
des oder anschließend
an den vierten Schritt ausgeführten
fünften
Schritt, in dem eine Mehrzahl von Kerben in der Basis gebildet werden, um
ein Absplittern während
des Schneidens zu verhindern oder einzuschränken. In diesem Fall umfasst das
Verfahren ferner optional einen sich an den fünften Schritt anschließenden sechsten
Schritt, in dem die innere und die äußere Schicht zu Kommutatorsegmenten
geschnitten werden, wobei der oder jeder Schnitt auf die jeweilige
Kerbe ausgerichtet ist und durch diese hindurchfährt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand eines die Erfindung nicht
einschränkenden
Beispiels mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Bürstenkontaktschicht
eines Flächenkommutators mit
Segmenten oder Stäben
gemäß dem Stand
der Technik, nach dem Zusammenbau und dem Zuschnitt;
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2 eine
perspektivische Ansicht des Kommutators nach dem Stand der Technik
von unten, wobei die elektrisch nichtleitende Basis als Phantombild
dargestellt ist, um eine elektrisch leitende Innenschicht erkennbar
zu machen;
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3 einen
Teil eines der Segmente nach dem Stand der Technik, das die Innenschicht
bildet und an dem die Bürstenkontaktschicht
befestigt ist;
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4 einen
vergrößerten Abschnitt
der Kante des Kommutators nach dem Stand der Technik, vor der Segmentierung;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kommutators
gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung, wobei die äußere Bürstenkontaktschicht
aus Gründen
der Übersichtlichkeit vor
der Segmentierung entfernt wurde;
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6 die äußere Bürstenkontaktschicht
des in 5 gezeigten Kommutators vor der Befestigung der
elektrisch leitenden Innenschicht;
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7 einen
Querschnitt durch ein Segment des Kommutators von 5,
zur Darstellung der Verankerung der Innenschicht an der nichtleitenden
Basis und zur Darstellung der an der Innenschicht befestigten äußeren Bürstenkontaktschicht;
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8 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Prinzips für die Befestigung
der äußeren Bürstenkontaktschicht
an der Innenschicht;
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9 eine
perspektivische Ansicht der Innenschicht eines Segments des Kommutators,
in der die Bildung einer Ausnehmung dargestellt ist;
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10 eine
Ansicht des Segments ähnlich wie
in 9, wobei die Bildung des Ankers dargestellt ist,
und
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11 einen
vergrößerten Bereich
der Kante des in 5 gezeigten Kommutators, wobei
eine Kerbe in der Basis dargestellt ist.
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Zunächst wird
auf die 5 bis 11 Bezug
genommen, in denen ein Kommutator 10 gezeigt ist, der eine
elektrisch nichtleitende scheibenförmige Basis 12 mit
einer zentralen Öffnung 14 für die Aufnahme
einer Motorwelle und eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Segmenten 16,
die durch die Basis 12 gehalten sind, umfasst. Die Basis 12 des
Kommutators 10 besteht üblicherweise
aus einer Phenol-Vergussmasse, wobei jedoch auch jedes andere geeignete,
elektrisch nichtleitende Material verwendet werden kann.
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Jedes
Segment 16 umfasst eine erste elektrisch leitende Innenschicht 18,
die an der Basis 12 befestigt ist, und eine zweite elektrisch
leitende Außenschicht 20 für den Bürstenkontakt,
die über
ihre Innenfläche 21 an
einer gegenüberliegenden
Außenfläche 22 der
Innenschicht 18 befestigt ist. Die Innenschicht 18 ist
vorzugsweise Metall, zum Beispiel Kupfer oder Kupfer über einem
Aluminiumkern. Die Außenschicht 20 ist
vorzugsweise Graphit. Sowohl die Innenschicht als auch die Außenschicht 18, 20 weisen
ebenfalls eine zentrale Öffnung 24 für die Aufnahme
einer Motorwelle auf, und die Innenschicht 18 hat eine
sich von ihrer äußeren Umfangskante
erstreckende Zunge 26 für
den Anschluss an eine Motorwicklung.
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Die
Außenfläche 22 der
Innenschicht 18 eines jeden Segments 16, die der
Basis-Kontaktfläche 28 gegenüberliegt,
weist eine Ausnehmung 30 auf. Jedes Segment 16 hat
von den Ausnehmungen 30 zumindest eine, die auf halbem
Weg zwischen der Innenkante 32 der Innenschicht 18 und
der Außenkante 34 gebildet
ist. Die Ausnehmung 30 ist mit einem Boden versehen und
ist vorzugsweise durch Pressen hergestellt, wie das am besten in 9 erkennbar
ist. Wenngleich die Ausnehmung 30 kreisförmig ist,
eignet sich auch jede andere nicht-kreisförmige Gestalt.
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Die 5 bis 7 veranschaulichen
das Nutzungsprinzip der Ausnehmung 30. Während des Zusammenbaus
des Kommutators 10 und vor der Segmentierung wird die elektrisch
leitende Innenschicht 18 mit einer der Anzahl von Segmenten 16 entsprechenden
Mehrzahl von Ausnehmungen 30 an der Basis 12 befestigt.
Die Innenfläche 21 der
scheibenförmigen
Außenschicht 20 für den Bürstenkontakt
wird dann an der Außenfläche 22 der
Innenschicht 18 befestigt. Die Befestigung erfolgt normalerweise
durch Löten,
und die Ausnehmungen 30 schaffen einen Raum, in den sich überschüssiges Flussmittel
und Luft, die zwischen den aneinanderliegenden Flächen eingeschlossen
sind, hineinbewegen können,
wie das schematisch in 8 dargestellt ist. Durch eine
Röntgenabbildung
wird sichergestellt, dass die Befestigung zwischen der Innenschicht
und der Außenschicht 18, 20 aufgrund
der vorhandenen Ausnehmungen 30 deutlich gleichmäßiger ist,
wodurch die Verbindung fester wird und länger hält. Nach erfolgter Zusammensetzung
werden die Innenschicht und die Außenschicht 18, 20 mit
Hilfe einer Schneidevorrichtung, die diametral über die Flächen geführt wird, in Segmente 16 geschnitten.
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Durch
die Herstellung der Ausnehmungen 30 durch Pressen entsteht
ein Bereich 36 der Innenschicht 18, der von der
Basis-Kontaktfläche 28 abragt,
wie das in 9 gezeigt ist. Durch Splitten
dieses Bereichs 36 in zwei Arme 38 (siehe 10),
wodurch eine umgekehrte V-Form entsteht, wird der Anker 40 gebildet.
Der Anker 40 ist von den Kanten der Innenschicht 18 jedes
Segments 16 beabstandet. Vorzugsweise liegt der Anker 40 im
Wesentlichen in der Mitte der Innenschicht 18 und stimmt
mit der Position der jeweiligen Aussparung 30 überein.
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Die
Innenschicht 18 eines jeden Segments 16 hat an
ihrer oder angrenzend an ihre Innenkante 32 ebenfalls eine Öffnung 42.
In dieser Ausführungsform
ist die Öffnung 42 eine
Befestigungsöffnung,
die sich durch die Dicke der Innenschicht 18 hindurch erstreckt.
Jedoch könnte
die Öffnung 42 eine
Ausnehmung mit Boden sein, die in der Basis-Kontaktfläche 28 gebildet
ist, oder ein Schlitz in der Innenkante 32.
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Beim
Zusammenbau des Kommutators 10 wird die Innenschicht 18 an
der nicht ausgehärteten Basis 12 befestigt,
so dass der Anker 40 in die Vergussmasse eingebettet wird
und die Vergussmasse in die und durch die Befestigungsöffnung 42 dringt. Dies
geschieht am besten, indem die Basis 12 direkt an die Innenschicht 18 geformt
wird, zum Beispiel durch die Anwendung eines Einsatzformverfahrens, bei
dem die Innenschicht 18 in das Gesenk einer Kunststoff-Formmaschine
in Anordnung gebracht wird, bevor der Kunststoff zum Formen der
Basis in das Gesenk gespritzt wird. Nach dem Aushärten wird die
Innenschicht 18 über
den Anker 40 in einer Position auf halbem Weg zwischen
der Innenkante und der Außenkante 46, 48 der
Basis 12 sicher und nichtlösbar an der Basis 12 gehalten
und auch durch die Innenkante 32 der Innenschicht 18,
die in der Basis eingeschlossen ist. Diese Umhüllung bildet einen Ring, der
für die
Positionierung der Außenschicht verwendet
wird.
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Der
zentralisierte Anker 40 sorgt für eine extrem formschlüssige Festlegung
der Innenschicht 18 an der Basis 12, und die Befestigungsöffnung 42 und das
Einbetten der Innenkante 32 der Innenschicht 18 verstärken diese
Festlegung.
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Sobald
die elektrisch nichtleitende Basis 12 und die elektrische
leitende Innenschicht und Außenschicht 18, 20 auf
vorstehend beschriebene Weise miteinander verbunden wurden, erfolgt
die Herstellung der benötigten
Anzahl von Segmenten 16 durch einen Diagonalschnitt, zum
Beispiel mit einer Kreissäge
oder Schneidscheibe. In dieser Ausführungsform werden sechzehn
Segmente gebildet, weshalb acht Schnitte gemacht werden. Jedoch
ist die beschriebene Ausführungsform
des Kommutators auf eine beliebige Anzahl von Segmenten anwendbar und
nicht auf nur sechzehn Segmente beschränkt.
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Da
die Vergussmasse der Basis 12, sobald sie einmal ausgehärtet ist,
relativ spröde
ist, werden während
des Formens und vor dem Schneiden oder Segmentieren auf halbem Weg
zwischen den Zungen 26 Kerben 50 in der Umfangsfläche 52 gebildet. Die
Kerben 50 sind am besten in 11 zu sehen. Die
Kerbe 50 ist eine Ausnehmung, Eindrückung, Aussparung, Nut oder
ein Schlitz in der Außenkante 48a der
Basis 12 in nächster
Nähe zur
Innenschicht 18 der Segmente 16. Die Schnitte
sind auf die Lage der Kerben ausgerichtet. Folglich bewegt sich
die Schneidklinge, zum Beispiel eine Kreissäge oder eine Schneidscheibe,
während
die Schneidevorrichtung über
den Durchmesser der Innenschicht und Außenschicht 18, 20 bewegt
wird, zuerst durch eine Kerbe, bevor sie in die Basis zu schneiden
beginnt, und am Ende der Schnittbewegung bewegt sich die Klinge
durch eine weitere Kerbe. Die Kerben 50 verhindern oder
schränken
ein Absplittern der Basis 12 ein, indem sie den Bereich
der Basis, der dem Schneidevorgang unterzogen wird, physisch stützen.
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Die
Verwendung der vorstehend beschriebenen Kerben 50 eignet
sich für
andere Kommutatoren, die auf andere Weise zusammengebaut werden,
vorausgesetzt, die Segmentierung erfolgt durch einen Schneidevorgang.
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Die
vorstehend beschriebene(n) Ausnehmung(en) in der Außenschicht
der Innenfläche
ist (sind) ein wesentliches Merkmal. Der Anker, die Öffnung an
oder angrenzend an die Innenkante der Innenschicht und die Kerben
sind jedoch bevorzugte Merkmale.
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Wenngleich
eine Mehrzahl von einzelnen Ausnehmungen vorgeschlagen wird, kann
auch eine einzige Ausnehmung verwendet werden, zum Beispiel eine
endlose ringförmige
Ausnehmung, die ein Schlitz oder eine Nut sein kann und die nach
der Segmentierung einen einzelnen Schlitz oder eine einzelne Nut
quer über
jedes Segment bildet.
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Es
kann ein beliebiges geeignetes Mittel zum Verbinden der Innenschicht
und der Außenschicht verwendet
werden, unter anderem Löten,
Schweißen und
Hartlöten.
Ein Verkleben wird jedoch nicht ausgeschlossen. In all diesen Fällen kann
die Ausnehmung Flussmittel aufnehmen, alternativ oder zusätzlich aber auch
Luft oder anderes Material, um dadurch für eine gleichmäßigere Verbindung
zwischen den beiden Schichten zu sorgen.
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Wenngleich
vorstehend die Verwendung einer Ausnehmung beschrieben wurde, kann
auch jede andere geeignete Öffnung
verwendet werden. Die Öffnung
kann zum Beispiel eine Durchgangsöffnung sein, die sich vollständig durch
die Innenschicht hindurch erstreckt.
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Wenngleich
die Ausnehmung oder Öffnung als
in der Innenschicht vorgesehen beschrieben wurde, kann die Ausnehmung
oder Öffnung
zusätzlich oder
als Alternative in der gegenüberliegenden
Innenfläche
der Außenschicht
vorgesehen sein. In diesem Fall können beide einander gegenüberliegenden
Flächen
der Innenschicht und der Außenschicht, die
aneinandergrenzen, jeweils eine Öffnung
zur Aufnahme von Flussmittel und/oder Luft während des Festlegens der Innenschicht
an der Außenschicht aufweisen.
Alternativ dazu kann die Öffnung
auch nur in einer der beiden einander gegenüberliegenden Schichten vorgesehen
sein.
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Der
vorstehend beschriebene Kommutator ist zweckmäßig für die Verwendung in einem Gleichstrommotor,
insbesondere in 12 V und 24 V Gleichstrommotoren. Der Motor hat
hauptsächlich
Standardkomponenten und insbesondere ein Motorgehäuse, einen
in dem Motorgehäuse
angeordneten Statur und einen Rotor, dessen Welle drehbar in dem Gehäuse gelagert
ist, einen Rotorkern der fest an der Welle vorgesehen und neben
dem Statur angeordnet ist, und einen Kommutator. Ein Bürstenträger ist ebenfalls
in oder an dem Gehäuse
vorgesehen und befindet sich elektrischem Kontakt mit dem Kommutator.
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Die
Vorteile der Nutzbarkeit des vorstehend beschriebenen Kommutators
für einen
Gleichstrommotor sind, dass der elektrische Widerstand aufgrund
einer besseren Verbindung zwischen der Außenschicht und der Innenschicht
herabgesetzt wird, dass die physische Verbindung zwischen der Innenschicht und
der Basis robuster und die Baueinheit kleiner ist und dass eine
längere
Lebensdauer erreicht wird.
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Ein
mit einer hohen Leistung bemessener 24 V Gleichstrommotor erlaubt
die Entwicklung einer 24 V Kraftstoffpumpe und anderer 24 V Motorsysteme, wodurch
es möglich
ist, die gewünschten
24 V Elektrosysteme für
Fahrzeuge zu entwickeln, ohne notwendige Stromänderungsvorrichtungen. Dies
reduziert nicht nur die Kosten, sondern spart Gewicht und Raum.
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Typische
24 V Gleichstrommotoren gibt es in jedem 24 V-System, wie man dieses
zum Beispiel in Lastwagen, Traktoren und Personenfahrzeugen findet.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
dienen lediglich als Beispiel. Der Fachmann wird erkennen, dass
verschiedenen Modifikationen möglich
sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch
die anliegenden Ansprüche definiert
ist.