-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft einen Kommutator für einen Elektromotor und ein Verfahren zum Herstellen des Kommutators.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Ein Kommutator umfasst ein isolierendes Stützelement und eine Mehrzahl von leitenden Kommutatorlamellen, die von dem Stützelement gestützt werden. Jede Kommutatorlamelle umfasst einen Hauptkörper und einen Anker zur Befestigung des Hauptkörpers an dem Stützelement. Der Hauptkörper besitzt eine Oberfläche zum Herstellen eines Kontakts mit den Motorbürsten und einen Austriebslappen oder ein Anschlussstück zum Anschließen von Läuferwicklungen. Die Bürstenkontaktoberfläche kann oder kann nicht mit einem speziellen Bürstenkontaktierungsmaterial beschichtet sein, wie beispielsweise Graphit oder einer Karbonschicht, die an den Hauptkörper gelötet wird.
-
Ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines flachen Kommutators umfasst die folgenden Schritte: Herstellen eines Satzes von Kommutatorlamellen, die als ein einziges Kupferstück ausgebildet sind; Gießen eines isolierenden Stützelements auf das Kupferstück; Schneiden des Kupferstücks und des Graphitrings in eine Mehrzahl von Kommutatorlamellen. Es besteht ein optionaler Schritt des Lötens eines Graphitrings auf das Kupferstück und des Schneidens des Graphitrings mit dem Kupferstück. Es gibt Materialverschwendung oder Ausschuss wegen des Bildens eines Satzes von Kommutatorlamellen als ein einziges Kupferstück und des Schneidens des Kupferstücks in Kommutatorlamellen.
-
Des Weiteren ist die metallurgische Struktur der Kommutatorlamellen gewöhnlich unterbrochen. Ein Bereich eines Metallflusses endet in dem Bereich, wo sich die Größe des Querschnitts ändert. Dies beeinflusst die Festigkeit der Kommutatorlamellen. Deshalb besteht der Wunsch nach einem verbesserten Kommutator, der weniger Materialverschwendung besitzt und optional eine größere Festigkeit aufweist.
-
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung gemäß eines Aspekts davon ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutators mit einer Mehrzahl von an einem isolierenden Stützelement befestigten Kommutatorlamellen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von Kupferbarren, wobei jeder Barren ein Volumen besitzt, das ungefähr gleich dem Volumen eines der Kommutatorlamellen ist; Formen jedes Kupferbarrens in eine Kommutatorlamelle, die einen Hauptkörper und mindestens einen einstückig mit dem Hauptkörper ausgebildeten Anker besitzt; Anordnen der um einen Kreis beabstandeten Kommutatorlamellen; und Gießen eines isolierenden Stützelements auf die angeordneten Kommutatorlamellen, um die Kommutatorlamellen an dem Stützelement zu befestigen.
-
Vorzugsweise ist der Schritt Formen jedes Kupferbarrens eine Kaltformbehandlung.
-
Vorzugsweise umfasst die Kaltformbehandlung ein Kaltanstauchen und/oder Kaltschmieden.
-
Alternativ ist der Formschritt eine Heißschmiedebehandlung.
-
Vorzugsweise ist der Anker ein an einer Oberfläche des Hauptkörpers angeordneter Vorsprung.
-
Vorzugsweise wird der Vorsprung geschlitzt, um den Anker in eine V-Form zu formen.
-
Alternativ wird der Vorsprung geneigt zu dem Hauptkörper ausgebildet.
-
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Biegen eines Endes des Hauptkörpers, um eine Angel auszuformen.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt Anordnen der geformten Kommutatorlamellen um einen Kreis das Löten der Kommutatorlamellen an einen Graphitring; und nach dem Gießen des isolierenden Stützelements das Teilen des Graphitrings in eine Mehrzahl von Graphitsektoren, wobei jeder der Graphitsektoren an einer entsprechenden Kommutatorlamelle befestigt ist.
-
Alternativ beinhaltet der Schritt Anordnen der um einen Kreis beabstandeten Kommutatorlamellen das Löten eines Graphitsektors an jede der Kommutatorlamellen.
-
Vorzugsweise beinhaltet der Schritt Schaffen einer Mehrzahl von Kupferbarren das Schneiden der Kupferbarren von einem langen Kupferdraht.
-
In einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Kommutator, der ein isolierendes Stützelement und eine Mehrzahl von an dem Stützelement befestigten Kommutatorlamellen umfasst, wobei jede der Kommutatorlamellen einen Hauptkörper und einen einstückig ausgebildeten Anker umfasst, wobei der Anker in dem Stützelement eingebettet und mit dem Stützelement verblockt ist, wobei ein Ende des Hauptkörpers zum Anschließen der Wicklungen angeordnet ist, wobei jede Kommutatorlamelle aus einem einzigen Kupferbarren durch einen Formprozess hergestellt wird.
-
Vorzugsweise ist im Wesentlichen der ganze Metallfluss in der metallurgischen Struktur der Kommutatorlamellen in dem Bereich, wo sich die Größe des Querschnitts ändert, kontinuierlich.
-
Vorzugsweise ist in der metallurgischen Struktur der Kommutatorlamellen im Wesentlichen der ganze Metallfluss in dem Bereich, wo der Anker mit dem Hauptkörper verbunden ist, kontinuierlich.
-
Vorzugsweise ist der Anker von der Kante des Hauptkörpers versetzt.
-
Durch Implementieren der vorliegenden Erfindung wird die Kommutatorlamelle aus einem Kupferbarren durch eine Formbehandlung, wie beispielsweise Kalt- oder Warmformen, hergestellt. Es gibt weniger Verschwendung von Kupfer. Des Weiteren ist der Metallfluss der metallurgischen Struktur der Kommutatorlamelle kontinuierlicher als der Metallfluss der herkömmlichen Kommutatorlamelle. Deshalb wird auch die Festigkeit der Kommutatorlamelle verbessert.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren werden identische Strukturen, Bauteile oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, im Allgemeinen mit derselben Referenznummer in allen Figuren, in denen sie erscheinen, benannt. Abmessungen der in den Figuren gezeigten Komponenten und Bauteile werden im Allgemeinen im Hinblick auf eine übersichtliche und klare Darstellung ausgewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind unten aufgelistet.
-
1 zeigt einen Kupferbarren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt einen kalt gestauchten Kupferbarren;
-
3 zeigt einen kalt gestauchten und kalt ausgeformten Kupferbarren;
-
4 zeigt eine aus dem Kupferbarren aus 3 ausgeformte Kommutatorlamelle;
-
5 zeigt einen Graphitring und eine Mehrzahl von Kommutatorlamellen, die entlang des Graphitrings angeordnet sind;
-
6 zeigt einen Graphitkommutator in flacher Ausführungsform;
-
7 zeigt ein metallographisches Foto eines Teils der Kommutatorlamelle aus 4; und
-
8 zeigt einen fassförmigen Kommutator gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Ein Verfahren des Herstellens eines Motorenkommutators gemäß einer ersten Ausführungsform wird mit Bezug zu 1 bis 6 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der Kommutator ein Kommutator in flacher Ausführungsform (6), der ein isolierendes Stützelement 17 und eine Mehrzahl von an dem Stützelement 17 befestigten Kommutatorlamellen umfasst.
-
1 zeigt einen Kupferbarren 10, der verwendet wird, um eine Kommutatorlamelle zu formen. Der Kupferbarren 10 wird durch Abschneiden eines streifenförmigen Kommutatormaterials, wie beispielsweise eine Kupferstange oder einen Kupferdraht, gebildet. Das Volumen jedes Kupferbarrens 10 ist ungefähr gleich dem Volumen einer Kommutatorlamelle, weil aus jedem Kupferbarren eine Kommutatorlamelle wird. Vorzugsweise ist jeder Kupferbarren 10 zylindrisch.
-
Der Kupferbarren 10 aus 1 wird einer Kaltstauchbehandlung ausgesetzt, um einen kalt gestauchten Kupferbarren, wie in 2 gezeigt, herzustellen. Der kalt gestauchte Kupferbarren umfasst einen kleineren zylindrischen Bereich 10a und einen größeren zylindrischen Bereich 10b. Der kleinere zylindrische Bereich 10a und der größere zylindrische Bereich 10b sind einstückig ausgebildet (monolithische Struktur). Vorzugsweise sind die zylindrischen Bereiche 10a und 10b koaxial.
-
Der kalt gestauchte Kupferbarren aus 2 wird weiter einer Kaltschmiedebehandlung ausgesetzt. Die Kaltschmiedebehandlung formt den Kupferbarren in eine Kommutatorlamelle, wie in 3 gezeigt. Die Kommutatorlamelle umfasst einen blattartigen Hauptkörper 11 und zwei einstückig ausgeformte Anker 13. Die Anker 13 sind stabförmig und im Wesentlichen senkrecht zu dem blattartigen Hauptkörper 11. Der Hauptkörper 11 umfasst einen schmäleren Bereich 11a und einen breiteren Bereich 11b. Der schmälere Bereich 11a und der breitere Bereich 11b entsprechen dem kleineren zylindrischen Bereich 10a bzw. dem größeren zylindrischen Bereich 10b. Da die Anker 13 durch Kaltschmieden gebildet werden, ist es möglich, die Anker 13 an einer von der Kante des breiteren Bereichs versetzten Position auszubilden. Vorzugsweise werden die Anker 13 in der Mitte des breiteren Bereichs 11b angeordnet.
-
In 4, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein Schlitz 14 in jedem Anker 13 geformt. Jeder Anker 13 wird durch den Schlitz 14 in eine V-Form verformt. Die V-förmigen Anker 13 erlauben der Kommutatorlamelle, an dem Stützelement 17 (6) in einer verblockenden Weise fest befestigt zu sein, wenn die Anker in das Stützelement eingelassen sind. Ein Fachmann würde erkennen, dass es mehrere alternative Lösungen gibt, um die Kommutatorlamellen mit dem Stützelement 17 zu verblocken. Z. B. könnte eine verblockende Struktur durch Herstellen eines gegenüber dem breiteren Bereich 11b geneigten stabförmigen Anker gebildet werden, oder durch Herstellen der zwei stabförmigen Anker 13, die geneigt sind, um ein „V” zu bilden.
-
In 5, auf die nun Bezug genommen wird, wird eine Mehrzahl von Kommutatorlamellen aus 4 an einem Graphitring 15 durch Löten befestigt. Die Kommutatorlamellen sind auf einer Seite des Graphitrings 15 angeordnet. Die Kommutatorlamellen sind gleichförmig um den Kreis beabstandet. Die breiteren Bereiche 11b berühren den Graphitring 15, während sich die schmäleren Bereiche 11a radial vom Graphitring 15 weg erstrecken.
-
In 6, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein isolierendes Stützelement 17 auf den Graphitring 15 gegossen, vorzugsweise durch Spritzgießen. Vorzugsweise bettet das Stützelement die Kommutatorlamellen ein und kann die Seiten des Graphitrings abdecken, wobei zumindest eine Oberfläche des Rings freigelassen wird. Die Anker 13 und die breiteren Bereiche 11b der Kommutatorlamellen sind in dem Stützelement 17 eingelassen. Der Graphitring 15 wird dann in eine Mehrzahl von separaten Graphitsektoren durch eine Mehrzahl von Rillen 16 geteilt. Die Graphitsektoren sind durch die Rillen 16 voneinander isoliert. Jeder Sektor ist an einer jeweiligen Kommutatorlamelle befestigt. Die sich radial erstreckenden schmäleren Bereiche 11a werden dann in hakenförmige Bereiche gebogen, die Angeln 12 zur Verbindung mit den Rotorwicklungen bilden.
-
Alternativ kann der Graphitring 15 durch einen Kupferring ersetzt werden. Mit anderen Worten wird eine Mehrzahl von Kommutatorlamellen aus 4 an einem Kupferring anstelle eines Graphitrings 15 gelötet. Der Kupferring wird dann in eine Mehrzahl von Kupfersektoren aufgeteilt. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird weder ein Kupfer- noch ein Graphitring verwendet. Ein flacher Kommutator gemäß der Ausführungsform umfasst nur die durch Kaltumformung geformten Kupferkommutatorlamellen und das durch Spritzguss ausgeformte Stützelement 17.
-
In den oben genannten Ausführungsformen wird jede Kommutatorlamelle aus einem Kupferbarren durch eine Kaltformbehandlung gebildet. Es entsteht wenig oder keine Verschwendung von Kupfer. Alternativ wird jede Kommutatorlamelle aus einem Kupferbarren durch eine Heißformbehandlung gebildet, beispielsweise Heißstauchen und Heißschmieden. Es entsteht auch wenig oder keine Verschwendung von Kupfer durch das Verwenden einer Heißformbehandlung.
-
Zusätzlich ist die metallurgische Struktur der Kommutatorlamellen nicht unterbrochen. Der Metallfluss ist sogar in den Bereichen, wo die Größe des Querschnitts variiert, kontinuierlich. Daher ist die Festigkeit der Kommutatorlamelle verbessert. 7 zeigt die metallurgische Struktur der Kommutatorlamelle in einem Bereich, wo der schmälere Bereich 11a in den breiteren Bereich 11b übergeht. Obwohl sich die Größe des Querschnitts in diesem Bereich ändert, ist im Wesentlichen der gesamte Metallfluss kontinuierlich. Deshalb ist die Festigkeit verbessert. Während in einer herkömmlichen Kommutatorlamelle recht viele Metallflüsse in dem Bereich unterbrochen werden, wo sich die Größe des Querschnitts verändert.
-
8 zeigt einen fassförmigen Motorkommutator, der ein zylindrisches isolierendes Stützelement 17 und eine Mehrzahl von an dem Stützelement 17 befestigten Kommutatorlamellen umfasst. Der fassförmige Kommutator wird gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt.
-
Ein streifenförmiges Stück Kupfer wird in eine Mehrzahl von Kupferbarren geschnitten. Das Volumen jedes Kupferbarren ist ungefähr gleich dem Volumen einer Kommutatorlamelle.
-
Jeder Kupferbarren wird zu einer Kommutatorlamelle durch Kaltformen gemacht. Die Kommutatorlamelle umfasst einen Hauptkörper und mindestens einen Anker, der einstückig mit dem Hauptkörper ausgebildet ist. Vorzugsweise wird jeder Anker geschlitzt, um eine „V”-förmige Verblockstruktur zu bilden.
-
Die Kommutatorlamellen sind in einem Kreis in einem Guss befestigt. Ein zylindrisches Stützelement 17 wird dann auf die Kommutatorlamellen durch Spritzgießen gegossen. Die Anker 13 jeder Kommutatorlamelle sind dann eingebettet und mit dem Stützelement 17 verblockt. Jede Kommutatorlamelle besitzt einen Endbereich, der gebogen ist, um eine Angel oder einen Haken zur Verbindung mit den Wicklungen zu bilden.
-
In der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung wird jedes der Verben „umfassen”, „beinhalten”, „enthalten” und „besitzen” und Variationen davon in einem inklusiven Sinne verwendet, um das Vorhandensein der genannten Teile zu spezifizieren, aber nicht um das Vorhandensein von zusätzlichen Teilen auszuschließen.
-
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte von einem Fachmann erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Deshalb soll der Umfang der Erfindung mit Bezug auf die Ansprüche, die folgen, bestimmt werden.
