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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kollektors einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Bei einem aus der DD 160 423 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Kollektors wird dessen Grundkörper in einem Formgebungsprozess hergestellt und anschließend galvanotechnisch mit einem metallischen Überzug versehen. Zur Bildung von Lamellen werden Nuten in den Überzug eingearbeitet.
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Aus der
DE 10 2007 058 911 A1 ist ein Kollektor in einem elektrischen Startermotor bekannt, wobei der Kollektor Lamellen aus Kupfer aufweist, an die Ankerwicklungen angeschlossen sind, welche aus Aluminium bestehen. Die Enden der Aluminiumleiter weisen einen Leitungsabschnitt aus Kupfer in Form einer Kontakthülse auf, die an die Lamellen angeschlossen ist, um eine Korrosion an den Enden der Aluminiumleiter zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen einen Kollektor einer elektrischen Maschine mit reduziertem Gewicht herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kollektor bzw. Kommutator ist Teil einer Kommutierungseinrichtung zur Stromübertragung auf einen Anker einer elektrischen Maschine. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Startermotor für eine Startvorrichtung, über die eine Brennkraftmaschine gestartet werden kann. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als ein Gleichstrommotor mit Permanenterregung oder mit elektrischer Erregung ausgeführt. In bevorzugter Ausführung ist die elektrische Maschine als ein Innenläufer-Elektromotor ausgebildet.
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Der Kollektor ist mit der Rotor- bzw. Ankerwelle der elektrischen Maschine verbunden. Über den Kollektor werden die Ankerspulen im Anker bestromt. Der Kollektor weist über den Umfang eine Mehrzahl einzelner Lamellen auf, die jeweils elektrisch mit einer Ankerspule, welche als Wickelelement ausgeführt ist, verbunden sind und an denen federkraftbeaufschlagte Bürsten zur Stromübertragung anliegen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Lamellenpaket im Sinterverfahren hergestellt. Das Lamellenpaket umfasst mehrere Kommutatorlamellen, die im Lamellenpaket zusammenhängen, was den Vorteil hat, dass die Relativposition der Kommutatorlamellen zueinander bereits im Lamellenpaket festgelegt ist. Hierbei kann es zweckmäßig sein, im Lamellenpaket sämtliche für den Kollektor erforderliche Kommutatorlamellen vorzusehen, die ring- oder hülsenförmig im Paket angeordnet sind und sich jeweils als Einzellamellen in Achsrichtung erstrecken, jedoch über ein verbindendes Element im Paket zusammenhängen. Möglich ist in einer alternativen Ausführung aber auch, dass das Lamellenpaket nur einen Teil der Kommutatorlamellen umfasst und dass mehrere Lamellenpakete zur Herstellung des Kollektors an einem Grundkörper angeordnet werden. In jedem Fall umfasst das Lamellenpaket eine Mehrzahl einzelner, zusammenhängender Kommutatorlamellen.
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In einem weiteren Schritt wird das Lamellenpaket auf den Grundkörper des Kollektors aufgebracht. Da die einzelnen Kommutatorlamellen im Paket zusammenhängen, ist eine manuelle Positionierung der Lamellen nicht notwendig.
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In noch einem weiteren Schritt werden nach dem Verbinden des Lamellenpaketes mit dem Grundkörper die Kommutatorlamellen vereinzelt, indem ein die Lamellen verbindender Abschnitt im Lamellenpaket aufgetrennt wird. Auf diese Weise wird mechanische und elektrische Unabhängigkeit zwischen den verschiedenen Kommutatorlamellen erreicht. Das Vereinzeln der Kommutatorlamellen erfolgt vorzugsweise auf mechanische Weise durch spanende oder nicht-spanende Bearbeitung, wobei gegebenenfalls auch sonstige trennende Verfahren möglich sind, beispielsweise auf thermischem oder chemischem Wege. Da die Lamellen bereits fest mit dem Grundkörper des Kollektors verbunden sind, bleibt die Position der Lamellen auf dem Grundkörper nach der Vereinzelung erhalten.
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Die Herstellung des Lamellenpakets im Sinterverfahren weist verschiedene Vorteile auf. Da mittels Sintern die Kommutatorlamellen mit hoher Maßgenauigkeit gefertigt werden können, reduziert sich der Aufwand für eine spanende bzw. umformende Nachbearbeitung. Auch der Materialverlust ist entsprechend reduziert. Vorteilhaft ist des Weiteren, dass durch Sintern verschiedenartige Stoffe miteinander verbunden werden können, die sich ansonsten nicht oder nur mit Schwierigkeiten verbinden lassen. Dies eröffnet die Möglichkeit, Kommutatorlamellen im Bereich ihres Kontaktabschnittes, an dem Bürsten zur Stromübertragung auf Kontakt anliegen, und im Bereich eines Anschlussabschnittes zur Verbindung mit einem Wickelelement des Ankers aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Es können somit im Sinterverfahren innerhalb einer Kommutatorlamelle unterschiedliche Materialien eingesetzt werden.
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Der Kontaktabschnitt weist hierbei bevorzugt eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, die mindestens so groß ist wie die elektrische Leitfähigkeit des Anschlussabschnittes. Bevorzugt ist der Kontaktabschnitt aus Kupfer oder Messing oder einer Kupfer bzw. Messing enthaltenden Legierung aufgebaut, so dass insoweit ein bewährter Kontakt zwischen den Bürsten und den Kommutatorlamellen gegeben ist. Der Anschlussabschnitt kann aus Aluminium oder Zink oder einer Aluminium bzw. Zink enthaltenden Legierung bestehen, was den Vorteil hat, dass es sich um ein spezifisches leichteres Material als Kupfer bzw. Messing handelt, so dass die Masse und das Trägheitsmoment des Kollektors reduziert sind, was mit einer Verringerung von Fliehkräften bzw. einer Erhöhung der Beschleunigung einhergeht. Der Kontaktabschnitt kann vollständig aus Kupfer oder Messing bestehen oder, im Falle einer Legierung, einen Kupfer- bzw. Messinganteil von beispielsweise 50 % aufweisen. Entsprechendes gilt für den Anschlussabschnitt aus Aluminium oder Zink bzw. einer entsprechenden Legierung. Weiterhin kann zwischen beiden Abschnitten ein Hilfswerkstoff – vorzugsweise Zinn, Silber oder Nickel – eingesintert werden, beispielsweise um große Unterschiede in den Schmelzpunkten der beiden Werkstoffe von Kontakt- und Anschlussabschnitt auszugleichen oder um eine Kontaktkorrosion zwischen den beiden Werkstoffen zu mindern.
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Die verschiedenen Werkstoffe innerhalb einer einzelnen Kommutatorlamelle können im Wege des Sinterverfahrens mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden. Des Weiteren ist es möglich, im Sinterverfahren Lamellen mit gewünschten physikalischen Eigenschaften herzustellen, beispielsweise einer definierten Porosität.
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Das verbindende Element im Lamellenpaket, mit dem die einzelnen Kommutatorlamellen verbunden sind, ist beispielsweise als ein Verbindungsring ausgebildet, der nach dem Aufbringen des Lamellenpakets auf den Grundkörper des Kollektors entfernt wird. Das verbindende Element wird ebenso wie die Kommutatorlamellen durch Sintern im gleichen Verfahrensschritt hergestellt und besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Kommutatorlamellen. Soweit die Kommutatorlamellen Kontakt- und Anschlussabschnitte aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, kommt für das Verbindungselement sowohl das Material des Kontaktabschnittes als auch das Material des Anschlussabschnittes oder ggf. auch ein sonstiges Material in Betracht.
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Der Verbindungsring als verbindendes Element zwischen den Kommutatorlamellen kann an verschiedenen Positionen im Lamellenpaket angeordnet sein. Gemäß vorteilhafter Ausführung befindet sich der Verbindungsring an einer der Stirnseiten der Kommutatorlamellen, wobei sowohl eine Positionierung im Bereich der freien Stirnseite in Betracht kommt, welche dem Anschlussabschnitt zur Verbindung mit dem Wickelelement abgewandt ist, als auch eine Positionierung im Bereich der Kontaktabschnitte. Diese bilden jeweils eine Fahne und erstrecken sich zweckmäßigerweise radial nach außen, wobei der Verbindungsring benachbart zur radial außen liegenden Stirnseite der Kontaktabschnitte angeordnet sein kann.
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Das Entfernen des Verbindungsrings zum Vereinzeln der Kommutatorlamellen erfolgt beispielsweise durch Drehen. Nach dem Entfernen des Verbindungsringes besteht kein mechanischer bzw. elektrischer Kontakt mehr zwischen den verschiedenen Kommutatorlamellen.
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Der Grundkörper des Kollektors kann als ein Presskörper, Gießkörper oder Spritzgießkörper ausgebildet sein und besteht vorzugsweise aus Kunststoff. Das Lamellenpaket wird zum Verbinden des Grundkörpers bevorzugt teilweise in die Kunststoffmasse des Grundkörpers eingebettet, so dass nach dem Aushärten des Kunststoffes ein fester Verbund mit den Kommutatorlamellen auch nach dem Entfernen des verbindenden Elementes im Lamellenpaket besteht. Die Lamellen ragen so weit in die Kunststoffmasse des Grundkörpers ein, dass die radial außen liegende Lauffläche der Kontaktabschnitte freiliegt und ein Kontakt mit den Bürsten möglich ist. Es kann zweckmäßig sein, den Übergangs- bzw. Kontaktbereich zwischen dem Kontaktabschnitt und dem Anschlussabschnitt vollständig in die Kunststoffmasse des Grundkörpers einzubetten, so dass der Übergangsbereich von der Kunststoffmasse umschlossen ist und keine Zugänglichkeit für ein korrosives Medium besteht.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine Startvorrrichtung für eine Brennkraftmaschine im Längsschnitt mit einem elektrischen Startermotor, der eine Kommutierungseinrichtung aufweist,
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2 eine stirnseitige Ansicht eines Kollektors der Kommutierungseinrichtung, welcher fest mit einer Ankerwelle des Startermotors verbunden ist,
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3 einen Schnitt längs durch den Kollektor.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, die in einem Gehäuse 2, welches einen vorne liegenden Lagerschild 3 aufweist, einen elektrischen Startermotor aufnimmt. Die Motorwelle 5 des Startermotors 4 treibt über ein Planetengetriebe 6 eine Antriebswelle 11 an, auf der ein Mitnehmer 8 einer Freilaufeinrichtung 7 axial verschieblich, jedoch in Drehrichtung mit der Antriebswelle 11 gekoppelt angeordnet ist. Der Mitnehmer 8 stützt sich über Stützrollen 9 an einem Rollenbund 10 ab, der einteilig mit einem Starterritzel 12 ausgebildet ist. Bei einer axialen Vorschubbewegung gelangt das Starterritzel 12 aus einer zurückgezogenen Außerbetriebsstellung in eine vorgerückte Eingriffsstellung mit dem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine.
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Die axiale Vorschubbewegung des Starterritzels 12 wird mithilfe eines elektromagnetischen Starterrelais 13 durchgeführt, das einen axial verstellbaren Hubanker 14 aufweist, welcher mit einem Gabelhebel 15 gekoppelt ist. Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 14 wird der am Gehäuse gelagerte Gabelhebel 15 verschwenkt, wodurch der Mitnehmer 8 einschließlich Starterritzel 12 in Achsrichtung verstellt wird.
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Der elektrische Startermotor 4 ist als Innenläufermotor ausgebildet und weist einen drehfest mit der Motorwelle 5 verbundenen Anker 16 auf, welcher elektrisch erregbare Ankerspulen enthält. Die Spulen im Anker 16 werden über eine Kommutierungseinrichtung 17 bestromt. Das von den elektrischen Ankerspulen erzeugte elektromagnetische Feld interagiert mit dem Magnetfeld von Permanentmagneten 18, die an der Innenseite des den Anker umgreifenden Stators angeordnet sind.
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Die Kommutierungseinrichtung 17 weist mehrere Feder-Bürste-Einheiten 19 auf, die jeweils gehäuseseitig eine Kohlebürste 20 und eine Bürstenfeder 21 umfassen, sowie einen ankerseitigen Kollektor bzw. Kollektor 22. Die Kohlebürsten 20 werden von den Bürstenfedern 21 radial gegen die Mantelfläche des Kollektors 22 kraftbeaufschlagt. Kohlebürsten 20 und Bürstenfedern 21 sind zweckmäßigerweise in Bürstenhalterungen aufgenommen, die fest mit dem Gehäuse des Startermotors verbunden sind. Über den Umfang gleichmäßig verteilt sind insgesamt sechs Feder-Bürste-Einheiten 19 vorgesehen.
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In den 2 und 3 ist ein Kollektor 22 in stirnseitiger Ansicht bzw. im Schnitt dargestellt. Der Kollektor 22 umfasst einen radial innen liegenden Grundkörper 23 mit einer zentralen Ausnehmung 28, die sich entlang der Längsachse 29 der Anker- bzw. Motorwelle erstreckt, sowie ein Lamellenpaket 24, das fest mit dem Grundkörper 23 verbunden ist. Das Lamellenpaket 24 umfasst mehrere Kommutatorlamellen 25, die sich jeweils in Achsrichtung erstrecken und über den Umfang des zylindrischen Grundkörpers 23 verteilt angeordnet sind. Jede Kommutatorlamelle 25 umfasst einen Kontaktabschnitt 26, dessen radial außen liegende Mantelfläche die Kontaktfläche für den Kontakt mit den Bürsten bildet, sowie einen Anschlussabschnitt 27, über den der Anschluss an das Wickelelement erfolgt, das im Anker aufgenommen ist. Der Anschlussabschnitt 27 ist L-förmig ausgebildet und weist einen sich radial erstreckenden Teil und einen sich in Achsrichtung erstreckenden Teil auf, wobei sich der Kontaktabschnitt 26 ausschließlich in Achsrichtung erstreckt und auf der radial außen liegenden Seite des in Achsrichtung verlaufenden Teils des Anschlussabschnitts 27 aufliegt.
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Die Kommutatorlamellen 25 sind über einen Verbindungsring 30, 31 bzw. 32 miteinander verbunden. Der Verbindungsring 30, 31 bzw. 32 bildet gemeinsam mit den Kommutatorlamellen 25 das Lamellenpaket 24. Der Verbindungsring 30, 31 bzw. 32 dient dazu, die Kommutatorlamellen 25, bestehend aus dem Kontaktabschnitt 26 und dem Anschlussabschnitt 27, miteinander zu verbinden und in Position zu halten. Grundsätzlich genügt ein einziger Verbindungsring 30, 31 bzw. 32 für die Verbindung der Kommutatorlamellen 25. Ein erster Verbindungsring 30 befindet sich an der radial außen liegenden Stirnseite der Anschlussabschnitte 27, ein zweiter Verbindungsring 31 an der axialen Stirnseite der Kontaktabschnitte 26. Ein dritter Verbindungsring 32 (3) befindet sich an der radial außenliegenden Mantelfläche des Kontaktabschnitts 26.
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Das Lamellenpaket 24 ist als Sinterbauteil hergestellt, die Kommutatorlamellen 25 mit dem Kontaktabschnitt 26 und dem Anschlussabschnitt 27 sowie der Verbindungsring 30, 31, 32 sind Sinterbauteile, die in einem gemeinsamen Verfahrensschritt oder in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten hergestellt werden. Der Kontaktabschnitt 26 und der Anschlussabschnitt 27 bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien, die an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst sind. Der Kontaktabschnitt 26, an dem die Bürsten auf Kontakt liegen, besteht beispielsweise aus Kupfer oder Messing bzw. einer Kupfer bzw. Messing enthaltenden Legierung, der Anschlussabschnitt 27 besteht beispielsweise aus Aluminium oder Zink bzw. einer Aluminium oder Zink enthaltenden Legierung. Durch die Herstellung im Sinterverfahren, gegebenenfalls unter Verwendung eines Hilfsstoffs, beispielsweise Zinn, Silber oder Nickel, entsteht eine feste Verbindung zwischen dem Kontaktabschnitt 26 und dem Anschlussabschnitt 27. Der Verbindungsring 30, 31 bzw. 32 kann aus dem gleichen Material wie der Kontaktabschnitt 26 oder wie der Anschlussabschnitt 27 bestehen.
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Zur Herstellung des Kollektors wird in einem ersten Schritt zunächst das Lamellenpaket mit den Kommutatorlamellen 25 und mindestens einem Verbindungsring 30 oder 31 im Sinterverfahren hergestellt. In einem darauffolgenden Schritt wird das Lamellenpaket 24 auf den Grundkörper 23 des Kollektors aufgebracht. Der Grundkörper 23 besteht vorzugsweise aus Kunststoff und ist als Presskörper ausgebildet. Durch das Aufbringen des Lamellenpakets 24 auf den Grundkörper 23 im noch nicht vollständig ausgehärteten Zustand des Kunststoffes des Grundkörpers werden die Kommutatorlamellen 25 in das Material des Grundkörpers eingebettet. Dies erfolgt vorzugsweise in Radialrichtung so weit, dass auch die Grenzschicht bzw. der Übergang zwischen dem axialen Teil des Anschlussabschnittes 27 und dem Kontaktabschnitt 26 vollständig im Material des Grundkörpers 23 liegt, so dass die Grenzschicht zwischen Kontaktabschnitt und Anschlussabschnitt vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
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In einem weiteren Schritt werden nach dem Aushärten des Kunststoffs des Grundkörpers die Kommutatorlamellen 25 vereinzelt. Dies erfolgt durch Entfernen des Verbindungsringes 30 bzw. 31 auf mechanische Weise, beispielsweise mittels Drehen. Nach der Vereinzelung besteht keine mechanische Verbindung und damit auch kein elektrischer Kontakt mehr zwischen den Kommutatorlamellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007058911 A1 [0003]
