DE102014103723A1

DE102014103723A1 - Verfahren zum Herstellen eines Kommutators mittels eines Hartlöt- und Weichlötverfahrens

Info

Publication number: DE102014103723A1
Application number: DE102014103723.5A
Authority: DE
Inventors: Zonghui ZHENG; Chihang TO; Jianjun Guo; Zhiping Zou
Original assignee: Johnson Electric SA; SHENZHEN JOINT WELDING MATERIAL CO; Shenzhen Joint Welding Material Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Joint Welding Material Co Ltd Cn; Johnson Electric International AG
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-09-24
Also published as: JP2014205609A; KR20140116017A; CN104064936A; US20140285059A1; US9692197B2

Abstract

Ein Kommutator (10) umfasst eine Vielzahl von Kommutatorstäben (12), die aus einer Graphitstruktur (30) und einem Metallblech (20) gebildet sind, das auf die Graphitstruktur gelötet ist, wobei auf einen Hartlötvorgang ein Weichlötvorgang folgt. Der Hartlötvorgang umfasst das Auftragen eines Hartlötmaterials auf die Graphitstruktur (30) und das Hartlöten unter einer erhöhten Temperatur, um eine Hartlotschicht (40) zu bilden. Der Weichlötvorgang umfasst das Auftragen eines Weichlötmaterials auf die Hartlotschicht (40), das Anordnen des Metallblechs (20) auf dem Weichlötmaterial und das Weichlöten, um eine Weichlotschicht (50) zu bilden, die das Metallblech (20) an der Graphitstruktur (30) befestigt. Eine Vielzahl von Nuten (70) sind in die Graphitstruktur (30) und in das Metallblech (20) geschnitten, um die Kommutatorstäbe (12) zu bilden, die einem diskontinuierlichen Ring oder Kreis angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND
Ein Kommutator für einen Elektromotor umfasst üblicherweise eine Vielzahl von Kommutatorstäben, die mit einer Vielzahl von Haken elektrisch verbunden sind, wobei die Haken verwendet werden, um eine oder mehrere Spulen derart zu befestigen, dass diese mit dem Kommutator elektrisch verbunden sind. Bei vielen Kommutatoren sind die Kommutatorstäbe und Haken einstückig aus einem Kupferblech gestanzt. Bei Elektromotoren, in denen Kohlebürsten verwendet werden, ist jedoch die Härte der Kohlebürste wesentlich geringer als die der Kupferkommutatorstäbe und Haken. Dies führt zu einer höheren Abnutzung an den Kohlebürsten während des Motorbetriebs.
Die Befassung mit diesem Problem hat dazu geführt, dass bei manchen Kommutatoren anstelle von Kupfer in den Kommutatorstäben Graphit verwendet wird. Hier wiederum ergeben sich Probleme bei der Verbindung der Graphitkommutatorstäbe mit den Kupferhaken. In der diesbezüglichen Industrie wird aktuell eine Nickel- oder Kupfermetallschicht auf der Oberfläche der Graphitstäbe gebildet. Hierzu wird ein Elektroplattier- oder Sputterverfahren angewendet. Anschließend wird ein Lötmaterial, das einen Schmelzpunkt von 450 Grad Celsius (°C) oder darunter hat, wie zum Beispiel Zinn, zum Löten eines Kupferblechs mit einer Vielzahl von Haken an der Metallschicht auf die Graphitstäbe verwendet. Da jedoch zwischen der Metallschicht und dem Graphitstab keine metallurgische Bindung besteht, ist die Festigkeit der Verbindung zwischen der Metallschicht und den Graphitstäben bei Kommutatoren, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, unzureichend.
Alternativ wird ein Hartlötmaterial mit einem Schmelzpunkt von 450°C oder höher zwischen den Graphitstäben und dem Kupferblech aufgetragen, wobei die Graphitstäbe, das Kupferblech und das Hartlötmaterial in einem Hochtemperaturofen angeordnet und hartgelötet werden und das Kupferblech dadurch an dem Graphitstab fixiert wird. Wegen der großen Unterschiede zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten von Kupfer und Graphit kann das Hartlötverfahren jedoch zur Bildung von großen Rissen in dem Graphit führen. Hinzu kommt, dass das Kupfer des Kupferbleches durch das Hochtemperatur-Hartlötverfahren unter Umständen geschwächt oder enthärtet wird und dadurch für die Befestigung der Spulen weniger geeignet ist.
Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutators benötigt, das auf die vorstehend genannten Probleme gerichtet ist.
ÜBERSICHT
Einige Ausführungsformen sind auf ein Verfahren zum Herstellen eines Graphitstäbe aufweisenden Kommutators für einen Elektromotor gerichtet. In einigen Ausführungsformen umfassen die Kommutatorstäbe des Kommutators eine Graphitschicht und eine Metallschicht, die durch eine Hartlotschicht und eine Weichlotschicht verbunden sind. In einigen Ausführungsformen wird auf die Oberfläche einer Graphitstruktur ein Hartlötmaterial aufgetragen und hartgelötet, um eine Hartlotschicht zu bilden. Anschließend wird auf die Hartlotschicht ein Weichlötmaterial aufgetragen und zum Weichverlöten der Hartlotschicht mit einem Metallblech verwendet. Eine Vielzahl von Nuten, die in der Graphitstruktur und in dem Metallblech gebildet sind, unterteilen die Graphitstruktur und das Metallblech in eine Vielzahl von Kommutatorstäben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen sind Konstruktion und Nutzen von Ausführungsformen dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um die Art und Weise zu verdeutlichen, wie die vorgenannten und weitere Vorteile und Aufgaben der Erfindung erzielt werden, erfolgt eine nähere Beschreibung der Ausführungsformen, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Diese Zeichnungen zeigen lediglich exemplarische Ausführungsformen, die nicht im Sinne einer Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu verstehen sind.
1A und 1B zeigen einen Kommutator gemäß einigen Ausführungsformen;
2 zeigt ein in einem Kommutator verwendetes Metallblech gemäß einigen Ausführungsformen;
3 zeigt einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einigen Ausführungsformen;
4A und 4B sind Flussdiagramme zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kommutators gemäß einigen Ausführungsformen.
DETAILBESCHREIBUNG
Verschiedene Merkmale werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die Zeichnungsfiguren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass bau- und funktionsgleiche Elemente in sämtlichen Figuren gleich gekennzeichnet sind. Ebenfalls sollte beachtet werden, dass die Figuren, sofern in einer oder in mehreren speziellen Ausführungsformen oder in einem oder mehreren speziellen Ansprüchen nicht anders angegeben, lediglich dem Zweck der Beschreibung und Darstellung der Merkmale dienen, Die Zeichnungsfiguren und die vorliegend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sind keine erschöpfende Darstellung oder Beschreibung von verschiedenen anderen Ausführungsformen und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche oder des Schutzbereichs weiterer Ausführungsformen dar, die sich dem Fachmann angesichts der in vorliegender Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen erschließen. Ferner muss eine dargestellte Ausführungsform nicht sämtliche dargestellten Aspekte oder Vorteile enthalten.
Ein Aspekt oder eine Vorteil, der in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform beschrieben wird, ist nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auch in anderen Ausführungsformen enthalten sein, selbst wenn dies so nicht dargestellt oder ausdrücklich beschrieben ist. Wenn im Laufe der vorliegenden Beschreibung auf ”einige Ausführungsformen” oder ”andere Ausführungsformen” Bezug genommen wird, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Material, ein bestimmtes Verfahren oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, in mindestens einer Ausführungsform enthalten sind. Aus diesem Grund beziehen sich die Formulierungen ”in einigen Ausführungsformen”, ”in einer oder mehreren Ausführungsformen” oder ”in anderen Ausführungsformen” nicht notwendigerweise auf dieselbe(n) Ausführungsform(en).
Einige Ausführungsformen sind auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators für einen Elektromotor mit einer Grundstruktur aus Graphit gerichtet. In einigen Ausführungsformen umfassen die Kommutatorstäbe des Kommutators eine Graphitschicht und eine Metallschicht. In einigen Ausführungsformen wird auf eine Oberfläche der Graphitstruktur ein Hartlötmaterial aufgetragen und hartgelötet, um eine Hartlotschicht zu bilden. Anschließend wird ein Weichlötmaterial auf die Hartlotschicht aufgetragen und verwendet, um ein Metallblech auf die Hartlotschicht zu löten. In der Graphitstruktur und in dem Metallblech wird eine Vielzahl von Nuten gebildet, so dass die Graphitstruktur und das Metallblech in eine Vielzahl von Kommutatorstäben unterteilt werden.
Die 1A und 1B zeigen einen Kommutator 10 gemäß einigen Ausführungsformen. Der Kommutator 10 umfasst ein zu einer Vielzahl von Haken geformtes Metallblech 20 und eine Carbon- oder Graphitstruktur 30 (im Folgenden Graphitstruktur 30) auf einer Seite des Metallblechs 20. Darüber hinaus kann der Kommutator 30 auf der Seite des Metallblechs 20, die der Graphitstruktur 30 gegenüberliegt, eine Isolierschicht 60 aufweisen. Die Graphitstruktur 30 und das Metallblech 20 sind durch eine Vielzahl von Nuten 70 in eine Vielzahl von Sektionen unterteilt, die voneinander isoliert sind, um eine Vielzahl von Kommutatorstäben zu bilden.
2 zeigt ein in dem Kommutator 10 verwendetes Metallblech 20 gemäß einigen Ausführungsformen. Das Metallblech 20 umfasst einen zentralen Ring 22, eine Vielzahl von Vorsprüngen 24, die sich von der Außenkante des zentralen Rings 22 nach außen erstrecken, und eine Vielzahl von Vorsprüngen 26, die sich entlang der Innenkante und Außenkante des zentralen Rings 22 im Wesentlichen in der axialen Richtung erstrecken. In einigen Ausführungsformen sind die Vorsprünge 26 nicht perfekt axial, sondern sind derart konfiguriert, dass sie in geringem Maß zueinander geneigt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich jeder Vorsprung 24 zwischen zwei Außenkantenvorsprüngen 26 und liegt einem Vorsprung 26 an der Innenkante gegenüber. In einigen Ausführungsformen sind die Vorsprünge 26 in der Isolierschicht 60 eingeschlossen oder eingebettet, um die Isolierschicht 60 sicher mit dem Metallblech 20 zu verbinden. Beim Zusammensetzen des Kommutators 10 werden die Vorsprünge 24 derart gebogen, dass diese eine Vielzahl von Haken bilden.
4A ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens 200 zur Herstellung eines Kommutators wie beispielsweise den Kommutator 10, der in den 1A und 1B gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsformen. Das Verfahren 200 beginnt bei Schritt 410, in dem ein Metallblech 20 gestanzt oder gepresst wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Metallblech 20 aus Kupfer, Silber, Aluminium oder anderen Arten von Metallen bestehen.
In Schritt 420 wird ein Hartlötmaterial auf eine Oberfläche einer Graphitstruktur 30 aufgetragen. Der Auftrag des Hartlötmaterials kann mittels eines Siebdruckverfahrens oder eines Sputterverfahrens erfolgen. In einigen Ausführungsformen wird die Graphitstruktur 30 vor dem Auftragen des Hartlötmaterials gereinigt. Das Reinigungsverfahren kann einen oder mehrere der folgenden Vorgänge umfassen: das Schleifen der Oberfläche der Graphitstruktur 30, die das Hartlötmaterial aufnehmen wird, das Spülen der Graphitstruktur 30 mit Alkohol unter Verwendung eines Mittels zur Erzeugung von Ultraschallwellen, das Eintauchen der Graphitstruktur 30 in Aceton und/oder das Trocknen der Graphitstruktur 30.
Anschließend wird in Schritt 430 die Graphitstruktur 30 mit dem aufgetragenen Hartlötmaterial hartverlötet. In einigen Ausführungsformen kann das Hartlöten in einem Vakuumofen erfolgen. Der Vakuumofen kann derart konfiguriert sein, dass der Vakuumgrad 1,0 × 10^–1 Pascal (Pa) oder mehr (z. B. 1,0 × 30^–3 Pa) und die Temperatur 800 Grad Celsius (°C) oder mehr beträgt, wobei die Graphitstruktur 30 und das Hartlötmaterial für eine Dauer von 10 bis 30 Minuten in dem Ofen verbleiben. Selbstverständlich kann die Dauer des Hartlötens in einigen Ausführungsformen 30 Minuten überschreiten, und selbstverständlich kann in anderen Ausführungsformen das Hartlöten in Öfen eines anderen Typs erfolgen.
3 zeigt einen Querschnitt des Kommutators 10 entlang der Ebene IV (in 1B) nach dem Hartlöten. Das aufgetragene Hartlötmaterial bildet eine Hartlotschicht 20 über der Graphitstruktur 30
In Schritt 440 wird ein Metallblech 20 auf eine Oberfläche der Hartlotschicht 40 auf der hartgelöteten Graphitstruktur 30 gelötet. 4B ist ein Flussdiagramm, das ein Weichlötverfahren, das dem Lötschritt 440 in dem Flussdiagramm 400 entsprechen kann, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt. In Schritt 441 wird ein Weichlötmaterial auf eine Oberfläche der Hartlotschicht 40 auf der hartgelöteten Graphitstruktur 30 aufgetragen. In einigen Ausführungsformen kann das Weichlötmaterial pasten-, pulver- oder schlammförmig sein und mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Hartlotschicht 40 aufgetragen werden. In anderen Ausführungsformen ist das Weichlötmaterial ein massives Teil oder Blech, das auf eine Oberfläche des Metallblechs 20 gelegt wird, wobei die Form jener der Fläche des Metallblechs 20 entspricht.
Anschließend wird in Schritt 442 das Metallblech 20 auf die Oberseite des Weichlötmaterials gelegt. In einigen Ausführungsformen wird das Metallblech 20 derart angeordnet, dass die Oberfläche des Metallblechs 20 ohne Vorsprünge 26 der über der Hartlotschicht 40 der Graphitstruktur 30 aufgetragenen Schicht des Weichlötmaterials zugewandt ist.
In Schritt 443 werden die Graphitstruktur 30, die die Hartlotschicht 40 trägt, das Weichlötmaterial und das Metallblech 20 für eine bestimmte Dauer in einer Lötumgebung angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Lötumgebung derart konfiguriert, dass die Temperatur zwischen 130°C und 350°C und die Dauer zwischen 2 und 10 Minuten beträgt. Auf diese Weise wird das Metallblech 20 mit der Hartlotschicht 40 der Graphitstruktur 30 verlötet, wobei zwischen dem Metallblech 20 und der Hartlotschicht 40 eine Weichlotschicht 50 gebildet wird, wie in 3 dargestellt.
Obwohl 4B ein bestimmtes Lötverfahren 440 darstellt, das in einigen Ausführungsformen angewendet werden kann, können in verschiedenen anderen Ausführungsformen selbstverständlich andere Arten von Lötverfahren angewendet werden. Zum Beispiel kann das Metallblech 20 mit einem elektrischen Bügeleisen von Hand auf die Graphitstruktur 30 gelötet werden.
Es wird erneut auf 4A Bezug genommen. In Schritt 450 wird eine Isolierschicht 60 auf einer Oberfläche des Metallblechs 20 gebildet, die der Weichlotschicht 50 gegenüberliegt (z. B. die Seite des Metallblechs 20, die Vorsprünge 26 aufweist). Die Isolierschicht 60 umfasst ein Isoliermaterial wie Kunststoff und kann mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen werden die Vorsprünge 26 in der Isolierschicht 60 eingeschlossen oder eingebettet, wodurch das Metallblech 20 solide an der Kunststoffschicht 60 befestigt wird. Die Vorsprünge 24 können in eine Hakenform gebogen werden, wie in den 1A und 1B dargestellt, um das Befestigen von Spulen zu ermöglichen.
Anschließend wird in Schritt 460 die Graphitstruktur 30 mit dem festgelöteten Metallblech 20 in eine Vielzahl von Kommutatorstäben 12 des Kommutators 10 unterteilt. In einigen Ausführungsformen geschieht dies, indem an der Graphitstruktur 30 und dem Metallblech 20 eine Vielzahl von Nuten 70 gebildet wird. Die Nuten 70 können gefräst werden. Auf diese Weise werden die Graphitstruktur 30, die Hartlotschicht 40, die Weichlotschicht 50 und die Metallschicht 20 in eine Vielzahl separaten Unterabschnitten unterteilt, die voneinander isoliert werden, wobei die Unterabschnitte die Kommutatorstäbe 12 des Kommutators 10 bilden, der durch die Isolierschicht 60 zusammengehalten wird.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Nach dem Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur 30 in Schritt 430 werden aktive Elemente in dem Hartlötmaterial (wie zum Beispiel Titan, Chrom, Zirkonium und/oder Silizium) chemischen Reaktionen mit dem Carbonelement auf der Oberfläche der Graphitstruktur 30 unterzogen, wodurch auf der Oberfläche der Graphitstruktur 30 die Hartlotschicht 40 gebildet wird. Die Hartlotschicht 40 umfasst zwei Schichten: eine an das Innere der Graphitstruktur 30 angrenzende Reaktionsschicht 42, die durch chemische Reaktionen zwischen dem Hartlötmaterial und dem Carbon der Graphitstruktur 30 entsteht, und eine Bindeschicht 44 in Oberflächennähe der Graphitstruktur 30, die durch ein thermisches Verfahren überwiegend aus dem Hartlötmaterial gebildet wird.
Aufgrund von metallurgischen Reaktionen entsteht eine feste Bindung der Reaktionsschicht 42 mit dem Carbon in der Graphitstruktur 30 und mit der Bindeschicht 44, die vorwiegend Metallelemente enthält. Dadurch bildet das hartgelötete Hartlötmaterial auf der Oberfläche der Graphitstruktur 30 eine solide Metallschicht 42, die durch chemische Reaktionen fest mit dem Carbon in der Graphitstruktur 30 und mit der Bindeschicht 44, die fest an die Reaktionsschicht 42 gebunden ist, verbunden wird. Die Oberfläche der Graphitstruktur 30 wird dadurch metallisiert und die anschließende Bindung zwischen der Metallschicht 20 und der Graphitstruktur 30 durch den Lötvorgang in Schritt 440 erleichtert.
Da das Metallblech 20 außerdem in einer Umgebung mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur mit der Hartlotschicht 40 weichverlötet wird, wird das Metallblech 20 dadurch nicht enthärtet, und es werden Risse in der Graphitstruktur 30 verhindert, die infolge des großen Unterschieds zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten des Metalls des Metallblechs 20 und des Graphits der Graphitstruktur 30 sonst entstehen würden.
Nachstehend werden verschiedene spezielle Ausführungsformen beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Materialien und Konfigurationen verwendet werden. Die folgenden Ausführungsformen dienen lediglich Darstellungszwecken und sind nicht im Sinne einer Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu verstehen.
Ausführungsform 1
In einer ersten Ausführungsform besteht das Metallblech 20 aus Kupfer, während das Hartlötmaterial ein Titan-Kupfer-Silber-Gemisch enthält. Zum Beispiel kann das Hartlötmaterialgemisch etwa 69% Massenanteile Silber, 27% Massenanteile Kupfer und 4% Massenanteile Titan enthalten. Das Hartlötmaterial wird mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Graphitstruktur 30 aufgetragen. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet, dessen Dicke 0,5 Millimeter (mm) oder weniger beträgt, so dass das Sieb während des Druckprozesses über die gewünschte Elastizität verfügen kann.
In Schritt 430 wird gemäß der ersten Ausführungsform die das Hartlötmaterial tragende Graphitstruktur 30 für eine Dauer zwischen 13 und 17 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, dessen Vakuumgrad zwischen 1,0 × 10^–1 Pa und 4,0 × 10^–2 Pa und dessen Temperatur zwischen 800°C und 900°C beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vakuumofen konfiguriert für einen Vakuumgrad von etwa 6,0 × 10^–2 Pa und eine Temperatur von 850°C und eine Ofenzeit von 15 Minuten. In einigen Ausführungsformen ist die Ofentemperatur derart ausgelegt, dass sie nach dem Anordnen der Graphitstruktur 30 in dem Ofen um etwa 10°C pro Minute erhöht wird, bis die Zieltemperatur von 850°C erreicht ist. Die Temperatur in dem Ofen wird über die Dauer der Ofenzeit (z. B. 15 Minuten) auf der Zieltemperatur gehalten. Anschließend wird die Graphitstruktur 30 gekühlt.
Das in Schritt 440 verwendete Lötmaterial umfasst eine Zinnpaste, die mittels Siebdruck auf die Oberfläche der Hartlotschicht 20 aufgetragen wird. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Metallsieb verwendet, dessen Dicke 1 mm oder weniger beträgt, so dass das Sieb beim Aufdrucken des Lötmaterials über die gewünschte Flexibilität verfügen kann. Die hartgelötete Graphitstruktur 30, die Paste und das Kupferblech 20 werden für die Dauer von 2 bis 4 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 250°C und 350° angeordnet und anschließend gekühlt. Das Kupferblech 20 wird dadurch mit der Oberfläche der Hartlotschicht 40 verlötet, wobei die Lötpaste die Weichlotschicht 50 bildet.
Die restlichen Verfahrensschritte der ersten Ausführungsform sind die gleichen wie in 4A und werden an dieser Stelle nicht mehr gesondert beschrieben.
Ausführungsform 2
In einer zweiten Ausführungsform besteht das Metallblech 20 aus Kupfer, und das Hartlötmaterial entspricht dem Typ BNi₂ gemäß den Richtlinien der American Welding Society (AWS). Der Auftrag erfolgt mittels eines Spritzverfahrens.
In Schritt 430 wird die Graphitstruktur 30, die die Schicht des Hartlötmaterials entsprechend dem Typ BNi₂ trägt, für die Dauer von 25 bis 35 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Ofen für einen Vakuumgrad zwischen 2,0 × 10^–2 Pa und 8 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 1050°C und 1150°C konfiguriert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Vakuumgrad und die Temperatur des Ofens jeweils ausgelegt auf 1,00 × 10^–2 Pa und 1100°C, und die Graphitstruktur 30 wird für eine Dauer von 30 Minuten in dem Ofen angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 30 in dem Ofen um etwa 15°C pro Minute erhöht, bis die Zieltemperatur von 1100°C erreicht ist, woraufhin die Ofenzeit von 30 Minuten beginnt. Anschließend wird die Graphitstruktur 30 gekühlt.
In Schritt 440 wird auf die Hartlotschicht 40 eine Lötpaste aufgetragen, die einen Schlamm aus Zinn (Sn) und Bismut (Bi) enthält. In einigen Ausführungsformen enthält der Zinn-Bismut-Schlamm etwa 42% Massenanteile Zinn und 58% Massenanteile Bismut (Sn-58Bi). Die Lötpaste kann mittels Siebdruck aufgetragen werden, wobei vorzugsweise ein Stahlsieb verwendet wird, dessen Dicke 1 mm oder weniger beträgt, damit beim Drucken die gewünschte Flexibilität des Siebs erreicht werden kann.
Die hartgelötete Graphitstruktur 30, die Paste und das Kupferblech 20 werden für eine Dauer von 4 bis 6 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Kupferblech 20 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 40 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 30 bildet.
Die restlichen Verfahrensschritte der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie in 4A und werden an dieser Stelle nicht mehr gesondert beschrieben.
Ausführungsform 3
In einer dritten Ausführungsform umfasst das Metallblech 20 Silber, und das Lötmaterial kann Titan, Zirkonium, Kupfer und Nickel enthalten und wird gleichmäßig auf die Oberfläche der Graphitstruktur 30 gespritzt. In einigen Ausführungsformen enthält das Hartlötmaterial etwa 40% Massenanteile Titan, 20% Massenanteile Zirkonium, 20% Massenanteile Kupfer und 20% Massenanteile Nickel.
In Schritt 430 wird die Graphitstruktur 30, die die Hartlötmaterialschicht aufweist, für die Dauer von 20 bis 30 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Vakuumofen konfiguriert ist für einen Druck zwischen 1,0 × 10^–2 Pa und 3 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 900°C und 1000°C. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck ausgelegt auf 8 × 10^–3 Pa und die Temperatur auf 930°C, wobei die Graphitstruktur 30, die das Hartlötmaterial trägt, für eine Dauer von 20 Minuten in dem Ofen verbleibt. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 30 in dem Ofen um etwa 15°C pro Minute erhöht, bis 950°C erreicht sind, woraufhin die Ofenzeit von 30 Minuten beginnt.
In Schritt 440 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 30 entspricht, über der Hartlotschicht 40 angeordnet. Die Verwendung eines Lotstücks kann das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Kupfer enthalten, zum Beispiel 98% Zinn, 2% Kupfer (Sn-2Cu).
Die hartgelötete Graphitstruktur 30, das Lotstück und das Silberblech 20 werden für eine Dauer von 7 bis 10 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 300°C und 350°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Silberblech 20 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 40 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 50 bildet.
Ausführungsform 4
In einer vierten Ausführungsform besteht das Metallblech 20 aus Aluminium. Es wird ein Hartlötmaterial entsprechend dem Typ BNi₂ gemäß den AWS-Richtlinien. Das Hartlötmaterial kann mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Graphitstruktur 30 aufgetragen werden. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet, dessen Dicke 0,5 mm oder weniger beträgt, so dass das Sieb während des Druckprozesses über eine bessere Elastizität verfügen kann.
In Schritt 430 wird die Graphitstruktur 30, die die Schicht des Hartlötmaterials entsprechend dem Typ BNi₂ trägt, für eine Dauer von 25 bis 35 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Ofen für einen Vakuumgrad zwischen 3,0 × 10^–3 Pa und 1,0 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C konfiguriert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Vakuumgrad und die Temperatur des Ofens jeweils ausgelegt auf 1,0 × 10^–3 Pa und 1200°C, und die Graphitstruktur 30, die das Hartlötmaterial trägt, wird für eine Dauer von 30 Minuten in dem Ofen angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 30 in dem Ofen um etwa 20°C pro Minute erhöht, bis 1200°C erreicht sind, woraufhin die Ofenzeit von 20 Minuten beginnt.
In Schritt 440 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 30 entspricht, über der Hartlotschicht 40 angeordnet. Die Verwendung eines Lotstücks kann im Vergleich zu einem Auftrag einer Lötpaste oder eines Lötschlamms das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Kupfer enthalten, zum Beispiel 98% Zinn, 2% Kupfer (Sn-2Cu).
Die hartgelötete Graphitstruktur 30, die Paste und das Aluminiumblech 20 werden für eine Dauer von 3 bis 5 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 270°C und 300°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Aluminiumblech 20 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 40 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 50 bildet.
Ausführungsform 5
In einer fünften Ausführungsform umfasst das Metallblech 20 Kupfer. Das Hartlötmaterial ist Hartlötmaterial des Typs BNi₇ gemäß den AWS-Richtlinien, das mittels eines Siebdruckverfahrens auf eine Oberfläche der Graphitstruktur 30 aufgetragen wird, wobei in dem Siebdruckverfahren vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet wird, dessen Dicke 0,5 mm oder weniger beträgt.
Die Graphitstruktur 30 mit dem aufgetragenen BNi₇ Hartlötmaterial wird in einem Ammoniakzersetzungs-Siebbandofen angeordnet, wobei die Bandgeschwindigkeit 1 bis 8 Meter pro Sekunde (m/s) beträgt und die maximale Temperatur zwischen 800°C und 3000°C liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bandgeschwindigkeit des Siebbandofens auf etwa 0,4 m/s und die maximale Temperatur auf 3000°C ausgelegt. In einigen Ausführungsformen ist der Siebbandofen ein Schutzatmosphärenofen oder ein Ofen mit gesteuerter Atmosphäre. Die Schutzatmosphäre kann Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder ein Gemisch derselben enthalten, wobei verschiedene Gase verschiedenen Temperaturen entsprechen können. Es versteht sich daher, dass der Temperaturbereich nicht auf den vorstehend angegebenen Temperaturbereich beschränkt ist.
In Schritt 440 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 30 entspricht, über der Hartlotschicht 40 angeordnet. Die Verwendung eines massiven Lotstücks kann im Vergleich zu einem Auftrag einer Lötpaste oder eines Lötschlamms das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Indium enthalten, zum Beispiel 49% Zinn, 51% Indium (Sn-51In).
Die hartgelötete Graphitstruktur 30, die Paste und das Kupferblech 20 werden für eine Dauer von 3 bis 5 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 130°C und 230°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Kupferblech 20 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 40 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 50 bildet.
In der vorstehenden Beschreibung wurden verschieden Aspekte mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass innerhalb des Rahmens der verschiedenen, vorliegend beschriebenen Ausführungsformen Modifikationen und Änderungen möglich sind. Zum Beispiel wurden die vorstehend beschriebenen Systeme und Module mit Bezug auf bestimmte Anordnungen von Komponenten beschrieben. Dennoch können die Ordnung und die räumliche Beziehung zwischen den beschriebenen Komponenten ohne Einfluss auf den Umfang, die Funktion und die Wirksamkeit der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen geändert werden. Auch wenn spezielle Merkmale dargestellt und beschrieben wurden, werden dadurch weder der Schutzumfang der Ansprüche noch der Schutzumfang anderer Ausführungsformen eingeschränkt. Der Fachmann wird vielmehr erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikation möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen zu verlassen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen daher lediglich dem Zweck der Erläuterung und der Darstellung und sind nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen. Die beschriebenen Ausführungsformen umfassen Alternativen, Modifikationen und Äquivalente.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kommutators für einen Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: das Auftragen eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche einer Graphitstruktur; das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur zum Bilden einer Hartlotschicht auf der Oberfläche der Graphitstruktur; das Weichverlöten eines Metallblechs mit der Hartlotschicht; das Bilden einer Vielzahl von Nuten in der Graphitstruktur und in dem Metallblech, so dass die Graphitstruktur und das Metallblech eine Vielzahl von Kommutatorstäben bilden, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Auftragen eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche einer Graphitstruktur zumindest einer der folgenden Schritte durchgeführt wird: Schleifen der Oberfläche der Graphitstruktur, Reinigen der Graphitstruktur in Alkohol mittels Ultraschallwellen, Eintauchen der Graphitstruktur in Aceton und Trocknen der Graphitstruktur.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Auftrag eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche einer Graphitstruktur das Auftragen des Hartlötmaterials mittels Siebdruck auf die Oberfläche der Graphitstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Siebdrucken des Hartlötmaterials die Verwendung eines Polyestersiebes umfasst, dessen Dicke 0,5 Millimeter oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Auftrag eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche einer Graphitstruktur das Aufspritzen des Hartlötmaterials auf die Oberfläche der Graphitstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur das Anordnen der Graphitstruktur mit dem aufgetragenen Hartlötmaterial in einer Umgebung mit einem Vakuumgrad von mindestens 1,0 × 10^–1 Pa und einer vorgegebenen Temperatur von mindestens 800 Grad Celsius (°C) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur ferner ein Erhöhen der Temperatur der Umgebung mit einer Rate zwischen 10°C und 20°C pro Minute bis zum Erreichen der vorgegebenen Temperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur in einem Ofen unter Schutzatmosphäre mit einer Temperatur von mindestens 800°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur das Füllen der Schutzatmosphäre mit Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniakzersetzung oder einer Kombination dieser Gase umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Weichlöten des Metallblechs auf die Hartlotschicht umfasst: das Auftragen eines Weichlötmaterials auf eine Oberfläche der Hartlotschicht; das Anordnen des Metallblechs über dem Weichlötmaterial; und das Anordnen der Graphitstruktur und des Metallblechs für eine Dauer zwischen 2 und 10 Minuten in einer Umgebung mit einer Temperatur zwischen 130°C und 350°C.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Auftrag eines Weichlötmaterials auf eine Oberfläche der Hartlotschicht das Anordnen einer festen Schicht des Weichlötmaterials, die eine der Form der Graphitstruktur entsprechende Form aufweist, auf der Oberfläche der Hartlotschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Auftrag eines Weichlötmaterials auf eine Oberfläche der Hartlotschicht das Auftragen einer Lötpaste oder eines Lötpulvers auf die Oberfläche der Hartlotschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Auftrag eines Weichlötmaterials auf eine Oberfläche der Hartlotschicht das Siebdrucken des Weichlötmaterials auf die Oberfläche der Hartlotschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Siebdrucken des Weichlötmaterials das Siebdrucken durch eine Stahlsieb umfasst, dessen Dicke 1 Millimeter oder weniger beträgt.
Kommutator, umfassend eine Isolierschicht und eine Vielzahl von Kommutatorstäben, die an der Isolierschicht befestigt und voneinander elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kommutatorstab der Vielzahl von Kommutatorstäben umfasst: eine Graphitschicht; eine Hartlotschicht, die durch Hartlöten eines Hartlötmaterials auf die Oberfläche der Graphitschicht gebildet wird; eine Weichlotschicht, die auf einer Oberfläche der Hartlotschicht angeordnet ist; und eine Metallschicht, die zwischen der Hartlotschicht und der Isolierschicht angeordnet und über die Weichlotschicht mit der Hartlotschicht verlötet ist, wobei die Metallschicht einen Haken aufweist, der sich außerhalb der Graphitschicht erstreckt.
Kommutator nach Anspruch 15, wobei die Hartlotschicht eine Dicke von 0,5 Millimeter oder weniger aufweist.
Kommutator nach Anspruch 15, wobei die Hartlotschicht eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche der Graphitschicht und eine über der Reaktionsschicht liegende und an die Weichlotschicht angrenzende Bindeschicht umfasst, wobei die Reaktionsschicht gebildet wird durch chemische Reaktionen zwischen dem Hartlötmaterial und dem Graphit und wobei die Bindeschicht gebildet wird durch Reaktionen des Hartlötmaterials.
Kommutator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Weichlotschicht eine Dicke von 1 Millimeter oder weniger aufweist.
Kommutator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei: die Vielzahl von Kommutatorstäben, die an der Isolierschicht befestigt sind, in einem Kreis angeordnet ist, wodurch ein diskontinuierlicher Ring mit einer Außenkante und einer Innenkante gebildet wird; und wobei die Metallschicht umfasst: einen Haken entlang der Außenkante des diskontinuierlichen Rings; und eine Vielzahl von Vorsprüngen entlang der Innenkante und der Außenkante des diskontinuierlichen Rings, die in der Isolierschicht eingebettet sind.
Kommutator nach Anspruch 19, wobei der Haken zwischen zwei Vorsprüngen entlang der Außenkante des diskontinuierlichen Rings liegt und mit einem Vorsprung an der Innenkante des diskontinuierlichen Rings korrespondiert.