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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Kommutator, einen diesen verwendenden Motor und ein Verfahren zum Herstellen des Kommutators.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Graphitkommutator ist eines der wichtigsten Bauteile eines Ölpumpenmotors. Die Qualität eines Graphitkommutators ist wesentlich für die Leistung eines Motors.
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Ein bekannter Graphitkommutator besteht im Wesentlichen aus Graphitplatten (Aktivkohleplatten) und Kupferplatten. Die Graphitplatten dienen zum Leiten von Strom und sind Verschleißteile. Die Kupferplatten dienen zum Leiten von Strom und sind mit Motorwicklungen verbunden. Die Verbindung und Anordnung der Graphitplatten und der Kupferplatten ist einer der Schlüsselpunkte des Herstellungsprozesses von Graphitkommutatoren. Bei einem der bekannten Herstellungsprozesse wird zunächst die Oberfläche der Graphitplatte durch Elektroplattieren metallisiert und anschließend die Kupferplatte durch ein Lotfüllverfahren mit der Graphitplatte verschweißt. Der Nachteil dieses Herstellungsprozesses sind die hohen Kosten des Elektroplattierens, die Umweltschädlichkeit und dass die Kupferplatte leicht von der Graphitplatte herunterfallen kann. Ein zweiter bekannter Herstellungsprozess sieht das Pressen der Graphitpulvers und eines reinen Metallpulvers (hauptsächlich Kupferpulver) durch die Anwendung eines direkten Pulverpressverfahrens und das anschließende Bilden der oberflächenmetallisierten Graphitplatte durch thermisches Aushärten bei niedriger Temperatur vor. Die Verbindung der Kupferplatten erfolgt ebenfalls durch Schweißen. Diese Konstruktion hat den Nachteil, dass der Widerstand des Produkts hoch und der Wirkungsgrad des Motors gering ist, da eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung (wie beispielsweise Sintertemperaturen von über 500 Grad) nicht angewendet werden kann. Wenn das Produkt einer Wärmebehandlung mit hohen Temperaturen ausgesetzt wird, kommt es aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Graphitmaterial und Metallmaterial sehr leicht vor, dass die Verbindung der Graphitschicht und der Metallschicht reißt. Bei einem dritten bekannten Herstellungsprozess werden die Graphitplatte und die Kupferplatte durch ein Hochtemperatur-Lötverfahren direkt miteinander verschweißt. Dieser Herstellungsprozess hat den Nachteil hoher Kosten und dass die Kupferschicht erweicht wird, wodurch die Montage des Motors schwieriger wird.
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ÜBERSICHT
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Es sollen daher ein Kommutator sowie ein den Kommutator verwendender Motor und ein Verfahren zum Herstellen des Kommutators vorgeschlagen werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator angegeben, umfassend eine Isolierbasis und eine Mehrzahl von Segmenten, die auf der Isolierbasis angeordnet sind, wobei jedes Kommutatorsegment eine Metallschicht, eine Übergangsschicht und eine Graphitschicht aufweist, die sämtlich und der Reihe nach auf der Isolierbasis angeordnet sind, wobei die Übergangsschicht ein Material enthält, das mit jenem der Graphitschicht identisch ist, und ein Material, das mit jenem der Metallschicht identisch ist.
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Vorzugsweise umfasst der Kommutator ferner eine Mehrzahl von leitenden Anschlüssen, deren jeder mit der Metallschicht des entsprechenden Kommutatorsegments entsprechend verbunden ist.
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Vorzugsweise ist das Material der Graphitschicht Graphitpulver, wobei das Graphitpulver mindestens eines ist, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht.
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Vorzugsweise ist das Material der Übergangsschicht mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Graphitpulver und Metallpulver besteht.
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Vorzugsweise beträgt das Masseverhältnis des Graphitpulvers in der Übergangsschicht 10% bis 30% und das Masseverhältnis des Metallpulvers 70% bis 90%.
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Vorzugweise ist das Graphitpulver mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit, Koks und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht, und das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Al, Cu, Ag, Ni, Bi und Sb besteht.
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Vorzugsweise ist das Material der Metallschicht Metallpulver, und das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb besteht.
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Vorzugsweise beträgt die Dicke der Übergangsschicht 100–500 μm, die Dicke der Metallschicht 100-500 μm und die Dicke der Graphitschicht 1600–2400 μm.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor bereitgestellt, der ein Gehäuse hat sowie einen Läufer und elektrische Bürsten, die in dem Gehäuse angeordnet sind, und ferner einen Kommutator gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der sich mit den elektrischen Bürsten in Gleitkontakt befindet.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutators angegeben, umfassend die folgenden Schritte:
das Bilden einer Metallschicht, einer Graphitschicht und einer Übergangsschicht, die zwischen die Metallschicht und die Graphitschicht geschaltet ist, wobei die Übergangsschicht ein Material enthält, das identisch ist mit jenem der Graphitschicht, und ein Material, das identisch ist mit jenem der Metallschicht;
das Bilden eines Grünkörpers durch Pressen der Graphitschicht, der Übergangsschicht und der Metallschicht; und das Sintern des Grünkörpers.
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Vorzugsweise wird die Metallschicht gebildet, indem Metallpulver in ein Gesenk gefüllt und gepresst wird. Die Graphitschicht wird gebildet, indem Graphitpulver in ein Gesenk gefüllt und gepresst wird. Die Übergangsschicht wird gebildet, indem Metallpulver und Graphitpulver in ein Gesenk gefüllt und gepresst werden.
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Vorzugsweise wird die Graphitschicht vorab gebildet und die Übergangsschicht anschließend auf der Graphitschicht gebildet.
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Vorzugsweise wird die Übergangsschicht vorab gebildet und die Metallschicht anschließend auf der Übergangsschicht gebildet.
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Vorzugsweise wird die Metallschicht vorab gebildet und die Übergangsschicht anschließend auf der Metallschicht gebildet.
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Vorzugsweise wird die Übergangsschicht vorab gebildet und die Graphitschicht anschließend auf der Übergangsschicht gebildet.
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Vorzugsweise ist das Graphitpulver der Graphitschicht mindestens eines, das ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht.
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Vorzugsweise beträgt ein Masseverhältnis des Graphitpulvers in der Übergangsschicht 10% bis 30% und ein Masseverhältnis des Metallpulvers 70% bis 90%.
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Vorzugweise ist das Graphitpulver mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit, Koks und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht, und das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Al, Cu, Ag, Ni, Bi und Sb besteht.
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Vorzugsweise beträgt ein Dickenbereich der Übergangsschicht 100–500 μm, ein Dickenbereich der Metallschicht 100–500 μm und ein Dickenbereich der Graphitschicht 1600–2400 μm.
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Im Vergleich zum Stand der Technik löst vorliegende Erfindung das Problem eines hohen Widerstands und eines geringen Wirkungsgrads des Motors bei bestehenden Konstruktionen dadurch, dass eine zwischengeschaltete Übergangsschicht vorgesehen ist, und löst das Problem der Rissbildung zwischen der Metallschicht und der Graphitschicht beim Sintern mit hoher Temperatur. Der Kommutator verfügt über eine längere Lebensdauer und der Motor über einen größeren Wirkungsgrad. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Kommutators reduziert die chemische Verschmutzung und reduziert die Herstellungskosten, die bei dem bekannten Verfahren durch das Elektroplattieren und Hartlöten verursacht werden. Die Bindung zwischen dem Graphit und einer Metallfläche wird durch eine Technologie verbessert, die Gesenkpressen und Sintern vorsieht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt schematisch den bei dem Motor von 1 verwendeten Kommutator;
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3 zeigt schematisch einen Querschnitt des Kommutators von 1, wobei eine Graphitschicht, eine Übergangsschicht und eine Metallschicht eines Kommutatorsegments dargestellt sind;
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4a zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild eines aus Metallpulver und Graphitpulver gebildeten Gemisches in der Übergangsschicht des Kommutators von 2;
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4b ist eine Vergrößerung des Bereichs V in 4a;
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5 zeigt eine Atomabsorptionsspitze von Hauptelementen in der Metallschicht, gemessen mit einem Atomabsorptions-Photometer; und
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6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kommutators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungen und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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DETAILBESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die technischen Lösungen und weitere vorteilhafte Wirkungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Detailbeschreibung verschiedener Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Motors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Motor 100 in 1 hat einen Ständer 2 und einen an dem Ständer 2 drehbar montierten Läufer 4. Der Ständer 2 hat ein Gehäuse 3, Permanentmagnete 5, die an der Innenwand des Gehäuses 3 befestigt sind, einen Bürstenhalter 7, der direkt oder indirekt an dem Gehäuse 3 montiert ist, und elektrische Bürsten 10, die an dem Bürstenhalter 7 gleitbeweglich montiert sind. Der Läufer 4 hat eine Welle 15, einen auf der Welle 15 befestigten Läuferkern 6, einen auf der Welle 15 und angrenzend an den Läuferkern 6 befestigten Kommutator 9 und Läuferwicklungen 8, die um den Läuferkern 6 herumgeführt sind. Der Läuferkern 6 bildet eine Mehrzahl von Wicklungsschlitzen für die Aufnahme der Wicklungen 8. Die elektrischen Bürsten 10 befinden sich in Gleitkontakt mit dem Kommutator 9, um den Strom der Läuferwicklungen 8 zu kommutieren. Der Kommutator 9 hat eine Kontaktfläche 11a für einen Gleitkontakt mit den Bürsten 11a.
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Wie 2 zeigt, ist der Kommutator 9 vorzugsweise ein Graphit-Plankommutator mit einer Isolierbasis 905, einer Mehrzahl von Kommutatorsegmenten 903 und leitenden Anschlüssen 904. Die Kommutatorsegmente 903 sind umfangsseitig an der Isolierbasis 905 verteilt und voneinander beabstandet und sind für einen Gleitkontakt mit den elektrischen Bürsten 10 des Motors 100 vorgesehen. Jedes Kommutatorsegment 903 ist mit einem leitenden Anschluss 904 versehen. Die leitenden Anschlüsse 904 dienen für die elektrische Verbindung mit den Wicklungen 8. Eine Isoliernut 907 ist zwischen jeweils zwei benachbarten Kommutatorsegmenten 903 vorgesehen und dient zur elektrischen Isolierung.
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Wie 3 zeigt, ist das Kommutatorsegment 903 ein dreischichtiges Gebilde und umfasst eine Graphitschicht 11, eine Übergangsschicht 12 und eine Metallschicht 13. Die Übergangsschicht 12 ist zwischen die Graphitschicht 11 und die Metallschicht 13 geschaltet. Die Übergangsschicht 12 enthält ein Material, das identisch ist mit jenem der Graphitschicht 11, und ein Material, das identisch ist mit jedem der Metallschicht 13. Die Graphitschicht 11 hat eine Kontaktfläche 11a, die von der Übergangsschicht 12 entfernt ist, für einen elektrischen Gleitkontakt mit den elektrischen Bürsten 10. Die Metallschicht 13 ist auf der Isolierbasis 905 (in 2 gezeigt) angeordnet, für eine feste Verschweißung mit einem Verbindungsende des leitenden Anschlusses 904, das sich in die Isolierbasis hinein erstreckt.
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Das Material der Graphitschicht 11 ist Graphitpulver. Das Graphitpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht.
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Die Übergangsschicht 12 ist zwischen die Graphitschicht 11 und die Metallschicht 13 geschaltet. Das Material der Übergangsschicht 12 ist Graphitpulver und Metallpulver. Die Übergangsschicht 12 dient zum Verringern der Wärmeausdehnung des Kommutators 9 während des Motorbetriebs. In dieser Ausführungsform ist das Graphitpulver mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit, Koks und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht. Das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Kupferpulver oder versilbertem Kupferpulver oder einer Kombination derselben besteht.
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4a und 4b zeigen fest Oberflächen der Übergangsschicht 12 bei Betrachtung durch ein Rasterelektronenmikroskop. Wie zu erkennen ist, ist die Morphologie des Graphitpulvers und des Metallpulvers in der Übergangsschicht 12 verschieden, zum Beispiel schuppig, verästelt, sphärisch oder unregelmäßig.
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Das Material der Metallschicht 13 ist Metallpulver, wobei das Metall kaum mit Graphit zu Carbid reagiert. Zum Beispiel kann das Metall mindestens eines sein, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Al, Cu, Ag, Ni, Bi und Sb besteht.
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Es wird auf 5 Bezug genommen. Das Metallpulver der Metallschicht 13 in dieser Ausführungsform ist ein Pulvergemisch aus Kupferpulver und versilbertem Kupferpulver. Wie in der Darstellung der Atomabsorptionsspitze zu sehen ist, sind insgesamt vier Atomabsorptionsspitzen vorhanden, wobei drei der vier Atomabsorptionsspitzen Kupferelement-Absorptionsspitzen und die andere der vier Atomabsorptionsspitzen eine Silberelement-Absorptionsspitze ist. Das Metallpulver, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, hat eine geringe Härte und eine hohe Oxidationsbeständigkeit.
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Das Masseverhältnis des Graphitpulvers in der Übergangsschicht 12 beträgt 10% bis 30%. Das Masseverhältnis des Metallpulvers in der Metallschicht 13 beträgt 70% bis 90%. Das Masseverhältnis berechnet sich nach dem Rohmaterial.
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Das Material der Übergangsschicht 12 enthält Graphitpulver, so dass die Übergangsschicht 12 entsprechend der Eigenschaft von Graphit selbstschmierend ist. Das Material der Übergangsschicht 12 enthält ebenfalls Metallpulver, so dass die Schicht über einen ausgezeichneten Wärmeleitwert und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit verfügt.
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Die Graphitschicht 11, die Übergangsschicht 12 und die Metallschicht 13 haben sämtlich eine bestimmte Dicke. Die Dicke der Übergangsschicht 12 liegt bevorzugt in einem Bereich von 100–500 μm, die Dicke der Metallschicht 13 bevorzugt in einem Bereich von 100–500 μm und die Dicke der Graphitschicht bevorzugt in einem Bereich von 1600–2400 μm. Das in der Übergangsschicht 12 verwendete Metallmaterial ist nicht auf Cu und Ag beschränkt. Das Metallmaterial kann zum Beispiel mindestens eines sein, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Al, Ni, Bi, Sb und anderen Metallen besteht.
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Bei vorliegender Erfindung beziehen sich "die Dicke der Graphitschicht 11", "die Dicke der Metallschicht 13" und "die Dicke der Übergangsschicht 12" auf eine Dicke, die durch ein optisches Mikroskop beobachtet und gemessen wurde.
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Es wird auf 6 Bezug genommen. Das Verfahren zum Herstellen des Kommutators umfasst die folgenden Vorgänge.
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In Schritt S101 wird Graphitpulver in ein Gesenk gefüllt und im Anschluss zu einer Graphitschicht 11 gepresst. Das Graphitpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht.
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In Schritt S102 werden Graphitpulver und Metallpulver auf die Graphitschicht 11 gefüllt und auf der Graphitschicht 11 zu einer Übergangsschicht 12 gepresst. Das Graphitpulver in diesem Schritt ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Naturgraphit, künstlichem Graphit, Koks und Mesokohlenstoff-Mikroperlen besteht. Das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Kupferpulver und versilbertem Kupferpulver besteht. Vorzugsweise ist das Graphitpulver, das zum Bilden der Übergangsschicht 12 verwendet wird, identisch mit dem Graphitpulver, das zum Bilden der Graphitschicht 11 verwendet wird.
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In Schritt S103 wird das Metallpulver auf die Übergangsschicht 12 gefüllt und anschließend auf der Übergangsschicht eine Metallschicht 13 gepresst. Das Metallpulver ist mindestens eines, das ausgewählt wird aus einer Gruppe, die aus Kupferpulver und versilbertem Kupferpulver besteht. Vorzugsweise ist das Metallpulver, das zum Bilden der Metallschicht 13 verwendet wird, identisch mit dem Metallpulver, das zum Bilden der Übergangsschicht 12 verwendet wird.
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In Schritt S104 wird durch Pressen der Graphitschicht 11, der Übergangsschicht 12 und der Metallschicht 13 ein Grünkörper gebildet. In der Ausführungsform kann der Grünkörper durch eine kaltisostatische Pressformmaschine (KIP-Maschine) gepresst werden.
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In Schritt S105 wird der Grünkörper gesintert. Die Aushärte- und Sintertemperatur, die Zeit und die Atmosphäre des Grünkörpers werden entsprechend dem Material, der Form und der Größe des Metallpulvers und Graphitpulvers geeignet eingestellt. Zum Beispiel können die Aushärte- und Sintertemperatur als Erweichungs-Schmelztemperatur des die Metallschicht 13 bildenden Metallpulvers eingestellt werden. In dieser Ausführungsform beträgt die Aushärtungstemperatur des Grünkörpers bevorzugt 200–450°C und die Sintertemperatur des Grünkörpers bevorzugt 550–850°C.
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Wenn der Grünkörper gesintert wird, wird der gesinterte, ausgehärtete Körper mit dem leitenden Anschluss 904 (2) verbunden und an der Isolierbasis montiert. Der gesinterte, ausgehärtete Körper wird dann geschlitzt, um Kommutatorsegmente 903 (2) zu bilden, die durch entsprechende Schlitze 907 (2) voneinander beabstandet sind. Der leitende Anschluss 904 (2) kann mit dem gesinterten, ausgeärteten Körper verschweißt werden. Die Erwärmungstemperatur und der Erwärmungsdruck während des Schweißens werden je nach Art, Größe und Kombinierungsbereich des Graphitpulvers und des Metallpulvers eingestellt.
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In alternativen Ausführungsformen können die Schritte der Herstellung des Kommutators geregelt werden. Zum Beispiel wird zunächst das Metallpulver in ein Gesenk gefüllt, um die Metallschicht 13 zu pressen. Dann wird ein Gemisch aus Metallpulver und Graphitpulver auf die Metallschicht 13 gefüllt, um auf der Metallschicht 13 die Übergangsschicht 12 zu pressen. Schließlich wird das Graphitpulver auf die Übergangsschicht 12 gefüllt, um auf der Übergangsschicht 12 die Graphitschicht 11 zu pressen.
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Zum Herstellen des gesinterten, ausgehärteten Körpers werden folgende Schritte erwogen: das Bilden einer Metallschicht, einer Graphitschicht und einer Übergangsschicht zwischen der Metallschicht und der Graphitschicht; das Bilden eines Grünkörpers durch Pressen der Graphitschicht, der Übergangsschicht und der Metallschicht; und das Sintern des Grünkörpers.
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Ebenfalls wird erwogen, die Graphitschicht vorab zu bilden und dann die Übergangsschicht auf der Graphitschicht und die Metallschicht auf der Übergangsschicht zu bilden.
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Ferner wird erwogen, die Metallschicht vorab zu bilden und dann die Übergangsschicht auf der Metallschicht und die Graphitschicht auf der Übergangsschicht zu bilden.
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Das Verfahren zum Herstellen des Kommutators lässt sich ferner optimieren, indem das Mengenverhältnis zwischen dem Metallpulver und dem Graphitpulver in der Übergangsschicht 12 reguliert wird, so dass die Leistung des Kommutators bis zu einem gewissen Grad verbessert werden kann.
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Da die Übergangsschicht im Vergleich zum Stand der Technik das Material enthält, das identisch mit jenem der Graphitschicht und der Metallschicht ist, löst der erfindungsgemäße Kommutator das Problem der Rissbildung zwischen der Graphitschicht und der Metallschicht während des Sinterns mit hoher Temperatur. Die Lebensdauer des Kommutators wird verlängert. Das erfindungsgemäß bereitgestellte Verfahren zum Herstellen des Kommutators verringert die chemische Verschmutzung und verringert die Herstellungskosten, die durch das Elektroplattieren und Hartlöten bei den bekannten Verfahren entstehen. Die Bindekraft zwischen der Graphitschicht und der Metallschicht wird durch die Technologie verbessert, die Gesenkpressen und Sintern vorsieht. Die Aushärte- und Sintertemperatur, die in diesem Herstellungsverfahren verwendet werden, sind niedriger, so dass die Anforderungen an einen Betrieb in einer Umgebung mit einer höheren Anwendungstemperatur erfüllt werden. Der durch die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Kommutator ist insbesondere für einen Motor geeignet, der bei Vorrichtungen für den Transport von Flüssigkeiten verwendet wird, wie zum Beispiel bei einer Ölpumpe und dergleichen.
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Wenngleich die Erfindung anhand einer oder mehrere bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind. Daher wird der Schutzumfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche definiert.
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Sofern in der Beschreibung oder in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung die Begriffe "umfassen", "aufweisen", "enthalten" und "haben" sowie Variationen dieser Begriffe verwendet werden, soll damit zum Ausdruck gebracht werden, dass das jeweils genannte Element vorhanden ist, ohne dadurch auszuschließen, dass auch weitere Elemente vorhanden sind.
