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Die
Erfindung betrifft einen Kollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, einen Armierungsring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie ein
Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
17.
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Ein
Kollektor gattungsgemäß in Betracht
zu ziehender Art ist aus der
EP 0 634 062 B1 bekannt, der auf eine einfache
Weise wie mit schon früher
bekannten Glasroving-Armierungsringen zu montieren war, zusätzlich aber
die hohe mechanische und thermische Belastbarkeit und Steifigkeit
metallischer Armierungsringe einbezog. Der Schlüssel zu diesem Erfolg bestand
in einem als Einheit zu handhabendem doppellagigen Armierungsring,
bei dem die hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen bis
in den Bereich der Grenzbelastungen von Kollektoren hinein von einem
außenliegenden
metallischen Spannring, insbesondere einem Stahlring, gehalten werden,
in den als Isolator ein druckübertragender
Ring aus isolierendem Material, beispielsweise aus hochgefülltem GfK-Material
eng ein gepaßt
ist. Ein solches Isolatormaterial kann selbst dann, wenn die Kunststoff-Matrix
des Armierungsrings und des Kollektorkörpers ihre Festigkeit mit höheren Temperaturen
verliert, durch die Packlage der Glasfasern die Haltekräfte zwischen
den zu haltenden Kollektorlamellen und dem Spannring gewährleisten.
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Der
Vorteil der Belastbarkeit und Formfestigkeit und der gleichzeitig
einfachen Montage wird allerdings mit einem erheblichen Herstellungsaufwand für den Armierungsring
erkauft. Die sorgfältige
Herstellung eines isolierenden Stützrings setzt Spezialkenntnisse
bei der Verarbeitung und Bearbeitung von Glasfasern und des Matrix-Materials voraus.
Der so hergestellte Isolierring wird für einen festen (Preß-) Sitz
in einem Metallring an seiner Umfangsfläche präzise bearbeitet. Desgleichen
ist der metallische Spannring zumindest an der innenliegenden Sitzfläche für den Einsatz
des Stützrings
mit enger Preßsitz-Toleranz
zu bearbeiten, ehe die unterschiedlichen Lagen des Armierungsrings
fest zusammengefügt
werden können.
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Aus
der
DE 199 56 512
A1 ist ferner ein Kommutator bekannt, bei dem aus einem
Unterteil und einem Oberteil bestehende Lamellen zunächst mit dem
Unterteil auf einem vorgefertigten Isolierkörper angeordnet und dann durch
eine vorzugsweise gewickelte Armierung von Fasern festgelegt werden,
ehe die Oberteile der Lamellen auf die Unterteile aufgeschweißt oder
aufgelötet
werden. Ohne eine gesonderte Isolierung kommen als Fasern allerdings
nur Kunststoff- oder Glasfasern mit materialbedingter geringerer
Festigkeit als elektrisch nicht leitend in Betracht. In jedem Fall
ist die Herstellungsweise vielschrittig und aufwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es dementsprechend, einen Armierungsring zu schaffen,
der sich wie der vorbekannte Armierungsring als einstückiges Element
in herkömmlicher
Weise bei der Montage verwenden läßt und eine zumindest entsprechend hohe
mechanische und thermische Belastbarkeit aufweist, der aber einfacher,
billiger und schneller herzustellen ist, so daß auch der Kollektor insgesamt
eine entsprechende Qualität
zu einem günstigeren
Preis erhält
und diese Qualität
auch verläßlich im
einfacheren Herstellungsverfahren erzielt.
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Gemäß der Erfindung
ist diese Aufgabe mit einem Kollektor nach dem Anspruch 1, mit einem
Armierungsring nach dem Anspruch 14 und mit einem Verfahren nach
dem Anspruch 17 zu lösen.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Armierungsrings vereinfacht sich insbesondere dadurch, daß nicht
mehr ein massiver Metallring, insbesondere Stahlring, paßgenau gefertigt
und auf einen entsprechend paßgenau
gefertigten Stützring
aufgepreßt,
sondern daß ein
Wickelverbund aufgebracht wird.
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Insbesondere
der Wegfall der mit engsten Toleranzen auszuführenden Nachbearbeitungen von Stützring und
Spannring, für
einen hinreichend genauen Sitz, der aber vom Preßsitz her auch keine unerwünschten
und ggf. gefährlichen
Spannungen zwischen den beiden Teilen hervorrufen darf, schafft
erhebliche Vereinfachungen und Verbilligungen. Der Armierungsring
ist nunmehr nicht aus zwei gesondert gefertigten und danach miteinander
vereinigten Teilen zusammengesetzt, vielmehr entsteht der nunmehr
mit einem Spannringteil und einem Stützringteil zusammen zu fertigende
Armierungsring aus einem lediglich geschichteten Aufbau. Der Spannringteil, als
Wickel auf den Stützringteil
aufgebracht, umschließt
den Stützringteil
also schon von der Wickeltechnik her, ohne daß es einer Präzisionsbearbeitung von
Grenzflächen
bedürfte.
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Es
bedarf keiner besonderen Vorkehrungen mehr, einen zu losen Sitz
oder einen zu festen Sitz zwischen den Ringteilen zu erzielen. Eine
Vorspannung beim Aufwickeln des Spannringteils läßt sich vorteilhaft einstellen,
so daß der
Spannring nach Maß bereits
von Haus aus erhöhte
Ansprechkräfte
gegenüber
Fliehkräften
von den Lamellen her aufbietet.
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Der
Stützringteil
kann in herkömmlicher
Weise aus einem druckfesten isolierenden Material bestehen, wobei
die Hauptbelastung des Stützrings
auf Druck in vorwiegend radialer Richtung es erlaubt, von Ringen
oder Rohren für
den Stützringteil
auszugehen, die aus Ringen oder Rohren massiven druckfesten Isoliermaterials
gebildet sind, wie auch aus Verbundmaterial, bei dem solches Isoliermaterial
in zweckmäßig hohem
Füllungsgrad
faserig, körnig oder
in Folienform eingelagert ist.
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Für den Spannringteil
eignen sich unterschiedliche Filamente in metallischer Form oder
in Form von Kohlefasern und dgl., die eine ausreichende Festigkeit
und Steifigkeit bis in Temperaturbereiche aufweisen können, in
denen geläufige
thermoplastische und duroplastische Kunststoffe versagen. Es kommt
also darauf an, daß der
Spannringteil seine Belastbarkeit und Steifigkeit auch dann noch
in kritischen Belastungsbereichen beibehält, wenn die Kunststoff-Preßmasse des
Kollektors unter hohen und von der elektrischen Belastung her auch
unterschiedlichen Temperaturen, infolge der auf die Lamellen wirkenden
Fliehkräfte
und infolge der erheblichen Vorbelastungen beim Aufpressen eines
Kollektors auf eine Motorwelle und beim Anlöten bzw. Heißstemmen
der Wicklungsanschlüsse
nachzugeben droht. Sowohl bei der Verwendung metallischer Filamente,
etwa von Stahldraht ("Klavierdraht"), wie auch bei der
Verwendung von Kohlefasern ist dem Isolations-Problem mit dem Stützringteil
Rechnung getragen, so daß der
Spannringteil keinen Kurzschluß zwischen
den Kupferlamellen hervorruft, deren Innenstege bzw. Innensteg-Fortsätze er umgreift.
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Bei
der Verwendung von Stahldraht kommt auch ferromagnetisches Material
in Betracht, welches, falls gewünscht,
magnetisiert werden kann, um etwa Magnetsensoren für die Überwachung
von Drehwinkeln oder Drehzahlen zu versorgen.
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Stahldrähte oder
Kohlefasern lassen sich im Austausch oder auch im Gemisch einsetzen,
zumal deren Elastizitätsmodule
relativ hoch sind und dicht beieinander liegen. Die dadurch bedingte
Steifigkeit des Armierungsrings ist von hoher Bedeutung für dessen
Funktion beim Zusammenhalt eines Kollektors, bei dem die Festigkeit
eines Armierungsrings nicht erst bei erheblichen Verformungen zum
Tragen kommen darf. Der spielfrei und verspannungsfrei aufbringbare
Spannringteil läßt sich
weitgehend in einem die Fertigung des Stützringteils fortsetzenden Arbeitsgang
er stellen, wenn der Stützringteil
gleichfalls als Wickel aus isolierenden Filamenten, etwa aus "endlosen" Glas- oder Keramikfasern
gefertigt wird, die in eine Bindemittel-Matrix eingelagert sind. Eine solche
Matrix wird schon herkömmlich
für den vorbekannten
Armierungsring in Form eines duroplastischen Harzes gewählt. Die
Wickeltechnik erlaubt es durch die Vorgabe der Aufwickelkräfte, einen Anlagedruck
zwischen den aufgewickelten Filamenten vorzugeben, bei dem diese
engen Kontakt erhalten und ein zuvor beigegebenes aushärtbares
duroplastisches Harz so weit aus dem Wickel ausquetschen, daß ein hoher
Füllungsgrad
entsteht. Ein Spannringteil-Wickel aus Kohlestoffasern oder Metalldraht
ist praktisch mit der gleichen Technik und der gleichen Maschine
direkt anschließend
aufbringbar, wobei auch im einfachsten Fall das gleiche duroplastische
Harz verwendet wird. Das Aufwickeln erfolgt zweckmäßig zunächst in
Form langgestreckter Rohre, die dann zu einzelnen schmalen Ringen
abgelängt
werden. Es lassen sich die Rohre also für große Stückzahlen von Spannringen zunächst in
entsprechend großer
Länge wickeln
und auch in der Rohrform nach dem Wickeln aushärten, ehe daraus einzelne Ringe
hergestellt werden.
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Einige
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen.
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1 Schnitt
durch einen (halben) Kollektor
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2 u. 3 Schrägansicht
bzw. Querschnitt eines Armierungsrings zu einem Kollektor nach 1
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4, 5 u. 6 Querschnitt
von Armierungsringen abgewandelter Form und
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7 Schnitt
durch einen (halben) Kollektor in gegenüber 1 abgewandelter
Form.
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Ein
in 1 insgesamt mit 1 bezeichneter Kollektor
weist eine Anzahl fächerförmig am
Umfang verteilter Lamellen 2 auf, die sich jeweils vorwiegend in
einer radialaxialen Ebene bezüglich
einer Kollektorachse 3 erstrecken. Eine in 1 geschnitten
dargestellte Lamelle 2 bildet radial nach außen einen
Teil einer Lauffläche 4,
an den sich der elektrisch stromführende Lamellenteil 5 bis
zu einem Anschlußbereich 6 (für später noch
rückzubiegende
Wickelhaken) anschließt,
während
weiter innenliegend Innenstege 7 für eine mechanische Verankerung
der Lamelle im Kollektor 1 vorgesehen sind, die zum einen flächig in
einer (nicht dargestellten) Kunststoff-Preßmasse,
insbesondere Duroplastmasse, haftend eingebettet sind, darüber hinaus
aber Hinterschneidungen 8, 9 aufweisen, so daß sich auf
der Innenseite axial vorspringend Fortsätze 10,11 bilden,
die von Armierungsringen 12,13 umgriffen sind.
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Der
insoweit bekannte Grundaufbau eines (Trommel-) Kollektors unterscheidet
sich – unter
anderem – durch
die Armierungsringe 12,13, die in der Form nach 1 in 2 und 3 noch
einmal vergrößert dargestellt
sind. Der Armierungsring 12, der mit dem Armierungsring 13 übereinstimmt,
hat einen Rechteck-Querschnitt, der sich vom Material und Aufbau
in einen Stützringteil 14 und
einen Spannringteil 15 gliedern läßt, die hier beide etwa gleich
dick dargestellt sind. Dies ist allerdings keineswegs technisch
geboten oder naheliegend, da die beiden verschiedenen Ringteile
unterschiedliche Funktionen haben. Der Stützringteil hat eine Isolatorfunktion,
da er bei der Montage des Kollektors auf den Fortsätzen 10 bzw. 11 der
Lamellen-Innenstege aufliegt und einen Kontakt zwischen Lamellen
und Spannring verhindert. Diese Isolationswirkung ist schon bei
sehr kleiner Dicke zu erzielen, so daß es (nur noch) darauf ankommt,
daß wenigstens
eine Isolierschicht auch bei hoher thermischer und/oder mechanischer Grenzbelastung
zur Verfügung
steht.
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Der
Spannringteil 15 ist demgegenüber auf hohe Festigkeit und
insbesondere Steifigkeit auszulegen, so daß eine größere (radiale) Dicke des Spannringteils
im allge meinen als vorteilhaft angesehen werden kann.
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Im
vorliegenden Beispiel besteht der Stützringteil 14 aus
fest aufeinander gewickelten Glasfasern, die dementsprechend einen
hohen Füllungsgrad
im Stützringteil 14 ergeben
und nur in den verbleibenden Zwischenräumen durch eine Matrix duroplastischen
Harzes zusammengehalten sind. Der Stützringteil stellt also auch
dann noch eine thermisch und mechanisch feste Isolatorlage dar,
wenn die duroplastische Matrix nicht mehr belastbar ist. Die unmittelbar
aufeinanderliegenden Glasfasern nehmen den radialen Druck auf.
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Der
Spannringteil 15 besteht aus Kohlefasern hoher Festigkeit
(Bruchspannung) und Steifigkeit (Elastizitätsmodul) und ist gleichfalls
aus einem festen Wickel gefertigt, der mit der gleichen duroplastischen
Harz-Matrix wie der Stützringteil 14 verbunden
ist. Die beiden Ringteile gehen also insofern "fließend" ineinander über, als beim aufeinanderfolgenden
Wickeln die Matrix beibehalten bleibt und beide Ringteile durch
ein gemeinsames nachfolgendes Aushärten einstückig zusammenhängen.
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Die
Fertigung erfolgt dabei vorzugsweise in der Form, daß nicht
die einzelnen Ringe, etwa in einer getrennten Nebeneinanderlage
gewickelt sind, sondern daß ein
fortlaufendes Rohr mit einem innenliegenden Stützringmaterial und einem außenliegenden
Spannringmaterial gewickelt und in dieser Rohrform ausgehärtet wird.
Nachfolgend werden die Armierungsringe vom Rohr geschnitten.
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Wie
aus 1 zu ersehen ist, weisen die Hinterschneidungen 9 und 10 Ausrundungen 16,17 bzw. 18,19 auf,
von denen die Ausrundungen 17 und 18 zu den Fortsätzen 10 und 11 hin
von besonderer Bedeutung sind. Während
nämlich
bei herkömmlichen,
weitestgehend rechtwinklig bzw. eckig ausgeführten Hinterschneidungen ein
besonderes Augenmerk darauf zu richten war, daß etwa ein metallischer Spannring nicht
mit einer Stirnkante in der Hinterschneidung den Innensteg der Lamelle
kontaktiert, stellen die Ausrundungen eine Gestaltungsmöglichkeit
dar, mit der Form der Hinterschneidungen eine Berührungssicherheit
zu erzielen. Der Armierungsring wird bis zum Ansatz der Ausrundung
in den Einschnitt 8 bzw. 9 eingeschoben, so daß die Aussrundung
gewährleistet,
daß sich
der Armierungsring nicht etwa bis zu einem Kontakt zur Lamelle hin
verschiebt.
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In
den 4 bis 6 sind Armierungsringe dargestellt,
die mit einem vom einfachen Rechteck-Querschnitt abweichenden Querschnitt
einen Berührungsschutz
in axialer Richtung innerhalb der Hinterschneidung 8 bzw. 9 gewährleisten
können.
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So
ist ein Armierungsring nach 4 mit einer
gestuften Breite versehen, bei der ein innenliegender Stützring 20 – auf einer
Seite – eine
größere axiale
Breite als der darüber
gewickelte Spannring 21 aufweist. Der Überstand des Stützrings
schließt
eine Berührung
zwischen Spannring und Lamelle aus.
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Eine
entsprechende Wirkung läßt sich
mit einer durchgehenden stirnseitigen Abschrägung 23 bei einem
abgewandelten Armierungsring 24 gemäß 5 erzielen,
wobei wiederum ein Stützring 25 über einen
Spannring 26 axial hinaussteht. Diese Abschrägung ist
bei einem Ablängen
von Armierungsringen von einer für
das Wickeln vorteilhaften Rohr-Zwischenform einfach zu erzielen.
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Bei
einem Armierungsring 27 gemäß 6 ist eine
Abschrägung
28 im wesentlichen auf einen Armierungsring 29 beschränkt, während ein
Stützring 30 (etwa)
rechteckig bleibt. Zur Sicherheit gegen einen Berührungsschutz
kann die Abschrägung
zumindest geringfügig
in den Stützring 30 hineingezogen sein.
In jedem dieser Fälle
ist auch zu berücksichtigen,
daß regelmäßig bei
den Querschnitten der Armierungsringe wie auch bei den Abmessungen
und Hinterschneidungen der Lamellen im Sinne kompakter Bauformen
und geringer Herstellungskosten möglichst wenig "verschenkt" werden soll.
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Eine
Ausführungsform
eines Kollektors 31 nach 7 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
des Kollektors 1 nach 1 nur durch
die weiter ausgerundete Endflächen 32 bzw. 33 von
Hinterschneidungen zur Aufnahme von Armierungsringen 12,13 (übereinstimmend
mit denen nach 1). Es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß die
Hinterschneidungen vielfältig
gestaltet sein können,
um einerseits begrenzte Auflagerflächen 34,35 an
Fortsätzen 36,37 für die Armierungsringe 12,13 zu
erhalten und andererseits auch bei Armierungsringen mit dem (einfachen)
Rechteckquerschnitt einen Berührungsschutz
zu erhalten. Insofern kämen
auch gestufte oder abgeschrägte
Hinterschneidungen etwa als Gegenstück zu den Armierungsring-Querschnitten
nach 4 bis 6 in Betracht. Es hat sich allerdings
gezeigt, daß halbrunde
Hinterschneidungen 32,33 die Innenstege wenig
schwächen,
da sie Kerbspannungen weitgehend vermeiden. Überdies sind die freien Innenräume vorteilhaft
für einen
Materialfluß der Kunststoffpreßmasse,
die den Kollektor nach der Montage als Isolator und Tragkörper fixiert
und auch im Bereich der Hinterschneidungen und der Zwischenräume zwischen
den Innenstegen fehlerfrei einfließen soll.