DE19601863A1 - Kollektor in Flachbauart und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kollektor (Kommutator) der in einen kleinbemessenen Elektromotor einzubauen ist, und ins­ besondere einen Kollektor in Flachbauart (Flachkollektor) dessen Gleitkontaktfläche, die in Kontakt mit einer Bürste steht, senkrecht zur Axialrichtung des Rotors steht. Die Erfindung betrifft desweiteren ein Verfahren zur Herstel­ lung eines derartigen Flachkollektors.

Bei Elektromotoren als Antriebsquellen für Gebläse, die in einer verunreinigten Gasatmosphäre betrieben werden, für Förderpumpen, die bei Kraftstoffen mit aufgrund von Ver­ sauerung verschlechterter Qualität etc. betrieben werden, und bei anderen Einsatzgebieten sind die Korrosion und die Abnutzung in den Motorenkollektoren im Vergleich mit sol­ chen deutlich beschleunigt, die an der Luft betrieben wer­ den. Als Materialien für die Kollektorbestandteile werden normalerweise verschiedene Legierungen mit Kupfer oder Sil­ ber als Hauptbestandteil verwendet. Die gegenwärtige Situa­ tion ist jedoch so, daß diese Materialien hinsichtlich ih­ rer erforderlichen Härte aufgrund nicht vermeidbarer Korro­ sion und Abnutzung, wie oben genannt wurde, unbefriedigend sind. Angesichts dessen ist es erforderlich, weniger korro­ sive Materialien als Kollektorbestandteile zu verwenden, wobei Kohlenstoff als angemessen angesehen wird. Kohlen­ stoff ist jedoch hinsichtlich seiner Ausbreitungeigen­ schaften verglichen mit solchen Metallmaterialien unzurei­ chend, mit der Folge, daß es nicht möglich ist, einen Ha­ kenteil zum Verbinden der Motorwindung an dem Kollektor di­ rekt anzubringen. Aufgrunddessen ist nicht zu vermeiden, daß der Hakenteil zur Verbindung der Motorwindung separat aus einem Metallmaterial gefertigt wird, das dann mit den Kollektorbestandteilen verbunden wird.

Ein Flachkollektor, der durch eine feste Verbindung des obengenannten Metallha­ kens und der Kohlenstoffkollektorfragmente zusammengesetzt ist, ist bekannt (siehe japanische Patentanmeldung "KOHYO"- Veröffentlichung Nr. 5-502974), wobei einer Metallscheibe, bei der Hakenteile radial an der Gleitkontaktflächenseite für die Bürste an einem elektrisch isolierenden Träger an seinem Umfang und in einer Anzahl, die den Kollektorfrag­ menten entspricht, gleichzeitig mit den Gußformen des elek­ trisch isolierenden Trägers angebracht wird. Anschließend wird ein Graphitkollektorelement, auf dessen Verbindungs­ fläche vorher eine Plattierung durchgeführt wurde, gelötet oder geschweißt, und anschließend werden Schlitze in diesem Graphitkollektorelement, der Metallscheibe und einem Teil des elektrisch isolierenden Trägers ausgebildet, um auf diese Weise eine Anzahl von gegenseitig isolierten Kollek­ torstücken zu erzeugen. Wie insbesondere in Fig. 6 der bei­ gefügten Zeichnung dargestellt ist, sind eine Metallplatte 15 mit einem Haken und ein Graphitkollektorstück 13 fest­ stehend übereinander auf einem elektrisch isolierenden Trä­ ger 11 angeordnet, der die Basis für den Flachkollektor bildet.

Ein derartiger Flachkollektor ist bei der Herstellung sowohl unpraktisch als auch teuer, da die Plattierungsbear­ beitung vorher an der Verbindungsfläche des Kollektorele­ mentes aus Graphit mit dem Metallscheibenhaken darauf durchgeführt werden muß. Abhängig von den Plattierungsbe­ dingungen können aufgrund des Lötens unvorteilhafte Ein­ flüsse hinsichtlich der Befestigungskraft der Graphitkommu­ tatorstücke auftreten. Desweiteren tritt ein Quelleffekt in dem geformten Graphitprodukt bei Kraftstoffen, insbesondere verunreinigten Kraftstoffen, auf, aufgrund dessen die Befe­ stigungskraft zwischen der plattierten Schicht und dem ge­ formten Graphitprodukt unweigerlich vermindert wird.

Die Verwendung von Metallen wie Kupfer etc. für die Plat­ tierung vermindert nicht nur die Haftkraft zwischen den Graphitkollektorteilen und der Metallplatte mit Haken, son­ dern auch die elektrische Leitfähigkeit, so daß der Kollek­ tor seine Funktionsfähigkeit verliert. Um die Widerstands­ fähigkeit des Kollektors zu erhöhen, könnte ins Auge gefaßt werden, die Dicke des Kollektorteils in der Preßrichtung der Kollektorbürste zu erhöhen. Da jedoch der Hauptzweck des Flachkollektors in der Miniaturisierung des Motors zu sehen ist, ist eine Vergrößerung der Dicke des Kollektor­ teils unerwünscht.

Im Hinblick auf die obengenannten verschiedenen Problem­ punkte des bekannten Flachkollektors ist es eine Hauptauf­ gabe der Erfindung, einen Flachkollektor zu schaffen, der eine Fixierung des Kollektorteils aus Kohlenstoff (Graphit) bezüglich der Metallplatte mit Haken und dem elektrisch isolierenden Träger sicherstellt, und der eine verlängerte Lebensdauer gegen Abnutzung des Kollektorteils aufweist und einfach und mit geringeren Kosten herstellbar ist.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Flachkollektor in einem Aufbau geschaffen, bei dem die Gleitkontaktfläche für die Kollektorbürste rechtwinklig zur Axialrichtung des Rotors liegt und bei dem eine Anzahl von Kollektorstücken, die jeweils voneinander durch Schlitze isoliert sind, direkt auf dem elektrisch isolierenden Trä­ ger fixiert sind, und wobei eine Metallplatte zum Verbinden des Kollektorstücks, die einen Anschluß zum Verbinden der Motorwindung aufweist, an der äußeren Umfangsfläche jedes Kollektorstücks fixiert ist, die parallel mit der Axial­ richtung des Rotors ist.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung dieses Flachkollektors angegeben, mit den Schritten: Eingießen ei­ ner Endfläche eines Metallsteg-Ringelement entlang der Um­ fangskante des elektrisch isolierenden Trägers an seiner Gleitkontaktflächenseite für die Kollektorbürste; Einbrin­ gen des Kollektormaterials, das hauptsächlich aus Graphit besteht, in einen Ausnehmungsbereich, der durch den elek­ trisch isolierenden Träger und das Metallsteg-Ringelement, das mit dem elektrisch isolierenden Träger zusammengesetzt ist, gebildet wird, und anschließendes Durchführen einer Pulverpreßformung und -heizung; und, zum Isolieren, Ausbil­ den von Schlitzen in der Oberfläche des verfestigten Kol­ lektorelementes, wobei das Metallsteg-Ringelement um den Außenumfang des Kollektorelementes und den elektrisch iso­ lierenden Träger an seiner Fläche an der Seite des Kollek­ torelementes herum angeordnet ist, um dadurch das Kollekto­ relement in eine Anzahl von Kollektorfragmenten aufzutei­ len.

Die vorstehenden Aufgaben, weitere Aufgaben sowie der spe­ zielle Aufbau des erfindungsgemäßen Flachkollektors und das Verfahren zu seiner Herstellung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Flachkol­ lektor,

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung des Kollektors entlang der Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung des Verbindungselemen­ tes auf dem isolierenden Träger, des Kollektor­ stücks und der Metallplatte zum Verbinden des Kol­ lektorstücks,

Fig. 4 eine Aufsicht zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flachkollektors,

Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung entlang der Linie B-B der Fig. 4 und

Fig. 6 eine Längsschnittdarstellung eines bekannten Flach­ kollektor.

Das obengenannte Metallsteg-Ringelement ist durch Eingießen derart gebildet, daß es mit dem elektrisch isolierenden Träger formschlüssig ist. Die Kollektorstücke sind aus ei­ nem Material gefertigt, das hauptsächlich aus Graphit be­ steht. Es ist ferner möglich, das Pulverpreßformen und -heizen des Materials für die Kollektorstücke durchzufüh­ ren, wenn die Kollektorstück-Befestigungsfläche des elek­ trisch isolierenden Trägers unregelmäßig geformt wird.

Sowohl der elektrisch isolierende Träger als auch die Gra­ phitkollektorstücke sind direkt und fest miteinander verbunden, während die Kollektorstück-Befestigungsmetall­ platte mit dem Anschluß zum Verbinden der Windung auf dem elektrisch isolierenden Träger fixiert ist. Beim Formen der Graphitkollektorstücke bilden der Ausnehmungsteil, der durch den elektrisch isolierenden Träger und das Metall­ steg-Ringelement gebildet wird, das durch Einschlußgießen entlang der Umfangskante des elektrisch isolierenden Trä­ gers an der Seite der Gleitkontaktfläche für die Kollektor­ bürste geformt wird, eine Metallform zum Formen der Kollek­ torstücke.

Im Folgenden wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Flach­ kollektors im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügte Zeich­ nung erläutert.

Die Fig. 1 und 2 sind eine Aufsicht bzw. eine Längs­ schnittdarstellung entlang der Linie A-A der Fig. 1, wobei die Bezugsziffer 1 einen im Oberteil geformten elektrisch isolierenden Träger aus einem starren synthetischen Harz bezeichnet. Ziff. 2 bezeichnet ein Paßloch in der Mitte des Trägers zur Aufnahme der Drehachse (in den Zeichnungen nicht dargestellt) des Motors. Eine Anzahl von Kollektor­ stücken 3, jeweils in Sektorform, sind direkt auf der Ober­ fläche des elektrisch isolierenden Trägers 1 an der Gleit­ kontaktflächenseite für die Bürste fixiert (d. h. auf der Fläche, die rechtwinklig zur Richtung des Rotorwellenpaßlo­ ches 2 liegt) und die der Fixierungsseite gegenüberliegende Oberfläche wird zur Gleitkontaktfläche für die Bürste. Je­ des Kollektorstück 3 ist aus Graphit als Kohlenstoffmate­ rial gefertigt, wobei ein Material, das hauptsächlich aus Graphit besteht, einer Pulverpreßformung und einer Heizbe­ handlung unterzogen wird, wodurch der Kollektor erhalten wird. Die Kollektorstück-Befestigungsfläche 1B des elek­ trisch isolierenden Trägers 1 ist durch kleine Vertiefungen und Erhebungen oder eine Anzahl von Nuten oder in anderer Weise irregulär gestaltet, wodurch die Befestigungsfläche des elektrisch isolierenden Trägers 1 für die Kollektor­ stücke 3 erhöht wird. Aneinandergrenzende Kollektorstücke 3 sind elektrisch voneinander isoliert. Die Schlitze 4 sind teilweise in den elektrisch isolierenden Träger 1 zum Fixieren der Kollektorstücke eingeschnitten. Desweiteren sind Metallplatten 5 zum Verbinden der Kollektorstücke individuell an der Außenumfangsfläche jedes genannten Kol­ lektorstücks 3 fixiert, die parallel zum Rotorwellenpaßloch 2 liegt (d. h. auf der Fläche entlang der Umfangsrichtung). Gleichzeitig ist ein Teil der Kollektorstück-Verbindungs- Metallplatte 5 in den elektrisch isolierenden Träger 1 ein­ gebettet. Ein Anschluß 6 ist an der Metallplatte 5 ange­ bracht, und die Windung des Motors ist mit diesem Anschluß 6 verbunden. Dieser Anschluß 6 wird durch Preßstanzen und Ausbiegen eines Metallmaterials gefertigt, das einstückig mit der Metallplatte 5 ist.

Kleine Vorsprünge 7 sind an der Innenfläche der Metall­ platte 5 derart vorgesehen, daß sie die Befestigung zwi­ schen den Kollektorstücken 3 und der Metallplatte 5 ver­ stärken. Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verstärkungsmittel zwischen dem Kollektorstück 3 und der Metallplatte 5, wobei ein kleines Loch 8 in der Metall­ platte 5 ausgebildet wird, in das das Material für das Kol­ lektorstück 3 eingebracht wird. Gleichzeitig wird Material des elektrisch isolierenden Trägers 1 in ein weiteres klei­ nes Loch 9 der Metallplatte 5 eingebracht, um die Befesti­ gung zwischen dem Kollektorstück 3 und dem elektrisch iso­ lierenden Träger 1 zu erhöhen. Die Metallplatte 5 ist form­ schlüssig mit dem elektrisch isolierenden Träger 1, d. h. sie ist mit dem elektrisch isolierenden Träger 1 in einem Körper integriert, wenn der elektrisch isolierende Träger 1 aus synthetischem Harz gefertigt ist, ohne die Verwendung von Verbindungsmitteln wie einem Haftmittel, einer Schrau­ be, einem Bolzen, einem Niet oder Verstemmen. Das Kollek­ torstück 3 und die Metallplatte 5 können ebenso durch Löten oder mittels eines elektrisch leitenden Haftmittels befe­ stigt werden, vorausgesetzt, daß eine erforderliche Fixier­ kraft erreichbar ist.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Flach­ kollektors gemäß der Erfindung erläutert. Der elektrisch isolierende Träger wird in derselben Weise wie früher durch Formgießen erhalten. Während dieses Formgießens wird ein ringförmiges Metallstegelement 5A entlang der Umfangskante des elektrisch isolierenden Trägers 1 an seiner Bür­ stengleitkontaktfläche in einer solchen Weise eingegossen, daß eine Endfläche des ringförmigen Elementes 5A in den elektrisch isolierenden Träger 1 eingebettet wird, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Wie in dem illustrier­ ten Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, daß ein Teil 1A des Materials, das den elektrisch isolierenden Träger 1 bildet, um den Außenumfang des ringförmigen Metallsteg-Ele­ mentes 5A herumgelegt ist. Der Anschluß 6 ist vorher in ei­ ner vorgegebenen Position am Außenumfang des ringförmigen Metallsteg-Elementes A vorgesehen. Anschließend wird Mate­ rial für den Kollektor mit Graphit als Hauptbestandteil in die flache runde Ausnehmung C, die in der Mitte des elek­ trisch isolierenden Trägers 1 ausgebildet wird, einge­ bracht, die durch Eingießen des ringförmigen Metallsteg- Elementes 5A an und um den elektrisch isolierenden Träger 1 gefertigt wurde, gefolgt von Pulverpreßformen und -heizen. Das heißt, sowohl der elektrisch isolierende Träger 1 als auch das Metallstegelement 5A werden als Metallform für das Pulverpreßformen verwendet.

Anschließend werden Schlitze 4 in Radialrichtung, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, in die Oberflächen des verfestigten Kollektorelementes, des ringförmigen Metall­ steg-Elementes 5A, das an dem Außenumfang des Kollektorele­ mentes angeordnet ist, und den elektrisch isolierenden Trä­ ger 1 an der Seite des Kollektorelementes eingeschnitten, wodurch das Kollektorelement in eine Anzahl von gegenseitig isolierten Kollektorstücken 3 unterteilt wird. Durch Durchführen dieser Prozeßschritte wird ein flacher Kollek­ tor erhalten, bei dem die drei Teile, d. h. der elektrisch isolierenden Träger 1, die Kollektorstücke 3, die direkt auf dem Träger 1 fixiert sind, und die Metallplatte 5 inte­ gral verbunden sind.

Wie vorstehend beschrieben wurde, sind bei dem flachen Kol­ lektor gemäß der Erfindung die Kollektorstücke direkt am elektrisch isolierenden Träger fixiert, so daß kein Insta­ bilitätsfaktor hinsichtlich der Fixierungskraft zwischen dem Kollektorstück und dem elektrisch isolierenden Träger besteht, verglichen mit der Fixierungskraft, die beim kon­ ventionellen Plattieren und Fixieren erzielt wird. Auch wenn der mit diesem Flachkollektor versehenene Motor in Flüssigkeiten wie Kraftstoffen und anderen betrieben wird, wird die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem elektrisch isolierenden Träger und dem Kollektorstück und der Kollektorstück-Verbindungs-Metallplatte weiter ver­ stärkt, da die äußere Umfangsfläche des Flachkollektors durch die Metallplatte gegen ein Quellen des Kolektor­ stücks, das durch Pulverpreßformen erhalten wird, gestützt ist. Die Kollektorstück-Verbindungs-Metallplatte dient zum sicheren Halten der Kollektorstücke gegen Zentrifugalkräf­ te, die während der Drehung des Kollektors auftreten. Da desweiteren die Dicke des Kollektors wegen der Abwesenheit der Metallplatte zwischen dem elektrisch isolierenden Trä­ ger und den Kollektorstücken erhöht werden kann, können ausreichende Abmessungen für mögliche Abnutzung des Kollek­ tors erzielt werden, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden das Formen der Kollektorstücke und das Fixieren der Kollektor­ stücke an sowohl dem elektrisch isolierenden Träger als auch an der Metallplatte gleichzeitig durchgeführt, so daß kein Plattierungs- und Klebeschritt wie beim bekannten Kol­ lektor erforderlich ist, und die Anzahl der Verarbeitungs­ schritte deutlich reduziert ist, wodurch Arbeitszeit ge­ spart werden kann.

Claims (13)

1. Flachkollektor, dessen Bürstengleitkontaktfläche recht­ winklig zur Axialrichtung eines Rotors ist, wobei eine An­ zahl von durch Schlitze (4) gegenseitig isolierten Kollek­ torstücken (3) direkt auf einem elektrisch isolierenden Träger (1) fixiert sind und wobei eine Metallplatte (5) zum Verbinden der Kollektorstücke jeweils einen Anschluß (6) zum Verbinden von Windungen aufweist und auf der Umfangs­ fläche jedes Kollektorstücks (3) fixiert ist, wobei die Umfangsfläche parallel zu der Axialrichtung des Rotors ist.

2. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei der elektrisch isolierende Träger (1) aus einem star­ ren Synthetikharz gebildet ist.

3. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei das Kollektorstück (3) ein Produkt ist, das durch Pulverpreßformen und -heizen eines Materials erhalten wird, das Graphit als Hauptbestandteil enthält.

4. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei die Fixierungsfläche (1B) des Kollektorstücks des elektrisch isolierenden Trägers (1) eine unregelmäßige Oberfläche ist.

5. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei sehr kleine Ausnehmungen und Erhebungen in der Fixie­ rungsfläche (1B) für die Kollektorstücke des elektrisch isolierenden Trägers (1) gebildet sind.

6. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Nuten in der Fixierungsfläche für die Kollektorstücke des elektrisch isolierenden Trägers (1) ge­ bildet sind.

7. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei die Metallverbindungsplatte (5) für das Kommutator­ stück formschlüssig mit dem elektrisch isolierenden Träger ist.

8. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Verbindungsplatte (5) in den elektrisch isolierenden Träger (1) eingebettet ist.

9. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei ein Teil des elektrisch isolierenden Trägers (1) in ein kleines Loch (9) der Metallverbindungsplatte (5) ragt.

10. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei ein kleiner Vorsprung (7) an der Innenfläche der Me­ tallverbundungsplatte (5) in das Kollektorstück (3) ragt.

11. Flachkollektor nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Kollektorstücks (39) in ein kleines Loch (8) in der Metallverbindung (5) ragt.

12. Verfahren zur Herstellung eines Flachkollektors mit den Schritten:
gleichzeitig mit dem Formgießen eines elektrisch isolieren­ den Trägers (1) das Eingießen einer Endfläche eines Metall­ steg-Ringelementes (5A) entlang der Umfangskante des elek­ trisch isolierenden Trägers (1) an der Seite einer Bürsten­ gleitkontaktfläche,
Einbringen eines Materials für den Kollektor, das haupt­ sächlich aus Graphit besteht, in einen Ausnehmungsteil (C), der durch den elektrisch isolierenden Träger (1) und das Metallsteg-Ringelement (5A), das mit dem elektrisch isolie­ renden Träger (1) zusammenmontiert ist, gebildet wird, und Ausführen einer Pulverpreßformung und -heizung des Kollek­ tormaterials und
Ausbilden von Isolierschlitzen (5) in dem verfestigten Kol­ lektorteil, in dem Metallsteg-Ringelement (5A) in dem Außenumfang des Kollektorteils und in der Oberfläche des elektrisch isolierenden Trägers (1) an der Seite des Kol­ lektorteils, um den Kollektorteil in einer Anzahl von Kol­ lektorfragmeten zu unterteilen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Anschluß (6) zum Verbinden der Windung vorher am Außenumfang des Ringelementes (5A) gebildet wird.