DE19617524A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kommutators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Kommutator.

Kommutatoren z. B. für KFZ-Starter können grundsätzlich in drei Arten eingeteilt werden, den sogenannten Einzellamellenkommutator (ELK), den sogenannten Rollkommutator (RK) und den Fließpreßkommutator (FK). Ersterer ist aus einzelnen Lamellen aufgebaut, die ringförmig angeordnet sind und mittels zusätzlicher Teile (Metallringe, Glasfaserringe) gegen Fließkräfte geschützt werden können. Der mechanische Verbund wird mit einer Kunststoffmasse stabilisiert, die jedoch nur geringe Fliehkräfte aufnehmen kann und die die Kommutatornabe bildet.

Im Gegensatz hierzu muß die Kunststoffpreßmasse beim Einzellamellenkommutator ohne mechanische Verbindungsmittel, beim Rollkommutator und beim Fließpreßkommutator die gesamten Fliehkräfte aufnehmen. Der Rollkommutator ist besonders kostengünstig und für die Großserienfertigung geeignet. Seine Lamellen werden aus Bändern leitfähigen Materials so hergestellt, daß sie in ihrer Rohform noch als Bänder zusammenhängen und bei der Kommutatorfertigung in einfacher Weise zu einem Zylinder gerollt werden können. Durch die besondere Herstellungsart sind die Lamellen jedoch in ihrer Formgebung beschränkt. Sie können wirtschaftlich nur quer zur Bandrichtung bearbeitet werden und eignen sich deshalb nicht für eine Befestigung mit Ringen. Sie weisen nach innen schwalbenschwanzähnliche Formen bzw. angescherte krallenähnliche Formen auf, deren Geometrie sich nach dem Verpressen mit der Kunststoffpreßmasse verkrallen sollen. Dieser Formschluß reicht aber bei hohen Drehzahlen nicht aus, so daß Lamellen ausgeschleudert werden können. Eine zusätzliche Stabilität könnte durch Adhäsionskräfte zwischen dem Kunststoff und den Lamellen erreicht werden. Dies ist aber bei den verwendeten asbestfreien Stoffen nicht der Fall.

Startermotoren sind i. A. Gleichstromhaupt- bzw. Gleichstromnebenschlußmotoren mit elektrischer bzw. permanentmagnetischer Erregung. Das Bauvolumen und das Gewicht dieser Startermotoren wird bei gleicher Leistung wesentlich von der Drehzahl bestimmt. Durch den Einsatz von Vorgelegestartern wird die Drehzahl des Startermotors in einem gewissen Maße variabel und muß aus Gründen der Gewichtsreduzierung möglichst hoch gewählt werden.

Die Gewichtsreduzierung ist bei KFZ-Startern deshalb von Bedeutung, da die Automobilhersteller nach einer allgemeinen Gewichtseinsparung trachten und der Starter findet hier insbesondere Beachtung, da er nur in der Startphase des Verbrennungsmotors benötigt wird und während der Fahrt als Totgewicht wirkt und zu einem Mehrverbrauch führt.

Um Kommutatoren für eine hohe Drehzahl tauglich zu machen, ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators zu finden, das eine besonders feste Verbindung zwischen den Lamellen und der Kunststoffpreßmasse verwirklicht und einen Kommutator mit diesen Eigenschaften zu schaffen. Der Kommutator soll insbesondere Drehzahlen von 40 000 Umdrehungen/min und mehr standhalten können und auch eine Temperaturbeständigkeit bis zu 400°C aufweisen. Zusätzlich ist es natürlich von wirtschaftlicher Bedeutung, daß der Fertigungsaufwand der Einzelteile sowie der Aufwand für die Montage möglichst gering gehalten werden. Die beiden zuletzt genannten Eigenschaften lassen sich durch Fließpreßkommutatoren und insbesondere durch Rollkommutatoren verwirklichen. Die vorliegende Erfindung bietet aber auch Vorteile für Einzellamellenkommutatoren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche der Lamellen eine gleichmäßige Oxidschicht aufgebracht wird und anschließend die Verpressung mit der Kunststoffpreßmasse stattfindet. Diese Oxidschicht dient als Haftvermittler zwischen dem Lamellenmaterial und der Kunststoffpreßmasse. Dadurch wird die Schleuderfestigkeit des Kommutators wesentlich erhöht.

Ein solcher Kommutator erhöht die Sicherheit der Starter beim Überholvorgang (der Verbrennungsmotor überholt den eingespurten Starter kurzzeitig nach erfolgtem Start. Der Starter wird durch die unvermeidbare Reibung im Freilauf über die Leerlaufdrehzahl hinaus beschleunigt).

Ein solcher Kommutator ermöglicht die Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses im Vorgelege, eine Erhöhung der Starterdrehzahl und damit die Entwicklung kleinerer und leichterer Starter.

Durch die bessere Haftung der Lamellen mit der Kunststoffpreßmasse wird eine fliehkraftbedingte Anhebung der Lamellen verhindert, so daß die Ebenheit der Kohlebürstenlauffläche erhöht wird. Dies führt zu einer besseren Kommutierung, zu einer Verbesserung der Starterleistung und zu einer verlängerten Standzeit der Kohlebürsten. Durch den geringen Kohlebürstenverschleiß ergeben sich Ratiopotentiale bei den Kohlebürsten und Bauraumverkleinerung im Bürstenbereich des Starters.

Die Herstellung der Oxidschicht auf den Lamellen des Kommutators gelingt am besten, wenn ihre Oberfläche völlig fettfrei gemacht und von jeglichen Belägen befreit wird. Als Oxydationsmittel eignen sich z. B. für Kupferlamellen Verbindungen, die Cu vom nullwertigen Zustand in die Oxydationsstufe +1 überführen können. Die weitere Oxydation zur Oxydationsstufe +2 soll weitestgehend vermieden werden. Z. B. kann eine alkalische Lösung von Natrium- oder Kaliumperoxidsulfat (K₂S₂O₈ oder Na₂S₂O₈) oder Natriumchlorit (NaClO₂) zur Oxydation verwendet werden. Höhere Temperaturen (60°C-90°C) verkürzen die Reaktionszeit.

Die Gegenwart von Tensiden (Netzmittel) verbessern die Gleichmäßigkeit der Kupferoxidbildung auf der Oberfläche.

Als Reaktionsmedium hat sich eine Alkalilauge, bevorzugt NaOH mit der Konzentration 2 N, bewährt. Andere Konzentrationen sind möglich. Die Durchführung der Oxydation in starker Alkalilösung soll verhindern, daß sich Kupfersalze, z. B. CuSO₄, auf der Oberfläche abscheiden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll nunmehr mit Hilfe der Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden, wobei sich bei Versuchen mit derart erfindungsgemäß hergestellten Kommutatoren eine Erhöhung der Schleuderfestigkeit um den Faktor 2,5 ergab, d. h. die Schleuderbruchdrehzahl ist 2,5mal höher als bei vergleichbaren Serienkommutatoren, ohne Oxydation des Lamellenringes.

Fig. 1 zeigt den Verfahrensablauf zur Oxydation und Fig. 2 zeigt den fertigen Kommutator halb geschnitten.

Zur Herstellung eines Rollkommutators 20 werden aus einem Kupferband gegurtete Lamellen 21 ausgestanzt und dieses Stanzprodukt wird zu einem Lamellenring gerollt. Anschließend wird dieser Lamellenring gemäß Schritt 10 mit einem Entfettungsmittel gereinigt, wobei dem Fachmann hierzu mehrere Entfettungsmittel und Entfettungsverfahren bekannt sind. Anschließend wird der Lamellenring gemäß Schritt 11 mit Wasser gespült.

Zur Herstellung der Oxidschicht 22 wird gemäß Schritt 12 eine alkalische Kalium- oder Natriumperoxidsulfatlösung auf 50 bis 90°C, vorzugsweise auf 80°C, erhitzt. Die Alkalität der Lösung liegt bei 1 bis 2 N. Die Konzentration des Kalium- oder Natriumperoxidsulfates beträgt 6 bis 10 Gew.-%. Zu diesem Oxydationsbad werden 0,05 Gew.-% eines Tensides zugegeben. In dieser Oxidationslösung wird der Lamellenring unter ständiger Bewegung 45 bis 60 Sekunden lang behandelt und danach gemäß Schritt 13 sofort mit Wasser gespült und gemäß Schritt 14 sodann getrocknet. Dann kann die Verpressung mit einer Phenolharzmasse 23, wie bekannt, erfolgen. Dabei bleiben, wie auch bekannt, die die Lamellen verbindenden Stege über der Phenolharzoberfläche erhaben und werden nach dem Erstarren der Phenolharzmasse abgetragen, wodurch es zu einer Vereinzelung der Lamellen kommt.

Als Alternative kann die Oxidationslösung eine alkalische Natriumchloritlösung mit der Konzentration von 6 bis 10 Gew.-% an NaClO₂ und 0,05 Gew.-% eines Tensides sein. Die Lösung wird auf ca. 80°C erwärmt und der gründlich gereinigte Lamellenring wird unter steter Bewegung 1 bis 2 Minuten in diesem Bad behandelt. Danach wird er sofort gespült, bis das Waschwasser halogenfrei ist und in Folge getrocknet.

Beide der eben genannten Oxydationslösungszusammensetzungen bewirken eine Oxydation der Kupferoberfläche, bei der zuerst Cu₂O (Kupfer-I- oxid) gebildet wird. Diese Schicht hat eine braungraune bis blaugraue Farbe. Durch weitere Oxydation würde aus dem Kupfer-I-oxid das schwarze Kupfer-II-oxid, CuO, entstehen. Diese Oxydation von Kupfer- I-oxid zum Kupfer-II-oxid soll aber weitgehend vermieden werden, denn das metallische Kupfer und Kupfer-I-oxid haben die gleiche Kristallstruktur (kubisch-flächenzentriert). Daher haftet aufgewachsenes Kupfer-I-oxid auf der Kupferoberfläche besonders gut und ergibt eine wesentlich stabilere Verbindung. Die Verweilzeit des Lamellenringes im Oxydationsbad ist also in Hinblick auf die nachher erreichte Stabilität wesentlich.

Die Vereinzelung der Lamellen erfolgt durch Trennschnitte an den Verbindungsstegen zwischen den Lamellen, auf deren Lauffläche sodann durch spanabhebendes Abdrehen die elektrisch isolierenden Kupferoxidschicht entfernt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators, der Lamellen, insbesondere aus Kupfer aufweist, die vorzugsweise zu einem Lamellenring verbunden sind und durch Verpressen mit einer Kunststoffpreßmasse, insbesondere aus Phenolharz, in dieser verankert werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Lamellen eine gleichmäßige Oxidschicht, vorzugsweise Kupferoxidschicht mit vorwiegend Cu-I-oxid aufgebracht wird und anschließend die Verpressung mit der Kunststoffpreßmasse stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Oxidschicht durch Benetzen der Lamellen mit einer Oxydationslösung erfolgt, anschließend die Reste der Oxydationslösung, vorzugsweise mit Wasser entfernt werden und schließlich die Verpressung mit der Kunststoffpreßmasse stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydationslösung ein Oxidationsmittel vorzugsweise eine alkalische Lösung von Natrium- oder Kaliumperoxidsulfat oder Natriumchlorit enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydationslösung neben dem Oxydationsmittel als Reaktionsmittel eine Alkalilauge, vorzugsweise Natronlauge, insbesondere mit der Konzentration 2 N enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Oxydationsmittels in der Oxydationslösung 5-25 Gew.-% beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydationslösung weiters Netzmittel in Form von Tensiden, vorzugsweise in einer Menge von 0,05 Gew.-%, enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzung der Lamellen mit Oxydationslösung durch Tauchen und Bewegen in einem Oxydationsbad bei einer Temperatur von 60-90°C, vorzugsweise 80°C, für eine halbe bis fünf Minuten vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen vor der Aufbringung der Oxidschicht mit einem Entfettungsmittel entfettet und anschließend das Entfettungsmittel mit einem Spülmittel, vorzugsweise Wasser entfernt wird.

9. Kommutator mit Lamellen, vorzugsweise aus Kupfer und einem gepreßten Kunststoffkörper, vorzugsweise aus Phenolharz, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lamellen (21) und dem gepreßten Kunststoffkörper (23) eine Oxidschicht (22), vorzugsweise eine Kupferoxidschicht mit vorwiegend Cu-I-oxid vorgesehen ist.