DE19752626A1 - Kommutator für Motoren, bei welchem amorpher Kohlenstoff verwendet wird, und den Kommutator verwendende Kraftstoffpumpeneinheit - Google Patents
Kommutator für Motoren, bei welchem amorpher Kohlenstoff verwendet wird, und den Kommutator verwendende KraftstoffpumpeneinheitInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten
Kommutator für einen Motor sowie auf eine Kraftstoffpumpen
einheit, in welcher dieser verwendet wird.
Als Kraftstoffpumpeneinheit für ein Kraftfahrzeug ist bei
spielsweise eine elektromagnetisch betriebene Kraftstoffpum
peneinheit bekannt, die einen Elektromotor und eine motorbe
triebene Pumpe einschließt. In diesem Motor dreht sich ein
mit Spulen umwickelter Anker, wenn aus einer elektrischen
Stromquelle der Anker über Schleifkontakte zwischen Bürsten
und Kontaktteilen eines Kommutators mit elektrischem Strom
versorgt wird. Durch diesen Motor wird ein Laufrad der Pumpe
gedreht, welches wiederum Kraftstoff aus einem Kraftstofftank
ansaugt und diesen einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs
zuführt.
Jedes Kontaktteil des Kommutators ist im allgemeinen aus Kup
fer gefertigt. Da die Lebensdauer der Bürste aufgrund des
Schleifverschleißes der Bürste kürzer wird, wenn die Bürste
eine geringere Härte hat, gibt es den Vorschlag, die Anti-Ver
schleißeigenschaften der Bürste zu verbessern, indem man
amorphen Kohlenstoff mit einer großen Härte in ein Kohlen
stoffmaterial mischt. Die Kupfer-Kontaktteile reagieren
leicht mit beispielsweise Kraftstoff, der oxidiert ist oder
Schwefel-Komponenten einschließt, was zu Korrosion führt. In
dem Fall, daß das Kupfer in elektrisch leitendes Kupfersulfid
umgewandelt wird, verursachen die elektrisch isolierten Kon
taktteile leicht einen Kurzschluß.
In der US-Patentschrift Nr. 5 175 463 ist vorgeschlagen, die
Kontaktteile eines Kommutators aus einem Kohlenstoffmaterial
zu bilden, um die Reaktion der Kontaktteile mit dem Treib
stoff einzuschränken. Das aus Kohlenstoffmaterial gefertigte
Kontaktteil ist gegenüber dem aus Kupfer gefertigten Kontakt
teil sowohl hinsichtlich der Härte als auch der mechanischen
Festigkeit unterlegen. Wenn das aus Kohlenstoffmaterial ge
fertigte Kontaktteil über die mit dem amorphen Kohlenstoff
vermischte Bürste schleift, schreitet der Verschleiß des Kon
taktteils schneller voran, was zu einer kürzeren Lebensdauer
des Kommutators führt.
Vorausgesetzt, daß das Kontaktteil aus künstlichem Kohlen
stoff gefertigt ist, der härter als natürlicher Kohlenstoff
ist, verlängert sich die Lebensdauer des Kommutators. Da je
doch der künstliche Kohlenstoff teuer ist, erhöhen sich die
Herstellungskosten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Kommutator für einen Motor, der trotz der Verwendung eines
Kohlenstoffmaterials für seine Kontaktteile eine ausgezeich
nete Haltbarkeit aufweist, sowie eine Kraftstoffpumpeneinheit
mit ausgezeichneter Haltbarkeit bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe durch einen Kom
mutator gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Kontaktteil eines Kommutators aus ei
nem Kohlenstoffmaterial gefertigt, daß amorphen Kohlenstoff
einschließt.
Vorzugsweise schließt das Kohlenstoffmaterial auch natürli
chen Kohlenstoff ein. Noch bevorzugter ist der prozentuale
Gewichtsanteil des amorphen Kohlenstoffs im gesamten Kohlen
stoffmaterial auf 5 bis 30 Gew.-% begrenzt, so daß nicht
durch zuviel amorphen Kohlenstoff zum Zeitpunkt des Sinterns
Sprünge im Kontaktteil hervorgerufen werden.
Vorzugsweise ist das Kontaktteil mit einem Metallanschluß,
welcher eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Eisen hat,
elektrisch verbunden.
Vorzugsweise wird der Kommutator in einer Kraftstoffpum
peneinheit verwendet.
Vorzugsweise ist eine Bürste aus einem Kohlenstoffmaterial
gefertigt, das mit amorphen Kohlenstoff, der einen höheren
elektrischen Widerstand als das Kohlenstoffmaterial hat, ver
mischt ist. Dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen
dem Kontaktteil und der Bürste erhöht, so daß der einem Anker
zugeführte elektrische Strom durch das schnellere Vertauschen
der Polaritäten des elektrischen Stroms beim Betrieb des Kom
mutators in eine Drehbewegung des Ankers umgewandelt werden
kann. Weiterhin wird durch den erhöhten elektrischen Wider
stand die Bildung elektrischer Funken zwischen der Bürste und
dem Kontaktteil vermindert und das Ansteigen der Temperatur
der Bürste und des Kommutators unterbunden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausfüh
rungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
genauer erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Kraftstoffpumpeneinheit ge
mäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 eine Draufsicht eines in der in Fig. 1 gezeigten Aus
führungsform verwendeten Kommutators;
Fig. 3 eine entlang der Linie III-III in Fig. 2 entnommene
Schnittansicht des Kommutators;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der Haltbarkeitseigen
schaften von Kontaktteilen im Fall der Verwendung und Nicht
verwendung von amorphem Kohlenstoff gezeigt sind; und
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in der eine Beziehung
zwischen dem prozentualen Gewichtsanteil an amorphem Kohlen
stoff und der Haltbarkeit gezeigt ist.
Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsformen der vor
liegenden Erfindung genau beschrieben.
Eine in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs als Im-
Tank-Bauart eingebaute Kraftstoffpumpeneinheit ist in Fig. 1
durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Kraftstoffpum
peneinheit 10 umfaßt eine Pumpe 20 und einen elektrischen
Gleichstrommotor 30 zum Betrieb der Pumpe 20. Im Motor 30
sind mehrere Dauermagneten 31 auf dem Umfang der Innenwand
eines zylindrischen Gehäuses 11 angeordnet. Ein Anker 32 mit
einem Kern 32a und auf dem Kern 32a aufgewickelten Spulen
(nicht gezeigt) ist radial innerhalb der Dauermagneten 31 an
geordnet, um darin koaxial zu rotieren.
Die Pumpe 20 besteht aus einem Gehäusekörper 21, einer Gehäu
seabdeckung 22, einem Laufrad 23 und dergleichen. Der Körper
21 und die Abdeckung 22 werden durch Spritzgießen aus Alumi
nium gefertigt, während das Laufrad 23 aus Harz gefertigt
ist. Der Körper 21 hat einen Kraftstoffdurchgang 41 und nimmt
das Laufrad 23 drehbar im Kraftstoffdurchgang 41 auf. Der
Körper 21 ist in eine axiale Seite des Gehäuses 11 eingepaßt.
Ein Lager 24 ist bei der radialen Mitte des Körpers 21 zur
drehbaren Befestigung einer Drehstange 35 des Ankers 32 in
den Körper 21 eingepaßt. Die Abdeckung 22 ist am axialen Ende
des Gehäuses 11 befestigt, um das Laufrad 23 abzudecken. Ein
Drucklager 25 ist an der radialen Mitte der Abdeckung 22 be
festigt, um die Druckbelastung der Drehstange 35 aufzunehmen.
Die Abdeckung 22 hat eine Einlaßöffnung 40, welche den Kraft
stoffdurchgang 41 mit der Kraftstoffkammer eines Kraftstoff
tanks (nicht gezeigt) verbindet. Das Laufrad 23 hat auf sei
nem äußeren Umfang Schaufeln, so daß bei durch den Motor 30
ausgelöster Drehung der Kraftstoff im Tank durch die Einlaß
öffnung 40 in den Kraftstoffdurchgang 41 eingesaugt und durch
den Motor 30 einer Auslaßöffnung 43 zugeführt wird.
Im Motor 30 ist ein Kommutator 60 an einem axialen Ende des
Ankers 32 befestigt (obere Seite von Fig. 1), um durch einen
Anschluß 46 eines Anschlußstücks 45, das an eine Batterie
(nicht gezeigt) und Bürsten (nicht gezeigt) angeschlossen
werden kann, elektrischen Strom zu erhalten. Der Kommutator
60 hat elektrisch voneinander getrennte Kontaktteile
(Schleifkontaktflächen) 62. Jedes Kontaktteil 62 ist aus na
türlichem Kohlenstoff gefertigt, der mit amorphem Kohlenstoff
vermischt ist, während jede Bürste aus einem mit amorphem
Kohlenstoff vermischten Kohlenstoffmaterial gefertigt ist.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, besteht der Kommutator 60
aus acht gleichwinkligen Segmenten 61 und einem aus Harz ge
fertigten Trägerkörper 69, auf dem die Segmente befestigt
sind. Jedes Segment 61 besitzt ein Kontaktteil 62 und ein aus
Kupfer gefertigtes elektrisches Anschlußteil 63, das mit dem
Kontaktteil 62 elektrisch verbunden ist. Das Anschlußteil 63
hat einen radial nach außen ragenden Stift 63a zur Verbindung
mit der entsprechenden Spule des Ankers 32. Die Segmente kön
nen durch Rinnen 64, die sich radial und in den Trägerkörper
69 ausdehnen, voneinander elektrisch getrennt sein.
Der vorstehende Kommutator 60 wird gemäß einer Ausführungs
form wie folgt hergestellt.
- (1) Die Oberfläche eines scheibenförmigen Basismaterials (natürlicher Kohlenstoff vermischt mit amorphem Kohlenstoff) des Kontaktteils 62, welche für den Schleifkontakt mit einem scheibenförmigen Basismaterial (Kupfer) des Anschlußteils 63 vorgesehen ist, wird mit Nickel (Ni) plattiert. Diese plat tierte Oberfläche des Kontaktteils 62 wird durch Löten mit dem Anschlußteil 63 verbunden.
- (2) Das Anschlußteil 63 wird mit Harz einer Formung unterzo gen, wodurch der Trägerkörper 69 bereitgestellt wird.
- (3) Der eine Einheit bildende Körper aus Kontaktteil 62, An schlußteil 63 und dem Trägerkörper 69 wird von der Seite des Kontaktteils zum Trägerkörper 69 hin aufgeschnitten, um die Rinnen 64 bereit zustellen, so daß der Kommutator 60 acht Seg mente 61 aufweisen kann, die durch die Rinnen 64 elektrisch getrennt sind. Jedes Kontaktteil 62 wird mit der entsprechen den Spule des Ankers 32 durch Verschmelzen des Stifts 63a mit der entsprechenden Spule elektrisch verbunden.
Es ist zu bemerken, daß die mechanische Festigkeit des Kon
taktteils 62 schlechter wird, wenn die Menge an mit dem na
türlichen Kohlenstoff vermischtem amorphen Kohlenstoff klei
ner wird. Daher schreitet der Verschleiß des Kontaktteils 62,
das nur eine kleine Menge an amorphem Kohlenstoff ein
schließt, beim Schleifen auf dem Bürste schneller voran, was
zu einer geringeren Haltbarkeit führt. Eine große Menge an
amorphem Kohlenstoff im Kontaktteil 62 führt andererseits
leicht zu Sprüngen, wenn das Basismaterial des Kontaktteils
62 gesintert wird.
Mit den Kontaktteilen wurde ein Experiment durchgeführt, wo
bei eines keinen amorphen Kohlenstoff und das andere 8 Gew.-%
an amorphem Kohlenstoff einschloß. In diesem Experiment wurde
jedes Kontaktteil einer elektrischen Stromzufuhr von 5 Ampere
aus der Bürste, die aus natürlichem Kohlenstoff einschließ
lich 8 Gew.-% amorphem Kohlenstoff gefertigt war, bei 8000
Umdrehungen pro Minute für einen Zeitraum von 500 Stunden
ausgesetzt. Aus dem gemessenen Verschleiß der Kontaktteile
wurde die erwartete Haltbarkeit abgeschätzt. Als Ergebnis
wurde festgestellt, daß das Kontaktteil, das 8 Gew.-% an
amorphem Kohlenstoff einschließt, eine weitaus bessere Halt
barkeit als das keinen amorphen Kohlenstoff einschließende
Kontaktteil aufweist.
Gemäß einem weiteren Experiment wurde wie in Fig. 5 gezeigt
festgestellt, daß ein prozentualer Gewichtsanteil an mit dem
natürlichen Kohlenstoff zu vermischendem amorphen Kohlenstoff
im Bereich zwischen 5 und 30 Gew.-% zu einer längeren Halt
barkeit führt. Dieser Bereich ist auch hinsichtlich der Ver
ringerung von Sprüngen effektiv. Für sowohl eine längere
Haltbarkeit als auch weniger Sprünge beträgt der prozentuale
Gewichtsanteil am meisten bevorzugt etwa 20 Gew.-%.
Es ist bevorzugt, daß die Bürste ebenfalls aus natürlichem
Kohlenstoff, der mit 5 bis 30 Gew.-% an amorphem Kohlenstoff
mit hohem elektrischen Widerstand vermischt ist, gefertigt
ist. Diese Bürste mit einem sich daraus ergebenden höheren
elektrischen Widerstand erhöht wirkungsvoll die Effizienz der
Umwandlung des elektrischen Stroms in die Drehbewegung und
verringert wirksam die Funkenbildung zwischen der Bürste und
dem Kommutator. Weiterhin bildet sich selbst in dem Fall, daß
der Kommutator und die Bürste mit Kraftstoff in Kontakt be
findlich sind, kein leitendes Kupfersulfid zwischen den Seg
menten. Dadurch bleibt eine gute elektrische Isolierung zwi
schen den Segmenten erhalten.
Das vorstehende Herstellungsverfahren für den Kommutator,
insbesondere der Schritt (1), kann als alternative Ausfüh
rungsform auf folgende Weise modifiziert werden.
- (1) Beide sich gegenüberliegenden Oberflächen des scheiben förmigen Basismaterials (natürlicher Kohlenstoff vermischt mit amorphem Kohlenstoff) des Kontaktteils 62 und des schei benförmigen Basismaterials (Kupfer) des Anschlußteils 63 wer den mit Zinn (Sn) plattiert, um entsprechende Verbindungs schichten 62a und 63b bereitzustellen (Fig. 3), die jeweils eine Dicke von 10-50 µm haben. Danach werden die Verbindungs schichten 62a und 63b auf 230°C erhitzt, um geschmolzen und miteinander verbunden zu werden, während die Schichten mit einander in Berührung gehalten werden.
Gemäß diesem modifizierten Herstellungsverfahren wird kein
Lötmittel zur Verbindung der Basismaterialien des Kontakt
teils 62 und des Anschlußteils 63 verwendet. Daher kann das
Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
In diesem modifizierten Herstellungsverfahren kann das Plat
tierungsmetall ein anderes Metall wie Magnesium (Mg), Alumi
nium (Al), Zink (Zn), Arsen (As), Antimon (Sb), Tellur (Te),
Bismut (Bi) oder dergleichen sein, so lange es einen niedri
gen Schmelzpunkt hat. Jede Verbindungsschicht 62, 63b kann
anstelle des Plattierens durch thermisches Sprühen oder eine
Dampfabscheidung bereitgestellt werden. Die Dicke jeder Ver
bindungsschicht 62, 63b liegt am meisten bevorzugt im Bereich
von 20 bis 25 µm, damit die Bindung gewährleistet und das
Fließen des geschmolzenen Schichtmetalls verhindert wird.
Obwohl der Kommutator 60 in den vorstehenden Ausführungsfor
men im allgemeinen in Scheibenform gebildet ist, damit die
Kontaktteile 62 parallel zu axialen Seitenfläche des Ankers
32 stehen, kann er in zylindrischer Form ausgebildet sein,
damit die Kontaktteile senkrecht zur axialen Seitenfläche des
Ankers 32 stehen. Der Kommutator kann anstelle der Verwendung
in einer Kraftstoffpumpe für irgendwelche anderen Motoren
verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben ist in einem Motor (30) zum An
trieb einer Kraftstoffpumpe (20) jedes Kontaktteil (62) eines
Kommutators (60), das mit Bürsten Schleifkontakt hat, aus ei
nem Kohlenstoffmaterial gefertigt. Das Kohlenstoffmaterial
ist ein Gemisch aus natürlichem Kohlenstoff und amorphem Koh
lenstoff, so daß das Kontaktteil (62) eine längere Haltbar
keit aufweist. Der prozentuale Gewichtsanteil an dem zuzumi
schenden amorphen Kohlenstoff liegt im Bereich von 5 bis 30
Gew.-% und beträgt am meisten bevorzugt etwa 20 Gew.-%. Die
Bürste kann ebenfalls aus einem Gemisch aus natürlichem Koh
lenstoff und amorphem Kohlenstoff gefertigt sein.
Claims (8)
1. Kommutator (60) für einen Motor (30) mit einer Bürste,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kommutator ein Kontaktteil (62) umfaßt, das aus einem mit
amorphem Kohlenstoff vermischten Kohlenstoffmaterial gefer
tigt und für den Schleifkontakt mit der Bürste vorgesehen
ist.
2. Kommutator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kohlenstoffmaterial natürlicher Kohlenstoff ist.
3. Kommutator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das der prozentuale Gewichtsanteil des zugemischten amorphen
Kohlenstoffs im Bereich von 5 bis 30 Gew.-% liegt.
4. Kommutator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das der prozentuale Gewichtsanteil des zugemischten amorphen
Kohlenstoffs etwa 20 Gew.-% beträgt.
5. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kommutator weiterhin einen Metallanschluß (63) mit einer
höheren elektrischen Leitfähigkeit als Eisen umfaßt, welcher
mit dem Kontaktteil elektrisch verbunden ist.
6. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kontaktteil in eine Kraftstoffpumpe eingebaut ist.
7. Kommutator nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bürste aus einem mit amorphem Kohlenstoff vermischten
Kohlenstoffmaterial gefertigt ist.
8. Kommutator nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kohlenstoffmaterial der Bürste natürlicher Kohlenstoff
ist und der prozentuale Gewichtsanteil des zugemischten amor
phen Kohlenstoffs im Bereich von 5 bis 30 Gew.-% liegt.
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---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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