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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Kommutator für einen Motor sowie auf eine Kraftstoffpumpeneinheit, in welcher dieser verwendet wird.
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Als Kraftstoffpumpeneinheit für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise eine elektromagnetisch betriebene Kraftstoffpumpeneinheit bekannt, die einen Elektromotor und eine motorbetriebene 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.
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Jedes Kontaktteil des Kommutators ist im allgemeinen aus Kupfer 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-Verschleißeigenschaften der Bürste zu verbessern, indem man amorphen Kohlenstoff mit einer großen Härte in ein Kohlenstoffmaterial 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 Kontaktteile leicht einen Kurzschluß.
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JP H08-126 258 A bezieht sich auf einen Kommutator für einen Motor mit einer Bürste gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei der Kommutator ein Kontaktteil umfasst, das aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigt ist und für den Schleifkontakt mit der Bürste vorgesehen ist.
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US 1991487 A bezieht sich auf abrasive Bürsten aus einem Kohlenstoffmaterial.
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DE 3911101 A1 bezieht sich auf einen Potentiometer mit Schleifbahnen, die eine diamant- oder graphitähnliche Kohlenstoffschicht (DLC, GLC) oder eine Siliziumcarbidschicht als eine Hartcoatingschicht umfassen.
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In der
US 5175463 A ist vorgeschlagen, die Kontaktteile eines Kommutators aus einem Kohlenstoffmaterial zu bilden, um die Reaktion der Kontaktteile mit dem Treibstoff einzuschränken. Das aus Kohlenstoffmaterial gefertigte Kontaktteil ist gegenüber dem aus Kupfer gefertigten Kontaktteil sowohl hinsichtlich der Härte als auch der mechanischen Festigkeit unterlegen. Wenn das aus Kohlenstoffmaterial gefertigte Kontaktteil über die mit dem amorphen Kohlenstoff vermischte Bürste schleift, schreitet der Verschleiß des Kontaktteils schneller voran, was zu einer kürzeren Lebensdauer des Kommutators führt.
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Vorausgesetzt, daß das Kontaktteil aus künstlichem Kohlenstoff gefertigt ist, der härter als natürlicher Kohlenstoff ist, verlängert sich die Lebensdauer des Kommutators. Da jedoch der künstliche Kohlenstoff teuer ist, erhöhen sich die Herstellungskosten.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kommutator für einen Motor, der trotz der Verwendung eines Kohlenstoffmaterials für seine Kontaktteile eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist, sowie eine Kraftstoffpumpeneinheit mit ausgezeichneter Haltbarkeit bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe durch einen Kommutator gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Kontaktteil eines Kommutators aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigt, das amorphen Kohlenstoff einschließt. Das Kohlenstoffmaterial ist natürlicher Kohlenstoff. Der prozentuale Gewichtsanteil des amorphen Kohlenstoffs im gesamten Kohlenstoffmaterial liegt im Bereich von 5 bis 30 Gew.-%, so daß nicht durch zuviel amorphen Kohlenstoff zum Zeitpunkt des Sinterns Sprünge im Kontaktteil hervorgerufen werden.
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Vorzugsweise ist das Kontaktteil mit einem Metallanschluß, welcher eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Eisen hat, elektrisch verbunden.
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Vorzugsweise wird der Kommutator in einer Kraftstoffpumpeneinheit verwendet.
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Vorzugsweise ist eine Bürste aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigt, das mit amorphen Kohlenstoff, der einen höheren elektrischen Widerstand als das Kohlenstoffmaterial hat, vermischt 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 Kommutators in eine Drehbewegung des Ankers umgewandelt werden kann. Weiterhin wird durch den erhöhten elektrischen Widerstand die Bildung elektrischer Funken zwischen der Bürste und dem Kontaktteil vermindert und das Ansteigen der Temperatur der Bürste und des Kommutators unterbunden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer Kraftstoffpumpeneinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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2 eine Draufsicht eines in der in 1 gezeigten Ausführungsform verwendeten Kommutators;
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3 eine entlang der Linie III-III in 2 entnommene Schnittansicht des Kommutators;
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4 eine graphische Darstellung, in der Haltbarkeitseigenschaften von Kontaktteilen im Fall der Verwendung und Nichtverwendung von amorphem Kohlenstoff gezeigt sind; und
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5 ist eine graphische Darstellung, in der eine Beziehung zwischen dem prozentualen Gewichtsanteil an amorphem Kohlenstoff und der Haltbarkeit gezeigt ist.
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Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genau beschrieben.
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Eine in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs als Im-Tank-Bauart eingebaute Kraftstoffpumpeneinheit ist in 1 durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Kraftstoffpumpeneinheit 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 angeordnet, um darin koaxial zu rotieren.
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Die Pumpe 20 besteht aus einem Gehäusekörper 21, einer Gehäuseabdeckung 22, einem Laufrad 23 und dergleichen. Der Körper 21 und die Abdeckung 22 werden durch Spritzgießen aus Aluminium 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 befestigt, um die Druckbelastung der Drehstange 35 aufzunehmen. Die Abdeckung 22 hat eine Einlaßöffnung 40, welche den Kraftstoffdurchgang 41 mit der Kraftstoffkammer eines Kraftstofftanks (nicht gezeigt) verbindet. Das Laufrad 23 hat auf seinem äußeren Umfang Schaufeln, so daß bei durch den Motor 30 ausgelöster Drehung der Kraftstoff im Tank durch die Einlaßöffnung 40 in den Kraftstoffdurchgang 41 eingesaugt und durch den Motor 30 einer Auslaßöffnung 43 zugeführt wird.
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Im Motor 30 ist ein Kommutator 60 an einem axialen Ende des Ankers 32 befestigt (obere Seite von 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 natürlichem Kohlenstoff gefertigt, der mit amorphem Kohlenstoff vermischt ist, während jede Bürste aus einem mit amorphem Kohlenstoff vermischten Kohlenstoffmaterial gefertigt ist.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, besteht der Kommutator 60 aus acht gleichwinkligen Segmenten 61 und einem aus Harz gefertigten 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 können durch Rinnen 64, die sich radial und in den Trägerkörper 69 ausdehnen, voneinander elektrisch getrennt sein. Der vorstehende Kommutator 60 wird gemäß einer Ausführungsform 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 plattierte Oberfläche des Kontaktteils 62 wird durch Löten mit dem Anschlußteil 63 verbunden.
- (2) Das Anschlußteil 63 wird mit Harz einer Formung unterzogen, wodurch der Trägerkörper 69 bereitgestellt wird.
- (3) Der eine Einheit bildende Körper aus Kontaktteil 62, Anschlußteil 63 und dem Trägerkörper 69 wird von der Seite des Kontaktteils zum Trägerkörper 69 hin aufgeschnitten, um die Rinnen 64 bereitzustellen, so daß der Kommutator 60 acht Segmente 61 aufweisen kann, die durch die Rinnen 64 elektrisch getrennt sind. Jedes Kontaktteil 62 wird mit der entsprechenden Spule des Ankers 32 durch Verschmelzen des Stifts 63a mit der entsprechenden Spule elektrisch verbunden.
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Es ist zu bemerken, daß die mechanische Festigkeit des Kontaktteils 62 schlechter wird, wenn die Menge an mit dem natürlichen Kohlenstoff vermischtem amorphen Kohlenstoff kleiner wird. Daher schreitet der Verschleiß des Kontaktteils 62, das nur eine kleine Menge an amorphem Kohlenstoff einschließt, beim Schleifen auf der 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.
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Mit den Kontaktteilen wurde ein Experiment durchgeführt, wobei 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 einschließlich 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 Haltbarkeit als das keinen amorphen Kohlenstoff einschließende Kontaktteil aufweist.
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Gemäß einem weiteren Experiment wurde wie in 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 Haltbarkeit führt. Dieser Bereich ist auch hinsichtlich der Verringerung von Sprüngen effektiv. Für sowohl eine längere Haltbarkeit als auch weniger Sprünge beträgt der prozentuale Gewichtsanteil am meisten bevorzugt etwa 20 Gew.-%.
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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 befindlich sind, kein leitendes Kupfersulfid zwischen den Segmenten. Dadurch bleibt eine gute elektrische Isolierung zwischen den Segmenten erhalten. Das vorstehende Herstellungsverfahren für den Kommutator, insbesondere der Schritt (1), kann als alternative Ausführungsform auf folgende Weise modifiziert werden.
- (1) Beide sich gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen Basismaterials (natürlicher Kohlenstoff vermischt mit amorphem Kohlenstoff) des Kontaktteils 62 und des scheibenförmigen Basismaterials (Kupfer) des Anschlußteils 63 werden mit Zinn (Sn) plattiert, um entsprechende Verbindungsschichten 62a und 63b bereitzustellen (3), die jeweils eine Dicke von 10–50 μm haben. Danach werden die Verbindungsschichten 62a und 63b auf 230°C erhitzt, um geschmolzen und miteinander verbunden zu werden, während die Schichten miteinander in Berührung gehalten werden.
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Gemäß diesem modifizierten Herstellungsverfahren wird kein Lötmittel zur Verbindung der Basismaterialien des Kontaktteils 62 und des Anschlußteils 63 verwendet. Daher kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
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In diesem modifizierten Herstellungsverfahren kann das Plattierungsmetall ein anderes Metall wie Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Zink (Zn), Arsen (As), Antimon (Sb), Tellur (Te), Bismut (Bi) oder dergleichen sein, so lange es einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Jede Verbindungsschicht 62a, 63b kann anstelle des Plattierens durch thermisches Sprühen oder eine Dampfabscheidung bereitgestellt werden. Die Dicke jeder Verbindungsschicht 62a, 63b liegt am meisten bevorzugt im Bereich von 20 bis 25 μm, damit die Bindung gewährleistet und das Fließen des geschmolzenen Schichtmetalls verhindert wird.
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Obwohl der Kommutator 60 in den vorstehenden Ausführungsformen 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.
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Wie vorstehend beschrieben ist in einem Motor (30) zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe (20) jedes Kontaktteil (62) eines Kommutators (60), das mit Bürsten Schleifkontakt hat, aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigt. Das Kohlenstoffmaterial ist ein Gemisch aus natürlichem Kohlenstoff und amorphem Kohlenstoff, so daß das Kontaktteil (62) eine längere Haltbarkeit aufweist. Der prozentuale Gewichtsanteil an dem zuzumischenden 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 Kohlenstoff und amorphem Kohlenstoff gefertigt sein.
