DE19916613B4

DE19916613B4 - Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE19916613B4
Application number: DE19916613A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Kobman; Michael L. Mercer; Dirk G. Westendorf; Arthur J. Birchenough; James A. George; Marc B. Ruprecht; J. D. Tuckey
Original assignee: TI Group Automotive Systems LLC
Current assignee: ARTHUR J. BIRCHENOUGH, US; BIRCHENOUGH, ARTHUR J., BEREA, US; BIRCHENOUGH, ARTHUR J., US; GEORGE, JAMES A., MIDDLEBURG HEIGHTS, US; GEORGE, JAMES A., US; JAMES A. GEORGE, US; MARC B. RUPRECHT, US; RUPRECHT, MARC B., NORTH OLMSTED, US; RUPRECHT, MARC B., US; TI Group Automotive Systems LLC
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: US5925962A; DE19916613A1; FR2779580A1; BR9901099A; JPH11318058A; US5962946A

Abstract

Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe mit: einem Kohlenstoffring (166) aus gesintertem Kohlenstoff mit einer ebenen vorderen Sinem Leiterring (168), der in den Kohlenstoffring (166) mit Abstand zu der vorderen und hinteren Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) vor der Sinterung in den Kohlenstoffring (166) eingebettet ist und mehrere in Umfangsrichtung verteilte Zungen (176) am Außenumfang (162) des Kohlenstoffringes (166) aufweist, wobei der Leiterring (168) durch Sintern des Kohlenstoffringes (166) mit dem Kohlenstoffring (166) fest verbunden ist, wobei seine Zungen (176) mit dem Kohlenstoffring (166) elektrisch verbunden sind, einem Gehäuse (156) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, der nach dem Sintern des Kohlenstoffringes (166) zumindest auf die hintere Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) aufgegossen ist, wobei das Gehäuse (156) eine zu dem Kohlenstoffring (166) koaxiale Bohrung hat, und mehrere, in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Nuten (170), die sich radial und axial vollständig durch den Kohlenstoffring...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe, insbesondere einer Fahrzeug-Kraftstoffpumpe, die in Kraftstoff getaucht ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kommutators.
Elektrische Kraftstoffpumpen, die in dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind, wobei ein Motoranker und Kommutator mit dem flüssigen Kraftstoff in Berührung stehen, sind bereits bekannt. Eine derartige Kraftstoffpumpe mit einem elektrischen Motor, der mit einem senkrecht zur Drehachse des Ankers verlaufenden flachen Kommutator sowie mit parallel zum Anker verlaufenden Bürsten versehen ist, ist in der US 5013221 A offenbart. Verschiedene Ausführungsformen eines flachen Kommutators wie auch ein Verfahren zum Herstellen derselben wurden bereits in der Praxis eingesetzt. Die US 5157299 A offenbart einen Kommutator sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kommutators, bei dem in Umfangsrichtung verteilte, getrennte Kohlenstoffsegmente und darunterliegende metallische Leiter/Träger auf einer Nabe aus einem gegossenen isolierenden Kunststoff sitzen, wobei der Kunststoff zwischen den einander zugewandten Seitenrändern benachbarter metallischer Leiter/Träger liegt, um sie gegen eine Berührung mit flüssigem Kraftstoff zu schützen, was eine Korrosion der metallischen Leiter/Träger und eine Degradation des Kommutators zur Folge hätte.
Die US 5386167 A offenbart einen Kommutator mit ebenen Kohlenstoffsegmenten auf einer Basis aus einem isolierenden Material. Die Basis hat eine vordere Fläche, die zumindest teilweise quer zu der Drehachse verläuft. Öffnungen verlaufen von der vorderen Fläche nach hinten, und in Umfangsrichtung beabstandete, unabhängige Kontaktglieder sind an der vorderen Fläche einzeln angebracht. Jedes der Kontaktglieder hat ein integrales Verriegelungselement, das sich in rückwärtiger Richtung in Öffnungen der vorderen Fläche erstrecken. Die Kontaktglieder werden von den Kohlenstoffsegmenten so umgossen, daß jedes Segment ein integrales Verankerungselement hat, das sich nach hinten in die Öffnungen der vorderen Fläche erstreckt, und zwar dadurch, daß ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und einem Trägermaterial in den Raum zwischen der Basis und der Gießform eingespritzt wird. Dieser Druckschrift läßt sich die Lehre entnehmen, daß jedes bekannte Trägermaterial, z. B. Phenolharz, zusammen mit dem Kohlenstoffpulver verwendet werden kann, um das gießbare Gemisch zu bilden (Sp. 2, Z. 49 bis 55 der US 5386167 A ).
In dieser Druckschrift wird ferner gesagt, daß die anschließende Wärmebehandlung von den Betriebserfordernissen unterschiedlicher Kommutatoren abhängt, und zwar entsprechend bekannter Technologien, die nicht Teil der Offenbarung dieser Druckschrift sind. Es ist jedoch offensichtlich, daß anschließende Wärmebehandlungen wie z. B. eine Sinterung auf Temperaturen beschränkt sind, die weit unter den optimalen Temperaturen zur Herstellung gegossener Kohlenstoffgegenstände wie z. B. Kohlenstoffkommutatorsegmete liegen, um eine Degradation des Materials in der isolierenden Basis zu vermeiden. Kohlenstoffpulvergemische, wie sie bei der vorliegenden Erfindung wie auch offensichtlich bei dem Verfahren nach der US 5386167 A verwendet werden, werden typischerweise bei Temperaturen von mindestens 538°C (1.000°F), vorzugsweise bei Temperaturen von ungefähr 760° bis 815°C (1.400° bis 1.500°F) gesintert. Keine Materialien wie z. B. die Phenolharze, die üblicherweise für die Basis von Kommutatoren verwendet werden, noch irgendwelche anderen bekannten isolierenden Materialien, die für diese Zwecke geeignet sein können, halten derartige Temperaturen aus.
In DE 197 13 936 A1 ist eine planarer Kohlenstoffkommutator, der aus einer Vielzahl von Metallsegmenten gebildet wird, mit Herstellungsverfahren beschrieben. DD 245757 A1 beschreibt eine Pressvorrichtung zur Herstellung luftisolierter Formstoffkommutatoren. Weiterhin ist aus DE 40 28 420 C2 ein Plankommutator und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
Auch JP 08088066 A beschreibt einen Kommutator und seine Herstellung. In EP 0 667 657 A1 ist ein planarer Kommutator beschrieben, dessen Kohlenstoffsegmente über die Kontaktelemente gegossen werden. Eine weitere Form eines Kohlenstoffkommutators ist in JP 08308183 A beschrieben.
Ein Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe ist in DE 196 52 840 A1 beschrieben, die den nächstliegenden Stand der Technik darstellt. Dieser Kommutator wird aus einem einteiligen Kohlenstoffring mit einer ebenen Außenfläche, einem einteiligen Leiterring, der unter der Außenfläche des Kohlenstoffrings angeordnet ist, und einem Gehäuse aus isolierendem Kunststoff hergestellt, das auf die Rückseite des Kohlenstoffrings gegossen ist und dazu dient, den Kommutator an einem Motoranker anzubringen.
Durch die vorliegende Erfindung sollen ein Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kommutators angegeben werden, bei denen diese Nachteile nicht auftreten und die sich durch eine hohe mechanische Festigkeit und Stabilität auszeichnen. Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein kontinuierlicher Leiterring aus einem elektrisch leitenden Metall mit einem gesinterten Kohlenstoffring elektrisch und mechanisch verbunden, und dann wird ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff an diesem Zwischengebilde angegossen. Der gesinterte Kohlenstoffring wird hergestellt, ehe der elektrisch isolierende Kunststoff an dem Zwischengebilde angegossen wird. Die Erfindung ist somit nicht auf Sintertemperaturen und -zeiten angewiesen, die klein bzw. kurz genug sind, um eine Degradation des Kunststoffes zu vermeiden.
Nachdem das Gehäuse an dem Zwischengebilde angegossen wurde, werden mehrere in Umfangsrichtung beabstandete radiale Nuten durch sowohl den Kohlenstoffring als auch den metallischen Leiterring geschnitten, um einen Kommutator mit mehreren einzelnen Kohlenstoffsegmenten zu bilden, die permanent am Gehäuse befestigt sind und jeweils mit einem getrennten elektrischen Leiter am Umfang des Gehäuses versehen sind. Der metallische Leiterring wird vorzugsweise so ausgebildet, daß nach der Herstellung der radialen Nuten nur ein kleiner Bereich des Metalls in der Nut freiliegt. Der Leiterring und der Kohlenstoffring werden elektrisch und mechanisch dadurch miteinander verbunden, daß ein Grünling aus Kohlenstoffpulver um den metallischen Leiterring gebildet und dann der Kohlenstoff gesintert wird, um sie miteinander zu verbinden. Der metallische Leiterring kann aufrechtstehende Befestigungselemente haben, um den Leiterring im Kohlenstoffring zu verankern. Erfindungsgemäß nehmen Durchgangslöcher in dem Leiterring einen Teil des Materials des Kohlenstoffringes auf, um den Leiterring im Kohlenstoffring festzulegen.
Der erfindungsgemäß ausgebildete und hergestellte Kommutator hat, auch wenn er Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen ausgesetzt ist, eine lange Lebensdauer, einen niedrigen elektrischen Widerstand sowie eine hohe mechanische Festigkeit und Stabilität. Eine maschinelle Bearbeitung ist, soweit sie überhaupt erforderlich ist, minimal. Der Kohlenstoffring braucht nicht von Lösmittel oder Platierwerkstoffen befreit zu werden. Darüber hinaus hat der Kommutator einen vergleichsweise einfachen Aufbau, ist extrem kostengünstig herzustellen und zusammenzubauen, ist robust, dauerfest und betriebssicher.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoffpumpe mit einem Kommutator;
2 eine vergrößerte Schnittansicht des Kommutators in 1;
3 eine vergrößerte Endansicht des Kommutators in 1;
4 eine Endansicht eines Leiterringes, der beim Herstellen des Kommutators in 1 verwendet wird;
5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in 4;
6 eine Endansicht eines aus einem gesinterten Kohlenstoffring und einem Leiterring bestehenden Zwischengebilde, das bei der Herstellung des Kommutators der 1 verwendet wird;
7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 in 6;
8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 in 3;
9 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Kommutators;
10 eine Schnittansicht längs der Linie 10-10 in 9;
11 eine vergrößerte, fragmentarische Schnittansicht längs der Linie 11-11 in 10;
12 eine Endansicht eines Leiterringes, der bei der Herstellung des Kommutators der 9 verwendet wird;
13 eine Schnittansicht eines aus einem Kohlenstoffring und Leiterring bestehenden Zwischengebildes, das bei der Herstellung des Kommutators der 9 verwendet wird;
14 eine Endansicht des Zwischengebildes in 13;
15 eine Schnittansicht längs der Linie 15-15 in 14.
1 zeigt ein Kraftstoffpumpenmodul 20 für ein Kraftfahrzeug, das typischerweise in einem Kraftstofftank untergebracht ist. Das Modul 20 besteht aus einem elektrischen Motor 20 und einer Kraftstoffpumpe 24, die in einem Gehäuse aus einem Gehäusemantel 26 und einer Einlaß-Endkappe 28 sowie einer Auslaß-Endkappe 30 angeordnet ist. Die Kraftstoffpumpe 24 besteht aus einer Zahnrad/Laufrad-Anordnung 32, die Kraftstoff aus dem Tank durch ein Filter 34 und eine Einlaßöffnung 36 ansaugt und unter Druck stehenden Kraftstoff in das Gehäuse fördert und durch einen Auslaß 38 abgibt. Der elektrische Motor 22 besteht aus einem Permanentmagnet-Stator 40 und einem Anker 42 mit einer Antriebswelle 44 und einem flachen Kommutator 50. Um den Motor in Betrieb zu setzen, wird Spulen 52 des Ankers 42 Strom zugeführt und zwar über Klemmen 54, 56, die mit Bürsten 58, 60 elektrisch verbunden sind. Die Bürsten 58, 60 werden von Federn gegen eine Endfläche des Kommutators 50 angedrückt. Soweit wie bisher beschrieben, entspricht das Modul 20 einem Stand der Technik, wie er in den US Patenten 5013221 A ; 4948346 A und 4596519 A beschrieben wird, auf die wegen weiterer Einzelheiten verwiesen wird.
Wie aus den 1 bis 3 hervorgeht, hat der Kommutator 50 eine Anordnung aus mehreren einzelnen gesinterten Kohlenstoffsegmenten 64, die jeweils mit einem eingebetteten Leiter 66 versehen und an einem Gehäuse 68 angebracht sind. Jeder Leiter 66 hat eine im wesentlichen ebene Basisplatte 70 mit Öffnungen 72. Eine im wesentlichen I-förmige Verankerung mit einem integralen, nach oben ragenden Befestigungselement 74 geht von der Seite jeder Basisplatte 70 ab. Eine integrale, nach oben ragende Zunge 76, die in einem U-förmigen Haken 78 zum Anschluß an einen Ankerspulendraht endet, geht von dem radial äußeren Rand jeder Basisplatte 70 ab. Vorzugsweise liegen die Zungen 76 am Umfang der Kohlenstoffsegmente 64 an, und der innere Rand 80 jedes Leiters 66 endet innerhalb seines zugehörigen Kohlenstoffsegmentes 64. Vorzugsweise hat jedes Befestigungselement 74 ungefähr die Form eines T mit einem Kopf, der von zwei gegenüberliegenden Nuten 82 gebildet wird.
Jedes Kohlenstoffsegment 64 hat ungefähr die Form eines Tortenstückes mit einer ebenen äußeren Stirnfläche 86, die eine Bürstenkontaktfläche bildet, und besteht aus einem gesinterten Kohlenstoffpulver und einem geeigneten Binder mit einem darin eingebetteten Leiter 66. Vorzugsweise hat jedes Kohlenstoffsegment 64 eine gekrümmte innere und eine äußere Wand 88 bzw. 90, ebene Seitenwände 92 und vorzugsweise eine ebene Bodenwand 94. Die Basisplatte 70 mit den Nuten 72 und den nach oben ragenden Befestigungselementen 74 verbindet jedes gesinterte Kohlenstoffsegment 64 mit seinem zugehörigen Leiter 66 sowohl elektrisch wie auch mechanisch.
Das Gehäuse 68 hat eine zentrale Nabe 98 und einen integralen Flansch 100 mit einer Schulter 102, an der jedes Kohlenstoffsegment 64 anliegt und abgestützt ist. Die Nabe 98 hat eine zu den Kohlenstoffsegmenten 64 koaxiale Durchgangsbohrung 104, die die Ankerwelle 44 teleskopartig und koaxial aufnimmt, wenn der Kommutator an dem Anker 42 angebracht ist. Die Befestigungselemente 74 des Leiters 66 sind in dem Gehäuse 68 eingebettet, um das zugehörige Kohlenstoffsegment mit dem zugehörigen Leiter darin festzulegen und „zu verriegeln”. Das Gehäuse 68 besteht aus einem gießbaren, elektrisch isolierenden Kunststoff wie z. B. Phenolharz.
Bei der Herstellung des Kommutators 50 wird ein Zwischengebilde 108 aus einem einteiligen gesinterten Kohlenstoffring 110 (6) mit einem darin eingebetteten einteiligen Leiterring 112 hergestellt, das Gehäuse 68 an diesem Zwischengebilde 108 angegossen und dann mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete radiale Nuten 114 vollständig durch den Kohlenstoffring 110 und den Leiterring 112 geschnitten, um die einzelnen gesinterten Kohlenstoffsegmente 64 mit dem darin eingebetteten Leiter 66 zu bilden, wobei jedes Kohlenstoffsegment mit seinem Leiter an dem Gehäuse permanent befestigt ist.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, ist der Leiterring 112 ein einstückiges Stanzteil aus einem hochleitenden Metall wie z. B. der Berryliumkupferlegierung C 17400 und der Kupferlegierung C 19400 (gemäß der Spezifizierung der Copper Development Association), und zwar mit konzentrischen inneren und äußeren ringförmigen Abschnitten 118, 120, die durch radiale Speichen 122 mit nach oben gerichteten einteiligen Befestigungselementen 74 und darin gebildeten Nuten 82 verbunden sind. Mehrere gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete integrale Zungen 76 mit zurückgebogenen Haken 78 sind ebenfalls am Umfang des äußeren ringförmigen Abschnittes 120 vorgesehen. Der Leiterring 112 kann aus einem Rohling aus Kupferblech durch herkömmliches Schlitzen, Stoßen, Biegen, Prägen und Stanzen auf herkömmlichen Maschinen hergestellt werden, was hier nicht weiter beschrieben wird.
Der einteilige Kohlenstoffring 110 mit dem darin eingebetteten Leiterring 112 wird in der Weise hergestellt, daß ein Grünling aus Kohlenstoffpulver und einem Binder unter Druck um einen Leiterring herumgegossen wird. Für die oben beschriebene Kraftstoffpumpe sollte das Kohlenstoffmaterial und der Binder einen Kohlenstoffring 110 erzeugen, der eine hohe Festigkeit, einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Resistenz gegen eine Degradation durch Kohlenstoff-Kraftstoffe hat. Verschiedene kommerziell erhältliche Gießmaterialien und Binder, wie sie zum Herstellen von gesinterten Kohlenstoffprodukten, wie z. B. Bürsten für elektrische Motoren verwendet werden, eignen sich für den vorliegenden Zweck. Das Kohlenstoffmaterial kann graphitische Eigenschaften haben. Ein Material, das hauptsächlich natürliches Graphit einer hohen Reinheit oder eines niedrigen Aschengehaltes und einer hohen Kristallinität ist, wird besonders bevorzugt.
Das Bindermaterial ist typischerweise ein wärmeaushärtbares Harz (vorzugsweise ein Phenolformaldehyd), das während des Sintervorganges karbonisiert werden kann, um das Harz stärker elektrisch leitend zu machen (um die Leitfähigkeit des Kohlenstoffringes zu verbessern), den Kohlenstoffring dauerfester zu machen und ihn resistenter gegen eine Degradation durch Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe zu machen. Der Binder kann ungefähr 5 bis 30 Gew.-% des Kohlenstoffbindergemisches ausmachen. Bei einem niedrigeren Bindergehalt kann das Gemisch nicht mehr kohärent genug sein, um beim Gießen und Sintern intakt zu bleiben. Ein höherer Binderanteil führt zu einem zu starken Schrumpfen während des Sintervorganges. Kohlenstoffringe mit einem höheren Anteil an karbonisiertem Binder neigen außerdem zu geringerer Leitfähigkeit und, da das karbonisierte Harz nicht in Graphit umgewandelt wurde, zu einem höheren Reibbeiwert.
Das Kohlenstoffmaterial und der Binder werden zusammen mit dem Leiterring 112 in eine Form gelegt und mit einer Kraft von ungefähr 69 bis 276 MPa gepreßt, um einen Grünling zu bilden. Der Grünling wird dann gesintert, typischerweise bei einer Temperatur von mindestens 538°C und vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 760° bis 815°C, um den gesinterten Kohlenstoffring zu bilden, in dem der Leiterring festgelegt und mit dem Kohlenstoffring elektrisch verbunden ist. Um eine Rißbildung in dem gesinterten Kohlenstoff zu verhindern, wird die Temperatur beispielsweise ganz allmählich auf die Sintertemperatur erhöht, was sowohl das Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Binder dehydrieren wie auch einen Wärmeschock vermeiden sollte, was andernfalls bei einer raschen Erwärmung des Grünlings eintreten könnte. Der Sintervorgang wird beispielsweise in einer „kontrollierten” Atmosphäre durchgeführt, um eine Oxidation des Leiterringes 112 zu vermeiden.
Das Gehäuse 68 wird dann auf der Rückseite des gesinterten Kohlenstoffringes 110 mit dem darin eingebetteten Leiterring 112 in der Weise angeformt, daß elektrisch isolierender Kunststoff, wie z. B. Fiberglas enthaltender Phenolharz, in einer geeigneten Form unter Wärme und Druck spritzgegossen wird. Auch der gegossene Harz muß hochresistent gegen Kraftstoff wie z. B. Benzin, Gasohol oder Diesel sein. Die Herstellung des Gehäuses erfolgt durch herkömmliche Kunststoffgießtechniken und wird daher nicht weiter beschrieben.
Nachdem das Gehäuse 68 an dem Zwischengebilde aus Kohlenstoffring und Leiterring angegossen wurde, kann die äußere Stirnfläche 128 des gesinterten Kohlenstoffringes 110 gedreht, geschliffen oder in anderer Weise maschinell bearbeitet werden, falls dies erforderlich ist, um eine ebene Bürstenkontaktfläche zu erzeugen. Anschließend werden die radialen Nuten 114 vollständig sowohl durch den gesinterten Kohlenstoffring 110 wie auch den Leiterring 112 geschnitten, um die einzelnen Kohlenstoffsegmente 64 zu bilden, in denen jeweils ein getrennter Leiter 66 eingebettet ist. Wie in 8 zu sehen ist, hat jede Nut 114 eine ausreichende axiale Tiefe, um sich vollständig sowohl durch den Kohlenstoffring wie auch den Leiterring hindurch zu erstrecken und um etwas in das Gehäuse einzudringen, wodurch sichergestellt wird, daß jedes Kohlenstoffsegment gegenüber den benachbarten Kohlenstoffsegmenten elektrisch isoliert ist.
Wie in 8 gezeigt, ist der größte Teil der Basisplatte 70 jedes Leiters 66 durch sein zugehöriges Kohlenstoffsegment gekapselt, und in jeder Nut 114 liegt nur ein kleiner Bereich der von den ringförmigen Abschnitten 118, 120 des Leiterringes 112 gebildeten Querstücke 130, 132 der Platte frei, um mit flüssigem Kraftstoff in der Kraftstoffpumpe in Berührung zu gelangen. Die radiale Erstreckung jedes in der Nut 114 freiliegenden Leiters 66 ist vorzugsweise kleiner als eine Hälfte und vorzugsweise kleiner als ein Drittel der radialen Erstreckung der Nut durch den Kohlenstoffring 110. Innerhalb der Nut 114 ist der freiliegende Oberflächenbereich des Leiters vorzugsweise kleiner als ein Drittel und vorzugsweise kleiner als ein Sechstel des Oberflächenbereiches seines zugehörigen Kohlenstoffsegmentes in der Nut 114. Hierdurch wird die Korrosionsneigung des Leiters wie auch das Zusetzen der Nuten mit leitenden Ablagerungen zwischen benachbarten Segmenten 64 erheblich reduziert, was wiederum die Lebensdauer des Kommutators entsprechend verlängert.
Der fertige Kommutator wird an dem Motoranker angebracht, vorzugsweise durch einen Preßsitz der Welle 44 des Ankers 42 in der Nabenbohrung 104, derart, daß der Kommutator 50 zu dem Anker 42 koaxial ausgerichtet und drehfest mit diesem verbunden ist. Die Drähte für jede Ankerspule 52 sind mit den Haken 78 der Leiter 66 der Segmente 64 durch Löten verbunden, um die Spulen des Ankers über die Bürsten und Segmente mit elektrischer Leistung zu versorgen. Um im Betrieb den Anker 42 zu drehen, werden die Ankerspulen 52 über die Bürsten 58, 60 bestromt, welche gegen die ebene Stirnfläche 86 der Segmente 64 des Kommutators 50 elastisch angedrückt werden.
Die 9 bis 15 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform eines Kommutators 150. Wie in den 9 und 10 zu sehen ist, hat der Kommutator 150 eine Anzahl von über den Umfang verteilten einzelnen Segmenten 152 aus gesintertem Kohlenstoff, die in einem Gehäuse 156 permanent untergebracht und befestigt sind. Jedes Segment 152 hat die Form eines Trapezes bzw. eines Tortenstückes mit einer ebenen Bürstenkontaktfläche 158, gekrümmten inneren und äußeren Wänden 160, 162 und ebenen Seitenwänden 164. Jedes Segment 152 hat ferner einen elektrischen Leiter 154 mit einer im wesentlichen ebenen Basisplatte 172, die von der Seite des Segmentes 152 aus vorzugsweise radial verläuft. Eine nach oben stehende Zunge 176 geht von dem radial äußeren Rand jeder Basisplatte 172 ab. Jede Zunge 176 endet in einem U-förmigen Haken 178, der für eine Verbindung mit einem Ankerspulendraht sorgt. Wie in den 11 und 12 gezeigt, erstrecken sich Schweißelektrodenfahnen 174 von den Seiten der Zungen 176 weg. Wie dies beim Zusammenbau elektrischer Motoren üblich ist, werden die Schweißelektrodenfahnen 174 dazu verwendet, elektrische Kreise durch die Zungen 176 zu schließen und die Ankerdrähte mit den Zungen 176 zu verschweißen.
Der Kommutator 150 wird in der Weise hergestellt, daß Kohlenstoffpulver um einen gestanzten einteiligen Leiterring 168 aus Kupfer gegossen und der Kohlenstoff bei erhöhter Temperatur gesintert wird, um ein Zwischengebilde 165 (s. 13) eines einteiligen gesinterten Kohlenstoffringes 166 mit dem darin eingebetteten einteiligen Leiterring 168 zu bilden. Der Sintervorgang wird vorzugsweise in einer kontrollierten Atmosphäre durchgeführt, um die Oxidation des aus Kupfer bestehenden Leiterringes 168 unter Kontrolle zu halten. Das bevorzugte Kohlenstoffmaterial für den Kohlenstoffring 166 wie auch für den Kohlenstoffring 110 ist natürlicher Graphit einer hohen Reinheit oder niedrigen Aschengehaltes und einer hohen Kristallinität. In der gleichen Weise ist das bevorzugte Bindematerial typischerweise ein Phenolformaldehydharz, das ungefähr 5 bis 30 Gew.-% des Kohlenstoffbindergemisches ausmacht und während des Sintervorganges karbonisiert werden kann, um das Harz stärker elektrisch leitend, den Kohlenstoffring dauerfester sowie resistenter gegenüber einer Degradation durch Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe zu machen. Die Legierung des Leiterringes 168 wird so gewählt, daß die Festigkeit, Leitfähigkeit und Duktilität auch bei den hohen Sintertemperaturen erhalten bleiben. Geeignete Legierungen sind die Beryliumkupferlegierung C 17400 und die Kupferlegierung C 19400.
Der Leiterring 168 wird – wie am besten in 12 zu sehen ist – als einstückiges Stanzteil mit einem inneren und äußeren ringförmigen Abschnitt 180 bzw. 182, die konzentrisch zueinander sind, hergestellt. Typischerweise hat der Leiterring eine Dicke von ungefähr 1,0 mm (0,040 inch). Der innere und äußere Abschnitt des Leiterringes 168 sind durch radiale Speichen 184 mit darin gebildeten Löchern 186 und Öffnungen 188 zwischen den Speichen 184 und dem inneren ringförmigen Abschnitt 180 und dem äußeren ringförmigen Abschnitt 182 verbunden. Die Löcher 186 in den radialen Speichen 184 sind so ausgebildet, daß sie den Fluß von Kohlenstoffpulver während des Gießvorganges unterstützen, um bei der mechanischen Verankerung des Leiterringes 168 in dem Kohlenstoffring 166 mitzuhelfen. Wie in 12 angedeutet ist, ist die Oberseite 169 des Leiterringes 168 (wie auch seine Unterseite) texturiert, was vorzugsweise während des fortschreitenden Stanzpreßvorganges erfolgt, um den Leiterring 168 zusätzlich im Kohlenstoffring 166 zu verankern. Die Oberflächen des Leiterringes 168 könnten auch durch Walzen, Formen oder andere herkömmliche Verfahren texturiert werden.
Die Speichen 184 haben nach außen gekrümmte Ränder 190, die Ausbauchungen 185 in der Mitte jeder Speiche 184 bilden, dort, wo die Löcher 186 angeordnet sind. Dies erleichtert das Stanzen der Löcher 186, ohne daß der Leiterring 168 verbogen oder zerstört wird. Die äußeren Abschnitte 187 der radialen Speichen 184, die sich von dem äußeren ringförmigen Abschnitt 182 des Leiterringes 168 wegerstrecken, werden anschließend zu Zungen 176 geformt, welche in Haken 178 enden, an denen die Ankerdrähte befestigt werden. Schweißelektrodenfahnen 174 gehen von den Seiten der äußeren Enden 187 der radialen Speichen 184 und von den Seiten der Zungen 176 ab. Wie dies beim Zusammenbau elektrischer Motoren üblich ist, werden die Schweißelektrodenfahnen 174 dazu verwendet, elektrische Kreise zu schließen und die Ankerdrähte mit den Zungen zu verschweißen.
Das Zwischengebilde 165 wird in der Weise hergestellt, daß eine Schicht aus Kohlenstoffpulver und Binder in einer Pulverpreßform (nicht gezeigt) gebildet wird, der Leiterring 168 auf die Schicht aus Kohlenstoff und Binder gelegt wird, eine obere Schicht aus Kohlenstoff und Binder auf den Leiterring 168 gelegt wird und beide Schichten, typischerweise bei einem Druck von ungefähr 69 bis 276 MPa (5 bis 20 ton/in.²) komprimiert werden, um das Zwischengebilde 165 zu komprimieren und zu verdichten. Das Zwischengebilde 165 wird dann in einen Ofen (nicht gezeigt) eingebracht, wo es bei einer hohen Temperatur, vorzugsweise oberhalb 538°C und vorzugsweise zwischen ungefähr 760° und 815°C, gesintert wird. Der Sintervorgang erfolgt in einer kontrollierten Atmosphäre, um die Oxidation des Leiterringes 168 unter Kontrolle zu halten.
Das Zwischengebilde 165 wird dann in eine andere Form (nicht gezeigt), vorzugsweise eine Spritzgießform, gelegt, und ein Gehäuse 156 aus einem isolierenden Material wie z. B. Phenolharz wird um das Zwischengebilde 165 gebildet. Das Gehäuse 156 hat eine zentrale Nabe 192 und einen integralen Flansch 194, der unter dem Kohlenstoffring 166 und dem Leiterring 168 liegt und diese abstützt. Vorzugsweise wird – wie in 15 gezeigt – eine Schicht aus Kunststoff 195 auf die Bürstenkontaktfläche 158 des Kohlenstoffringes 166 gegossen, um das Kohlenstoffmaterial während des Gießvorganges und beim anschließenden Herstellen der Zungen 176 und der von den Seiten der Zungen 176 abgehenden Schweißelektrodenfahnen 174 zu schützen. Stifte in der Spritzgießform liegen an dem Zwischengebilde 165 an, um das Zwischengebilde 165 während des Gießvorganges in dem Gehäuse 156 zu positionieren. Die Stifte belassen Öffnungen 196 im Gehäuse 156, wie in den 10 und 15 zu sehen ist.
Das in den 14 und 15 dargestellte beschichtete Zwischengebilde wird in eine Haltevorrichtung gelegt, und die äußeren Enden 187 der radialen Speichen 184 werden – wie oben beschrieben – so geformt, daß sie die Zungen 176 und Haken 178 bilden, an denen die Ankerspulendrähte befestigt werden. Wie in den 10, 11 und 14 dargestellt, werden die Zungen 178 und Schweißelektrodenfahnen 174 in Ausnehmungen 197 in der Seitenwand des Gehäuses 156 gebildet. Wie am besten in 11 zu sehen ist, wird die Innenfläche jeder Ausnehmung 197 von einer ausgesparten Wand 199 gebildet. Dies trennt die Zungen 176 und Schweißelektronenfahnen 174 von den Kohlenstoffsegmenten 152 und verhindert einen unmittelbaren elektrischen Kontakt zwischen den Schweißelektrodenfahnen 174 und den Kohlenstoffsegmenten 152, während die Ankerdrähte mit den Haken 178 verschweißt werden.
Nachdem die Zungen und Schweißelektrodenfahnen wie in 9 bis 11 gezeigt, gebildet wurden, wird die Kunststoffschicht 195 maschinell oder in anderer Weise von der Bürstenkontaktfläche 158 des Kohlenstoffringes 166 entfernt, und es werden mehrere gleichmäßig beabstandete radiale Nuten 170 durch den Kohlenstoffring 166 und den Leiterring 168 geschnitten, um die einzelnen Segmente 152 aus gesintertem Kohlenstoff zu bilden. Vorzugsweise wird der Kommutator 150 von einer Buchse gehalten, die am Außendurchmesser der axial verlaufenden äußeren Wand des Zwischengebildes anliegt, während die radialen Nuten 170 geschnitten werden.
Die Nuten 170 verlaufen vollständig durch den Kohlenstoffring 166 und vollständig durch den Leiterring 168 und erstrecken sich in das Gehäuse 156, wie am besten in den 10 und 11 zu sehen ist. Jeder Leiter 154 ist permanent am Gehäuse 156 befestigt und hat eine Zunge zum Anschluß an einen Ankerspulendraht. Jedes Kohlenstoffsegment 152 und jeder Leiter 154 ist gegenüber den anderen Segmenten bzw. Leitern elektrisch isoliert. Das Gehäuse 156 zusammen mit jedem Kohlenstoffsegment 152 kapselt jeden Leiter 154 zwischen sich, so daß in den Nuten 170 zwischen benachbarten Segmenten 152 nur ein kleiner Bereich der Querstücke 198, 200 der von dem inneren und äußeren ringförmigen Abschnitt 180, 182 des Leiterringes 168 gebildeten Platte freiliegt und mit flüssigem Kraftstoff in Berührung gelangen kann. Die radiale Erstreckung jedes in der Nut 170 freiliegenden Leiters 154 ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte und vorzugsweise kleiner als ein Drittel der radialen Erstreckung der Nut durch den Kohlenstoffring. In der Nut 170 ist der freiliegende Oberflächenbereich des Leiters vorzugsweise kleiner als ein Drittel und vorzugsweise kleiner als ein Sechstel des Oberflächenbereiches des zugehörigen Kohlenstoffsegmentes in der Nut 170.
Der Zusammenbau des fertigen Kommutators 150 und des Ankers 42 sowie die Funktionsweise des Kommutators 150 in dem Modul 20 sind im wesentlichen die gleichen wie bei dem Kommutator 50, und somit werden sie im Zusammenhang mit dem abgewandelten Kommutator 150 nicht noch einmal beschrieben.
Der Kommutator 150 hat keine integralen, nach oben ragenden Befestigungselemente 74 wie der Kommutator 50; stattdessen ist er mit Öffnungen 186 im Leiterring 168 versehen, um den Leiterring 168 innerhalb des Kohlenstoffringes 166 zu verankern. Der Kommutator 150 läßt sich einfacher zusammenbauen, hat eine verbesserte Zwischenfläche zwischen dem Kohlenstoffring 166 und dem Leiterring 168 und ist insofern zuverlässiger und dauerfester.
Der oben beschriebene Kommutator hat einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau, und das Herstellungsverfahren zeichnet sich durch Flexibilität und Wirtschaftlichkeit aus. Sowohl der konstruktive Aufbau wie auch das Herstellungsverfahren lassen sich ohne weiteres anpassen und abwandeln, um sich unterschiedlicher Materialien zu bedienen oder um sie an andere Anwendungen anzupassen. Dadurch, daß der Kohlenstoffring um den Leiterring herum gesintert wird, ehe das Gehäuse an dem Zwischengebilde aus Kohlenstoffring und Leiterring angegossen wird, ermöglicht den Einsatz optimaler Sintertemperaturen, bei denen der im Kohlenstoffgemisch verwendete Binder karbonisiert wird, wodurch die Leitfähigkeit verbessert wird, ohne daß das Kunststoffgehäuse beeinträchtigt wird. Weitere Vorteile der Erfindung wurden bereits eingangs erwähnt.

Claims

Kommutator für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe mit: einem Kohlenstoffring (166) aus gesintertem Kohlenstoff mit einer ebenen vorderen Stirnfläche (158) und einer hinteren Stirnfläche, einem Leiterring (168), der in den Kohlenstoffring (166) mit Abstand zu der vorderen und hinteren Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) vor der Sinterung in den Kohlenstoffring (166) eingebettet ist und mehrere in Umfangsrichtung verteilte Zungen (176) am Außenumfang (162) des Kohlenstoffringes (166) aufweist, wobei der Leiterring (168) durch Sintern des Kohlenstoffringes (166) mit dem Kohlenstoffring (166) fest verbunden ist, wobei seine Zungen (176) mit dem Kohlenstoffring (166) elektrisch verbunden sind, einem Gehäuse (156) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, der nach dem Sintern des Kohlenstoffringes (166) zumindest auf die hintere Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) aufgegossen ist, wobei das Gehäuse (156) eine zu dem Kohlenstoffring (166) koaxiale Bohrung hat, und mehrere, in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Nuten (170), die sich radial und axial vollständig durch den Kohlenstoffring (166) und den Leiterring (168) erstrecken, um eine entsprechende Anzahl beabstandeter getrennter Kohlenstoffsegmente (152) aus gesintertem Kohlenstoff zu bilden, in denen jeweils ein getrennter elektrischer Leiter (154) durch Sintern in den Kohlenstoffsegmenten (152) eingebettet sind, um als Kommutatorsegmente zwecks Kontakt mit Bürsten (58, 60) zu dienen, wobei die Nuten (170) erst nach Angießen des Gehäuses (156) an dem gesinterten Kohlenstoffring (166) gebildet sind, wobei mindestens der in dem gesinterten Kohlenstoffring (166) eingebettet Abschnitt (172) des Leiterrings (168) im Wesentlichen eben und einstückig ist sowie innere (180) und äußere ringförmige Abschnitte (182), die durch im Allgemeinen radiale Speichen (184) verbunden sind, und Öffnungen (188) zwischen den Speichen (184) aufweist, während sich der gesinterte Kohlenstoff des Rings (166) um die inneren (180) und äußeren ringförmigen Abschnitte (182) und die Speichen (184) sowie durch die Öffnungen (188) des Leiterrings (168) erstreckt, der Kunststoff des Gehäuses (156) ist auf den inneren (160) und äußeren Rand (162) des gesinterten Kohlenstoffrings (166) gegossen und integrale Abschnitte (187) des Leiterrings (168) sind in den Kunststoff des Gehäuses (156) eingebettet und erstrecken sich durch den Kunststoff des Gehäuses (156) und werden zu den Zungen (176) geformt, um jedes der Kohlenstoffsegmente (152) am Gehäuse (156) dauerhaft festzulegen, und wobei jede radiale Speiche (184) ein Durchgangsloch (186) aufweist und der gesinterte Kohlenstoff des Kohlenstoffrings (166) sich durch die Löcher (186) in den radialen Speichen (184) erstreckt.
Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Speichen (184) nach außen gekrümmte Ränder (190) haben, die Wülste (185) in den radialen Speichen (184) bilden, wobei im Bereich der Wülste (185) durchgehende Löcher (186) durch die radialen Speichen (184) vorgesehen sind, durch die sich der gesinterte Kohlenstoff des Kohlenstoffringes (166) durch die Speichen (184) hindurch erstreckt.
Kommutator nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (198, 200) des Leiterringes (168) in jeder Nut (170) freiliegt und die radiale Erstreckung des freiliegenden Abschnittes (198, 200) des Leiterringes (168) kleiner als eine Hälfte der radialen Erstreckung der Nut (170) im Kohlenstoffring (166) ist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (198, 200) des Leiterringes (168) in jeder radialen Nut (170) frei- liegt und der freiliegende Abschnitt (198, 200) einen Flächenbereich hat, der kleiner als ein Drittel des Flächenbereiches der Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) in der Nut (170) ist, in der der Leiterring (168) freiliegt.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (156) einen integralen, ringförmigen Abschnitt (192) hat, der in eine zentrale Öffnung des Kohlenstoffringes (166) ragt und an der Seitenwand der zentralen Öffnung anliegt.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des in den Kohlenstoffring (166) eingebetteten Abschnittes des Leiterrings (168) eine texturierte Oberfläche hat, die durch Sintern mit dem Kohlenstoffring verbunden ist.
Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Seitenwand des Gehäuses (156) mehrere in Umfangsrichtung verteilte Ausnehmungen (197) hat und ein Teil jeder Zunge (176) des Leiterringes (168) von einer entsprechenden zugehörigen Ausnehmung (197) aufgenommen wird.
Kommutator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (156) eine integrale innere, ringförmige Seitenwand (192) hat, die in eine zentrale Öffnung des Kohlenstoffringes (166) ragt und an der Seitenwand der zentralen Öffnung anliegt.
Verfahren zum Herstellen eines flachen Kommutators für einen elektrischen Motor einer Kraftstoffpumpe, bei dem: ein elektrischer Leiter hergestellt wird, der einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen Ring mit mehreren, in Umfangsrichtung beabstandeten, vom Außenumfang des Ringes abgehenden, im wesentlichen radial verlaufenden Speichen (187) aufweist; ein in Umfangsrichtung kontinuierlicher einteiliger Kohlenstofffring (166) mit einer im wesentlichen ebenen vorderen Stirnfläche (158) und einer hinteren Stirnfläche um den elektrischen Leiterring (168) herum gegossen wird, so dass zumindest ein Teil des Leiterringes (168) in dem Kohlenstoffring (166) eingebettet ist, derart, dass er zwischen der vorderen und hinteren Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) und mit Abstand zu diesen angeordnet ist und äußere Abschnitte der radialen Speichen (187) benachbart zum Umfang des Kohlenstoffringes (166) liegen; der Kohlenstoffring (166) gesintert wird, um ein Zwischenprodukt des Kohlenstoffringes (166) zu bilden, bei dem ein Abschnitt des elektrischen Leiterrings (168) in dem Kohlenstoffring (166) eingebettet und mit ihm haftend verbunden ist. ein Gehäuse (156) aus einem Isolierenden Kunststoff nach der Herstellung des Zwischenproduktes auf zumindest die hintere Stirnfläche des gesinterten Kohlenstoffringes (166) aufgegossen wird, so dass das Gehäuse (156) unter dem gesinterten Kohlenstoffring (166) liegt, und danach mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Nuten (170) radial und axial durch sowohl den gesinterten Kohlenstoffring (166) wie auch den Leiterring geschnitten werden, um mehrere getrennte gesinterte Kohlenstoffsegmente zu bilden, in denen jeweils ein getrennter elektrischer Leiter (154) eingebettet und haftend damit verbunden ist, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen eines einstückigen Leiterrings (168) bei dem mindestens der in dem gesinterten Kohlenstoffring (166) eingebettete Abschnitt (172) des Leiterrings (168) im Wesentlichen eben ist sowie innere (180) und äußere ringförmige Abschnitte (182), die durch im Allgemeinen radiale Speichen (184) verbunden sind, und Öffnungen (188) zwischen den Speichen aufweist, und integrale äußere Bereiche (187) erstrecken sich radial auswärts von dem äußeren ringförmigen Abschnitt (182), der gesinterte Kohlenstoff des Rings (166) erstreckt sich um die inneren (180) und äußeren ringförmigen Abschnitte (182) und die Speichen (184) und durch die Öffnungen (188) des Leiterrings (168) und verbindet sich haftend damit, Gießen des Gehäuses (156) über den inneren (160) und äußeren Rand (162) des Kohlenstoffrings (166), während der äußere Abschnitt (187) in den Kunststoff des Gehäuses (156) eingebettet ist und sich durch den Kunststoff des Gehäuses (156) erstreckt, und nach dem Gießen des Gehäuses (156) werden die äußeren Abschnitte (187) zu Zungen (176) geformt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffring (166) aus einem Gemisch aus Kohlenstoff und Binder gegossen wird und der gegossene Kohlenstoffring (166) bei einer Temperatur von mindestens 538°C (1.000°F) gesintert wird, um dem Binder zu karbonisieren und die Leitfähigkeit des Kohlenstoffringes (166) zu erhöhen, wobei der isolierende Kunststoff ein Phenolharz enthält.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterring (168) so geformt wird, dass ein Abschnitt (198, 200) des elektrischen Leiterrings (168) in jeder Nut (170) freiliegt und die radiale Erstreckung des freiliegenden Abschnittes (198, 200) des elektrischen Leiterrings (168) kleiner als die Hälfte der radialen Erstreckung der Nut (170) im Kohlenstoffring (166) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiterring (168) so geformt wird, dass ein Abschnitt (198, 200) des elektrischen Leiterrings (168) in jeder radialen Nut (170) freiliegt und der freiliegende Abschnitt (198, 200) einen Oberflächenbereich hat, der kleiner als ein Drittel des Oberflächenbereiches der Stirnfläche des Kohlenstoffringes (166) in der Nut (170) ist, in der der Leiterring (168) freiliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterring (168) im wesentlichen eben ist, wenn das Gehäuse (156) an den Kohlenstoffring (168) angegossen wird; dass das Gehäuse (156) an der vorderen Stirnfläche (158), der hinteren Stirnfläche und der die vordere und hintere Stirnfläche verbindenen freiliegenden Seitenfläche des Kohlenstoffringes angegossen wird; dass danach die äußeren Abschnitte (187) des Leiterrings (168) zu Zungen (176) geformt werden; und dass danach der an der vorderen Stirnfläche (158) angegossene Abschnitt des Gehäuses (156) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterring (168) mit einem durch jede radiale Speiche (184) des Leiterringes verlaufendem Loch (186) versehen ist, wobei sich ein Teil des Kohlenstoffringes (166) durch jedes Loch (186) erstreckt, um die Segmente (154) des Leiterringes (168) in den Segmenten (152) des Kohlenstoffringes (166) zu befestigen.