DE2511102C2

DE2511102C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung des Ankers einer dynamoelektrischen Maschine

Info

Publication number: DE2511102C2
Application number: DE19752511102
Authority: DE
Inventors: Lloyd E. Ann Arbor Mich. Getchell; Donald L. Belleville Mich. Gramlich; David Ypsilanti Mich. Jorgensen; Warren C. Detroit Mich. Kellogg
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-03-15
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1984-03-22
Also published as: JPS50127103A; GB1446162A; ES435647A1; DE2511102A1; AU7885475A; CA1045358A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung des Ankers einer dynamoelektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem aus der DE-OS 19 05 733 bekannten Verfahren dieser Art ist jedem Preßverschweißen zweier Leiterenden mit dem Radialfortsatz des zugehörigen Kömmütätöfsegments ein Widerstandsverschweißen vorgeschaltet, bei dem die beiden Leiterenden ohne eine vorhergehende Entfernung ihrer Isolierung mittels zweier gegeneinander bewegter Schweißelektroden an einer axial zurückversetzten Stelle örtlich miteinander verschweißt werden. Nach diesem Widerstandsverschweißen wird das eine freie Leiterende im wesentlichen bis hin zu dieser Schweißstelle gegenüber dem anderen freien Leiterende gekürzt, so daß anschließend dieses längere Leiterende derart in den Schlitz des Radialfortsatzes eingelegt werden kann, daß das kürzere Leiterende an der äußeren Stirnseite des Kommutatorsegments anliegt Bei dem erst dann vorgenommenen Preßverschweißen wird eine erste Schweißelektrode an einer bezüglich des kürzeren Leiterendes axial gegenüberliegenden Stelle gegen die innere Stirnseite des Kommutatc,-segments und gleichzeitig eine zweite Schweißelektrode in radialer Richtung gegen das längere Leiterende bewegt, wobei gleichzeitig ein so hoher Preßdruck auf das Kommutatorsegment ausgeübt wird, daß es unter der maßgeblichen Schweißtemperatur zu einer Warmverformung des Kommutatorsegments kommt Durch diese Warmverformung erhält das längere Leiterende eine feste mechanische Verbindung mit dem umschließenden Material des Kommutatorsegments und gleichzeitig wird damit die elektrisch leitende Verbindung auch mit dem kürzeren Leiterende verbessert Aufgrund seiner Vielzahl separater Arbeitsgänge ist dieses bekannte Verfahren damit entsprechend aufwendig und außerdem darin nachteilig, daß in aller Regel wegen der bei dem Preßverschweißen der Leiterenden mit dem Radialfortsatz der Kommutatorsegmente stattfindenden Warmverformung noch eine zusätzliche mechanische Nachbearbej'jung durchgeführt werden muß, mit der die mechanische Festigkeit der Kommutatorsegmente herabgesetzt wird.

Aus der DE-AS 12 30 898 ist es daneben bekannt, die Leiterenden durch ein Lichtbogenverschweißen an dem Radialfortsatz der Kommutatorsegmente zu befestigen. Die Leiterenden werden dabei zunächst ohne eine vorhergehende Entfernung ihrer Isolierung in den Schlitz des Radialfortsatzes jedes Kommutatorsegments mäßig eingestemmt um damit eine mechanische Verbindung mit dem Kommutatorsegment zu erhalten, und danach werden sie durch Punkten und/oder durch mehrfaches Pendeln des Schweißbrenners längs des Schlitzes mit dem Kommutatorsegment verschweißt. Durch das bei diesem Verfahren ebenfalls als separater Arbeitsgang verwirklichte Einstemmen der Leiterenden in den Schlitz des Radialfortsatzes der Kommutatorsegmente ergibt sich jedoch auch hierbei ein größerer fertigungstechnischer Aufwand sowie der Nachteil, daß der Schlitz des Radialfortsatzes der Kommutatorsegmente besonders sorgfältig bearbeitet sein muß, damit zur Erzielung einer genügend festen mechanischen Verbindung das einstemmen der Leiterenden nur mit einem mäßigen und nicht mit einem erhöhten Druck durchgeführt werden kann, der sonst die Kommutatorsegmente an ihrem Radialfortsatz verformen und damit die Laufeigenschaften des Ankers nachteilig beeinflussen würde.

Neben dem Verschweißen der Leiterenden ist aus den US-PS 30 26 432 und 30 28 514 auch noch deren Verlöten bekannt Es wird dafür ein flüssiges Bad eines meistens bleihaltigen Lotes verwendet, in das die Kommutatorsegmente mit den in den Schlitz ihres Radialfortsatzes eingelegten Leiterenden eingetaucht werden, so daß nach der Verfestigung des Lotes auch hierbei eine sowohl elektrisch leitende als auch mechanische Verbindung der Leiterenden mit dem jeweils zugehörigen Kommutatorsegment erhalten wird. Wenngleich damit dieses Verlöten der Leiterenden gegenüber dem Verschweißen einfacher durchführbar ist, ist das Verlöten insbesondere in der Einzelheit nachteilig, daß der Bleianteil des Lotes mit dem

meistens vorhandenen Kupferanteil der Kommutatorsegmente sowie der elektrischen Leiter Galvanikbrükken bildet, die leicht zu Korrosionserscheinungen führen. Auch weisen die Lötverbindungen eine gegenüber den Schweißverbindungen geringere Warmfestigkeit auf, so daß es unter höheren Arbeits- und Umgebungstemperaturen der dynamoelektrischen Maschine zu einem Aufschmelzen des Lotes und damit zu einem Lösen der elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung der Leiterenden mit den Kommutatorsegmenten kommen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der angegebenen Gattung so auszubilden, daß mit einfacheren Maßnahmen eine wesentliche Beschleunigung des Fertigungsablaufs erreichbar ist und dabei gleichzeitig die elektrisch leitende und mechanische Verbindung der Leiterenden mit den einzelnen Kommutatorsegmenten noch weiter verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind im wesentlichen darin erkennbar, daß mit dem bisher im wesentlichen nur auf ein Verschweißen von Kunststoffen angewandten Ultraschallschweißen ein materialunabhängig in nur einem Arbeitsgang durchführbares Kaltverpressen und gleichzeitig Kaltverschweißen der Leiterenden mit dem Radialfortsatz des zugehörigen Kommutatorsegments praktiziert wird. Da hierbei folglich keine Gefahr für eine Warmverformung der Kommutatorsegmente auftritt, entfällt die Notwendigkeit für eine mechanische Nachbearbeitung, so daß nicht nur die ursprüngliche mechanische Festigkeit der Kommutatorsegmente erhalten bleibt, sondern auch ohne die Notwendigkeit für ein vorhergehendes separates Einstemmen der Leiterenden in den Schlitz der Radialfortsätze eine festere mechanische und gleichzeitig verbessert elektrisch isolierende Verbindung der Leiterenden mit den Kommutatorsegmenten erhalten wird. Das Verfahren läßfsich dabei gleichzeitig vorrichtungsmäßig verhältnismäßig einfach und auch zeitlich beschleunigt durchführen, wenn dafür in der hierbei besonders zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Patentanspruch 2 eine Vorrichtung nach den Patentansprüchen 3 und 4 verwendet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine Perspektivansicht des Ankers einer -,n dynamoelektrischen Maschine,

F i g. 2 ein« Stirnansicht eines Segments des Kommutators des Ankers gemäß F i g. 1,

F i g. 3 eine Perspektivansicht einer Vorrichtung, mit der die elektrischen Leiter des Ankers gemäß F i g. 1 paarweise mit den Kommutatorsegmenten verschweißt werden,

F i g. 4 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäß F i g. 3 zusammen mit einem Blockschaltbild der zugehörigen Antriebseinrichtung,

Fig.5 eine Stirnansicht der Vorrichtung nach der Linie 5-5 in F i g. 4,

F i g. 6 eine gegenüber der F i g. 2 erweiterte Stirnansicht des Kommutators des Ankers gemäß F i g. 1 und

Fig. 7 die in Fig.2 dargestellte Stirnansicht eines Kommutatorsegments nach Abschluß der Verschweißung der zugehörigen Leiterenden.

Auf der Welle 12 des ir< Fig. I dargestellten Ankers 10 einer dynamoelektrischen Maschine ist ein aus einzelnen Blechen 14 gebildetes Blechpaket angeordnet, welches Durchstecköffnungen 16,16a, 16ft für elektrisch isolierte Leiter 30a aufweist Die Enden 30 und 31 dieser Leiter 30a sind jeweils paarweise in einem Schlitz 28 eines Radialfortsatzes 26 von einzelnen Segmenten 20 eines am Ende der Ankerwelle 12 sitzenden Kommutators 18 angeordnet Die Kommutatorsegmente 20 sind an der Ankerwelle 12 mittels einer aus einem Epoxy- oder Phenolharz bestehenden Nabe 22 befestigt und durch radial ausgerichtete Stege 24 dieser Nr.be voneinander getrennt Hinsichtlich der Leiterenden 30 und 31, die in dem Schlitz 28 des Radialfortsatzes 26 der Kommutatorsegmente 20 paarweise angeordnet sind, ist noch zu verdeutlichen, daß es sich dabei um die abisolierten Enden verschiedener Leiter 30a handelt, wobei jeder Leiter durch zwei in einem Winkelabstand von beispielsweise 75° angeordnete Darchstecköffnungen 16a und 166 mit einer an der Rückseite 29 des Blechpaket?.;; des Ankers verwirklichten Oberführung hindurchgesteckt ist, so daß seine beide ;>. Enden an zwei verschiedenen Kommutatorsegmenten befestigt werden können, die zu diesen Durchstecköffnungen in einem abweichenden Winkelabstand von beispielsweise 40° angeordnet sind. Die Leiterenden 30 und 31 sind im übrigen b\ dem axialen Zwischenraum zwischen dem Kommutator 18 und dem Blechpaket des Ankers durch einen besonderen Isolator 13 voneinander getrennt

Die zum Verbinden der Leiterenden 30, 31 mit dem Radialfortsatz 26 der Kommutatorsegrnente 20 verwendbare Vorrichtung umfaßt nach F i g. 3 im wesentlichen einen aus zwei Teilen 34 und 38 gebildeten Lagerbock, dessen einer Teil 34 für eine Lagerung des dem Kommutator 18 abgewandelten Endes der Ankerwelle 12 mittels einer Lagerhülse 36 und dessen über einen Zentriervorgang 40 angeschlossener anderer Teil 38 für eine Lagerung von zwei Stützrollen 42 zur Abstützung eines jeweils zu bearbeitenden Ankers 10 vorgesehen ist Die beiden Stützrollen 42 sind fü! eine schrittweise Weiterdrehung des Ankers 10 durch einen Schrittschaltmotor 44 antreibbar, der mit einer Befestigung an dem Lagerbockteil 38 durch ein Schweißschild 46 gegen den Anker 10 abgeschirmt ist Das Schweißschild 46 ist mithin auf der Seite des Kommutators 18 des Ankers 10 angeordnet und dient für die Bereitstellung eines entsprechenden Arbeitsschutzes der Aufnahme des Schweißkopfes 60 eines Ultraschall-Schweißgerätes 48, der am Ende eines der Erzeugung von Ultraschallenergie dienenden Schweißhornes 50 angeordnet ist.

Das Schweißhorn 50 des Ultraschall-Schweißgerätes 48 ist an seinem dem Schweißkopf 60 abgewandten Ende über einen Verstärker 54 mit einem Elektro/Ultrascha!l-Fri;;rgiewandler 52 mittels zweier Kupplungsglieder 58 verbunden, um in Richtung des Doppelpfeils 69 in Schwingungen versetzt zu werden. Zur Abstüizung des gesamten Schweißgerätes 48 sind zwei Stützen 62 und

63 vorgesehen, die jeweils über ein Verbindungsgelenk

64 mit einem festem Auflager 66 bzw. 68 verbunden sind. Für eine Bewegung^möglichkeit des Schweißkopfes 60 auch in einer bezüglich des Ankers 10 radialen Richtung entsprechend dem Doppelpfeil 70 ist außerdcn der Lagerbockteil 38 an einem durch ein festes Auflager 74 abgestützten Schwenktisch 72 befestigt, der in eine Berührungsstellung des Schweißkopfes 60 mit dem Kommutator 18 durci» eine Feder 76 vorgespannt ist. Die Vorspannkraft dieser Feder 76 ist dabei so gewählt, daß in der Berührungsstellung mit dem Kommutator 18

der .Schweißkopf 60 mit einer Kraft zwischen etwa 160 und 450 kp gegen die Leiterenden 30, 31 angedrückt wird. Diese folglich mittels der Feder 76 präzise einstellbare Andrückkraft muß dabei in eine solche Abhängigkeit zu der für jeden Schweißvorgang verbrauchten Ultraschallenergie gesetzt werden, daß mindestens während der Ultraschallbeaufschlagung die Druckausübung auf die Leiterenden 30, 31 größer als der für das Verschweißen der Leiterenden mit dem zugehörigen Radialfortsatz 26 erforderliche Mindestdruck und kleiner als der Druck gewählt wird, unter welchem eine axiale Verdrängung der Leiterenden auftritt. Diese Begrenzung der Druckausübung ist dabei hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt zu versehen, daß bei der Ultraschallbeaufschlagung eine ständig vorhandene Explosionsgefahr der Leiterenden besteht, die somit durch Einhaltung dieser Grenzen für die Druckausübung bei einer damit gleichzeitig verwirklichten wirtschaftlichen Ausnutzung der für jeden Schweißvorgang benötigten Schallenergie verhindert wird.

Der Schwenktisch 72 wird durch einen Motor 78 unter Vermittlung einer Nockenscheibe 80 angetrieben, deren höchste Erhebung 82 ein Absenken des Schwenktisches 72 gegen die Kraft der Feder 76 ansteuert. Die Steuerkurve dieser Nockenscheibe 80 ist dabei so gewählt, daß bei einem mittels des Motors 78 verwirklichten ständigen Antrieb des Schwenktisches 72 in der Berührungsstellung des Schweißkopfes 60 mit dem Kommutator 18 für die Vollendung jedes dann verwirklichten Schweißvorganges genügend Zeit zur Verfügung steht und andererseits in der nach Abschluß dieses Schweißvorganges angesteuerten Verschwenkung des Schwenktisches der Anker 10 durch den Schrittschaltmotor 44 schrittweise weitergedreht werden kann. Für diese mithin intermittierende Betätigung des Schrittschaltmotors 44 ist im Schwenkweg des Schwenktisches Tz ein Endschalter 84 angeordnet, der zusammen mit dem Motor 78, einem Ein-Aus-Schalter 88 und einem ruckstellbaren Zähler 90 in einem gemeinsamen Stromkreis 86 liegt Der Zähler 90 ist zu dem Zweck vorgesehen, immer dann den Schalter 88 zu betätigen, wenn der Schrittschaltmotor 44 eine durch die Anzahl der Segmente 20 des Kommutators 18 festgelegte Anzahl von Betätigungen erfahren hat, womit ein dann fertiggestellter Anker gegen einen noch unfertigen neuen Anker ausgetauscht werden kann.

Der Schweißkopf 60 weist mehrere Schweißspitzen 92a bis 92/auf, die radial über den Umfang eines mittels einer Schraube 94 an dem Schweißhorn 50 befestigten Grundkörpers vorstehen. Die Verwendung von mehr als einer Schweißspitze für den Schweißkopf 60 ergibt den Vorteil, daß bei einem festgestellten Verschleiß einer bestimmten Schweißspitze deren Ersatz durch eine neue Schweißspitze ohne eine größere Stillstandszeit des Schweißgerätes vorgenommen werden kann, wobei das Schweißgerät im übrigen zweckmäßig so ausgebildet sein kann, daß diese mehreren Schweißspitzen in vorgegebenen Zeiträumen aufeinanderfolgend eingesetzt und folglich in den gleichen Zeiträumen auch an dem Schweißschild 46 ausgetauscht werden können.

Um eine exakte Positionierung der Schweißspitzen des Schweißkopfes 60 bezüglich des Schlitzes 28 des Radialfortsatzes 26 der Kommutatorsegmente 20 zu erhalten, kann im übrigen noch eine durch den Schrittschaltmotor 44 angetriebene Schaltscheibe 98

ίο vorgesehen werden, die unter Einhaltung einer axialen Überlappung 102 mit den Radialfortsätzcn über an ihrem Umfang ausgebildete Ausnehmungen mit Auswölbungen % an den Stegen 24 der Befestigungsnabe 22 für den Kommutator 18 zusammenwirken kann.

Für eine praktische Erprobung der vorbeschriebenen Vorrichtung wurde das Ultraschall-Schweißgerät 48 mit einem mit Parallelresonanzen angetriebenen elekirostruktiven Wandler 52 ausgerüstet, der Schwingungen konstanter Amplitude erzeugte. Der Wandler 52 war an einen Titan-Resonanzvcrstärker 54 angeschlossen, womit der aus Werkzeugstahl hergestellte und in einem Schwingungsknotenpunkt am Ende des Schweißhorns 50 befestigte Schweißkopf 60 bei einer Leistungsstärke des Wandlers von 4000 Watt mit einer Frequenz von etwa 1OkHz und einer Amplitude von etwa 0,15 mm angetrieben werden konnte. Die aus Kupfer bestehenden Leitenden 30, 31 hatten einen Durchmesser von etwa 3,23 mm und wurden an einen ebenfalls aus Kupfer bestehenden Kommutator 18 angeschweißt, bei dem die

jo Schlitze 28 aller Radialfortsätze 26 der Kommutatorsegmente 20 eine Breite von etwa 3,25 mm und eine Länge von etwa 635 mm hatten. Während jedes Schweißvorganges wurde auf die Leiterenden 30,31, die zunächst die in Fig.2 dargestellte Anordnung unter

J5 Zwischenfügung eines ihre Verschweißung fördernden Lotes 32 erhalten haben, ein einer Anpreßkraft zwischen etwa ioO und 450 kp entsprechender Druck ausgeübt, um damit dann bei einem Energieverbrauch zwischen etwa 1000 und 500Joule die in Fig.7 dargestellte Verbindung der Leiterenden 30,31 mit dem Radialfortsatz der Kommutatorsegmente zu erhalten. Eine Überprüfung dieser Verbindung ergab, daß sowohl an der Grenzfläche 104 zwischen den Leiterenden 30,31 als auch an den entsprechenden Grenzflächen mit den Wänden des Schlitzes 28 der Radialfortsätze 26 eine sehr feste mechanische und dauerhaft elektrisch leitende Verbindung erhalten wurde, die gleichermaßen auch für Kupferdrähte mit einem Durchmesser von etwa 2,08 bzw. von etwa 3,25 mm erzielt werden konnte, so wenn dafür bei einem entsprechend abgewand "ken Energieverbrauch zwischen etwa 300 und 100 Joule bzw. zwischen etwa 900 und 700 Joule mit ebenfalls entsprechend abgewandelten AnpreBkräften zwischen etwa 45 und 225 kp zwischen etwa 160 und 205 kp gearbeitet wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung des Ankers einer dynamoelektrischen Maschine, wie insbesondere des Anlaßmotors oder der Wechsektrommaschine von Kraftfahrzeugen, bei dem die einzelnen Segmente des am einen Ende der Ankerwelle sitzenden Kommutators einen geschlitzten Radialfortsatz zur elektrisch leitenden upd mechanischen Verbindung unter Ausübung eines Druckes mittels Preßschwei-Ben mit den Enden zweier jeweils zugehöriger elektrischer Leiter haben, die elektrisch isoliert durch das Blechpaket des Ankers hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterenden abisoliert und lose aneinanderliegend in ο den Schlitz des Radialfortsatzes der einzelnen Kommutatorsegmente eingefügt und darin unter Vermeidung einer Verformung der Kommutatorsegmente durch ein Ultraschallschweißen verschweiß; werden, wobei die Druckausübung auf die Leiterenden mindestens während der Ultraschallbeaufschlagung größer als der für das Verschweißen der Leiterenden mit dem zugehörigen Radialfortsatz erforderliche Mindestdruck und kleiner als der Druck gewählt wird, unter welchem eine axiale Verdrängung der Leiterenden auftritt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das paarweise Ultraschallverschweißen des Leiterenden mit den einzelnen Kommutatorsegmente zeitlich aufeinanderfolgend vorgenom- jo men wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprach 1 oter 2, church gekennzeichnet, daß das für das Ultraschallschweißen benutzte Schweißgerät (48) einen Schv jißkopf (60) hat, der mit seiner an ihm ausgebildeten Schweißspitze in einer auf den Anker (10) bezogenen Radialrichtung relativ zu dessen Kommutator (18) bewegbar ist, und daß weiterhin eine Schrittschalteinrichtung (44, 84) zur schrittweisen Weiterdrehung des Ankers (10) jeweils dann vorgesehen ist, wenn nach einem abgeschlossenen Schweißvorgang der Schweißkopf (60) von dem Kommutator (18) abgehoben ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (60) mit mehreren Schweißspitzen (92a bis 92/7 ausgerüstet ist, die in zeitlicher Aufeinanderfolge einzeln zur Wirkung bringbar sind.