EP1186077B1 - Verfahren zur herstellung eines plankommutators und nach diesem verfahren hergestellter kommutator - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines plankommutators und nach diesem verfahren hergestellter kommutator Download PDF

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EP1186077B1
EP1186077B1 EP00945730A EP00945730A EP1186077B1 EP 1186077 B1 EP1186077 B1 EP 1186077B1 EP 00945730 A EP00945730 A EP 00945730A EP 00945730 A EP00945730 A EP 00945730A EP 1186077 B1 EP1186077 B1 EP 1186077B1
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EP
European Patent Office
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carrier body
segment
coating
commutator
division
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EP00945730A
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Eckhard KÖNIG
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Kautt and Bux GmbH
Original Assignee
Kautt and Bux GmbH
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Publication date
Application filed by Kautt and Bux GmbH filed Critical Kautt and Bux GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/06—Manufacture of commutators
    • H01R43/08—Manufacture of commutators in which segments are not separated until after assembly
    • H—ELECTRICITY
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/04—Commutators
    • H01R39/06—Commutators other than with external cylindrical contact surface, e.g. flat commutators
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining
    • Y10T29/49888—Subsequently coating

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a flat commutator according to the preamble of claim 1 and a commutator produced by this method.
  • Commutators of this type can be used, in particular, in electric motors for driving a fuel pump which pumps fuels obtained from renewable raw materials.
  • a cup-shaped carrier body which forms metallic and segment-supporting parts is formed from a copper plate pre-segmented by grooves and is injection-molded with a hub formed from an electrically insulating molding compound.
  • the carrier body is then removed on its side forming a contact surface for the carbon-containing ring disk to such an extent that the segment supporting parts are electrically separated from one another by the grooves filled with molding compound.
  • the washer is applied and then in accordance with the segmentation of the carrier body Segments divided, the separating slots protruding into the area of the grooves filled with molding compound.
  • the carrier body is segmented before the annular disk is applied, it requires the additional method steps of introducing grooves into the carrier body and removing the carrier body into the area of the grooves. In addition, the division must take place exactly in the area of the grooves in order to ensure resistance to the reaction-promoting environment.
  • DE 36 25 959 C2 shows a drum commutator and a method for its production, in which protective parts by plating with a copper either on a cylinder which is produced by rolling in a base plate consisting of a mother or base metal copper or on a hollow cylindrical tube piece -Nickel or silver-nickel alloy are applied, at least on the surfaces that come into contact with the brushes. Furthermore, the mother metal of the commutator segments is tin plated on its surface by electrolytic plating (column 13, lines 16 and 17) to prevent the copper body from being exposed to a fuel such as gasohol so as to prevent decomposition of the fuel.
  • a fuel such as gasohol
  • DE 44 35 884 C2 shows a commutator for use in fuel pumps, with fins arranged over the circumference of the commutator, which are in sliding contact with a brush arrangement, made of a wear-resistant copper-magnesium alloy, the magnesium content of the fins being between 0 , 05 and 2.00 mass percent.
  • JP 58 075440 A does not show a flat commutator, but a drum commutator.
  • This document also aims to prevent the oxidation of gasoline.
  • a fuel-resistant plate (sheet 8) is connected to the copper plate forming the carrier body in its not yet rolled state.
  • FR 2 330 169 A also shows a drum commutator (see FIGS. 1 to 3) and therefore a non-generic object.
  • the layer shown in FIG. 5 of this document with the reference numerals 11a and 11b is a layer which is produced by oxidation.
  • US 5,175,463 shows a face commutator in which the segment support parts are separated by radial slots.
  • a low-melting compound made of different metals is used to connect the carbon-containing ring washer to the metallic segment support parts.
  • DE 29 03 029 C2 forms the closest prior art and shows, inter alia, a method for producing a flat commutator, in which a copper plate with a disk-shaped sheet made of silver or a silver alloy which is insensitive to petrol is applied, then slit at regular intervals and finally the bared Copper parts of the commutator bars are covered with an electroplated, electroplated layer of silver or tin.
  • the invention is therefore based on the problem of providing a method for producing a flat commutator which overcomes the disadvantages of the prior art, in particular is more cost-effective and nevertheless ensures adequate resistance of the commutators produced in a reaction-promoting environment.
  • the coating in particular in undercuts and / or grooves which may be present due to the division of the carrier body, should be sufficiently thick, as uniform as possible and in any case resulting in a coherent layer.
  • the invention should also be able to use electric motors for driving a pump for fuels obtained from renewable raw materials.
  • the surfaces of the metallic segment bearing parts that are exposed by the division are covered with a coating that is resistant to the reaction-promoting or aggressive environment.
  • the resistance relates in particular to the protection of the carrier body or the segment support parts and the connection to the washer from decomposition and to the electrical conductivity with regard to the contact resistance between the commutator running surface formed by the washer and the associated segment support part or between the latter and the commutator brush and on the adhesion of the coating on the metallic segment supporting part.
  • the insulation between the segment supporting parts must be guaranteed.
  • the segment support parts preferably consist essentially of copper and have a high electrical conductivity and ductility.
  • the carrier body is produced, for example, from a punched-out copper plate, which is then shaped into a pot and is injected with a molding compound which forms the hub.
  • the particularly carbon-containing washer is resistant in the reaction-promoting environment, for example in a hydrocarbon-containing liquid.
  • the ring disk and / or the carrier body are preferably divided by grinding, sawing or laser processing.
  • the carrier body is divided into segment support parts after the connection with the ring washer, the method steps of introducing the grooves and removing the carrier body are eliminated.
  • the manufacturing process is further simplified by dividing the ring disk and the carrier body in one step.
  • the support body formed into a pot and provided with the hub is divided into segment support parts by first slots, then the washer is applied and then the washer is divided into ring segments by second slots, the second Slots preferably smaller than the first Are slots and are disposed within the first slots.
  • the surfaces of the segment supporting parts that are exposed due to the division of the carrier body can be coated before or after the application of the annular disc. If the coating takes place before the ring disk is applied, the applied layer can simultaneously be used as a connecting layer with the ring disk.
  • the metallic carrier body can be coated with any materials. It can both chemical and physical, and mixed deposition methods are used, for example, deposition from the gas phase (C hemica) V apour D eposition, CVD), optionally plasma- or laser-assisted, cathode sputtering (sputtering), evaporation gives etc.
  • deposition from the gas phase (C hemica) V apour D eposition, CVD optionally plasma- or laser-assisted
  • cathode sputtering sputtering
  • evaporation evaporation gives etc.
  • the layer material is preferably in ionic solution or suspension and can be deposited electrolytically (galvanically) or without current on the segment supporting parts.
  • the fact that the coating is carried out selectively only on the surfaces of the segment supporting parts means that the annular disk and in particular the hub are not coated, as a result of which the layer is detached from these points, for example due to lack of adhesion, and the problems associated therewith during later operation of the commutator ,
  • the selectivity of the deposition can be adjusted by appropriate selection of the process parameters during the deposition, for example deposition temperature, concentration of the solution or suspension, deposition time etc., depending on the material to be deposited and / or the carrier body to be coated.
  • the coating is carried out with tin, silver or chrome ensures good coverage and adhesion, as well as sufficient resistance, in particular to fuels obtained from renewable raw materials, even with inexpensive materials.
  • Tin in particular offers good contact properties, which is also advantageous for connecting the winding ends to the segment supporting parts.
  • the layer thickness is between 0.1 and 10 ⁇ m, in particular between 1 and 3 ⁇ m, ensures reliable coverage and good adhesion and sufficient resistance. These layer thicknesses occur in particular in the case of electroless deposition from a solution or suspension after relatively short deposition times and ensure pore-free covering of the carrier body.
  • the hub also bears against the carrier body in the region of the division, in particular on the side of the segment supporting parts facing away from the commutator running surface and / or the surfaces adjoining the surfaces exposed by the division of the carrier body, In this area, too, a secure covering of the metallic carrier body is guaranteed, which reliably prevents the carrier body or the segment carrier parts from being washed away in the reaction-promoting environment.
  • the hub forms a complete covering of a cylindrical boundary surface of a central bore of the carrier body, the cylindrical inside of the carrier body is also covered with respect to the reaction-promoting atmosphere and the resistance of the commutator is further increased.
  • Tin because the coating is resistant to a fuel to be pumped, commutators produced by the method according to the invention can also be used in fuel pumps. Tin, in particular, has proven to be resistant to fuels obtained from renewable raw materials, such as alcohol-based fuels or diesel fuels obtained from rapeseed oil.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the manufacturing process.
  • a copper plate is punched out 50 from a copper sheet, from which a cup-shaped carrier body is then formed 51.
  • the bottom surface of the pot forms the contact surface for the washer to be applied.
  • the bottom surface is not pre-segmented, whereas the cylindrical outer surface of the pot is already segmented by punching out.
  • hook elements are formed for attaching the coil windings and armature elements engaging in the hub.
  • the hub is formed by spraying 52 of the cup-shaped carrier body by means of an electrically insulating molding compound which is temperature-resistant in accordance with the respective requirements.
  • the hub and the contact surface of the carrier body can be machined 53, with respect to the hub, in particular, a fine machining of the bore of the hub receiving the shaft of a rotor takes place, and with regard to the contact surface of the carrier body, planarization and optionally pretreatment with regard to the subsequent application 54 of the ring disk is carried out.
  • the ring disk is preferably carbon-containing or consists entirely of sintered carbon, which has the morphology and granularity required in terms of electrical conductivity, abrasion resistance and resistance.
  • the inner diameter of the ring disk is preferably larger than the diameter of the bore in the hub.
  • the ring disk and the carrier body are then divided 55 into segments, preferably by a single machining operation, for example by grinding or sawing.
  • the separating slot extends through the annular disc and the bottom of the cup-shaped carrier body into the molding compound adjoining the carrier body and resting thereon. By dividing, the segments of the commutator are separated from an electrical point of view. H. the electrically conductive connections between the segments are cut. The segments are still mechanically firmly connected to each other via the molded hub.
  • the carrier body 56 is coated with a material which is resistant to the reaction-promoting environment, for example with tin, silver or chromium, in a layer thickness of 0.1 to 10 ⁇ m, preferably 1 to 3 ⁇ m.
  • a material which is resistant to the reaction-promoting environment for example with tin, silver or chromium, in a layer thickness of 0.1 to 10 ⁇ m, preferably 1 to 3 ⁇ m.
  • the coating is preferably carried out by electroless deposition from a solution or suspension, ie without external tension being applied between the support body to be coated and the solution or suspension.
  • chemical and / or mechanical cleaning for example in an ultrasonic bath, is carried out to remove impurities and to remove residues on the surface of the segment support parts and to prepare the surface for coating.
  • the segment supporting parts which essentially contain copper, can then be pretreated in a reducing atmosphere.
  • the actual coating is preferably carried out at a temperature which is higher than the room temperature. In appropriate solutions or suspensions, for example, with deposition times of less than one hour, layer thicknesses between 1 and 3 ⁇ m can be achieved.
  • a large number of commutator elements can be coated in one operation. After coating, the commutators are rinsed and dried.
  • the carrier body is divided into segment carrier parts 155A, forming the hub.
  • the segment support parts are then coated 156 as described above.
  • the coating can also be carried out galvanically or electrolytically, for example with silver in a layer thickness of approximately 5 ⁇ m.
  • the washer is then applied 154 and finally divided 155B into ring segments.
  • the separating slots in the annular disk are preferably narrower or the same width, at least within these, compared to the separating slots in the carrier body.
  • the segment support parts can also be coated as described above only after the separation 155B of the ring disk.
  • FIG. 3 shows a top view of the segmented annular disk of a commutator 1 produced by the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a section IV-IV through the commutator 1 of FIG. 3.
  • the annular disc is divided into eight ring segments 2, just as the carrier body is divided into eight segment supporting parts 4.
  • the hub 6 formed by injection molding is formed on the segment supporting parts 4 of the carrier body and forms a central bore 6a for receiving a shaft (not shown) of a rotor of a motor or a generator.
  • the segment support parts 4 have on their outer peripheral surface 4a a hook 4b for the electrical connection of a rotor winding.
  • the segment support parts 4 each have at least one anchor element 4c for the fixed connection to the hub 6.
  • the diameter of the outer peripheral surface 4a corresponds to the outer peripheral surface 2a of the ring segments 2 formed from the ring disk.
  • the diameter of the inner peripheral surface 2d of the ring segments 2 essentially corresponds to the inner peripheral surface 4d of the segment supporting parts 4 or is slightly larger.
  • connection and in particular solder layer 10 between the segment supporting part 4 and the ring segment 2 is for example 50 ⁇ m thick.
  • separation slots 12 are formed, which protrude into the area of the hub 6.
  • the surfaces 14 of the segment support parts 4, which are essentially made of copper and which are exposed by dividing the carrier body, are covered with a coating which is resistant to the reaction-promoting environment.
  • the outer peripheral surface 4a and the hooks 4b of the segment supporting parts 4 are also preferably coated. This enables a better connection of the segment support parts with the rotor windings, in particular easier contacting of the Segment supporting parts over the outer peripheral surface 4a when welding the winding ends to the hooks 4b.
  • the separation slot shown enlarged in FIG. 5 compared to FIG. 4 was produced in one operation by cutting or sawing the composite of hub 6, the carrier body forming the segment supporting parts 4 and the ring disk forming the ring segments 2.
  • the slot is typically a few tenths of a millimeter wide and a few millimeters deep.
  • a sufficiently resistant, thick and dense selective coating of the surfaces 14 of the segment supporting parts 4 and optionally the connecting layer 10 exposed by the separation can be achieved.
  • FIG. 6 shows a view corresponding to FIG. 5 of a commutator manufactured according to the alternative manufacturing method according to FIG. 2.
  • the carrier body was first divided into the segment supporting parts 104 with a first, wider slot 112a, then the washer was applied by means of the connecting layer 110 and finally the washer was divided into the ring segments 102 by a second, narrower slot 112b aligned with the first.
  • the coating (not shown) of the surfaces 114 of the segment supporting parts 104 which are exposed by the splitting and optionally of the exposed surface 110b of the connecting layer 110 can either be in front of or after applying the ring washer.
  • the connection layer 110 may not end flush with the ring segments 102, but flush with the segment supporting parts 104.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)
  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Kommutator. Derartige Kommutatoren sind insbesondere bei Elektromotoren zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe einsetzbar, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Kraftstoffe pumpt.
  • Bei dem aus der WO 97/03486 bekannten Herstellverfahren wird aus einer durch Nuten vorsegmentierten Kupferplatine ein metallischer und Segmenttragteile bildender topfförmiger Trägerkörper geformt und mit einer aus einer elektrisch isolierenden Formmasse gebildeten Nabe ausgespritzt. Anschließend wird der Trägerkörper auf seiner eine Anlagefläche für die kohlenstoffhaltige Ringscheibe bildenden Seite soweit abgetragen, daß die Segmenttragteile durch die mit Formmasse ausgefüllten Nuten elektrisch voneinander getrennt sind. Dann wird die Ringscheibe aufgebracht und anschließend entsprechend der Segmentierung des Trägerkörpers in Segmente geteilt, wobei die Trennschlitze in den mit Preßmasse gefüllten Bereich der Nuten hineinragen.
  • Da nach dem bekannten Verfahren der Trägerkörper segmentiert wird, bevor die Ringscheibe aufgebracht wird, erfordert er die zusätzlichen Verfahrensschritte des Einbringens von Nuten in den Trägerkörper und das Abtragen des Trägerkörpers bis in den Bereich der Nuten. Außerdem muß das Teilen genau in dem Bereich der Nuten erfolgen, um die Resistenz gegen die reaktionsfördernde Umgebung zu gewährleisten.
  • Die DE 36 25 959 C2 zeigt einen Trommelkommutator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem entweder auf einem Zylinder, der durch Einrollen einer aus einem Mutter- oder Grundmetall Kupfer bestehenden Grundplatte hergestellt wird, oder auf einem hohlzylindrischen Rohrstück Schutzteile durch Plattieren mit einer Kupfer-Nickel- oder Silber-Nickel-Legierung aufgebracht werden, und zwar wenigstens an den Oberflächen, die mit den Bürsten in Kontakt kommen. Ferner wird das Muttermetall der Kommutatorsegmente an seiner Oberfläche durch elektrolytisches Plattieren (Spalte 13, Zeilen 16 und 17) mit einer Zinnplattierung versehen, um zu vermeiden, dass der Kupferkörper einem Brennstoff wie Gasohol exponiert wird, um so eine Zersetzung des Brennstoffs zu verhindern. Als Gasohol ist dabei in der Patentschrift eine Mischung von bleifreiem Benzin und 10 bis 15 % Ethylalkohol bestimmt.
  • Die DE 44 35 884 C2 zeigt einen Kommutator für den Einsatz in Kraftstoffpumpen, mit über den Umfang des Kommutators angeordneten Lamellen, die mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt stehen, aus einer verschleißfesten Kupfer-Magnesium-Legierung, wobei der Magnesium-Anteil der Lamellen zwischen 0,05 und 2,00 Masseprozent beträgt.
  • Die JP 58 075440 A zeigt im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung keinen Plankommutator, sondern einen Trommelkommutator. Außerdem ist dieses Dokument darauf gerichtet, die Oxydation von Kraftstoff zu verhindern ("to prevent the oxydation of gasoline"). Hierzu wird eine gegen Kraftstoff resistente Platte (sheet 8) mit der den Trägerkörper bildenden Kupferplatte in deren noch nicht rolliertem Zustand verbunden.
  • Die FR 2 330 169 A zeigt ebenfalls einen Trommelkommutator (siehe Figuren 1 bis 3) und mithin einen gattungsfremden Gegenstand. Bei der in Fig. 5 dieses Dokuments dargestellten Schicht mit den Bezugszeichen 11a und 11b handelt es sich um eine Schicht, die durch Oxydation hergestellt ist.
  • Die US 5,175,463 zeigt einen Plankommutator, bei dem die Segmenttragteile durch radiale Schlitze separiert sind. Für die Verbindung der kohlenstoffhaltigen Ringscheibe mit den metallischen Segmenttragteilen wird eine niedrigschmelzende Verbindung aus verschiedenen Metallen verwendet.
  • Die DE 29 03 029 C2 bildet den nächstkommenden Stand der Technik und zeigt u. a. ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators, bei dem eine Kupferplatte mit einem scheibenförmigen Blatt aus gegen Benzin unempfindlichen Silber oder einer Silberlegierung aufgebracht wird, anschließend in regelmäßigen Abständen geschlitzt und abschließend die entblößten Kupferteile der Kommutatorlamellen mit einer galvanisch aufgebrachten, elektroplattierten Schicht aus Silber oder Zinn bedeckt werden.
  • Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere kostengünstiger ist und dennoch eine ausreichende Resistenz der hergestellten Kommutatoren in einer reaktionsfördernden Umgebung gewährleistet. Darüber hinaus soll die Beschichtung insbesondere in Hinterschneidungen und/oder durch das Teilen des Trägerkörpers eventuell vorhandene Nuten ausreichend dick, möglichst gleichmäßig und in jedem Fall eine zusammenhängende Schicht ergebend aufbringbar sein. Durch die Erfindung sollen darüber hinaus Elektromotoren zum Antrieb einer Pumpe für aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Kraftstoffe einsetzbar sein.
  • Das Problem ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren sowie durch den in den nebengeordneten Ansprüchen bestimmten Kommutator und Elektromotor gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
  • Die durch das Teilen freiliegenden Flächen der metallischen Segmenttragteile werden mit einer gegen die reaktionsfördernde oder aggressive Umgebung resistenten Beschichtung abgedeckt. Die Resistenz bezieht sich dabei insbesondere auf den Schutz des Trägerkörpers bzw. der Segmenttragteile und der Verbindung zur Ringscheibe vor Zersetzung und auf die elektrische Leitfähigkeit im Hinblick auf den Übergangswiderstand zwischen der von der Ringscheibe gebildeten Kommutatorlauffläche und dem zugehörigen Segmenttragteil bzw. zwischen diesem und der Kommutatorbürste sowie auf die Haftung der Beschichtung auf dem metallischen Segmenttragteil. Außerdem muß die Isolation zwischen den Segmenttragteilen gewährleistet sein. Die Segmenttragteile bestehen vorzugsweise im wesentlichen aus Kupfer und weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Duktilität auf. Der Trägerkörper wird beispielsweise aus einer ausgestanzten Kupferplatine hergestellt, die anschließend zu einem Topf verformt wird, und mit einer die Nabe bildenden Preßmasse ausgespritzt wird. Die insbesondere kohlenstoffhaltige Ringscheibe ist in der reaktionsfördernden Umgebung, beispielsweise in einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit, resistent. Das Teilen der Ringscheibe und/oder des Trägerkörpers erfolgt vorzugsweise durch Trennschleifen, Sägen oder Laserbearbeiten.
  • Dadurch, daß der Trägerkörper nach dem Verbinden mit der Ringscheibe in Segmenttragteile geteilt wird, entfallen die Verfahrensschritte des Einbringens der Nuten und des Abtragens des Trägerkörpers.
  • Dadurch, daß das Teilen der Ringscheibe und des Trägerkörpers in einem Schritt erfolgt, ist das Herstellverfahren weiter vereinfacht. Alternativ hierzu kommt in Betracht, daß in einem ersten Schritt der zu einem Topf geformte und mit der Nabe versehene Trägerkörper durch erste Schlitze in Segmenttragteile geteilt wird, dann die Ringscheibe aufgebracht wird und anschließend die Ringscheibe durch zweite Schlitze in Ringsegmente geteilt wird, wobei die zweiten Schlitze vorzugsweise kleiner als die ersten Schlitze sind und innerhalb der ersten Schlitze angeordnet sind.
    Das Beschichten der durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen der Segmenttragteile kann vor oder nach dem Aufbringen der Ringscheibe erfolgen. Soweit die Beschichtung vor dem Aufbringen der Ringscheibe erfolgt, kann die aufgebrachte Schicht gleichzeitig als Verbindungsschicht mit der Ringscheibe eingesetzt werden.
  • Dadurch, daß die Beschichtung durch Abscheiden erfolgt, kann der metallische Trägerkörper mit beliebigen Werkstoffen beschichtet werden. Es können sowohl chemische als auch physikalische und gemischte Abscheideverfahren eingesetzt werden, beispielsweise Abscheiden aus der Gasphase (Chemica) Vapour Deposition, CVD), gegebenenfalls plasma- oder laserunterstützt, Kathodenstrahlzerstäubung (Sputtern), Bedampfen usw. Einen Überblick über mögliche Abscheideverfahren gibt Vossen, Kern (Hrsg.): Thin film processes I und II, 1991.
  • Dadurch, daß das Abscheiden aus einer Lösung oder Suspension erfolgt, kann eine große Anzahl von Kommutator-Elementen in einem Schritt und damit kostengünstig und mit einer guten Bedeckung und Schichtqualität beschichtet werden. Der Schichtwerkstoff ist dabei in vorzugsweise ionischer Lösung oder Suspension und kann elektrolytisch (galvanisch) oder stromlos auf den Segmenttragteilen abgeschieden werden.
  • Dadurch, daß das Abscheiden aus der Lösung oder Suspension stromlos erfolgt, d. h. ohne Anlegen einer äußeren Spannung, ergibt sich eine gute Bedeckung der Elemente auch an unzugänglichen Stellen, beispielsweise in den durch das Teilen entstandenen Trennschlitzen. Temperatur und Konzentration der Lösung oder Suspension sind dabei so gewählt, daß in möglichst kurzer Zeit eine vollständige Bedeckung ausreichender Dicke gewährleistet ist.
  • Dadurch, daß die Beschichtung selektiv nur auf den Flächen der Segmenttragteile erfolgt, wird die Ringscheibe und insbesondere die Nabe nicht beschichtet, wodurch ein Ablösen der Schicht von diesen Stellen, beispielsweise aufgrund mangelnder Haftung, und die damit verbundenen Probleme beim späteren Betrieb des Kommutators verhindert werden.
    Die Selektivität der Abscheidung ist durch entsprechende Wahl der Prozeßparameter beim Abscheiden, beispielsweise Abscheidetemperatur, Konzentration der Lösung oder Suspension, Abscheidedauer usw., in Abhängigkeit des abzuscheidenden Werkstoffes und/oder des zu beschichtenden Trägerkörpers einstellbar.
  • Dadurch, daß die Beschichtung mit Zinn, Silber oder Chrom erfolgt, ist auch mit kostengünstigen Werkstoffen eine gute Bedeckung und Haftung sowie eine ausreichende Resistenz insbesondere gegenüber aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Kraftstoffen gewährleistet. Insbesondere Zinn bietet dabei gute Kontakteigenschaften, die auch für das Verbinden der Wicklungsenden mit den Segmenttragteilen vorteilhaft ist.
  • Dadurch, daß die Schichtdicke zwischen 0,1 und 10 µm beträgt, insbesondere zwischen 1 und 3 µm, ist eine sichere Bedeckung und gute Haftung sowie ausreichende Resistenz gewährleistet. Diese Schichtdicken stellen sich insbesondere bei einem stromlosen Abscheiden aus einer Lösung oder Suspension nach verhältnismäßig kurzen Abscheidedauern ein und gewährleisten eine porenfreie Bedeckung des Trägerkörpers.
  • Dadurch, daß bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kommutator die Nabe auch im Bereich der Teilung, insbesondere auf der der Kommutatorlauffläche abgewandten Seite der Segmenttragteile und/oder den sich an die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen anschließenden Flächen, an dem Trägerkörper anliegt, ist auch in diesem Bereich eine sichere Abdeckung des metallischen Trägerkörpers gewährleistet, die eine Unterspülung des Trägerkörpers bzw. der Segmenttragteile in der reaktionsfördernden Umgebung zuverlässig verhindert.
  • Dadurch, daß die Nabe eine vollständige Abdeckung einer zylindrischen Begrenzungsfläche einer zentralen Bohrung des Trägerkörpers bildet, ist auch die zylindrische Innenseite des Trägerkörpers gegenüber der reaktionsfördernden Atmosphäre abgedeckt und die Resistenz des Kommutators weiter erhöht.
  • Dadurch, daß die Beschichtung resistent gegen einen zu pumpenden Kraftstoff ist, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kommutatoren auch in Kraftstoffpumpen eingesetzt werden. Dabei hat sich insbesondere Zinn als Beschichtungswerkstoff resistent gegen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Kraftstoffe erwiesen, wie beispielsweise auf Alkohol basierende Kraftstoffe oder aus Rapsöl gewonnene Dieselkraftstoffe.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
    • Fig. 1
    zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens,
    Fig. 2
    zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens,
    Fig. 3
    zeigt eine Aufsicht auf einen segmentierten Kommutator,
    Fig. 4
    einen Schnitt IV-IV durch den Kommutator der Fig. 3,
    Fig. 5
    zeigt eine Ansicht des Kommutators der Fig. 3 aus V-V, und
    Fig. 6
    zeigt eine der Fig. 5 entsprechende Ansicht eines nach dem Herstellverfahren gemäß Fig. 2 hergestellten Kommutators.
  • Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens. Aus einem Kupferblech wird eine Kupferplatine ausgestanzt 50, aus der anschließend ein topfförmiger Trägerkörper geformt 51 wird.
    Die Bodenfläche des Topfes bildet dabei die Anlagefläche für die aufzubringende Ringscheibe. Die Bodenfläche ist dabei nicht vorsegmentiert, wogegen die zylindrische Mantelfläche des Topfes durch das Ausstanzen bereits segmentiert ist. Ebenso sind durch das Ausstanzen Hakenelemente für das Anbringen der Spulenwicklungen und in die Nabe eingreifende Ankerelemente ausgebildet. Die Bildung der Nabe erfolgt durch Ausspritzen 52 des topfförmigen Trägerkörpers mittels einer elektrisch isolierenden und entsprechend den jeweiligen Anforderungen temperaturbeständigen Formmasse. Optional kann die Nabe und die Anlagefläche des Trägerkörpers bearbeitet werden 53, wobei hinsichtlich der Nabe insbesondere eine Feinbearbeitung der die Welle eines Rotors aufnehmenden Bohrung der Nabe erfolgt und hinsichtlich der Anlagefläche des Trägerkörpers ein Planarisieren und gegebenenfalls Vorbehandeln hinsichtlich des nachfolgenden Aufbringens 54 der Ringscheibe erfolgt.
  • Die Ringscheibe ist vorzugsweise kohlenstoffhaltig oder besteht vollständig aus gesintertem Kohlenstoff, der die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, Abriebfestigkeit und Resistenz erforderliche Morphologie und Körnigkeit aufweist. Der Innendurchmesser der Ringscheibe ist dabei vorzugsweise größer als der Durchmesser der Bohrung in der Nabe. Anschließend erfolgt ein Teilen 55 der Ringscheibe und des Trägerkörpers in Segmente, vorzugsweise durch einen einzigen Bearbeitungsvorgang, beispielsweise durch Trennschleifen oder Sägen. Der Trennschlitz reicht dabei durch die Ringscheibe und den Boden des topfförmigen Trägerkörpers bis in die sich an den Trägerkörper anschließende und an diesem anliegende Formmasse hinein. Durch das Teilen erfolgt die Vereinzelung der Segmente des Kommutators in elektrischer Hinsicht, d. h. die elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen den Segmenten werden durchtrennt. Nach wie vor sind die Segmente über die angeformte Nabe mechanisch fest miteinander verbunden.
  • Abschließend erfolgt das Beschichten 56 des Trägerkörpers mit einem gegen die reaktionsfördernde Umgebung resistenten Material, beispielsweise mit Zinn, Silber oder Chrom in einer Schichtdicke von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 1 bis 3 µm. Dabei werden vorzugsweise alle freiliegenden Flächen des Trägerkörpers beschichtet, insbesondere die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen der metallischen Segmenttragteile. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch stromloses Abscheiden aus einer Lösung oder Suspension, d. h. ohne daß von außen eine Spannung zwischen dem zu beschichtenden Trägerkörper und der Lösung oder Suspension angelegt wird. Vor dem eigentlichen Beschichten erfolgt eine chemisch und/oder mechanische Reinigung, beispielsweise in einem Ultraschallbad, um Verunreinigungen und Rückstände auf der Oberfläche der Segmenttragteile zu entfernen und um die Oberfläche für das Beschichten vorzubereiten. Anschließend können die im wesentlichen Kupfer enthaltenden Segmenttragteile in einer reduzierenden Atmosphäre vorbehandelt werden. Das eigentliche Beschichten erfolgt vorzugsweise bei gegenüber der Raumtemperatur erhöhter Temperatur. In entsprechenden Lösungen oder Suspensionen können beispielsweise mit Abscheidedauern von unter einer Stunde Schichtdicken zwischen 1 und 3 µm erzielt werden. Dabei können eine Vielzahl von Kommutator-Elementen in einem Arbeitsgang beschichtet werden. Anschließend an das Beschichten werden die Kommutatoren gespült und getrocknet.
  • Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens. Dabei wird bereits nach dem Ausspritzen 152 des Trägerkörpers unter Bildung der Nabe der Trägerkörper in Segmenttragteile geteilt 155A. Anschließend erfolgt wie vorstehend beschrieben das Beschichten 156 der Segmenttragteile. Alternativ kann das Beschichten auch galvanisch bzw. elektrolytisch erfolgen, beispielsweise mit Silber in einer Schichtdicke von etwa 5 µm. Anschließend wird die Ringscheibe aufgebracht 154 und abschließend in Ringsegmente geteilt 155B. Die Trennschlitze in der Ringscheibe sind dabei gegenüber den Trennschlitzen im Trägerkörper vorzugsweise schmaler oder gleich breit, jedenfalls innerhalb dieser angeordnet. Alternativ oder ergänzend zum Beschichten 156 der Segmenttragteile unmittelbar nach dem Trennen 155A des Trägerkörpers können die Segmenttragteile auch erst nach dem Trennen 155B der Ringscheibe in Ringsegmente wie vorstehend beschrieben beschichtet werden.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die segmentierte Ringscheibe eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kommutators 1 und die Fig. 4 zeigt einen Schnitt IV-IV durch den Kommutator 1 der Fig. 3.
  • Die Ringscheibe ist in acht Ringsegmente 2 geteilt, ebenso wie der Trägerkörper in acht Segmenttragteile 4 geteilt ist. An die Segmenttragteile 4 des Trägerkörpers ist die durch Ausspritzen gebildete Nabe 6 angeformt, welche eine zentrale Bohrung 6a für die Aufnahme einer (nicht dargestellten) Welle eines Rotors eines Motors oder eines Generators bildet. Die Segmenttragteile 4 weisen an ihrer äußeren Umfangsfläche 4a einen Haken 4b für den elektrischen Anschluß einer Rotorwicklung auf. Außerdem weisen die Segmenttragteile 4 jeweils mindestens ein Ankerelement 4c für die feste Verbindung mit der Nabe 6 auf. Die äußere Umfangsfläche 4a entspricht in ihrem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 2a der aus der Ringscheibe gebildeten Ringsegmente 2.
    Der Durchmesser der inneren Umfangsfläche 2d der Ringsegmente 2 entspricht im wesentlichen der inneren Umfangsfläche 4d der Segmenttragteile 4 oder ist geringfügig größer.
  • Die Verbindungs- und insbesondere Lotschicht 10 zwischen dem Segmenttragteil 4 und dem Ringsegment 2 ist beispielsweise 50 µm dick. Beim Teilen der Ringscheibe und des Trägerkörpers entstehen Trennschlitze 12, die bis in den Bereich der Nabe 6 hineinragen. Die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen 14 der im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Segmenttragteile 4 sind mit einer gegen die reaktionsfördernde Umgebung resistenten Beschichtung abgedeckt. Vorzugsweise werden auch die äußere Umfangsfläche 4a und die Haken 4b der Segmenttragteile 4 beschichtet. Dies ermöglicht eine bessere Verbindung der Segmenttragteile mit den Rotorwicklungen, insbesondere ein einfacheres Kontaktieren der Segmenttragteile über die äußere Umfangsfläche 4a beim Schweißen der Wicklungsenden an die Haken 4b. Demgegenüber sind vorzugsweise weder die als Bürstenlauffläche dienenden planen Oberflächen 2b noch die durch das Teilen freiliegenden Flächen 2c der Ringscheibe beschichtet. Die Verbindungsschicht 10 zwischen den Segmenttragteilen 4 und den Ringsegmenten 2 ist dabei sowohl auf ihren durch das Teilen freigelegten Flächen 10b als auch auf ihrer inneren und äußeren Umfangsfläche 10a besch ichtet.
  • Der in der Fig. 5 gegenüber der Fig. 4 vergrößert dargestellte Trennschlitz wurde durch Trennschleifen oder Sägen des Verbundes aus Nabe 6, die Segmenttragteile 4 bildender Trägerkörper und die Ringsegmente 2 bildende Ringscheibe in einem Arbeitsgang hergestellt. Der Schlitz ist typischerweise einige Zehntelmillimeter breit und einige Millimeter tief. Insbesondere durch das Beschichten mittels stromlosem Abscheiden aus einer beispielsweise zinnhaltigen Lösung oder Suspension läßt sich eine ausreichend resistente, dicke und dichte selektive Beschichtung der durch das Trennen freigelegten Flächen 14 der Segmenttragteile 4 und gegebenenfalls der Verbindungsschicht 10 erzielen.
    Die Fig. 6 zeigt eine der Fig. 5 entsprechende Ansicht eines nach dem alternativen Herstellverfahren gemäß Fig. 2 hergestellten Kommutators. Dabei wurde zunächst mit einem ersten, breiteren Schlitz 112a der Trägerkörper in die Segmenttragteile 104 geteilt, anschließend die Ringscheibe mittels der Verbindungsschicht 110 aufgebracht und abschließend die Ringscheibe durch einen zweiten, schmaleren und auf den ersten ausgerichteten Schlitz 112b in die Ringsegmente 102 geteilt. Die (nicht dargestellte) Beschichtung der durch das Teilen freiliegenden Flächen 114 der Segmenttragteile 104 und gegebenenfalls der freiliegenden Fläche 110b der Verbindungsschicht 110 kann dabei entweder vor oder nach dem Aufbringen der Ringscheibe erfolgen. Alternativ kann die Verbindungsschicht 110 nicht bündig mit den Ringsegmenten 102, sondern bündig mit den Segmenttragteilen 104 abschließen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators (1), bei dem ein metallischer und Segmenttragteile (4; 104) bildender Trägerkörper
    - mit einer aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildeten Nabe (6) versehen (52; 152) wird,
    - mit einer in einer reaktionsfördernden Umgebung resistenten Ringscheibe (54; 154) elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden wird,
    - in Segmenttragteile (4; 104) geteilt (55; 155A) wird,
    - und die Ringscheibe (54; 154) in Ringsegmente (2; 102) geteilt (55; 155B) wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen (14; 114) der metallischen Segmenttragteile (4; 104) mit einer gegen die Umgebung resistenten Beschichtung beschichtet werden,
    - daß das Beschichten der durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen (14; 114) der metallischen Segmenttragteile (4; 104) durch stromloses Abscheiden erfolgt,
    - und daß das stromlose Abscheiden aus einer Lösung oder Suspension erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (54; 154) kohlenstoffhaltig ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper nach dem Verbinden mit der Ringscheibe (54; 154) in Segmenttragteile (4; 104) geteilt wird, insbesondere daß das Teilen der Ringscheibe (54; 154) und das Teilen des Trägerkörpers in einem Schritt erfolgt, vorzugsweise durch Trennschleifen oder Sägen des Verbundes aus Trägerkörper und Ringscheibe (54; 154).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung selektiv nur auf den Flächen (14; 114) der Segmenttragteile (4; 104) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit Zinn, Silber oder Chrom erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke zwischen 0,1 und 10 µm beträgt.
  7. Plankommutator (1) mit einem metallischen und Segmenttragteile (4; 104) bildenden Trägerkörper, der mit einer aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildeten Nabe (6) versehen ist, und der mit einer in einer reaktionsfördernden Umgebung resistenten Ringscheibe (54; 154) elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden ist, wobei der Trägerkörper in Segmenttragteile (4; 104) geteift ist und die Ringscheibe (54; 154) in Ringsegmente (2; 102) geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen (14; 114) der metallischen Segmenttragteile (4; 104) mit einer gegen die Umgebung resistenten Beschichtung beschichtet sind, wobei die Beschichtung durch stromloses Abscheiden aus einer Lösung oder Suspension auf die durch das Teilen des Trägerkörpers freiliegenden Flächen (14; 114) der metallischen Segmenttragteile (4; 104) aufgebracht ist, und daß die Nabe (6) im Bereich der Teilung an dem Trägerkörper anliegt.
  8. Plankommutator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (6) eine vollständige Abdeckung einer zylindrischen Begrenzungsfläche einer zentralen Bohrung (6a) des Trägerkörpers für die Aufnahme einer Welle eines Rotors eines Motors oder eines Generators bildet.
  9. Plankommutator (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die stromlos und vorzugsweise aus einer Lösung oder Suspension abgeschiedene Beschichtung resistent gegen einen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Kraftstoff ist.
  10. Elektromotor zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe, mit einem Plankommutator (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.
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