EP1568110A1 - Plankommutator - Google Patents

Plankommutator

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EP1568110A1
EP1568110A1 EP04790810A EP04790810A EP1568110A1 EP 1568110 A1 EP1568110 A1 EP 1568110A1 EP 04790810 A EP04790810 A EP 04790810A EP 04790810 A EP04790810 A EP 04790810A EP 1568110 A1 EP1568110 A1 EP 1568110A1
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EP
European Patent Office
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contact
annular
segments
carbon
conductor
Prior art date
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EP04790810A
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English (en)
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EP1568110B1 (de
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Joze Potocnik
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Kolektor Group doo
Original Assignee
Kolektor Group doo
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Publication date
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Priority to SI200430300T priority patent/SI1568110T1/sl
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Publication of EP1568110B1 publication Critical patent/EP1568110B1/de
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    • 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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    • H01R43/06—Manufacture of commutators
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    • H01R43/06—Manufacture of commutators
    • H01R43/08—Manufacture of commutators in which segments are not separated until after assembly
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine
    • Y10T29/49011—Commutator or slip ring assembly

Definitions

  • the present invention relates to a planar commutator with a carrier body made of insulating molding material, a plurality of evenly around the commutator arranged around conductor segments and an equally large number of positively connected to the conductor segments electrically conductively connected, consisting of monocarbon, the brush surface defining carbon segments.
  • Plankommutatoren whose Bürstenlauf construction is defined by the face of carbon segments are used instead of commutators with a metallic brush surface, especially in a corrosive environment, such as drive motors of fuel pumps in motor vehicles.
  • Generic plan commutators count in many different versions of the prior art.
  • the protruding from the conductor segments end portions of those projections are mechanically deformed by a compression in order to achieve the most rigid possible jamming of the carbon segments on the conductor segments.
  • the carbon segments are made up of two layers of different material composition in that the projections and the respectively adjacent regions of the carbon segments, unlike the regions adjacent to the brush tread, consist of a metal-containing carbon. This not only favors the deformability of the protrusions but also the current density distribution within the carbon segments.
  • the production of such two-layer carbon elements is comparatively expensive. This disadvantage does not exist in the known generic plan commutators with carbon segments of "monocarbon".
  • the effective contacting of the carbon segments with the conductor segments which is only small in area, results in an unfavorable current density distribution, which leads to overloading of the contacting.
  • the present invention aims to provide a plan commutator of the type specified, which avoids the disadvantages mentioned above.
  • the corresponding plan commutator despite its manufacturability with relatively small dimensions and at comparatively low cost, should have a favorable current density distribution at the transition from the conductor segments to the carbon segments and a long service life.
  • each carbon segment has one of the brush tread opposite arranged annular projection, the annular end face with a corresponding annular contact surface of the associated conductor segment is in contact; the annular contact surfaces are each surrounded by a contact ring of the respective conductor segment, which is in contact with the associated annular projection in the region of its outer circumferential surface gap-free; on each conductor segment projects from the annular contact surface contact pin, which engages without a gap in a corresponding bore of the associated annular projection of the respective carbon segment, that the carbon segments via the outer peripheral surface, the annular end face and the inner tardsflä surface of the annular projection electrically are conductively connected to the conductor segments; the surfaces of the contact rings serving for connection to the carbon segments, the annular contact surfaces and the outer peripheral surfaces of the contact pins are made resistant to oxidation and corrosion.
  • a feature characteristic of plank commutators according to the invention is the above-described contacting of each carbon segment with the associated conductor segment in the region of at least three surfaces, namely the outer peripheral surface, the annular end surface and the inner peripheral surface of the annular projection and, if necessary, additionally the base of the bore of the carbon segment.
  • this permits a particularly large-area contacting of the carbon segments with the conductor segments; as a result, there is a particularly favorable current density distribution at the transition from the conductor segments to the carbon segments and within the carbon segments, even if they are designed as cost-effective as so-called "monocoilane", ie in particular not multi-layered and neither completely nor partially from a carbon offset with metal particles ,
  • the contact pins of the conductor segments which in each case engage in a corresponding bore of the annular projection of the associated carbon segment, if necessary.
  • the permanent clamping of the carbon segments with the conductor segments contributes to the fact that when joining a (still) interconnected conductor segments comprising conductor blank and the (still) interconnected carbon segments comprising carbon ring disc, the annular projections of the carbon segments in the region of its outer and inner peripheral surfaces are plastically deformed and further in the interior of the annular projections, a resilient bias is built up, which leads to a high clamping force and a reliable contact.
  • the plastic deformation of the annular projections of the carbon segments may in particular include penetration of the edge regions of the contact rings as well as of the contact pins of the conductor segments into the original contour of the annular projections, a possible superficial metallization of the carbon segments being scraped off here by the contact rings and contact pins , so that a direct contact of the carbon material with the respective contact ring and contact pin is possible.
  • the elastic bias utilizes the modulus of elasticity of the cured carbon of the preformed and precured annular protrusions of the carbon segments.
  • the bias in question is constructed in two stages, namely on the one hand when joining the conductor segments and the carbon segments and then when the full closing force is applied to the mold in question before spraying the carrier body.
  • plan commutator according to the invention according to claim 1 proves to be particularly favorable that the contacting of the carbon segments with the conductor segments in the region of the end faces of the projections is also particularly well protected against aggressive media which can diffuse through the molding material of the carrier body; because the respective contact is in each case, apart from possible narrow Preßstoff- channels (see below), shielded on all sides by the voltage applied to the outer surface of the annular projection of the carbon segment or penetrating into the projection contact ring of the conductor segment relative to the carrier body.
  • Preßstoff- channels see below
  • oxidation- and corrosion-resistant design of those surfaces where the conductor segments are assigned to each Contacting neten carbon segments is of relevance in view of a high reliability of the commutator even under particularly problematic conditions, for example, in contact with methanol and ethanol containing fuel.
  • a preferred in this respect further development Plankommutatoren invention is characterized in that the connection to the carbon segments serving surfaces of the contact rings of the conductor segments whose annular contact surfaces and the outer peripheral surfaces and, if necessary. End faces of the contact pins with an oxidation and corrosion resistant metal such as silver, Tin or the like are coated.
  • an oxidation and corrosion resistant metal such as silver, Tin or the like
  • the end faces of the annular projections and the surfaces of the carbon segments surrounding the annular projections have an interconnected metallization, preferably a galvanic metallization.
  • a metallization may be double-layered with a base layer of copper (e.g., 4 to 12 microns) and a capping layer of tin (e.g., 2 to 6 microns). Since the metallization extends in each case onto the surfaces of the carbon segment surrounding the annular projection, a large-area introduction of the current into the carbon segments results and thus a particularly favorable current flow distribution within the carbon segments.
  • each contact ring in the region of its connection to the associated Carbon segment serving surface has at least one Preßstoffkanal which ends in the region of the edge formed by the respective surface and the annular contact surface.
  • a first contact is made via the inner surfaces of the contact rings and the outer surfaces of the contact pins, which penetrate in the assembly of carbon ring disc and conductor blank in the carbon mass of the annular projections;
  • the metallization of the carbon segments is sheared off there by the penetrating contact rings or contact pins.
  • a second contact is made via the connected to the contact surfaces of the conductor segments via an electrically conductive intermediate layer end faces of the annular projections of the carbon segments, from here the current over the above-described current-conducting strips and the metallization of the protrusions surrounding areas of the carbon segments over a large area in this is initiated.
  • an electrically conductive intermediate layer is arranged between the superficially metallized end faces of the annular projections of the carbon segments and the associated contact surfaces of the conductor segments.
  • Their function is in particular to equalize the surface roughness of the end faces of the projections of the carbon segments and the contact surfaces of the conductor segments and in this way, even with practical manufacturing tolerances for the conductor segments and the carbon segments a large-scale contact of the front - in the surface metallization virtually non-deformable - carbon segments to favor with the conductor segments.
  • a L ⁇ triv between the metallized end faces of the annular projections of the carbon segments and the associated contact surfaces of the conductor segments can be produced on the intermediate layer.
  • the intermediate layer prevents by equalization of the surface roughness on the two surfaces mentioned a penetration of molding material in the contact zone in question during the spraying of the carrier body.
  • this preferably consists of a first powdery or pasty, compressed during the assembly of carbon ring and conductor blank, electrically conductive material, in particular in the form of a thus compacted metal powder, for example, tin, a compressed graphite powder, a compacted mixed powder of metal and graphite or a hardened solder paste.
  • the thickness of the intermediate layer can be in particular cases of application of the invention, in particular between 0.03 and 0.1 mm.
  • the later intermediate material forming material is applied to the end faces of the projections of the carbon segments, for example by means of a tampon.
  • the carbon segments with the conductor segments electrically connecting connecting regions are each surrounded by an annular PreßstoffSchicht arranged between the carbon segments and the conductor segments. Those annular Preßstoff- layers shield the connecting portions of the carbon segments with the conductor segments to the outside, so that they are protected from direct contact with aggressive media. This development also proves to be particularly favorable in the case of use of the commutator in a problematic environment.
  • the conductor segments have the annular contact surfaces oppositely arranged, engaging in the carrier body annular elevations'.
  • the annular contact surfaces of the conductor segments can be produced particularly inexpensively and efficiently by axially displacing material of the conductor segments in such a way that they are on the opposite side, while these are still connected to one another to form a conductor blank forms said annular elevations.
  • These annular elevations are then embedded in the course of the further manufacturing process in the molding material of the carrier body, which favors a particularly mechanically strong anchoring of the conductor segments in the carrier body and in this way the life of the commutator.
  • the annular projections have a substantially trapezoidal basic shape, wherein this definition should also include those projections in which the radial outer boundary has a substantially arcuate course. This results in a particularly favorable utilization of the available for the mechanical connection and electrical contacting of the carbon segments with the conductor segments area at a particularly pronounced strength of the compound.
  • the structural design in detail for example, the size of the commutator and the exact composition of the preparation of the carbon segments, namely the corresponding Projections, material used can depend.
  • the surfaces of the contact rings serving for connection to the carbon segments may be conical, in particular by tapering in the direction of the annular contact surface; However, they are preferably made cylindrical.
  • the annular projections of the carbon segments preferably have a frusto-conical outer contour; However, they could also be cylindrical.
  • the contact pins may preferably have a substantially round cross-section; but other cross-sectional shapes are also considered, especially when the outer peripheral surface of the annular recess deviates particularly strongly from a circular shape.
  • the contact pins are preferably made cylindrical; however, this too is not mandatory.
  • plan commutators corresponds to those methods known from the prior art (eg DE 19956844 A1).
  • the relevant procedural steps are the separate production of a blank conductor, which in its final Confi guration interconnected conductor segments with the contact rings, annular contact surfaces and contact pins comprises, and one of the above-mentioned annular projections having carbon ring pulley.
  • Conductor blank and carbon ring are then joined together axially, wherein the annular projections of the carbon ring ring on the one hand and the contact rings and pins of the conductor segments of the conductor blank on the other mechanically engage with each other, and axially pressed together to produce a permanent connection (see above).
  • This unit is then encapsulated with a molding material forming Preßstoffmasse.
  • the carbon ring disk is divided into the individual carbon segments by mechanical processing and the connections of the individual conductor segments of the conductor blank are separated.
  • FIG. 1 shows an axial section through a first embodiment of a plan commutator according to the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of a connecting region between a carbon segment and a conductor segment of the commutator of FIG. 1,
  • Fig. 3 in a normal to the commutator axis executed cross section along the line III-III, the connection region of a carbon segment and a conductor segment of the commutator according to FIGS. 1 and 2 and
  • FIG. 4 shows in an axial section the carbon ring disk used for producing the flat commutator according to FIG. 1; FIG. further shows
  • FIG. 5 shows in a normal cross-section to the commutator axis the connection region of a carbon segment and a conductor segment of a second embodiment of a planar commutator according to the present invention
  • FIG. 6 shows a section through the connection region of the commutator illustrated in FIG. 5 along the line VI-VI and
  • FIG. 7 shows a section through the connection region of the commutator illustrated in FIGS. 5 and 6 along the line VII-VII; finally shows
  • FIG. 8 shows in a normal cross-section to the commutator axis the connection region of a carbon segment and a conductor segment of a third embodiment of a planar commutator according to the present invention.
  • Plankommutator comprises a made of insulating molding material
  • the carrier body 1 eight evenly distributed around the axis 2 around arranged conductor segments 3 and eight carbon segments 4, each of which is electrically connected to one conductor segment 3 each.
  • the carbon segments 4 together define a brush running surface 5 which is perpendicular to the commutator axis 2.
  • the carrier body 1 has a central bore 6.
  • the existing copper conductor segments 3 have emerged from a common conductor blank. They each comprise a connection region 7 and a contact region 8. A contact lug 9 is arranged in each case on the connection region 7. This serves the electrically conductive connection of a winding wire of a rotor winding with the respective conductor segment 3.
  • To better anchor the conductor segments 3 in the support body 1 is from the terminal portions 7 of each conductor segment " 3 obliquely inwardly before a retaining claw 10.
  • the carbon segments 4 are each covered by a Preßstoffmantel 11 of the support body 1 at their radially outer peripheral surfaces. In this case, by a stepped execution of the outer codsflä surface of the carbon segments 4 a positive connection to the respective Preßstoff- coat 11.
  • the molding material of the carrier body 1 covers in the form of each Preßstoffkragens 12 and the radially inner toyssfl surfaces of the carbon segments 4.
  • the form-fitting connections of the carbon segments 4 with the carrier body 1 in the region of their radially inner and outer peripheral surfaces ensures permanent retention of the carbon segments in the carrier body 1.
  • plan commutator according to the drawing corresponds to the prior art (eg DE 19956844 AI), so that the basic structure need not be explained in more detail.
  • each carbon segment 4 has an annular projection 13 with a bore 14.
  • Each projection 13 rests with its annular end face 15 against a corresponding annular contact surface 16 of the associated conductor segment 3.
  • the contact surface 16 is surrounded in each case by a closed contact ring 24, which bears electrically against the outer circumferential surface 23 of the associated annular projection 13 or partially penetrates into this.
  • the annular projections 13 and the contact rings 24 corresponding thereto each have a substantially trapezoidal basic shape.
  • each carbon segment 4 via four surfaces without gaps, electrically connected to the associated conductor segment 3, namely on the outer peripheral surface 23, the annular end face 15 and the inner peripheral surface 19 of the annular Projection 13 and the standing with the end face 20 of the contact 17 if in contact surface 21 of the bore 14th
  • the contacting with the carbon segment serving surfaces of the conductor segment 3 are each with a coating 25 of an oxidation and corrosion resistant metal such as tin, silver or the like coated.
  • the connecting regions 26, which each electrically connect the carbon segments 4 to the conductor segments 3, are each surrounded by an annular pressed-material layer 27 arranged between the carbon segments and the conductor segments. Also filled with molding material are those cavities 28, each in the region of the formed by the inner surface 29 of the contact ring 24 and the annular contact surface 16 edge 30 between the conductor segment 3 and - rounded here (see Fig .. 4) - projection 13 of the carbon segment 4 exist.
  • the inner surfaces 29 of the contact rings 24 of the conductor segments 3 in their radially outer portion 31 each have two Preßstoffkanäle 32, each terminating in the region of the edges 28.
  • the conductor segments 3 have on their side facing away from the associated carbon segment 4 on an annular, the annular contact surface 16 opposite and corresponding to this elevation 33.
  • These annular elevations which were each formed by axial displacement of the material pressed to produce the associated annular contact surface 16, engage in the carrier body 1.
  • FIG. 4 illustrates that the outer circumferential surfaces 23 of the annular projections 13 of the carbon ring disc 35 prior to their assembly with the Conductor blank are inclined such that the projections taper slightly towards the end face 15.
  • the comparison of this representation of the carbon ring disc 35 before its assembly with the conductor blank with the representations of the finished flat commutator, in particular Fig. 2, illustrates the partial penetration of the contact ring 24 in the annular projection 13 in the region of its outer peripheral surface 23 and the resulting plastic Deformation of the relevant projection in this area. Also, the contact pin 17 penetrates easily into the bore 14 surrounding carbon material.
  • the carbon segments 4 each have a superficial galvanic metallization 37.
  • the metallization Prior to joining the carbon ring to the conductor blank, the metallization extends over the base 21 of the bore 14, the entire surfaces of the annular projection 13, and the surface of the respective carbon segment adjacent to the projection 13.
  • the metallization 37 is made of two layers with a base layer of copper and a covering layer of tin.
  • each of the contact ring 24 and the contact pin 17 shears off the metallization 37 and penetrates into the non-metallized carbon material.
  • the metallization 37 of the carbon segments 4 remains intact, so that the regions 39 of the metallization 37 lying outside the projections 13 in each case are connected via current-conducting channels.
  • Strip 40 which run within the Preßstoffkanäle 32 and consist of the left there standing metallization, are connected to the metallization 37 in the region of the end face 13. The interruption of the metallization 37 by the partial penetration of the contact rings 24 in the projections 13 is thus without adverse effects in terms of the current flow distribution within the carbon segments.
  • an electrically conductive intermediate layer 38 is illustrated, which is respectively disposed between the end face 15 of the projections 13 of the carbon segments 4 and the contact surface 16 of the conductor segments 3 and due to a leveling of the surface roughness of both surfaces concerned for a large-area contact between the carbon segments 4 and the conductor segments 3 without air and / or Preßstoff inclusions in the contact zone provides.
  • each annular projection 13 is assigned a total of five molding channels 32, which are arranged radially outside, radially inside and at the two surfaces of the contact ring 24 extending parallel to the radial sections 34. This depends on the function of the current-conducting strips 40 running there (see above).
  • the illustrated in Fig. 8 third embodiment of the Plankommutators differs from that of Figures 5 to 7 essentially only in that the conductor segments 3 'each have four contact projections 22 instead of a contact ring. These surround the annular projections 13 ', engage in the region of the outer peripheral surfaces 23' of the annular projections 13 'electrically conductive in the carbon material and are separated from each other by openings 36. In the area of the above breakthroughs 36 between If in each case two adjacent contact projections 22 are located, the molding material of the carrier body 1 'bears against the (metallised) outer peripheral surface 23' of the annular projection 13 'of the associated carbon segment 4'. Here, the remaining metallization again forms electrically conductive strips 40 ', as well as in the region of the two pressed material channels 32'.

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Abstract

Bei einem Plankommutator mit einem Trägerkörper (1), einer Mehrzahl von Leitersegmenten (3) sowie ebensovielen von mit den Leitersegmenten formschlüssig, elektrisch leitend verbundenen Kohlenstoffsegmenten (4) weist jedes Kohlenstoffsegment (4) einen der Bürstenlauffläche (5) gegenüberliegend angeordneten, ringförmigen Vorsprung (13) auf, dessen Stirnfläche (15) mit einer korrespondierenden ringförmigen Kontaktfläche (16) des zugeordneten Leitersegments (3) in Kontakt steht. Die ringförmigen Kontaktflächen (16) sind jeweils von einem Kontaktring (24) des betreffenden Leitersegments (3), der mit dem zugeordneten ringförmigen Vorsprung (13) spaltfrei in Kontakt steht, umgeben. An jedem Leitersegment springt ein Kontaktstift (17) vor, der spaltfrei in eine korrespondierende Bohrung (14) des zugeordneten ringförmigen Vorsprungs (13) des betreffenden Kohlenstoffsegments (4) eingreift. Somit sind die Kohlenstoffsegmente jeweils über die äussere Umfangsfläche, die ringförmige Stirnfläche (15) und die innere Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs (13) elektrisch leitend an die Leitersegmente (3) angeschlossen.

Description

Plankommutator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plankommutator mit einem aus isolierendem Preßstoff gefertigten Trägerkörper, einer Mehrzahl von gleichmäßig um die Kommutatorachse herum angeordneten Leitersegmenten und einer ebenso großen Anzahl von mit den Leitersegmenten formschlüssig, elektrisch leitend verbundenen, aus Monokohle bestehenden, die Bürstenlauffläche definierenden KohlenstoffSegmenten.
Plankommutatoren, deren Bürstenlauffläche durch die Stirnfläche von KohlenstoffSegmenten definiert wird, kommen anstelle von Kommutatoren mit einer metallischen Bürstenlauffläche insbesondere in einem korrosionsfördernden Milieu zum Einsatz, wie beispielsweise an Antriebsmotoren von Kraftstoffpumpen in Kraftfahrzeugen. Gattungsgemäße Plankommutatoren zählen dabei in vielen verschiedenen Ausführungen zum Stand der Technik. Hinzuweisen ist in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die DE 8908077 UI, EP 583892 Bl, EP 1001501 Bl, US 5175463 AI, DE 9807045 UI , DE 19752626 AI, US 5255426 AI, DE 19652840 AI, WO 97/03486, DE 19601863 AI, DE 4028420 AI, EP 0667657 AI, US 5442849 AI, WO 92/01321, US 5637944 AI und DE 19713936 AI. Weiteren einschlägigen Stand der Technik bilden die US 5629576 AI, DE 19903921 AI und EP 0935331 AI. Die große Anzahl von Schutzrechten, die sich mit Plankommutatoren mit Kohlenstoff-Lauffläche befassen, belegt den großen Bedarf an praxistauglichen Kommutatoren dieser Bauart. Zugleich läßt sich der große Anzahl von Publikationen entnehmen, daß es eine Vielzahl von Problemkreisen gibt, die bisher nicht in zufriedenstellendem Maße gelöst wurden.
Dies hängt unter anderem damit zusammen, daß bei bekannten gattungsgemäßen Plankommutatoren verschiedene Anforderungen z.T. zueinander konkurrieren; hierzu zählen insbesondere die Ziele geringe Abmessungen, niedrige Herstellkosten sowie hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Kommutators auch unter besonders ungünstigen Bedingungen. So konkurrieren beispielsweise die Abmessungen des Plankommutators mit dessen Lebensdauer; denn die Drähte der Rotorwicklung werden im allgemeinen an den Leitersegmenten angeschweißt, was bei besonders kleinen Plankommutatoren leicht zu einer durch Überhitzung verursachten Schädigung der elektrisch leitenden Lötverbindungen der Leitersegmente mit den Kohlenstoff egmenten führt . Dies ist der Hintergrund beispielsweise für die Vorschläge, zur Verbindung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten ein hochtemperaturbeständiges Hartlot einzusetzen (vgl. EP 0935331 AI) bzw. die Kontaktpunkte zwischen Leitersegmenten und KohlenstoffSegmenten relativ weit entfernt von den Anschlüssen der Rotorwicklung anzuordnen (vgl. DE 19903921 AI) ; allerdings führt der an erster Stelle genannte Vorschlag zu Mehrkosten, und der an zweiter Stelle genannte Vorschlag ist mit der Verkleinerung der Kontaktpunkte zwischen Leitersegmenten und KohlenstoffSegmenten verbunden, was hinwiederum eine ungünstige Stromdichtenverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente nach sich zieht. Andere Vorschläge, dieses Problem zu lösen, gehen dahin, die Wärmeübertragung von den Anschlußfahnen zu den Kontaktpunkten zwischen den Leitersegmenten und den KohlenstoffSegmenten zu reduzieren (DE 19956844 AI) oder aber die Kohlenstoffsegmente und die zugeordneten Leitersegmente ausschließlich oder aber zumindest ergänzend zu einer Lötverbindung durch Formschluß miteinander zu verbinden. In diesem Sinne schlagen beispielsweise die DE 19713936 AI und die US 2001/0024074 AI, die Plankommutatoren der gattungsgemäßen Bauart offenbaren, jeweils vor, daß die Kohlenstoffsegmente auf ihrer der Bürstenlauffläche gegenüberliegend angeordneten Stirnseite zapfen- förmige Vorsprünge aufweisen, welche jeweils in einen Durchbruch des zugeordneten Leitersegments eingreifen. Nach der weitgehend vergleichbaren EP 1001501 Bl ist dabei ergän- zend vorgesehen ist, daß die aus den Leitersegmenten herausragenden Endabschnitte jener Vorsprünge durch eine Stauchung mechanisch verformt werden, um eine möglichst feste Verklemmung der Kohlenstoffsegmente an den Leitersegmenten zu erzielen. Zu diesem Zweck sind die Kohlenstoffsegmente aus zwei Lagen mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung aufgebaut, indem die Vorsprünge und die jeweils an diese angrenzenden Bereiche der Kohlenstoffsegmente, anders als die an die Bürstenlauffläche angrenzenden Bereiche, aus einem metallhaltigen Kohlenstoff bestehen. Dies begünstigt nicht nur die Verformbarkeit der Vorsprünge sondern auch die Stromdichtenverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente . Allerdings ist die Herstellung derartiger Zweischicht-Kohlenstoff- elemente vergleichsweise teuer. Dieser Nachteil besteht nicht bei den bekannten gattungsgemäßen Plankommutatoren mit KohlenstoffSegmenten aus "Monokohle" . Indessen liegt hier durch die nur kleinflächige wirksame Kontaktierung der Kohlenstoff- segmente mit den Leitersegmenten eine ungünstige Stromdichtenverteilung vor, die zu einer Überlastung der Kontaktierung führt .
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Plankommutator der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der die vorstehend aufgezeigten Nachteile vermeidet. Der entsprechende Plankommutator soll trotz seiner Herstellbarkeit mit relativ geringen Abmessungen und zu vergleichsweise geringen Kosten eine günstige Stromdichtenverteilung am Übergang von den Leitersegmenten auf die Kohlenstoffsegmente und eine hohe Lebensdauer aufweisen.
Gelöst wird die vorstehend angegebene Aufgabenstellung gemäß Anspruch 1 durch einen Plankommutator der eingangs angegebenen Art mit den folgenden Merkmalen: jedes Kohlenstoffsegment weist einen der Bürstenlauffläche gegenüberliegend angeordneten, ringförmigen Vorsprung auf, dessen ringförmige Stirnfläche mit einer korrespondierenden ringförmigen Kontaktfläche des zugeordneten Leitersegments in Kontakt steht ; die ringförmigen Kontaktflächen sind jeweils von einem Kontaktring des betreffenden Leitersegments, der mit dem zugeordneten ringförmigen Vorsprung im Bereich von dessen äußerer Umfangsflache spaltfrei in Kontakt steht, umgeben; an jedem Leitersegment springt ein von der ringförmigen Kontaktfläche umgebener Kontaktstift vor, der dergestalt spaltfrei in eine korrespondierende Bohrung des zugeordneten ringförmigen Vorsprungs des betreffenden Kohlenstoffsegments eingreift, daß die Kohlenstoffsegmente jeweils über die äußere Umfangsflache, die ringförmige Stirnfläche und die innere Umfangsfl che des ringförmigen Vorsprungs elektrisch leitend an die Leitersegmente angeschlossen sind; die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe, die ringförmigen Kontaktflächen und die äußeren Umfangsflachen der Kontaktstifte sind oxidations- und korrosionsbeständig ausgeführt .
Einen weiteren Lösungsvorschlag zeigt Anspruch 19 auf, der aufbauend auf denselben Grundlagen wie Anspruch 1 einen Plankommutator zum Gegenstand hat, der sich gegenüber dem Lösungsweg nach Anspruch 1 durch eine andere Ausführung der mit den ringförmigen Vorsprüngen der Kohlenstoffsegmente im Bereich von deren äußeren Umfangsflachen in Kontakt stehenden Teile der Leitersegmente unterscheidet, indem die Leitersegmente statt eines umlaufend geschlossenen Kontaktringes jeweils mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Kontakt- vorsprünge aufweisen, wobei im Bereich der zwischen jeweils zwei einander benachbarten KontaktvorSprüngen bestehenden Durchbrüche der Preßstoff des Trägerkörpers an den äußeren Umfangsflachen der ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoff- segmente anliegt. Soweit im folgenden die vorliegende Erfindung anhand des in Anspruch 1 aufgezeigten Lösungsansatzes erläutert wird, läßt sich hieraus keine Beschränkung der Erfindung auf diesen Plankommutator herleiten; vielmehr lassen sich die nachstehend erläuterten Gesichtspunkte einschließlich der Vorteilsangaben zu bevorzugten Weiterbildungen auch auf den Lösungsansatz nach Anspruch 19 übertragen.
Ein für erfindungsgemäße Plankommutatoren charakteristisches Merkmal ist die vorstehend dargelegte Kontaktierung jedes KohlenstoffSegments mit dem zugeordneten Leitersegment im Bereich von mindestens drei Flächen, nämlich der äußeren Umfangsflache, der ringförmigen Stirnfläche und der inneren Umfangsflache des ringförmigen Vorsprungs sowie ggfs. zusätzlich der Grundfläche der Bohrung des Kohlenstoffsegments . Dies läßt zum einen eine besonders großflächige Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten zu; als Folge hiervon ergibt sich eine besonders günstige Stromdichtenverteilung am Übergang von den Leitersegmenten zu den KohlenstoffSegmenten und innerhalb der Kohlenstoffsegmente, auch wenn diese kostengünstig als sog. "Monokohle" ausgeführt sind, d.h. insbesondere nicht mehrlagig und weder ganz noch teilweise aus einem mit Metallpartikeln versetzten Kohlenstoff. Zum anderen bewirken die Kontaktstifte der Leitersegmente, die jeweils in eine korrespondierende Bohrung des ringförmigen Vorsprungs des zugeordneten Kohlenstoffsegments eingreifen, ggfs. bis zur stirnseitigen Anlage an der Grundfläche der Bohrung des Kohlenstoffsegments, in Verbindung mit den übrigen für die formschlüssige Verbindung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten charakteristischen Merkmalen eine besonders wirksame, dauerhafte, elektrisch leitende und auch hohen mechanischen Belastungen standhaltende mechanische Verklemmung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten. Zu der dauerhaften Verklemmung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten trägt bei, daß beim Zusammenfügen eines die (noch) miteinander verbundenen Leitersegmente umfassenden Leiterrohlings und einer die (noch) miteinander verbundenen Kohlenstoffsegmente umfassenden Kohlenstoffringscheibe die ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente im Bereich ihrer äußeren und inneren Umfangs- fl chen plastisch verformt werden und des weiteren im Inneren der ringförmigen Vorsprünge eine elastische Vorspannung aufgebaut wird, welche zu einer hohem Klemmkraft und einer zuverlässigen Kontaktierung führt. Die plastische Verformung der ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente kann dabei insbesondere ein Eindringen der Randbereiche der Kontakt- ringe sowie der Kontaktstifte der Leitersegmente in die ursprüngliche Kontur der ringförmigen Vorsprünge einschließen, wobei eine mögliche oberflächliche Metallisierung der Kohlenstoffsegmente hier durch die Kontaktringe und Kontakt- stifte abgeschabt wird, so daß ein direkter Kontakt des Kohlenstoffmaterials mit dem jeweiligen Kontaktring und Kontakt- stift möglich ist. Die elastische Vorspannung nutzt das Elastizitätsmodul des gehärteten Kohlenstoffs der vorgeformten und vorgehärteten ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente . Für die Erzeugung der Vorspannung kommt es maßgeblich darauf an, daß die Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente bei der Herstellung des Kommutators stirnseitig gegen die zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente gepreßt werden; denn hierdurch kann sich innerhalb der ringförmigen Vorsprünge die beschriebene elastische Vorspannung aufbauen, die auch unter wechselnden Temperaturverhältnissen (-40°C bis 120°C) für eine zuverlässige Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten sorgt . In der Praxis wird die betreffende Vorspannung dabei zweistufig aufgebaut, nämlich zum einen beim Zusammenfügen der Leitersegmente und der Kohlenstoffsegmente und dann, wenn vor dem Spritzen des Trägerkörpers auf die betreffende Form die volle Schließkraft aufgebracht wird. Die durch die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge mögliche Klemmkraft, mit der die Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente zu einer spaltfreien, elektrisch leitenden Anlage des Kohlenstoffmaterials an den angrenzenden Flächen der Kontaktringe und Kontaktstifte der Leitersegmente vorgespannt werden, übersteigt sogar die Festigkeit des Koh- lenstoffmaterials, so daß ein Herausziehen der Vorsprünge aus den Leitersegmente nicht möglich ist. Weisen die Kohlenstoffsegmente gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung keine oberflächliche Metallisierung auf, so ist durch die elastische Verformung der Vorsprünge (s.o.) auch im Bereich der Stirnflächen der Vorsprünge ein spaltfreier, vorgespannter direkter Kontakt zwischen dem Kohlenstoffmaterial der Kohlenstoffsegmente und dem jeweiligen Leitersegment möglich. Diesem spaltfreien stirnflächigen Kontakt der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente zu den zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente kann eine besondere Bedeutung zukommen. In diesem Zusammenhang erweist sich bei dem erfindungsgemäßen Plankommutator nach Anspruch 1 als besonders günstig, daß die Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten im Bereich der Stirnflächen der Vorsprünge auch besonders gut gegenüber aggressiven Medien geschützt ist, welche durch den Preßstoff des Trägerkörpers hindurch diffundieren können; denn die betreffende Kontaktierung ist jeweils, abgesehen von möglichen schmalen Preßstoff- kanälen (s.u.), allseits durch den an der Außenfläche des ringförmigen Vorsprungs des Kohlenstoffsegments anliegenden bzw. in den Vorsprung eindringenden Kontaktring des Leitersegments gegenüber dem Trägerkörper abgeschirmt.
Infolge der erfindungsgemäß möglichen mechanisch dauerhaften, vollständig spaltfrei vorgespannten und elektrisch leitenden Verklemmung der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten kann auf ein Verlöten der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten verzichtet werden. Auf diese Weise ist jegliche Beeinträchtigung der betreffenden Verbindung durch das spätere Anschweißen der Rotorwicklung an den Kommutator ausgeschlossen. Und durch Wegfall der Lötverbindung läßt sich der erfindungsgemäße Kommutator kostengünstig herstellen.
Die oxidations- und korrosionsbeständige Ausführung derjenigen Flächen, an denen die Leitersegmente die jeweils zugeord- neten Kohlenstoffsegmente kontaktieren, ist von Relevanz im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit des Kommutators auch unter besonders problematischen Einsatzbedingungen, beispielsweise bei Kontakt mit Methanol und Ethanol enthaltendem Kraftstoff. Eine in dieser Hinsicht bevorzugte Weiterbildung erfindungsgemäßer Plankommutatoren zeichnet sich dadurch aus, daß die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe der Leitersegmente, deren ringförmige Kontaktflächen sowie die äußeren Umfangsflachen und ggfs. Stirnflächen der Kontaktstifte mit einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall wie Silber, Zinn oder dergleichen beschichtet sind. Hier kann auf bekannte und erprobte Be- schichtungsverfahren zurückgegriffen werden. Andere Möglichkeiten, die betreffenden Flächen oxidations- und korrosionsbeständig auszuführen, lassen sich allerdings ebenfalls einsetzen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge sowie die die ringförmigen Vorsprünge umgebenden Oberflächen der Kohlenstoffsegmente eine miteinander verbundene Metallisierung, bevorzugt eine galvanische Metallisierung aufweisen. Eine solche Metallisierung kann insbesondere zweilagig ausgeführt sein mit einer Grundschicht aus Kupfer (z.B. 4 bis 12 μm) und einer Deckschicht aus Zinn (z.B. 2 bis 6 μm) . Indem sich die Metallisierung jeweils auf die den ringförmigen Vorsprung umgebende Oberflächen des Kohlenstoff- segments erstreckt, ergibt sich eine großflächige Einleitung des Stromes in die Kohlenstoffsegmente und somit eine besonders günstige Stromflußverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente .
Eine wiederum andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungs- gemäßen Plankommutators zeichnet sich dadurch aus, daß jeder Kontaktring im Bereich seiner dem Anschluß an das zugeordnete Kohlenstoffsegment dienenden Fläche mindestens einen Preßstoffkanal aufweist, welcher im Bereich der durch die betreffende Fläche und die ringförmige Kontaktfläche gebildeten Kante endet . Durch die betreffenden Preßstoffkanäle gelangt beim Spritzen des Trägerkörpers Preßstoff in den Bereich der genannten Kante und füllt den dort ggf. zwischen dem Leitersegment und dem Vorsprung des Kohlenstoffsegments bestehenden Hohlraum. Und zusätzlich bleibt bei solchen Plankommutatoren, bei denen die Oberflächen der Kohlenstoffsegmente der Kohlenstoffringscheibe im Bereich der ringförmigen Vorsprünge und den diese umgebenden Bereichen metallisiert wurden, diese Metallisierung beim Zusammenfügen von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling entlang der Preßstoffkanäle unbeschädigt; auf diese Weise bleiben im Bereich der Preßstoffkanäle aus der Metallisierung hervorgegangene stromleitende Streifen stehen, die jeweils die Metallisierung an der Stirnfläche des ringförmigen Vorsprungs mit der Metallisierung auf der den Vorsprung umgebenden Oberfläche des Kohlenstoffsegments verbinden. Das Resultat hiervon ist eine besonders zuverlässige funktional doppelte Kontaktierung der Leitersegmente mit den KohlenstoffSegmenten. Eine erste Kontaktierung erfolgt über die Innenflächen der Kontaktringe und die Außenflächen der Kontaktstifte, die beim Zusammenfügen von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling in die Kohlenstoffmasse der ringförmigen Vorsprünge eindringen; die Metallisierung der Kohlenstoffsegmente wird dort durch die eindringenden Kontaktringe bzw. Kontaktstifte abgeschert. Eine zweite Kontaktierung erfolgt über die mit den Kontaktflächen der Leitersegmente über eine elektrisch leitende Zwischenlage verbundenen Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente, wobei von hier aus der Strom über die weiter oben beschriebenen stromleitenden Streifen und die Metallisierung der die Vorsprünge umgebenden Bereiche der Kohlenstoffsegmente großflächig in diese eingeleitet wird. Im Rahmen der Erfindung ist gemäß der vorstehend bereits angedeuteten Weiterbildung vorgesehen, daß zwischen den oberflächlich metallisierten Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente und den zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente eine elektrisch leitende Zwischenlage angeordnet ist. Deren Funktion besteht insbesondere darin, die Oberflächenrauhigkeit der Stirnflächen der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente sowie der Kontaktflächen der Leitersegmente zu egalisieren und auf diese Weise auch bei praxisgerechten Fertigungstoleranzen für die Leitersegmente und die Kohlenstoffsegmente einen großflächigen stirnseitigen Kontakt der - im Bereich ihrer Oberflächenmetallisierung praktisch nicht verformbaren - Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten zu begünstigen. Ferner läßt sich über die Zwischenlage eine Lδtverbindung zwischen den metallisierten Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente und den zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente herstellen. Und die genannte Zwischenlage verhindert durch Egalisierung der Oberflächenrauhigkeit an den beiden genannten Flächen ein Eindringen von Preßstoff in die betreffende Kontaktzone während des Spritzens des Trägerkörpers. Im Hinblick auf diese Funktion der elektrisch leitenden Zwischenlage besteht diese bevorzugt aus einem zunächst pulverigen oder pastösen, während des Zusammenfügens von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling verdichteten, elektrisch leitenden Material, insbesondere in Form eines auf diese Weise verdichteten Metallpulvers, beispielsweise aus Zinn, einem verdichteten Graphitpulver, einem verdichteten Mischpulver aus Metall und Graphit oder einer ausgehärteten Lötpaste. Die Stärke der Zwischenlage kann dabei bei üblichen Anwendungs- fallen der Erfindung insbesondere zwischen 0,03 und 0,1 mm betragen. Herstellungstechnisch ist es dabei besonders günstig, wenn das die spätere Zwischenlage bildende Material auf die Stirnflächen der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente aufgebracht wird, beispielsweise mittels eines Tampons. Gemäß einer wiederum anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die die Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten elektrisch leitend verbindenden Verbindungsbereiche jeweils von einer ringförmigen, zwischen den KohlenstoffSegmenten und den Leitersegmenten angeordneten PreßstoffSchicht umgeben sind. Jene ringförmigen Preßstoff- schichten schirmen die Verbindungsbereiche der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten nach außen ab, so daß diese vor direktem Kontakt mit aggressiven Medien geschützt sind. Auch diese Weiterbildung erweist sich als besonders günstig im Falle eines Einsatzes des Kommutators in einem problematischen Milieu.
Eine abermals andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Plankommutators zeichnet sich dadurch aus, daß die Leitersegmente den ringförmigen Kontaktflächen gegenüberliegend angeordnete, in den Trägerkörper eingreifende ringförmige Erhebungen' aufweisen. Dies ist sowohl im Hinblick auf die Herstellung des Kommutators als auch im Hinblick auf dessen Verwendung günstig. Was die Herstellung angeht, so lassen sich bei dieser Weiterbildung des Kommutators die ringförmigen Kontaktflächen der Leitersegmente besonders kostengünstig und effizient herstellen, indem Material der Leitersegmente, während diese noch zu einem Leiterrohling miteinander verbunden sind, dergestalt axial verdrängt wird, daß es auf der gegenüberliegenden Seite die genannten ringförmigen Erhebungen bildet. Jene ringförmigen Erhebungen werden sodann im Laufe des weiteren Herstellungsverfahrens in den Preßstoff des Trägerkörpers eingebettet, was eine mechanisch besonders feste Verankerung der Leitersegmente in dem Trägerkörper und auf diese Weise die Lebensdauer des Kommutators begünstigt.
Gemäß einer abermals anderen Weiterbildung der Erfindung weisen die ringförmigen Vorsprünge eine im wesentlichen trapezförmige Grundform auf, wobei unter diese Definition dabei auch solche Vorsprünge fallen sollen, bei denen die radial äußere Begrenzung einen im wesentlichen bogenförmigen Verlauf aufweist. Hierdurch ergibt sich eine besonders günstige Ausnutzung der für die mechanische Verbindung und elektrische Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten zur Verfügung stehenden Fläche bei einer besonders ausgeprägten Festigkeit der Verbindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind durchaus verschieden gestaltete Ausführungen der ringförmigen Vorsprünge und der mit ihnen in Kontakt stehenden Flächen der Leitersegmente anwendbar, wobei die konstruktive Gestaltung im einzelnen beispielsweise von der Größe des Kommutators und der genauen Zusammensetzung des zur Herstellung der Kohlenstoffsegmente, namentlich der entsprechenden Vorsprünge, eingesetzten Materials abhängen kann. So können beispielsweise die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe konisch ausgeführt sein, insbesondere indem sie sich in Richtung auf die ringförmige Kontaktfläche hin verjüngen; bevorzugt sind sie indessen zylindrisch ausgeführt. Die ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente weisen bevorzugt eine kegelstumpfförmige äußere Kontur auf; sie könne indessen auch zylindrisch ausgeführt sein. Die Kontakt- stifte können bevorzugt einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweisen; aber auch andere Querschnittsformen kommen in Betracht, namentlich dann, wenn die äußere Umfangsflache der ringförmigen Vertiefung besonders stark von einer Kreis- form abweicht. Die Kontaktstifte sind bevorzugt zylindrisch ausgeführt; auch dies ist indessen nicht zwingend.
Abgesehen von den sich aus den vorstehend dargelegten Besonderheiten ergebenden Modifikationen entspricht das zur Herstellung von Plankommutatoren nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verfahren jenen Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik (z.B. DE 19956844 AI) bekannt sind. Die maßgeblichen Verfahrensschritte sind dabei die gesonderte Herstellung eines Leiterrohlings, welche die in ihrer endgültigen Konfi- guration miteinander verbundenen Leitersegmente mit den Kontaktringen, ringförmigen Kontaktflächen und Kontaktstiften umfaßt, und einer die vorstehend erläuterten ringförmigen Vorsprünge aufweisenden Kohlenstoffringscheibe . Leiterrohling und Kohlenstoffringscheibe werden sodann axial zusammengefügt, wobei die ringförmigen Vorsprünge der Kohlenstoffringscheibe einerseits und die Kontaktringe und Kontaktstifte der Leitersegmente des Leiterrohlings andererseits mechanisch ineinander eingreifen, und zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung axial fest miteinander verpreßt (s.o.). Diese Einheit wird anschließend mit einer den Trägerkörper bildenden Preßstoffmasse umspritzt. Schließlich werden durch mechanische Bearbeitung die Kohlenstoffringscheibe in die einzelnen Kohlenstoffsegmente unterteilt und die Verbindungen der einzelnen Leitersegmente des Leiterrohlings getrennt.
Aus den vorstehenden Erläuterungen der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, daß es für die Lösung der dargelegten Aufgabenstellung in besonderem Maße auf den stirnseitigen Kontakt der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente mit zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente ankommt, da dies sowohl für eine gute elektrische Kontaktierung, insbesondere die weiter oben erläuterte funktional doppelte Kontaktierung, als auch für den beschriebenen, für die mechanische Verankerung der Kohlenstoffsegmente wichtigen Spannungsaufbau innerhalb der Vorsprünge bedeutsam ist. Insoweit läßt sich zumindest bei geeigneten Anwendungsfällen (z.B. besonders kleine Abmessungen des Kommutators) die angegebene Aufgabenstellung jedenfalls in einem erheblichen Umfang auch mit solchen Kommutator-Bauweisen lösen, die sich von den Bauweisen nach den Ansprüchen 1 und 19 bei im übrigen übereinstimmenden Gestaltungsmerkmalen durch Wegfall der Kontaktstifte auszeichnen. Die Anmelderin behält sich vor, auf solchermaßen ausgeführte Plankommutatoren gerichteten Schutz zu beantragen, insbesondere auf dem Wege einer Teilanmeldung. Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand dreier in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbei- spiele des erfindungsgemäßen Plankommutators näher erläutert .
Dabei zeigt
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Plankommutators nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 in vergrößerter Ansicht einen Verbindungsbereich zwischen einem Kohlenstoffsegment und einem Leitersegment des Kommutators nach Fig. 1,
Fig. 3 in einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt entlang der Linie III-III den Verbindungsbereich von einem Kohlenstoffsegment und einem Leitersegment des Kommutators nach den Fig. 1 und 2 und
Fig. 4 in einem Axialschnitt die zur Herstellung des Plankommutators nach Fig. 1 eingesetzte Kohlenstoffringscheibe; ferner zeigt
Fig. 5 in einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt den Verbindungsbereich von einem Kohlenstoff- segment und einem Leitersegment einer zweiten Ausführungsform eines Plankommutators nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 einen Schnitt durch den Verbindungsbereich des in Fig. 5 veranschaulichten Kommutators entlang der Linie VI- VI und
Fig. 7 einen Schnitt durch den Verbindungsbereich des in den Fig. 5 und 6 veranschaulichten Kommutators entlang der Linie VII-VII; schließlich zeigt
Fig. 8 in einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt den Verbindungsbereich von einem Kohlenstoff- segment und einem Leitersegment einer dritten Ausführungsform eines Plankommutators nach der vorliegenden Erfindung.
Der in der Zeichnung in den Fig. 1 bis 4 wiedergegebene Plankommutator umfaßt einen aus isolierendem Preßstoff gefertig- ten Trägerkörper 1, acht gleichmäßig um die Achse 2 herum verteilt angeordnete Leitersegmente 3 und acht Kohlenstoff- segmente 4, von denen jedes mit jeweils einem Leitersegment 3 elektrisch leitend verbunden ist. Die Kohlenstoffsegmente 4 definieren gemeinsam eine auf der Kommutatorachse 2 senkrecht stehende Bürstenlauffläche 5. Der Trägerkörper 1 weist eine zentrische Bohrung 6 auf.
Die aus Kupfer bestehenden Leitersegmente 3 sind aus einem gemeinsamen Leiterrohling hervorgegangen. Sie umfassen jeweils einen Anschlußbereich 7 und einen Kontaktbereich 8. An dem Anschlußbereich 7 ist jeweils eine Kontaktfahne 9 angeordnet . Diese dient der elektrisch leitenden Verbindung eines Wicklungsdrahts einer Rotorwicklung mit dem betreffenden Leitersegment 3. Zur besseren Verankerung der Leitersegmente 3 in dem Trägerkörper 1 steht von den Anschlußbereichen 7 jedes Leitersegments "3 schräg nach innen eine Halteklaue 10 vor.
Die Kohlenstoffsegmente 4 sind an ihren radial äußeren Umfangsflachen jeweils von einem Preßstoffmantel 11 des Trägerkörpers 1 abgedeckt. Dabei besteht durch eine gestufte Ausführung der äußeren Umfangsfl che der Kohlenstoffsegmente 4 eine formschlüssige Verbindung zu dem jeweiligen Preßstoff- mantel 11. Der Preßstoff des Trägerkörpers 1 überdeckt in Form jeweils eines Preßstoffkragens 12 auch die radial inneren Umfangsfl chen der Kohlenstoffsegmente 4. Auch hier besteht infolge einer gestuften Ausführung der radial inneren Umfangsflachen der Kohlenstoffsegmente 4 eine formschlüssige Verbindung. Die formschlüssigen Verbindungen der Kohlenstoff- segmente 4 mit dem Trägerkörper 1 im Bereich ihrer radial inneren und äußeren Umfangsflachen gewährleistet einen dauerhaften Halt der Kohlenstoffsegmente in dem Trägerkörper 1.
In diesem Umfang entspricht der Plankommutator gemäß der Zeichnung dem Stand der Technik (z.B. DE 19956844 AI), so daß der grundsätzliche Aufbau nicht detaillierter erläutert zu werden braucht .
Der Bürstenlauffläche 5 gegenüberliegend angeordnet weist jedes Kohlenstoffsegment 4 einen ringförmigen Vorsprung 13 mit einer Bohrung 14 auf. Jeder Vorsprung 13 liegt mit seiner ringförmigen Stirnfläche 15 an einer korrespondierenden ringförmigen Kontaktfläche 16 des zugeordneten Leitersegments 3 an. Dabei greift der von der ringförmigen Kontaktfläche 16 umgebene runde, zylindrische Kontaktstift 17 des Leitersegments 3 in die Bohrung 14 des ringförmigen Vorsprungs 13 des betreffenden Kohlenstoffsegments 4 ein, wobei im Bereich der Umfangsflache 18 des Kontaktstifts 17 eine elektrisch leitende Verbindung zur inneren Umfangsflache 19 des ringförmigen Vorsprungs 13 und im Bereich der Stirnfläche 20 des Kontakt- Stifts 17 eine elektrisch leitende Verbindung zur Grundfläche 21 der Bohrung 14 entsteht. Außen ist die Kontaktfläche 16 jeweils von einem geschlossenen Kontaktring 24 umgeben, welcher elektrisch leitend an der äußeren Umfangsflache 23 des zugeordneten ringförmigen Vorsprungs 13 anliegt bzw. teilweise in diese eindringt .
Die ringförmigen Vorsprünge 13 und die hierzu korrespondierenden Kontaktringe 24 weisen (vgl. Fig. 3) jeweils eine im wesentlichen trapezförmige Grundform auf. Infolge der bei der Herstellung des Kommutators in den ringförmigen Vorsprüngen 13 aufgebauten Spannung ist jedes Kohlenstoffsegment 4 über vier Flächen spaltfrei, elektrisch leitend an das zugeordnete Leitersegment 3 angeschlossen, nämlich über die äußere Umfangsflache 23, die ringförmige Stirnfläche 15 und die innere Umfangsflache 19 des ringförmigen Vorsprungs 13 sowie die mit der Stirnfläche 20 des KontaktS ifts 17 in Kontakt stehende Grundfläche 21 der Bohrung 14.
Die genannten vier, der Kontaktierung mit dem Kohlenstoffsegment dienenden Flächen des Leitersegments 3 sind jeweils mit einer Beschichtung 25 aus einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall wie Zinn, Silber oder dergleichen beschichtet.
Die Verbindungsbereiche 26, die jeweils die Kohlenstoff egmente 4 mit den Leitersegmenten 3 elektrisch leitend verbinden, sind jeweils von einer ringförmigen, zwischen den KohlenstoffSegmenten und den Leitersegmenten angeordneten PreßstoffSchicht 27 umgeben. Ebenfalls mit Preßstoff gefüllt sind diejenigen Hohlräume 28, die jeweils im Bereich der durch die Innenfläche 29 des Kontaktrings 24 und die ringförmige Kontaktfläche 16 gebildeten Kante 30 zwischen dem Leitersegment 3 und dem - hier abgerundeten (vgl. Fig. 4) - Vorsprung 13 des Kohlenstoffsegments 4 bestehen. Zu diesem Zweck weisen (vgl. Fig. 3) die Innenflächen 29 der Kontakt- ringe 24 der Leitersegmente 3 in ihrem radial äußeren Abschnitt 31 jeweils zwei Preßstoffkanäle 32 auf, die jeweils im Bereich der Kanten 28 enden.
Die Leitersegmente 3 weisen auf ihrer jeweils dem zugeordneten Kohlenstoffsegment 4 abgewandten Seite eine ringförmige, der ringförmigen Kontaktfläche 16 gegenüberliegende und zu dieser korrespondierende Erhebung 33 auf. Diese ringförmigen Erhebungen, die jeweils durch axiale Verschiebung des zur Herstellung der zugeordneten ringförmigen Kontaktfläche 16 verpreßten Materials gebildet wurden, greifen in den Trägerkörper 1 ein.
Die Radialschnitte 34, mit denen im Rahmen der Herstellung des Plankommutators eine zunächst einstückige Kohlenstoff- ringscheibe 35 (vgl. Fig. 4) in die einzelnen Kohlenstoffsegmente 4 unterteilt wurde, sind ebenfalls dargestellt.
Fig. 4 veranschaulicht schließlich noch, daß die äußeren Umfangsflachen 23 der ringförmigen Vorsprünge 13 der Kohlenstoffringscheibe 35 vor deren Zusammenfügen mit dem Leiterrohling dergestalt geneigt sind, daß sich die Vorsprünge zur Stirnfläche 15 hin leicht verjüngen. Der Vergleich dieser Darstellung der Kohlenstoffringscheibe 35 vor ihrem Zusammenfügen mit dem Leiterrohling mit den Darstellungen des fertigen Plankommutators, insbesondere der Fig. 2, veranschaulicht das teilweise Eindringen des Kontaktrings 24 in den ringförmigen Vorsprung 13 im Bereich von dessen äußerer Umfangsflache 23 und die hierdurch hervorgerufene plastische Verformung des betreffenden Vorsprungs in diesem Bereich. Auch der Kontaktstift 17 dringt leicht in das die Bohrung 14 umgebende Kohlenstoffmaterial ein.
Die - in den Figuren 5 bis 7 veranschaulichte zweite Ausführungsform des Plankommutators stimmt hinsichtlich der maßgeblichen Gestaltungsmerkmale mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 über ein. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen. Die Abweichungen beschränken sich im wesentlichen auf die drei nachstehend dargelegten Gesichtspunkte:
So weisen die Kohlenstoffsegmente 4 jeweils eine oberflächliche galvanische Metallisierung 37 auf. Vor dem Zusammenfügen der Kohlenstoffringscheibe mit dem Leiterrohling erstreckt sich die Metallisierung jeweils über die Grundfläche 21 der Bohrung 14, die gesamten Oberflächen des ringförmigen Vorsprungs 13 sowie die an den Vorsprung 13 angrenzende Oberfläche des betreffenden Kohlenstoffsegments . Die Metallisierung 37 ist zweilagig ausgeführt mit einer Grundschicht aus Kupfer und einer Deckschicht aus Zinn. Beim Zusammenfügen von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling schert allerdings jeweils der Kontaktring 24 und der Kontaktstift 17 die Metallisierung 37 ab und dringt in das nicht-metallisierte Kohlenstoffmaterial ein. Im Bereich der Preßstoffkanäle 32 bleibt die Metallisierung 37 der Kohlenstoffsegmente 4 indessen intakt, so daß die jeweils außerhalb der Vorsprünge 13 liegenden Bereiche 39 der Metallisierung 37 über stromleiten- de Streifen 40, die innerhalb der Preßstoffkanäle 32 verlaufen und aus der dort stehengebliebenen Metallisierung bestehen, an die Metallisierung 37 im Bereich der Stirnfläche 13 angeschlossen sind. Die Unterbrechung der Metallisierung 37 durch das teilweise Eindringen der Kontaktringe 24 in die Vorsprünge 13 ist somit im Hinblick auf die Stromflußverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente ohne nachteilige Auswirkungen.
Des weiteren ist in den Fig. 6 und 7 - überdimensional dick dargestellt - eine elektrisch leitende Zwischenlage 38 veranschaulicht, die jeweils zwischen der Stirnfläche 15 der Vorsprünge 13 der Kohlenstoffsegmente 4 und der Kontaktfläche 16 der Leitersegmente 3 angeordnet ist und infolge einer Egalisierung der Oberflächenrauhigkeit der beiden betreffenden Flächen für einen großflächigen Kontakt zwischen den KohlenstoffSegmenten 4 und den LeiterSegmenten 3 ohne Luft- und/oder Preßstoff-Einschlüsse in der Kontaktzone sorgt.
Schließlich sind bei dem Plankommutator nach den Figuren 5 bis 7 jedem ringförmigen Vorsprung 13 insgesamt fünf Preßstoffkanäle 32 zugeordnet, die radial außen, radial innen sowie an den beiden jeweils parallel zu den Radialschnitten 34 verlaufenden Flächen des Kontaktrings 24 angeordnet sind. Dies hängt zusammen mit der Funktion der dort verlaufenden stromleitenden Streifen 40 (s.o.) .
Die in Fig. 8 veranschaulichte dritte Ausführungsform des Plankommutators unterscheidet sich von derjenigen nach den Figuren 5 bis 7 im wesentlichen nur dadurch, daß die Leitersegmente 3' jeweils statt eines Kontaktrings vier Kontaktvorsprünge 22 aufweisen. Diese umgeben die ringförmigen Vorsprünge 13 ' , greifen im Bereich der äußeren Umfangsflachen 23 ' der ringförmigen Vorsprünge 13 ' elektrisch leitend in das Kohlenstoffmaterial ein und sind voneinander durch Durchbrüche 36 getrennt. Im Bereich der genannten Durchbrüche 36 zwi- sehen jeweils zwei einander benachbarten KontaktvorSprüngen 22 liegt der Preßstoff des Trägerkδrpers 1' an der (metallisierten) äußeren Umfangsflache 23 ' des ringförmigen Vorsprungs 13' des zugeordneten Kohlenstoffsegments 4' an. Hier bildet die stehengebliebene Metallisierung wiederum stromleitende Streifen 40', ebenso wie im Bereich der beiden Preß- stoffkanäle 32 ' .

Claims

Ansprüche
1. Plankommutator mit einem aus isolierendem Preßstoff gefertigten Trägerkörper (1) , einer Mehrzahl von gleichmäßig um die Kommutatorachse (2) herum angeordneten Leitersegmenten (3) sowie einer ebenso großen Anzahl von mit den Leitersegmenten formschlüssig, elektrisch leitend verbundenen, aus Monokohle bestehenden, die Bürstenlauffläche (5) definierenden KohlenstoffSegmenten (4) , gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: jedes Kohlenstoffsegment (4) weist einen der Bürstenlauffläche (5) gegenüberliegend angeordneten, ringförmigen Vorsprung (13) auf, dessen ringförmige Stirnfläche (15) mit einer korrespondierenden ringförmigen Kontaktfläche (16) des zugeordneten Leitersegments (3) in Kontakt steht; die ringförmigen Kontaktflächen (16) sind jeweils von einem Kontaktring (24) des betreffenden Leitersegments (3), der mit dem zugeordneten ringförmigen Vorsprung (13) im Bereich von dessen äußerer Umfangsflache (23) spaltfrei in Kontakt steht, umgeben; an jedem Leitersegment springt ein von der ringförmigen Kontaktfläche umgebener Kontaktstift (17) vor, der dergestalt spaltfrei in eine korrespondierende Bohrung (14) des zugeordneten ringförmigen Vorsprungs (13) des betreffenden Kohlenstoffsegments (4) eingreift, daß die Kohlenstoffsegmente jeweils über die äußere Umfangsflache (23) , die ringförmige Stirnfläche (15) und die innere Umfangsflache (19) des ringförmigen Vorsprungs (13) elektrisch leitend an die Leitersegmente (3) angeschlossen sind; die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente (4) dienenden Flächen der Kontaktringe (24) , die ringförmigen Kontaktflächen (16) und die äußeren Umfangsflachen (18) der Kontaktstifte (17) sind oxidations- und korrosionsbeständig ausgeführt .
Plankommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffsegmente (4) vorgeformte und vorgehärtete ringförmige Vorsprünge (13) aufweisen, die unter Ausnutzung des Elastizitätsmoduls des gehärteten Kohlenstoffs zur Anlage an den äußeren Umfangsflachen (18) der Kontaktstifte (17) und den inneren Umfangsflachen der Kontaktringe (24) elastisch vorgespannt sind.
Plankommutator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Vorsprünge (13) der Kohlenstoffsegmente (4) keine oberflächliche Metallisierung aufweisen und daß die Stirnflächen (15) der ringförmigen Vorsprünge (13) unter Ausnutzung des Elastizitätsmoduls des gehärteten Kohlenstoffs zur spaltfreien Anlage an den Kontakt- flächen (16) der Leitersegmente (3) elastisch vorgespannt sind.
Plankommutator nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffsegmente auch über die mit der Stirnfläche (20) des Kontaktstifts (17) in Kontakt stehende Grundfläche (21) der Bohrung (14) elektrisch leitend an die Leitersegmente (3) angeschlossen sind.
Plankommutator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (15) der ringförmigen Vorsprünge (13) sowie die die ringförmigen Vorsprünge umgebenden Oberflächen der Kohlenstoffsegmente (4) eine Metallisierung aufweisen.
Plankommutator nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung als galvanische Metallisierung (37) ausgeführt ist.
7. Plankommutator nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den metallisierten Stirnflächen (15) der ringförmigen Vorsprünge (13) der Kohlenstoffsegmente (4) und den zugeordneten Kontaktflächen (16) der Leitersegmente (3) eine elektrisch leitende Zwischenlage (38) angeordnet ist.
8. Plankommutator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (38) eine Lötverbindung zwischen den metallisierten Stirnflächen (15) der ringförmigen Vorsprünge (13) der Kohlenstoffsegmente (4) und den zugeordneten Kontaktflächen (16) der Leitersegmente (3) herstellt .
9. Plankommutator nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (38) aus einem verdichteten Metallpulver, einem verdichteten Graphitpulver, einem verdichteten Mischpulver aus Metall und Graphit oder einer ausgehärteten Lötpaste besteht.
10. Plankommutator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Zwischenlage (38) zwischen 0,03 und 0 , 1 mm beträgt .
11. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kontaktring (24) im Bereich seiner dem Anschluß an den Vorsprung (13) des zugeordneten Kohlenstoffsegments (4) dienenden Fläche mindestens einen Preßstoffka- nal (32) aufweist, der im Bereich der durch die betreffende Fläche des Kontaktrings (24) und die ringförmige Kontaktfläche (16) gebildeten Kante (30) endet.
12. Plankommutator nach Anspruch 5 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang der Preßstoffkanäle (32) jeweils ein stromleitender Streifen (40) aus der Metallisierung (37) erstreckt, welcher die Metallisierung an der Stirnfläche (15) des ringförmigen Vorsprungs (13) mit der Metallisierung (39) auf der den Vorsprung umgebenden Oberfläche des Kohlenstoffsegments (4) verbindet.
13. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kohlenstoffsegmente (4) mit den Leitersegmenten (3) elektrisch leitend verbindenden Verbindungsbereiche (26) jeweils von einer ringförmigen, zwischen den KohlenstoffSegmenten (4) und den Leitersegmenten (3) angeordneten PreßstoffSchicht (27) umgeben sind.
14. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente (4) dienenden Flächen der Kontaktringe (24) , die ringförmigen Kontaktflächen (16) sowie die äußeren Umfangsflachen (18) der Kontaktstifte (17) mit einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall beschichtet sind.
15. Plankommutator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stirnflächen (20) der Kontaktstifte (17) mit einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall beschichtet sind.
16. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Vorsprünge (13) eine im wesentlichen trapezförmige Grundform aufweisen.
17. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente (4) dienenden Flächen der Kontaktringe (24) zylindrisch ausgeführt sind.
18. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch -gekennzeichnet, daß die Kontaktstifte (17) einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweisen.
19. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstifte (17) zylindrisch ausgeführt sind.
20. Plankommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitersegmente (3) den ringförmigen Kontaktflächen (16) gegenüberliegend angeordnete, in den Trägerkörper (1) eingreifende ringförmige Erhebungen (33) aufweisen.
21. Plankommutator mit einem aus isolierendem Preßstoff gefertigten Trägerkörper (1'), einer Mehrzahl von gleichmäßig um die Kommutatorachse (2) herum angeordneten Leitersegmenten (3 ' ) sowie einer ebenso großen Anzahl von mit den Leitersegmenten formschlüssig, elektrisch leitend verbundenen, aus Monokohle bestehenden, die Bürstenlauffläche definierenden KohlenstoffSegmenten, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: jedes Kohlenstoffsegment weist einen der Bürstenlauffläche gegenüberliegend angeordneten, ringförmigen Vorsprung (13') auf, dessen ringförmige Stirnfläche mit einer korrespondierenden ringförmige Kontaktfläche des zugeordneten Leitersegments (3') in Kontakt steht; die ringförmigen Kontaktflächen sind jeweils von mehreren mit Abstand zueinander angeordneten KontaktvorSprüngen (22) des betreffenden Leitersegments, die mit dem zugeordneten ringförmigen Vorsprung (13 ' ) im Bereich von dessen äußerer Umfangsflache (23 ' ) direkt mit dem Kohlenstoffmaterial spaltfrei in Kontakt stehen, umgeben; an jedem Leitersegment springt ein von der ringförmigen Kontaktfläche umgebener Kontaktstift (17') vor, der dergestalt spaltfrei in eine korrespondierende Bohrung des zugeordneten ringförmigen Vorsprungs (13 ' ) des betreffenden Kohlenstoffsegments eingreift, daß die Kohlenstoff- segmente jeweils über die äußere Umfangsflache (23'), die ringförmige Stirnfläche und die innere Umfangsflache des ringförmigen Vorsprungs (13') elektrisch leitend an die Leitersegmente (3 ' ) angeschlossen sind; im Bereich der zwischen jeweils zwei einander benachbarten KontaktvorSprüngen (22) bestehenden Durchbrüche (36) liegt der Preßstoff des Trägerkörpers (1') an den äußeren Umfangsflachen (23') der ringförmigen Vorsprünge (13 ' ) der Kohlenstoffsegmente an; die dem Anschluß an die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktvorsprünge (22) der Leitersegmente, die ringförmigen Kontaktflächen und die äußeren Umfangs- flachen der Kontaktstifte (17') sind oxidations- und korrosionsbeständig ausgeführt; die Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge (13') sowie die die ringförmigen Vorsprünge umgebenden Oberflächen der Kohlenstoffsegmente weisen eine Metallisierung auf; zwischen den metallisierten Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge (13') der Kohlenstoffsegmente und den zugeordneten Kontaktflächen der Leitersegmente (3 ' ) ist eine elektrisch leitende Zwischenlage angeordnet.
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