WO1997042688A1 - Verfahren zum herstellen eines kommutators - Google Patents

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WO1997042688A1
WO1997042688A1 PCT/DE1997/000144 DE9700144W WO9742688A1 WO 1997042688 A1 WO1997042688 A1 WO 1997042688A1 DE 9700144 W DE9700144 W DE 9700144W WO 9742688 A1 WO9742688 A1 WO 9742688A1
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lamellae
solution
oxide layer
copper
oxidation
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PCT/DE1997/000144
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Lothar Weber
Claus Kramer
Stefan Ossenkopp
Dorothee Kling
Martin Schwerdtle
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/03—Contact members characterised by the material, e.g. plating, or coating materials

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a commutator according to the preamble of claim 1 and to a K ⁇ ir ⁇ mrtator produced by this method.
  • Commutators e.g. for motor vehicle starters can basically be divided into three types, the so-called single-phase electronic circuit (ELK), the so-called roller commutator (RK) and the extrusion commutator (FK).
  • the former is made up of individual lamellae which are arranged in a ring and can be protected against flow forces by means of additional parts (metal rings, glass fiber rings). The mechanical bond is stabilized with a plastic mass which, however, can only absorb low centrifugal forces and which forms the commutator hub.
  • the plastic molding compound in the case of the individual laminate commutator without mechanical connecting means, in the case of the roller actuator and the extrusion compression mutator must absorb the entire centrifugal forces.
  • the roller commutator is particularly inexpensive and suitable for large-scale production. Its lamellae are made from strips of conductive material so that they are still connected as strips in their raw form and can be rolled into a cylinder in a simple manner in the ceramic mutator production. However, the shape of the lamellae is limited by the special type of manufacture. Economically, they can only be machined transversely to the band direction and are therefore not suitable for fastening with rings.
  • Starter motors are generally DC main and DC secondary motors with electrical or permanent magnetic excitation.
  • the construction volume and the weight of these starter motors are largely determined by the speed with the same output.
  • the speed of the starter motor becomes variable to a certain extent and must be chosen as high as possible for reasons of weight reduction.
  • commutators In order to make commutators suitable for a high rotational speed, it is therefore the object of the present invention to find a method for producing a commutator that realizes a particularly firm connection between the lamellae and the plastic molding compound and a commutator with these properties create.
  • the commutator should in particular be able to withstand speeds of 40,000 revolutions per minute or more and also have a temperature resistance of up to 400 ° C.
  • the two last-mentioned properties can be realized by extrusion compression mutators and in particular by roller commutators.
  • the present invention also offers advantages for single lamella mutators.
  • the object of the present invention is achieved in that a uniform oxide layer is applied to the surface of the lamellae and the pressing with the plastic molding compound then takes place.
  • This oxide layer serves as an adhesion promoter between the lamella material and the plastic molding compound. This significantly increases the spin resistance of the commutator.
  • Such a Kc) mmutator increases the safety of the starters during the overtaking process (the internal combustion engine overhauls the starter that has been engaged shortly after the start has taken place. The starter is accelerated beyond idle speed by the unavoidable friction in freewheeling).
  • Such a commutator enables the transmission ratio in the gear train to be increased, the starter speed to be increased and thus the development of smaller and lighter starters.
  • the better adhesion of the fins to the plastic molding compound prevents the fins from being raised due to centrifugal force, so that the flatness of the carbon brush running surface is increased. This leads to a better commutation, to an improvement of the starter performance and to an extended service life of the carbon brushes.
  • the low carbon brush wear results in ratio potentials for the carbon brushes and the reduction in installation space in the brush area of the starter.
  • Suitable oxidizing agents are, for example, compounds for copper lamellae which can convert Cu from the zero-valent state to the +1 oxidation state. Further oxidation to oxidation level +2 should be avoided as far as possible.
  • an alkaline solution of sodium or potassium peroxide sulfate (K 2 S 2 0 8 or Na 2 S2 ⁇ 8 ) or sodium chlorite (NaCl0 2 ) can be used for the oxidation.
  • Higher temperatures 60 ° C - 90 ° C) shorten the reaction time.
  • surfactants wetting agents improves the uniformity of copper oxide formation on the surface.
  • An alkali metal hydroxide solution preferably NaOH with a concentration of 2 N, has proven itself as the reaction medium. Other concentrations are possible.
  • the conducting of the oxidation in strong alkali solution is intended to prevent copper salts, for example CuSO 4 , from depositing on the surface.
  • Fig. 1 shows the process flow for oxidation and Fig. 2 shows the finished commutator half cut.
  • lamellae 21 are punched out of a copper band and this stamped product is rolled into a lamellar ring.
  • This lamella ring is then cleaned with a degreasing agent in accordance with step 10, several degreasing agents and degreasing processes being known to the person skilled in the art.
  • the slat ring is then rinsed with water according to step 11.
  • an alkaline potassium or sodium peroxide sulfate solution is heated to 50 to 90 ° C., preferably 80 ° C., in step 12.
  • the alkalinity of the solution is 1 to 2 N.
  • the concentration of the potassium or sodium peroxide sulfate is 6 to 10% by weight. 0.05% by weight of a surfactant is added to this oxidation bath.
  • the lamellar ring is treated with constant movement for 45 to 60 seconds and then immediately rinsed with water in accordance with step 13 and in accordance with Step 14 then dried. Then the pressing can take place with a phenolic resin composition 23, as is known.
  • the webs connecting the lamellae remain raised above the surface of the phenolic resin and are removed after the phenolic resin composition has solidified, as a result of which the lamellae are separated.
  • the oxidation solution can be an alkaline sodium chlorite solution with a concentration of 6 to 10% by weight of NaCl0 2 and 0.05% by weight of a surfactant.
  • This solution is heated to approx. 80 ° C and the thoroughly cleaned lamellar ring is treated with constant agitation in this bath for 1 to 2 minutes. Then it is rinsed immediately until the washing water is halogen-free and subsequently dried.
  • Both of the aforementioned oxidation solution compositions cause an oxidation of the copper surface, in which Cu 2 0 (copper-I-oxide) is first formed.
  • This layer has a brown-gray to blue-gray color. Further oxidation would result in the black copper-II-oxide, CuO, from the copper-I-oxide.
  • This oxidation of copper-I-oxide to copper-II-oxide should, however, be largely avoided, since the metallic copper and copper-I-oxide have the same crystal structure (face-centered cubic). Therefore, grown copper I-oxide adheres particularly well to the copper surface and results in a much more stable connection.
  • the dwell time of the lamellar ring in the oxidation bath is therefore essential in view of the stability achieved afterwards.
  • the lamellae are separated by separating cuts on the connecting webs between the lamellae, on the running surface of which the electrically insulating copper oxide layer is then removed by machining.

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Abstract

Bei der Herstellung eines Kommutators (20), der Lamellen (21), insbesondere aus Kupfer, aufweist, die vorzugsweise zu einem Lamellenring verbunden sind und durch Verpressen mit einer Kunststoffpreßmasse (23), insbesondere aus Phenolharz, in dieser verankert werden, wird auf die Oberfläche der Lamellen (21) eine gleichmäßige Oxidschicht (22), vorzugsweise Kupferoxidschicht, mit vorwiegend Cu-I-oxid aufgebracht und anschließend findet die Verpressung mit der Kunststoffpreßmasse statt. Dadurch ergibt sich eine besonders stabile Verbindung und der Kommutator eignet sich in Folge für hohe Drehzahlen.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kommutators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kommuta¬ tors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Kαirαmrtator.
Kommutatoren z.B. für KFZ-Starter können grundsätzlich in drei Arten eingeteilt werden, den sogenannten Einzellaiitellerikcirαπutator (ELK) , den sogenannten Rollkommutator (RK) und den Fließpreßkommutator (FK) . Ersterer ist aus einzelnen Lamellen aufgebaut, die ringförmig angeordnet sind und mittels zusätzlicher Teile (Metallringe, Glasfa¬ serringe) gegen Fließkräfte geschützt werden können. Der mechanische Verbund wird mit einer Kunststoffmasse stabilisiert, die jedoch nur geringe Fliehkräfte aufnehmen kann und die die Kommutatornabe bil- det.
Im Gegensatz hierzu muß die Kunststoffpreßmasse beim Einzellamel- lenkommutator ohne mechanische Verbindungsmittel, beim RolJUcorraπuta- tor und bejαn Fließpreßkσmmutator die gesamten Fliehkräfte aufnehmen. Der Rollkommutator ist besonders kostengünstig und für die Großse¬ rienfertigung geeignet. Seine Lamellen werden aus Bändern leitfähi¬ gen Materials so hergestellt, daß sie in ihrer Rohfoπrt noch als Bän¬ der zusammenhängen und bei der Kciramutatorfertigung in einfacher Wei¬ se zu einem Zylinder gerollt werden können. Durch die besondere Her- Stellungsart sind die Lamellen jedoch in ihrer Formgebung be¬ schränkt. Sie können wirtschaftlich nur quer zur Bandrichtung bear¬ beitet werden und eignen sich deshalb nicht für eine Befestigung mit Ringen. Sie weisen nach innen schwalbenschwanzähnliche Formen bzw. angescherte krallenähnliche Formen auf, deren Geometrie sich nach dem Verpressen mit der Kunststoffpreßmasse verkrallen sollen. Dieser Formschluß reicht aber bei hohen Drehzahlen nicht aus, so daß lamel- len ausgeschleudert werden können. Eine zusätzliche Stabilität könn¬ te durch Adhäsionskräfte zwischen dem Kunststoff und den Lamellen erreicht werden. Dies ist aber bei den verwendeten asbestfreien Stoffen nicht der Fall.
Startermotoren sind i.A. Gleichstromhaupt- bzw. Gleichstromneben- scMußmotoren mit elektrischer bzw. permanentmagnetischer Erregung. Das Bauvolumen und das Gewicht dieser Startermotoren wird bei gleicher Leistung wesentlich von der Drehzahl bestimmt. Durch den Einsatz von Vorgelegestartern wird die Drehzahl des Startermotors in einem gewissen Maße variabel und muß aus Gründen der Gewichtsredu¬ zierung möglichst hoch gewählt werden.
Die Gewichtsreduzierung ist bei KFZ-Startern deshalb von Bedeutung, da die Autσmobilhersteller nach einer allgemeinen Gewichtseinsparung trachten und der Starter findet hier insbesondere Beachtung, da er nur in der Startphase des Verbrennungsmotors benötigt wird und wäh¬ rend der Fahrt als Totgewicht wirkt und zu einem Mehrverbrauch führt.
Um Kommutatoren für eine hohe Drehzahl tauglich zu machen, ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines Kommutators zu finden, das eine besonders feste Verbin¬ dung zwischen den Lamellen und der Kunststoffpreßmasse verwirklicht und einen Kommutator mit diesen Eigenschaften zu schaffen. Der Kom¬ mutator soll insbesondere Drehzahlen von 40 000 Uirtdrehurigen/min und mehr standhalten können und auch eine Temperaturbeständigkeit bis zu 400°C aufweisen. Zusätzlich ist es natürlich von wirtschaftlicher Bedeutung, daß der Fertigungsaufwand der Einzelteile sowie der Auf- wand für die Montage möglichst gering gehalten werden. Die beiden zuletzt genannten Eigenschaften lassen sich durch Fließpreßkσmmuta- toren und insbesondere durch Rollkommutatoren verwirklichen. Die vorliegende Erfindung bietet aber auch Vorteile für Einzellamellen- kcmmutatoren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche der Lamellen eine gleichmäßige Oxidschicht aufge¬ bracht wird und anschließend die Verpressung mit der Kunststoffpreß- masse stattfindet. Diese Oxidschicht dient als Haftvermittler zwi¬ schen dem Ijamellenmaterial und der Kunststoffpreßmasse. Dadurch wird die Schleuderfestigkeit des Kommutators wesentlich erhöht.
Ein solcher Kc)mmutator erhöht die Sicherheit der Starter beim Über¬ holvorgang (der Verbrennungsmotor überholt den eingespurten Starter kurzzeitig nach erfolgtem Start. Der Starter wird durch die unver- meidbare Reibung im Freilauf über die Leerlaufdrehzahl hinaus be¬ schleunigt) .
Ein solcher Kommutator ermöglicht die Erhöhung des Übersetzungsver¬ hältnisses im Vorgelege, eine Erhöhung der Starterdrehzahl und damit die Entwicklung kleinerer und leichterer Starter.
Durch die bessere Haftung der Lamellen mit der Kunststoffpreßmasse wird eine fliehkraftbedingte Anhebung der Lamellen verhindert, so daß die Ebenheit der Kohlebürstenlauffläche erhöht wird. Dies führt zu einer besseren Kαπuxutierung, zu einer Verbesserung der Starter- leiεtung und zu einer verlängerten Standzeit der Kohlebürsten. Durch den geringen Kohlebürstenverschleiß ergeben sich Ratiopotentiale bei den Kohlebürsten und Bauraumverkleinerung im Bürstenbereich des Starters.
Die Herstellung der Oxidschicht auf den Lamellen des Kommutators ge¬ lingt am besten, wenn ihre Oberfläche völlig fettfrei gemacht und von jeglichen Belägen befreit wird. Als Oxydationsmittel eignen sich z.B. für Kupferlamellen Verbindungen, die Cu vom nullwertigen Zu- stand in die Oxydationsstufe +1 überführen können. Die weitere Oxy¬ dation zur Oxydationsstufe +2 soll weitestgehend vermieden werden. Z.B. kann eine alkalische Lösung von Natrium- oder Kaliumperoxidsul¬ fat (K2S208 oder Na2S2θ8) oder Natriumchlorit (NaCl02) zur Oxydation verwendet werden. Höhere Temperaturen (60°C - 90°C) verkürzen die Reaktionszeit . Die Gegenwart von Tensiden (Netzmittel) verbessern die Gleichmäßig¬ keit der Kupferoxidbildung auf der Oberfläche.
Als Reaktionsmedium hat sich eine Alkalilauge, bevorzugt NaOH mit der Konzentration 2 N, bewährt. Andere Konzentrationen sind möglich. Die Dtixchführung der Oxydation in starker Alkalilösung soll verhin¬ dern, daß sich Kupfersalze, z.B. CuS04, auf der Oberfläche abschei¬ den.
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll nunmehr mit Hilfe der Fig. 1 und 2 ein Atisführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wer¬ den, wobei sich bei Versuchen mit derart erfindungsgeinäß hergestell¬ ten Kσiraπutatoren eine Erhöhung der Schleuderfestigkeit um den Faktor 2,5 ergab, d.h. die Schleuderbruchdrehzahl ist 2,5 mal höher als bei vergleichbaren Serienkommutatoren, ohne Oxydation des lamellenrin- ges.
Fig. 1 zeigt den Verfahrensablauf zur Oxydation und Fig. 2 zeigt den fertigen Kommutator halb geschnitten.
Zur Herstellung eines Rollkσmmutators 20 werden aus einem Kupferband gegurtete Lamellen 21 ausgestanzt und dieses Stanzprodukt wird zu einem Lamellenring gerollt. Anschließend wird dieser Lamellenring gemäß Schritt 10 mit einem Entfettungsmittel gereinigt, wobei dem Fachmann hierzu mehrere Entfettungsmittel und Entfettungsverfahren bekannt sind. Anschließend wird der Lamellenring gemäß Schritt 11 mit Wasser gespült.
Zur Herstellung der Oxidschicht 22 wird gemäß Schritt 12 eine alka- lische Kalium- oder Natriuriperoxidsulfatlösung auf 50 bis 90°C, vor¬ zugsweise auf 80°C, erhitzt. Die Alkalität der Lösung liegt bei 1 bis 2 N. Die Konzentration des Kalium- oder Natriumperoxidsulfates beträgt 6 bis 10 Gew.%. Zu diesem Oxydationsbad werden 0,05 Gew.% eines Tensides zugegeben. In dieser Oxydationslösung wird der Lamel- lenring unter ständiger Bewegung 45 bis 60 Sekunden lang behandelt und danach gemäß Schritt 13 sofort mit Wasser gespült und gemäß Schritt 14 sodann getrocknet. Dann kann die Verpressung mit einer Phenolharzmasse 23, wie bekannt, erfolgen. Dabei bleiben, wie auch bekannt, die die Lamellen verbindenden Stege über der Phenolharz¬ oberfläche erhaben und werden nach dem Erstarren der Phenolharzmasse abgetragen, wodurch es zu einer Vereinzelung der Lamellen kommt.
Als Alternative kann die Oxydationslösung eine alkalische Natrium¬ chloritlösung mit der Konzentration von 6 bis 10 Gew.% an NaCl02 und 0,05 Gew.% eines Tensides sein. Diese Lösung wird auf ca. 80°C er- wärmt und der gründlich gereinigte Lamellenring wird unter steter Bewegung 1 bis 2 Minuten in diesem Bad behandelt. Danach wird er so¬ fort gespült, bis das Waschwasser halogenfrei ist und in Folge ge¬ trocknet.
Beide der ebengenannten Oxydationslösungzusammensetzungen bewirken eine Oxydation der Kupferoberfläche, bei der zuerst Cu20 (Kupfer-I- oxid) gebildet wird. Diese Schicht hat eine braungraue bis blaugraue Farbe. Durch weitere Oxydation würde aus dem Kupfer-I-oxid das schwarze Kupfer-II-oxid, CuO, entstehen. Diese Oxydation von Kupfer- I-oxid zum Kupfer-II-oxid soll aber weitgehend vermieden werden, denn das metallische Kupfer und Kupfer-I-oxid haben die gleiche Kri¬ stallstruktur (kubisch-flächenzentriert) . Daher haftet aufgewachse¬ nes Kupfer-I-oxid auf der Kupferoberfläche besonders gut und ergibt eine wesentlich stabilere Verbindung. Die Verweilzeit des Lamellen- ringes im Oxydationsbad ist also in Hinblick auf die nachher er¬ reichte Stabilität wesentlich.
Die Vereinzelung der Lamellen erfolgt durch Trennschnitte an den Verbindungsstegen zwischen den Lamellen, auf deren Lauffläche sodann durch spanabhebendes Abdrehen die elektrisch isolierenden Kupferoxidschicht entfernt wird.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Kαtimutators, der Lamellen, insbe¬ sondere aus Kupfer aufweist, die vorzugsweise zu einem Lamellenring verbunden sind und durch Verpressen mit einer Kunststoffpreßmasse, insbesondere aus Phenolharz, in dieser verankert werden, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Lamellen eine gleichmäßige Oxidschicht, vorzugsweise Kupferoxidschicht mit vorwiegend Cu-I-oxid aufgebracht wird und anschließend die Verpressung mit der Kunst¬ stoffpreßmasse stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auf- bringen der Oxidschicht durch Benetzen der Lamellen mit einer Oxyda¬ tionslösung erfolgt, anschließend die Reste der Oxydationslösung, vorzugsweise mit Wasser entfernt werden und schließlich die Verpres¬ sung mit der Kunststoffpreßmasse stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxyda¬ tionslösung ein Crxydationsmittel vorzugsweise eine alkalische Lösung von Natrium- oder Kaliumperoxidsulfat oder Natαriurnchlorit enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxyda- tionslösung neben dem
Figure imgf000008_0001
als Reaktionsmittel eine Al¬ kalilauge, vorzugsweise Natronlauge, insbesondere mit der Konzentra¬ tion 2N enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Oxydationsmittels in der Oxydationslösung 5-25 Gew.% beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Oxydationslösung weiters Netzmittel in Form von Tensi¬ den, vorzugsweise in einer Menge von 0,05 Gew.%, enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Benetzung der Lamellen mit Oxydationslösung durch Tau¬ chen und Bewegen in einem Oxydationsbad bei einer Tempartur von 60 - 90°C, vorzugsweise 80°C, für eine halbe bis fünf Minuten vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Lamellen vor der Aufbringung der Oxidschicht mit einem Enrfettungsmittel entfettet und anschließend das Entfet- tungsmittel mit einem Spülmittel, vorzugsweise Wasser entfernt wird.
9. Kommutator mit Lamellen, vorzugsweise aus Kupfer und einem ge¬ preßten Kunststoffkörper, vorzugsweise aus Phenolharz, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß zwischen den Lamellen (21) und dem gepreßten Kunststoffkörper (23) eine Oxidschicht (22) , vorzugsweise eine Kupf- eroxidschicht mit vorwiegend Cu-I-oxid vorgesehen ist.
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