WO2018001975A1 - Kommutator und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2018001975A1
WO2018001975A1 PCT/EP2017/065732 EP2017065732W WO2018001975A1 WO 2018001975 A1 WO2018001975 A1 WO 2018001975A1 EP 2017065732 W EP2017065732 W EP 2017065732W WO 2018001975 A1 WO2018001975 A1 WO 2018001975A1
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WO
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commutator
base body
polymer material
contact elements
lamellae
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PCT/EP2017/065732
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sarah REYNVAAN
Conrad Reynvaan
Original Assignee
Schunk Hoffmann Carbon Technology Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/06—Manufacture of commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/46—Auxiliary means for improving current transfer, or for reducing or preventing sparking or arcing
    • H01R39/54—Auxiliary means for improving current transfer, or for reducing or preventing sparking or arcing by use of impedance between brushes or segments
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/10—Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation
    • H02K13/105—Spark suppressors associated with the commutator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/02—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for suppression of electromagnetic interference
    • H02K11/028—Suppressors associated with the rotor

Definitions

  • the invention relates to a commutator and a method for producing a commutator, for an electric machine, in particular electric motor for a fuel pump, windshield wiper system, fan or the like, wherein the commutator has a rotationally symmetrical base body, wherein on a lateral surface and / or end face of the base body at least two Contact elements are arranged, each j edes contact element is connected via at least one capacitor with each j edem contact element. Furthermore, the invention relates to a use of a graphene-containing polymer material for producing a commutator. Commutators are regularly in mechanically commutating
  • Contact elements of the commutator are electrically contacted via stationary carbon brushes, so that upon rotation of the rotor relative to the carbon brushes a cyclic
  • the stator may comprise a base body to which the contact elements are arranged.
  • the base body is therefore formed of a dielectric material, such as a polymeric material, to electrically isolate the contact elements from one another.
  • the base body can simply be arranged rotationally fixed on a shaft of a rotor and the contact elements can be connected via electrical lines to the armature windings of the rotor.
  • a voltage pulse can arise due to an inductance of the armature windings, which can generate electromagnetic interference radiation.
  • the capacitor may be a discrete component, which in each case must be connected to contact elements when the commutator is manufactured. Since such a commutator can hardly be miniaturized and is also expensive to produce, DE 10 2008 042 226 A1 proposes to arrange so-called suppression capacitors between the contact elements by an arrangement of electrically conductive plates or electrodes of the capacitor within a base body formed from a dielectric.
  • the plates are in each case connected by means of a soldering or welding connection with the associated contact elements.
  • an electrically conductive connection contact between the plates and the contact elements must be formed to form the j eence capacitors, which can significantly increase the production cost of a commutator depending on the number of contact elements.
  • the present invention is therefore based on the object to propose a commutator and a method for its production, the or. which allows a cost-effective production of the commutator.
  • the commutator according to the invention for an electric machine in particular electric motor for a fuel pump, S cheibenwischan- position, fan or the like, has a B asis redesign, wherein on a lateral surface and / or end face of the base body at least two contact elements are arranged, each j edes contact element at least one capacitor is connected to each adjacent contact element, wherein the capacitors are formed by means of a material having a comparatively high relative permittivity ( ⁇ ⁇ ), wherein the material abuts the contact elements and connects them together, the material being a polymer material which contains graphene.
  • the B isisenia is formed so that the contact elements of the lateral surface and / or end face of the B asis stressess are arranged so that the commutator can be contacted radially or axially by means of carbon brushes, relative to a rotational axis of a rotor.
  • the j eching capacitors are always formed between adjacent contact elements.
  • a dielectric of the capacitor a material having a high relative permittivity ( ⁇ ⁇ ) or relative dielectric constant is used. With increasing relative permittivity ( ⁇ ⁇ ), more energy can be stored in an electric field between the electrodes of a capacitor.
  • the relative permittivity (s) of the dielectric determines the extent to which a capacitance of a capacitor increases over air of a dielectric.
  • the material or the dielectric which bonds the contact elements together is a polymeric material such as polyethylene or polytetrafluoroethylene, preferably a sprayable and duroplastic polymeric material such as phenolic resin.
  • a polymeric material such as polyethylene or polytetrafluoroethylene, preferably a sprayable and duroplastic polymeric material such as phenolic resin.
  • all polymer materials which are regularly used as dielectrics, for example as insulation materials in commutators, are suitable here.
  • the polymer material contains graphene.
  • the graphene is a modification of carbon with a substantially two-dimensional structure, in which each carbon atom is surrounded by three others at an angle of 120 °.
  • Graphene oxide can also be used instead of graphene, whereby graphene oxide is understood as meaning an oxidized graphene derivative provided with oxygen-containing functional groups. Other functionalizations of the graphene are possible.
  • the graphene oxide can be functionalized depending on its production process.
  • the graphene may be in single-layered particulate form or in multi-layered form, such as graphene nanorod latelets.
  • the graphene may be used in particle form in the manner of a powder, the particles then being present in a lath-shaped, two-dimensional structure. Depending on the method of preparation of the graph, the plates of the two-dimensional structure may be stacked or unstacked.
  • the graph may have an average particle size e of ⁇ 2 ⁇ .
  • a relative permittivity (er) of the material or dielectric is many times greater than that of a polymer material which is identical to the polymer material, but does not contain or contain graphene. is free of graphene increases.
  • the graphene, the polymer material or resin, the functionalization and the amount of graphene added are selected so that no percolation is produced and a resin-graphene composite formed in this way is electrically non-conductive.
  • the relative permittivity (s) of the polymer material may be in particular be increased by at least 200- to 500-fold by means of graphene.
  • the base body may be cylindrical or disc-shaped. Also, the base body may be formed in terms of its external shape substantially rotationally symmetrical. Further, the base body in the direction of its axis of rotation may have a passage opening in the manner of a bore, with which the base body can be fastened on a rotor shaft. For example, the base body can then simply be pushed onto the rotor shaft or fixedly mounted on the rotor shaft by means of a press fit.
  • the contact elements may each be formed by a lamella of the commutator. The commutator can then have on its outer circumference or its lateral surface and / or its end face fins, such as thin metal strips of copper, which form the contact elements.
  • the lamellae are then always spaced apart so that there is no direct, electrically conductive connection between the lamellae.
  • the commutator has a plurality of fins which extend in the axial or radial direction relative to the rotor shaft. At least two lamellae can form electrodes of the capacitor and the polymer material can form a dielectric layer of the capacitor. form sector between the slats.
  • the capacitor can therefore be formed solely by the lamellae and the polymer material with the graphene, so that no special contacting and formation of electrodes with the lamellae is required.
  • the polymer material contains graphene, as a result of which the polymer material has a high relative permittivity. Also can be completely dispensed with a use of capacitors in the form of discrete B au former. Thus, a large number of working steps can be saved in the production of the commutator, and thus costs.
  • the polymer material can form the base body of the commutator, on which the lamellae are arranged.
  • a production of the commutator is thereby further simplified.
  • the base body of polymer material can be produced, for example, by means of injection molding, the lamellae then being able to be attached directly to the bead body during injection molding.
  • the slats b ei the injection molding can be easily attached to the base body form-fitting or cohesively.
  • the lamellae can be arranged on a surface of the base body on the polymer material or embedded in the polymer material.
  • an adhesive material may also be used to secure the fins on the surface of the base body.
  • the embedding of the fins in the polymer material can also be done by injection molding of the base body. If the lamellae are then distributed over the surface of the base body in the radial direction, a gap between one pair of lamellae may be filled with the polymer material, so that the surface of the base body is not interrupted by heels or gaps and is completely flat or round. A deposit of brush abrasion between the slats can be prevented.
  • the lamellae can be arranged on a surface of the base body or embedded in the base body, wherein the polymer material can form a ring, which then bears against the lamellae.
  • the base body may be formed of any dielectric material, for example a further polymeric material, the ring then being composed of the polymer material containing graphene.
  • the ring can simply be pushed onto the surface of the base body with the lamellae so that the ring always connects adjacent lamellas and thus forms a dielectric layer between the lamellae independently of the base body.
  • the ring, as well as the base body is formed from the polymer material which contains graphene.
  • the ring may be disposed on an outer diameter of the commutator on the slats. If the ring of the po lymermaterial by means of a press fit on the Ob er Chemistry of B Asiskörp ers attached, moreover, a particularly effective B efestr the slats on the base body can be achieved.
  • the polymer material may have a graphene-containing liquid crystal.
  • a particularly high relative permittivity can be formed by a mixture of graphene with the liquid crystal. This mixture can then be processed with a polymer matrix to the polymer material.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the liquid matrix material can be mixed with graphene particles, and after formation of a homogeneous mixture, the matrix material can already be cured.
  • the polymeric material may comprise graphene at a level of from 0.1 to 5 percent by weight, preferably from 0.1 to 3 percent by weight, more preferably from 0.1 to 2 percent by weight. How surprisingly has proven wise, with this proportion of graphene already a relatively high relative permittivity (er) can be achieved.
  • the polymer material may have a nematic liquid crystalline phase.
  • the relative permittivity can be further increased.
  • the electric motor according to the invention for a fuel pump, windshield wiper system, fan or the like has a commutator according to the invention.
  • the fuel pump or S cheibenwischstrom o the fan is cheaper to produce. Further advantageous embodiments of an electric motor will become apparent from the back claim on the device claim 1 subordinate claims.
  • the commutator is formed with a base body, wherein at least two contact elements are arranged on a lateral surface and / or end face of the base body in which each contact element is connected to each adjacent contact element via at least one capacitor, wherein the capacitors are formed by means of a material having a comparatively high relative permittivity, the material abutting against the contact elements and interconnecting them, waving as Material is used a polymer material containing graphene.
  • the contact elements can be arranged in an injection mold, wherein the polymer material can be introduced as an injection molding compound in the injection mold, whereby the contact elements can be attached to the B asis redesign and the commutator is formed.
  • the procedure makes it possible Forming commutator alone in one step by injection molding. It can also be provided to arrange a section of a rotor shaft in the injection mold so as to connect the commutator directly to the rotor shaft.
  • the contact elements can be attached to the base body, wherein a ring of the polymer material can be arranged on an outer diameter of the base body with the contact elements.
  • the base body can then be manufactured by injection molding or in another manner, wherein at least the ring of the polymer material with the graphene, for example, by
  • Injection molding can be formed.
  • the ring can simply be pushed onto the outer diameter of the base body and thus the capacitor can be formed.
  • the ring then abuts against the contact elements and connects them together. Further advantageous embodiments of the method will become apparent from the dependent on the device claim 1 dependent claims.
  • a polymer material containing graphene is used for producing a commutator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a commutator in a side view
  • Fig. 2 is a sectional view of the commutator
  • Fig. 1 in a front view 3 is a schematic representation of a second embodiment of a commutator in a side view;
  • Fig. 4 is a sectional view of the commutator
  • FIGS. 1 and 2 shows a first embodiment of a commutator 10 in a simplified representation.
  • the commutator 10 has a base body 1 1, on whose lateral surface 12 fins 13 of copper or a copper alloy are arranged, the contact elements 14 of the commutator 10 form.
  • the commutator 10 is rotatable about a rotational axis 15 of a rotor shaft, not shown here, and fixed on this rotor shaft.
  • On the lateral surface 12 are brushes 16 with a contact surface 17 at.
  • the carbon brushes 16 are fixed in place in brush holders, not shown here, so that the commutator 10 is rotatable relative to the carbon brushes 16.
  • the contact elements 14 are further electrically connected to not shown here armature windings of the rotor. Via the contact elements 14 and the carbon brushes 1 6, an electric current can now be transmitted and fed into the armature windings and thus an electric motor (not shown here) can be set in rotation.
  • the lamellae 13 are spaced from one another in the radial direction in the area of the lateral surface 12, such that a gap 18 is in each case formed between the lamellae 13, which is filled by the base body 11.
  • the base body 1 1 consists of a polymer material containing graphene.
  • the fins 13 and the base body 1 1 e in each case form a capacitor 19 between all adjacent contact elements 14, with which the electric motor can then be suppressed.
  • the lamellae 1 3 form electrodes 20 of the respective capacitor 1 9 and the base body 1 1 form a dielectric material 21 in the intermediate spaces 1 8.
  • FIGS. 3 and 4 show a further commutator 22 which, in contrast to the commutator of FIG. 1, has a base body 23 which, if appropriate, consists of a polymer material which, however, does not contain any graphene.
  • a ring 25 is fixed to an outer diameter 26 of the commutator 22 by means of an interference fit b.
  • the ring 25 is made of a polymer material containing graphene, and abuts on fins 27 such that the fins 27 are connected to each other via the ring 25.
  • a capacitor 28 can be formed by the dielectric material 29 of the ring 25 between the lamellae 27 and the ring 25.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kommutator (10) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators für eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe, Scheibenwischanlage, Lüfter oder dergleichen, wobei der Kommutator einen Basiskörper (11) aufweist, wobei an einer Mantelfläche (12) und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente ( 14) angeordnet sind, wobei j edes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator (19) mit j edem benachbarten Kontaktelement verbunden ist, wobei die Kondensa- toren mittels eines Materials (21) mit einer vergleichsweise hohen relativen Permittivität (εr) ausgebildet sind, wobei das Material an den Kontaktelementen anliegt und diese miteinander verbindet, wobei das Material ein Polymermaterial ist, welches Graphen enthält.

Description

Kommutator und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Kommutator sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators, für eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe, Scheibenwischanlage, Lüfter oder dergleichen, wobei der Kommutator einen rotationssymmetrischen Basiskörper aufweist, wobei an einer Mantelfläche und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei j edes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator mit j edem benachbarten Kontaktelement verbunden ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines graphenhaltigen Polymermaterials zur Herstellung eines Kommutators. Kommutatoren werden regelmäßig in mechanisch kommutierenden
Gleichstrommotoren verwendet, um ein von Ankerwicklungen des Motors erzeugtes magnetisches Feld zyklisch bei einem Umlauf eines Rotors des Motors umzupolen. Kontaktelemente des Kommutators werden über ortsfeste Kohlenstoffbürsten elektrisch kontaktiert, sodass bei einer Drehung des Rotors relativ zu den Kohlenstoffbürsten ein zyklischer
Kontaktschluss mit den Kontaktelementen ausgebildet wird. Der Kommu- tator kann einen Basiskörper umfassen, an den die Kontaktelemente angeordnet sind. Der Basiskörper ist daher aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise einem Polymermaterial ausgebildet, um die Kontaktelemente voneinander elektrisch zu isolieren. Der Basiskörper kann einfach auf einer Welle eines Rotors drehfest angeordnet und die Kontaktelemente über elektrische Leitungen mit den Ankerwicklungen des Rotors verbunden sein.
Bei einer Kommutierung kann aufgrund einer Induktivität der Ankerwicklungen ein Spannungsimpuls entstehen, der eine elektromagnetische Störstrahlung erzeugen kann. Zur Verringerung bzw. Vermeidung dieses Effekts ist es bekannt, auf einem Bürstenträger von Kohlenstoffbürsten Entstörelemente anzubringen oder, alternativ benachbarte Kontaktelemente j eweils über einen Kondensator zu verbinden. Der Kondensator kann ein diskretes Bauelement sein, was bei einer Herstellung des Kommutators j eweils an Kontaktelemente angeschlossen werden muss. Da ein derartiger Kommutator kaum miniaturisierbar und auch nur kostenaufwendig herzustellen ist, schlägt die DE 10 2008 042 226 A I vor, sogenannte Entstörkondensatoren zwischen den Kontaktelementen durch eine Anordnung von elektrisch leitenden Platten bzw. Elektroden des Kondensators innerhalb eines aus einem Dielektrikum gebildeten Basiskörpers anzuordnen. Die Platten werden j eweils mittels einer Lötoder Schweißverbindung mit den zugehörigen Kontaktelementen verbunden. Auch hier ist nachteilig, dass zur Ausbildung der j eweiligen Kondensatoren ein elektrisch leitender Verbindungskontakt zwischen den Platten und den Kontaktelementen ausgebildet werden muss, was j e nach Anzahl der Kontaktelemente die Herstellungskosten eines Kommutators wesentlich erhöhen kann. Gerade bei in großen Stückzahlen hergestellten Elektromotoren, für beispielsweise Kraftstoffpumpen, Scheibenwischan- lagen oder Lüfter für Fahrzeuginnenräume kann bereits eine Einsparung weniger Arbeitsschritte im Herstellungsprozess zu einer merklichen Kosteneinsparung führen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Kommutator und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, der bzw . das eine ko stengünstige Herstellung des Kommutators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Kommutator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und eine Verwendung eines Polymermaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 5 gelöst.
Der erfindungsgemäße Kommutator für eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe , S cheibenwischan- lage, Lüfter oder dergleichen, weist einen B asiskörper auf, wobei an einer Mantelfläche und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei j edes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator mit j edem benachbarten Kontaktelement verbunden ist, wobei die Kondensatoren mittels eines Materials mit einer vergleichsweise hohen relativen Permittivität (εΓ) ausgebildet sind, wob ei das Material an den Kontaktelementen anliegt und diese miteinander verbindet, wob ei das Material ein Polymermaterial ist, welches Graphen enthält. Der B asiskörper ist so ausgebildet, dass die Kontaktelemente der Mantelfläche und/oder Stirnfläche des B asiskörpers angeordnet sind, sodass der Kommutator radial oder axial mittels Kohlenstoffbürsten, relativ zu einer Rotationsachse eines Rotors , kontaktiert werden kann. Die j eweiligen Kondensatoren sind stets zwischen benachbarten Kontaktelementen ausgebildet. Als ein Dielektrikum des Kondensators wird ein Material mit einer hohen relativen Permittivität (εΓ) bzw. relativen Dielektrizitätskonstante verwendet. Mit einer steigenden relativen Permittivität (εΓ) kann mehr Energie in einem elektrischen Feld zwischen den Elektroden eines Kondensators gespeichert werden. Die relative Permittivität (er) des Dielektrikums bestimmt, inwieweit sich eine Kapazität eines Kondensators gegenüber Luft eines Dielektrikums erhöht. Das Material bzw. das Dielektrikum, welches die Kontaktelemente miteinander verbindet, ist ein Polymermaterial, wie beispielsweise Polyethylen oder Polytetraf- luorethylen, vorzugsweise ein spritzbares und durop lastisches Polymermaterial, wie beispielsweise Phenolharz . Prinzipiell sind hier alle Poly- mermaterialen, die regelmäßig als Dielektrikum, beispielsweise als Iso lationsmaterial in Kommutatoren, Verwendung finden, geeignet.
Weiter enthält das Po lymermaterial Graphen.
B ei dem Graphen handelt es sich um eine Mo difikation des Kohlenstoffs mit im Wesentlichen zweidimensionaler Struktur, in der j edes Kohlen- stoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist.
Anstelle von Graphen kann auch Graphenoxid verwendet werden, wob ei unter Graphenoxid ein oxidiertes und mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen versehenes Graphenderivat verstanden wird . Auch andere Funktionalisierungen des Graphens sind möglich. Insbesondere kann das Graphenoxid in Abhängigkeit seines Herstellungsverfahrens funktionali- siert sein . Das Graphen kann in Partikelform einlagig o der mehrlagig vorliegen, wie bei zumB eiespiel Graphenenanop latelets . Das Graphen kann in Partikelform in Art eines Pulvers verwendet werden, wobei die Partikel dann p lattenförmig, mit zweidimensionaler Struktur vorliegen. Je nach Herstellungsverfahren des Graphen können die Platten der zweidimensionalen Struktur gestap elt oder ungestapelt sein. Das Graphen kann eine mittlere Partikelgröß e von < 2 μιη aufweisen.
Durch eine Beimischung des Graphens zu dem Polymermaterial wird eine relative Permittivität (er) des Materials bzw. Dielektrikums um ein Vielfaches gegenüber einem Polymermaterial, welches mit dem Polymermaterial identisch ist, j edoch kein Graphen enthält bzw . frei von Graphen ist, erhöht. Dabei werden das Graphen, das Polymermaterial bzw. Harz , die Funktionalisierung und die einegbrachte Menge des Graphens so ausgewählt, dass keine Perkolation entsteht und ein so ausgebildter Harz-Graphen-Komposit elektrisch nichtleitend ist. Die relative Permittivität (er) des Polymermaterials kann insbesondere mittels des Graphens um zumindest das 200- bis 500-fache gesteigert werden. So ist es dann auch möglich mit einfachen und kostengünstigen Mitteln, nämlich einem bloßen Zusatz von Graphen zu dem Polymermaterial, welches zumindest an benachbarten Kontaktelementen anliegt, einen Kondensator zwischen diesen benachbarten Kontaktelementen auszubilden. Zwar ist die Beimischung von Graphen mit einem zusätzlichen Kostenaufwand verbunden, der j edoch durch die dann nicht mehr notwendige Ausbildung elektrisch leitender Kontakte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, leicht kompensiert werden kann. Insgesamt kann so der Kommutator wesentlich kostengünstiger in großen Stückzahlen hergestellt werden.
Der Basiskörper kann zylindrisch oder scheibenförmig ausgebildet sein. Auch kann der Basiskörper hinsichtlich seiner äußeren Gestalt im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Weiter kann der Basiskörper in Richtung seiner Rotationsachse eine Durchgangsöffnung in Art einer Bohrung aufweisen, mit der der Basiskörper auf einer Rotorwelle befestigbar ist. Beispielsweise kann der Basiskörper dann einfach auf die Rotorwelle aufgeschoben bzw. mittels einer Presspassung auf der Rotorwelle fest montiert werden. Die Kontaktelemente können von j eweils einer Lamelle des Kommutators ausgebildet sein. Der Kommutator kann dann an seinem äußeren Umfang bzw. seiner Mantelfläche und/oder seiner Stirnfläche Lamellen, wie beispielsweise dünne Metallstreifen aus Kupfer, aufweisen, die die Kontaktelemente ausbilden. Die Lamellen sind dann stets voneinander beabstandet, sodass keine direkte, elektrisch leitende Verbindung zwischen den Lamellen besteht. Je nach Anzahl der Ankerwicklungen des betreffenden Rotors weist der Kommutator eine Vielzahl von Lamellen auf, die sich in axialer bzw. radialer Richtung relativ zur Rotorwelle erstrecken. Zumindest zwei Lamellen können Elektroden des Kondensators ausbilden und das Polymermaterial kann eine dielektrische Schicht des Kondensa- tors zwischen den Lamellen ausbilden. Der Kondensator kann demnach alleine durch die Lamellen und das Polymermaterial mit dem Graphen ausgebildet werden, sodass keine besondere Kontaktierung und Ausbildung von Elektroden mit den Lamellen erforderlich ist. Dies wird j edoch erst dadurch mö glich, dass das Polymermaterial Graphen enthält, wodurch das Polymermaterial eine hohe relative Permittivität (er) aufweist. Auch kann auf eine Verwendung von Kondensatoren in Form von diskreten B auteilen vollständig verzichtet werden. So kann eine Vielzahl von Arb eitsschritten bei der Herstellung des Kommutators, und damit Kosten, eingespart werden .
Vorteilhaft kann das Polymermaterial den Basiskörper des Kommutators ausbilden, an dem die Lamellen angeordnet sind. Eine Herstellung des Kommutators wird dadurch noch weiter vereinfacht. D er Basiskörper aus Polymermaterial kann beispielsweise mittels Spritzgieß en hergestellt werden, wobei die Lamellen dann während des Spritzgießens direkt an dem B asiskörper angebracht werden können. So können die Lamellen b ei dem Spritzgießen einfach an dem Basiskörper form- oder stoffschlüssig befestigt werden.
Dabei können die Lamellen auf einer Oberfläche des Basiskörpers auf dem Polymermaterial angeordnet oder in dem Polymermaterial eingeb ettet sein. Beispielsweise kann auch ein Klebermaterial verwendet werden, um die Lamellen auf der Oberfläche des B asiskörpers zu befestigen. Das Einbetten der Lamellen in dem Polymermaterial kann auch durch das Spritzgießen des Basiskörpers erfolgen. Wenn die Lamellen sich dann in radialer Richtung über die Oberfläche des Basiskörpers verteilen, kann ein Spalt zwischen j eweils einem Lamellenpaar mit dem Po lymermaterial ausgefüllt sein, so dass die Oberfläche des B asiskörpers nicht durch Absätze oder Spalte unterbrochen und vollkommen eben oder rund ist. Eine Ablagerung von Bürstenabrieb zwischen den Lamellen kann so verhindert werden. Alternativ können die Lamellen auf einer Oberfläche des Basiskörpers angeordnet oder in dem B asiskörper eingeb ettet sein, wobei das Polymermaterial einen Ring ausbilden kann, der dann an den Lamellen anliegt. Demnach kann der Basiskörper aus einem beliebigen dielektri- sehen Material, b eispielsweise einem weiteren Polymermaterial, ausgebildet sein, wobei der Ring dann aus dem Polymermaterial , welches Graphen enthält, besteht. Der Ring kann einfach auf die Oberfläche des B asiskörpers mit den Lamellen aufgeschoben werden, sodass der Ring stets b enachbarte Lamellen miteinander verbindet und damit eine dielekt- rische S chicht zwischen den Lamellen unabhängig von dem Basiskörper ausbildet. Optional kann auch vorgesehen sein, dass der Ring wie auch der Basiskörper aus dem Polymermaterial, welches Graphen enthält, ausgebildet ist.
Somit kann der Ring auf einem Außendurchmesser des Kommutators auf den Lamellen angeordnet sein . Wenn der Ring aus dem Po lymermaterial mittels einer Presspassung auf der Ob erfläche des B asiskörp ers befestigt wird, kann darüber hinaus eine besonders wirkungsvolle B efestigung der Lamellen an dem Basiskörper erzielt werden.
Das Polymermaterial kann einen graphenhaltigen Flüssigkristall aufwei- sen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann eine b esonders hohe relative Permittivität (er) durch eine Mischung von Graphen mit dem Flüssigkristall ausgebildet werden. Diese Mischung kann dann mit einer Po lymermatrix zu dem Polymermaterial verarbeitet werden. Als Matrixmaterial kann beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS) ver- wendet werden. D as flüssige Matrixmaterial kann mit Graphenpartikeln vermischt werden, und nach einer Ausbildung einer homogenen Mischung kann das Matrixmaterial bereits ausgehärtet werden. Das Polymermaterial kann Graphen mit einem Anteil von 0 , 1 bis < 5 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0 , 1 bis < 3 Gewichtsprozent, besonders b evorzugt von 0 , 1 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweisen. Wie sich überraschender- weise herausgestellt hat, kann bei diesem Anteil an Graphen bereits eine vergleichsweise hohe relative Permittivität (er) erzielt werden.
Weiter kann das Polymermaterial eine nematische flüssigkristalline Phase aufweisen. Hierdurch kann insbesondere die relative Permittivität (er) no ch weiter gesteigert werden.
Der erfindungsgemäße Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe , S chei- benwischanlage , Lüfter oder dergleichen, weist einen erfindungsgemäßen Kommutator auf. Die Kraftstoffpumpe bzw. S cheibenwischanlage o der Lüfter wird dadurch kostengünstiger herstellbar. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines Elektromotors ergeben sich aus den auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückb ezogenen Unteransprüchen.
B ei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kommutators für eine elektrische Maschine , insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe , S cheibenwischanlage , Lüfter oder dergleichen, wird der Kommutator mit einem Basiskörper ausgebildet, wobei an einer Mantelfläche und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente angeordnet werden, wobei j edes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator mit j edem benachbarten Kontaktelement verbunden wird, wobei die Kondensatoren mittels eines Materials mit einer vergleichsweise hohen relativen Permittivität (er) ausgebildet werden, wobei das Material an den Kontaktelementen anliegt und diese miteinander verbindet, wob ei als Material ein Polymermaterial verwendet wird, welches Graphen enthält. Hinsichtlich der vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäß en Verfahrens wird auf die Vorteilsb e- Schreibung des erfindungsgemäßen Kommutators verwiesen.
In einer Verfahrensvariante können die Kontaktelemente in einer Spritzgussform angeordnet werden, wobei das Polymermaterial als Spritzgussmasse in die Spritzgussform eingebracht werden kann, wodurch die Kontaktelemente an dem B asiskörper angebracht werden können und der Kommutator ausgebildet wird. Mit dem Verfahren wird es möglich den Kommutator alleine in einem Arbeitsschritt durch Spritzgießen auszubilden. Es kann auch vorgesehen sein, einen Abschnitt einer Rotorwelle in der Spritzgussform anzuordnen, um so den Kommutator unmittelbar mit der Rotorwelle zu verbinden. Alternativ oder optional können die Kontaktelemente an dem Basiskörper angebracht werden, wobei ein Ring aus dem Polymermaterial auf einem Außendurchmesser des Basiskörpers mit den Kontaktelementen angeordnet werden kann. Der Basiskörper kann dann mittels Spritzgießen oder auf eine andere Weise hergestellt werden, wobei zumindest der Ring aus dem Polymermaterial mit dem Graphen, beispielsweise auch durch
Spritzgießen ausgebildet werden kann. Der Ring kann einfach auf den Außendurchmesser des Basiskörpers aufgeschoben und so der Kondensator ausgebildet werden. Der Ring liegt dann an den Kontaktelementen an und verbindet diese miteinander. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Polymermaterial, welches Graphen enthält, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kommutators verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen dieser Verwendung ergeben sich aus den auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Kommutators in einer Seitenansicht;
Fig. 2 eine abschnittsweise Darstellung des Kommutators aus
Fig. 1 in einer Vorderansicht; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kommutators in einer Seitenansicht;
Fig. 4 eine abschnittsweise Darstellung des Kommutators aus
Fig. 3 in einer Vorderansicht. Eine Zusammenschau der Fig. 1 und 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kommutators 10 in einer vereinfachten Darstellung. Der Kommutator 10 weist einen Basiskörper 1 1 auf, an dessen Mantelfläche 12 Lamellen 13 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angeordnet sind, die Kontaktelemente 14 des Kommutators 10 ausbilden. Der Kommutator 10 ist um eine Rotationsachse 15 einer hier nicht dargestellten Rotorwelle drehbar ausgebildet und auf dieser Rotorwelle befestigt. An der Mantelfläche 12 liegen Kohlebürsten 16 mit einer Kontaktfläche 17 an. Die Kohlebürsten 16 sind ortsfest in hier nicht dargestellten Bürstenhaltern befestigt, sodass der Kommutator 10 relativ zu den Kohlebürsten 16 drehbar ist. Die Kontaktelemente 14 sind weiter mit hier nicht dargestellten Ankerwicklungen des Rotors elektrisch leitend verbunden. Über die Kontaktelemente 14 und die Kohlebürsten 1 6 kann nunmehr ein elektrischer Strom übertragen und in die Ankerwicklungen eingespeist und damit ein hier nicht dargestellter Elektromotor in Drehung versetzt werden.
Die Lamellen 13 sind in radialer Richtung im Bereich der Mantelfläche 12 voneinander beabstandet, derart, dass ein Zwischenraum 1 8 j eweils zwischen den Lamellen 13 ausgebildet ist, der von dem Basiskörper 1 1 ausgefüllt ist. Der Basiskörper 1 1 besteht aus einem Polymermaterial, welches Graphen enthält. So ist es möglich mittels der Lamellen 13 und dem Basiskörper 1 1 j eweils einen Kondensator 19 zwischen allen benachbarten Kontaktelementen 14 auszubilden, mit dem der Elektromotor dann entstört werden kann. Die Lamellen 1 3 bilden demnach Elektroden 20 des j eweiligen Kondensators 1 9 und der Basiskörper 1 1 ein dielektri- sches Material 21 in den Zwischenräumen 1 8 aus . Da das dielektrische Material 21 bzw. Polymermaterial Graphen enthält, ist eine hohe relative Permittivität (er) erzielbar, wodurch die Kondensatoren 1 9 erst ausbildbar werden. Der Kommutator 1 0 benötigt daher keine weiteren, diskreten B auteile oder elektrische Kontaktierungen zur Entstörung, wodurch der Kommutator 1 0 besonders kostengünstig herstellbar wird. Eine Zusammenschau der Fig. 3 und 4 zeigt einen weiteren Kommutator 22 , der im Unterschied zu dem Kommutator aus Fig. 1 einen B asiskörper 23 aufweist, welcher eb enfalls aus einem Polymermaterial besteht, welches j edoch kein Graphen enthält. Auf einer Mantelfläche 24 des Basiskörpers 23 ist ein Ring 25 auf einen Außendurchmesser 26 des Kommutators 22 mittels einer Presspassung b efestigt. Der Ring 25 besteht aus einem Polymermaterial, welches Graphen enthält, und liegt an Lamellen 27 derart an, dass die Lamellen 27 über den Ring 25 miteinander verbunden sind. Zwischen den Lamellen 27 bzw. dem Ring 25 kann so j eweils ein Kondensator 28 durch dielektrisches Material 29 des Rings 25 ausgebildet werden.

Claims

Patentansprüche
Kommutator (10, 22) für eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe, Scheibenwischanlage, Lüfter oder dergleichen, wobei der Kommutator einen Basiskörper (11, 23) aufweist, wobei an einer Mantelfläche (12, 24) und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente (14) angeordnet sind, wobei jedes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator (19, 28) mit jedem benachbarten Kontaktelement verbunden ist, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kondensatoren mittels eines Materials (21, 29) mit einer vergleichsweise hohen relativen Permittivität (εΓ) ausgebildet sind, wobei das Material an den Kontaktelementen anliegt und diese miteinander verbindet, wobei das Material ein Polymermaterial ist, welches Graphen enthält.
Kommutator nach Anspruch 1,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Basiskörper zylindrisch oder scheibenförmig ausgebildet ist.
Kommutator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kontaktelemente (14) von jeweils einer Lamelle (13, 27) des Kommutators ausgebildet sind.
Kommutator nach Anspruch 3,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass zumindest zwei Lamellen (13, 27) Elektroden (20) des Kondensators (19, 28) ausbilden, und das Polymermaterial eine dielektrische Schicht des Kondensators zwischen den Lamellen ausbildet.
Kommutator nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Polymermaterial den Basiskörper (11, 23) des Kommutators (10, 22) ausbildet, an dem die Lamellen (13, 27) angeordnet sind.
Kommutator nach Anspruch 5,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Lamellen (13, 27) auf einer Oberfläche des Basiskörpers (11, 23) auf dem Polymermaterial angeordnet oder in dem Polymermaterial eingebettet sind.
Kommutator nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Lamellen (27) auf einer Oberfläche des Basiskörpers (23) angeordnet oder in dem Basiskörper eingebettet sind, wobei das Polymermaterial einen Ring (25) ausbildet, der an den Lamellen anliegt.
Kommutator nach Anspruch 7,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t , dass der Ring (25) auf einem Außendurchmesser (26) des Kommutators (22) auf den Lamellen (27) angeordnet ist.
Kommutator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Polymermaterial einen graphenhaltigen Flüssigkristall aufweist.
Kommutator nach Anspruch 9,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Polymermaterial eine nematische flüssigkristalline Phase aufweist.
Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe, Scheibenwischanlage, Lüfter oder dergleichen, mit einem Kommutator (10, 22) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10, 22) für eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor für eine Kraftstoffpumpe, Scheibenwischanlage, Lüfter oder dergleichen, wobei der Kommutator mit einem Basiskörper (11, 23) ausgebildet wird, wobei an einer Mantelfläche (12, 24) und/oder Stirnfläche des Basiskörpers zumindest zwei Kontaktelemente (14) angeordnet werden, wobei jedes Kontaktelement über zumindest einen Kondensator (19, 28) mit jedem benachbarten Kontaktelement verbunden wird,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kondensatoren mittels eines Materials (21, 29) mit einer vergleichsweise hohen relativen Permittivität (εΓ) ausgebildet werden, wobei das Material an den Kontaktelementen anliegt und diese miteinander verbindet, wobei als Material ein Polymermaterial verwendet wird, welches Graphen enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kontaktelemente (14) in einer Spritzgussform angeordnet werden, wobei das Polymermaterial als Spritzgussmasse in die Spritzgussform eingebracht wird, wodurch die Kontaktelemente an dem Basiskörper (11, 23) angebracht werden und der Kommutator (10, 22) ausgebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kontaktelemente (14) an dem Basiskörper (11, 23) angebracht werden, wobei ein Ring (25) aus dem Polymermaterial auf einem Außendurchmesser (26) des Basiskörpers mit den Kontaktelementen angeordnet wird.
15. Verwendung eines Polymermaterials, welches Graphen enthält, zur Herstellung eines Kommutators (10, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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