Kommutator und Verfahren zu seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators mit einer Mehrzahl von Leitersegmenten und mindestens einem ringförmigen, sich in einer zur Kommutatorachse senkrechten Ebene erstrek- kenden und an den Leitersegmenten an jeweils einem Sitz angreifenden Verstärkungselement, wobei das Verstär- kungselement an den Leitersegmenten angebracht wird, nachdem diese in einer zur Kommutatorachse konzentri- schen Positionierung angeordnet wurden. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Kommutator mit einer Mehrzahl von Leitersegmenten, wobei mindestens ein ringförmiges Verstärkungselement vorgesehen ist, welches sich in einer zur Kommutatorachse senkrechten Ebene erstreckt und an den Leitersegmenten angreift.

Kommutatoren unterliegen je nach ihrer Baugröße und ihren Betriebsbedingungen (Drehzahl) zum Teil erhebli- chen fliehkraftbedingten Spannungen, die insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen zu Verformungen des Kom- mutators führen können. Derartige Verformungen beein- trächtigen hinwiederum sowohl die Lebensdauer des Kom- mutators als auch dessen Wirkungsgrad sowie den Wir- kungsgrad der zugeordneten elektrischen Maschine. Zur Vermeidung unerwünschter Verformungen weisen daher Kom- mutatoren häufig ringförmige Verstärkungselemente auf, welche an den Leitersegmenten an jeweils einem Sitz angreifen und einen wesentlichen Teil der auf die Lei- tersegmente wirkenden fliehkraftbedingten Kräfte auf- nehmen. Kommutatoren dieser Art sind beispielsweise aus der EP 0693230 B1 bekannt. Dabei wird ein vorgefertig- ter, beispielsweise aus Glasfasermaterial bestehender Verstärkungsring auf die Leitersegmente aufgesetzt, nachdem diese zuvor in einer zur Kommutatorachse kon- zentrischen Positionierung angeordnet wurden.

Betreffend die spezifische Ausführung derartiger vorge- fertigter, auf die vorpositionierten Leitersegmente aufzusetzender Verstärkungsringe gibt es verschiedene Vorschläge : So beschreibt die DD 53182 einen vorgefer- tigten Verstärkungsring aus kunstharzimprägnierten Glasfaserkettfäden. Die nach der DE 1992585 vorgesehe- nen, aus Isolierstoff bestehenden Halteringe weisen geringe Konizität auf. Die DE 1488639 und die hierzu korrespondierende US 3457446 beschreiben jeweils einen Armierungsring mit einer Unterlage aus Metallblech, auf die Bandagewicklungen aufgelegt und durch Warzen des Metallblechs gesichert sind, wobei der Armierungsring desweiteren eine Umfassung aus einem Kunststoff mit einer langfaserigen Füllung aufweist. Und die AT 168701 offenbart vorgefertigte Verstärkungsringe, die als meh- rere Windungen umfassende, aus einem federnden Draht hergestellte Drahtschrauben ausgeführt sind, wobei die Verstärkungsringe jeweils radial von innen in eine zu- vor mit einer Isolierung ausgekleidete schwalben- schwanzförmige Umfangsnut der Leitersegmente eingelegt werden, bevor der Trägerkörper-unter Einbettung der Drahtschrauben in diesen-gepreßt wird.

Ein solches Herstellverfahren erweist sich insbesondere unter dem Gesichtspunkt, daß sowohl der vorgefertigte Verstärkungsring als auch die übrigen vorgefertigten Komponenten des Kommutators, insbesondere die Leiter- segmente toleranzbehaftet sind, als nicht optimal. Denn im ungünstigen Falle addieren sich die Toleranzen der Leitersegmente und des Verstärkungsrings dahingehend, daß die Leitersegmente nicht tragend an dem Verstär- kungsring anliegen, so daß dieser eine Verlagerung der Leitersegmente infolge der auf diese wirkenden Flieh- kräfte und somit eine Verformung des Kommutators nicht zu verhindern vermag. Wird demgegenüber jeder Verstär- kungsring und jedes Leitersegment vermessen und für jeden einzelnen Kommutator in Abhängigkeit von den tat- sächlichen Abmessungen der Leitersegmente ein spezifi- scher Verstärkungsring ausgewählt, so läßt sich hier- durch zwar das vorstehend erläuterte Toleranzproblem entschärfen ; indessen führt dies zu einer nicht akzep- tablen Steigerung der Herstellkosten. Im übrigen läßt sich auf diese Weise nicht kompensieren, daß die ein- zelnen Sitze der Leitersegmente infolge von Herstel- lungstoleranzen ggf. nicht auf einer idealen Kreisbahn liegen.

Vor dem Hintergrund der vorstehend dargelegten Nachtei- le des Standes der Technik liegt der vorliegenden Er- findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her- stellung eines Kommutators der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dessen Anwendung sich mit möglichst geringen Herstellkosten Kommutatoren fertigen lassen, die auch unter hohen Belastungen höchsten Ansprüchen an die Formhaltigkeit genügen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgaben- stellung dadurch gelöst, daß das Verstärkungselement in situ aus mehreren Windungen eines Fadens gewickelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich mit anderen Worten dadurch aus, daß nicht ein vorgefertig- ter Verstärkungsring auf den Leitersegmenten angebracht wird, nachdem diese in einer zur Kommutatorachse kon- zentrischen Positionierung angeordnet wurden, sondern daß vielmehr für jeden einzelnen Kommutator das ring- förmige Verstärkungselement in situ, d. h. an Ort und Stelle an den Leitersegmenten jeweils an dem betreffen- den Sitz anliegend aus mehreren Windungen eines Fadens gewickelt wird. Auf diese Weise wird mit einfachsten Mitteln sichergestellt, daß das Verstärkungselement hinsichtlich seiner Abmessungen sowie seiner Form (un- runde Sitzfläche) exakt auf den individuellen Kommuta- tor, d. h. die bei diesem verwendeten einzelnen Bau- teile, abgestimmt ist. Das Verstärkungselement liegt auf diese Weise an allen Leitersegmenten des betreffen- den Kommutators gleichmäßig und mit gleicher Kraft an.

Auf diese Weise kann es seine Funktion optimal erfül- len, ohne daß hiermit nicht akzeptable Herstellkosten verbunden wären. Im Gegenteil, das erfindungsgemäße Verfahren ist sogar auch in wirtschaftlicher Hinsicht durchaus attraktiv. Denn es entfällt jeglicher beim Stand der Technik mit der Vorfertigung, Lagerhaltung und Montage der Verstärkungsringe verbundene Aufwand.

Zudem sind an diejenigen Fertigungstoleranzen, welche die Leitersegmente einzuhalten haben, geringere Anfor- derungen zu stellen, was sich ebenfalls im Sinne einer Verringerung der Herstellkosten auswirkt. Desweiteren ist das erfindungsgemäße Herstellverfahren für Kommuta- toren weniger anfällig im Hinblick auf unvermeidbare prozeßbedingte Schwankungen, was sich über einen ent- sprechend verringerten Ausschuß ebenfalls im Sinne re- duzierter Herstellkosten auswirkt. Ebenfalls trägt hierzu bei, daß sich unter Verwendung eines einzigen Ausgangsmaterials, nämlich eines bestimmten Fadens, sämtliche Verstärkungselemente herstellen lassen, und seien die entsprechenden Kommutatoren noch so unter- schiedlich aufgebaut bzw. dimensioniert.

Eine erste bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemä- ßen Herstellverfahrens für Kommutatoren zeichnet sich dadurch aus, daß der Faden aus mindestens einem Faserma- terial aus der folgenden Auswahl, gegebenenfalls aus einer geeigneten Fasermischung, besteht : Kohlenstoff- fasern, Aramidfasern, Glasfasern, Borfasern, Aluminium- oxidfasern, Siliziumcarbidfasern, Quarzfasern, Polyethy- lenfasern. Diese Materialien haben sich im Hinblick auf die besonderen Anforderungen der erfindungsgemäßen Ver- wendung des aus ihnen gebildeten Fadens als besonders geeignet erwiesen. Besonders günstig ist es dabei, wenn der Faden aus einem isolierenden Material besteht ; denn in diesem Falle bedarf es keines zusätzlichen Aufwandes, um die Leitersegmente im Bereich des Sitzes gegenüber dem Faden zu isolieren.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der das Ver- stärkungselement bildende Faden auf zuvor kalibrierte Leitersegmente gewickelt werden. Dies ist jedoch kei- neswegs zwingend. Vielmehr zeichnet sich das erfin- dungsgemäße Verfahren gerade dadurch aus, daß auch nicht kalibrierte Leitersegmente verwendet werden kön- nen, eben weil, wie weiter oben bereits dargelegt wur- de, das ringförmige Verstärkungselement individuell für jeden einzelnen Kommutator in Abhängigkeit und unter Berücksichtigung von den spezifischen Abmessungen der einzelnen verwendeten Leitersegmente hergestellt wird.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsge- mäßen Herstellverfahrens für Kommutatoren zeichnet sich dadurch aus, daß die die Leitersegmente und das gewik- kelte Verstärkungselement umfassende Einheit zur Bil- dung eines Trägerkörpers mit isolierendem Preßstoff umspritzt wird. Indessen ist auch dieses nicht zwin- gend. Vielmehr läßt sich die vorliegende Erfindung nutzbringend auch bei solchen Kommutatoren einsetzen, welche nicht über einen derartigen aus Preßstoff ge- spritzten Trägerkörper verfügen.

Besonders bevorzugt ist jener Faden, welcher zur Her- stellung des in situ hergestellten Verstärkungselements verwendet wird, beschichtet. Ein derartiger, mit einer (beispielsweise aus Teflon @ bestehenden) Beschichtung versehener Faden ist besonders geeignet zum Einsatz in solchen Herstellungsverfahren, bei denen der Faden mit hoher Geschwindigkeit gewickelt wird. Denn die Be- schichtung wirkt in diesem Falle einer Beschädigung des Fadens während des Wickelns des Verstärkungselements entgegen.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von fünf in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Trommel- kommutator, Fig. 2 eine Detailansicht des Kommutators nach Fig. 1, Fig. 3 eine Detailansicht eines weiteren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Trommel- kommutators, Fig. 4 in perspektivischer Ansicht einen dritten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Trom- melkommutator, Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen vierten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Trom- melkommutator, Fig. 6 einen Axialschnitt durch einen gemäß der vor- liegenden Erfindung hergestellten Plankommuta- tor und Fig. 7 eine zur Verwendung im Rahmen des erfindungsge- mäßen Herstellungsverfahrens geeignete Vorrich- tung in schematischer Ansicht.

Der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte Trommelkom- mutator umfaßt eine Vielzahl von Leitersegmenten 1, welche konzentrisch um eine Achse 2 herum angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei einander benachbarten Lei- tersegmenten 1 ist eine Isolationslage 3 aufgenommen.

Die radialen Außenflächen 4 der Leitersegmente 1 defi- nieren eine zylindrische Bürstenlauffläche 5.

Jedes der Leitersegmente 1 weist radial innenliegend jeweils einen Ankerabschnitt 6 auf. Jeder derartige Ankerabschnitt 6 umfaßt zwei endseitig angeordnete, jeweils durch eine Aussparung 7 definierte axiale Vor- sprünge 8. Jeder Vorsprung 8 bildet auf seinen radialen Außenflächen 9 einen Sitz 10 für ein umlaufendes, senk- recht zur Kommutatorachse 2 angeordnetes ringförmiges Verstärkungselement 11. In dem vorstehend dargelegten Umfang entspricht der Trommelkommutator nach den Figu- ren 1 und 2 dem hinlänglich bekannten Stand der Tech- nik, so daß es an dieser Stelle weitergehender, detaillierterer Erläuterungen nicht bedarf.

Wie dies insbesondere der Fig. 2 entnehmbar ist, be- steht jedes Verstärkungselement 11 aus einem in einer Mehrzahl von parallelen Windungen gewickelten Faden 12.

Der Faden 12 ist dabei als Kevlar @ ausgeführt, d. h. er besteht aus einer Vielzahl von Aramid-Fasern. Der Faden 12 weist dabei eine Beschichtung aus Teflon @ auf. Das ringförmige Verstärkungselement 11 wird an Ort und Stelle hergestellt, indem der Faden 12 unter gleichmä- ßiger Anlage an den den Sitz 10 bildenden radialen Au- ßenflächen 9 der Vorsprünge 8 um diese herum gewickelt wird.

Während bei dem Trommelkommutator nach den Figuren 1 und 2 das ringförmige Verstärkungselement 11 lediglich eine Lage von Windungen des Fadens 12 umfaßt, veran- schaulicht Fig. 3 die Verhältnisse bei einem Trommel- kommutator, bei welchem das ringförmige Verstärkungs- element 11 vierzig in zwei Lagen angeordnete Windungen des Fadens 12 umfaßt. Erkennbar lassen sich somit unter Verwendung desselben Fadens 12 in Abhängigkeit und un- ter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen und Betriebsbedingungen des Kommutators unterschiedlich starke Verstärkungselemente 11 herstellen. Im übrigen entspricht der Trommelkommutator nach Fig. 3 demjenigen nach den Figuren 1 und 2, so daß auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen werden kann.

Fig. 4 veranschaulicht einen Trommelkommutator, der hinsichtlich seiner maßgeblichen Gestaltungselemente dem Trommelkommutator nach den Figuren 1 und 2 ent- spricht. Ergänzend erkennbar ist hier ein aus Preßstoff gefertigter Trägerkörper 13, welcher die Ankerabschnit- te 6 der Leitersegmente 1 vollständig umschließt und in welchen somit insbesondere die beiden ringförmigen Ver- stärkungselemente 11 eingebettet sind. Radial innen ist in den Trägerkörper 13 eine Buchse 14 eingesetzt. Er- kennbar sind in Fig. 4 desweiteren die Anschlußfahnen 15, welche endseitig radial nach außen von den Leiter- segmenten 1 abstehen.

Der in Fig. 5 veranschaulichte Trommelkommutator unter- scheidet sich von den vorstehend erläuterten Trommel- kommutatoren nach den Figuren 1 bis 4 insbesondere dadurch, daß die Leitersegmente 1 nicht einzeln herge- stellt und anschließend, im Rahmen der Fertigung des Kommutators zusammengefügt worden sind, sondern daß vielmehr die einzelnen Leitersegmente zunächst Teil eines zusammenhängenden Rohlings sind, der erst später durch eine entsprechende Bearbeitung in die einzelnen gegeneinander isolierten Leitersegmente 1 unterteilt wird. Der Rohling kann dabei von Anfang an hülsenförmig hergestellt sein ; ebenso kann er streifenförmig herge- stellt und erst später in eine Hülsenform gebogen sein.

In jedem Falle werden zwei ringförmige Verstärkungsele- mente 11 dadurch hergestellt, daß jeweils ein Faden 12 mit mehreren Windungen auf zugeordnete, radial nach innen von den Leitersegmenten 1 vorstehende Vorsprünge 16 gewickelt wird. Anschließend wird ein Trägerkörper 13 angespritzt, bevor der Leiterrohling durch geeignete Bearbeitung (Sägen, Abdrehen oder dergleichen) in ein- zelne, gegeneinander isolierte Leitersegmente 1 unter- teilt wird.

Fig. 6 veranschaulicht die Umsetzung der vorliegenden Erfindung an einem Plankommutator. Im Lichte der vor- stehenden Erläuterungen zu den Figuren 1 bis 5 ist die der Fig. 6 zugrundeliegende Konstruktion aus sich her- aus verständlich. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf entsprechende Erläuterungen an dieser Stelle verzichtet.

Bei sämtlichen vorstehend erläuterten Ausführungsbei- spielen ist das mindestens eine ringförmige Verstär- kungselement 11 innenliegend angeordnet. Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, daß dies keineswegs zwingend ist. Vielmehr kommt im Rahmen der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise in Be- tracht, daß das ringförmige Verstärkungselement außen- liegend angeordnet wird, indem es an einer nach außen offenen radialen Außenfläche der Leitersegmente an- liegt.

Fig. 7 veranschaulicht eine Vorrichtung, wie sie sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstel- lung des aus Faden gewickelten Verstärkungsrings an Ort und Stelle einsetzen läßt. Die Vorrichtung umfaßt einen Wickeldorn 17, eine Fadenführung 18, eine Spanneinheit 19 in Form einer Spannrolle 20, einen Fadenhalter 21 und ein Schneidelement 22. Der Faden 12 ist auf einer entsprechenden Rolle 23 bevorratet und wird von dieser über die Spannrolle 20 abgezogen. Die Spannrolle sorgt dabei für eine gleichmäßige Spannung des Fadens 12, so daß dieser gleichmäßig an dem jeweiligen Sitz 10 sämt- licher Leitersegmente 1 anliegt. Auf dem Wickeldorn 17 ist die aus den einzelnen zusammengefügten Leiterseg- menten 1 bestehende Baugruppe 24 aufgenommen. Ein Ring 25 umgibt dabei die Leitersegmente 1 ; diese liegen mit ihren radialen Außenflächen 4 innen an dem Ring 25 an, so daß die Innenabmessungen des Rings 25 den Durchmes- ser der Bürstenlauffläche 5 des fertigen Kommutators vorgeben.

Die Fadenführung 18 ist in drei Achsen verstellbar, um eine exakte Positionierung der Fadenführung relativ zu der mit der Wicklung zu versehenden Baugruppe und die Erzeugung einer kompakten Wicklung zu ermöglichen.

Der Fadenhalter 21 dient dazu, das Ende des Fadens 12 in Zeiträumen außerhalb des eigentlichen Wickelvorgangs zu fixieren, insbesondere während an der Baugruppe 24 hantiert wird. Mittels des Schneidelements 22 wird der Faden 12 am Ende des Wickelvorgangs durchtrennt.

Unter Anwendung der in Fig. 7 veranschaulichten Vor- richtung wird der hier maßgebliche Verfahrensabschnitt, nämlich die Herstellung des ringförmigen Verstärkungs- elements 11 wie folgt durchgeführt : Zunächst wird die Baugruppe 24 auf dem Wickeldorn 17 fixiert. Anschlie- ßend wird unter entsprechender Positionierung der Fa- denführung 18 der Faden 12 in die Aussparung 7 eingelegt. Hier wird der Faden nun fixiert, beispiels- weise mittels eines Klebepunkts. Anschließend wird der Faden zwischen jener Fixierung und dem Fadenhalter 21 durchtrennt, und zwar mittels des Schneidelements 22.

Hernach wird die Wicklung durch entsprechende Drehung des Wickeldorns 17 hergestellt. Sodann wird der Faden 12 am Ende der hergestellten Wicklung fixiert, wiederum beispielsweise mittels eines Klebepunkts. Der Fadenhal- ter 21 ergreift nun den Faden benachbart jener Fixie- rung, bevor abschließend, wiederum mittels des Schneidelements 22, der Faden 12 durchtrennt wird.

Alternativ zu der vorstehend angesprochenen Fixierung des Fadens am Anfang und am Ende der Wicklung mittels jeweils eines Klebepunkts kommen verschiedene andere Möglichkeiten in Betracht. So kann der Faden beispiels- weise auch mittels einiger Wicklungen an einem Stift fixiert werden. Desweiteren kann der Faden in einen schmalen Spalt eingelegt werden, der anschließend so deformiert wird, daß der Faden eingeklemmt wird. Der Faden kann desweiteren mittels eines zusätzlichen Ele- ments, beispielsweise eines Keils festgelegt werden.

Auch kann die Wicklung insgesamt abgedeckt werden, um ihre Enden zu fixieren.

Bei der vorstehend erläuterten Vorrichtung dreht sich zur Erzeugung der Wicklung des Fadens 12 der Wickeldorn 17 mit der auf ihm fixierten Baugruppe. Es versteht sich, daß in kinematischer Umkehr die Wicklung des Fa- dens 12 auch bei feststehender Baugruppe und rotieren- der Fadenführung erzeugt werden kann.