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Title:
COMMUTATOR FOR SMALL- TO MEDIUM- SIZED ELECTRIC MACHINES AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1995/017031
Kind Code:
A1
Abstract:
A commutator has a plurality of ring-shaped segments (1) that are regularly spaced from each other in the circumferential direction. Each segment (1) has a ring-shaped groove (6) with a linearly variable diameter. From its open end to its bottom, the ring-shaped groove (6) is slightly inclined in relation to the longitudinal axis (15) of the segment body (5). A reinforcement ring (3) pressed into the ring-shaped groove creates radial stresses in the segment body (5) that keep the switch segments (1) at a constant radial distance from each other.

Inventors:
Potocnik
Joze, Kogej
Boris, Krzisnik
Boris, Rupnik
Zdenko
Application Number:
PCT/IB1995/000024
Publication Date:
June 22, 1995
Filing Date:
November 29, 1994
Export Citation:
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Assignee:
Kolektor D.
Idrija Potocnik, Joze Kogej Boris Krzisnik Boris Rupnik Zdenko
International Classes:
H01R43/06; H01R39/04; (IPC1-7): H01R43/06; H01R39/04
Foreign References:
EP0350855A21990-01-17
DE918458C1954-09-27
FR2537792A11984-06-15
US3253172A1966-05-24
FR2670334A11992-06-12
FR2686463A11993-07-23
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 6, no. 16 (E - 092) 29 January 1982 (1982-01-29)
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Claims:
P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Kommutator insbesondere für elektrische Maschinen kleiner bis mittlerer Größe, mit einer Mehrzahl von Kommutatorsegmenten (1) , die ring¬ förmig voneinander beabstandet sind und einen Segmentkörper (5) bilden, mindestens einer zur Innenmantelfläche (7) des Seg¬ mentkörperε (5) konzentrischen Ringnut (6) , in der ein unter Spannung stehender Armierungsring (3) angeordnet ist, dadurch, gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) bezüglich der Längsachse (15) des Segment körpers (5) einen sich linear ändernden Durchmesser aufweist mit einer Neigung, die sich, ausgehend vom offenen Ende der Ringnut (6) , zum Boden mit einer Neigung zur Längsachse (15) erstreckt.
2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Ringnut (6) dabei einen Neigungswinkel (a) aufweist, der 1 bis 5° beträgt.
3. Kommutator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Ringnut (6) und die Innenmantelfläche (7) deε Segmentkörpers (5) einen Sitz (8) für den jeweiligen Armierungεring (3) bilden.
4. Kommutator nach den Ansprüchen 1 biε 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ringnut (6) mit dem gleichen Neigungswinkel (α) gegen die Längsachεe deε Seg¬ mentkörpers (5) der Armierungεring (3) angeordnet ist, der die Kommutatorsegmente (1) kraftεchlüssig in einem konstanten Radialabstand hält.
5. Kommutator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Kontaktbereich (2) für Bürsten der Kommutatorsegmente (1) näher liegende Fläche der Ringnut (6) im Bereich des offenen Endes der Ringnut (6) und in etwa im oberen zweiten Drittel der Ringnuttiefe mit einem Unterεchnitt (9) auεgebildet ist.
6. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) ausgehend von offenen Ende zur Längsachse (15) hin geneigt ist, so daß der Boden einen geringeren radialen Abstand zur Längsachse (15) aufweist als das offene Ende der Ringnut (6) .
7. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) ausgehend vom offenen Ende von der Längsachse weg geneigt ist, so daß der Boden einen größeren radialen Abstand zur Längsachse des Segmentkörpers (5) aufweist als das offene Ende der Ringnut (6) .
8. Kommutator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ringnut (6) aufweiεende Stirnfläche im Bereich deε Sitzeε (8) für den Armierungsring (3) derart verstemmt ist, daß in diesem Bereich eine zur Längsachse (15) konzentrische, ringförmige Kerbe (16) ange¬ ordnet und der Armierungsring (3) dadurch teilweise radial nach außen verspannt ist.
9. Kommutator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmig angeordnete Kerbe (16) im Querschnitt als spitzwinkeliges Dreieck ausgebildet ist.
10. Kommutator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Segmentkörper (5) bzw. in die einzelnen Kommu¬ tatorsegmente (1) eine Ringnut (6) bzw. eine im zusammengesetzten Zustand die Ringnut (6) bildende Aussparung (6') derart ausgearbeitet wird, daß die Ringnut (6) bzw. die Aussparung (6') bezüglich der Längsachse (15) des Segmentkörpers (5) einen sich linea ändernden Durchmesser aufweist mit einer Neigung, die εich, ausgehend vom offenen Ende der Ringnut (6) bzw. der Aussparung (6'), zum Boden mit einer Neigung zur Längsachse (15) erstreckt; in die derart gebildete Ringnut (6) der Armierungsring (3) spannungsfrei eingesetzt wird, und der Armierungsring (3) bis zum Kontakt mit dem Boden de Ringnut (6) mit einem Eindruckstempel (11) gepreßt und dabei unter Spannung gesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) bzw. die Aus¬ sparung (6') bezüglich der Längsachse des Segmentkörpers (5) ausgehend von offenen Ende im wesentlichen radial einwärts verlaufend angebracht wird, so daß der Armierungsring (3) gegen die Längsachse des Segmentkörpers (5) so elastiεch verformt wird, daß in dem unteren Bereich (15) des Armierungsringes (3) nach außen gerichtete elastische Radialspannungen erzeugt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) bzw. die Aus¬ sparung (6') bezüglich der Längsachse des Segmentkörpers (5) ausgehend von offenen Ende im wesentlichen radial auswärts verlaufend angebracht wird, so daß der Armierungsring (3) gegen die Längsachse des Segmentkörpers (5) so elastiεch verformt wird, daß in dem unteren Bereich (15) des Armierungsringes (3) nach innen gerichtete elastische Radialspannungen erzeugt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sitz (8) des Armierungs ringeε (3) εtirnseitig und in Radialrichtung nach außen wenigstens teilweise derart plastisch verformt wird, daß in dem oberen Bereich des Armierungsringes (3) zusätzliche elastische Radialspannungen erzeugt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die plastiεche Verformung mittels eines weiteren Eindrückstempels (13) derart durchgeführt wird, daß im Sitz (8) eine zur Innenmantelfläche (7) konzentrische, ringförmige Kerbe (16) ausgebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen den Kommu¬ tatorsegmenten (1) und/oder der im Bereich der Ringnut (6) vorhandene Raum wenigstens teilweise mit einem Isolierεtoff vergossen werden und gleichzeitig eine zylindrische Nabe (4) des Kommutators aus gleichem Isolierstoff hergestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Räumen zwischen den Segmenten die zur Poεitionierung der Kommutatorεegmente (1) verwendeten Diεtanzelemente entfernt werden.
Description:
Kommutator für elektrische Maschinen kleiner bis mittlerer Größe und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Kommutator insbesondere für elek¬ trische Maschinen kleiner bis mittlerer Größe mit einer Mehrzahl von Kommutatorsegmenten, die ringförmig voneinander beabstandet sind und einen Segmentkörper bilden, und mit mindestens einer zur Innenmantelfläche des Segmentkörpers konzentrischen Ringnut, in der ein unter Spannung stehender Armierungsring angeordnet ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kommutators.

ERSÄTZBLATT (REGEL 26)

Der obengenannten Kommutator und das Verfahren zu seiner Her¬ stellung sind auf dem betreffenden Gebiet bekannt. So sind zum Beispiel in der DE 37 14 098 AI ein Kommutator und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, bei welchem jeder Armierungs- ring im aufgeweiteten Zustand in die in der Ringnut vorgesehene Position gebracht wird und die danach zur Positionierung der Seg¬ mente verwendeten Distanzelemente aus den Zwischenräumen zwischen den Segmenten entfernt werden. Ein wesentlicher Nachteil der be¬ treffenden Lösung liegt darin, daß die Segmente unmittelbar auf einer isolierten Nabe (Hülse) und/oder Welle positioniert werden müssen. Zur Herstellung bzw. zum Aufbringen eines Isolationsbe- lageε sind demgemäß zusätzliches Material und ein zusätzlicher Verfahrensschritt notwendig, so daß ein derart hergestellter Kommutator relativ kostspielig ist.

Aus der DE 38 23 845 C2 sind weiterhin ein Kommutator und ein Ver¬ fahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei nach dem Aufbringen auf einen Sitz der Armierungsring aufgeweitet wird, indem die Seg¬ mente von außen her abgestützt und die den Sitz bildenden Materialpartien unter plastischer Deformation radial nach außen bewegt werden. Der Segmentkörper eines derartigen Kommutators wird während der Herstellung aus Segmenten zusammengesetzt, die in ihrem äußeren Bereich ein- oder beidseitig angeformte Distanz- elemente aufweisen. Nach dem Auspressen des Segmentkörpers mit Preßstoff muß der Segmentkörper bis zur vollständigen Beseitigung der Distanzelemente abgedreht werden. Das hat einen nicht zu ge¬ ringen Abfall des verhältnismäßig kostbaren Materials zur Folge, wodurch sowohl das gesamte Verfahren als auch der Kommutator wesentlich verteuert werden.

ERSATZBLÄTT REGEL26)

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kommutator der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kommutators zu schaffen, mit dem die Nachteile der be¬ kannten Kommutatoren und Verfahren vermieden werden und mit tech¬ nisch einfachen Mitteln hochbelastbare Kommutatoren kostengünstig hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungεgemäß für einen Kommutator der ein¬ gangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des An¬ spruchs 1 und für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin¬ dungsgemäßen Kommutators bzw. Verfahrens zu seiner Herstellung er¬ geben sich aus den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.

Es hat sich als überraschend erwiesen, daß die gestellte Aufgabe durch einen Kommutator gelöst wird, dessen Segmentkörper an der jeweiligen Stirnseite eine Ringnut aufweist, die im wesentlichen einen sich linear verändernden Durchmesser aufweist. Diese Ringnut ist bezüglich der Längsachse des Segmentkörpers und einem Verlauf von ihrem offenen Ende zu ihrem Boden mit einer verhältnismäßig geringen Neigung zur Längsachse des Segmentkörpers angeordnet. Die Neigung der Ringnut weist dabei einen Winkel o- von 1 bis 5° auf. Die Kommutatorsegmente sind mittels eines Armierungsringes kraft¬ schlüssig in einem konstanten Radialabstand gehalten. Dabei kann die Neigung der Ringnut sowohl zur Längsachse als auch von der Längsachse weg angeordnet sein.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommutators besteht darin, daß die dem Kontaktbereich der KommutatorSegmente näher liegende Fläche der Ringnut im Bereich des offenen Endes der Ringnut und praktisch im Bereich der oberen zwei Drittel der Ring¬ nuttiefe mit einem Unterschnitt ausgebildet ist, der die Ein¬ führung des Armierungsringes erleichtert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß jeder Armierungsring eines konstanten Durchmes¬ sers mittels eines Stempels in die Ringnut, die bezüglich der Längsachse des Segmentkörpers im wesentlichen einen sich linear verändernden Durchmesser hat, derart eingesetzt wird, daß der Armierungsring in der Ringnut frei, d.h. unbelastet, angeordnet ist. Danach wird der Armierungsring mit einem Stempel gleichzeitig bis zum Boden der Ringnut gepreßt, indem der Armierungsring in Richtung radial einwärts elastisch verformt wird. Dadurch werden in den unteren Bereich des Armierungsringes elastische Radial- Spannungen eingebracht, die die Kommutatorsegmente nach außen, d.h. weg von der Längsachse des Segmentkörpers, drücken.

Weiterhin wird jeder Sitz des Armierungsringes εtirnseitig und in Radialrichtung nach außen, d.h. weg von der Längsachse des Seg¬ mentkörpers, wenigstens teilweise plastisch verformt, wodurch in den oberen Bereich des Armierungsringes zusätzliche elastische RadialSpannungen eingebracht werden. Die Kommutatorsegmente werden dadurch einwärts, gegen die Längsachse des Segmentkörpers, ge¬ zogen. Durch die Einbringung elastischer Spannungen in den Ar¬ mierungsring wird gewährleistet, daß die Kommutatorsegmente in ihren Lagen sicher positioniert sind. Dadurch wird auch ein Ver¬ schieben der Kommutatorsegmente in Radialrichtung während des Be¬ triebes des Kommutators sicher verhindert.

Die plastische Verformung eines jeden Sitzes des Armierungsrings in Radialrichtung nach außen, d.h. weg von der Längsachse des Segmentkörpers, wird derart durchgeführt, daß in jeden erwähnten Sitz eine Kerbe gedrückt, d.h. gestochen wird, die im Querschnitt als ein spitzwinkliges Dreieck ausgebildet sein kann, wobei der Eindrückstempel entsprechend geformt ist. Dabei wird diejenige Materialpartie des Sitzes des Armierungsringes, die mit dem

letzteren in Berührung steht, mittels des beispielsweise drei¬ eckigen Vorsprungs am Eindrückstempel von der Längsachse des Seg¬ mentkörpers weg verformt. Die gegenüberliegende Materialpartie des Sitzes des Armierungsringes bleibt dabei im wesentlichen unverformt.

Schließlich werden die Zwischenräume zwischen den Kommutator¬ segmenten und/oder der im Bereich der Ringnut vorhandene Raum wenigstens teilweise mit einem Isolierstoff vergossen; dabei kann gleichzeitig eine zylindrische Nabe des Kommutators aus gleichem Isolierstoff hergestellt werden. Aus den Zwischenräumen der Seg¬ mente werden die zur Positionierung der Segmente verwendeten Distanzelemente anschließend entfernt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kommutator¬ segments zur Darstellung des Sitzes des Armierungs- ringes;

Figur 2 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Segmentkörpers vor dem Eindrücken des Armierungsringes in die Ringnut;

Figur 3 einen Segmentkörper nach Figur 2 nach dem Eindrücken des Armierungsringes in die Ringnut;

Figur 4 einen Segmentkörper nach Figur 3 nach der plastischen Verformung des Sitzes des Armierungsringes;

Figur 5 einen Längsschnitt des Kommutators nach dem Abguß mit Isolierstoff im fertigen Zustand.

Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Kommutator, der eine Reihe ringförmig angeordneter Kommutatorsegmente 1 besitzt, die in Umfangsrichtung einen vorbestimmten gleichen Abstand aufweisen. Jedes Kommutatorsegment 1 besitzt einen Kontaktbereich 2 für die Berührung mit einer nicht gezeigten Bürste. Die Kommutatorsegmente 1 sind mit wenigstens einem Armierungsring 3 in gleichbleibendem Radialabstand gehalten und mit einem eine Nabe 4 bildenden Isolierstoff, z. B. Kunstharz, vergossen.

Die ringförmig angeordneten Kommutatorsegmente 1 bilden im wesent¬ lichen einen Segmentkörper 5, an dessen jeweiligem Stirnende eine Ringnut 6 mit einem im wesentlichen sich linear verändernden Durchmesser ausgebildet ist und deren Mittelpunktlinie im wesent¬ lichen gleichachsig mit der Längsachse 15 des Segmentkörpers 5 verläuft. Die Ringnut 6 ist der Längsachse 15 des Segmentkörpers 5 mit einer, bezüglich ihres Verlaufs vom offenen Ende zum Boden verhältnismäßig geringen Neigung gegen die Längsachse 15 des Seg¬ mentkörpers 5 angeordnet. Die Neigung der Ringnut 6 weist dabei einen Neigungswinkel a auf, der vorteilhaft 1 bis 5° (Figur 1) beträgt. Die jeweilige Ringnut 6 und die Innenmantelfläche 7 des Segmentkörpers 5 bilden einen Sitz 8 des Armierungsringes 3. Die¬ jenige Fläche der Ringnut 6, die dem Kontaktbereich 2 der Kommuta¬ torsegmente 1 näher liegt, ist im Bereich des offenen Endes der Ringnut 6 und praktisch im Bereich der oberen zwei Drittel der Ringnuttiefe mit einem Unterschnitt 9 ausgebildet, der das Ein¬ legen des Armierungsringes 3 erleichtert.

Der Armierungsring 3 ist in der Ringnut 6 angeordnet, wobei er im wesentlichen einen gleichen Neigungswinkel α wie die Ringnut 6 selbst einnimmt. Die Kommutatorseg ente 1 sind somit kraft¬ schlüssig in einem konstanten Radialabstand gehalten.

Zur Herstellung eines Kommutators werden die Kommutatorsegmente 1, die z. B. aus Kupfer bestehen, zu einem Segmentkörper 5 zusammen¬ gesetzt. Die Kommutatorsegmente 1 werden in einem gleichmäßigen Abstand voneinander auf eine an sich bekannte Weise, z. B. mit einem nicht dargestellten Käfig aus Kunststoff, gehalten, worauf sie in eine ringförmige Haltevorrichtung 10 hineingebracht werden. Der Armierungsring 3 wird in einer ersten Stufe mittels Eindrück¬ stempel 11, die an der Innenmantelfläche 7 des Segmentkörpers 5 zentriert sind, in die jeweilige Ringnut 6 hineingedrückt, bis er im Bereich unmittelbar unter dem Unterschnitt 9 spannungsfrei an der Wand der Ringnut 6 anliegt. Vor dem Einlegen weist der Armierungsring 3 im wesentlichen einen konstanten Durchmesser auf. In einer zweiten Stufe des Einpreßverfahrens wird der Armierungs- ring 3 vollends in die Ringnut 6 hineingedrückt, wodurch er in Richtung radial einwärts, d.h. gegen die Längsachse des Segment- körpers 5, elastisch verformt wird. Dadurch werden in dem Armierungsring 3 elastische Radialspannung erzeugt, die die Kommutatorsegmente 1 nach außen, d.h. weg von der Längsachse des Segmentkörpers 5, drücken.

Danach werden zwei Führungen 12 in den Segmentkörper 5 eingesetzt, die sich in die Achsenrichtung etwa bis zum Bereich des Bodens der Ringnut erstrecken. An den Führungen 12 sind zwei weitere Ein¬ drückstempel 13 geführt, die an der jeweiligen Stirnseite, d.h. dem Sitz der dem Armierungsring 3 zugekehrten Seite, mit einem Vorsprung 14 ausgebildet sind. Letzterer verläuft stirnseitig über den ganzen Umfang des jeweiligen Eindrückstempels 13, wobei er im geeigneten Fall im Querschnitt als spitzwinkliges Dreieck ausge¬ bildet ist. Mit diesen zwei Eindruckstempeln 13 wird jetzt gegen die Stirnfläche des jeweiligen Sitzes 8 des Armierungsringes 3 gedrückt, wobei der Vorsprung 14 des jeweiligen Eindrückstempels 13 in die Stirnseite des Sitzes 8 gestochen wird.

Der Sitz wird somit mittels des Vorsprunges 14 plastisch verformt, und zwar derart, daß die Materialpartie des Sitzes 8, die an dem Armierungsring 3 anliegt, mittels des dreieckigen Vorsprungs 14 in Richtung von der Längsachse des Segmentkörpers 5 weg verschoben wird, wodurch der Armierungsring 3 zusätzlich elastisch verformt wird. Derart werden in den Armierungsring 3 zusätzliche Radial- Spannungen eingebracht, die beim Zusammenhalten des Segmentkörpers 5 mitwirken. Gleichzeitig wird durch die erwähnte Deformation auch verhindert, daß der Armierungsring 3 aus der Ringnut 6 heraus¬ rutschen kann. Die gegenüberliegende Materialpartie des Sitzes 8 bleibt dabei im wesentlichen unverformt, da dort der Unterschnitt 9 angeordnet ist.

Die letzte Stufe des Verfahrens zur Herstellung des erfindungs- gemäßen Kommutators stellt das Füllen der Räume zwischen den Segmenten 1 und/oder wenigstens das teilweise Vergießen des im Bereich der Ringnut 6 vorhandenen Raumes mit einem Isolierstoff dar unter gleichzeitiger Herstellung der zylindrischen Nabe 4 des Kommutators aus dem gleichen Isolierstoff.

Danach werden aus den Räumen zwischen den Segmenten 1 die zur Positionierung der Segmente verwendeten Distanzelemente entfernt.