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Title:
COMMUTATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1996/011515
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a commutator for rotary electric machines, especially motors running in fluids which are electrically non-conductive or poorly conductive, especially fuels, with laminae in sliding contact with a brush arrangement, in which the laminae consist of a non-wearing material. The lamellae are to consist of an alloy with at least one component with an affinity for oxygen.

Inventors:
Schorr
Harald, Schreckenberger
Dieter, Rehbein
Peter
Application Number:
PCT/DE1995/001255
Publication Date:
April 18, 1996
Filing Date:
September 14, 1995
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH SCHORR
Harald, Schreckenberger
Dieter, Rehbein
Peter
International Classes:
C22C9/00; H01R39/04; (IPC1-7): H01R39/04; H01R39/20
Foreign References:
DE249864C
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 015, no. 145 (C - 0823) 12 April 1991 (1991-04-12)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 10, no. 263 (E - 435)<2319> 9 September 1986 (1986-09-09)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 243 (E - 207)<1388> 28 October 1983 (1983-10-28)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 243 (E - 207)<1388> 28 October 1983 (1983-10-28)
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Claims:
Patentansprüche
1. Kommutator für rotierende elektrische Maschinen, insbesondere für in elektrisch nicht oder schlecht leitenden Fluiden, vorzugsweise in Kraftstoff, laufenden Motoren, mit über den Umfang des Kommutators angeordneten Lamellen, die mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt stehen, wobei die Lamellen aus einem verschleißfesten Material be¬ stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen aus einer Legierung mit wenigstens einem Sauer¬ stoffäffinen Legierungselement bestehen.
2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Hauptbestandteil der Legierung Reinkupfer ist.
3. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen aus einer KupferMagnesiumLegierung (CuMg) bestehen.
4. Kommutator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der MagnesiumAnteil zwischen 0,05 bis 2,0 wt %, insbesondere zwischen 0,3 bis 0,9 wt % liegt.
5. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen eine KupferZirkoniumLegierung (CuZr) enthalten.
6. Kommutator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß der ZirkoniumAnteil zwischen 0,05 bis 2,0 wt , insbesondere zwischen 0,1 bis 0,3 wt % liegt.
7. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Lamellen aus Sauerstofffreiem Kupfer (K10) bestehen.
8. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen aus einer binären oder ternären KupferLegierung mit den Legierungsbestandteilen Magnesium (Mg) und/oder Zirkonium (Zr) und/oder Titan (Ti) und/oder Hafnium (Hf) und/oder Wolfram (W) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Vanadin (V) und/oder Tellur (Te) und/oder Eisen (Fe) und/oder Chrom (Cr) bestehen.
9. Kommutator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Legierungs¬ bestandteile von 0,05 bis 2,0 wt % beträgt.
10. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Phosphor (P) oder Bor (B) oder Silizium (Si) oder Sauerstoff (0) als Begleitelemente enthält.
11. Kommutator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Begleitelemente einen Gehalt im Promille oder ppmBereich besitzen.
12. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe für die Lamellen einer gezielten Wärmebehandlung unter¬ zogen werden.
13. Kommutator nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmebe¬ handlung gezielt mechanische und/oder elektrische Eigenschaften der Lamellen einstellbar sind.
Description:
Kommutator

Die Erfindung betrifft einen Kommutator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, bei rotierenden elektrischen Ma¬ schinen zum elektrischen Anschließen von in einem ro¬ tierenden Anker angeordneten Spulen Kommutatoren ein¬ zusetzen. Diese Kommutatoren weisen Lamellen auf, die mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt stehen. Die Bürsten, die in der Regel auf Basis von Graphit¬ werkstoffen hergestellt werden, sind mit einer Feder¬ kraft beaufschlagt, die die Bürsten gegen den rotie¬ renden Kommutator drücken. Der Kommutator rotiert da¬ bei beispielsweise mit einer Drehzahl von ca. 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. Während des Betriebes der elektrischen Maschinen kommt es zu einem Verschleiß sowohl der Lamellen als auch der Bürsten. Um den aufgrund der tribologischen

Verhältnisse auftretenden Verschleiß zu minimieren, ist es bekannt, den für die Bürsten verwendeten Graphitwerkstoffen neben den vorhandenen Me¬ tallanteilen Festschmierstoffe, Bindemittel und/oder Putzmittel zuzusetzen. Werden jedoch derartige Kom¬ mutatoren beispielsweise in elektrisch nicht leiten¬ den Fluiden, insbesondere in Kraftstoffen von Kraft¬ fahrzeugen betrieben, kommt es infolge des Nichtvor- handenseins von Luftsauerstoff an den üblicherweise aus Reinkupfer, sogenanntes E-Cu57, bestehenden La¬ mellen des Kommutators aufgrund einer sich nicht bil¬ denden oder einer zu schnell abgetragenen Schutzschicht über den Kupferlamellen zu einem erhöhten Verschleiß der Lamellen. Derartige Elektro- kraftstoffpumpen werden beispielsweise in den Tank von Kraftfahrzeugen eingebaut, die den darin enthal¬ tenen Kraftstoff, beispielsweise Diesel, Benzin/Ottokraftstoffe, Methanolgemische und dem Kraftstoff zugesetzte Additive fördern und direkt ausgesetzt sind. Hierbei kommt es vermehrt zu Verschleißerscheinungen auf Basis von elektroche¬ mischen Vorgängen, die zu einer hohen und nicht vor¬ hersagbaren Streuung der Verschleißrate der Kommu¬ tatoren führen können. Insbesondere kann es zu soge¬ nanntem Rapidverschleiß kommen, der zu einer plötz¬ lichen Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit oder zum Ausfall derartiger Elektrokraftstoffpumpen führen kann.

Aus der JP-91-092442 ist ein ausschließlich trocken laufender Kommutator bekannt, dessen Lamellen aus einer Kupfer-Zirkonium-Legierung bestehen.

Vorteile der Erfindung

Mit einem erfindungsgemäßen Kommutator mit den im An¬ spruch 1 genannten Merkmalen ist es demgegenüber mög¬ lich, den Verschleiß der Kommutatorwerkstoffe, insbe¬ sondere für in nicht elektrisch leitenden Fluiden laufenden, rotierenden elektrischen Maschinen zu mi¬ nimieren. Dadurch, daß die Lamellen aus einem Ma¬ terial bestehen, das gegenüber dem bisher üblicher¬ weise verwendeten Reinkupfer eine erhöhte Verschlei߬ festigkeit, insbesondere unter Beachtung von elektro¬ chemischen Verschleißvorgängen, aufweist, kann ein Abrieb an den Lamellen des Kommutators infolge der tribologischen Verhältnisse während des Schleifkon¬ taktes der Bürsten mit dem Kommutator verringert werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge¬ sehen, daß die Lamellen aus einer Kupfer-Magnesium- Legierung mit einem Magnesiumanteil von vorzugsweise zwischen 0,3 bis 0,9 wt % bestehen. Durch Verwendung derartiger Legierungswerkstoffe für die Lamellen des Kommutators kann eine Verschleißrate der Lamellen aus den genannten Werkstoffen verkleinert, das heißt verbessert werden. Neben der Reduzierung der Kommutatorverschleißrate wird auch der Kohlebürsten¬ verschleiß verringert. Somit ist insgesamt die Standzeit der Kommutatoren beziehungsweise der Bürstenanordnung auch in ungünstigen Einsatzfällen, wie beispielsweise in verunreinigten Fluiden (Kraftstoffe) , erhöhbar.

Besonders vorteilhaft lassen sich Legierungs¬ werkstoffe für die Lamellen des Kommutators einsetzen, die eine Zusammensetzung gemäß der Ansprüche 8 bis 11 aufweisen. Durch den Einsatz eines binären oder ternären Legierungssystems kann der Werkstoff der Kommutatoren an unterschiedliche Einsatzfälle angepaßt werden. Insbesondere ist jede beliebige Kombination der genannten Legierungs¬ elemente möglich.

Vorteilhaft ist ferner, wenn die für die Lamellen verwendeten Werkstoffe einer gezielten Wärmebehand¬ lung unterzogen werden. Durch eine derartige Wärme¬ behandlung, die beispielsweise aus einer Erwärmung auf eine Temperatur, bei der eine Gefügeveränderung in dem Werkstoff eintritt, und einer anschließenden zeitgesteuerten Abkühlung besteht, können gezielt die Eigenschaften der Werkstoffe, wie beispielsweise Härte oder elektrische Leitfähigkeit eingestellt werden. Die Wärmebehandlung kann vorzugsweise gleich¬ zeitig unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden, so daß auf spezielle Gefügeverteilungen in¬ nerhalb der Werkstoffe, also innerhalb der ver¬ wendeten Kupferlegierungen, Einfluß genommen werden kann. Hiermit ist eine höhere Lösbarkeit der Legierungsbestandteile, also beispielsweise des Magnesiums in dem Kupfer möglich, so daß ein einphasiges System entstehen kann. Diese einphasigen Systeme führen zu einem besonders guten Verschlei߬ verhalten, insbesondere unter Berücksichtigung eines hohen Anteils an elektrochemischen Verschleißmecha¬ nismen am Gesamtverschleiß.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei- spielen anhand einer Figur, die in einem Schaubild Verschleißraten verschiedener Werkstoffkombinationen zeigt, näher erläutert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur sind anhand von Balkendiagrammen die bei Modell-Versuchen ermittelten Verschleißraten der einzelnen als Kohlebürstengegenkörper verwendeten Werkstoffe dargestellt. Die Verschleißraten sind hier jeweils in Milligramm pro Stunde angegeben, um insge¬ samt eine transparente Vergleichsmöglichkeit zu erhalten. Ausgangspunkt der Überlegung ist, daß sich das Verschleißvolumen V (Abrieb) an dem Kommutator in Abhängigkeit der Breite b einer an dem Kommutator in Schleifkontakt anliegenden Bürstenanordnung, der Umfangslänge u des Kommutators sowie des linearen Verschleißbetrages ΔM bestimmen läßt. Man kann also für ein Verschleißvolumen die Formel

V = b • ΔM • u

schreiben.

Dies ergibt, bezogen auf eine Zeiteinheit, in der die Bürstenanordnung mit dem rotierenden Kommutator in Schleifkontakt steht, eine in den Balkendiagrammen dargestellte Verschleißrate V, bei der als Maßeinheit Volumen- beziehungsweise Gewichtsverlust pro Zeit¬ einheit gewählt ist:

V = V'/Δt = ΔM/d Δt ;d = Dichte des Kupferwerkstoffes

bzw ohne Dichtenormierung

V = ΔM/Δt.

Um eine Vergleichbarkeit der erzielten Meßergebnisse zu erreichen, wurden sämtliche Versuche bei gleichen Versuchsparametern durchgeführt. Hierfür wurde eine Versuchszeit von 8 h, eine Drehzahl der Kommutator- Modellronde mit 4000 U/min und ein Stromfluß über die Bürstenanordnung auf dem Kommutator von 6 A gewählt. Es liefen jeweils beide Kohlebürsten auf den gleichen Kupferwerkstoff-Laufflächen. Als Medium wurde CEC- Ottokraftstoff eingesetzt.

Gemäß einer ersten Darstellung sind fünf Versuche mit einem herkömmlichen Lamellenwerkstoff, nämlich reinem Kupfer mit der Bezeichnung E-Cu57, durchgeführt wor¬ den. Anhand der aufgetragenen Balkendiagramme ist er¬ kennbar, daß die Verschleißrate eine hohe Streuung aufweist und sich im Bereich zwischen 0,3 mg/h und 0,9 mg/h bewegt. Somit wird klar, daß einerseits die Verschleißrate durchschnittlich sehr hoch ist und aufgrund der großen Streuung ein genaues Verschleiß-

verhalten derartiger Kommutatoren nicht sicher ein¬ geschätzt werden kann.

In einer zweiten Meßreihe sind die Balkendiagramme dargestellt, bei denen die Versuche mit Lamellen aus Kupfer-Zirkonium CuZr eingesetzt wurden. Es wird deutlich, daß bei den sechs durchgeführten Versuchen die Verschleißrate im Bereich von ca. 0,1 mg/h bis ca. 0,2 mg/h liegt. Gegenüber dem herkömmlichen Material wird die extrem verringerte durchschnittli¬ che Verschleißrate sofort augenfällig, wobei die Streuung zwischen den einzelnen Werten in einem nied¬ rigen Bereich liegt. Dieser Werkstoff eignet sich so¬ mit besonders für den Einsatz als Lamellenwerkstoff für Kommutatoren, wobei die Kommutatoren - wie er¬ wähnt - in einem schlecht elektrisch leitenden Fluid, beispielsweise Kraftstoff, laufen.

Eine dritte Meßreihe zeigt den Einsatz von Kupfer- Magnesium CuMg als Werkstoff für die Lamellen der Kommutatoren. Dieser Werkstoff zeigt ebenfalls eine geringe Verschleißrate im Bereich von ca. 0,2 mg/h bei gleichzeitig geringer Streuung.

In einer weiteren Meßreihe ist der Einsatz von Sauer¬ stofffreiem Kupfer, hier mit K10 bezeichnet, darge¬ stellt. Ein derartiger Werkstoffeinsatz bei Kommuta¬ torlamellen führt gegenüber dem Einsatz von herkömm¬ lichem Reinkupfer zwar zu einer Verbesserung der Verschleißrate, jedoch besitzen die ermittelten Meßwerte eine große Streuung im Bereich von ca. 0,1 mg/h bis ca. 0,5 mg/h.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die darge¬ stellten Ausführungsbeispiele. So können insbesondere anstelle von Kupfer-Zirkonium und Kupfer-Magnesium- Legierungen auch andere Kupferlegierungen mit ähnlichen sauerstoffaffinen Legierungselementen, wie beispielsweise Titan Ti, Hafnium Hf oder Chrom Cr eingesetzt werden. Bei allen derartigen Legierungen wird aufgrund der Sauerstoffaffinität der Legierungselemente und den tribologisch bedingten Werkstoffveränderungen wie Pseudolegierungsbildung, Uberstrukturen, Mischoxid-Filme und ähnliches der bei einem Betrieb von Kommutatoren in Kraftstoff Bedeutung erlangende elektrochemische Verschleißan¬ teil am Gesamtverschleiß reduziert. Durch eine gezielte entsprechende Wärmebehandlung der Legie¬ rungen können die mechanischen und elektrischen Ei¬ genschaften der Werkstoffe so eingestellt werden, daß gegenüber den bekanntermaßen eingesetzten Werkstoffen für die Kommutatorlamellen trotz des verbesserten Verschleißverhaltens keine auf anderen Gebieten, bei¬ spielsweise der Härte und/oder der elektrischen Leit¬ fähigkeit, liegenden Nachteile entstehen.