Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kommutatorläufer nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Läufers nach der Gattung des Anspruchs 7.

Die axialen Abmessungen elektrischer Maschinen mit Kommutatorläufer hängen unter anderem von der Dicke des Läuferblechpaketes, von der Ausladung der Wickelköpfe, von der Länge des Kommutators und von den funktions- und fertigungsbedingten axialen Abständen zwischen den benachbarten Teilen ab. Dabei ist es bekannt, die Spulenenden der Läuferwicklung auf möglichst kurzem Wege zu den Anschlusshaken an den Kommutatorlamellen zu führen. Um beim Einhängen und Verschweißen des Wickeldrahtes am Kommutator die für die Handhabung erforderlichen

Freiheitsgrade sicherzustellen, wird der Kommutator zunächst auf einen zum Kontaktieren der Läuferspulen ausreichenden Abstand zum Blechpaket auf die Läuferwelle aufgeschoben und erst nach dem Kontaktieren an den Anschlusshaken der Kommutatorlamellen, dem so genannten Hot Staking wird der Kommutator in seine endgültige Position zum Blechpaket nachgeschoben (DE 100 45 549 Al, Figur 11) .

Dieses Verfahren ist jedoch immer dann nachteilig, wenn der Wickeldraht vom Anfang beziehungsweise Ende der Spulen zu den Kommutator-Anschlusshaken seitlich weggeführt werden muss, was insbesondere bei Läufern mit Einzelzahnspulen sowie bei Läufern mit gegenüber der Spulenzahl doppelter Lamellenzahl der Fall ist. Im letzteren Fall werden außerdem die einander gegenüberliegenden Kommutatorlamellen über

Brückenleiter miteinander verbunden, welche abwechselnd mit den Spulen mittels Wickelautomaten durchgewickelt werden (DE 197 57 279 Cl) .

Bei Maschinen dieser Bauarten kreuzen sich die Wickeldrähte vielfach zwischen dem Wickelkopf der Spulen und den Anschlusshaken der Kommutatorlamellen, so dass eine störungsfreie Drahtführung zum Einhängen des Wickeldrahtes am Kommutator nicht mehr möglich ist, zumal wenn es bei einer losen Verlegung des Wickeldrahtes im Betrieb der Maschine zu Schüttelbeanspruchungen kommt, die zu Drahtbrüchen führen können. Durch das seitliche Wegführen des Wickeldrahtes vom Ende der Spulen hin zu den Kommutatoranschlüssen wird außerdem oftmals die jeweils benachbarte Nutöffnung tangiert, wodurch das Wickeln der benachbarten Spule behindert wird.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei Kommutatorläufern eine möglichst kurze Bauweise und eine schüttelfeste Wickeldrahtführung auch dann realisieren zu können, wenn die Spulen des Läufers nicht auf kürzestem Wege mit dem Kommutatorlamellen zu kontaktieren sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Wicklungsdraht vom Anfang und Ende der Spulen weg nicht mehr frei zu den Anschlusshaken der Kommutatorlamellen geführt wird, sondern von der jeweiligen Nut seitlich nach unten zur Läuferwelle verläuft, dort auf der isolierten Welle aufliegt und erst danach am jeweiligen Anschlusshaken einer Kommutatorlamelle eingehängt wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn Spulenanfang beziehungsweise Spulenende und Anschlusshaken um einen ausreichend großen Umfangs-Winkel

zueinander versetzt sind. Damit wird der Wicklungsdraht von der Läuferwelle gegen Schüttelbeanspruchungen geschützt und die benachbarten Anschlusshaken bleiben beim Durchwickeln der Spulen für weitere Spulenanschlüsse frei zugänglich. Außerdem bleiben dadurch auch die benachbarten Nuten zum Einwickeln der benachbarten Spulen frei. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass beim Wickeln und Kontaktieren der Spulen zwischen Kommutator und Blechpaket ein ausreichend großer Raum freigehalten wird, so dass der Kommutator anschließend zur Erzielung einer kurzen Baulänge des Läufers gegen das Blechpaket nachgeschoben werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

So ergibt sich bei den an sich bekannten Kommutatorläufern, deren einander gegenüberliegenden Kommutatorlamellen über Brückenleiter miteinander verbunden sind, die vorteilhafte Möglichkeit, dass hierbei die Spulen abwechselnd mit je einem Brückenleiter mit dem Wickeldraht derart durchgewickelt werden, dass auch die Brückenleiter auf dem isolierten Wellenabschnitt aufliegen. Der Winkel, um den Spulenanfang beziehungsweise Spulenende und Anschlusshaken gegeneinander versetzt sein müssen, damit der Wickeldraht am isolierten Wellenabschnitt schüttelsicher aufliegt, ist in ersten Linie abhängig von den Durchmesserverhältnissen der Läuferwelle zum Hüllkreis am Nutgrund des Blechpaketes sowie zum Hüllkreis der Anschlusshaken des Kommutators. Eine ausreichend sichere Drahtführung wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, dass der Winkel, mit dem die Wickeldrähte von den Spulen zu den Anschlusshaken beziehungsweise die Brückenleiter von Anschlusshaken zu Anschlusshaken geführt werden, mindestens 120° beträgt. Dabei wird außerdem der Kommutator gegenüber dem Blechpaket des Läufers so

positioniert, dass beim Wickeln der Spulen die Wickeldrähte von den Spulen jeweils zwischen benachbarte Anschlusshaken hindurch zur Läuferwelle geführt werden, um das Einhängen der nachfolgend gewickelten Spulen oder Brückenleiter sowie das spätere Nachschieben des Kommutators nicht zu behindern.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung im Hinblick auf das vorerwähnte Nachschieben des Kommutators wird in Verbindung mit der neuartigen Drahtführung am Kommutator dadurch erreicht, dass der Wellenabschnitt zwischen Blechpaket und Kommutator von einer Isolierfolie, insbesondere von einer Papierummantelung abgedeckt wird, auf die der Wickeldraht abschnittsweise aufliegt und die beim Nachschieben des Kommutators auf einen Mindestabstand zur Aufnahme der Wickeldrähte axial zusammengestaucht wird.

Dadurch wird sichergestellt, dass die auf der Läuferwelle aufliegenden Wickeldrahtabschnitte beim Nachschieben des Kommutators nicht am Blechpaket eingeklemmt oder gequetscht werden .

Eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich bei einer relativ kompakten Bauweise von permanentmagnetisch erregten Gleichstrommaschinen, bei denen die Spulen des Kommutatorläufer als Einzelzahnspulen in benachbarte Nuten des Blechpaketes gewickelt sind, zwischen denen am Läuferumfang Polzähne ausgebildet sind, welche mit einem permanentmagnetisch erregten Stator zusammenwirken.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in kommutatorseitiger Ansicht,

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Läufers aus Figur 1 mit der Wickeldrahtführung am Kommutator, Figur 3 zeigt das Wickelschema eines Läufers nach Figur 1, Figur 4 zeigt einen Läuferlängsschnitt beim Wickeln der Spulen und Einhängen des Wickeldrahtes am Kommutator und Figur 5 zeigt einen Längsschnitt des Läufers mit nachgeschobenem Kommutator.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein permanentmagnetisch erregter vierpoliger Gleichstrommotor als elektrische Maschine in ihrer kommutatorseitigen Ansicht dargestellt und mit 10 bezeichnet. Derartige Maschinen werden bevorzugt für Stellantriebe, Antiblockiersysteme und dergleichen in

Kraftfahrzeuge eingesetzt und müssen bei hohen Belastungen möglichst über die ganze Lebensdauer des Fahrzeuges zuverlässig arbeiten. Dementsprechend muss ihr Aufbau möglichst robust sein. Die elektrische Maschine 10 hat einen vierpoligen Stator 11, der über einen Arbeitsluftspalt 12 mit einem Kommutatorläufer 13, nachfolgend Läufer genannt, zusammenwirkt. Der Läufer 13 besteht aus einem Blechpaket 14, das auf einer beidseitig drehbar gelagerten Läuferwelle 15 befestigt ist. Am Umfang des Blechpaketes sind sechs gleichmäßig verteilte Nuten N zur Aufnahme von sechs Spulen S ausgestanzt, zwischen denen jeweils Polzähne Z ausgebildet sind. Die Spulen S sind als Einzelzahnspulen um je einen Polzahn Z durch Wickelautomaten hergestellt. Die Spulen S werden dabei in besonderer Weise mit einem an der Rückseite des Blechpaketes 14 auf die Läuferwelle 15 aufgesetzten

Kommutator 16 verschaltet, dessen zwölf Lamellen L jeweils am hinteren Ende einen Anschlusshaken 17 haben.

Figur 2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung den Läufer 13 aus Figur 1 in vergrößerter

Darstellung von der Kommutatorseite mit einem Querschnitt durch die Läuferwelle 15 zwischen dem Blechpaket 14 und dem Kommutator 16, dessen Lamellen gestrichelt angedeutet sind. Die zwölf gleichmäßig am Umfang verteilt angeordneten Lamellen L arbeiten mit zwei ortsfesten Kohlebürsten Bl und B2 (Figur 3) zusammen, die zum Betrieb der elektrischen Maschine mit Gleichstrom versorgt werden und gegeneinander um 90° versetzt sind. Um bei einer vierpoligen Maschine die Stromversorgung des Läufers symmetrisch zu gestalten und mit nur einem Bürstenpaar sicherzustellen, sind die jeweils einander diametral gegenüberliegenden Lamellen L des Kommutators 16 über separate Brückenleiter 19 (Figur 4) miteinander verbunden. Da die Spulenzahl nur halb so groß wie die Lamellenzahl ist, werden die Spulen S abwechselnd mit je einem Brückenleiter 19 mit einem Wickeldraht 18 durchgewickelt. Zum Wickeln der Spulen S und Verlegen der Brückenleiter 19 sowie zum Einhängen und Kontaktieren des Wickeldrahtes 18 an den Anschlusshaken 17 der Lamellen L ist der Kommutator 16 zunächst mit einem vorgebenden Abstand a (Figur 4) vor dem Blechpaket 14 auf der Läuferwelle 15 positioniert. Dabei ist der Wellenabschnitt 15a zwischen Blechpaket 14 und Kommutator 16 von einer Papierummantelung 20 abgedeckt. Zur Herstellung der Läuferwicklung wird nun zunächst der Wickeldraht 18 in nicht dargestellter Weise an einem Anschlusshaken 17 des Kommutators 16 eingehängt und sodann auf den rechten Zahn Zl eine erste Spule Sl aufgewickelt. Der Wickeldraht 16 wird sodann vom Spulenende seitlich weg zur Läuferwelle 15 geführt. Er wird sodann um die Läuferwelle herumgeführt, so dass er auf dem isolierten Wellenabschnitt 15a aufliegt. Von dort wird er zu einem Anschlusshaken 17a der Lamelle Ll geführt und dort eingehängt. Anschließend wird ein erster Brückenleiter 19a hergestellt, in dem der Wickeldraht 18 vom Anschlusshaken 17a nach unten über den isolierten Abschnitt der Läuferwelle 15 hinweg zum gegenüberliebenden Anschlusshaken 17b der

Lamelle L7 geführt und dort eingehängt wird. Anschließend wird der Wickeldraht 18 wiederum über den isolierten Abschnitt 15a der Läuferwelle 15 hinweg in nicht dargestellter Weise zur nächsten Spule S2 geführt. Mittels eines Wickelautomaten können somit alle Spulen S abwechselnd mit je einem Brückenleiter 19 mit dem Wickeldraht 18 durchgewickelt werden. Um dabei sicherzustellen, dass der Wickeldraht 18 zwischen einem Spulenende beziehungsweise Spulenanfang und dem Anschlusshaken 17 jeweils über einen ausreichenden Umfang auf dem isolierten Abschnitt 15a der

Läuferwelle 15 aufliegt, müssen Spulenanfang beziehungsweise Spulenende und Anschlusshaken 17 um einen Umfangswinkel α gegeneinander versetzt sein, der im Beispielsfall nach Figur 2 etwa 170° beträgt. Der für eine schüttelfeste Auflage des Wickeldrahtes 18 am isolierten Abschnitt der Läuferwelle 15 benötigte Versatzwinkel ist dabei abhängig vom Verhältnis der Läuferwellendurchmesser zum Hüllkreisdurchmesser der Anschlusshaken 17 des Kommutators 16 beziehungsweise zum Hüllkreisdurchmesser der Spulenanfänge beziehungsweise Spulenenden. Im Beispielsfall nach Figur 2 beträgt dieser Mindestversatzwinkel α' für die übrigen Spulenanschlüsse 120°. Da die Brückenleiter 19 jeweils zwei einander gegenüberliegende Lamellen L miteinander verbinden, beträgt hierfür der Versatzwinkel α jeweils 180°.

Figur 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Winkelschema zur Herstellung der Spulen S und der Brückenleiter 19, indem die Spulen S und Brückenleiter 19 von einem Wickelautomaten abwechselnd durchgewickelt werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kommutator 16 derart vor dem Blechpaket 14 angeordnet, dass die Lamelle Ll vor der Nut N5 und der Polzahn Zl mit der Spule Sl vor der Lamelle L4 liegt. Der Wickeldraht 18 wird nun mit seinem Anfang 18a am Haken 17 der Lamelle Ll eingehängt und von dort mit einem Versatzwinkel α = α' = 120° in die Nut Nl

oberhalb der Lamelle L5 eingeführt. Dann wird die Spule Sl auf den Polzahn Zl aufgewickelt und anschließend wird der Wickeldraht 18 auf dem isolierten Abschnitt 15a der Läuferwelle zum Anschlusshaken 17 der Lamelle L6 geführt und dort eingehängt. Anschließend wird ohne Unterbrechung des

Wickeldrahtes der erste Brückenleiter 19a von der Lamelle L6 zur gegenüberliegenden Lamelle L12 gelegt, indem der Wickeldraht vom Anschlusshaken 17 der Lamelle L6 auf dem Abschnitt 15a der Läuferwelle zum Anschlusshaken 17 der Lamelle 12 geführt und dort eingehängt wird. Durch das

Wickelschema sind die Lamellen L, die Polzähne Z und die Nuten N jeweils mehrfach abgewickelt dargestellt, so dass die Lamelle L12 und die Kontaktbrücke 19a auch in der rechten Hälfte der Figur 3 erkennbar ist. Die Weiterführung des Wickeldrahtes 18 ist dabei jeweils durch Pfeile angedeutet. Vom Anschlusshaken der Lamelle 12 wird folglich der Wickeldraht 18 auf dem Abschnitt 15a der Läuferwelle zur Nut Nl geführt und nunmehr die Spule S2 auf dem Polzahn Z2 aufgewickelt. Anschließend wird der Wickeldraht 18 von der Nut N2 auf dem Abschnitt 15a der Läuferwicklung zum

Anschlusshaken der Lamelle LIl geführt und dort eingehängt. Von dort wird nun ein weiterer Brückenleiter 19b hergestellt, indem der Wickeldraht 18 von der Lamelle LIl auf dem Abschnitt 15a der Läuferwelle hinweg zum Anschlusshaken der Lamelle L5 geführt und dort eingehängt wird. In gleicher Weise werden anschließend die übrigen Spulen S3 bis S6 im Wechsel mit den übrigen Brückenleitern durchgewickelt, wobei die Spule S3 gestrichelt angedeutet ist.

Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch den Läufer 13 bis zu seiner Mittelachse nach dem Wickeln der Spulen S und dem Einhängen des Wickeldrahtes 18 an den Anschlusshaken 17 des Kommutators 16. Der Kommutator 16 befindet sich hier noch in der Anfangsposition mit dem Abstand a zum Blechpaket 14. Zur

Vermeidung von Masseschlüssen ist das Blechpaket 14 auf beiden Stirnseiten mit einer Isolation 21 abgedeckt und die Läuferwelle 15 ist zwischen Kommutator 16 und Blechpaket 14 auf nahezu ganzer Breite mit der Papierummantelung 20 versehen. Auf dieser Papierummantelung 20 liegen mehrere Wickeldrahtabschnitte und Brückenleiter nebeneinander und gegebenenfalls übereinander. In einem weiteren Arbeitsgang werden nun die Spulen S und Brückenleiter 19 mit den Lamellen L des Kommutators 16 durch ein so genanntes Hot Staking kontaktiert, in dem die Anschlusshaken 17 mittels einer Druckelektrode zur jeweiligen Lamelle L hin gedrückt und dabei elektrisch erhitzt werden. Dadurch wird die Lackisolation des Wickeldrahtes an den Anschlusshaken 17 aufgebrochen und eine zuverlässige elektrische Kontaktierung mit dem Anschlusshaken 17 erzielt.

In einem letzten Arbeitsgang wird nun der Kommutator 16 zum Blechpaket 14 hin axial bis in seine endgültige Position nachgeschoben, wie dies in Figur 5 in dem Längsschnitt durch die obere Hälfe des Läufers dargestellt ist. Dabei wird die Papierummantelung 20 der Läuferwelle 15 axial zusammengestaucht und die Wickeldrahtabschnitte und Brückenleiter 19 werden dabei teilweise übereinander geschoben. Um Verklemmungen oder Quetschungen des Wickeldrahtes beziehungsweise der Brückenleiter in diesem Bereich zuverlässig zu vermeiden, ist im Bereich der Läuferwelle 15 zwischen dem Blechpaket 14 und dem Kommutator 16 ein ausreichender Freiraum 22 vorzusehen, der die Wickeldrahtabschnitte und Brückenleiter aufnimmt. Zu diesem Zweck wird der Kommutator 16 nur bis auf den Mindestabstand a' zum Blechpaket 14 hin nachgeschoben. Um sicherzustellen, dass beim Nachschieben des Kommutators 16 die Spulenenden von den Anschlusshaken 17 der Lamellen L nicht beschädigt werden, sind die Wickeldrähte der Spulen S gemäß Figur 1 und

2 jeweils zwischen zwei benachbarte Anschlusshaken hindurch zur Läuferwelle 13 geführt.

Die Erfindung ist nicht auf vierpolige Maschinen mit Brückenleitern am Kommutator beschränkt, da in gleicher Weise auch acht- und zwölfpolige Maschinen mit einem Kommutatorläufer mit oder ohne Brückenleiter auszurüsten sind. In allen Fällen ergibt sich eine durch kompakte Bauweise erhöhte Leistungsdichte der Maschinen in Verbindung mit der Möglichkeit mit effektiver Wickeltechnik alle Spulen und gegebenenfalls Brückenleiter nacheinander durchzuwickeln und mit dem Kommutator zu verschalten.