Titel

Kommutator für eine elektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator für eine elektrischen Maschine, insbesondere für einen Starter, wobei der Kommutator eine Vielzahl von Lamellen umfasst, die mit einer zusammenhaltenden Pressmasse einen Ring ausbilden, wobei jede Lamelle an der äußeren Umfangsfläche einen ersten Kontaktbereich für einen Kontakt mit Bürsten und einen zweiten Kon- taktbereich für eine Ankerwicklung aufweist.

Kommutatoren besitzen zur Stromversorgung von einem Läufer, der auch als Anker bezeichnet wird, in elektrischen Maschinen an ihrem Umfang Lamellen aus Kupfer, die von Kohlebürsten gleitend kontaktiert werden.

Die DE 749 319 beschreibt einen Kommutator, dessen Lamellen in eine isolierende Pressmasse eingebettet sind. Die Lamellen weisen stirnseitig Nuten auf, in die Verstärkungsringe zur Armierung eingesetzt und in der Pressmasse eingebettet sind.

In einem Fahrzeug mit einem Antriebsaufbau, der eine Start-Stopp- Betriebsstrategie für die Brennkraftmaschine einschließt, sind die Anforderungen an eine elektrische Maschine zum Starten der Brennkraftmaschine erhöht. Neben einem häufigeren Einsatz des elektrischen Starters werden höhere Drehzahlen vom Starter verlangt, um eine schnelle Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Deshalb treten am Kommutator höhere Zentrifugalkräfte auf, die sich auf die Lebensdauer des Kommutators auswirken. Es ist Aufgabe der Erfindung, den Kommutator der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass der Kommutator höheren Drehzahlen mit einer hohen Lebensdauer standhält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Erfindungsgedanke ist, einen stromleitenden Querschnitt jeder Lamelle zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich möglichst groß auszubilden und einen zusätzlichen Verstärkungsring außerhalb des stromleitenden Querschnitts anzuordnen.

Die Aufgabe wird mit einem Kommutator dadurch gelöst, dass die Lamellen mit einem Verstärkungsring zusammengehalten sind, wobei der Verstärkungsring auf eine radiale Außenkontur der Lamellen wirkt. Dies hat mehrere Vorteile. Der Querschnitt vom Übergang der Lauffläche, d. h. dem ersten Kontaktbereich, zum zweiten Kontaktbereich, der den Strom führt, ist somit nicht eingeschränkt sondern vergrößert. Dies führt zu einer verbesserten Stromleitung im Betrieb, aber auch zu einer geringeren thermischen Belastung in der Fertigung beispielsweise beim Anschweißen der Leiter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede Lamelle stirnseitig zur Ankerwicklung als radiale Außenkontur mit einem axialen Vorsprung, insbesondere außerhalb des stromleitenden Querschnitts, im Längsprofil der Lamelle ausgebildet. Somit kann außerhalb des stromleitenden Querschnitts ein radial wirkender Verstärkungsring eingebaut werden, der zu einer wesentlich höheren mechanischen Stabilität des Kommutators führt. Der Verstärkungsring kann auch als Armierungsring bezeichnet werden.

Um die Festigkeit des Kommutators zu verbessern und eine Vorspannung an den Lamellen mit der Pressmasse im Verbund zu erzeugen, ist bevorzugt, gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken, der Verstärkungsring stirnseitig zur Ankerwicklung auf die Pressmasse aufgepresst, der somit auf die Pressmasse und auf den darunter ausgebildeten Vorsprung mit einer radialen Kraft wirkt. Dadurch nimmt der Verstärkungsring im Betrieb auftretende Zentrifugalkräfte sofort auf und verhindert ein Aufweiten der Lamellen. Eine Vorschädigung des Kommutators aufgrund von Zentrifugalkräften durch hohe Drehzahlen wird sicher vermieden. Die Festigkeit des Kommutators ist optimiert.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Kommutators ist der Verstärkungsring mit dem axialen Vorsprung in die Pressmasse ganz oder teilweise eingebettet. Dadurch ist der Verstärkungsring auf dem axialen Vorsprung über die Lebensdauer sicher angeordnet, gegen ein Abfallen vom Kommuta- tor gesichert und die Fertigung einfacher ausführbar.

Um eine möglichst leichte gewichtssparende Ausführungsform zu realisieren, und einen minimalen Einsatz von Kupfermaterial zu ermöglichen, wird der axiale Vorsprung für den Verstärkungsring in Verlängerung einer unte- ren, in axialer Richtung verlaufender Fläche von jeder Lamelle ausgebildet.

Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist alternativ der axiale Vorsprung mit einer oberen, radialen Außenkontur in etwa auf Höhe der Oberfläche des ersten Kontaktbereichs an der Stirnseite zur An- kerwicklung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass ein stabiler Lamellenquerschnitt zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich durch den Vorsprung mit einem größeren Profilquerschnitt ausgebildet ist, so dass dieser Lamellenquerschnitt speziell beim Anschweißen der Leiter eine höhere Wärmekapazität aufweist und die umgebende Pressmasse einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt ist. Der stabilere Lamellenquerschnitt kann auch als Fahne bezeichnet werden.

Lamellen sind im Profilquerschnitt gesehen keilförmig ausgebildet und im Bereich unterhalb des ersten Kontaktbereichs seitlich profiliert, um einen sicheren Halt in der Pressmasse auszubilden. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der axiale Vorsprung im Längsprofil mit einer oberen, radialen Außenkontur ausgebildet, die auf einem größeren Durch- messer als der des ersten Kontaktbereichs liegt. Der Vorteil für diese besondere Ausführungsform ist, dass ein Vorsprung außerhalb des profilierten Lamellenbereichs, in einem stabileren Lamellenbereich mit dem Verstärkungsring zusammenwirkt. Der auf einem größeren Teilkreisdurchmesser liegende Vorsprung ist besser tragfähig als der profilierte Bereich mit einem kleineren Teilkreisdurchmesser.

Bauraum bedingt sind der erste und der zweite Kontaktbereich versetzt zu einander, auf unterschiedlichen Durchmessern angeordnet und durch ein geeignetes Profil, mit insbesondere unreduziertem Lamellenquerschnitt, ver- bunden. Durch diesen Lamellenquerschnitt fließt der gesamte Strom vom ersten Kontaktbereich, der über die Länge einer Bürste verteilt ist, zum zweiten Kontaktbereich in die Ankerwicklung und entsprechend in einer anderen Lamelle wieder zurück.

Zur Verbesserung der Festigkeit bei hohen Drehzahlen weist jede Lamelle an zumindest einer Stirnseite eine Aussparung auf, in die ein Armierungsring eingesetzt ist. Die Aussparung kann auch als Nut bezeichnet werden.

Um den erfindungsgemäßen Kommutator mit möglichst geringen Abwei- chungen gegenüber einem standardisierten Kommutator auszubilden, zum Beispiel zur Vereinfachung der Fertigung des Kommutators, weist bevorzugt jede Lamelle eine Aussparung stirnseitig zur Ankerwicklung auf, in die ein weiterer Armierungsring eingesetzt ist, der in die Pressmasse eingebettet ist. Dieser zweite Armierungsring verhindert eine an den Lamellen und dem Kommutator auftretende Verformung, die bei hohen Zentrifugalkräften aufgrund hoher Drehzahlen erzeugt werden könnte. Der erfindungsgemäß vor- gesehne Vorsprung, auf dessen Außenkontur der Verstärkungsring wirkt, erhöht die Stabilität des Kommutators noch weiter für sehr hohe Grenzdreh- zahlen. Dieser Vorteil ist gewichtiger, als das der stromführende Lamellen- querschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktbereich reduziert ist.

Bevorzugt ist der Verstärkungsring aus einem verstärkten, insbesondere glasfaser- oder kohlefaserverstärkten, Kunststoff hergestellt, der auch hohen Temperaturen und hohen radialen Belastungen aufgrund von Zentrifugalkräften, die bei den sehr hohen Drehzahlen auftreten, beständig ist.

Erfindungsgemäß ist somit ein Kommutator geschaffen, dessen Bruchdrehzahl gegenüber herkömmlichen Kommutatoren deutlich höher liegt. Zudem ist ein Hohlraum bei einem Kommutator in einer standardisierten elektrischen Maschine für eine Verschränkung mit den Wicklungsenden der Ankerwicklung vorhanden, so dass dieser Bauraum für den Verstärkungsring und den Vorsprung am erfindungsgemäßen, axial verlängerten Kommutator ausgenutzt werden kann und eine Bauraumvergrößerung nicht erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Kommutator wirkt sich somit vorteilhafterweise bauraumneutral aus.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.

Kurzbezeichnungen der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer ersten Ausfüh- rungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer dritten Ausführungsform und

Fig. 4 einen Querschnitt eines Kommutators gemäß einer vierten Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kommutator 1. Der Kommutator 1 ist mit Lamellen 2 ausgebildet, die ringförmig an- geordnet sind und mit einer Pressmasse 3 einen Verbund bilden. Die

Pressmasse 3 ist an der unteren axial verlaufenden Fläche 20 von jeder Lamelle 2 und an deren Stirnseiten 18, 19 ausgebildet. Der Kommutator 1 wird um die Achse 30 gedreht.

Die Lamelle 2 weist einen ersten, axial sich erstreckenden Kontaktbereich 5 für einen elektrischen Kontakt mit Bürsten 6 auf, sowie einen zweiten Kontaktbereich 7, an dem zwei oder mehr Wicklungsenden 81 , 82 einer Ankerwicklung 8 verschweißt sind. Zum sicheren Halt der Wicklungsenden 81 , 82 auf dem Kommutator 1 ist ein, optional aufsetzbarer, Haltering 4 mit Span- nung, wie in den Figuren dargestellt, anordenbar.

Ein Lamellenquerschnitt 25, der auch als Fahne bezeichnet wird, verbindet den ersten und den zweiten Kontaktbereich 5, 7, sodass die Lamelle 2 im Wesentlichen einen Winkel mit einem langen liegenden Schenkel ausgebil- det ist, dessen obere Oberfläche der erste Kontaktbereich 5 ist. Der Lamellenquerschnitt 25 ist stromleitend und wird während des Betriebs stark elektrisch beansprucht.

Erfindungsgemäß ist ein Vorsprung 10 gemäß einer ersten besonderen Aus- führungsform in Verlängerung der unteren Fläche 20 der Lamelle 2 auf der Stirnseite 18 zur Ankerwicklung 8 zugewandt ausgebildet. Auf einer äußeren radialen Außenkontur 17 des Vorsprungs 10 ist ein Verstärkungsring 9, der die Funktion eines Armierungsrings hat, angeordnet. Der Verstärkungsring 9 und der Vorsprung 10 sind in die Pressmasse 3 eingebettet. Die Einbettung vereinfacht die Fertigung und sichert den Verstärkungsring 9 in seiner Position über die Lebensdauer des Kommutators 1. Der Verstärkungsring 9 wirkt auf die Außenkontur 17 des Vorsprungs mit radialen Kräften und verhindert ein Auseinanderbewegen der Lamellen 2.

Der Kommutator 1 hat den Vorteil, dass die Lamellen 2 mit einem Verstärkungsring 9 zusammengehalten werden, der sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten zulässt und eine hohe Lebensdauer des Kommutators 1 ermög- licht. Der Vorsprung 10 ist außerhalb des im Wesentlichen stromleitenden Querschnitts, dem Lamellenquerschnitt 25, im Längsprofil angeordnet, somit ist die Stromleitung im Betrieb gerade in diesem elektrisch beanspruchten Lamellenquerschnitt 25 verbessert und dadurch die thermische Belastung reduziert. Zudem ergeben sich auch Fertigungsvorteile, beispielsweise beim Hotstaken, d.h. Verschweißen der Wicklungsenden 81 , 82 am zweiten Kontaktbereich 7.

Die Fig. 1 zeigt ferner die Lamelle 2 mit einer Aussparung 11 in Form einer Nut an der Stirnseite 19, die zur Ankerwicklung 8 abgewandt ist. In die Aus- sparung 11 ist ein Armierungsring 12 eingesetzt und in die Pressmasse 3 eingebettet. Der stirnseitige Armierungsring 12 in der Aussparung 11 verbessert die Stabilität bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten und führt zu einer hohen Lebensdauer. Zur sicheren Befestigung des Kommutators 1 auf einer nicht dargestellten Ankerwelle, ist in die Pressmasse 3 eine Wendel- buchse 23 aus Metall eingebettet.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Kommutators 1 mit der Lamelle 2 gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist, im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Fig. 1 , die Außen- kontur 17 des Vorsprungs 10 im Wesentlichen auf der Höhe der Oberfläche des ersten Kontaktbereichs 5 ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Lamelle 2 durch den Vorsprung 10 aufgedickt bzw. verdickt ist und die thermische Entlastung im Lamellenquerschnitt 25 aufgrund höherer Wärmeka- pazität verbessert ist.

Die Lamellen 2 sind und keilförmig ausgebildet und beidseitig im Querschnitt gesehen profiliert, um in der Pressmasse 3 durch eine Einbettung sicher verankert zu sein. Die Lamellen 2 sind somit durch die Pressmasse 3 isoliert voneinander angeordnet. Der Vorsprung 10 ist zur Verbesserung der Stabilität so hoch wie möglich aufgedickt, um aus dem Bereich einer Profilierung der Lamellen 2, durch die die Lamellen 2 in der Pressmasse 3 gehalten werden, herauszukommen. Oberhalb der Profilierung der keilförmigen Lamellen 2 ist ausreichendes Kupfermaterial vorhanden, das die Kräfte des Verstärkungsrings 9 auch beim Auftreten von Zentrifugalkräften sicher aufnimmt.

Die Fig. 1 , 2 und 3 zeigen den Vorsprung 10 mit einer rechteckförmigen Fläche. Es versteht sich jedoch, dass der Vorsprung 10 aus anderen geometri- sehen Formen, wie beispielsweise einem rechtwinkligen Dreieck, ausgebildet sein kann, die die gleiche Funktion erfüllen.

Die Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform vom Kommutator 1. Es ist bekannt einen Kommutator 1 an der Stirnseite 18, die der Ankerwicklung 8 zu- gewandt ist, eine Aussparung 13 in Form einer Nut mit einem Armierungsring 14 auf der gleichen Höhe, wie die Aussparung 11 mit dem Armierungsring 12 an der gegenüberliegenden Stirnseite 19 auszubilden. Gemäß der dritten Ausführungsform werden die Lamellen 2 mit herkömmlichen Werkzeugen einer bekannten standardisierten Ausführungsform hergestellt und zur Verbesserung der Stabilität, um mit dem Kommutator 1 höhere Drehzahlen zu erreichen, wird stirnseitig zur Ankerwicklung 8 der Vorsprung 10 mit der Außenkontur 17 ausgebildet. Der Verstärkungsring 9 wird auf die Außenkontur 17 aufgesetzt. Die Pressmasse 3 umgibt den Verstärkungsring 9 und die beiden Armierungsringe 12 und 14 und bettet diese sicher über die Lebensdauer ein.

Die Fig. 4 zeigt eine vierte besondere Ausführungsform des Kommutators 1 mit einer erfindungsgemäßen Form der Lamelle 2, wie in der Fig. 2 gezeigt ist. Die Lamelle 2 kann auch die Form wie in der Fig. 1 oder 3 aufweisen. Wichtig in der Fig. 4 gezeigten besonderen Ausführungsform ist, dass der Verstärkungsring 9 durch ein besonderes Herstellungsverfahren nach der Einbettung der Lamellen 2 in die Pressmasse 3 an der zur Ankerwicklung 8 zugewandten Stirnseite 18 auf die Pressmasse 3 aufgepresst wird und radiale Kräfte des Verstärkungsrings 9 auf die Außenkontur 17 des Vorsprungs 10 wirken. Somit nimmt der Verstärkungsring 9 im Betrieb auftretende Zentrifugalkräfte sofort auf und verhindert ein Aufweiten der Lamellen 2. Eine Vorschädigung des Kommutators 1 wird sicher vermieden. Die Fes- tigkeit der Kommutators 1 ist gegenüber einem herkömmlichen Kommutator 1 ohne Vorsprung 10 optimiert. Aufgrund des zusätzlichen Vorsprungs 10 mit dem Verstärkungsring 9 kann ein Kommutator 1 mit einer höheren Grenzdrehzahl und einer langen Lebensdauer hergestellt werden. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.