Kommutator mit Armierungsring Die Erfindung betrifft einen Kommutator mit in Pre stoff einge- bettenen Kupfersegmenten, die an mindestens einer Stirnfläche in einer Aufnahme einen koaxial zur Kommutatorrotationsachse angeordneten Armierungsring aufnehmen, der aus einem im Quer- schnitt rechteckförmig ausgebildeten Metallring sowie aus einem im Querschnitt rechteckförmigen und mit dem Metallring zusam- mengefügten Isolierring besteht. Des weiteren betrifft die Er- findung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kommuta- tors, bei dem ein aus Kupfersegmenten bestehender Körper mit mindestens einer Aufnahme für einen aus einem Metallring und einem Isolierring bestehenden Armierungsring hergestellt, der Armierungsring auf dieser Aufnahme aufgebracht und der Kommuta- tor anschlie end mit Pre stoff vergossen wird.

Es sind verschiedene Ausführungen von Kommutatoren bekannt, die mit Glasfaser-Artnierungsringen verstärkt sind. Trotz der gro en Vorteile dieser Kommutatoren, zum Beispiel weist der Glasfaser- ring eine vorteilhafte Dehnungscharakteristik auf und lä t sich gut vor- bzw. verspannen, ferner lassen sich Glasfaserringe auf den Halteanker aus Kupfer direkt aufschieben, da die Armie- rungsringe zugleich elektrische Isolatoren sind, haben derarti- ge Kommutatoren doch eine Schwäche gegenüber den mit Stahlrin- gen armierten Kommutatoren. Diese Schwäche äu ert sich bei der Anwendung dieser Kommutatoren für hochwärmebelastete Motoren oder bei Langzeitbetrieb unter hohen Temperatureinflüssen. Auch ist es möglich, da es aufgrund irgendeines Fehlers zu einer Wärmeüberbelastung kommt. Bei allen Wärmeüberbelastungen kann eine lokale Erweichung des Isolationsrings bzw. Glasfaserrings eintreten, wenn kostengünstige Harze verwandt werden. Dies hat zur Folge, da sich die Kommutatorsegmente über die Tole- ranzwerte hinaus verschieben können, wodurch die Lebensdauer derartiger Kommutatoren beträchtlich vermindert ist.

Es sind daher bereits Kommutatoren vorgeschlagen worden, bei denen der Armierungsring aus mindestens einem im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmigen Metallring besteht, der von einem im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmigen Isolierring aufgenommen ist.

Ein derartiger Kommutator ist beispielsweise aus der DE-OS 43 02 759 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen Kommutator für einen Elektromotor mit fächerförmig am Umfang verteilten Kupferlamellen, die mit Hinterschneidungen aufweisenden In- nenstegen in einem isolierenden Träger aus einer Kunststoff- Pre masse verankert sind. Dabei ist ein zumindest einen me- tallischen Spannring umfassender Armierungsring im Träger eingeschlossen, der die Innenstege an Fortsätzen im Bereich der Hinterschneidungen umgreift und zumindest auf seiner, den Fortsätzen zugewandten Innenseite, eine isolierende Zwischen- lage aufweist. Dabei besteht die Zwischenlage aus einem dem Spannring schlüssig eingepa ten Stützring aus einem, auch bei hohen Arbeitstemperaturen druckfesten und isolierenden Mate- real.

Da zwischen Spannring und Stützring ein Pre sitz vorgegeben ist, wodurch der Spannring und der Stutzring eine starre und feste Einheit als Armierungsring bilden, müssen beide Ringe vor ihrer Zusammensetzung mit hochgenauen Abmessungen und so- mit sehr engen Fertigungstoleranzen hergestellt werden, damit sowohl immer die gleiche Pre kraft zwischen den beiden Ringen als auch eine entsprechende Pa genauigkeit in den Hinter- schneidungen sichergestellt werden kann.

Hinzu kommt, da in dem Fall, in dem der Stützring aus Glas besteht, eine Vorspannung zur Ermöglichung des Pre sitzes nur mit sehr gro em Aufwand herstellbar ist.

Ferner ist es möglich, das bei einer Ausführung mit Glasfa- serring dieser bei einer hohen Temperatur erweicht werden kann, wenn preiswertes, nicht wärmebeständiges Harz verwandt wird, was zumindest zu einer Beschädigung dieses aus dem Glasfaserring und einem Metallring bestehenden Armierungsrin- ges führen kann.

Des weiteren kann der zwischen der Nabe und dem Metallring angeordnete Isolationsring bzw. Glasring in seinem in den Kommutator eingebauten Zustand nicht mehr vorgespannt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kommu- tator der eingangs genannten Art anzugeben, der mit technisch einfachen Mitteln sowohl bei hohen Arbeitstemperaturen als auch bei hohen Drehzahlen stets eine sichere Drehfestigkeit aufweist, gleichzeitig einfach herstellbar ist und auch noch die Vorteile des Dehnungsverhaltens des Isolationsringes aus- nutzen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Kommutator der eingangs genann- ten Art dadurch gelöst, da der Isolierring in axialer Rich- tung von innen nach au en gesehen aus einem Tragteil sowie einem sich radial au en daran anschlie enden und axial ver- setzten Zentrier- bzw. Flanschteil besteht, die beide ein- stückig miteinander ausgebildet sind. Dabei weisen sie eine Stufenform auf, so da der Metallring derart in die Stufen- form des Isolierrings eingepa t ist, da ein Teil der radia- len Au enfläche des Metallringes an der radialen Innenfläche des Flanschteiles und die Stirninnenfläche des Metallringes vollständig an der Stirnau enfläche des Tragteiles anliegt.

Dadurch bildet der Armierungsring ein mehrfaches Armierungs- system derart, da der Metallring und der Tragteil des Iso- lierrings positionsmä ig getrennt sind und voneinander unab- hängig, jeder auf seiner axialen Höhe von Halteankern funkti- onsmä ig die Kraft trägt, die aus der Wirkung der Zentrifu- galkraft der Kupfersegmente hervorgeht. In axialer Richtung von au en nach innen gesehen drückt dabei ein erster Teil (a) der radialen Au enoberfläche der Halteanker über eine bei ho- hen Temperaturen druckfeste Zwischenschicht des Pre stoffes auf den Metallring, während ein in axialer Richtung innen daran sich anschlie ender zweiter Teil (b) der radialen Au- enoberfläche des Halteankers den Tragteil des Isolierrings selbständig trägt.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren der eingangs genannten Art anzugeben, das die Herstellung eines sowohl unter hohen Temperaturen als auch unter hohen Drehzahlen stets drehfesten Kommutators ermöglicht und gleichzeitig dessen Herstellungsproze extrem vereinfacht.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemä dadurch gelöst, da der Armierungsring herge- stellt wird durch stirnseitiges Zusammendrücken mindestens eines im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmigen Metall- ringes mit dem im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmi- gen Isolierring derart, da der Isolierring in axialer Rich- tung von innen nach au en gesehen aus einem Tragteil sowie einem sich radial au en daran anschlie enden und axial ver- setzten Zentrier- bzw. Flanschteil besteht, die beide ein- stückig miteinander ausgebildet sind und eine Stufenform da- bei aufweisen, da der Metallring derart in die Stufenform des Isolierrings eingepa t ist, da ein Teil der radialen Au- enfläche des Metallringes an der radialen Innenfläche des Flanschteiles und die Stirninnenfläche des Metallringes voll- ständig an der Stirnau enfläche des Tragteiles anliegt, da dadurch der Armierungsring ein mehrfaches Armierungssystem bildet derart, da der Metallring und der Tragteil des Iso- lierrings positionsmä ig getrennt sind und voneinander unab- hängig, jeder auf seiner axialen Höhe von Halteankern funkti- onsmä ig die Kraft trägt, die aus der Wirkung der Zentrifu- galkraft der Kupfersegmente hervorgeht, wobei in axialer Richtung von au en nach innen gesehen ein erster Teil (a) der radialen Au enoberfläche der Halteanker über eine bei hohen Temperaturen druckfeste Zwischenschicht des Pre stoffes auf den Metallring drückt, während ein in axialer Richtung innen daran sich anschlie ender zweiter Teil (b) der radialen Au- enoberfläche des Halteankers den Tragteil des Isolierrings selbständig trägt.

Die erfindungsgemä en Lösungen haben des weiteren den Vor- teil, da für den zusammengesetzten Ring nur ca. jeweils die Hälfte der sonst üblichen axialen Höhen des Isolierrings und des Stahl- bzw. Metallrings verwendet wird, was zu einer nicht unbeträchtlichen Materialeinsparung führt. Da sowohl der Metallring als auch der Isolierring doch mit relativ gro- ben Abmessungstolereanzen gefertigt werden können, sind auch die Herstellungskosten für den Armierungsring drastisch ge- senkt.

Eine besonders bevorzugte und kostengünstige Variante ist da- durch gegeben, da der Isolierring ein Glasfaserring ist und trotzdem kostengünstige und somit nicht höchstwärme- bzw.

hitzebeständige Harze verwendet werden können.

Au er bei Plankommutatoren ist es notwendig, an beiden Stirn- seiten des Kommutators eine derartige Armierung vorzusehen.

Ferner ist es von Vorteil, wenn nur der Tragteil des Isolier- ringes auf dem radial nach au en weisenden Teil der Haltean- ker unabhängig von dem Metallring vorgespannt ist. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, da dieser nach au en weisende Bereich der radialen Au enoberfläche der Hal- teanker zur Rotationsachse geneigt ausgebildet ist.

Obwohl die vorangegangene Beschreibung im wesentlichen einen normalen Lamellenkommutator betrifft, ist die Erfindung nicht auf einen derartigen Kommutator begrenzt. So ist es durchaus auch möglich, die erfindungsgemä e Lösung an einem Plankommu- tator anzuwenden, d.h., es kann der gleiche Armierungsring verwandt werden.

Gemä einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, da der Metallring ringscheibenförmig ausgebildet ist und eine sich koaxial erstreckende Nut aufweist, in welche der an dem Metallring anliegende Teil eingreift.

Durch diese Form des Metallringes ist ein Kippen des Plankom- mutators wirksam verhindert.

Auch hier ist es von Vorteil, wenn der Isolierring stufenför- mig mit einem Tragteil und einem Flanschteil ausgebildet ist, wobei der Flanschteil axial versetzt in die Nut des Metall- ringes eingreift, der Raum zwischen der Innenumfangsfläche des Metallringes und den der Rotationsachse angrenzend ange- ordneten Halteanker von Kupfersegmenten mit Pre stoffgefüllt ist, die ein Teil des Isolierkörpers des Plankommutators ist.

Besonders bevorzugt ist dann, wenn der Metallring und der Tragteil des Isolierringes positionsmä ig getrennt sind und voneinander unabhängig1 jeder auf seiner axialen Höhe der Schenkel funktionsmä ig die Kraft tragen kann, die aus der Wirkung der Zentrifugalkraft der Kupfersegmente hervorgeht, wobei ein erster Teil der Schenkel über eine bei hohen Tempe- raturen druckfeste Zwischenschicht des Pre stoffes auf den Metallring drückt, während ein zweiter Teil der Schenkel den Tragteil des Isolierringes selbständig trägt.

Der Metallring ist sehr einfach herstellbar, indem er bei- spielsweise aus einem Blech ausgestanzt wird. Dies ist auf- grund der geringen axialen Höhe des Metallringes möglich. Der Metallring kann aber auch von einem Metallrohr abgelängt wer- den. Auch hier ist die vergleichsweise geringe axiale Höhe von Vorteil, da dadurch von einem Metallrohr mit gegebener Länge mehr Metallringe abgetrennt werden können.

Damit dieser Vorteil nicht verlorengeht, sondern sich noch weiter erhöht, wird bevorzugt der Isolierring als ein Glasfa- serring hergestellt, der durch entsprechendes Wickeln von Glasfasern unter Zugabe von Kunstharz oder durch Abtrennen von einem Glasfaserrohr hergestellt wird.

Auch hier ist es möglich, ein Glasfaserrohr zu verwenden, das dann unter Ausbilden von Glasfaserringen mit geringer axialer Höhe abgelängt werden kann.

Die erfindungsgemä e Lösung für ein Verfahren der eingangs genannten Art ist auch für die Herstellung von Plankommutato- ren anwendbar, d.h., es kann der gleiche Armierungsring ver- wendet werden.

Dabei ist es aber auch möglich, da der Metallring ringschei- benförmig ausgebildet wird und eine sich koaxial erstreckende Nut aufweist, in welche der an dem Metallring anliegende Teil beim Zusammendrücken eingreifen kann. Dabei weist der Quer- schnitt dieses Metallringes ein höheres Widerstandsmoment auf.

Obwohl eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Herstellung dieser Nut vorhanden sind, ist es aus Kostengründen bevorzugt, die Nut in den Metallring einzustanzen derart, da auf der entge- gengesetzten Seite des Metallringes ein ringförmiger Fortsatz entsteht.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemä en Kommutators liegt darin, da der Armierungsring auf beiden Ringseiten direkt an die Kupfersegmente angelehnt werden kann. Das ermöglicht es, den Armierungsring in die Nuten der Kupfersegment direkt ein- zuschlagen bzw. im Falle eines Plankommutators auf den Sitz zu schieben, wobei der Armierungsring sich an die Kupferseg- mente anlegt und die Kupfersegmente dadurch in genaue radiale Stellungen ausgerichtet werden können.

Ein zusätzlicher Vorteil dieses erfindungsgemä en Kommutators besteht darin, da nur der Tragteil des Isolierringes unab- hängig vom Metallring vorgespannt ist.

Andere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh- rugnsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu- tert. Es zeigen: Fig.1 einen Teilquerschnitt durch einen Kommutator mit ei- nem Armierungsring gemä einer ersten erfindungsgemä- en Ausführungsform; Fig.2 einen Teilquerschnitt durch einen Plankommutator mit dem gleichen in Fig.1 gezeigten Armierungsring; und Fig.3 einen Teilquerschnitt eines Armierungsringes gem. ei- ner zweiten Ausführungsform.

Die Fig.l zeigt einen Teilquerschnitt durch einen Kommutator 10, dessen Kupfersegmente 26 in einem Pre stoff 12 eingegos- sen bzw. eingebettet sind und um eine Rotationsachse 14 im Betrieb des Kommutators 10 rotieren können.

Zur Erhöhung der Drehfestigkeit ist der Kommutator 10 minde- stens an einer, bevorzugt an beiden Stirnseiten jeweils mit einem Armierungsring 16 versehen, der aus einem Metallring 18 und einem Isolierring 20 besteht. Dabei wird der Armierungs- ring 16 von einer in den Kupfersegmenten 26 vorhandenen Auf- nahme 15 aufgenommen. Die Aufnahme 15 ist in dieser Ausfüh- rungsform nutförmig ausgebildet und wird von Hinterschneidun- gen in den einzelnen Kupfersegmenten 26 gebildet. Obwohl meh- rere Ausführungsformen für einen derartigen Isolierring vor- handen sind, ist ein Glasfaserring 20 als Isolierring bevor- zugt.

Das Kupfersegment 26 weist an seiner zur Rotationsachse 14 gerichteten Seite einen Halteanker 28 auf, der ein Teil der Aufnahme 15 für den Armierungsring 16 bildet.

Wie aus der Fig.l erkennbar, ist der Glasfaserring 20 derart stufenförmig aufgebaut, da er einen Tragteil 22 aufweist, der sowohl an der radialen Au enseite des Halteankers 28 an- liegt, als auch an der Basis der Aufnahme 15 anliegen kann.

Im gezeigten Beispiel von Fig.l liegt der Tragteil 22 nur an der radialen Au enseite des Halteankers 28 an.

An den Tragteil 22 schlie t sich ein Zentrier- bzw. Flansch- teil 24 des Glasfaserrings 20 an derart, da dieser Flansch- teil 24 axial zum Tragteil 22 versetzt ist und somit eine Stufenform aufweist. Ferner liegt die radiale Au enseite des Flanschteils 24 an der radial nach innen gerichteten Oberflä- che des Kupfersegmentes 26 an.

In der aus dem Tragteil 22 und dem Flanschteil 24 gebildeten Stufe ist der Metallring 18 derart aufgenommen, da seine ra- diale Au enoberfläche teilweise an dem Flanschteil 24 an- liegt, während seine axial nach innen gerichtete Stirnober- fläche vollständig an dem Tragteil 22 anliegt. Da zwischen der radialen Innenoberfläche des Metallringes 18 und der ra- dialen Au enoberfläche des Halteankers 28 ein Raum gebildet ist, kann dieser mit einer Zwischenschicht 30 aus Pre stoff 12 ausgefüllt werden.

Wie in der Fig.l gezeigt, bildet die axiale Au enoberfläche des Halteankers 28 von au en nach innen gesehen einen ersten Teil a, über den der Halteanker 28 mittels der bei hohen Tem- peraturen druckfesten Zwischenschicht 30 des Pre stoffes 12 auf den Metallring 18 drückt, während ein sich innen daran anschlie ender zweiter Teil b im wesentlichen an der radialen Innenoberfläche des Tragteils 22 anliegt.

In der Fig.2 ist ein Teilquerschnitt eines Plankommutators 110 dargestellt, der eine zweite Ausführungsform der Erfin- dung bildet, allerdings den in Fig.1 gezeigten Armierungsring verwendet. In der Fig.2 wurden die mit der in Fig.l gezeigten Ausführungsform gleichen Teile mit der gleichen, allerdings um 100 erhöhten Bezugszahl bezeichnet, um das Verständnis zu erleichtern.

Der in Fig.2 gezeigte Plankommutator 110 besteht aus im Quer- schnitt L-förmigen Kupfersegmenten 126, wobei die Bürsten- lauffläche senkrecht zu einer Rotationsachse 114 des Plankom- mutators 110 verläuft. Parallel zur Rotationsachse 114 ver- laufen Halteanker 128 der Kupferlamellen 126, die zusammen eine Aufnahme 115 für einen Armierungsring 116 bilden.

Der Armierungsring 116 wird aus einem Isolierring 120 und ei- nem Metallring 118 gebildet. Dabei besteht auch in diesem Beispiel der Isolierring 120 aus einem Glasfaserring.

Wiederum besteht der Glasfasserring 120 aus einem Tragteil 122, der sowohl an der nach innen gerichteten Oberfläche des Halteankers 128, als auch an der der Bürstenlauffläche abge- wandten Oberfläche des Kupfersegments 126 anliegt.

Ahnlich wie bei Fig.l ist auch bei dem Glasfaserring 120 von Fig.2 ein Zentrier- bzw. Flanschteil 124 axial derart ver- setzt, da der Glasfaserring 120 eine Stufe zur Aufnahme ei- nes Metallringes 118 bildet.

Auch hier werden wieder ein erster Teil a und auch ein zwei- ter Teil b, die den gleichen Bereichen von Fig.l entsprechen, gebildet, über die die Zentrifugalkraft der Halteanker 128 auf den Metallring 118 bzw. den Glasfaserring 120 übertragen wird. Au erdem ist der Plankommutator 110 mit Pre stoff 112 vergossen bzw. verpre t.

In der Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfin- dungsgemä en Kommutators, hier Plankommutators 210, darge- stellt, der in einer Aufnahme 215 einen Armierungsring 216 aufweist. Ferner werden die gleichen, allerdings um 100 er- höhten Bezugszahlen von Fig.2 verwendet.

Im Unterschied zu den Metallringen 18 und 118 der Fig.l und 2 weist der Metallring 218 der dritten Ausführungsform eine da- hin geänderte Form auf, da er ringscheibenförmig ausgebildet ist und eine sich koaxial zur Rotationsachse 214 erstreckende und zur Bürstenlauffläche gerichtete Nut 234 aufweist, in welche ein Teil eines Zentrier- bzw. Flanschteiles 224 eines Isolierringes 220 eingreift.

Aus dieser Fig.3 ist erkennbar, da der Metallring 218 einen der Nut 234 entgegengesetzten Fortsatz 236 aufweist, der ein Kippen des Plankommutators 210 verhindert.

Ähnlich wie bei der Fig.l ist auch bei den Ausführungsformen der Fig.2 und 3 jeweils eine bei hohen Temperaturen druckfe- ste Zwischenschicht 130 und 230 gebildet, die aus dem Pre - stoff 112 bzw. 212 besteht.

Aus der Fig.3 ist gut erkennbar, da sich an dem Tragteil 222 stufenformig axial versetzt der Flanschteil 224 anschlie t, dessen uberkragender Bereich in die Nut 234 eingreift. Der sich radial au en an den Flanschteil 224 anschlie ende Ab- schnitt des Metallringes 218 dient zur zusätzlichen Abstüt- zung der die Bürstenlauffläche bildenden Abschnitte der Kup- fersegmente 226. Zudem erhöht sich dadurch die Oberfläche, an die die Prei3stoff212 anhaften kann.

Im folgenden wird das erfindungsgemä e Verfahren zur Herstel- lung dieser Kommutatoren 10, 110 und 210 beschrieben. Bei dieser Herstellung wird ein aus Kupfersegmenten 26,126 und 226 bestehender Körper mit mindestens einem Sitz für einen aus einem Metallring 18,118 und 218 und einem Isolierring 20,120 und 220 bestehenden Armierungsring 16,116 und 216 her- gestellt. Anschlie end wird der Armierungsring 16,116 und 216 auf diesen Sitz aufgebracht und der Kommutator 10,110 und 210 daraufhin mit Pre stoff 12,112 und 212 vergossen bzw. ver- pre t.

Dabei wird der Armierungsring 16,116 und 216 hergestellt durch stirnseitiges Zusammendrücken mindestens eines im Quer- schnitt im wesentlichen rechteckförmigen Metallringes 18,118 und 218 mit dem im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmi- gen Isolierring 20,120 und 220. Dies geschieht dabei so, da mindestens ein Flanschteil 24,124 und 224 des Isolierringes 20,120 und 220 in axialer Richtung des Kommutators 10,110 und 210 von innen nach au en verschoben wird und den Metallring 18,118 bzw. 218 an seiner radialen Au enoberfläche umfa t bzw. in die Nut 234 eingreift.

Die Herstellung des Metallringes wird dabei bevorzugt so durchgeführt, da aus einem Blech ein entsprechender Metall- ring 18,118 ausgestanzt wird. Dies ist dadurch möglich, da die axiale Höhe der Metallringe 18,118 und 218 vergleichswei- se gering ist. Ferner kann der Metallring 18,118 und 218 auch von einem Metallrohr abgelängt werden, wobei aufgrund der ge- ringen axialen Höhe vergleichweise mehr Metallringe 18,118 und 218 von einem Rohr gegebener Länge abgetrennt werden kön- nen.

Auch die Herstellung des Isolierringes ist sehr einfach, ins- besondere wenn als Isolierring ein Glasfaserring 20,120 und 220 verwandt wird. Dieser Glasfaserring 20,120 und 220 kann entweder durch entsprechendes Wickeln von Glasfasern unter Zuführung von Kunstharz oder aber durch Abtrennen eines ent- sprechenden Stückes von einem Glasfaserrohr hergestellt wer- den, wobei auch hier aufgrund der geringen axialen Höhe mehr Glasfaserringe von dem Glasfaserrohr mit gegebener Länge ab- getrennt werden können.

Die Herstellung des Armierungsringes 16,116 und 216 geschieht durch einfaches Zusammenpressen der vorher mit den entspre- chendne Stirnseiten zusammengelegten Ringe, ohne jegliche axiale Spannung dabei auszuüben. Die beiden Ringe werden le- diglich axial relativ zueinander bewegt, wobei der entspre- chende Flanschteil 24,124 bzw. 224 von dem ehemals rechteck- förmigen Querschnitt des Glasfaserrings 20,120 bzw. 220 scherweise relativ zu dem Metallring 18,118 bzw. 218 verscho- ben wird.