Beschreibung

Titel

Verfahren zum Herstellen eines Kommutatorrings für einen Rollkommutator einer Elektromaschine, sowie Elektromaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kommutatorrings für einen Kommutator einer Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Stand der Technik

Aus der DE 195 43 998 A1 und der DE 197 43 086 A1 sind bereits Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung von sogenannten Rollkommutatoren bekannt. Bei diesen Verfahren wird ein zuvor geprägtes, mit einem gewünschten Profil versehenes Endlosband aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden verformbaren Metall quer zu seiner Bewegungsrichtung gekerbt, um die Lamellen zu formen, die durch einen schmalen Steg mit den benachbarten Lamellen verbunden sind und bei dem Kommutator aus der DE 195 43 998 A1 mehrere in Längsrichtung des Bandes verlaufende schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen aufweisen. Von dem derart umgeformten Endlosband wird eine gewünschten Anzahl von Lamellen abgetrennt und durch Rollen mittels eines Rollwerkzeugs zum Kommutatorring geschlossen.

In den geschlossenen Kommutatorring wird anschließend ein hohlzylindrischer Träger so eingeführt, dass er koaxial zum Kommutatorring ausgerichtet ist, und dann der Zwischenraum zwischen dem inneren Umfang des Kommutatorrings und dem äußeren Umfang des Trägers mit einer fließfähigen Isoliermasse vergossen, welche die um den inneren Umfang des Kommutatorrings umlaufenden schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen und die axialen Kerben zwischen den Lamellen füllt und nach dem Vergießen aushärtet, um eine sichere formschlüssige Verbindung zwischen dem Träger und dem

Kommutatorring herzustellen und die benachbarten Lamellen an der Kontaktfläche der Kohlebürsten elektrisch voneinander zu isolieren.

Da sich die mit dem Kommutator ausgestatteten Elektromaschine im Betrieb mit Drehzahlen von bis zu 30 000 Umdrehungen pro Minute drehen kann, unterliegt der Kommutatorring starken Zentrifugalkräften, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einer unerwünschten Verformung des metallischen Kommutatorrings und damit ggf. zu einer vermehrten Funkenbildung zwischen den Kohlebürsten und dem Kommutator führen können. Um dem entgegenzuwirken, ist es aus der DE 103 19 460 A1 unter anderem bereits bekannt, die Stirnenden der Lamellen mit nutartigen Ausnehmungen zu versehen, die von einem vorspannbaren Ringanker durchgriffen werden, der jede einzelne Lamelle radial nach innen auf den Träger des Kommutatorrings vorgespannt hält. Dadurch werden zumindest die Stirnenden der Kommutatorlamellen daran gehindert, sich bei hohen Betriebsdrehzahlen des Kommutators radial nach außen vom Träger bzw. von der Isoliermasse zu lösen. Zur Vermeidung von Unwuchten sollte der Ringanker allerdings rotationssymmetrisch ausgebildet sein, was die Konstruktion vorspannbarer Ringanker aus zugfesten, nicht dehnbaren Materialien erheblich erschwert. Darüber hinaus ist auch die Fertigung und Montage von vorspannbaren Ringankern im Kommutatorring relativ aufwändig.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein Armieren des Kommutatorrings von Rollkommutatoren erleichtert wird, und eine

Elektromaschine der eingangs genannten Art mit einem einfach herzustellenden und zu montierenden armierten Kommutatorring bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach dem Schließen der Lamellen ein Armierungsring aus einem elektrisch nicht-leitenden verformungsbeständigen Material in die Ausnehmung eingeführt und durch plastische Verformung der Lamellen des geschlossenen Kommutatorrings in der Ausnehmung fixiert wird.

Durch diese Maßnahme kann zum einen der Armierungsring aus einem beliebigen geeigneten Material und mit einer beliebigen geeigneten Form hergestellt werden. Zum anderen wird der Armierungsring durch die Verformung des Kommutatorrings in der Ausnehmung gesichert, so dass er vor versehentlichem Verlieren bei weiteren Bearbeitungsvorgängen geschützt ist. Außerdem kann auf diese Weise die Temperatur- und Schleuderfestigkeit des fertigen Kommutators verbessert und durch die Verformung des Kommutatorrings auf ein aufwändiges Vorspannen des Armierungsrings verzichtet werden.

Im Hinblick auf die Elektromaschine wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein die Ausnehmung begrenzender Teil der Lamellen zur Fixierung des Armierungsrings plastisch verformt ist, so dass dort die Lamellen gegen den Armierungsring angepresst werden.

Die Ausnehmung in den Lamellen ist vorzugsweise in axialer Richtung des geschlossenen Kommutatorrings offen, so dass der Armierungsring in dieser Richtung in die Ausnehmung eingeführt werden kann. Nach dem Verformen des Kommutatorrings kann die Ausnehmung in axialer Richtung offen bleiben, jedoch kann sie auch durch die ausgehärtete Verguss- oder Isoliermasse verschlossen werden, die den Kommutatorring beim fertigen Kommutator mit seinem Träger verbindet. In diesem Fall dringt die Verguss- oder Isoliermasse nicht nur in die Zwischenräume zwischen den Lamellen sondern auch in die Ausnehmung ein, wodurch der Armierungsring zusätzlich in der Ausnehmung gesichert wird.

Dort, wo die Lamellen des Kommutatorrings eine einzige Ausnehmung für einen Armierungsring aufweisen, ist diese Ausnehmung zweckmäßig im Bereich eines Ankerlagers der Elektromaschine angeordnet. Jedoch können die Lamellen auch zwei Ausnehmungen aufweisen, die so an den entgegengesetzten Stirnenden des Kommutatorrings angeordnet sind, dass in jeder Ausnehmung ein Armierungsring fixiert werden kann.

Die Fixierung des Armierungsrings in der Ausnehmung unter plastischer Verformung der Lamellen des Kommutatorrings erfolgt vorzugsweise durch

Verstemmen von mindestens einem Randbereich der Ausnehmung, jedoch kann der Armierungsring auch dadurch in der Ausnehmung fixiert werden, dass eine Begrenzung derselben beim geschlossenen Kommutatorring in Richtung der Drehachse des Kommutators nach innen gebogen ist und durch Hindurchführen eines Doms durch die vom Kommutatorring umschlossene öffnung von innen her gegen eine gegenüberliegende innere Umfangsfläche des Armierungsrings angepresst wird.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Armierungsring in einer Ausnehmung der Lamellen zu fixieren, die in radialer Richtung in die als Lauffläche für die Kohlebürsten dienende Umfangsfläche des Kommutatorrings mündet. Diese Lösung ist jedoch ungünstiger als eine in axialer Richtung offene Ausnehmung, da sich ein in Umfangshchtung geschlossener Armierungsring nur in eine in axialer Richtung offene Ausnehmung einführen lässt, die dann durch Verformung des Kommutatorrings an der offenen Seite geschlossen werden muss, was eine stärkere Verformung der Lamellen erforderlich macht.

Der Armierungsring besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Harz- oder Kunststoffmaterial, so dass er sich einfach und preiswert herstellen lässt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines sogenannten Rollkommutators für eine elektrische Maschine;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Kommutators;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines profilierten metallischen Bandmaterials, das zur Fertigung eines Kommutatorrings des Kommutators verwendet wird;

Fig. 4 eine Stirnseitenansicht eines Abschnitts des Bandmaterials nach dem Formen von Lamellen des Kommutatorrings;

Fig. 5 eine Stirnseitenansicht eines Abschnitts des Bandmaterials nach dem Schließen der Lamellen zum Kommutatorring;

Fig. 6 eine Stirnseitenansicht entsprechend Fig. 5, jedoch nach dem Einführen eines Armierungsrings in eine in den Lamellen ausgesparte Nut;

Fig. 7 eine Schnittansicht des Kommutatorrings entlang der Linie VII-VII der Fig. 5;

Fig. 8 eine Schnittansicht des Kommutatorrings nach dem Einführen des Armierungsrings in die Nut entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 6;

Fig. 9 eine Ansicht entsprechend Fig. 8, jedoch nach einem

Fixieren des Armierungsrings in der Nut unter plastischer Verformung des

Kommutatorrings;

Fig. 10 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 7, jedoch von einem Kommutatorring mit zwei Armierungsringen;

Fig. 11 eine Ansicht des Kommutatorrings aus Fig. 10, entsprechend Fig. 8.

Fig. 12 eine Ansicht des Kommutatorrings aus Fig. 10, entsprechend Fig. 9.

Ausführungsformen der Erfindung

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte hohle Kommutator 2 einer elektrischen Maschine ist zur Montage auf einer Rotorwelle eines Rotors der elektrischen Maschine bestimmt. Der Kommutator 2 besteht im Wesentlichen aus einem an seinem inneren Umfang angeordneten spiralig gewundenen röhrenförmigen Träger 4, einem am äußeren Umfang des Kommutators 2 angeordneten metallischen Kommutatorring 6, der eine Mehrzahl von axialen Lamellen 8 umfasst, sowie einer aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial bestehenden

ausgehärteten Isolier- oder Vergussmasse 10, die den Kommutatorring 6 formschlüssig mit dem Träger 4 verbindet und die Lücken 12 zwischen jeweils benachbarten Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 füllt. Der Kommutator 2 umfasst weiter einen Armierungsring 14 (Fig. 1 , 8 und 9) oder zwei Armierungsringe 15, 16 (Fig. 11 und 12), die jeweils in einer zugehörigen, im Wesentlichen ringförmigen Aufnahmenut 18 bzw. 20 und 22 der Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 angeordnet sind. Die Armierungsringe 14, 15, 16 verhindern, dass sich der Kommutatorring 6 infolge der im Betrieb bei hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte verformt bzw. vom Träger 4 löst.

Im Längsschnitt des Kommutators 2 gesehen besitzen die Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 ein L-förmiges Profil, wie am besten in Fig. 2 und 7 bis 12 dargestellt. Ein längerer, zur Drehachse 24 des Kommutators 2 paralleler Schenkel 26 bildet mit seiner Außenseite 27 den Gegenkontakt für die auf dem Umfang des Kommutators 2 gleitenden Kohlebürsten, während ein an einem Stirnende des längeren Schenkels 26 radial überstehender kürzerer Schenkel 28 als Wicklungsanschluss dient, der nach der Montage des Kommutators 2 auf der Rotorwelle mit den Rotorwicklungen verbunden wird. An seinem inneren Umfang weist der Kommutatorring 6 drei ausgesparte etwa schwalbenschwanzförmige Befestigungsnuten 30 auf, die sich ebenso wie die Lücken 12 zwischen den Lamellen 8 bei der Montage des Kommutatorrings 6 auf dem Träger 4 mit der fließfähigen Isolier- oder Vergussmasse 10 füllen.

An den beiden entgegengesetzten Stirnenden des Kommutators 2 bildet die Isolier- oder Vergussmasse 10 jeweils einen Bund 32 bzw. 34, der einen Teil der benachbarten Stirnflächen der Lamellen 8 des Kommutatorrings 6 überlappt und die Aufnahmenut 18 bzw. die Aufnahmenuten 20 und 22 verschließt.

Der Armierungsring 14 bzw. die beiden Armierungsringe 15 und 16 bestehen aus einem mit Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern verstärkten

Kunststoff- oder Harzmaterial und weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf.

Zur Herstellung des Kommutatorrings 6 wird ein profiliertes Bandmaterial 34 aus Kupfer oder einem anderen verformbaren elektrisch leitenden Metall verwendet,

von dem in Fig. 3 ein Abschnitt dargestellt ist. Der Querschnitt des profilierten Bandmaterials 34 entspricht im Wesentlichen dem Querschnitt der Lamellen 8, jedoch mit dem Unterschied, dass sich die zur Aufnahme des Armierungsrings 14 dienende Aufnahmenut 18 bzw. die zur Aufnahme der Armierungsringe 15, 16 dienenden Aufnahmenuten 20, 22 in Richtung der benachbarten Stirnfläche der Lamellen 8 erweitern und im Vergleich zum Querschnitt des zugehörigen Armierungsrings 14, 15, 16 einen etwas größeren Nutquerschnitt aufweisen. Speziell divergiert mindestens eine der beiden gegenüberliegenden Begrenzungen der Aufnahmenut 18 bzw. 20 und 22 in Richtung der benachbarten Stirnfläche.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Vielzahl von quer zur Längsrichtung des Bandmaterials 34 verlaufenden parallelen Kerben 38, 40 (Fig. 4) in die entgegengesetzten Seiten des Bandmaterials 34 eingeformt, wodurch sich bei Betrachtung der mit der Aufnahmenut 18 versehenen Stirnfläche des Bandmaterials 34 in Fig. 3 der in Fig. 4 dargestellte Querschnitt mit einer Vielzahl von parallelen Lamellen 8 ergibt, die von den beiden benachbarten Lamellen 8 jeweils durch eine obere und eine untere Kerbe 38 bzw. 40 getrennt und mit diesen Lamellen 8 jeweils durch einen dünnen Steg 42 verbunden ist.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird von dem quer zur Längsrichtung gekerbten Bandmaterial 34 eine vorbestimmte Anzahl von Lamellen 8 abgetrennt, indem das Bandmaterial 34 entlang von einem der Stege 42 durchschnitten wird.

Die abgetrennten Lamellen 8 werden anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt mittels eines Rollwerkzeugs zum geschlossenen Kommutatorring 6 geformt, wie in Fig. 5 als Ausschnitt dargestellt, wobei sich die unteren Kerben 40 zwischen den längeren Schenkeln 26 bis auf schmale Spalte schließen, während die oberen Kerben 38 zwischen den kürzeren Schenkeln 28 weiter werden.

Bei diesem Verfahrensschritt wird auch jede der zuvor in gerader Linie durch ein bzw. beide Stirnenden des längeren Schenkels 26 verlaufende Aufnahmenuten

18, 20, 22 zu einer polygonal geformten Aufnahmenut 18, 20, 22, wie in Fig. 5 am Beispiel der Aufnahmenut 18 dargestellt.

Wie in Fig. 6 am Beispiel der Aufnahmenut 18 dargestellt, wird beim nächsten Verfahrensschritt in jede dieser in axialer Richtung offenen, in die benachbarte Stirnfläche des Kommutatorrings 6 mündenden Aufnahmenuten 18, 20, 22 der zugehörige Armierungsring 14 bzw. 15, 16 in axialer Richtung eingeführt.

Beim folgenden Verfahrensschritt wird der Armierungsring 14 bzw. 15, 16 unter plastischer Verformung des Kommutatorrings in der zugehörigen Aufnahmenut 18 bzw. 20, 22 fixiert. Dazu wird das jeweils benachbarte Stirnende des Kommutatorrings 6 durch eine in radialer Richtung von innen und von außen auf den inneren und den äußeren Umfang der Lamellen 8 aufgebrachte Druckkraft F unter plastischer Verformung zusammengedrückt, wie in Fig. 9 bzw. 12 dargestellt, um den Armierungsring 14 bzw. 15, 16 in der zugehörigen

Aufnahmenut 18 bzw. 20, 22 festzuklemmen, so dass die gegenüberliegenden inneren und äußeren Begrenzungen der Nut 18, 20, 22 im Bereich der Lamellen

8 gegen die innere bzw. äußere Umfangsfläche des Armierungsrings 14; 15, 16 angepresst werden.

Bei dem in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Kommutatorring 6 kann dies zum Beispiel auch dadurch erfolgen, dass ein zylindrischer Dorn mit einem dem Innendurchmesser der inneren Umfangsfläche 50 des Kommutatorrings 6 entsprechenden Außendurchmesser und mit einem verjüngten vorderen Stirnende von dem mit den kürzeren Schenkeln 28 bzw. Wicklungsanschlüssen versehenen Stirnende des Kommutatorrings 6 her in Richtung des Pfeils A in Fig.

9 durch den vom Kommutatorring 6 umschlossenen Hohlraum 52 gedrückt wird, um eine zuvor zur Stirnfläche 54 hin divergierende innere Begrenzung 56 der Nut 18 im Bereich der Lamellen 8 nach außen gegen die innere Umfangsfläche des Armierungsrings 14 zu drücken.

In beiden Fällen verhindert ein den Umfang des Kommutatorrings 6 umgebendes hohlzylindrisches Widerlager (nicht dargestellt) ein übermäßiges Aufweiten der Stirnenden der Lamellen 8.