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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Plankommutator mit einem aus
isolierendem Preßstoff gefertigten
Trägerkörper, einer
Mehrzahl von gleichmäßig um die
Kommutatorachse herum angeordneten Leitersegmenten und einer ebenso
großen
Anzahl von mit den Leitersegmenten formschlüssig, elektrisch leitend verbundenen,
aus Monokohle bestehenden, die Bürstenlauffläche definierenden
Kohlenstoffsegmenten.
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Plankommutatoren,
deren Bürstenlauffläche durch
die Stirnfläche
von Kohlenstoffsegmenten definiert wird, kommen anstelle von Kommutatoren
mit einer metallischen Bürstenlauffläche insbesondere
in einem korrosionsfördernden
Milieu zum Einsatz, wie beispielsweise an Antriebsmotoren von Kraftstoffpumpen
in Kraftfahrzeugen. Gattungsgemäße Plankommutatoren
zählen
dabei in vielen verschiedenen Ausführungen zum Stand der Technik.
Hinzuweisen ist in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die
DE 8908077 U1 ,
EP 583892 B1 ,
EP 1001501 B1 ,
US 5175463 A1 ,
DE 98007045 U1 ,
DE 19752626 A1 ,
US 5255426 A1 ,
DE 19652840 A1 ,
WO 97/03486,
DE 19601863
A1 ,
DE 4028420
A1 ,
EP 0667657
A1 ,
US 5442849
A1 , WO 92/01321,
DE
19713936 A1 ,
US 5637944
A1 und
DE
19713936 A1 . Weiteren einschlägigen Stand der Technik bilden
die
US 5629576 A1 ,
DE 19903921 A1 und
EP 0935331 A1 .
Die große Anzahl
von Schutzrechten, die sich mit Plankommutatoren mit Kohlenstoff-Lauffläche befassen,
belegt den großen
Bedarf an praxistauglichen Kommutatoren dieser Bauart. Zugleich
läßt sich
der große
Anzahl von Publikationen entnehmen, daß es eine Vielzahl von Problemkreisen
gibt, die bisher nicht in zufriedenstellendem Maße gelöst wurden.
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Dies
hängt unter
anderem damit zusammen, daß bei
bekannten gattungsgemäßen Plankommutatoren
verschiedene Anforderungen z.T. zueinander konkurrieren; hierzu
zählen
insbesondere die Ziele geringe Abmessungen, niedrige Herstellkosten
sowie hohe Zuverlässigkeit
und Lebensdauer des Kommutators auch unter besonders ungünstigen
Bedingungen. So konkurrieren beispielsweise die Abmessungen des
Plankommutators mit dessen Lebensdauer; denn die Drähte der
Rotorwicklung werden im allgemeinen an den Leitersegmenten angeschweißt, was
bei besonders kleinen Plankommutatoren leicht zu einer durch Überhitzung
verursachten Schädigung
der elektrisch leitenden Lötverbindungen
der Leitersegmente mit den Kohlenstoffsegmenten führt. Dies
ist der Hintergrund beispielsweise für die Vorschläge, zur
Verbindung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten ein hochtemperaturbeständiges Hartlot
einzusetzen (vgl.
EP
0935331 A1 ) bzw. die Kontaktpunkte zwischen Leitersegmenten
und Kohlenstoffsegmenten relativ weit entfernt von den Anschlüssen der
Rotorwicklung anzuordnen (vgl.
DE 19903921 A1 ); allerdings führt der
an erster Stelle genannte Vorschlag zu Mehrkosten, und der an zweiter
Stelle genannte Vorschlag ist mit der Verkleinerung der Kontaktpunkte
zwischen Leitersegmenten und Kohlenstoffsegmenten verbunden, was
hinwiederum eine ungünstige
Stromdichtenverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente nach sich
zieht. Andere Vorschläge,
dieses Problem zu lösen,
gehen dahin, die Wärmeübertragung
von den Anschlußfahnen zu
den Kontaktpunkten zwischen den Leitersegmenten und den Kohlenstoffsegmenten
zu reduzieren (
DE
19956844 A1 ) oder aber die Kohlenstoffsegmente und die
zugeordneten Leitersegmente ausschließlich oder aber zumindest ergänzend zu
einer Lötverbindung
durch Formschluß miteinander
zu verbinden. In diesem Sinne schlagen beispielsweise die
DE 19713936 A1 und
die US 2001/0024074 A1, die Plankommutatoren der gattungsgemäßen Bauart
offenbaren, jeweils vor, daß die
Kohlenstoffsegmente auf ihrer der Bürstenlauffläche gegenüberliegend angeordneten Stirnseite
zapfenförmige
Vorsprünge
aufweisen, welche jeweils in einen Durchbruch des zugeordneten Leitersegments
eingreifen. Nach der weitgehend vergleichbaren
EP 1001501 B1 ist dabei ergänzend vorgesehen
ist, daß die
aus den Leitersegmenten herausragenden Endabschnitte jener Vorsprünge durch
eine Stauchung mechanisch verformt werden, um eine möglichst
feste Verklemmung der Kohlenstoffsegmente an den Leitersegmenten
zu erzielen. Zu diesem Zweck sind die Kohlenstoffsegmente aus zwei
Lagen mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung aufgebaut, indem
die Vorsprünge und
die jeweils an diese angrenzenden Bereiche der Kohlenstoffsegmente,
anders als die an die Bürstenlauffläche angrenzenden
Bereiche, aus einem metallhaltigen Kohlenstoff bestehen. Dies begünstigt nicht nur
die Verformbarkeit der Vorsprünge
sondern auch die Stromdichtenverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente.
Allerdings ist die Herstellung derartiger Zweischicht-Kohlenstoffelemente
vergleichsweise teuer. Dieser Nachteil besteht nicht bei den bekannten
gattungsgemäßen Plankommutatoren
mit Kohlenstoffsegmenten aus "Monokohle". Indessen liegt
hier durch die nur kleinflächige
wirksame Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten
eine ungünstige
Stromdichtenverteilung vor, die zu einer Überlastung der Kontaktierung
führt.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Plankommutator der
eingangs angegebenen Art zu schaffen, der die vorstehend aufgezeigten
Nachteile vermeidet. Der entsprechende Plankommutator soll trotz
seiner Herstellbarkeit mit relativ geringen Abmessungen und zu vergleichsweise
geringen Kosten eine günstige
Stromdichtenverteilung am Übergang
von den Leitersegmenten auf die Kohlenstoffsegmente und eine hohe
Lebensdauer aufweisen.
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Gelöst wird
die vorstehend angegebene Aufgabenstellung gemäß Anspruch 1 durch einen Plankommutator
der eingangs angegebenen Art mit den folgenden Merkmalen:
jedes
Kohlenstoffsegment weist einen der Bürstenlauffläche gegenüberliegend angeordneten, ringförmigen Vorsprung
auf, dessen ringförmige
Stirnfläche mit
einer korrespondierenden ringförmigen
Kontaktfläche
des zugeordneten Leitersegments in Kontakt steht;
die ringförmigen Kontaktflächen sind
jeweils von einem Kontaktring des betreffenden Leitersegments, der
mit dem zugeordneten ringförmigen
Vorsprung im Bereich von dessen äußerer Umfangsfläche spaltfrei
in Kontakt steht, umgeben;
an jedem Leitersegment springt ein
von der ringförmigen
Kontaktfläche
umgebener Kontaktstift vor, der dergestalt spaltfrei in eine korrespondierende
Bohrung des zugeordneten ringförmigen
Vorsprungs des betreffenden Kohlenstoffsegments eingreift, daß die Kohlenstoffsegmente
jeweils über
die äußere Umfangsfläche, die
ringförmige
Stirnfläche
und die innere Umfangsfläche
des ringförmigen
Vorsprungs elektrisch leitend an die Leitersegmente angeschlossen sind;
die
dem Anschluß an
die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe, die
ringförmigen Kontaktflächen und
die äußeren Umfangsflächen der Kontaktstifte
sind oxidations- und korrosionsbeständig ausgeführt.
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Einen
weiteren Lösungsvorschlag
zeigt Anspruch 19 auf, der aufbauend auf denselben Grundlagen wie
Anspruch 1 einen Plankommutator zum Gegenstand hat, der sich gegenüber dem
Lösungsweg
nach Anspruch 1 durch eine andere Ausführung der mit den ringförmigen Vorsprüngen der
Kohlenstoffsegmente im Bereich von deren äußeren Umfangsflächen in
Kontakt stehenden Teile der Leitersegmente unterscheidet, indem
die Leitersegmente statt eines umlaufend geschlossenen Kontaktringes jeweils
mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Kontaktvorsprünge aufweisen,
wobei im Bereich der zwischen jeweils zwei einander benachbarten Kontaktvorsprüngen bestehenden
Durchbrüche
der Preßstoff
des Trägerkörpers an
den äußeren Umfangsflächen der
ringförmigen
Vorsprünge
der Kohlenstoffsegmente anliegt. Soweit im folgenden die vorliegende
Erfindung anhand des in Anspruch 1 aufgezeigten Lösungsansatzes
erläutert
wird, läßt sich hieraus
keine Beschränkung
der Erfindung auf diesen Plankommutator herleiten; vielmehr lassen sich die
nachstehend erläuterten
Gesichtspunkte einschließlich
der Vorteilsangaben zu bevorzugten Weiterbildungen auch auf den
Lösungsansatz
nach Anspruch 19 übertragen.
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Ein
für erfindungsgemäße Plankommutatoren
charakteristisches Merkmal ist die vorstehend dargelegte Kontaktierung
jedes Kohlenstoffsegments mit dem zugeordneten Leitersegment im
Bereich von mindestens drei Flächen,
nämlich
der äußeren Umfangsfläche, der
ringförmigen
Stirnfläche
und der inneren Umfangsfläche
des ringförmigen
Vorsprungs sowie ggfs. zusätzlich
der Grundfläche
der Bohrung des Kohlenstoffsegments. Dies läßt zum einen eine besonders
großflächige Kontaktierung
der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten zu; als Folge hiervon
ergibt sich eine besonders günstige
Stromdichtenverteilung am Übergang
von den Leitersegmenten zu den Kohlenstoffsegmenten und innerhalb der
Kohlenstoffsegmente, auch wenn diese kostengünstig als sog. "Monokohle" ausgeführt sind,
d.h. insbesondere nicht mehrlagig und weder ganz noch teilweise
aus einem mit Metallpartikeln versetzten Kohlenstoff. Zum anderen
bewirken die Kontaktstifte der Leitersegmente, die jeweils in eine
korrespondierende Bohrung des ringförmigen Vorsprungs des zugeordneten
Kohlenstoffsegments eingreifen, ggfs. bis zur stirnseitigen Anlage
an der Grundfläche
der Bohrung des Kohlenstoffsegments, in Verbindung mit den übrigen für die formschlüssige Verbindung
der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten charakteristischen
Merkmalen eine besonders wirksame, dauerhafte, elektrisch leitende
und auch hohen mechanischen Belastungen standhaltende mechanische
Verklemmung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten. Zu
der dauerhaften Verklemmung der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten trägt bei,
daß beim
Zusammenfügen
eines die (noch) miteinander verbundenen Leitersegmente umfassenden
Leiterrohlings und einer die (noch) miteinander verbundenen Kohlenstoffsegmente
umfassenden Kohlenstoffringscheibe die ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente im Bereich ihrer äußeren und inneren Umfangs flächen plastisch
verformt werden und des weiteren im Inneren der ringförmigen Vorsprünge eine
elastische Vorspannung aufgebaut wird, welche zu einer hohem Klemmkraft
und einer zuverlässigen
Kontaktierung führt.
Die plastische Verformung der ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente kann dabei insbesondere ein Eindringen der Randbereiche
der Kontaktringe sowie der Kontaktstifte der Leitersegmente in die
ursprüngliche Kontur
der ringförmigen
Vorsprünge
einschließen, wobei
eine mögliche
oberflächliche
Metallisierung der Kohlenstoffsegmente hier durch die Kontaktringe und
Kontaktstifte abgeschabt wird, so daß ein direkter Kontakt des
Kohlenstoffmaterials mit dem jeweiligen Kontaktring und Kontaktstift
möglich
ist. Die elastische Vorspannung nutzt das Elastizitätsmodul
des gehärteten
Kohlenstoffs der vorgeformten und vorgehärteten ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente. Für
die Erzeugung der Vorspannung kommt es maßgeblich darauf an, daß die Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente bei der Herstellung des Kommutators stirnseitig
gegen die zugeordneten Kontaktflächen
der Leitersegmente gepreßt
werden; denn hierdurch kann sich innerhalb der ringförmigen Vorsprünge die
beschriebene elastische Vorspannung aufbauen, die auch unter wechselnden
Temperaturverhältnissen
(-40°C bis
120°C) für eine zuverlässige Kontaktierung
der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten sorgt. In der Praxis
wird die betreffende Vorspannung dabei zweistufig aufgebaut, nämlich zum
einen beim Zusammenfügen
der Leitersegmente und der Kohlenstoffsegmente und dann, wenn vor
dem Spritzen des Trägerkörpers auf
die betreffende Form die volle Schließkraft aufgebracht wird. Die
durch die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge mögliche Klemmkraft, mit der
die Vorsprünge
der Kohlenstoffsegmente zu einer spaltfreien, elektrisch leitenden
Anlage des Kohlenstoffmaterials an den angrenzenden Flächen der
Kontaktringe und Kontaktstifte der Leitersegmente vorgespannt werden, übersteigt
sogar die Festigkeit des Kohlenstoffmaterials, so daß ein Herausziehen
der Vorsprünge
aus den Leitersegmente nicht möglich
ist.
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Weisen
die Kohlenstoffsegmente gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung keine oberflächliche
Metallisierung auf, so ist durch die elastische Verformung der Vorsprünge (s.o.)
auch im Bereich der Stirnflächen
der Vorsprünge
ein spaltfreier, vorgespannter direkter Kontakt zwischen dem Kohlenstoffmaterial
der Kohlenstoffsegmente und dem jeweiligen Leitersegment möglich. Diesem spaltfreien
stirnflächigen
Kontakt der Vorsprünge
der Kohlenstoffsegmente zu den zugeordneten Kontaktflächen der
Leitersegmente kann eine besondere Bedeutung zukommen. In diesem
Zusammenhang erweist sich bei dem erfindungsgemäßen Plankommutator nach Anspruch
1 als besonders günstig,
daß die Kontaktierung
der Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten im Bereich der Stirnflächen der
Vorsprünge
auch besonders gut gegenüber
aggressiven Medien geschützt
ist, welche durch den Preßstoff
des Trägerkörpers hindurch
diffundieren können;
denn die betreffende Kontaktierung ist jeweils, abgesehen von möglichen
schmalen Preßstoffkanälen (s.u.),
allseits durch den an der Außenfläche des
ringförmigen Vorsprungs
des Kohlenstoffsegments anliegenden bzw. in den Vorsprung eindringenden
Kontaktring des Leitersegments gegenüber dem Trägerkörper abgeschirmt.
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Infolge
der erfindungsgemäß möglichen
mechanisch dauerhaften, vollständig
spaltfrei vorgespannten und elektrisch leitenden Verklemmung der Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten kann auf ein Verlöten der
Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten verzichtet werden. Auf
diese Weise ist jegliche Beeinträchtigung
der betreffenden Verbindung durch das spätere Anschweißen der
Rotorwicklung an den Kommutator ausgeschlossen. Und durch Wegfall
der Lötverbindung
läßt sich
der erfindungsgemäße Kommutator
kostengünstig
herstellen.
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Die
oxidations- und korrosionsbeständige Ausführung derjenigen
Flächen,
an denen die Leitersegmente die jeweils zugeord neten Kohlenstoffsegmente
kontaktieren, ist von Relevanz im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit
des Kommutators auch unter besonders problematischen Einsatzbedingungen, beispielsweise
bei Kontakt mit Methanol und Ethanol enthaltendem Kraftstoff. Eine
in dieser Hinsicht bevorzugte Weiterbildung erfindungsgemäßer Plankommutatoren
zeichnet sich dadurch aus, daß die dem
Anschluß an
die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe der Leitersegmente, deren
ringförmige
Kontaktflächen
sowie die äußeren Umfangsflächen und
ggfs. Stirnflächen
der Kontaktstifte mit einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall
wie Silber, Zinn oder dergleichen beschichtet sind. Hier kann auf
bekannte und erprobte Beschichtungsverfahren zurückgegriffen werden. Andere
Möglichkeiten,
die betreffenden Flächen
oxidations- und korrosionsbeständig
auszuführen,
lassen sich allerdings ebenfalls einsetzen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Stirnflächen
der ringförmigen
Vorsprünge
sowie die die ringförmigen
Vorsprünge
umgebenden Oberflächen der
Kohlenstoffsegmente eine miteinander verbundene Metallisierung,
bevorzugt eine galvanische Metallisierung aufweisen. Eine solche
Metallisierung kann insbesondere zweilagig ausgeführt sein
mit einer Grundschicht aus Kupfer (z.B. 4 bis 12 μm) und einer
Deckschicht aus Zinn (z.B. 2 bis 6 μm). Indem sich die Metallisierung
jeweils auf die den ringförmigen
Vorsprung umgebende Oberflächen
des Kohlenstoffsegments erstreckt, ergibt sich eine großflächige Einleitung
des Stromes in die Kohlenstoffsegmente und somit eine besonders
günstige
Stromflußverteilung
innerhalb der Kohlenstoffsegmente.
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Eine
wiederum andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Plankommutators zeichnet
sich dadurch aus, daß jeder
Kontaktring im Bereich seiner dem Anschluß an das zugeordnete Kohlenstoffsegment
dienenden Fläche
mindestens einen Preßstoffkanal
aufweist, welcher im Bereich der durch die betreffende Fläche und
die ringförmige Kontaktfläche gebildeten
Kante endet. Durch die betreffenden Preßstoffkanäle gelangt beim Spritzen des Trägerkörpers Preßstoff in
den Bereich der genannten Kante und füllt den dort ggf. zwischen
dem Leitersegment und dem Vorsprung des Kohlenstoffsegments bestehenden
Hohlraum. Und zusätzlich
bleibt bei solchen Plankommutatoren, bei denen die Oberflächen der
Kohlenstoffsegmente der Kohlenstoffringscheibe im Bereich der ringförmigen Vorsprünge und
den diese umgebenden Bereichen metallisiert wurden, diese Metallisierung
beim Zusammenfügen von
Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling entlang der Preßstoffkanäle unbeschädigt; auf
diese Weise bleiben im Bereich der Preßstoffkanäle aus der Metallisierung hervorgegangene
stromleitende Streifen stehen, die jeweils die Metallisierung an
der Stirnfläche
des ringförmigen
Vorsprungs mit der Metallisierung auf der den Vorsprung umgebenden
Oberfläche des
Kohlenstoffsegments verbinden. Das Resultat hiervon ist eine besonders
zuverlässige
funktional doppelte Kontaktierung der Leitersegmente mit den Kohlenstoffsegmenten.
Eine erste Kontaktierung erfolgt über die Innenflächen der
Kontaktringe und die Außenflächen der
Kontaktstifte, die beim Zusammenfügen von Kohlenstoffringscheibe
und Leiterrohling in die Kohlenstoffmasse der ringförmigen Vorsprünge eindringen;
die Metallisierung der Kohlenstoffsegmente wird dort durch die eindringenden Kontaktringe
bzw. Kontaktstifte abgeschert. Eine zweite Kontaktierung erfolgt über die
mit den Kontaktflächen
der Leitersegmente über
eine elektrisch leitende Zwischenlage verbundenen Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente, wobei von hier aus der Strom über die
weiter oben beschriebenen stromleitenden Streifen und die Metallisierung
der die Vorsprünge
umgebenden Bereiche der Kohlenstoffsegmente großflächig in diese eingeleitet wird.
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Im
Rahmen der Erfindung ist gemäß der vorstehend
bereits angedeuteten Weiterbildung vorgesehen, daß zwischen
den oberflächlich
metallisierten Stirnflächen
der ringförmigen
Vorsprünge
der Kohlenstoffsegmente und den zugeordneten Kontaktflächen der
Leitersegmente eine elektrisch leitende Zwischenlage angeordnet
ist. Deren Funktion besteht insbesondere darin, die Oberflächenrauhigkeit der
Stirnflächen
der Vorsprünge
der Kohlenstoffsegmente sowie der Kontaktflächen der Leitersegmente zu
egalisieren und auf diese Weise auch bei praxisgerechten Fertigungstoleranzen
für die
Leitersegmente und die Kohlenstoffsegmente einen großflächigen stirnseitigen
Kontakt der – im
Bereich ihrer Oberflächenmetallisierung
praktisch nicht verformbaren – Kohlenstoffsegmente
mit den Leitersegmenten zu begünstigen.
Ferner läßt sich über die
Zwischenlage eine Lötverbindung
zwischen den metallisierten Stirnflächen der ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente und den zugeordneten Kontaktflächen der
Leitersegmente herstellen. Und die genannte Zwischenlage verhindert
durch Egalisierung der Oberflächenrauhigkeit
an den beiden genannten Flächen
ein Eindringen von Preßstoff
in die betreffende Kontaktzone während
des Spritzens des Trägerkörpers. Im
Hinblick auf diese Funktion der elektrisch leitenden Zwischenlage
besteht diese bevorzugt aus einem zunächst pulverigen oder pastösen, während des
Zusammenfügens
von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling verdichteten, elektrisch
leitenden Material, insbesondere in Form eines auf diese Weise verdichteten
Metallpulvers, beispielsweise aus Zinn, einem verdichteten Graphitpulver,
einem verdichteten Mischpulver aus Metall und Graphit oder einer
ausgehärteten
Lötpaste.
Die Stärke
der Zwischenlage kann dabei bei üblichen
Anwendungsfällen
der Erfindung insbesondere zwischen 0,03 und 0,1 mm betragen. Herstellungstechnisch
ist es dabei besonders günstig,
wenn das die spätere
Zwischenlage bildende Material auf die Stirnflächen der Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente aufgebracht wird, beispielsweise mittels eines
Tampons.
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Gemäß einer
wiederum anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
die Kohlenstoffsegmente mit den Leitersegmenten elektrisch leitend
verbindenden Verbindungsbereiche jeweils von einer ringförmigen,
zwischen den Kohlenstoffsegmenten und den Leitersegmenten angeordneten
Preßstoffschicht
umgeben sind. Jene ringförmigen
Preßstoffschichten
schirmen die Verbindungsbereiche der Kohlenstoffsegmente mit den
Leitersegmenten nach außen
ab, so daß diese
vor direktem Kontakt mit aggressiven Medien geschützt sind. Auch
diese Weiterbildung erweist sich als besonders günstig im Falle eines Einsatzes
des Kommutators in einem problematischen Milieu.
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Eine
abermals andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Plankommutators zeichnet
sich dadurch aus, daß die
Leitersegmente den ringförmigen
Kontaktflächen
gegenüberliegend angeordnete,
in den Trägerkörper eingreifende
ringförmige
Erhebungen aufweisen. Dies ist sowohl im Hinblick auf die Herstellung
des Kommutators als auch im Hinblick auf dessen Verwendung günstig. Was
die Herstellung angeht, so lassen sich bei dieser Weiterbildung
des Kommutators die ringförmigen Kontaktflächen der
Leitersegmente besonders kostengünstig
und effizient herstellen, indem Material der Leitersegmente, während diese
noch zu einem Leiterrohling miteinander verbunden sind, dergestalt axial
verdrängt
wird, daß es
auf der gegenüberliegenden
Seite die genannten ringförmigen
Erhebungen bildet. Jene ringförmigen
Erhebungen werden sodann im Laufe des weiteren Herstellungsverfahrens in
den Preßstoff
des Trägerkörpers eingebettet,
was eine mechanisch besonders feste Verankerung der Leitersegmente
in dem Trägerkörper und
auf diese Weise die Lebensdauer des Kommutators begünstigt.
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Gemäß einer
abermals anderen Weiterbildung der Erfindung weisen die ringförmigen Vorsprünge eine
im wesentlichen trapezförmige
Grundform auf, wobei unter diese Definition dabei auch solche Vorsprünge fallen
sollen, bei denen die radial äußere Begrenzung
einen im wesentlichen bogenförmigen
Verlauf aufweist. Hierdurch ergibt sich eine besonders günstige Ausnutzung
der für
die mechanische Verbindung und elektrische Kontaktierung der Kohlenstoffsegmente
mit den Leitersegmenten zur Verfügung
stehenden Fläche
bei einer besonders ausgeprägten
Festigkeit der Verbindung.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung sind durchaus verschieden gestaltete
Ausführungen
der ringförmigen
Vorsprünge
und der mit ihnen in Kontakt stehenden Flächen der Leitersegmente anwendbar, wobei
die konstruktive Gestaltung im einzelnen beispielsweise von der
Größe des Kommutators
und der genauen Zusammensetzung des zur Herstellung der Kohlenstoffsegmente,
namentlich der entsprechenden Vorsprünge, eingesetzten Materials
abhängen kann.
So können
beispielsweise die dem Anschluß an
die Kohlenstoffsegmente dienenden Flächen der Kontaktringe konisch
ausgeführt
sein, insbesondere indem sie sich in Richtung auf die ringförmige Kontaktfläche hin
verjüngen;
bevorzugt sind sie indessen zylindrisch ausgeführt. Die ringförmigen Vorsprünge der
Kohlenstoffsegmente weisen bevorzugt eine kegelstumpfförmige äußere Kontur
auf; sie könne
indessen auch zylindrisch ausgeführt
sein. Die Kontaktstifte können
bevorzugt einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweisen; aber
auch andere Querschnittsformen kommen in Betracht, namentlich dann,
wenn die äußere Umfangsfläche der
ringförmigen
Vertiefung besonders stark von einer Kreisform abweicht. Die Kontaktstifte
sind bevorzugt zylindrisch ausgeführt; auch dies ist indessen
nicht zwingend.
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Abgesehen
von den sich aus den vorstehend dargelegten Besonderheiten ergebenden
Modifikationen entspricht das zur Herstellung von Plankommutatoren
nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verfahren jenen Verfahren,
wie sie aus dem Stand der Technik (z.B.
DE 19956844 A1 ) bekannt
sind. Die maßgeblichen
Verfahrensschritte sind dabei die gesonderte Herstellung eines Leiterrohlings,
welche die in ihrer endgültigen
Konfi guration miteinander verbundenen Leitersegmente mit den Kontaktringen, ringförmigen Kontaktflächen und
Kontaktstiften umfaßt,
und einer die vorstehend erläuterten
ringförmigen
Vorsprünge
aufweisenden Kohlenstoffringscheibe. Leiterrohling und Kohlenstoffringscheibe
werden sodann axial zusammengefügt,
wobei die ringförmigen
Vorsprünge
der Kohlenstoffringscheibe einerseits und die Kontaktringe und Kontaktstifte
der Leitersegmente des Leiterrohlings andererseits mechanisch ineinander
eingreifen, und zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung axial
fest miteinander verpreßt
(s.o.). Diese Einheit wird anschließend mit einer den Trägerkörper bildenden
Preßstoffmasse umspritzt.
Schließlich
werden durch mechanische Bearbeitung die Kohlenstoffringscheibe
in die einzelnen Kohlenstoffsegmente unterteilt und die Verbindungen
der einzelnen Leitersegmente des Leiterrohlings getrennt.
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Aus
den vorstehenden Erläuterungen
der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, daß es für die Lösung der dargelegten Aufgabenstellung
in besonderem Maße
auf den stirnseitigen Kontakt der Vorsprünge der Kohlenstoffsegmente
mit zugeordneten Kontaktflächen
der Leitersegmente ankommt, da dies sowohl für eine gute elektrische Kontaktierung, insbesondere
die weiter oben erläuterte
funktional doppelte Kontaktierung, als auch für den beschriebenen, für die mechanische
Verankerung der Kohlenstoffsegmente wichtigen Spannungsaufbau innerhalb
der Vorsprünge
bedeutsam ist. Insoweit läßt sich zumindest
bei geeigneten Anwendungsfällen
(z.B. besonders kleine Abmessungen des Kommutators) die angegebene
Aufgabenstellung jedenfalls in einem erheblichen Umfang auch mit
solchen Kommutator-Bauweisen lösen,
die sich von den Bauweisen nach den Ansprüchen 1 und 19 bei im übrigen übereinstimmenden
Gestaltungsmerkmalen durch Wegfall der Kontaktstifte auszeichnen.
Die Anmelderin behält
sich vor, auf solchermaßen
ausgeführte
Plankommutatoren gerichteten Schutz zu beantragen, insbesondere
auf dem Wege einer Teilanmeldung.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand dreier in der Zeichnung
veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Plankommutators
näher erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 einen
Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Plankommutators
nach der vorliegenden Erfindung,
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2 in
vergrößerter Ansicht
einen Verbindungsbereich zwischen einem Kohlenstoffsegment und einem
Leitersegment des Kommutators nach 1,
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3 in
einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt entlang der
Linie III-III den Verbindungsbereich von einem Kohlenstoffsegment
und einem Leitersegment des Kommutators nach den 1 und 2 und
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4 in
einem Axialschnitt die zur Herstellung des Plankommutators nach 1 eingesetzte Kohlenstoffringscheibe;
ferner zeigt
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5 in
einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt den Verbindungsbereich
von einem Kohlenstoffsegment und einem Leitersegment einer zweiten
Ausführungsform
eines Plankommutators nach der vorliegenden Erfindung,
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6 einen
Schnitt durch den Verbindungsbereich des in 5 veranschaulichten
Kommutators entlang der Linie VI-VI
und
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7 einen
Schnitt durch den Verbindungsbereich des in den 5 und 6 veranschaulichten
Kommutators entlang der Linie VII-VII; schließlich zeigt
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8 in
einem normal zur Kommutatorachse ausgeführten Querschnitt den Verbindungsbereich
von einem Kohlenstoffsegment und einem Leitersegment einer dritten
Ausführungsform
eines Plankommutators nach der vorliegenden Erfindung.
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Der
in der Zeichnung in den 1 bis 4 wiedergegebene
Plankommutator umfaßt
einen aus isolierendem Preßstoff
gefertig ten Trägerkörper 1, acht
gleichmäßig um die
Achse 2 herum verteilt angeordnete Leitersegmente 3 und
acht Kohlenstoffsegmente 4, von denen jedes mit jeweils
einem Leitersegment 3 elektrisch leitend verbunden ist.
Die Kohlenstoffsegmente 4 definieren gemeinsam eine auf
der Kommutatorachse 2 senkrecht stehende Bürstenlauffläche 5.
Der Trägerkörper 1 weist
eine zentrische Bohrung 6 auf.
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Die
aus Kupfer bestehenden Leitersegmente 3 sind aus einem
gemeinsamen Leiterrohling hervorgegangen. Sie umfassen jeweils einen
Anschlußbereich 7 und
einen Kontaktbereich 8. An dem Anschlußbereich 7 ist jeweils
eine Kontaktfahne 9 angeordnet. Diese dient der elektrisch
leitenden Verbindung eines Wicklungsdrahts einer Rotorwicklung mit dem
betreffenden Leitersegment 3. Zur besseren Verankerung
der Leitersegmente 3 in dem Trägerkörper 1 steht von den
Anschlußbereichen 6 jedes
Leitersegments 3 schräg
nach innen eine Halteklaue 10 vor.
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Die
Kohlenstoffsegmente 4 sind an ihren radial äußeren Umfangsflächen jeweils
von einem Preßstoffmantel 11 des
Trägerkörpers 1 abgedeckt. Dabei
besteht durch eine gestufte Ausführung
der äußeren Umfangsfläche der
Kohlenstoffsegmente 4 eine formschlüssige Verbindung zu dem jeweiligen Preßstoffmantel 11.
Der Preßstoff
des Trägerkörpers 1 überdeckt
in Form jeweils eines Preßstoffkragens 12 auch
die radial inneren Umfangsflächen
der Kohlenstoffsegmente 4. Auch hier besteht infolge einer gestuften
Ausführung
der radial inneren Umfangsflächen
der Kohlenstoffsegmente 4 eine formschlüssige Verbindung. Die formschlüssigen Verbindungen
der Kohlenstoffsegmente 4 mit dem Trägerkörper 1 im Bereich
ihrer radial inneren und äußeren Umfangsflächen gewährleistet
einen dauerhaften Halt der Kohlenstoffsegmente in dem Trägerkörper 1.
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In
diesem Umfang entspricht der Plankommutator gemäß der Zeichnung dem Stand der
Technik (z.B.
DE 19956844
A1 ), so daß der
grundsätzliche
Aufbau nicht detaillierter erläutert
zu werden braucht.
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Der
Bürstenlauffläche 5 gegenüberliegend angeordnet
weist jedes Kohlenstoffsegment 4 einen ringförmigen Vorsprung 13 mit
einer Bohrung 14 auf. Jeder Vorsprung 13 liegt
mit seiner ringförmigen Stirnfläche 15 an
einer korrespondierenden ringförmigen
Kontaktfläche 16 des
zugeordneten Leitersegments 3 an. Dabei greift der von
der ringförmigen Kontaktfläche 16 umgebene
runde, zylindrische Kontaktstift 17 des Leitersegments 3 in
die Bohrung 14 des ringförmigen Vorsprungs 13 des
betreffenden Kohlenstoffsegments 4 ein; wobei im Bereich
der Umfangsfläche 18 des
Kontaktstifts 17 eine elektrisch leitende Verbindung zur
inneren Umfangsfläche 19 des
ringförmigen
Vorsprungs 13 und im Bereich der Stirnfläche 20 des
Kontaktstifts 17 eine elektrisch leitende Verbindung zur
Grundfläche 21 der
Bohrung 14 entsteht. Außen ist die Kontaktfläche 16 jeweils
von einem geschlossenen Kontaktring 24 umgeben, welcher
elektrisch leitend an der äußeren Umfangsfläche 23 des
zugeordneten ringförmigen Vorsprungs 13 anliegt
bzw. teilweise in diese eindringt.
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Die
ringförmigen
Vorsprünge 13 und
die hierzu korrespondierenden Kontaktringe 24 weisen (vgl. 3)
jeweils eine im wesentlichen trapezförmige Grundform auf. Infolge
der bei der Herstellung des Kommutators in den ringförmigen Vorsprüngen 13 aufgebauten
Spannung ist jedes Kohlenstoffsegment 4 über vier
Flächen
spaltfrei, elektrisch leitend an das zugeordnete Leitersegment 3 angeschlossen,
nämlich über die äußere Umfangsfläche 23,
die ringförmige
Stirnfläche 15 und
die innere Umfangsfläche 19 des
ringförmigen
Vorsprungs 13 sowie die mit der Stirnfläche 20 des Kontaktstifts 17 in
Kontakt stehende Grundfläche 21 der
Bohrung 14.
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Die
genannten vier, der Kontaktierung mit dem Kohlenstoffsegment dienenden
Flächen
des Leitersegments 3 sind jeweils mit einer Beschichtung 25 aus
einem oxidations- und korrosionsbeständigem Metall wie Zinn, Silber
oder dergleichen beschichtet.
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Die
Verbindungsbereiche 26, die jeweils die Kohlenstoffsegmente 4 mit
den Leitersegmenten 3 elektrisch leitend verbinden, sind
jeweils von einer ringförmigen,
zwischen den Kohlenstoffsegmenten und den Leitersegmenten angeordneten
Preßstoffschicht 27 umgeben.
Ebenfalls mit Preßstoff
gefüllt sind
diejenigen Hohlräume 28,
die jeweils im Bereich der durch die Innenfläche 29 des Kontaktrings 24 und die
ringförmige
Kontaktfläche 16 gebildeten
Kante 30 zwischen dem Leitersegment 3 und dem – hier abgerundeten
(vgl. 4) – Vorsprung 13 des
Kohlenstoffsegments 4 bestehen. Zu diesem Zweck weisen (vgl. 3)
die Innenflächen 29 der
Kontaktringe 24 der Leitersegmente 3 in ihrem
radial äußeren Abschnitt 31 jeweils
zwei Preßstoffkanäle 32 auf,
die jeweils im Bereich der Kanten 28 enden.
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Die
Leitersegmente 3 weisen auf ihrer jeweils dem zugeordneten
Kohlenstoffsegment 4 abgewandten Seite eine ringförmige, der
ringförmigen Kontaktfläche 16 gegenüberliegende
und zu dieser korrespondierende Erhebung 33 auf. Diese
ringförmigen
Erhebungen, die jeweils durch axiale Verschiebung des zur Herstellung
der zugeordneten ringförmigen
Kontaktfläche 16 verpreßten Materials gebildet
wurden, greifen in den Trägerkörper 1 ein.
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Die
Radialschnitte 34, mit denen im Rahmen der Herstellung
des Plankommutators eine zunächst einstückige Kohlenstoffringscheibe 35 (vgl. 4)
in die einzelnen Kohlenstoffsegmente 4 unterteilt wurde,
sind ebenfalls dargestellt.
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4 veranschaulicht
schließlich
noch, daß die äußeren Umfangsflächen 23 der
ringförmigen Vorsprünge 13 der
Kohlenstoffringscheibe 35 vor deren Zusammenfügen mit
dem Leiterrohling dergestalt geneigt sind, daß sich die Vorsprünge zur
Stirnfläche 15 hin
leicht verjüngen.
Der Vergleich dieser Darstellung der Kohlenstoffringscheibe 35 vor
ihrem Zusammenfügen
mit dem Leiterrohling mit den Darstellungen des fertigen Plankommutators,
insbesondere der 2, veranschaulicht das teilweise
Eindringen des Kontaktrings 24 in den ringförmigen Vorsprung 13 im Bereich
von dessen äußerer Umfangsfläche 23 und die
hierdurch hervorgerufene plastische Verformung des betreffenden
Vorsprungs in diesem Bereich. Auch der Kontaktstift 17 dringt
leicht in das die Bohrung 14 umgebende Kohlenstoffmaterial
ein.
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Die
in den 5 bis 7 veranschaulichte zweite Ausführungsform
des Plankommutators stimmt hinsichtlich der maßgeblichen Gestaltungsmerkmale
mit der Ausführungsform
nach den 1 bis 4 über ein.
Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden
Erläuterungen verwiesen.
Die Abweichungen beschränken
sich im wesentlichen auf die drei nachstehend dargelegten Gesichtspunkte:
So
weisen die Kohlenstoffsegmente 4 jeweils eine oberflächliche
galvanische Metallisierung 37 auf. Vor dem Zusammenfügen der
Kohlenstoffringscheibe mit dem Leiterrohling erstreckt sich die
Metallisierung jeweils über
die Grundfläche 21 der
Bohrung 14, die gesamten Oberflächen des ringförmigen Vorsprungs 13 sowie
die an den Vorsprung 13 angrenzende Oberfläche des
betreffenden Kohlenstoffsegments. Die Metallisierung 37 ist
zweilagig ausgeführt
mit einer Grundschicht aus Kupfer und einer Deckschicht aus Zinn.
Beim Zusammenfügen
von Kohlenstoffringscheibe und Leiterrohling schert allerdings jeweils der
Kontaktring 24 und der Kontaktstift 17 die Metallisierung 37 ab
und dringt in das nicht-metallisierte Kohlenstoffmaterial ein. Im
Bereich der Preßstoffkanäle 32 bleibt
die Metallisierung 37 der Kohlenstoffsegmente 4 indessen
intakt, so daß die
jeweils außerhalb
der Vorsprünge 13 liegenden
Bereiche 39 der Metallisierung 37 über stromleiten de
Streifen 40, die innerhalb der Preßstoffkanäle 32 verlaufen und aus
der dort stehengebliebenen Metallisierung bestehen, an die Metallisierung 37 im
Bereich der Stirnfläche 13 angeschlossen
sind. Die Unterbrechung der Metallisierung 37 durch das
teilweise Eindringen der Kontaktringe 24 in die Vorsprünge 13 ist
somit im Hinblick auf die Stromflußverteilung innerhalb der Kohlenstoffsegmente
ohne nachteilige Auswirkungen.
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Des
weiteren ist in den 6 und 7 – überdimensional
dick dargestellt – eine
elektrisch leitende Zwischenlage 38 veranschaulicht, die
jeweils zwischen der Stirnfläche 15 der
Vorsprünge 13 der Kohlenstoffsegmente 4 und
der Kontaktfläche 16 der Leitersegmente 3 angeordnet
ist und infolge einer Egalisierung der Oberflächenrauhigkeit der beiden betreffenden
Flächen
für einen
großflächigen Kontakt
zwischen den Kohlenstoffsegmenten 4 und den Leitersegmenten 3 ohne
Luft- und/oder Preßstoff-Einschlüsse in der
Kontaktzone sorgt.
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Schließlich sind
bei dem Plankommutator nach den 5 bis 7 jedem
ringförmigen
Vorsprung 13 insgesamt fünf Preßstoffkanäle 32 zugeordnet,
die radial außen,
radial innen sowie an den beiden jeweils parallel zu den Radialschnitten 34 verlaufenden
Flächen
des Kontaktrings 24 angeordnet sind. Dies hängt zusammen
mit der Funktion der dort verlaufenden stromleitenden Streifen 40 (s.o.).
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Die
in 8 veranschaulichte dritte Ausführungsform des Plankommutators
unterscheidet sich von derjenigen nach den 5 bis 7 im
wesentlichen nur dadurch, daß die
Leitersegmente 3' jeweils statt
eines Kontaktrings vier Kontaktvorsprünge 22 aufweisen.
Diese umgeben die ringförmigen
Vorsprünge 13', greifen im
Bereich der äußeren Umfangsflächen 23' der ringförmigen Vorsprünge 13' elektrisch
leitend in das Kohlenstoffmaterial ein und sind voneinander durch
Durchbrüche 36 getrennt.
Im Bereich der genannten Durchbrüche 36 zwi schen
jeweils zwei einander benachbarten Kontaktvorsprüngen 22 liegt der
Preßstoff
des Trägerkörpers 1' an der (metallisierten) äußeren Umfangsfläche 23' des ringförmigen Vorsprungs 13' des zugeordneten
Kohlenstoffsegments 4' an.
Hier bildet die stehengebliebene Metallisierung wiederum stromleitende
Streifen 40', ebenso
wie im Bereich der beiden Preßstoffkanäle 32'.