DE69918295T2

DE69918295T2 - Kohlebürste

Info

Publication number: DE69918295T2
Application number: DE69918295T
Authority: DE
Inventors: E. William ZIEGLER; A. William BAUER
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: WO1999057797A1; US5932949A; EP1075727B1; EP1075727A4; CN1125525C; MXPA00010594A; EP1075727A1; CN1304576A; CA2330103A1; JP2002514038A; WO1999057797A8; DE69918295D1; ES2221381T3; US6634082B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein einen Kohle-Segmentkommutator für einen elektrischen Motor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Permanentmagnet-Gleichstrommotoren werden manchmal für Anwendungen mit Kraftstoff-Tauchpumpen verwendet. Diese Motoren verwenden typischerweise entweder Stirnflächen-Kommutatoren oder Zylinder- oder „tonnenartige" Kommutatoren. Stirnflächenkommutatoren weisen ebene, kreisförmige Kommutatoroberflächen auf, die in einer Ebene senkrecht zu der Ankerrotationsachse angeordnet sind. Tonnenartige Kommutatoren weisen bogenförmige, zylindrische Kommutatoroberflächen auf, die an der äußeren Seitenoberfläche eines Zylinders angeordnet sind, der koaxial um die Ankerrotationsachse positioniert ist. Unabhängig von ihrer Kommutatoroberflächengestaltung müssen bei Kraftstofftauchpumpen-Anwendungen elektrische Motoren klein und kompakt sein, eine lange Lebensdauer aufweisen und fähig, in einer korrosiven Umgebung betrieben zu werden, wirtschaftlich herstellbar und betreibbar sowie im wesentlichen wartungsfrei sein.
Kraftstoff-Tauchpumpenmotoren müssen manchmal in einem fluiden Kraftstoffmedium betrieben werden, welches eine Sauerstoffverbindung umfasst, wie Methylalkohol und Äthylalkohol. Der Alkohol erhöht die Leitfähigkeit des Kraftstoffes und damit den Wirkungsgrad einer elektrochemischen Reaktion, die irgendwelche dem Kraftstoff ausgesetzten Motorkomponenten mit Kupfer entplattiert. Aus diesem Grund werden manchmal Kohle und Kohlenstoffverbindungen verwendet um Kohlensegmente mit segmentierten kommutierenden Oberflächen für die Motoren zu bilden. Dies liegt daran, da Kohlekommutatoren nicht wie Kupferkommutatoren korrodieren oder entplattiert werden. Kommutatoren mit Kohlesegmenten umfassen typischerweise metallische Kontaktabschnitte, die elektrisch in Kontakt mit den Kohlesegmenten stehen und stellen einen Anschluss bereit zum physischen Verbinden eines jeden elektrischen Kontaktes mit einem Ankerwicklungsdraht.
Es ist bekannt, Kohlekommutatoren durch Gießen und Erhitzen einer gießfähigen Kohleverbindung zu bilden oder durch maschinelles Bearbeiten eines erhitzten Halbzeugs aus Kohle oder Kohle/Graphit. Eine solche Gestaltung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 3150505.8 gezeigt. Eine isolierende Kommutator-Verbindungseinrichtung kann dann gebildet werden um das metallische Substrat zu tragen. Die Verbindungseinrichtung kann direkt an das metallische Substrat gegossen werden, entweder bevor oder nachdem die Kohle an das metallische Substrat gebondet ist. Schlitze werden dann maschinell durch den Kohleartikel und das metallische Substrat hergestellt um den Kohleartikel und das Substrat in eine Anzahl von elektrisch isolierten Segmenten zu separieren. Es kann notwendig sein, einen inneren Durchmesser, einen äußeren Durchmesser und die kommutierende Oberfläche des Kommutators maschinell herzustellen.
Nachdem der fertiggestellte Kommutator mit dem Anker zusammengesetzt ist, kann eine zweischalige Gussform über die neu zusammengesetzte Kommutator-Ankeranordnung für einen letzten Überformprozess positioniert werden. Bei Stirnflächenkommutatoren ist ein offenes Ende der zweischaligen Gießform gebildet um den Kommutator herum abzudichten in einer Art, dass die kommutierende Oberfläche freigelegt ist. Isolatormaterial wird dann in die zweischalige Gießform eingespritzt. Sobald das Isolatormaterial ausgehärtet ist, wird die zweischalige Gießform entfernt. Dieser letzte Überformschritt schützt Kupferankerwicklungen und andere zur Korrosion neigende Elemente vor chemischer Reaktion mit umgebenden Fluiden wie oxidierenden Kraftstoffen. Das Überformen sichert auch Drähte um die Möglichkeit von Beanspruchungsausfällen zu vermindern und einen korrigierten Auswuchtpegel beizubehalten. Das Überformen wird auch Luftwiderstandsverluste in der Pumpe vermindern.
Wenn beim Herstellen eines Kohlekommutators mit einem metallischen Substrat Einschnitte in oder durch das metallische Substrat durchgeführt werden, können Metallspäne erzeugt werden. Diese Metallspäne können sich in die Schlitze zwischen den Kohlesegmenten legen, was elektrische Ausfälle verursacht. Ferner kann das Einarbeiten in ein metallisches Substrat die Schnittabschnitte des Substrates für die korrosive Wirkungen der oxidierenden Kraftstoffe freilegen.
Dort wo die Kohle- und Metallsubstratabschnitte des Kommutators maschinell eingeschnitten sind um elektrisch isolierende Segmente zu bilden, muss eine Art von Tragstruktur vorgesehen sein um den Kommutator zu stärken und mechanisch die Kohlesegmente und die Leiterabschnitte zusammenzuhalten. Solche Tragabschnitte erfordern manchmal wesentlichen zusätzlichen axialen Raum für den Kommutator, was die axiale Gesamtlänge der Anker-Kommutatorbaugruppe erhöht oder was die Größe und den Umfang des um den Anker gewickelten Drahtes vermindert.
Bei einigen Typen von elektrisch leitenden, harzgebundenen Kohleverbindungen bildet eine isolierende Oberflächenhaut bezeichnenderweise eine äußere Oberfläche der Zusammensetzung, wenn diese aushärtet. Diese Haut stellt ein Hindernis für den elektrischen Kontakt zwischen der Kohleverbindung und den metallischen Leiterabschnitten dar. Deshalb muss ein eine solche Zusammensetzung verwendender Kohlekommutatoren einen elektrischen Pfad durch die isolierende Oberflächenhaut bereitstellen.
Ein Ansatz zum Lösen dieser Probleme ist in dem amerikanischen Patent 5,386,167, erteilt am 31. Januar 1995 an Strobi (das Strobi-Patent) offenbart. Das Strobi-Patent zeigt einen Stirnflächen-Kommutator mit acht Kohlesegmenten die aus einer elektrisch leitenden harzgebundenen Kohlenstoffverbindung gebildet sind. Um die mit dem maschinellen Einarbeiten in die Metallsubstrate verbundenen Probleme zu vermeiden, sind die Kohlesegmente durch Überformen einer Kohleplatte auf acht kuchenstückförmige Kupfersegmente gebildet, dann radial zwischen den Segmenten geschnitten um die elektrisch isolierenden Kohlesegmente zu bilden. Ein Kunststoffsubstrat hält die Kupfersegmente beim Kohleüberformen in Position und stellt eine mechanische Verbindung zwischen den Kohlesegmenten bereit. Das Kunststoffsubstrat erhöht jedoch die axiale Dicke des Kommutators. Zusätzlich stellt das Strobi-Patent keine Strukturen bereit, die einen elektrischen Pfad durch die Haut der Kohlenstoffzusammensetzung vorsehen oder Strukturen, die auf andere Weise den elektrischen Widerstand vermindern.
Das Yoshida et al am 9. November 1982 erteilte Patent US 4,358,319 offenbart eine trommelartige Kohlekommutatorbaugruppe, welche eine ringförmige zylindrische Anordnung von Kohlesegmenten umfasst. Jedes Kohlesegment weist eine äußere teilumfängliche Seitenoberfläche auf zum Herstellen eines physischen und elektrischen Kontaktes mit einer Bürste. Eine Haltenut erstreckt sich um eine innere umfängliche Oberfläche der Kohlesegmentanordnung. Die Kohlesegmente sind voneinander elektrisch isoliert durch Längsschnitte. Eine Verbindungseinrichtung, welche isolierendes Material umfasst, ist innerhalb der ringförmigen Kohlensegmentanordnung angeordnet und steht in Eingriff mit der Haltenut an dem oberen Ende eines jeden Kohlesegmentes.
Um diesen Kommutator herzustellen, offenbaren Yoshida et al ein Verfahren, welches die Schritte umfasst des Bildens eines ringförmigen Kohlezylinders mit einer Haltenut, dem Überformen des Kohlezylinders mit einem Isolatormaterial um eine Verbindungs einrichtung zu bilden und maschinelles Erzeugen von Schlitzen in die übergeformte Tonne um elektrisch isolierte Tonnensegmente zu bilden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kohlesegmenten und den Wicklungsdrähten sind durch Löten oder Kleben der Drähte direkt an die Kohlesegmente selbst hergestellt.
Eine von Bosch an Mercedes Benz gelieferte Kraftstoffpumpe zeigt einen tonnenartigen Kommutator, welcher eine zylindrische kommutierende Oberfläche umfasst, die durch eine zylindrische Anordnung von Kohlesegmenten gebildet ist. Radiale innere Oberflächen der Kohlesegmente bilden eine zusammengesetzte innere umfängliche Oberfläche der Kohlesegmentanordnung. Die Kohlesegmente sind elektrisch mit entsprechenden Wicklungsdrähten verbunden durch Kupfersubstratabschnitte, die an entsprechende radial innere Oberflächen der Kohlesegmente gelötet sind. Jeder Kupfersubstratabschnitt umfasst einen Anschluss zum Tragen des Endes eines Wicklungsdrahtes.
Der Bosch-Kommutator scheint gebildet zu sein durch Anpassen und Löten eines Röhrenabschnittes aus einem Kupfersubstrat an die innere umfängliche Oberfläche des Kohlezylinders. Radiale Einschnitte werden dann erzeugt um die Kohlesegmente und die Kupfersubstratabschnitte zu bilden und voneinander elektrisch zu isolieren. Ein übergeformter Isolator hält die Kohlesegmente und Kupfersubstratabschnitte zusammen. Dieses Verfahren erfordert es, dass ein Kupfersubstrat hergestellt wird um Drahtanschlüsse aufzuweisen und dass ein Röhrenabschnitt mit geringen Toleranzen hergestellt wird um innerhalb der inneren umfänglichen Oberfläche des Kohlezylinders zu passen. Das Bosch-Verfahren erfordert es, dass eine schwierige Lötoperation ausgeführt wird zwischen der inneren umfänglichen Oberfläche des Kohlezylinders und dem äußeren Durchmesser der Kupferröhre.
Das am 26. Oktober 1993 Farago et al erteilte Patent US 5,255,426 offenbart einen Stirnflächen-Kohlekommutator, der hergestellt ist durch Bilden eines ringförmigen oder torroiden Kohlezylinders, welcher eine feinkörnige Kohle elektrischer Güte umfasst. Als nächstes wird eine Zylinderbasisendfläche mit einer Nickelschicht plattiert. Eine Kupferschicht wird dann über die Nickelschicht plattiert. Die plattierte Basisendoberfläche des Zylinders wird dann an ein gestanztes und geformtes Kupfersubstrat gelötet, das auf einer vorgegossenen Verbindungseinrichtung montiert ist. Laterale Schlitze werden dann maschinell axial nach unten in eine der Basisoberfläche des Kohlezylinders gegenüberliegende obere kommutierende Oberfläche gearbeitet. Die Schlitze werden axial durch das Kohle- und das Kupfersubstrat geschnitten um die elektrisch isolierten Kohle/Kupfer-Kommutatorsektoren zu bilden. Nachdem die Schlitze maschinell hergestellt sind, hält die vorgegossene Verbindungseinrichtung weiter die elektrisch isolierten Kommutatorsektoren zusammen.
Das Patent US 5,422,528 beschreibt einen zylindrischen Kohlesegmentkommutator, bei welchem ein Kupferstreifen zu einem Ring geformt ist. Dieser Ring weist zwei zirkulare Nuten an seiner inneren Oberfläche und eine Anzahl von durchgehenden Löchern auf, die zu den Nuten ausgerichtet sind. Graphit wird an den Ringen gegossen um eine Kohlenstoffoberflächenbeschichtung zu bilden. Das Graphit erstreckt sich durch die Löcher und in die Nuten um die Oberflächenbeschichtung zu verankern. Der Kupfer/Graphitring wird dann übergeformt mit einem isolierenden Material um eine tragende Basis zu bilden und der Ring wird dann in einzelne Kommutatorsegmente geschnitten, die durch die Basis gehalten sind. Haken werden von dem Kupferring nach innen gebogen und dann in die Basis eingebettet um eine zusätzliche Festigkeit für die Segment-Basis-Verbindung.
Die US 5,677,588 beschreibt einen Kohlesegmentkommutator des planaren Typs, bei welchem Kupferverbinder oder Anschlussstücke mit Kohlematerial überformt sind um einen Kohlekommutatorring zu bilden. Der Ring wird entweder in eine isolierende Basis gepresst unter Verwendung von Vorsprüngen der Verbinder um den Ring zu verankern oder die Basis wird an die Ringe gegossen unter Verwendung von Vorsprüngen von den Verbindern um den Ring zu verankern. Sobald der Ring an die Basis angepasst ist, wird der Ring in einzelne Kommutatorsegmente geschnitten.
Benötigt werden sowohl Kohlesegment-Kommutatoren des Flächen- als auch des Tonnentyps, welche widerstandsfähig sind und einen niedrigen elektrischen Widerstand bereitstellen durch einen verbesserten elektrischen Kontakt zwischen den Kohlesegmenten und den metallischen Substraten. Benötigt werden auch Verfahren zum Herstellen solcher Kommutatoren, welche schnell, einfach und kostengünstig sind.
Hierzu stellt die Erfindung eine Kohlesegmentkommutatorbaugruppe für einen elektrischen Motor bereit, wobei die Kommutatorbaugruppe umfasst:
eine ringförmige Anordnung von wenigstens zwei umfänglich beabstandeten Leiterabschnitten, welche um eine Rotationsachse angeordnet sind; eine ringförmige Anordnung von wenigstens zwei umfänglich beabstandeten Kohlesegmenten, die aus einer leitenden Kohlenstoffzusammensetzung gebildet sind und welche eine segmentierte kommutierende Oberfläche festlegen, wobei jedes Kohlesegment mit einem entsprechenden von den Leiterabschnitten verbunden ist, um eine ringförmige Anordnung von Kommutatorsektoren zu bilden, und eine übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung, die um die Kommutatorsektoren herum angeordnet ist. Die Kommutatorbaugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass die übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung zwischen den Kohlesegmenten angeordnet ist und die Kohlesegmente mechanisch verzahnt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlekommutatorbaugruppe bereitgestellt, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer ringförmigen Anordnung von Leiterabschnitten; Bereitstellen eines kreisförmigen Rings einer leitfähigen Kohlenstoffzusammensetzung, Verbinden des Ringes mit der Lei teranordnung um einen Kommutatorrohling zu bilden, Überformen des Kommutatorrohlings mit Isolatormaterial um eine isolierende Verbindungseinrichtung zu bilden, maschinelles Ausbilden von Schlitzen von einer kommutierenden Oberfläche des Kommutatorrohlings nach innen um eine ringförmige Anordnung von elektrisch isolierten Kohlesegmenten zu bilden. Das Verfahren zeichnet sich aus durch das Bilden von Nuten in einer Oberfläche des Rings gegenüberliegend zu der kommutierenden Oberfläche und das Einfließenlassen von Isolationsmaterial der Verbindungseinrichtung in die Nuten um die Nuten wenigstens teilweise zu füllen, und Ausrichten der Schlitze mit den Nuten um Zwischenräume zwischen den Kohlesegmenten zu bilden, welche eine mit Isolationsmaterial gefüllten Abschnitt und einen ungefüllten Schlitzabschnitt aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Um die Erfindung besser zu verstehen und zu würdigen, wird auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verwiesen:
1 ist eine Aufsicht auf eine Kohlekommutatorbaugruppe der Stirnflächenart, welche gemäß der Erfindung konstruiert ist;
2 ist eine Querschnittsansicht der Kommutatorbaugruppe von 1 entlang der Linie 2-2;
2a ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Kommutatorbaugruppe zu der in 2 gezeigten;
3 ist eine Seitenansicht der Kommutatorbaugruppe von 1;
4 ist eine Aufsicht einer Anordnung von Kupferleiter abschnitten, die aus einem quadratischen Kupferrohling gestanzt sind zum Bilden eines Stirnflächenkommutators gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Seitenansicht des gestanzten Kupferrohlings von 4;
6 ist eine Aufsicht auf einen Ring aus einer Kohlenstoffzusammensetzung, welcher auf den gestanzten Kupferrohling von 5 gemäß der vorliegenden Erfindung übergeformt ist;
7 ist eine Querschnittsseitenansicht des mit Kohlenstoff übergeformten gestanzten Rohlings von 6 entlang der Linie 7-7;
8 ist eine Bodenansicht des mit Kohlenstoff übergeformten gestanzten Rohlings von 6;
9 ist eine perspektivische Ansicht in einer Teilquerschnittsdarstellung einer zweischaligen Gussform, die um einen Anker positioniert ist, der zusammengesetzt ist zu einer Kommutatorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Leiterabschnittes, der gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet ist;
11 ist eine Aufsicht auf eine alternative Leiterabschnittsnase gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine perspektivische Ansicht eines tonnenartigen Kommutators gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Vorderansicht-Schnittdarstellung des Kommu tators von 12 entlang der Linie 13-13;
14 ist eine Aufsicht in Querschnittsdarstellung des Kommutators von 12 entlang der Linie 14-14;
15 ist eine vergrößerte fragmentarische Darstellung der plattierten Metallschichten auf einer Bodenendfläche eines Kohlesegmentes des tonnenartigen Kommutators von 12 oder des Stirnflächenkommutators von 30;
16 ist eine Aufsicht auf einen Substratabschnitt des Kommutators von 12;
17 ist eine Vorderansicht in Querschnittsdarstellung des Substrates von 16;
18 ist eine Vorderansicht in Querschnittsdarstellung des Kohlezylinderabschnittes des Kommutators von 12, der mit dem Substratabschnitt des Kommutators von 12 verbunden ist;
19 ist eine Aufsicht des Zylinders und des Substrates von 18;
20 ist eine Aufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Zylinders und des Substrates von 18;
21 ist eine Aufsicht auf eine alternative tonnenartige Kohlekommutatorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
22 ist eine Vorderansicht einer alternativen tonnenartigen Kohlekommutatorbaugruppe von 21;
23 ist eine Schnittansicht der Kommutatorbaugruppe von 21 entlang der Linie 23-23;
24 ist eine Aufsicht auf eine Anordnung von Kupferleiterabschnitten, die aus einem quadratischen Kupferrohling gestanzt sind zum Bilden eines tonnenartigen Kommutators gemäß der vorliegenden Erfindung;
25 ist eine Aufsicht auf einen Ring aus einer Kohlenstoffverbindung, der auf den gestanzten Kupferrohling von 24 gemäß der vorliegenden Erfindung übergeformt ist;
26 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung eines mit Kohle übergeformten gestanzten Rohlings der 25 entlang der Linie 26-26;
27 ist eine Aufsicht auf den mit Kohle übergeformten gestanzten Rohling der 25, welcher mit einer Verbindungseinrichtung aus einem elektrisch isolierenden Material übergeformt ist;
28 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung des mit einem Isolator übergeformten, und mit Kohlenstoff übergeformten gestanzten Rohlings von 27 entlang der Linie 28-28;
29 ist eine Aufsicht auf eine alternative Kohlekommutatorbaugruppe des Stirnflächentyps gemäß der vorliegenden Erfindung;
30 ist eine Schnittansicht der Kommutatorbaugruppe von 29 entlang der Linie 30-30; und
31 ist eine vergrößerte Ansicht einer gelöteten Verbindung zwischen einer metallisierten Kohleschicht und einem in 13 und 30 gezeigten Kupfersub strat.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine ebene, übergeformte Kohlesegmentkommutatorbaugruppe des Stirnflächentyps für einen elektrischen Motor ist im allgemeinen mit 12 in den 1 bis 3 und 9 gezeigt. Eine tonnenartige Ausführung einer übergeformten Kohlesegmentkommutatorbaugruppe ist mit 12c in den 21 bis 23 gezeigt. Soweit nicht anders angezeigt, sind die Abschnitte der folgenden Beschreibung der Merkmale der in den 1 bis 8 gezeigten Stirnflächen-Kommutatorbaugruppe gleich zu den mit denselben Bezugszeichen versehenen Merkmalen der in den 21 bis 28 gezeigten tonnenartigen Ausführungsform. Merkmale der in den 21 bis 28 gezeigten tonnenartigen Ausführungsform weisen den Anhang „c" auf bei entsprechenden Merkmalen des in den 1 bis 8 gezeigten Stirnflächen-Kommutators.
Die Stirnflächen-Kommutatorbaugruppe 12 umfasst eine ringförmige Anordnung von acht umfänglich beabstandeten Leiterabschnitten, die in den 1 bis 11 mit 14 bezeichnet sind. Jeder Leiterabschnitt ist ein dünnes, flaches, ungefähr dreieckförmiges Stück Kupfer. Die Leiterabschnitte 14 sind um eine Kommutatordrehachse 16 angeordnet wie in den 1 bis 9 gezeigt. Jeder Leiterabschnitt 14 weist im wesentlichen die gleiche allgemeine Abschnittsgestaltung wie alle anderen Leiterabschnitte 14 auf. Mit anderen Worten und wie am besten in 4 gezeigt, weist jeder Leiterabschnitt 14 die Form eines Kuchenstückes auf, das aus einem kreisförmigen Kuchen radial herausgeschnitten ist.
Wie in den 1, 2, 8 und 9 allgemein gezeigt, weist die Kommutatorbaugruppe 12 auch eine ringförmige Anordnung von acht umfänglich beabstandeten Kohlesegmente 18 auf. Jedes Kohlesegment 18 weist generell die gleiche Abschnittsgestaltung wie die anderen Kohlesegmente auf. Die Segmente 18 sind anfänglich als einzelne ringförmige Kohlescheibe wie mit 20 in 6 gezeigt gebildet. Die Kohlescheibe 20 ist aus einer elektrisch leitfähigen harzgebundenen, gießbaren Kohlenstoffverbindung hergestellt, bevor sie in acht gleiche Segmente 18 geteilt wird. Die Kohlenscheibe 20 oder die „Überformung" ist auf die Leiterabschnittanordnung 14 übergeformt, sodass jedes Kohlesegment 18 auf einer oberen Oberfläche eines jeweiligen der Leiterabschnitte 14 zurückbleibt, wenn die Scheibe 20 geschnitten wird. Die ringförmige Anordnung von Kohlesegmenten 18 weist eine segmentierte, kreisförmige obere Oberfläche 22 auf, welche als segmentierte kommutierende Oberfläche des Kommutators dient.
Eine übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung, im allgemeinen in den 1 bis 3 mit 24 gekennzeichnet, ist umfänglich um, unter und zwischen den Kohlesegmenten 18 und den Leiterabschnitten 14 angeordnet. Wenn die isolierende Verbindungseinrichtung 24 ausgehärtet ist, sind die Kohlesegmente 18 mechanisch verzahnt. Die isolierende Verbindungseinrichtung 24 weist eine im allgemeinen zylindrische Form auf mit einer zylindrischen Ankerwellenöffnung 26, die koaxial entlang der Kommutatordrehachse 16 angeordnet ist. Wie in 9 gezeigt, ist die zylinderförmige Ankerwellenöffnung 26 geformt um die Ankerwelle 28 zu empfangen.
Jeder Leiterabschnitt 14 weist zwei integral nach oben gerichtete Leitervorsprünge auf, die mit 30 in den 4 und 5 gezeigt sind. Die Leitervorsprünge 30 erstrecken sich von diagonal gegenüberliegenden Kanten der oberen Oberfläche 32 des Leiterabschnittes 14. Wenn die Kohlenstoffverbindung auf die Anordnung der Leiterabschnitte 14 übergeformt wird, werden die nach oben gerichteten Vorsprünge 30 in der übergeformten Masse 20 eingebettet. Nachdem die Kohlescheibe 20 in Segmente 18 geschnitten ist, verbleibt jeder nach oben gedrehte Vorsprung 30 eines jeden Leiterabschnittes 14 eingebettet in einem jeweiligen der übergeformten Kohlesegmente 18. Aufgrund ihrer Form und ihrer Lage innerhalb der Kohlesegmente 18 vermindern die einge betteten Vorsprünge 30 den elektrischen Widerstand durch das Erhöhen des Oberflächenkontaktes zwischen jedem Leiterabschnitt 14 und seinen jeweiligen Kohlensegment 18. Dies wird untenstehend näher erläutert.
Jeder Leiterabschnitt 14 in der Anordnung der Leiterabschnitte 14 umfasst eine kreisförmige Leiterabschnittöffnung, wie mit 34 in den 2 und 4 gezeigt. Eine Leiterabschnittöffnung ist ungefähr mittig zwischen einer inneren Spitze 36 und einem äußeren halbumfänglichen Rand 38 eines jeden Leiterabschnittes 14 angeordnet. Wie in den 4 und 6 bis 8 gezeigt, ist die innere Spitze 36 eines jeden Leiterabschnittes 14 eine rechteckige Spitzenlasche 40. Wie am besten in den 1 bis 3 gezeigt, erstreckt sich eine Nase integral und radial nach außen von dem äußeren halb umfänglichen Rand 38 eines jeden Leiterabschnittes 14.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, sind die Leitervorsprünge 30 nach oben gebogene Abschnitte, die sich integral nach oben von den Leiterabschnitten 14 erstrecken. Jeder Leiterabschnitt 14 umfasst zwei solcher nach oben gebogene Vorsprünge 30. Jeder nach oben gebogene Vorsprung 30 ist langgestreckt und rechteckförmig und entlang einem unteren länglichen Rand von seinem jeweiligen Leiterabschnitt 14 nach oben gebogen (d.h. axial nach außen gebogen).
Jeder Leiterabschnitt 14 ist zwischen der isolierenden Verbindungseinrichtung 24 und einem der übergeformten Kohlesegmente 18 eingebettet. Die Nase 42 eines jeden Leiterabschnittes 14 ragt von der isolierenden Verbindungseinrichtung 24 radial nach außen.
Wie am besten in den 1 und 8 gezeigt, besitzt jedes Kohlesegment 18 die allgemeine Form eines Stückes von einem kreisförmigen radial geschnittenen Kuchens, d.h. die gleiche allgemeine Form wie jeder Leiterabschnitt 14. Jedes Kohleseg ment 18 ist jedoch länger, breiter und dicker als jeder Leiterabschnitt 14. Jedes Kohlesegment 18 weist eine innere Wand 44 der Spitze und eine äußere halbumfängliche periphere Wand 46 auf. Sowohl die innere Wand 44 der Spitze als auch die äußere halbumfängliche Wand 46 eines jeden Kohlesegmentes 18 besitzen abgestufte Profile, welche eine innere Selbstrastung 48 beziehungsweise eine äußere Selbstrastung 50 festlegen.
Die Kohlesegmente 18 sind aus einer spritzgegossenen und gehärteten Zusammensetzung aus Graphitpulver und einem Trägermaterial hergestellt, wobei das Graphitpulver bis zu 50 bis 80% des Gesamtgewichtes ausmacht. Das Trägermaterial ist vorzugsweise ein Polyphenylsulfid (PPS)-Harz. Während diese Zusammensetzung geeignet ist zur Umsetzung der Erfindung, sind auch andere auf dem Gebiet bekannte Kohlenstoffzusammensetzungen zum Verwenden für die vorliegenden Erfindung geeignet abhängig von der Anwendung, bei welcher der Anker verwendet wird.
In anderen Ausführungsformen können Metallpartikel in die Zusammensetzung des Kohlenstoffpulvers und des Trägermaterials eingebettet sein um den elektrischen Widerstand zwischen jedem Leiterabschnitt und seinem jeweiligen Kohlesegment zu vermindern durch das Verbessern der Oberflächenleitfähigkeit des Kohlesegmentes. Der gesamte Metallgehalt der Zusammensetzung bei solchen Ausführungsformen wird bei weniger als 25% liegen. Die Metallpartikel können eine oder mehrere von einer Anzahl von unterschiedlichen Strukturen besitzen um Pulverteilchen einzuschließen. Die Metallpartikel sind bevorzugt aus Silber oder Kupfer hergestellt.
Im allgemeinen mit 52 in den 1, 2, 3, 7 und 8 angegebene radiale Zwischenräume trennen die Kohlesegmente 18. Jedes der Zwischenräume 52 weist einen inneren Nutabschnitt 54 und einen äußeren Nutabschnitt 56 auf. Die inneren Abschnitte 54 werden während der Überformung mit Kohle gebildet. Die äußeren Schlitzabschnitte 56 werden durch maschinelles Erzeugen der kommutierenden Oberfläche 22 gebildet.
Die isolierende Verbindungseinrichtung 24 weist eine flache obere und eine flache untere Oberfläche auf, die benachbart zu der oberen und der unteren Kante der umfänglichen Seitenwand angeordnet sind. Die umfängliche Seitenwand der Verbindungseinrichtung ist senkrecht zu der oberen und der unteren Oberfläche der Verbindungseinrichtung 29 angeordnet. Wie am besten in 2 gezeigt, umfasst die Ankerwellenöffnung 26 einen oberen 58 und unteren 60 kegelstumpfförmigen Abschnitt, welche sich nach innen von einem größeren oberen bzw. unteren äußeren Durchmesser zu einem schmaleren inneren Durchmesser verjüngen. Ein innerer Abschnitt 62 der Ankerwellenöffnung 26 weist einen konstanten Durchmesser auf, d.h. den kleineren inneren Durchmesser entlang seiner axialen Länge.
Eine alternative Gestaltung einer Kohlesegmentkommutatorbaugruppe ist in 2a mit 12a gekennzeichnet. Bezugsziffern mit dem Anhang „a" in 2a zeigen alternative Gestaltungen von Elementen auf, die auch in der Ausführung von 2 auftreten. Wo ein Teil dieser Beschreibung eine Bezugsziffer mit Bezug auf 2 verwendet, wird dieser Teil der Beschreibung auch auf Elemente angewendet, die in 2a mit den Bezugsziffern mit dem Anhang „a" bezeichnet sind. Wie in 2a gezeigt, schließt jedes Kohlesegment 18a eines der Leitersegmente 14a ein. Diese Anordnung maximiert sowohl die Festigkeit als auch den elektrischen Kontaktbereich zwischen jedem Kohlesegment 18a und seinem jeweiligen Leiterabschnitt 14a.
Die inneren Nutabschnitte 24 der Zwischenräume 52 sind mit dem Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung 24 gefüllt. Das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung ist auch um den Umfang der Anordnung der Kohlesegmente 18 angeordnet und ummantelt die äußere Selbstrastung 50 eines jeden Kohlesegmentes 18. Das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung, welches die Ankerwellenöffnung 26 bildet, ummantelt auch die innere Selbst rastung 48 eines jeden Kohlesegmentes 18.
Wie am besten in 3 gezeigt, umfasst die isolierende Verbindungseinrichtung 24 eine umfängliche Anschlussfläche 64, welche sich vollständig um eine umfängliche Seitenwand der isolierenden Verbindungseinrichtung 24 erstreckt. Die Anschlussfläche 64 weist eine axiale Breite auf, die sich von den vorstehenden Leiterabschnittsnasen 42 erstrecken bis zu den ungefüllten äußeren Schlitzen 56 der Zwischenräume 52. Wie in 9 gezeigt, stellt die umfängliche Anschlussfläche 64 eine umfängliche Dichtungsoberfläche bereit um mit einer entsprechenden Oberfläche 65 einer zweischaligen Gussform 67 zusammenzuarbeiten. Die zweischalige Gussform 67 wird in einem letzten Isolationsüberformungsprozess verwendet, welcher ausführlich untenstehend erläutert wird.
Das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung umfasst ein von der Rogers Corporation aus Manchester Cennecticut unter der Markenbezeichnung „Rogers 660" verfügbares Glasfaser-Phenolharz. Andere Materialien sind statt des „Rogers 660" geeignet umfassend Qualitätsthermoplaste, d.h. Thermoplaste, welche einen hohen Stabilitätsgrad aufweisen bei Temperaturänderungen.
Bei anderen Ausführungsformen kann die kreisförmige Anordnung von Leiterabschnitten 14 und Kohlesegmenten 18 entweder mehr oder auch weniger als acht Schnitte umfassen. Ferner kann das Trägermaterial der Kohlenstoffzusammensetzung ein Phenolharz mit bis zu 80% Graphitbelastung aufweisen, ein wärmehärtendes Harz oder ein anderer im Vergleich zu PPS wärmeaushärtender Harz wie ein Flüssigkristallpolymer (LCP: Liquid-Crystal Polymer). Sowohl PPS als auch phenolartige Harze widerstehen Langzeitaussetzungen von Kraftstoff und Alkohole. Andere Ausführungsformen können auch eine Kommutatorbaugruppe 12 eines zylindrischen oder tonnenartigen Typs statt des in den Figuren gezeigten Stirnflächentyps verwenden.
In anderen Ausführungsformen können die Projektionen 30 der Leiterabschnitte eine oder mehrere einer großen Anzahl von möglichen Gestaltungen aufweisen um den Kohle-Kupferoberflächenkontakt zu erhöhen. Beispielsweise können die Vorsprünge anders als einzelne nach oben gebogene Abschnitte der Leiterabschnitte mit 14 in den 4 und 5 gezeigt, stattdessen getrennte Elemente umfassen, die am Ort unter einem übergebogenen Finger 66 gequetscht sind, welche sich von den Leiterabschnitten 14' erstrecken wie in 10 gezeigt. Wie auch in 10 gezeigt, können die getrennten Elemente 30' die Form einer Mehrzahl von schmalen, langgestreckten metallischen Leitern besitzen. In 10 ist ein drahtbürstenartiges Bündel von metallischen Einzeldrähten gezeigt, das an einem Leiterabschnitt 14' durch Biegen eines Metallfingers weg von dem Leiterabschnitt 14 gepresst ist und gequetscht durch den Finger 66 über die Drähte.
Wie in 11 gezeigt, können andere Ausführungsformen Nasen 42'' aufweisen, die mit Anschlüssen 68 gebildet sind, welche jeder ein Paar von Schlitzen aufweisen zum Empfangen isolierter elektrischer Drähte, d.h. „Anschlüsse des Isolationsverlagerungstyps". Wenn ein isolierter Draht lateral in eine dieser Schlitze gezwungen wird, schneiden die Metallkanten, welche die Seiten des Schlitzes festlegen, durch die Drahtisolation und legen diese frei und erzeugen einen elektrischen Kontakt mit dem Draht.
Bei Ausführungsformen, welche Anschlussnasen 68 des Isolationsversetzungstyps verwenden können sich von den Ankerwicklungen 69 erstreckende Drähte in die jeweiligen Anschlüsse 42' gezwungen werden, entweder während oder nach dem Ankerwicklungsprozess. Dies eliminiert die Notwendigkeit, die Drähte an die Nasenanschlüsse 68 zu schweißen oder heiß zu binden.
Wie die Stirnflächenkommutatorbaugruppe 12 der 1 bis 10 umfasst die tonnenartige Kommutatorbaugruppe 12c mit übergeformtem Kohlesegment, wie in den 21 bis 32 gezeigt, eine kreisförmige Anordnung von 12 umfänglich beabstandeten Kupferleiterabschnitten 14c, welche um eine Rotationsachse und eine kreisförmige Anordnung von 12 umfänglich beabstandeten Kohlesegmente 18c angeordnet sind. Die ringförmige Anordnung von Kohlesegmenten 18c der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c legt nicht wie die stirnflächenartige Kommutatorbaugruppe 12 eine flache, kreisförmige kommutierende Oberfläche sondern eine segmentierte zusammengesetzte äußere umfänglich oder zylindrische kommutierende Oberfläche 22c fest.
Jedes Kohlesegment 18c wird an der oberen und unteren Oberfläche 32c, 33 eines jeweiligen der Leiterabschnitte 14c übergeformt, die eine ringförmige Anordnung von Kommutatorsektoren 168 bilden wie in den 22 bis 26 gezeigt. Jeder Leiterabschnitt 14c ist in eine der Kohlesegmente 18c eingebettet und umfasst eine Leiternase 42c, welche sich radial nach außen von dem Kohlesegment erstreckt. Wie am besten in den 22 und 23 gezeigt, ist jede Leiternase 42c axial nach unten um 90° gebogen an einem Punkt wo sie von seinem jeweiligen Kohlesegment 18c hervorsteht und ist dann diagonal nach oben und nach außen gebogen.
Wie in 26 gezeigt, umfasst die ringförmige Anordnung von Kommutatorabschnitten 168 eine axiale obere Endoberfläche 170, eine axiale Basisendfläche 172 und eine innere umfängliche Oberfläche 76c. Eine übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung 24c ist an der axialen oberen Endoberfläche 170, der Basisendfläche 172 und der inneren umfänglichen Oberfläche 76c der ringförmigen Anordnung von Kommutatorabschnitten 168 angeordnet um die Kommutatorabschnitte 168 mechanisch zu verzahnen. Wie am besten in den 23 und 28 gezeigt, ist die isolierende Verbindungseinrichtung 24c im allgemeinen bogenförmig und umfasst einen oberen, ring- und scheibenförmigen Abschnitt 174, einen unteren ring- und scheibenförmigen Abschnitt 176 und ei nen Wellenabschnitt 178, der die beiden scheibenförmigen Abschnitte 174, 176 verbindet und einen zylinderförmigen Raum einnimmt, der durch die innere umfängliche Oberfläche 76c der Kommutatorsektoren 168 festgelegt ist. Eine zentrale, axiale Ankerwellenöffnung 26c verläuft durch die Wellenabschnitte 178 der isolierenden Verbindungseinrichtung 24c und ist zentrisch innerhalb der inneren umfänglichen Oberfläche 76c der Kommutatorsektoren 168 angeordnet.
Wie in den 23, 25, 26 und 28 gezeigt, ist eine im allgemeinen kreisförmige, koaxiale Haltenut 180 in der oberen Endoberfläche 170 der ringförmigen Anordnung von Kommutatorabschnitten 168 gegenüberliegend zu der Basisendfläche 172 angeordnet. Ein ringförmiger Vorsprung erstreckt sich axial und konzentrisch nach unten von dem oberen scheibenförmigen Abschnitt 174 der isolierenden Verbindungseinrichtung und nimmt die Haltenut 180 ein.
In der Praxis ist jede der oben beschriebenen stirnflächenartigen und tonnenartigen Kohlekommutatorbaugruppen 12, 12c zuerst gestaltet durch die ringförmige Anordnung von Leiterabschnitten 14, 14c. Diese sind gebildet durch Stanzen der ringförmigen Anordnung aus einem einzelnen Kupferrohling 70, 70c, wie in den 4, 5 für die Verwendung in der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 12 und in den 24, 25 und 27 für die Verwendung in der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c gezeigt. In jedem Fall verbleibt beim Stanzprozess bei jedem Leiterabschnitt 14, 14c ein dünner, radial sich erstreckender Metallstreifen 72, 72c, mit welchem der Abschnitt an eine äußere ungestanzte Peripherie 74, 74c des Kupferrohlings 70, 70c verbunden ist. Die dünnen Kupferstreifen 72, 72c erlauben es der äußeren Peripherie 74, 74c als ein Tragring zu wirken, welcher die Leiterabschnitte 14, 14c in Position hält für die nach dem Stanzen folgenden Schritte bei den Kommutatorgestaltungsverfahren.
Die Kohleüberformung 20, 20c wird dann wie in den 6 und 8 für die stirnflächenartige Baugruppe 12 und in den 25, 26 und 28 für die tonnenartige Kommutatorbaugruppe 12c gezeigt, durch Überformen der Kohlenstoffverbindung auf eine obere Oberfläche 32, 32c der Anordnung der ringförmigen Leiterabschnitte 14, 14c gebildet. Die Kohlenstoffverbindung wird dann in einer solchen Art und Weise übergeformt um die Leiterabschnitte 14, 14c vollständig zu bedecken und mechanisch zu verzahnen. Bei der Gestaltung der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c wird die Kohlenstoffzusammensetzung auch an die Unterseitenfläche 33 der Anordnung von Leiterabschnitten 14c gegossen. Dies bettet wirksam die Leiterabschnitte 14c in die Kohleüberformung 20c.
Bei dem Kohleüberformungsprozess fließt die Kohlenstoffzusammensetzung in jede Leiterabschnittsöffnung 34, 34c und über jede periphere Kante eines jeden Leiterabschnittes. Bei der Gestaltung der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe und wie am besten in den 4, 6 und 8 gezeigt, verbleibt jedoch die Spitzenlasche 40 eines jeden Leiterabschnittes 14 durch die Kohleüberformung 20 freigelegt. Die Spitzenlasche 40 erstreckt sich radial nach innen in die Ankeröffnung 26.
Bei der Gestaltung der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 12 füllt die Kohlenstoffverbindung auch die integral nach oben gedrehten Leitervorsprünge 30. Dies erlaubt es, dass sich die Vorsprünge 30 durch die Dicke der Isolationsoberflächenhaut hindurch erstrecken, welche äußere Oberflächen der Kohleüberformung 20 bilden, wenn die Kohlenstoffverbindung aushärtet. Durch das Erstrecken durch die isolierende Haut dienen die Vorsprünge 30 dazu, den elektrischen Widerstand des Kontaktes zu vermindern durch das Erhöhen des Oberflächenkontaktgebiets zwischen der Kohle und dem Kupfer.
Bei dem Kohleüberformungsprozess sowohl für die stirnflächenartige als auch für die tonnenartige Kommutatorbaugruppen 12, 12c werden die radialen Nutabschnitte 54, 54c der Zwischenräume 52, 52c in eine innere Oberfläche 76, 76c der Kohleüberformung 20, 20c gegenüberliegend zu kommutierenden Oberflächen 22, 22c gegossen und zwischen die Leiterabschnitte 14, 14c. Im Falle der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 12 ist die innere Oberfläche 76 die flache Basisoberfläche der Kohleüberformung 20, welche axial gegenüberliegend zu der flachen kommutierenden Oberfläche 22 liegt. Im Falle der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c ist die inner Oberfläche 76c die innere umfängliche Oberfläche, welche radial gegenüberliegend zu der äußeren umfänglichen kommutierenden Oberfläche 22c liegt. In jedem Fall können die Nuten 54, 54c alternativ durch andere bekannte Mittel als das maschinelle Erzeugen hergestellt werden.
Wie in den 1–3 und 27 und 28 gezeigt, werden die Verbindungseinrichtungen 24, 24c dann durch eine zweite Überformungsoperation gebildet, mit dem die Kohleüberformung 20, 20c und die Anordnung von Leiterabschnitten 14, 14c mit dem Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung überdeckt werden. Während diesem Überformungsprozess der Verbindungseinrichtung umgibt das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung einen Teil der Kohleüberformung 20, 20c und der Leiterabschnitte 14, 14c. Das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung füllt auch vollständig die radialen Nuten 54, 54c, welche in der inneren Oberfläche 76, 76c der Kohleüberformung 20, 20c während des Kohleüberformungsprozesses gebildet wurde, d.h. der inneren Nutabschnitte 54, 54c der Zwischenräume 52, 52c. Nur der Abschnitt der Kommutierungsoberfläche 22, 22c der Kohleüberformung 20, 20c verbleibt freigelegt nachdem die Überformungsoperation der Verbindungseinrichtung abgeschlossen ist.
Im Falle der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 12 fließt das um den Umfang der Anordnung der Kohlesegmente 18 gebildete Isolatormaterial auch über die äußere Selbstrastung 50 eines jeden Kohlesegments 18, wenn die isolierende Verbindungseinrichtung 24 übergeformt wird, wie am besten in 2 gezeigt ist. Das um die Ankerwellenöffnung 26 gebildete Isolatormaterial fließt über die innere Selbstrastung 48 eines jeden Kohlesegmentes 18. Nachdem das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung über der inneren Selbstrastung 48 und der äußeren Selbstrastung 50 eines jeden Kohlesegments 18 ausgehärtet ist, und nachdem der Isolator unter den Kohlesegmenten 18 und den Leiterabschnitten 14 ausgehärtet ist, dient das ausgehärtete Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung dazu, die Kohlesegmente 18 im Verhältnis zueinander mechanisch zu bewahren. Zusätzlich bewahrt das ausgehärtete Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung zweitens die Kohlesegmente 18 relativ zu ihren jeweiligen Leiterabschnitten 14.
Im Falle der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c fließt das über die obere axiale Oberfläche der Kohleüberformung 20c gebildete Isolatormaterial auch in die kreisförmige Haltenut, wenn die isolierende Verbindungseinrichtung 24c übergeformt wird, wie am besten in 28 gezeigt ist. Nachdem das Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung in der Haltenut ausgehärtet ist und nachdem der Isolator ausgehärtet ist, dient das ausgehärtete Isolatormaterial der Verbindungseinrichtung dazu, die Kohlesegmente 18, 18c im Verhältnis zueinander in deren kreisförmigen Anordnung zu halten.
Bei der Gestaltung sowohl der stirnflächenartigen und tonnenartigen Kommutatorbaugruppen 12, 12c wird ein Abschnitt der äußeren Peripherie 74, 74c des ungestanzten Kupferrohlings 70 um die übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung 24, 24c gestutzt, wenn die Verbindungseinrichtung 24, 24c auf die Kohleumformung 20, 20c und die Leiterabschnittanordnung übergeformt wurde. Sobald die Peripherie 74, 74c weggeschnitten wurde, wird jeder Leiterstreifen 72, 72c gebogen um eine kurze Nase 42, 42c eines jeden verbindenden Streifens 72, 72c zu bilden, welcher radial nach außen ragend verbleibt von einer äußeren umfänglichen Oberfläche der Verbindungseinrichtung 24, 24c. Die Nasen 42, 42c sind somit positioniert und gestaltet zum Verwenden beim Verbinden jedes Leiterabschnittes 14, 14c mit einem Ankerdraht, der sich von einer Ankerwindung erstreckt.
Wie am besten in den 1 bis 3 und 21 und 23 gezeigt, wird dann die Ringanordnung von elektrisch isolierten Kohlesegmenten 18, 18c durch maschinelles Herstellen der schmalen radialen Schlitze 56, 56c nach innen von der freigelegten kommutierenden Oberfläche 22, 22c der Kohleüberformung 20, 20c bis zu den darunterliegenden radialen Nuten 54, 54c gebildet. Die Schlitze 56, 56c können durch berührende und nichtberührende maschinelle Verfahren gebildet werden umfassend, aber nicht darauf beschränkt, das Verwenden von Sägen mit Sägezähnen.
Da die radialen Schlitze 56, 56c in einer direkt überlagernden, d.h. axiale "oder radiale" Ausrichtung mit den radialen Nuten 54, 54c angeordnet sind, können die radialen Schlitze 56, 56c vollständig durch die Kohleüberformung 20, 20c geschnitten werden und leicht in das Isolationsmaterial, welches die radialen Nuten 54, 54c einnimmt. Dies stellt sicher, dass die Kohleüberformung 20, 20c durchgeschnitten ist und die Kohlesegmente 18, 18c vollständig getrennt und zueinander elektrisch isoliert sind. Die mit Isolatormaterial gefüllten radialen Nuten 54, 54c und die radialen Schlitze 56, 56c treffen innerhalb des Kommutators zusammen und bilden wie oben beschrieben die Zwischenräume 52, 52c zwischen den Kohlesegmenten 18, 18c.
Im Falle der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 12 bildet der mit Isolatormaterial gefüllte radiale Nutenabschnitt 54 eines jeden Zwischenraumes 52 ungefähr die Hälfte der axialen Tiefe eines jeden Zwischenraums 52. Im Falle der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 12c bildet der mit Isolationsmaterial gefüllte radiale Nutenabschnitt 54c eines jeden Zwischenraumes 52c ungefähr zwei Drittel der radialen Tiefe eines jeden Zwischenraumes 52c. Um den verbleibenden Abschnitt eines jeden Zwischenraums 52 zu schneiden erfordert es in jedem Fall folglich nur eines verhältnismäßig flachen Schlitzes 56, 56c.
Wie beispielhaft in der 9 für eine stirnflächenartige Kommutatorbaugruppe 12 gezeigt, wird die vervollständigte Kommutatorbaugruppe 12 an eine Ankerbaugruppe 80 angebracht. Die zweischalige Gussform 67 wird dann über die neu zusammengesetzte Kommutator-Ankerbaugruppe positioniert, welche in 9 allgemein mit 81 bezeichnet ist. Während des Positionierens der zweischaligen Gussform 67 über die Kommutator-Ankerbaugruppe 81 dichtet die Dichtungsfläche 65 der zweischaligen Gussform 67 um die umfängliche Anschlussfläche 64. Isolatormaterial wird dann in die zweischalige Gussform 67 eingespritzt. Sobald das Isolatormaterial ausgehärtet ist, wird die zweischalige Gussform 67 entfernt. Dieser letzte Überformungsschritt schützt die Kupferwindungen 69 des Ankers und andere korrosionsempfindliche Elemente gegen chemische Reaktionen mit umgebenden Fluiden wie Benzin.
Ein Kommutatorherstellungsprozess gemäß der Erfindung beinhaltet keine Bearbeitung von Kupfer und erzeugt damit keine Kupferabschabungen und Späne, welche sich zwischen die Kohlesegmente 18, 18c setzen. Zusätzlich verbleibt kein Kupfer freigesetzt um mit umgebenden Fluiden wie Benzin zu reagieren.
Da eine gemäß der Erfindung gestaltete Kommutatorbaugruppe 12 nur flache Schlitze 56, 56c in ihrer kommutierenden Oberfläche 22, 22c zur elektrischen Isolierung ihrer Kohlesegmente 18, 18c erfordert, ist die vervollständigte Kommutatorbaugruppe 12, 12c widerstandsfähiger und resistenter gegen Bruch. Im Falle der Stirnflächenkommutatorbaugruppe 12 kann die Verbindungseinrichtung 24 der Kommutatorbaugruppe 12 als Alternative für eine widerstandsfähigere Kommutatorbaugruppe axial kürzer gestaltet sein, was es erlaubt, dass die Kommutator-Ankerbaugruppe entweder axial kürzer ist oder weniger Ankerwicklungen 69 trägt. Mit anderen Worten, Gestalter können die kürzere Länge der Verbindungseinrichtung entweder nutzen zum Kürzen der gesamten Kommutator-Ankerbaugruppe oder dazu, mehr Ankerwicklungen 69 vorzu sehen.
Ein weiterer Vorteil der flachen Schlitze 56 bei der Stirnflächenkommutatorbaugruppe ist der, dass sie die umfängliche Anschlussfläche 64 zwischen den Nasen 42 und den Schlitzen 56 erlaubt. Durch die Bereitstellung einer geeigneten Dichtungsfläche für eine zweischalige Gussform eliminiert die umfängliche Anschlussfläche 64 den Bedarf für eine kompliziertere Operation, die das Maskieren der Schlitze 56 beinhaltet um den Ausfluss von Überformungsmaterial in und durch die Schlitze 56 zu verhindern.
Eine erste Ausführungsform einer Gestaltung einer gelöteten (statt Kohle-Übergeformt) tonnenartigen Kohlesegmentkommutatorbaugruppe für einen elektrischen Motor ist allgemein mit 100 in den 12 bis 14 bezeichnet. Eine zweite Ausführungsform einer gelöteten tonnenartigen Kommutatorbaugruppe ist allgemein mit 100' in 20 angegeben. Bezugsziffern mit dem Strichzeichen (') in 20 zeigen alternative Gestaltungen von Elementen, die auch in der ersten Ausführungsform auftreten. Solange nicht anders angegeben, gelten die Teile der Beschreibung in gleicher Weise auch für Elemente, die mit dem gestrichenen Ziffern in 20 gekennzeichnet sind, wenn ein Teil der folgenden Beschreibung eine Bezugsziffer für die Figuren verwendet.
Die erste Ausführungsform der tonnenartigen Kohlesegment-Kommutatorbaugruppe 100 umfasst eine zylindrische, ringförmige Anordnung von zwölf umfänglich beabstandeten Kupfersubstratabschnitten, die allgemein mit 102 in den 12 bis 14 bezeichnet sind. Die Substratabschnitte 102 sind um eine in den 13 und 14 mit 104 angegebene Rotationsachse angeordnet. Eine zylindrische, ringförmige Anordnung von zwölf umfänglich beabstandeten, in den 12 und 13 mit 106 gezeigten Kohlesegmenten ist aus einer leitfähigen Kohlenstoffzusammensetzung gebildet. Jede der zwölf Kohlesegmente 106 ist mit einer entsprechenden der zwölf metallischen Substratabschnitte 102 verbunden um zwölf Kommutatorsektoren 102, 106 zu bilden. Eine kreisförmige Anordnung von zwölf radialen, in den 12 und 14 mit 108 gezeigte Zwischenräume trennen physisch und isolieren elektrisch die zusammengesetzten Kommutatorsektoren 102, 106 voneinander. Eine zusammengesetzte äußere zylindrische Oberfläche der Anordnung von ringförmigen Kohlesegmenten legt eine segmentierte zylindrische kommutierende Oberfläche, die in 12 mit 110 bezeichnet ist fest zur Herstellung eines physischen und elektrischen Kontaktes mit einer Bürste (nicht gezeigt).
Eine im allgemeinen mit 112 in den 12 bis 14 bezeichnete isolierende Verbindungseinrichtung wird innerhalb der Anordnung von ringförmigen Kohlesegmenten angeordnet und verzahnt mechanisch die Kohlesegmente 106. Wie am besten in den 13 und 14 gezeigt, sind die Kohlesegmente 106 elektrisch voneinander durch radiale Schnitte 108 isoliert und mechanisch durch die isolierende Verbindungseinrichtung 112 miteinander verbunden.
Wie in 15 gezeigt, werden eine Nickel- und eine Kupferschicht 114, 116 auf eine innere Oberfläche plattiert, d.h. auf die Basisendfläche 118 eines jeden Kohlesegmentes 106, wobei die Kupferschicht 114 über die Nickelschicht 116 plattiert wird. Die Kupfersubstratabschnitte 102 werden an jeweilige plattierte Basisendoberflächen 118 der Kohlesegmente 106 gelötet um eine starke mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Kohlesegmenten 106 und ihren jeweiligen Substratabschnitten 102 bereitzustellen.
Wie am besten in 14 gezeigt, besitzt jeder Kupfersubstratabschnitt 102 einen flachen, sich verjüngenden, im allgemeinen trapezförmigen Hauptkörper 120 mit einer bogenförmigen äußeren Kante 122. Wie in den 12 bis 14 gezeigt, erstreckt sich ein U-förmiger Anschluss 124 radial und integral nach außen von der bogenförmigen äußeren Kante 122 eines jeden Hauptkörpers 120. Eine am besten in 13 zu sehende Nase 126 erstreckt sich diagonal nach unten und von dem Hauptkörper 120 eines jeden Kupfersubstratabschnittes 102 nach außen. Jede Nase 126 ist in der Verbindungseinrichtung 112 eingebettet um die Festigkeit der mechanischen Verwicklung zwischen den Substratabschnitten 102 und der Verbindungseinrichtung 112 zu erhöhen.
Wie untenstehend noch näher erläutert wird, werden die Substratabschnitte 102 aus einem einzelnen im allgemeinen kreisringförmigen Kupfersubstrat 128 geschnitten, das gestanzt und aus einem Kupferblech geformt wurde. Jeder U-förmige Anschluss 124 ist geformt um die Anbringung von Wicklungsdrähten (nicht gezeigt) durch Löten, das Anwenden von elektrisch leitfähigen Kleber und/oder das physische Wickeln solcher Spulendrähte um die Anschlüsse 124 zu erleichtern.
Die Zusammensetzung der Kohlesegmente 106 umfasst ein oder mehrere Materialien die aus der Gruppe bestehend aus isostatischen Elektrographiten, Kohlenstoffgraphit und feinkörniges extrudiertes Graphit ausgewählt ist beziehungsweise sind. Die isostatischen Elektrographite weisen die besten Eigenschaften auf, sind jedoch auch die teuersten. Das Kohlenstoffgraphit ist das billigste der drei.
Jedes Kohlesegment 106 weist eine horizontale Querschnittsform auf, die im allgemeinen trapezförmig ist und im allgemeinen zu der Form eines jeden Hauptkörperabschnittes 120 der Kupfersubstratabschnitte 102 passt. Die Kohlesegmente 106 weisen jeweils, wie mit 130 in 13 gezeigt, eine Haltenut auf, die in ein oberes Ende 132 eines jeden Kohlesegmentes 106 gebildet ist, gegenüberliegend zu der Basisendfläche 118.
Die Nickel- und Kupferschichten 114, 116 umhüllen die Basisendfläche 118 eines jeden Kohlesegmentes 106 vollständig und eben. Wie untenstehend näher erläutert wird, wird ein ausgewähltes Verfahren zur Elektroplattierung verwendet um die Nickel- und die Kupferschicht 114, 116 auf die Basisendfläche 118 der Kohlesegmente 116 aufzutragen. Bei diesem Verfahren werden Nickelionen tief in Poren (nicht gezeigt) in der Basisendoberfläche 114 der Kohlesegmente 116 abgeschieden. Die Poren in den Basisendoberflächen 114 sind charakteristisch für die Kohlenstoffzusammensetzungen, welche verwendet werden um die Kohlesegmente 106 zu bilden.
Eine in 15 mit 132 gezeigte Lötschicht, welche zum Kontaktieren verwendet wird und die zwischen den Kupfersubstratabschnitten 102 und den Kohlesegmenten 106 angeordnet ist, behaltet ein Flussmittel. Das Flussmittel wird mit der bei dem Lötprozess verwendeten Lötpaste vermischt um eine gleichförmige Flussverteilung sicherzustellen und einen mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Kohlesegmenten 106 und den Kupfersubstratabschnitten 102 zu verbessern.
Die Verbindungseinrichtung 112 umfasst eine Phenol-Verbindung wie „Rogers 660" und wird in eine einstückige Gestalt übergeformt, welche einen in den 12 bis 14 mit 134 gezeigten ringförmigen Wellenabschnitt umfasst. Der ringförmige Wellenabschnitt 134 erstreckt sich zwischen einem ringförmigen, mit 136 in den 12 und 13 gezeigten Kappenabschnitt und einem mit 138 in den 12 bis 14 gezeigten ringförmigen Basisabschnitt. Der Schaft 134, die Kappe 136 und die Basis 138 sind koaxial zueinander ausgerichtet und besitzen eine gemeinsame innere umfängliche Oberfläche, die eine Röhre 140 mit konstantem Durchmesser bildet, die bemaßt ist um über die Ankerwelle (nicht gezeigt) eines elektrischen Motors zu passen.
Der Kappenabschnitt 136 der Verbindungseinrichtung 112 erstreckt sich radial nach außen von dem Schaftabschnitt 134 in eine ringförmige Form, welche einen Hauptteil der oberen Enden 132 der Kohlesegmente 106 abdeckt. Der Kappenabschnitt 136 der Verbindungseinrichtung 112 nimmt auch die Kohlesegmenthaltenuten 130 ein, wodurch die Kohlesegmente 106 mechanisch miteinan der verbunden sind.
Ähnlich wie der Kappenabschnitt 136 der Verbindungseinrichtung 112 erstreckt sich die Basis 138 der Verbindungseinrichtung radial nach außen von dem Schaftabschnitt 134 in eine ringförmige Gestalt, die alles außer den U-förmigen Kontaktabschnitten 124 der Kupfersubstratabschnitte 102 ummantelt.
Eine gelötete Stirnflächen-Kohlesegment-Kommutatorbaugruppe für einen elektrischen Motor ist in den 29 und 30 mit 200 bezeichnet. Die Stirnflächenkommutatorbaugruppe 200 umfasst eine im allgemeinen kreisringförmige Anordnung von acht umfänglich beabstandeten, mit 202 in den 29 und 30 bezeichneten Kupfersubstratabschnitten. Die Substratabschnitte 202 sind um eine mit 202 in den 29 und 30 angegebene Rotationsachse angeordnet. Eine zylindrische ringförmige Anordnung von acht umfänglich beabstandeten, in den 29 und 30 mit 206 gezeigten Kohlesegmenten wird durch eine geeignete leitfähige Kohlenstoffverbindung gebildet wie eine solche, die obenstehend mit Bezug auf die tonnenartige Kohlekommutatorbaugruppe 100 beschrieben wurde. Jedes der acht Kohlesegmente 206 ist mit einem jeweiligen der acht metallischen Substratabschnitte 202 verbunden um acht Kommutatorsektoren 202, 206 zu bilden. Eine kreisförmige Anordnung von acht in den 29 und 30 mit 208 gezeigten radialen Zwischenräumen trennen physisch und isolieren elektrisch die zusammengesetzten Kommutatorsektoren 202, 206 voneinander. Eine zusammengesetzte kreisförmige Oberfläche, die durch die ringförmige Kohlesegmentanordnung gebildet ist, legt eine segmentierte zylinderförmige mit 210 in den 29 und 30 gezeigte kommutierende Oberfläche fest zum Herstellen eines physischen und elektrischen Kontaktes mit einer Bürste (nicht gezeigt).
Eine in den 29 und 30 mit 212 bezeichnete isolierende Verbindungseinrichtung wird unterhalb der ringförmigen Kohlesegmentanordnung angeordnet und verzahnt mechanisch die Kohle segmente 206. Die Kohlesegmente 206 sind elektrisch voneinander durch radiale Schnitte 208 isoliert und mechanisch durch die isolierende Verbindungseinrichtung 212 verbunden.
Wie in 15 gezeigt, sind eine Nickel- und eine Kupferschicht 214, 216 auf die innere, d.h. die Basisendfläche 218 eines jeden Kohlesegments 206 plattiert, wobei die Kupferschicht 214 über die Nickelschicht 216 plattiert ist. Die Kupfersubstratabschnitte 202 werden an jeweilige plattierte Basisendflächen 218 der Kohlesegmente 206 gelötet um starke mechanische und elektrische Verbindungen zwischen den Kohlesegmenten 206 und ihren jeweiligen Substratabschnitten 202 bereitzustellen.
Jeder Kupfersubstratabschnitt 202 ist ähnlich wie die Substratabschnitte 102 der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 100 gestaltet, welche in 14 gezeigt und oben beschrieben sind. Jeder Substratabschnitt 202 umfasst einen Hauptkörperabschnitt 220, einen Anschluss 224 und eine Nase 226.
Jedes Kohlesegment 206 weist eine horizontale Querschnittsgestalt auf, welche im allgemeinen trapezförmig ist und allgemein zu der Gestalt eines jeden Körperabschnittes 220 der Kupfersubstratabschnitte 202 angepasst ist.
Die Nickel- und die Kupferschicht 214, 216 bedecken die Basisendoberfläche 218 eines jeden Kohlesegmentes 206 vollständig und eben. Wie obenstehend mit Bezug auf den tonnenartigen Kommutator 100 erwähnt und ausführlicher untenstehend beschrieben wird, wird ein ausgewähltes Verfahren zum Elektroplattieren verwendet um die Nickel- und die Kupferschicht 214, 216 auf die Basisendflächen 118 der Kohlesegmente 106 zu plattieren.
Eine in 15 mit 232 gezeigte Lötschicht umfasst ein Flussmittel und kontaktiert und ist zwischen den Kupfersubstratabschnitten 102 und den Kohlesegmenten 106 angeordnet. Das Fluss mittel wird mit der bei dem Lötprozess verwendeten Lötpaste vermischt um eine gleichmäßige Fließverteilung und einen verbesserten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Kohlesegmenten 106 und den Kupfersubstratabschnitten 102 sicherzustellen.
Wie bei dem tonnenartigen Kommutator 100 weist die Verbindungseinrichtung 212 der Stirnflächenkommutatorbaugruppe 200 eine Phenol-Verbindung wie „Rogers 660" auf und ist in eine einzelne Gestalt gegossen, welche einen ringförmigen Schaftabschnitt aufweist, wie mit 234 in 30 gezeigt. Der ringförmige Schaftabschnitt 234 erstreckt sich integral und axial nach unten von einem ringförmigen Basisabschnitt, der in 30 mit 238 gezeigt ist. Der Schaft 234 und die Basis 238 sind koaxial ausgerichtet und besitzen eine gemeinsame innere umfängliche Oberfläche, die eine Röhre 240 mit konstantem Durchmesser bildet, welche bemessen ist um über eine Ankerwelle (nicht gezeigt) eines elektrischen Motors zu passen.
Die Basis 238 der Verbindungseinrichtung erstreckt sich radial nach außen von dem Schaftabschnitt 234 in eine ringförmige Gestalt, die alles außer den U-förmigen Kontaktabschnitten 124 der Kupfersubstratabschnitte 102 einschließt.
In der Praxis wird eine gelötete tonnenartige oder stirnflächenartige Kohlekommutatorbaugruppe 100, 200 gemäß der Erfindung gestaltet, zuerst durch Stanzen des oben beschriebenen Kupfersubstrates 128, 228 aus einem in den 16 und 17 gezeigten Kupferblech für eine tonnenartige Kommutatorbaugruppe 100. Ein Kohlezylinder 142, 242 wird dann entweder maschinell gestaltet oder wie für eine tonnenartige Kommutatorbaugruppe 100 in 8 gezeigt, aus einer leitfähigen Kohlenstoffzusammensetzung gegossen.
Bei der Gestaltung einer tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 100 wird eine kreisförmige Haltenut 144 gegossen oder maschinell in ein äußeres oder oberes Ende 146 des Kohlezylinders 142 gearbeitet. Die Nut ist konzentrisch zu dem inneren und dem äußeren Durchmesser des Zylinders 142 und ist ungefähr mittig zwischen diesen angeordnet.
Bei der Gestaltung einer tonnenartigen oder stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 100, 200 wird ein inneres, d.h. ein Basisende 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 durch Elektroplattieren mit einer Nickelschicht wie mit 114, 214 in 15 gezeigt, und mit einer mit 116, 216 in 15 gezeigten Kupferschicht metallisiert. Das Metallsubstrat 128, 228 wird dann an das metallisierte Basisende 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 gelötet.
Bei der Gestaltung des Tonnenkommutators 100 wird die Verbindungseinrichtung 112 dann innerhalb des Kohlezylinders 142 gebildet. Bei der Gestaltung des Stirnflächenkommutators 200 kann die Verbindungseinrichtung 212 an der Unterseitenoberfläche des Metallsubstrats 228 entweder vor oder nach dem Löten des Substrates 228 an die metallisierte Basisendfläche 248 des Kohlezylinders 242 gebildet werden.
Bei der Tonnenkommutatorbaugruppe 100 werden dann die Zwischenräume 108 maschinell radial nach innen durch den Kohlezylinder 142 und das metallische Substrat 128 gearbeitet um elektrisch isolierte Kohle/Metallkommutatorsektoren 102, 106 zu bilden. Die übergeformte Verbindungseinrichtung 112 hält die Kommutatorsektoren 102, 106 physisch zusammen nachdem die Zwischenräume 108 gebildet sind.
Bei der Stirnflächenkommutatorbaugruppe 200 werden die Zwischenräume 208 maschinell axial nach innen durch den Kohlezylinder 242 und das metallische Substrat 248 gearbeitet um die elektrisch isolierten Kohle/Metallkommutatorsektoren 202, 206 zu bilden. Die Verbindungseinrichtung 212 hält die Kommutatorsektoren 202, 206 physisch zusammen, nachdem die Zwischenräume 208 gebildet sind.
Sowohl für die Tonnen- als auch die Stirnflächenkommutatorbaugruppen 100, 200 wird ein Schablonendruckverfahren verwendet um Lötmittel wie in 15 mit 132, 232 gezeigt, auf die Basisendfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 aufzubringen. Gemäß diesem Verfahren wird der Kohlezylinder 142, 242 in einer Zuführspanneinrichtung einer Schablonendruckmaschine (nicht gezeigt) platziert. Die Schablonendruckmaschine wird dann getaktet um eine Schablone (nicht gezeigt) über die Basisendoberfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 zu platzieren. Die Schablone maskiert ein zentrisches Loch, das durch die ringförmig Gestalt der Basisendfläche 148, 248 festgelegt ist. Die Maschine bringt dann eine Schicht von Lötpaste über die Schablone und freigelegte Teile der metallisierten Kohlezylinderbasisendfläche 148, 248 mit einer Gummiwalze auf. Die Maschine entfernt dann die Schablone und überflüssige Lötpaste von dem Kohlezylinder 142, 242. Die in diesem Verfahren verwendete Schablonendruckmaschine ist eine De Hocurt-Model EL-20.
Nachdem die Schablonendruckmaschine die Lötpaste aufgebracht hat, wird das Substrat 128, 228 konzentrisch zu der Basisendfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 ausgerichtet und plan gegen die mit Lötmittel beschichtete Basisendfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142 platziert. Die Baugruppe 100 wird dann in einem Aufschmelzofen (nicht gezeigt) platziert um sicherzustellen, dass das Lötmittel 132, 232 den Zylinder und die Substratflächen 142, 242, 128, 228 korrekt miteinander verbindet.
Wie obenstehend erwähnt, werden die Nickel- und Kupferschichten 114, 214, 116, 216 durch Elektrolyse aufgebracht. Im speziellen wird ein Bürstentyp abhängiges Plattierungsverfahren verwendet um das Nickel und das Kupfer auf die Kohlezylinderbasisendfläche 118, 218 durch Elektroplattierung aufzubringen. Die bürstentypselektive Plattierung umfasst das Verwenden eines Ver teilers einer Elektrolyt-Ionenlösung in Form eines tragbaren Stabes mit einem aufsaugenden Bürstenapplikator an einem Ende. Eine im allgemeinen aus dem zu elektroplattierenden Metall bestehende Anode verbleibt innerhalb einem in dem Stab gebildeten Hohlraum. Der Kohlezylinder 142, 242 wird als Kathode geladen. Dieser Prozess hat eine sehr hohe elektrolytische Stromdichte zur Folge, welche die Metallionen tief in die Poren der Kohlezylinderkathode 142, 242 „schleudert", wenn der Applikator mit der Ionenlösung gesättigt ist und über die Basisendoberfläche 148, 248 des Zylinders 142, 242 gezogen wird. Dies führt zu einem ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Kontakt. Ein geeigneter bürstenselektiver Plattierungsprozess ist ausführlich im amerikanischen Patent US 5,409,593 beschrieben. Das Patent ist Sifco Industries, Inc. erteilt und dessen Offenbarungsgehalt wird hier durch Bezugnahme eingebunden.
Ein alternativer Prozess zum Metallisieren der Basisendfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 umfasst das Bilden einer dünnen, auf Zinn basierende, chemische Reaktionszone an der inneren oder Basisendfläche 148, 248 des Kohlezylinders 142, 242 zuerst durch Bereitstellen einer metallischen Pulvermischung von Zinn mit bestimmten Übergangsmetallen (typischerweise Cr), die bis typischerweise ungefähr 5 wt% hinzugefügt sind in einem geeigneten organischen Träger oder Binder um eine Metallisierungspaste zu bilden, welche gestrichen oder über ein Siebdruckverfahren auf die Basisendfläche 148, 248 aufgebracht wird. Die Paste wird dann getrocknet und allgemein bis 800–900 Grad für 10 bis 15 Minuten gebrannt. Kohlenmonoxydgas (CO) ist in die Heizatmosphäre eingeschlossen um die Verbindungs-/Trocknungsreaktion zu erleichtern. Das Brennen der Paste in einer Stickstoffatmosphäre erzeugt lokal ausreichend CO aufgrund des Ausbrennens des Binders. Dieses Verfahren führt zu einer direkten metallurgischen Verbindung der zinnreichen Zusammensetzung an die Basisendfläche 148, 248 zum Bilden der auf Zinn basierten chemischen Reaktionszone. Die metallisierte Oberfläche kann sicher bei 232 Grad Celsius (dem Schmelzpunkt von Zinn) aufgeschmolzen werden ohne Endnetzung der Basisendfläche 148, 248. Durch das Aufschmelzen herkömmlicher Lötzusammensetzungen in die Metallisierungsschicht kann die Basisendfläche 148, 248 in eine Lotschicht umgewandelt werden, wie mit 250 in 31 gezeigt, die gut auf der Basisendfläche 148, 248 haftet. Ein geeigneter Metallisierungsprozess, welcher die obigen Schritte umfasst, ist von Oryx Technology Corporation unter dem Markennamen Intragene^TM verfügbar.
Um die Verbindungseinrichtung 112 der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 100 zu bilden, wird ein Einfügegießprozess verwendet, um die Phenol-Verbindung über, unter und innerhalb des ringförmigen Kohlezylinders 142 und des metallischen Substrates 128 zu gießen. Bei diesem Prozess fließt die Phenol-Verbindung in die Haltenut 144 und füllt diese aus.
Sowohl bei der tonnenartigen als auch bei der stirnflächenartigen Kommutatorbaugruppe 100, 200 werden die einzelnen Kupfersubstratabschnitte 102, 202 durch Stanzen des kreisringförmigen Kupfersubstrates 128, 228 aus einem Kupferblech gebildet. Wie oben beschrieben, umfasst jeder der Kupfersubstratabschnitte 102, 202 einen im allgemeinen trapezförmigen, in 16 für tonnenartige Kommutatorbaugruppe 100 mit 120 bezeichneten Hauptkörperabschnitt. Die Anschlüsse 124, 225 erstrecken sich radial nach außen und eine Nase 126, 226 erstreckt sich diagonal nach unten und radial nach außen von dem Hauptkörperabschnitt eines jeden Substratabschnittes 102, 202. Die Anschlüsse 124, 222 und die Nasen 126, 226 sind am besten in 13 für die tonnenartige Kommutatorbaugruppe und in 30 für die stirnflächenartige Kommutatorbaugruppe 200 gezeigt.
Bevor die Kupfersubstrathauptkörperabschnitte 120 aus dem Substrat 128, 228 geschnitten werden, werden diese teilweise voneinander durch radial nach außen sich erstreckende Schlitze getrennt, wie mit 150 in 16 für die tonnenartige Kommutatorbaugruppe gezeigt ist. Die Schlitze 150 erstrecken sich radial nach außen von einem inneren Durchmesser 152 des ringförmigen Kupfersubstrats 128, 228. Die Substratabschnitte 102, 202 sind durch umfänglich sich erstreckende Verbindungslaschen miteinander verbunden, wie mit 154 in 16 gezeigt, welche radial äußere Enden der sich nach außen erstreckenden Schlitze 150 überbrücken.
Nachdem das kreisringförmige Kupfersubstrat 128, 228 aus einem Kupferblech gestanzt ist, werden die Nasen 126, 226 durch Biegen einer radialen inneren Spitze 156 eines jeden Hauptkörperabschnittes 120, 220 nach unten und radial nach außen von seiner ursprünglichen Position in einer Ebene mit dem Rest des Hauptkörperabschnittes 120, 220 gebogen. Zusätzlich wird jeder Anschluss 124, 224 in seine nach oben gerichtete U-förmige Gestalt gebogen. Bei der Gestaltung der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 100 werden die mit 108 in 12 und 14 gezeigten radialen Zwischenräume radial nach innen von der äußeren umfänglichen Oberfläche 110 des Kohlezylinders 142 durch den Schaftabschnitt 134 der Verbindungseinrichtung 112 gearbeitet. Sobald die radialen Zwischenräume 108 maschinell hergestellt sind, werden die sich umfänglich erstreckenden Substratabschnittsverbindungslaschen 154 durch die sich nach außen erstreckenden radialen Schlitze 150 geschnitten, wodurch die metallischen Substratabschnitte 102 getrennt und elektrisch isoliert sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des gelöteten tonnenartigen Kommutators werden die inneren Nutabschnitte 158 eines jeden radialen Zwischenraums entweder maschinell hergestellt oder radial nach außen gegossen in eine innere umfängliche Oberfläche 160' des Kohlezylinders 142'. Wie in 20 gezeigt, wird dann die Basisendfläche 148' des Kohlezylinders elektroplattiert und wird mit einer Lötpaste in der Schablonendruckmaschine beschichtet. Während des Schablonendruckens werden die inneren Nutabschnitte 158 durch die Schablone maskiert, welche die Schablonendruckmaschine über die umgewandelte Basisendfläche 148' des Kohlezylinders 142'' vor der Aufbringung der Lötpaste platziert. Die Schablone verhindert, dass Lot 132 in die inneren Nutabschnitte 158 hineingerät.
Sobald der Kohlezylinder 142' an das Substrat 128' gelötet ist, wird die Verbindungseinrichtung (nicht gezeigt in 20) übergeformt. Während der Überformung ist es der Phenol-Zusammensetzung gestattet, in die inneren Nutabschnitte 158 hineinzufließen und diese zu füllen. Äußere Schlitzabschnitte der Zwischenräume 108 werden dann radial nach innen von einer äußeren umfänglichen Oberfläche 110' des Kohlezylinders 142' bis zu den mit dem Isolator gefüllten inneren Nutabschnitten 158 maschinell hergestellt. Die äußeren Schlitzabschnitte der Zwischenräume 108 werden maschinell so hergestellt, dass sie mit den mit dem Isolator gefüllten inneren Nutenabschnitten 158 ausgerichtet sind und mit diesen verbunden um die radialen Zwischenräume 108 zu vervollständigen. Somit weist jeder radiale Zwischenraum 108 einen inneren Nutabschnitt 158 auf, welcher mit der isolierenden Phenol-Zusammensetzung gefüllt ist und einen ungefüllten äußeren Schlitzabschnitt.
Andere Ausführungsformen der tonnenartigen Kommutatorbaugruppe 100 können eine andere Anzahl von Polen als 12 umfassen. In ähnlicher Weise können andere Ausführungsformen der Stirnflächenkommutatorbaugruppe 200 eine andere Polzahl als acht aufweisen. Zusätzlich können andere leitende Metalle als Kupfer und Nickel verwendet werden um die innere, d.h. die Basisendfläche 108 des Kohlesegments 106 zu elektroplattieren. Andere Ausführungsformen können auch Isolationsversetzungsanschlüsse ähnlich wie die in 11 gezeigten Anschlüsse 14'' verwenden. In anderen Ausführungsformen kann die Verbindungseinrichtung 112 eine andere geeignete Isolatorzusammensetzung als eine Phenol-Zusammensetzung umfassen.
Dies ist eine veranschaulichende Beschreibung der Erfindung, welche nicht hierauf beschränkt ist. Es ist verständlich, dass viele Änderungen und Variationen der Erfindung im Lichte der obigen Lehre möglich sind. Innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche kann die Erfindung auch anders als beschrieben ausgeführt werden.

Claims

Kohle-Segmentkommutatorbaugruppe für einen elektrischen Motor, wobei die Kommutatorbaugruppe umfasst: eine ringförmige Anordnung von wenigstens zwei umfänglich beabstandeten Leiterabschnitten (14), welche um eine Rotationsachse (16) angeordnet sind; eine ringförmige Anordnung von wenigstens zwei umfänglich beabstandeten Kohlesegmenten (18), die aus einer leitenden Kohlenstoffzusammensetzung gebildet sind und welche eine segmentierte Kommutatoroberfläche (22) festlegen, wobei jedes Kohlesegment (18) mit einem entsprechenden von den Leiterabschnitten (14) verbunden ist, um eine ringförmige Anordnung von Kommutatorsektoren zu bilden, und eine übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung (24), die um die Kommutatorsektoren herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung (24) zwischen den Kohlesegmenten (18) angeordnet ist und die Kohlesegmente (18) mechanisch verzahnt.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend radiale Zwischenräume (52), welche die Kohlesegmente (18) abtrennen, wobei jeder Zwischenraum (52) einen mit dem Material der isolierenden Verbindungseinrichtung gefüllten inneren Nutabschnitt (54) und einen ungefüllten äußeren Schlitzabschnitt (56) besitzt.
Kommutator-Baugruppe nach Anspruch 2, wobei die radialen Zwischenräume (52), welche die Kommutatorsektoren trennen, eine kreisförmige Anordnung bilden.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, wobei jeder Leiterabschnitt (14) einen sich nach außen erstreckenden Anschlussabschnitt (42) umfasst und bei welchem jeder Leiterabschnitt (14) zwischen der isolierenden Verbindungseinrichtung (24) und dem Kohlesegment (18) eingebettet ist, wobei der Anschlussabschnitt (42) eines jeden Leiterabschnitts (14) von der äußeren Oberfläche der isolierenden Verbindungseinrichtung nach außen hervorragt.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 4, wobei die isolierende Verbindungseinrichtung (24) einen umfänglichen Boden (64) umfasst, welcher zwischen den Anschlussabschnitten (42) und dem ungefüllten äußeren Schlitzabschnitt (56) der Zwischenräume (52) angeordnet ist.
Kommutatorbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Leiterabschnitt (14) eine Nase (40, 126) umfasst, welche sich integral nach außen in die Verbindungseinrichtung erstreckt, wobei die Nase in der Verbindungseinrichtung eingebettet ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kohlesegmente (18) jede eine Haltenut (48, 130) aufweist, die benachbart zu einem oberen Ende eines jeden jeweiligen Kohlesegments gegenüberliegend zu einem Basisende gebildet ist, und die Verbindungseinrichtung (24, 112) in die Haltenut geformt ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kommutatorbaugruppe eine ebene Stirnflächen-Kommutatorbaugruppe (12) ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kohlesegmente (18) an die Leiterabschnitte (14) angeformt sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kohlesegmente (106) an die Leiterabschnitte (102) angelötet sind.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine erste an eine Basisendfläche (118) eines jeden Kohlesegments (106) plattierte Metallschicht (114), wobei jeder Leiterabschnitt (102) an die plattierte Basisendfläche eines jeweiligen Kohlesegments (106) angelötet.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 11, bei welcher eine zweite Metallschicht (116) über die erste Metallschicht (114) plattiert ist.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 12, bei welcher die erste Metallschicht (114) Nickel und die zweite Metallschicht (116) Kupfer umfasst.
Kommutatorbaugruppe nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei sich kleine Poren in die Basisendfläche (118) eines jeden Kohlesegments (106) erstrecken und das metallische Material der ersten Metallschicht (114) innerhalb der Poren in die Basisendfläche (118) eines jeden Kohlesegments (106) abgeschieden ist.
Kommutatorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ringförmige Anordnung von Kommutatorsektoren eine axiale obere Endfläche (146), eine axiale Basisendfläche (148) und eine innere umfängliche Oberfläche (160) aufweist, wobei die ringförmige Anordnung der Kohlesegmente (106) eine segmentierte zusammengesetzte äußere umfängliche Oberfläche (110) des Kommutators (100) festlegt, und die übergeformte isolierende Verbindungseinrichtung an dem äußeren oberen Ende, dem Basisende und der inneren umfänglichen Oberfläche der ringförmigen Anordnung von Kommutatorsektoren angeordnet ist, um die Kommutatorsektoren mechanisch zu verzahnen, wobei die isolierende Verbindungseinrichtung (112) eine mittige axiale Öffnung (26, 140) umfasst, welche konzentrisch innerhalb der inneren umfänglichen Oberfläche (160) der Kommutatorsektoren angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 15, wobei jeder Leiterabschnitt (14c) wenigstens teilweise in einem jeweiligen der Kohlesegmente (18c) eingebettet ist und einen Anschlussabschnitt (42c) umfasst, welcher sich von dem Kohlesegment (18c) radial nach außen erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 1, 2, 15 oder 16, wobei jeder Leiterabschnitt (14c) wenigstens einen Leiterfortsatz (30) aufweist, welcher wenigstens teilweise in einem entsprechenden der Kohlesegmente (18c) eingebettet ist, um den elektrischen Widerstand zu vermindern durch das Erhöhen des Oberflächenbereichskontaktes zwischen jedem Leiterabschnitt (14) und seinem entsprechenden Kohlesegment (18).
Baugruppe nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei jedes Kohlesegment eine Haltenut (180) aufweist, welche benachbart zu einem oberen Ende eines jeden entsprechenden Kohlesegments gegenüberliegend zu einem Basisende gebildet ist; und wobei die Verbindungseinrichtung in die Haltenut geformt ist.
Kommutatorbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Metallpartikel, welche in die Kohlenstoffzusammensetzung eingebettet sind, um den elektrischen Widerstand zwischen jedem Leiterabschnitt (14) und seinem entsprechenden Kohlesegment (18) durch Verbessern der Oberflächenleitfähigkeit des Kohlesegments zu vermindern.
Verfahren zum Herstellen einer Kohle-Kommutatorbaugruppe, umfassend die Schritte von: Bereitstellen einer ringförmigen Anordnung von Leiterabschnitten (14), Bereitstellen eines Rings einer leitfähigen Kohlenstoffzusammensetzung (20), Verbinden des Rings mit der Leiteranordnung, um einen Kommutatorrohling zu bilden, Überformen des Kommutatorrohlings mit Isolationsmaterial, um eine isolierende Verbindungseinrichtung (24) zu bilden, Maschinelles Ausbilden von Schlitzen (56) von einer Kommutatoroberfläche (22) des Kommutatorrohlings nach innen, um eine ringförmige Anordnung von elektrisch isolierten Kohlesegmenten (18) zu bilden, gekennzeichnet durch das Bilden von Nuten (54) in einer Oberfläche des Rings gegenüberliegend der Kommutatoroberfläche und das Einfließenlassen von Isolationsmaterial der Verbindungseinrichtung (24) in die Nuten, um die Nuten wenigstens teilweise zu füllen, und Ausrichten der Schlitze (56) mit den Nuten (54), um Zwischenräume (52) zwischen den Kohlesegmenten (18) zu bilden, welche einen mit Isolationsmaterial gefüllten Abschnitt und einen ungefüllten Schlitzabschnitt aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Schritte des Bereitstellens des Rings und des Verbindens des Rings mit der ringförmigen Anordnung das Überformen einer elektrisch leitfähigen harzgebundenen Kohlenstoffzusammensetzung (20) an wenigstens einer Oberfläche der Leiterabschnitte (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Überformens einer elektrisch leitfähigen, harzgebundenen Kohlenstoffverbindung den Schritt umfasst des Gießens der Koh lenstoffzusammensetzung (20) über und unter den Ring von Leiterabschnitten (14).
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, umfassend den Schritt des Bildens einer Haltenut (130) in einer axialen oberen Oberfläche (132) des Kohlerings (20) und wobei der Schritt des Überformens mit Isolationsmaterial das Fließenlassen von Isolationsmaterial über die obere axiale Oberfläche (132) und in die Haltenut (130) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei der Schritt des Bereitstellens einer ringförmigen Anordnung von Leiterabschnitten (14) den Schritt umfasst des Stanzens einer ringförmigen Anordnung von Leiterabschnitten (14) aus einem einzelnen Kupferrohling (70).
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt des Stanzens der ringförmigen Anordnung von Leiterabschnitten (14) den Schritt umfasst des Zurücklassens eines jeden Leiterabschnitts, verbunden durch einen dünnen Metallstreifen (72) mit einer ungestanzten äußeren Peripherie (74) des Kupferrohlings (70).
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend den Schritt des maschinellen Ausbildens der Schlitze (56), flach genug, um einen umfänglichen Boden (64) zurückzulassen, welcher an einer äußeren umfänglichen Oberfläche der Verbindungseinrichtung (24) zwischen den dünnen Metallstreifen (72) und den Schlitzen (56) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend die Schritte von: Positionieren einer zweischaligen Gussform (67) über die Kommutatorbaugruppe (12) und eines geschalteten Ankers (80); Abdichten eines Endes der zweischaligen Gussform (67) um den umfänglichen Boden (64); Einspritzen von Isolationsmaterial in die zweischalige Gussform (67), Zulassen, dass das eingespritzte Isolationsmaterial aushärtet; und Entfernen der zweischaligen Gussform (67).
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Rings von Leiterabschnitten (14) das Bereitstellen eines metallischen Substrats (70) und das Aufteilen des Substrats in die ringförmige Anordnung von Leiterabschnitten (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Verbindens des Kohlerings (20) mit der ringförmigen Anordnung die Schritte des Metallisierens einer Fläche des Kohlerings (20) durch Bonden einer ersten Schicht (114) eines metallischen Materials an die Oberfläche und des Lötens des metallischen Substrats (70) an die metallisierte Oberfläche des Kohlerings (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Aufteilens des metallischen Substrats (70) in die ringförmige Anordnung von Leiterabschnitten (14) auftritt, nachdem der Kohlering (20) an das metallische Substrat (70) gelötet ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Metallisierens der Oberfläche den Schritt des Bondens einer zweiten Schicht (116) eines metallischen Materials an die erste Schicht (114) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Metallisierens der Oberfläche den Schritt des Galvanisierens einer Schicht (114) eines metallischen Materials auf die Oberfläche des Kohlerings (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Metallisierens der Oberfläche den Schritt des Verwendens eines Bürstentyp-selektiven Galvanisierungsprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Metallisierens der Oberfläche den Schritt des Bereitstellens einer auf Zinn basierenden Metallisierungsschicht einschließlich einer chemischen Reaktionszone an der Oberfläche des Kohlerings umfasst durch: Bilden einer metallischen Pulvermischung aus Zinn mit einem Übergangsmaterial; Bilden einer Metallisierungspaste durch Mischen der metallischen Pulvermischung mit einem organischen Bindemittel; Auftragen der Metallisierungspaste auf die Oberfläche; und Heizen der Paste auf 800–900°C in einer Atmosphäre, welche Kohlenmonoxid umfasst; und wobei der Schritt des Lötens auch den Schritt des Umwandelns der Metallisierungsschicht in eine Lötschicht durch Aufschmelzen einer Lötzusammensetzung in die Metallisierungsschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des Bildens einer metallischen Pulvermischung den Schritt des Bereitstellens von Chrom als das Übergangsmetall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem der Schritt des Bildens einer metallischen Pulvermischung das Bereitstellen von ausreichend Chrom umfasst, um ungefähr 5 Gewichtsprozent der Mischung auszumachen.
Verfahren nach Anspruch 34, 35 oder 36, wobei der Schritt des Aufbringens der Metallisierungspaste den Schritt des Aufbringens der Paste auf die Oberfläche durch Siebdruck umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, wobei der Schritt des Heizens der Paste den Schritt umfasst von: Heizen der Paste in einer Stickstoffatmosphäre, und Erzeugen von Kohlenmonoxid durch Ausbrennen des Bindemittels.
Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem der Kohlering (20) ein Zylinder ist und der Schritt des Lötens des Substrats (70) an den Kohlering (20) den Schritt des Verwendens eines Schablonendruckprozesses umfasst zum Aufbringen von Lötmittel auf die innere Oberfläche des Kohlezylinders, wobei der Schablonendruckprozess die Schritte umfasst von: Platzieren einer Schablone über die innere Oberfläche des Kohlezylinders; Bereitstellen einer Lötschicht (232) auf der Schablone und Bereitstellen von freiliegenden Abschnitten der inneren Oberfläche des Kohlezylinders; und Entfernen der Schablone von dem Kohlezylinder.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Verbindungseinrichtung (112) das Überformen von Isolationsmaterial auf den Kohlezylinder (106) und das metallische Substrat (102) in einem Gießprozess mit einem Einsatz umfasst, um die Verbindungseinrichtung (112) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem der Schritt des Bereitstellens eines metallischen Substrats (70) den Schritt umfasst des Stanzens einer kreisförmigen Ringanordnung von metallischen Substratabschnitten (14) aus einem Metallblech (70), wobei jeder Abschnitt ein Hauptteil umfasst, einen Anschluss (72), der sich radial nach außen von jedem Hauptteil erstreckt und einen Vorsprung (40) welcher sich nach innen von jedem Hauptteil aus erstreckt, wobei die Hauptteile teilweise durch radial sich nach innen verlaufende Schlitze festgelegt sind und die Hauptteile des Substrats durch Verbindungsstreifen verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 41, bei welchem der Schritt des Stanzens in eine kreisförmige Ringanordnung von metallischen Substratabschnitten (14) die Schritte des Stanzens eines sich nach außen erstreckenden Anschlusses (42) mit einer Isolationsverlagerungsanordnung (68) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 42, bei welchem der Schritt des Bildens von Nuten den Schritt des maschinellen Bildens der Nuten durch die Verbindungsstreifen (72) umfasst.