DE10148443C2 - Kommutator einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator einer elekt­ rischen Maschine. (DE 925 661 C)

Kommutatoren für elektrische Maschinen, auch unter dem Namen Stromwender bekannt, weisen Kommutatorlamellen auf. Über die Kommutatorlamellen wird der zu wendende Strom geführt. Kommu­ tatorlamellen bestehen aus wenigstens einem elektrisch lei­ tenden Material, wie z. B. Kupfer. Die elektrisch leitenden Kommutatorlamellen sind durch ein isolierendes Material von­ einander getrennt. Bei Stromwendern elektrisch rotorischer Maschinen sind die Kommutatorlamellen kreisförmig um eine Ro­ tationsachse angeordnet und sitzen auf einem zylindrischen Körper auf. Der durch die Kommutatorlamellen geführte Strom wird über Bürsten abgegriffen.

Aus der DE 925 661 C sind beispielsweise Lamellen für Kollektoren elektrischer Maschinen und Apparate bekannt, welche an einer Lauffläche aus Kohle und im übrigen Teil aus Metall bestehen. Kohle- und Metallteil greifen dabei in der Weise ineinander, dass der Druck an den Berührungsflä­ chen zwischen beiden Teilen im Betrieb höher als im Still­ stand ist.

Aus der DE 871 331 C ist des Weiteren ein Kollektor für elektrische Maschinen oder Apparate mit aus elektrisch verhältnismäßig schlecht leitendem Werkstoff, ins­ besondere Kohle oder Eisen, bestehenden Lamellen bekannt. Eine Lamellenzwischenisolation ist über den Lamellenfuß hinaus verlängert, wobei die so entstehenden Räume mit elektrisch gut leitendem Werkstoff ausgefüllt sind.

Ein weiterer Kollektor ist aus der DE 938 199 C bekannt. Bei diesem Kollektor sind zur Isolierung der Lamellen gegeneinander auf diese eine festhaftende Isolier­ schicht aufgebracht. Diese Isolierschicht der Lamellen ist beispielsweise durch einen nach dem Druckhitzeverfahren aufge­ brachten Kunstharzpressstoff gebildet.

Insbesondere bei schnellen Relationsbewegungen eines rotato­ rischen Kommutators wirken auf die Kommutatorlamellen hohe Zentripetalkräfte, d. h. Fliehkräfte. Durch diese Zentripetal­ kräfte entstehen Wölbungen und Veränderungen in der Geometrie des Kommutators und insbesondere der Kommutatorlamellen. Die­ se Wölbungen sind vorzugsweise dort im besonderen Maße ausge­ prägt, wo die Kommutatorlamellen wenig Gegenkräfte entwickeln bzw. aufweisen. Bei einem rotationssymmetrischen Kommutator weisen die Kommutatorlamellen zwei Enden auf. Insbesondere an diesen Enden sind die Kommutatorlamellen so ausgeführt, dass Mittel vorgesehen sind, welche die Kommutatorlamellen an dem zylindrischen Körper halten und eine Gegenkraft zur Zentripe­ talkraft aufbauen. Lange Kommutatoren können auch zwischen den beiden Enden des Kommutators Mittel zur Halterung an dem zylindrischen Körper aufweisen. Dies ist allerdings sehr auf­ wendig und kostentreibend. Durch die der Zentripetalkraft entgegenwirkende Kraft ist eine Gewölbedruck aufgebaut. Bei­ spiele für den Aufbau eines Gewölbedrucks sind der Patent­ schrift DE 32 45 699 C2 entnehmbar. Je weiter ein Punkt einer Kommutatorlamelle von einem Befestigungspunkt entfernt ist, desto kleiner werden die der Zentripetalkraft entgegenwirken­ den Kräfte und desto ausgeprägter ist die Wölbung bei ausge­ führten Rotationsbewegungen. Derartige Wölbungen können auch eine bleibende Verformung der Kommutatorlamellen bzw. Wölbung des Kommutators zur Folge haben. Eine radiale Auswölbung we­ nigstens von Teilbereichen des Kommutators ergibt sich auch insbesondere dann, wenn sich bestimmte Kommutatorlamellen stärker erwärmen als benachbarte Kommutatorlamellen und sich die wärmeren Kommutatorlamellen, insbesondere radial nach au­ ßen ausdehnen und so eine Erhebung auf der ansonsten kreis­ förmigen Kommutatoroberfläche entsteht. Eine lokal stärkere Erwärmung von Kommutatorlamellen ergibt sich beispielsweise wenn die Kommutatorlamelle Strom führt, der Kommutator sich jedoch nur langsam dreht oder still steht. Geometrische Ver­ änderungen des Kommutators, insbesondere der Kommutatorlamel­ len haben Auswirkungen auf die Stromabnehmer, d. h. die Bürs­ ten, welche die Spannung bzw. den Strom von den Kommutatorla­ mellen abgreifen. Der Abrieb der Bürsten ist vergrößert. Die­ se sind öfter auszutauschen, was die Betriebszeiten des Stromwenders und der elektrischen Maschine, vorzugsweise der Gleichstrommaschine reduziert. Durch den erhöhten Abrieb ver­ größert sich die Temperatur im Bereich der Bürsten. Eine hohe Temperatur hat höhere Widerstände der elektrisch leitenden Teile zur Folge, welche wiederum die Temperatur erhöhen. So wird nicht nur der Abrieb der Bürsten erhöht, sondern es wird auch der Kommutator in einem höheren Maße thermisch bean­ sprucht. Des weiteren tritt auch an den Kommutatorlamellen ein höherer Verschleiß auf. Durch den höheren Verschleiß re­ duziert sich die Betriebsstundenzahl der elektrischen Maschi­ ne und die Kosten durch Wartung und Reparatur sind erhöht.

Kommutatoren sind nicht nur mit einteiligen Kommutatorlamel­ len aus Kupfer ausführbar, sondern auch zweiteilig mit zwei elektrisch leitenden Materialien, wie Kupfer und Kohle. Bei­ spiele hierfür sind der deutschen Patentschrift Nr. 925661 entnehmbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kommutator anzugeben, bei welchen der Verschleiß reduziert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Kommutator für eine ro­ tatorische elektrische Maschine, mit einer Rotationsachse, weist mehrere auf einer kreisartigen Isolierschicht rotati­ onssymmetrisch angeordnete Kommutatorlamellen auf. Die Kommu­ tatorlamellen sind voneinander durch wenigstens eine Isolie­ rung isoliert, wobei die Isolierung, die Kommutatorlamelle und der Kommutator im Bereich der Kommutatorlamellen wenigs­ tens zweischichtig ausgeführt ist. Die Kommutatorlamellen weisen zumindest eine der Rotationsachse zugewandte Unter­ schicht und eine der Rotationsachse abgewandte Oberschicht auf, wobei die Unterschicht der Kommutatorlamellen ein metal­ lisches Material aufweist und die Oberschicht der Kommutator­ lamellen eins elektrisch leitendes Material aufweist. Die Oberschicht des Kommutators im Bereich der Kommutatorlamellen weist eine geringere Wärmeausdehnung auf als die Unterschicht des Kommutators im Bereich der Kommutatorlamellen. Die Kommu­ tatorlamellen und die elektrische Isolierung zwischen den Kommutatorlamellen sind jeweils zweischichtig aufgebaut, wo­ bei die Isolierschicht im Bereich der Oberschicht der Kommu­ tatorlamellen einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten äls die Isolierschicht im Bereich der Unterschicht der Kommu­ tatorlamellen aufweist.

Durch die Verarbeitung der Isolierung zwischen den Ober­ schichten der Kommutatorlamellen bei verschiedenen Temperatu­ ren ist ein Gewölbedruck aufbaubar.

Der Stromwender, d. h. der Kommutator einer elektrischen Ma­ schine, insbesondere einer Gleichstrommaschine ist ein zylin­ derartiger Körper. Auf einem Kommutatorlamellenträger, wel­ cher eine Welle einer elektrischen Maschine aufnimmt, sind mehrere Kommutatorlamellen angebracht wobei die Kommutatorla­ mellen vom Kommutatorlamellenträger beispielsweise durch eine kreisartige Isolierschicht elektrisch isoliert sind. Die An­ bringung der Kommutatorlamellen an dem Kommutatorlamellenträ­ ger erfolgt beispielsweise formschlüssig und/oder kraft­ schlüssig durch hakenartige Verbindungen, kraftschlüssige Verbindungen und/oder durch stoffschlüssige Verbindungen wie beispielsweise durch Kleber und/oder eine Lötverbindung. Sind die Kommutatorlamellen aus einem metallischen Teil als Unter­ schicht, und einem anderen elektrischen leitenden Teil als Oberschicht aufgebaut, so ist der metallische Teil vorzugs­ weise aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Ma­ terial wie Aluminium oder Eisen und der Teil der Oberschicht aus einem anderen elektrisch leitenden Material, z. B. wenigs­ tens teilweise aus Kohle und/oder Graphit. Eine elektrisch leitende Oberschicht, z. B. eine Kohleschicht befindet sich auf der rotatorisch nach außen gerichteten Fläche des metal­ lischen Teils der Kommutatorlamellen. Die Kohleschicht ist beispielsweise durch das Anbringen einzelner Segmente aus Kohle auf den Kommutatorlamellen ausbildbar. Die Anbringung erfolgt beispielsweise durch stoffschlüssige Verbindungen wie dem Kleben und/oder dem Anlöten. Eine weitere Art, den metal­ lischen Teil der Kommutatorlamellen im radial äußeren Bereich des Stromwenders mit einer Kohleschicht zu versehen, ist die Verwendung eines Beschichtungsverfahrens. Diese Methode ist sowohl segmentiell jeweils nur über einer Kommutatorlamelle anwendbar, als auch für den ganzen rotatorischen Außenbereich des zylinderartigen Stromwenders, so dass sich ein Kohleman­ tel ausbildet. Ein derartiger Kohlemantel ist auch durch eine Hülsenkonstruktion ausführbar. Eine Hülse aus einem zumindest kohlehaltigem Material deren Innendurchmesser größer, gleich oder etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des Stromwen­ ders mit den rotatorisch angeordneten Kommutatorlamellen, die zunächst nur einen metallischen Teil aufweisen, wird über die zunächst nur metallischen Kommutatorlamellen gestülpt. Ist der Innendurchmesser der Kohlehülse kleiner als der Außen­ durchmesser der metallischen Teile der Kommutatorlamellen, so ist beispielsweise der Teil mit den metallischen Teilen der Kommutatorlamellen abkühlbar, so dass er sich zusammenzieht und/oder die Hülse ist erwärmbar, so dass diese sich ausdehnt und somit ein Ineinanderfügen der beiden Teile durchführbar ist. Die Verbindung der beiden Teile erfolgt beispielsweise durch eine Klebeverbindung und/oder durch eine Lötverbindung.

Die Segmentierung, d. h. die Ausbildung einer Lamellenstruktur der Kohleschicht erfolgt durch das Abtragen der Kohle in den Bereichen, welche über der Isolierung zwischen dem metalli­ schen Teilen der Kommutatorlamellen liegen. Diese Isolierung besteht beispielsweise aus Glimmer. Diese Segmentierung der Kohleschicht des Kommutators erfolgt beispielsweise über eine optische Abtastung der Isolierung zwischen den Kommutatorla­ mellen um eine Fräseinrichtung beispielsweise so zu positio­ nieren, dass oberhalb der Isolierung die Kohleschicht durch­ trennt wird.

Die Zwischenräume zwischen den Oberschichten der Kommutator­ lamellen werden durch eine Isoliermasse gefüllt. Dies ge­ schieht beispielsweise durch Vergießen oder Verpressen. Dar­ aus resultiert der zumindest zweischichtige Aufbau der Iso­ lierung zwischen den Kommutatorlamellen, da die Verarbeitung der Isolierung zeitlich versetzt vollzogen ist. Die Isolie­ rung ist somit zweischichtig, unabhängig davon, ob nur ein Isoliermaterial oder verschiedene Isoliermaterialien verar­ beitet werden. In vorteilhafter Weise erfolgt die Verarbei­ tung der Isolierung zwischen den Oberschichten bei einem er­ wärmten Kommutator.

Die Unterschicht des Kommutators weist als einen Teil die Un­ terschicht der Kommutatorlamellen und als anderen Teil die dazwischenliegende Isolierung auf. Die Oberschicht des Kommu­ tators weist als einen Teil die Oberschicht der Kommutatorla­ mellen und als anderen Teil die dazwischenliegende Isolierung auf, wobei diese Isolierung der Oberschicht im erwärmten Zu­ stand des Kommutators verarbeitet ist. Da in vorteilhafter Weise die Oberschicht des Kommutators eine kleiner Wärmeaus­ dehnung aufweist als die Unterschicht des Kommutators ergibt sich bei einem erwärmten Kommutator ohne Isolierung in der Oberschicht eine größere Lücke zwischen den Kommutatorlamel­ len, als dies bei einem nicht erwärmten Kommutator der Fall ist. In diese größere Lücke wird die Isolierung zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen eingebracht. Kühlt der Kommutator ab, so zieht sich die Unterschicht des Kommutators stärker zusammen als die Oberschicht, wobei beide Schichten fest miteinander verbunden sind. Daraus entstehen Spannungen und Kräfte, welche einen Gewölbedruck aufbauen. Damit ist ei­ ne Gegenkraft zur Zentripetalkraft ausgebildet. Auch bei lo­ kalen Erwärmungen der Kommutatorlamellen wölbt sich der Kom­ mutator in diesem lokalen Bereich nur noch vermindert auf.

Damit auch bei hohen Betriebstemperaturen ein Gewölbedruck aufrecht erhalten bleibt, erfolgt die Verarbeitung der Iso­ lierung zwischen der Oberschicht der Kommutatorlamellen vor­ zugsweise bei einer Temperatur des Kommutators oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Kommutators.

Oberschichten und/oder Unterschichten sind in ihrer radialen Ausrichtung auch mehrschichtig aufbaubar. Dabei ist die Wär­ meausdehnungsfähigkeit der in den Bereichen der Kommutatorla­ mellen mit großem Radius verwendeten Materialien kleiner zu halten als die Wärmeausdehnungsfähigkeit der Materialien in den Bereichen der Kommutatorlamellen mit dazu kleinerem Radi­ us.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist die Isolierschicht im Bereich der Oberschicht der Kommutator­ lamellen einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Isolierschicht im Bereich der Unterschicht der Kommuta­ torlamellen auf.

Wird der Kommutator mit seiner sequentiell in Lamellen aufge­ teilten Oberschicht erwärmt, so vergrößern sich die Zwischen­ räume zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen. In diese Zwischenräume wird eine Isoliermasse eingebracht, wel­ che zumindest einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als wenigstens die Oberschicht der Kommutatorlamellen auf­ weist. Vorzugsweise ist der Ausdehnungskoeffizient der Iso­ liermasse bzw. des Isoliermaterials zwischen den Oberschich­ ten der Kommutatorlamellen Null oder negativ. Beim Abkühlen des Kommutators zieht sich die Oberschicht, welche z. B. eine Kohleschicht ist stärker zusammen als die Isoliermasse. Auf diese Weise entsteht innerhalb des äußeren Bereiches des Stromwenders ein Druck. Dieser Druck übt eine Kraft auf die Kommutatorlamellen aus. Durch diese Kraft bzw. durch den Ge­ wölbedruck minimieren sich die geometrischen Veränderungen des Kommutators bzw. des Stromwenders im Falle vom rotatori­ schen Bewegungen und den in diesem Zusammenhang auftretenden Zentripetalkraft, da diese Kraft der Zentripetalkraft wenigs­ tens in Teilen entgegenwirkt.

Zur Erhöhung des Gewölbedrucks bzw. der auftretenden Spannung sind verschiedene Maßnahmen ausführbar, die miteinander kom­ binierbar sind. Der Aufbau des Gewölbedruckes hängt bei­ spielsweise unter anderem auch von der Kombination aus den verwendeten Materialien mit den unterschiedlichen Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten mit der Dicke, d. h., dem eingenommenen Volumen ab. Je größer das Volumen ist, desto größer ist abso­ lut gesehen dazu die Ausdehnung.

Durch den aufgebrachten Gewölbedruck und den geringeren Ver­ änderungen bezüglich den Auswirkungen von Fliehkräften, ver­ bessern sich die Rundlaufeigenschaften im Vergleich zum bis­ herigen Stand der Technik.

In vorteilhafter Weise ist die Vorgehensweise bei der Verar­ beitung der Isolierung im Bereich der Oberschicht der Kommu­ tatorlamelle auch, bei der Isolierung zwischen den Unter­ schichten der Kommutatorlamellen anwendbar.

Eine Verwendung zweier Materialien für die Isolierung der Kommutatorlamellen untereinander ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn verschiedene Materialeigenschaften wie die Wär­ meausdehnungsfähigkeit oder auch verschiedene Verarbeitungs­ eigenschaften der Materialien ausnutzbar sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Isolier­ schichten größer ist als der Abstand in Umfangsrichtung zwi­ schen den Kommutatorlamellen wobei die Oberschicht der Kommu­ tatorlamellen einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Unterschicht der Kommutatorlamellen aufweist.

In diesem Fall ist der Blick auf die Dicke der Kommutatorla­ mellen in Bezug auf die Dicke der dazwischenliegenden Isolie­ rung gerichtet. Bei einem zweischichtigen Kommutator weist die Oberschicht beispielsweise ein Kohlematerial auf und die Unterschicht ein Kupfermaterial. Da Kohle mit ca. α = 2,7.10^-6 K^-1 einen wesentlich kleineren Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten α als Kupfer mit ca. α = 16,5.10^-6 K^-1 aufweist und die Kohlematerialschicht dicker ist als die Iso­ lierschicht dazwischen spielt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolierschicht nunmehr nur noch eine untergeordnete Rol­ le.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist die Isolierschicht zwischen den Oberschichten der Kommutatorla­ mellen in Bezug auf eine Lauffläche von Bürsten an der Ober­ schicht zur Welle hin zurückversetzt.

Dies trägt zur Erhöhung der Bürstenstandzeit bei, insbesonde­ re bei einer Oberschicht aus zumindest kohlehaltigem Materi­ al. Die Zurücksetzung liegt beispielsweise in einem Bereich von wenigen Zehntel Millimetern bis zu einigen Millimetern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators sind die Kommutatorlamellen und die elektrische Isolierung zwischen den Kommutatorlamellen jeweils zweischichtig aufge­ baut.

Ein zweischichtiger Aufbau ermöglicht die Realisierung der Vorteile des Schichtenaufbaus und ist dennoch relativ ein­ fach, sowie kostengünstig realisierbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators ist zwi­ schen der Oberschicht der Kommutatorlamelle und der Unter­ schicht der Kommutatorlamelle ein Grenzbereich, welcher glei­ che Abstände zur Rotationsachse aufweist. Dieses Aufbauprin­ zip hat den Vorteil, dass es einfach und kostengünstig reali­ sierbar ist. Ein Beispiel hierfür ist die bereits beschriebe­ ne Verwendung einer Hülse zum Aufbau einer Oberschicht der Kommutatorlamellen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Oberschicht mit der Unterschicht einen Überlappungsbereich in radialer Richtung aufweist, wobei dadurch insbesondere im Be­ trieb und bei Rotation auf die Oberschicht der Kommutatorla­ mellen eine Kraft wirkt, welche die Oberschicht an die Unter­ schicht der Kommutatorlamellen drückt. Überlappungen in Form von Verzahnungen sind in verschiedenartiger Weise ausführbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist die Isolierschicht im Bereich der Oberschicht der Kommutator­ lamellen mit der Isolierschicht im Bereich der Unterschicht der Kommutatorlamellen eine Grenzschicht auf, wobei diese Grenzschicht einen kleineren Abstand von der Rotationsachse aufweist als den kleinsten Abstand des Grenzbereiches zwi­ schen der Oberschicht und der Unterschicht der Kommutatorla­ mellen.

Auf diese Weise überlappt sich die Oberschicht der Isolierung mit der Unterschicht der Kommutatorlamelle, so dass eine si­ chere und definierte Isolierung im Bereich der Grenzschichten ausgebildet ist. Bei der Bildung der Oberschicht der Kommuta­ torlamellen mittels einer Hülse aus Kohle ergibt sich eine Überlappung vorteilhaft, so dass die Abtragung der Kohle oberhalb der Isolierung zwischen den Unterschichten der Kom­ mutatorlamellen nur etwas tiefer zu erfolgen hat, um auch be­ reits Teile der bestehenden Isolierung zwischen den Unter­ schichten der Kommutatorlamellen mit zu erfassen. Vorteilhaft ist dies auch dahingehend, dass bei nicht exakter Justage des Abtragungsbereiches stets eine saubere Isolierung der Kommu­ tatorlamellen untereinander gewährleistbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutators weist das elektrisch leitenden Material der Oberschicht Kohle auf und die Unterschicht der Kommutatorlamellen Kupfer.

Kupfer und Kohle sind gängigerweise für Kommutatoren verwend­ bar und bieten sich als Standardmaterialien an. Kommutatoren ihrerseits sind üblicherweise bei Gleichstrommaschinen ver­ wendet. Die Oberschicht aus Kohle stellt das Kontaktmaterial zu den Bürsten dar. Kohle weist vorteilhafter Weise geringe Verschleißwerte auf, wodurch hohe Betriebsstundenzeiten des Kommutators erreichbar sind. Neben Kohle sind auch andere verschleißarme Kontaktmaterialien mit geringen Verschleißwer­ ten für die Oberschicht verwendbar. Beispiele hierfür seien gehärtete Metalle und/oder Legierungen bzw. Keramiken, welche vorteilhafter Weise als Verbundwerkstoff mit gut elektrisch leitenden Materialien verarbeitet sind.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kommutators in wenigstens einer der obig beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltun­ gen lässt sich wie folgt kurz und prinzipiell beschreiben.

Der Kommutator mit Kommutatorlamellen, die eine Oberschicht und eine Unterschicht aufweisen, wobei die einzelnen Unter­ schichten der Kommutatorlamellen wenigstens teilweise durch ein Isolationsmaterial voneinander isoliert sind wird

• - auf eine Temperatur vorzugsweise oberhalb Betriebstempera­ tur des Kommutators erwärmt um danach
• - wenigstens zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamel­ len Isolationsmaterial einzubringen.

Zur Herstellung des Kommutators mit Kommutatorlamellen, die eine Oberschicht und eine Unterschicht aufweisen, wobei die einzelnen Unterschichten der Kommutatorlamellen wenigstens teilweise durch ein Isolationsmaterial voneinander isoliert sind, sind folgende Schritte auszuführen:

• - die Unterschichten der Kommutatorlamellen werden abwech­ selnd mit Isolierungen auf einen isolierten zylinderarti­ gen Rotationskörper, dem Kommutatorlamellenträger aufge­ bracht,
• - danach wird der Kommutator mit den Unterschichten der Kom­ mutatorlamellen zur Rotationsachse des Rotationskörpers hin zusammengedrückt,
• - um danach an den Enden der Unterschicht der Kommutatorla­ mellen im Bereich von axialen Stirnseiten des Kommutators Spannringe in eine Nut der Unterschicht der Kommutatorla­ mellen einzusetzen, wobei diese dort verbleiben,
• - hiernach wird das Zusammendrücken aufgehoben,
• - um daraufhin eine die Oberschicht bildende Hülse auf die Unterschicht des Kommutators zu schieben,
• - wobei die Oberschicht mit der Unterschicht elektrisch und mechanisch fest verbunden wird und
• - im Bereich der Isolierung zwischen den Unterschichten der Kommutatorlamellen die Hülse aufgetrennt wird.

Um den Bürstenabrieb zu reduzieren wird das Isolationsmateri­ al zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen zur Lauffläche der Oberschicht zurückversetzt, indem der Spalt zwischen den Oberschichten der Kommutatorlamellen nur bis kurz unterhalb der Lauffläche mit Isoliermaterial gefüllt wird. Auch eine nachträgliche Zurücksetzung der Isolierung ist beispielsweise durch das Abschleifen der Isolierung aus­ führbar.

Die Verwendung von Spannringen ist technisch bekannt, ebenso wie die Herstellung des zylinderartigen Rotationskörpers mit einer aufliegenden Isolierung. Ein gängiges Isolationsmateri­ al zur Isolierung von Kommutatorlamellen aus Kupfer unterein­ ander, ist beispielsweise Glimmer.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Kommutators ausschnittsweise und schematisch veran­ schaulicht ist.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Stromwenders einer elektrischen Gleichstrommaschine in einem Querschnitt senk­ recht zur Rotationsachse der Welle.

Fig. 2 zeigt wie Fig. 1 einen Ausschnitt eines Stromwenders je­ doch in erwärmten Zustand,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Stromwenders mit überlap­ penden Schichten der Kommutatorlamellen und

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines Kommutators mit Spannringen.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt im Querschnitt den Aus­ schnitt eines Stromwenders, d. h. eines Kommutators 10 einer nicht dargestellten elektrischen Gleichstrommaschine. Ein Kommutatorlamellenträger 7 setzt auf einer Welle 8 mit einer Rotationsachse 17 auf, welche die Achse einer elektrischen Gleichstrommaschine bildet und als Teil der mechanischen Kraftübertragung dient. Auf dem Kommutatorlamellenträger 7 befindet sich eine kreisartige Isolierschicht 9, die in der Fig. 1 nur segmentartig dargestellt ist und den Kommutatorla­ mellenträger 7 von einer Unterschicht 5 elektrisch isoliert, welche elektrische Ströme aufnimmt, wobei die Unterschicht 5 beispielsweise eine Kupferlamelle ist. Die Unterschichten 5 sind voneinander elektrisch durch eine Isolierschicht II 2 isoliert. Die Isolierschicht II 2 verläuft über die kreisar­ tige Isolierschicht 9 radial nach außen. Auch die Unter­ schichten 5 verlaufen radial nach außen und grenzen an einem äußeren Lamellenrand 11 an einer Oberschicht 4 an. Die Ober­ schicht 4 besteht beispielsweise wenigstens teilweise aus Kohle und/oder einem kohlenartigen Material. Die Oberschicht 4 bildet mit der Unterschicht 5 eine Kommutatorlamelle 3. Die Kommutatorlamellen 3 weisen zu einer Welle 8 hin eine Verjün­ gung auf. Diese Verjüngung resultiert aus den unterschiedlich großen Radienbereichen des Stromwenders 10, die von den Kom­ mutatorlamellen 3 eingenommen werden. Die Oberschichten 4 werden durch Isolierschichten I 1 elektrisch voneinander ge­ trennt. Dabei ragt die Isolierschicht I 1 in eine Grenzbe­ reich 12 zwischen die Unterschichten 5 hinein. Die Isolier­ schicht I 1 ist weiterhin zu einem Umfangsradius 6 hin zu­ rückgesetzt. Auf einer Lauffläche 16, welche die Kontaktflä­ che zu wenigstens einer Bürste 20 darstellt, setzt eine Bürs­ te 20 auf. Der in der Fig. 1 in einen Kreisausschnitt darge­ stellte Kommutator 10 weist aufgrund des Aufbaus der Kommuta­ torlamellen 3 und der dazwischen liegenden Isolierung 1, 2 eine Kommutatoroberschicht 14 und eine Kommutatorunterschicht 15 auf. Des weiteren zeigt der in der Fig. 1 dargestellte Kom­ mutator 10 einen kleineren Abstand 18 zwischen den Kommuta­ torlamellen 3 im Vergleich zum Abstand 19 zwischen den Iso­ lierungen 2 der Kommutatorlamellen, wobei figürlich nur eine Isolierung 2 gezeigt ist.

Die nachfolgenden Fig. 2 und 3 zeigen wie Fig. 1 einen Kommuta­ tor 10, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen mit vorangestellten Figurennummer bezeichnet sind, z. B. Welle 8, 28, 38.

Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt den Ausschnitt eines Kom­ mutators 10 mit Kommutatorlamellen 23, wobei der gesamte Kom­ mutator erwärmt ist. Ist die Unterschicht 25 beispielsweise aus Kupfer und die Oberschicht 24 beispielsweise aus Kohle, so hat sich durch die Erwärmung das Kupfer weiter ausgedehnt als die Kohle, so dass im Bereich zwischen den Oberschichten 24 mit der Kohle ein breiter Füllbereich 213 entsteht. Dieser Füllbereich 213 ist mit der Isolierschicht I 1 gemäß Fig. 1 aufzufüllen. Ist der Füllbereich aufgefüllt, so verkleinert sich der Füllbereich überproportional bei Abkühlung des Kom­ mutators 10, so dass sich im Bereich der Kommutatorober­ schicht 214 ein Gewölbedruck aufbaut.

Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt eine Kommutator 10 wie in Fig. 1, mit dem Unterschied, dass sich die Oberschicht 34 und die Unterschicht 35 überlappen. Dies erhöht die Bindung zwischen Oberschicht 34 und Unterschicht 35.

Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt den Ausschnitt eines Längsschnittes eines Kommutators 50, wobei zwei Spannringe 53 und 54 gezeigt sind, welche in Nuten 55 und 56 an Stirnseiten 51 und 52 des Kommutators 50 liegen. Die Nuten 55 und 56 sind mit einer Füllmasse 57 ausgefüllt. Die Kommutatorlamelle 43 ist wie in den vorangegangenen Figuren zweischichtig aufge­ baut, und weist eine Oberschicht 44 und eine Unterschicht 45 auf. Die Spannringe 53, 54 drücken die Kommutatorlamellen 43 radial in Richtung der Rotationsachse 417 zusammen, wobei die Kommutatorlamellen auf dem Kommutatorlamellenträger 47 auf­ setzen und von diesem elektrisch durch die kreisartige Iso­ lierschicht 49 isoliert sind.

Claims (10)

1. Kommutator (10, 50) für eine rotatorische elektrische Ma­ schine, mit einer Rotationsachse (17, 217, 317, 417), mit mehre­ ren auf einer kreisartigen Isolierschicht (9, 29, 39, 49) rota­ tionssymmetrisch angeordneten Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43), welche voneinander durch wenigstens eine Iso­ lierung (1, 31, 2, 22, 32) isoliert sind, wobei, die Kommutator­ lamelle (3, 23, 33, 43) und der Kommutator (10, 50) im Bereich der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) wenigstens zweischichtig ausgeführt ist, wobei die Kommutatorlamellen (1, 31, 2, 22, 32) zumindest eine der Rotationsachse (17, 217, 317, 417) zugewandte Unterschicht (5, 25, 35, 45) und eine der Rotationsachse (17, 217, 317, 417) abgewandte Oberschicht (4, 24, 34, 44) aufwei­ sen, wobei die Unterschicht (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamel­ len (3, 23, 33, 43) ein metallisches Material aufweist und die Oberschicht (4, 24, 34, 44) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) ein elektrisch leitendes Material aufweist und die Ober­ schicht (4, 24, 34, 44) des Kommutators (10, 50) im Bereich der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) eine geringere Wärmeausdeh­ nung aufweist als die Unterschicht (5, 25, 35, 45) des Kommuta­ tors (10) im Bereich der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43), dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) und die elekt­ rische Isolierung (1, 31, 2, 22, 32) zwischen den Kommutatorla­ mellen (3, 23, 33, 43) jeweils zweischichtig aufgebaut ist, wo­ bei die Isolierschicht (1, 31) im Bereich der Oberschicht (4, 24, 34, 44) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) einen klei­ neren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Isolierschicht (2, 22, 32) im Bereich der Unterschicht (5, 25, 35, 45) der Kommu­ tatorlamellen (3, 23, 33, 43) aufweist.

2. Kommutator (10, 50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (19, 319) in Umfangsrichtung zwischen den Isolier­ schichten (1, 31, 2, 22, 32) größer ist als der Abstand (18, 318) in Umfangsrichtung zwischen den Kommutatorlamellen (3, 33) und die Oberschicht (4, 34) der Kommutatorlamellen (3, 33) einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Unterschicht (5, 35) der Kommutatorlamellen (3, 33) aufweist.

3. Kommutator (10, 50) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (1, 31) zwischen den Oberschichten (4, 34) der Kommutatorlamellen (3, 33) in Bezug auf eine Lauffläche (16) von Bürsten (20) an der Oberschicht (4, 34) zur Welle (8, 318) hin zurückversetzt ist.

4. Kommutator (10, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen der Oberschicht (4, 24) der Kommutatorlamelle (3, 23) und der Unterschicht (5, 25) der Kommutatorlamelle (3, 23) ein Grenzbereich (11, 211) ist, welcher gleiche Abstände zur Rota­ tionsachse (17, 217) aufweist.

5. Kommutator (10, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht (34) mit der Unterschicht (35) einen Überlap­ pungsbereich in radialer Richtung aufweist.

6. Kommutator (10, 50) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (1, 31) im Bereich der Oberschicht (4, 24, 34, 44) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) mit der Isolierschicht (2, 22, 32) im Bereich der Unterschicht (5, 25, 35, 45) der Kommu­ tatorlamellen (3, 23, 33, 43) eine Grenzschicht (12, 212) auf­ weist, wobei diese Grenzschicht (12, 212) einen kleineren Ab­ stand von der Rotationsachse (17, 217, 317, 417) aufweist als den kleinsten Abstand des Grenzbereiches zwischen der Ober­ schicht (4, 24, 34, 44) und der Unterschicht (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43).

7. Kommutator (10, 50) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitenden Material der Oberschicht (4, 24, 34, 44) Kohle aufweist und die Unterschicht (5, 25, 34, 45) der Kommuta­ torlamellen (3, 23, 33, 43) Kupfer aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10, 50) nach Anspruch 1, wobei der Kommutator (10, 50), mit Kommutatorla­ mellen (3, 23, 33, 43), die eine Oberschicht (4, 24, 34, 44) und eine Unterschicht (5, 25, 35, 45) aufweisen und die einzelnen Unterschichten (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) wenigstens teilweise durch ein Isolationsmateri­ al (2, 22, 32) voneinander isoliert sind,
auf eine Temperatur oberhalb Betriebstemperatur des Kommu­ tators (10, 50) erwärmt wird und danach
wenigstens zwischen den Oberschichten (4, 24, 34, 44) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 34) Isolationsmaterial (1, 31) eingebracht wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10, 50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Herstellung des Kommutators (10, 50) mit Kommu­ tatorlamellen (3, 23, 33, 43), die eine Oberschicht (4, 24, 34, 44) und eine Unterschicht (5, 25, 35, 45) aufweisen, wobei die ein­ zelnen Unterschichten (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) wenigstens teilweise durch ein Isolationsmateri­ al (2, 22, 32) voneinander isoliert sind,
die Unterschichten (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33) abwechselnd mit Isolierschichten II (2, 22, 32) auf einen isolierten zylinderartigen Rotationskörper dem Kommutatorlamellenträger (7, 27, 37, 47) aufgebracht werden,
danach der Kommutator (10, 50) mit den Unterschichten (5, 25, 35, 45) der Kommutatorlamellen (3, 23, 33, 43) zur Rota­ tionsachse (17, 217, 317, 417) des Kommutatorlamellenträ­ gers (7, 17, 37, 47) hin zusammengedrückt wird,
wobei an den Enden der Unterschicht (45) der Kommutatorla­ mellen (43) im Bereich der axialen Stirnseiten (51, 52) des Kommutators Spannringe (53, 54) in eine Nut (55, 56) der Un­ terschicht (45) der Kommutatorlamellen (43) eingesetzt werden um dort zu verbleiben,
und danach das Zusammendrücken aufgehoben wird,
um daraufhin eine die Oberschicht (44) bildende Hülse auf die Unterschicht (45) des Kommutators (50) zu schieben,
wobei die Oberschicht (44) mit der Unterschicht (45) e­ lektrisch und mechanisch fest verbunden wird und
im Bereich der Isolierung (49) zwischen den Unterschichten (45) der Kommutatorlamellen (43) die Hülse aufgetrennt wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kommutators (10, 50) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, dass das Isolationsmaterial (1, 31) zwischen den Oberschichten (4, 34) der Kommutatorlamellen (3, 33) zur Lauffläche (6, 36) der Oberschicht (4, 34) zurückversetzt wird.