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Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Anker-
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wicklungsdrähten mit den Lamellen eines Kollektors Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine-Vorrichtung zur Herstellung sowohl einer
elektrisch leitenden als auch mechanischen Verbindung von Ankerwicklungs- -drähten
mit den Lamellen eines Kollektors. Dabei handelt es sich bei den Kollektoren um
Nut- und Hakenkollektoren.
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Um bei Hakenkollektoren die isolierten Wicklungsdrähte leitend mit
den einzelnen Lamellen des Kollektors zu verbinden, werden nach dem Stand der Technik
die Wicklungen in die mit ihren freien Enden auf die Lamellen zu bewegenden Haken
eingebracht, um anschließend vorzugsweise mittels Heißpresschweißens eine Verbindung
herzustellen. Dabei erfolgt zwar eine Abisolierung der Wicklungsdrähte, jedoch verharrt
das freie Ende der Haken weiterhin im Abstand zu
der Kollektoroberfläche.
Gleichzeitig tritt eine hohe Wärmeentwicklung auf, wodurch eine Beschädigung der
Kollektoren erfolgen kann.
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Durch den trotz des Heißpressverschweißens immer noch bestehenden
Abstand zwischen freiem Hakenende und Lamellenoberfläche, also aufgrund des Nichtvorliegens
einer mechanischen Verbindung zwischen diesen Bereichen, können sich bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
aufgrund der Zentrifugalkräfte die freien Enden von den Lamellenoberflächen noch
weiter entfernen, wodurch die Gefahr besteht, daß eine dauernde elektrische Verbindung
zwischen Wicklungen und Kollektorlamellen nicht mehr besteht. Die Funktionstüchtigkeit
eines entsprechenden Kollektors wird dadurch vermindert.
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Um eine bekannte Verbindung zwischen den Ankerwicklungsdrähten und
den Lamellen bei Nutkollektoren herbeizuführen, wird heutzutage häufig noch die
Löttechnik eingesetzt. Dabei besteht jedoch die Gefahr, daß zwischen den einzelnen
Kollektorlamellen bei ungenauer Arbeit Kurzschlüsse entstehen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit einem Verfahren
und einer Vorrichtung sowohl eine elektrisch leitende als auch mechanische Verbindung
zwischen Ankerwicklungsdrähten und den Lamellen eines Kollektors zur Verfügung zu
stellen, wobei stets gewährleistet ist, daß diese Verbindung bei hohen Kollektorumdrehungsgeschwindigkeiten
Bestand hat, so daß Einbußen in der Funktionstüchtigkeit
eines entsprechenden
Kollektors nicht auftreten können.
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Außerdem soll mit Hilfe des Verfahrens die -Herstellungszeit, um die
Verbindung zwischen den Wicklungen -und den Kollektorlamellen herbeizuführen, gegenüber
bekannten Techniken um ein Vielfaches verkürzt werden.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das sich dadurch auszeichnet,
daß die Verbindungen mittels an und für sich bekannten Ultraschallschweißens hergestellt
werden, wobei die Kollektorlamellen auf einer Kontaktierungsfläche einer Sonotrode
abgerollt werden und/oder umgekehrt.
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Dabei müssen sowohl die Sonotrode als auch der Kollektor zum Aufeinanderabrollen
jeweils einer zwangsangetriebenen Drehbewegung mit entgegengesetztem Drehsinn unterworfen
werden.
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In Ausgestaltung kann jedoch auch einzig und allein der Kollektor
eine entsprechende Drehbewegung durchführen, wobei die Sonotrode - abgesehen von
den Schwingungen beim Ultraschallschweißen - ruht bzw. einer Translationsbewegung
unterworfen wird.
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Die Erfindung hat sich demzufolge der an und für sich bekannten Ultraschallschweißtechnik
bedient, die jedoch bis heute bei Kollektoren nicht derart rationell eingesetzt
wurde, daß die Herstellungszeit um ein Vielfaches verkürzt wurde. Ursache dafür
ist unter anderem das Aufeinanderabrollen von den Kollektorlamellen auf der Umfangsfläche
einer
Sonotrode und/oder umgekehrt. Vergleiche haben ergeben, daß der Einsatz des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei Hakenkollektoren die elektrisch leitende und mechanische Verbindung
zwischen 24 Haken und entsprechenden Ankerwicklungsdrähten in ungefähr 3 Sekunden
erfolgt. Nach dem Stand der Technik ist bei gleichen Parametern mit einem Zeitaufwand
von 20 bis 25 Sekunden zu rechnen. Die sich aus der erfindungsgemäßen Lehre ergebenden
Vorteile sind demzufolge hinsichtlich der Herstellungszeit überaus beachtlich.
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Da aufgrund des Ultraschallschweißens eine feste Verbindung zwischen
den Haken und den Lamellen entsteht, also diese zusammengeschweißt werden, kann
selbst bei hohen Drehzahlen aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte ein Entfernen
der Haken von den Lamellenoberflächen nicht erfolgen, so daß stets gewährleistet
ist, daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Lamelle und Ankerwicklungsdraht
vorliegt. Eine diesbezügliche Beeinträchtigung des Betriebs kann nicht erfolgen.
Ein weiterer Vorteil des Anschweißens des Kollektorhakens an die entsprechende Lamellenoberfläche
ergibt, daß die Lauffläche des Kollektors vergrößert wird.
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Nachdem nämlich der Haken fest mit der Oberfläche des Kollektors verbunden
ist, kann ein anschließendes Bearbeiten dahingehend erfolgen, daß eine Verkürzung
des Hakens erfolgt, da es ausreicht, daß nur ein geringer Bereich zwischen Haken
und Lamelle verschweißt ist. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäß bearbeiteten Kollektoren
erhöht sich damit erkennbar. Da außerdem beim Ultraschallschweißen keine unerwünschte
Wärmeentwicklung entsteht, kann eine Beschädigung der Lamellen nicht erfolgen, so
daß auch in
dieser Hinsicht bei der Herstellung der elektrisch leitenden
und mechanischen Verbindung zwischen Ankerwicklungsdrähten und Lamellen die Gefahr
einer Beschädigung nicht auftreten kann.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch
aus, daß auf der Umfangsfläche der Sonotrode Ausnehmungen bzw. Vorsprünge angeordnet
sind, die den auf den Kollektorlamellen vorgesehenen Aufnahmeeinrichtungen für die
Ankerwicklungsdrähte entsprechen, und daß die Kontaktierungsfläche der Sonotrode
auf den auf den Kollektorlamellen vorgesehenen Aufnahmeeinrichtungen abrollt und/oder
umgekehrt. Bei einem Einsatz im Zusammenhang mit Hakenkollektoren zeichnet sich
die Vorrichtung dadurch aus, daß in Richtung auf die Lame-llen umgebogene Haken
mit zwischen den Lamellenoberflächen und den Haken eingebrachten Ankerwicklungsdrähten
in entsprechende Ausnehmungen der Sonotrode eingreifen.
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Demzufolge weist die Umfangsfläche der Sonotrode, die zylinderscheibenförmig
oder flach ausgebildet sein kann, in regelmäßigem Abstand entsprechend der Anordnung
-der Haken Ausnehmungen auf, die wiederum beim Ultraschallschweißen mit den- Haken
in Wechselwirkung gelangen. Das heißt, daß die auf die Lamellen anzuschweißenden
Hakenenden in die Ausnehmungen der Sonotrode gelangen, damit beim Schweißvorgang
sowohl die Isolierung der Ankerwicklungsdrähte abplatzt und gleichzeit-ig eine mechanische
Verbindung zwischen Haken und Lamelle durch Schweißen entsteht. Soll dagegen eine
Verbindung zwischen den Ankerwicklungsdrähten
und den Lamellen
bei einem Nutkollektor hergestellt werden, so greifen die auf der Umfangsfläche
der Sonotrode regelmäßig angeordneten Vorsprünge in die entsprechenden Nuten des
Kollektors ein, um gleichzeitig sowohl die elektrische als auch die mechanische
Verbindung zu bewirken.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Draufsicht, Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, Fig. 3 im Ausschnitt eine vergrößerte Darstellung einer Verbindung
eines Hakenkollektors mit einem Ankerwicklungsdraht, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht und Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende
Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den Fig. 1 bis 5 soll verdeutlicht werden, wie eine elektrisch
leitende und mechanische Verbindung von Ankerwicklungsdrähten
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einer nicht näher bezeichneten Ankerspule und einem Hakenkollektor 10 herbeigeführt
werden kann. Dabei besteht der Hakenkollektor aus vorzugsweise Kupferlamellen 14,
die im Abstand isoliert voneinander angeordnet sind. Der Kollektor 10 ist koaxial
auf einer Welle 16 angeordnet.
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Um die isolierten Ankerwicklungsdrähte 12 leitend mit den Lamellen
14 zu verbinden, wird eine Schlaufe jeweils um einen Haken 18 gelegt. Sodann wird
der Haken-umgebogen. Um eine sicherere elektrisch leitende Verbindung zwischen den
Lamellen -14 und den Ankerwicklungsdrähten 12 sowie- eine mechanische Verbindung
zwischen den Haken 18 und den Lamellenoberflächen zu erzielen, setzt man erfindungsgemäß
die an und für sich bekannte Ultraschallschweißtechnik an.
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Um jedoch erfindungsgemäß die geforderten Verbindungen zwischen Ankerwicklungsdrähten
12 und Lamellen 14 und den zugehörigen Haken 18 zu erzielen, ist der Sonotrodenkopf
der Sonotrode 22 speziell ausgebildet. In den Ausführungsbeispielen nach den Fig.
1 und 2 ist der Sonotrodenkopf zylinderförmig. Dieser weist an seiner Umfangsfläche
in regelmäßigem Abstand angeordnete Ausnehmungen 24 auf, die derart ausgebildet
sind, daß bei in Richtung auf die Lamellen 14 umgebogenen Haken 18 diese in die
Ausnehmungen 24 eingreifen können. Somit besteht die Möglichkeit, daß der Kpllektor
10 mit seinen umgebogenen Haken 18 auf der Umfangs fläche des Sonotrodenkopfs 24
abrollt und mit den Ausnehmungen 24 in Eingriff gelangt. Der Bewegungsablauf entspricht
in etwa dem Kämmen zweier Zahnräder. Bei Eingriff
eines Hakens
18 mit einer Ausnehmung 24, und zwar dann, wenn der höchste Anpreßdruck erfolgt,
also die Ausnehmung 24 mit den zugeordneten Haken 18 in einer sogenannten Null-Linie
gemäß Fig. 2 liegt, kann der Ultraschallschweißvorgang durchgeführt werden. Durch
die Schwingbewegung der Sonotrode 20, deren Richtung in Fig. 1 mit einem Pfeil dargestellt
ist, erfolgt nicht nur eine Abisolierung des Ankerwicklungsdrahtes 18, sondern gleichzeitig
durch die reibende Bewegung zwischen dem Haken 18 und der zugewandten Lamellenoberfläche
14 eine feste mechanische Verbindung. Nach erfolgtem Ultraschallschweißen. findet
dann eine synchrone Bewegung zwischen der Sonotrode 20 und dem Kollektor 10 statt,
damit die nächstfolgende Ausnehmung 24 mit dem entsprechenden Hakenbereich 18 in
Eingriff gelangt.
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Sowohl der Kollektor 10 wird um die Welle 16 als auch die Sonotrode
22 um die Mittelachse zwangsangetrieben, wobei die Drehbewegungen zueinander entgegengesetzt
verlaufen.
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Die Drehbewegungen sind in Fig. 2 jeweils durch einen Pfeil angedeutet.
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In Fig. 3 ist im vergrößerten Ausschnitt ein Lamellenbereich des Kollektors
10 dargestellt, auf dem mittels Ultraschallschweißens ein Haken 18 mechanisch fest
verschweißt ist. Zwischen dem Haken 18 und der Lamelle befindet sich dann die abisolierte
Ankerwicklungsdrahtschlaufe 12, so daß sowohl eine mechanische als auch elektrisch
leitende Verbindung zwischen den Ankerwicklungen 12, dem Haken 18 und der Lamelle
14 hergestellt worden ist. Wie die Fig. 3 des weiteren erkennen läßt, besteht nunmehr
die Möglichkeit, da
nahezu der gesamte im Bereich der Lamelle 14
angeordnete Haken 18 mit der Oberfläche fest versc-hweißt ist, eine Nachbearbeitung
derart erfolgen zu lassen, daß der Haken 18 verkürzt wird. Dies ist durch eine gestrichelte
Linie angedeutet. Durch diese Nachbearbeitung ist demzufolge die Möglichkeit eröffnet,
die Lauffläche des Kollektors zu - vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.
Die Gefahr, daß sich bei hohen Drehzahlen des Kollektors 10 die Haken 18 von der
Lamellenoberfläche 14 entfernen, besteht nun nicht mehr, da - wie mehrmals betont
- eine feste mechanische Verbindung zwischen den Elementen besteht.
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Den Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu entnehmen,
wie bei einem Hakenko-llektor 10 eine elektrisch leitende und mechanisch feste Verbindung
zwischen den Ankerwicklungsdrähten 12, den Haken 18 und den Lamellen 14 erzielt
werden kann. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind in den Fig. 4 und 5 gleiche
Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen
nach den Fig. 1 und 2 ist nach den Fig. 4 und 5 der Sonotrodenkopf nicht zylinderförmig,
sonder zu sondern vielmehr flach ausgebildet. Dies ist insbesondere der Fig. 5,
einer Schnittdarstellung des Kollektors 10 und der flach ausgebildeten Sonotrode
22 zu entnehmen. Entsprechend der Ausbildung nach den Fig. 1 und 2 weist auch der
Sono-trodenkopf 26 in regelmäßizem Abstand angeordnete Ausnehmungen 28 auf, die
derart beabstandet sind, daß eine an der entsprechenden Fläche des Sonotrodenkopfes
26 abrollender Kollektor 10 mit seinem Hakenbereich 18 in die entsprechenden Ausnehmungen
28
gelangt, um bei maximalem Anpreßdruck den Schweißvorgang durchführen zu können.
In Draufsicht ist die entsprechende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Fig. 4 dargestellt und die Schwingungsrichtung der Sonotrode ist gleichfalls
durch einen Pfeil angedeutet.
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Auch wenn die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 5 auf einen
Fiakenkollektor 10 Bezug nehmen, so ist es selbstverständlich, daß Nutkollektoren
gleichfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer entsprechend modifizierten
Vorrichtung bearbeitet werden können. Zu diesem Zweck weisen die Sonotrodenköpfe
22 bzw. 26 speziell ausgestaltete Vorsprünge auf, die in die entsprechenden Nuten
der Lamellen 14 eingreifen, um eine mechanische Verbindung zwischen den Ankerwicklungsdrähten
12 und den Lamellen 14 unter gleichzeitiger Abisolierung der Drähte herbeizuführen.
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