DE4015705C2 - Kollektor für einen Elektromotor oder -generator - Google Patents
Kollektor für einen Elektromotor oder -generatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kollektor für einen Elektromotor
oder -generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Kollektoren haben insbesondere mit den hohen und immer
noch zunehmenden Produktionszahlen von Elektromotoren
trotz des überkommenen Grundaufbaus mit einem Isolierstoff-Grundkörper,
vorzugsweise aus einem Duroplast,
und mit metallischen Lamellen am Umfang (Zylinderkollektor)
oder einer Stirnseite (Plankollektor) eine vielschrittige,
an den verschiedensten Details angreifende
Entwicklung durchgemacht, die den Anforderungen an deren
Funktion, an eine einfache und sichere Montage, an Robustheit
und Langlebigkeit und nicht zuletzt an niedrigen
Gestehungskosten Rechnung trägt.
Besonders starke Belastungen für einen Kollektor treten
bei der Montage auf, bei der der Anschluß von Wicklungsleitern
an die Lamellen und mehr noch das Aufpressen
eines solchen Kollektors auf eine Motorwelle kritisch
ist. Letzteres hat früher bei Kollektoren mit einem
einheitlich aus einem Duroplast bestehenden Isolierstoff-Grundkörper
zu kritischen Beanspruchungen geführt,
die auch dann gefährlich waren, wenn sie lediglich unsichtbare
innere Zerstörungen oder Risse hervorriefen.
Bei typischen Aufpreßkräften von mehreren tausend Newton
beim Aufbringen eines Kollektors auf eine Elektromotorwelle
macht man deshalb schon seit langem von Möglichkeiten
einer Armierung Gebrauch, bei der der Sitz des Kollektors
zur Welle hin durch eine innenliegende metallische
Buchse gebildet wird, die sehr viel höhere Spreiz-
und Reibungskräfte beim Aufpressen aufzunehmen vermag
als der Isolierstoff. Ein solches Buchsenelement ist
aufgrund der hohen Belastbarkeit und Steifigkeit des
Metalls in der Lage, den Isolierstoff wirksam vor den
hohen Schub- und Zugbelastungen beim Aufpressen und
den danach dauernd vom Preßsitz ausgehenden Zugbelastungen
freizuhalten.
Kollektoren dieser Art sind in der Praxis gebräuchlich.
Ein anderer Kollektor mit innenliegendem metallischen
Buchsenelement, bei dem allerdings statt eines Isolierstoff-Grundkörpers
ein nur mehr durch Isolierstoff gebundenes
Tragkörpersystem aus einem Buchsenelement (Nabe)
mit Folienisolierung und Armierungsringen gezeigt ist,
findet sich in der DE-PS 37 14 098 (Fig. 1 bis 7).
Ein solches Buchsenelement setzt allerdings eine eng
tolerierte Fertigung voraus. Typischerweise muß das
Buchsenelement, nachdem es zusammen mit den Lamellen
mit Isolierstoff zu einem integralen Grundkörper verpreßt
worden ist, nachbearbeitet werden, um Justierfehler
bei der Montage und beim Verpressen auszugleichen. Eine
solche Nachbearbeitung des eingegossenen metallischen
Buchsenelements ist kostenaufwendig.
Es sind dementsprechend aus der Praxis auch schon Versuche
bekannt geworden, statt eines metallischen Buchsenelements
ein Schraubenfederelement an der Innenseite
der Bohrung in den Isolierstoff-Grundkörper einzubetten,
welches aufgrund seiner Elastizität einfach und bündig
auf einen Dorn in der Spritzform für den Isolierstoff-
Grundkörper aufzubringen ist. Allerdings reicht ein
solches Federelement nur bedingt aus, die Aufpreß- und
Sitzkräfte aufzufangen, weil es in axialer Richtung
verformbar ist und weil die vom Preßsitz ausgehenden
Spreizkräfte die Windungen durchgreifen können.
In der oben erwähnten DE-PS 37 14 098 (Fig. 8) ist ein
Kollektor mit einem innenseitig zur Welle hin mit Kunststoff
unterlagerten Buchsenelement beschrieben. Dieser
Kollektor wird allerdings nicht als fertiges Bauelement
auf die Welle aufgepreßt, sondern nach einer Vormontage
auf der Welle erst verspritzt. Eine solche Fertigung
von Kollektor-Welle-Einheiten erscheint nicht praktikabel
und hat sich in der Praxis nicht bewährt. Ähnlich kompliziert
erscheint auch eine Rotor-Gesamtfertigung mit
Rotorwicklung, Kollektor und Welle nach der CH-PS 457
608.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kollektor mit einem
durch ein Buchsenelement ausgesteiften Isolierstoff-
Grundkörper zu schaffen, der in der Herstellung einfacher
und damit preiswerter ist, eine möglichst einfache Montage
ermöglicht und eine große Robustheit und Langlebigkeit
erzielt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe von einem Kollektor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Auf der Innenseite eines Buchsenelements noch einmal
eine Schicht von Isolierstoff vorzusehen, die erst ihrerseits
die Öffnung mit vorgegebenem Innendurchmesser
ausbildet, hat sich als ein in mehrerer Hinsicht vorteilhafter
Kunstgriff erwiesen. Diese Lösung geht von dem
Grundgedanken ab, daß das Buchsenelement selbst die
Öffnung ausbildet und direkt alle Spreiz- und Aufpreßkräfte
aufnimmt, um den Isolierstoff dahinter abzuschirmen.
Hier zeigt es sich, daß die innenseitige Schicht
aus Isolierstoff mit dem Buchsenelement "im Rücken"
sehr wohl in der Lage ist, die beim Aufpressen auftretenden
und für einen Preßsitz erforderlichen Kräfte aufzunehmen
und an das Buchsenelement weiterzugeben.
Wenn aber die innenliegende Schicht aus Isolierstoff
die Öffnung ausbildet, kann diese in vielen Fällen mit
hinreichender Präzision bereits durch den Formvorgang
selbst gebildet sein, ohne daß es überhaupt einer Nachbearbeitung
bedürfte. Dabei ist auch von Interesse,
daß eine in Isolierstoff ausgebildete Schicht aufgrund
dessen geringerer Steifigkeit eine größere Toleranz
erhalten kann als ein Buchsenelement aus höherfestem
Werkstoff, etwa aus Stahl. In vielen Fällen kann die
Öffnung mit hinreichender Maßhaltigkeit bereits mit
dem Preßvorgang zum Einbringen des Isolierstoffs erzielt
werden.
Selbst wenn es einer Nachbearbeitung des Grundkörpers
an der Öffnung bedarf, ist diese vergleichsweise preis
günstig auszuführen, weil die Bearbeitung von Isolier
stoff von den Werkzeugen und vom Arbeitsaufwand schneller
und leichter ist als die von Metall oder anderen höher
festen Stoffen.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäß ge
stalteten Kollektors ergibt sich bei der Montage, bei
der nicht mehr befürchtet werden muß, daß das Aufpressen
des Kollektors zu Schäden an der Motorwelle oder an
dem Buchsenelement führt. Das gefürchtete "Fressen"
- die Kaltverschweißung von Oberflächenbereichen unter
hohem Druck reibend gegeneinander bewegter Metallflächen
- gefährdet nicht nur den Sitz des Kollektors bei ent
sprechenden Beschädigungen an Buchsenelement oder Welle,
es kann auch schon zuvor an dem überstehenden Ende der
Motorwelle eine Beschädigung hervorrufen, die dann den
Sitz eines nachfolgend aufzubringenden Wälzlagers zer
stört. In der Materialpaarung Isolierstoff/Stahl ist
eine solche Beschädigungsgefahr ausgeräumt und ein unpro
blematisches Aufbringen des Kollektors auf die Motorwelle
geschaffen.
Die innenliegende Isolierstoffschicht ist zweckmäßig
mindestens 0,5 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm dick ausgebil
det, um das Buchsenelement unabhängig von Toleranzen
in dessen Anordnung vor und bei dem Einbringen des Iso
lierstoffs abzudecken, um eine ausreichende Nachgiebig
keit der Öffnung für den Preßsitz zu erzielen und um
ggf. auch eine ausreichende Isolierung zu gewährleisten.
Die Innenschicht kann nämlich auch Isolieraufgaben über
nehmen. Diese sind insbesondere dann gefragt, wenn nach
den entsprechenden Sicherheitsvorschriften eine Doppel
isolierung aller spannungsführenden Teile vorgesehen
werden soll. Hierzu kann die Zwischenschicht aus Isolier
stoff zwischen dem Buchsenelement und der Welle herange
zogen werden, wenn das Buchsenelement aus Metall besteht.
Es versteht sich, daß ein Buchsenelement in Form eines
Rohrabschnitts aus Stahl besonders preisgünstig verfügbar
ist und dementsprechend in erster Linie in Betracht
kommt. Damit sind andere höherfeste Materialien, etwa
andere Metalle, Faserverbundstoffe oder Keramiken keines
wegs ausgeschlossen. Das Buchsenelement braucht auch
mit seinem Innenmantel keine vollkommen geschlossene
Wiederlagerfläche für die vom Preßsitz ausgehenden
Spreizdrücke zu bilden, solange es nur die Kräfte flä
chenartig aufnimmt. Dies kann grundsätzlich auch mit
einem sieb- oder netzartigen Buchsenelement erfolgen,
das hinreichend engmaschig eigensteif und belastbar
ist.
Teilbereiche, die das Buchsenelement in seiner Zylinder
ebene für Materialbrücken zwischen der Isolierstoff-In
nenschicht und dem sonstigen Grundkörper freigibt, sind
sogar zweckmäßig, um den Verbund innerhalb des Grundkör
pers, insbesondere auch in bezug auf Abschergefahren
längs der Grenzflächen von Isolierstoff und Buchsenele
ment zu sichern. Derartige Übergangsbereiche können
mit Vorteil bei einem metallischen Buchsenelement auf
die Stirnseiten verlegt werden, indem das Buchsenelement
lediglich eine geringere axiale Länge als der Isolier
stoff-Grundkörper aufweist. Es versteht sich, daß die
Verbindung des Buchsenelements mit dem angrenzenden
Isolierstoff an der Innenmantelfläche und/oder Außenman
telfläche durch eine Profilierung, etwa durch Quer-
oder Gewinderillen, verbessert werden kann. Desgleichen
kann eine Haftvermittlerschicht den Zusammenhang fördern.
Dies alles ergibt sich insbesondere aus jenen Scherbela
stungen, die beim Aufpressen des Kollektors auf eine
Motorwelle auftreten.
Ein Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Draufsicht auf einen Kollektor
und
Fig. 2 Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1.
In der Zeichnung ist ein Kollektor insgesamt mit 1 be
zeichnet, der die Form eines Zylinderkollektors mit
umfangsseitig angeordneten Lamellen 2 hat, die in bekann
ter Weise über nicht dargestellte Innenstege in einen
im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 3 aus Isolier
stoff, nämlich einem Duroplast, eingebettet sind. Der
Kollektor ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse
4 ausgebildet und innen mit einer durchgehenden Öffnung
5 versehen. Die Öffnung 5 wird umfangsseitig durch eine
Innenwandung 6 begrenzt, die zu einem Preßsitz auf einer
Elektromotorwelle vorgesehen ist. Die Innenwandung 6
geht über eine Fase 7 in eine Stirnseite 8 über, die
bei der Einpreßbewegung die Vorderseite des Kollektors
bildet. Die Fase 7 erleichtert das Aufstecken, Ausrichten
und Zentrieren des Kollektors gegenüber der Motorwelle
und vermeidet Verkantungen und Beschädigungen.
Eine der Stirnseite 8 gegenüberliegende Stirnseite 9
ist im Längsschnitt treppenförmig mit einer inneren
Ringfläche 10 und einer dieser gegenüber zurückspringen
den Ringfläche 11 ausgebildet, wobei letztere mit den
Lamellen 2 bündig abschließt, so daß beide einen Luft
spalt zu benachbarten Metallteilen, etwa einem Wälz-
oder Kalottenlager für die Welle des Elektromotors erhal
ten. Damit läßt sich die Kontaktierungsgefahr zwischen
elektrisch leitenden Metallteilen, insbesondere zwischen
den spannungsführenden Lamellen 2 und dem mechanischen
Aufbau des Motors vermeiden.
In den Grundkörper 3 ist ein Buchsenelement 12 eingebet
tet, und zwar so, daß es mit einem Innenmantel 13 einen
Abstand von etwa 1 mm zur Innenwandung 6 einhält, wobei
dieser Abstand durch eine Zwischenschicht 14 aus dem
gleichen Isolierstoff gebildet ist, der auch den übrigen
Grundkörper 3 bildet.
Das Buchsenelement weist auch eine geringere axiale
Länge als der Grundkörper 3 auf, so daß es mit seinen
Stirnseiten 15 bzw. 16 nicht bis an die Stirnseiten
8 und 9 des Grundkörpers 3 heranreicht. Der Isolierstoff
des Grundkörpers überbrückt und umschließt beidendig
das Buchsenelement. Damit erhält die Zwischenschicht
14 eine integrale Verbindung zu dem übrigen Grundkörper
3. Diese Verbindungen sind für den Zusammenhalt des
Kollektors 1 von besonderem Interesse, wenn die Adhäsion
zwischen dem Isolierstoff längs des Innenmantels 13
und längs eines Außenmantels 17 des Buchsenelements
12 nicht zuverlässig ausreicht, Scherkräfte beim Aufpres
sen auf eine Welle zu übertragen, zumal die Aufpreßkräfte
für den gesamten Kollektor beispielsweise in einer
Größenordnung von 6000 N liegen.
Abgesehen von den endseitigen Brücken zwischen der innen
liegenden Schicht 14 und dem sonstigen Grundkörper um
schließt das Buchsenelement 12 die Innenwandung 6 und
stützt die Schicht 14 bei der Aufnahme von Spreizkräften
im aufgepreßten Zustand ab.
Das Buchsenelement 12 ist aus einem Material höherer
Festigkeit und Steifigkeit als das Isolierstoffmaterial
gebildet, im vorliegenden Fall aus Stahl. Die Zwischen
schicht wird auf diese Weise durch allseitigen Druck
gehalten und stabilisiert, und das Buchsenelement fängt
die Spreizkräfte vom Preßsitz gegenüber der Motorwelle
auf.
Hieraus ergibt sich ein robuster Aufbau des Kollektors.
Gleichzeitig ergibt sich eine sehr einfache Montage
des Kollektors, da sich dieser mit einer innenliegenden
Isolierstoffschicht sehr viel besser und unkritischer
auf eine Stahlwelle aufschieben läßt als etwa ein Kollek
tor mit einer innenliegenden Metallbuchse.
Auch in der Fertigung ist der Kollektor 1 relativ einfach
und preisgünstig herzustellen. In einer Preßform werden
die Lamellen 2 und das Buchsenelement 12 so angeordnet,
wie sie in dem fertigen Kollektor zueinander liegen
sollen. Üblicherweise werden die Lamellen dabei zueinan
der und in der Form durch besondere Halterungen nach
Art einer "verlorenen Schalung" festgelegt. Auch das
Buchsenelement könnte beispielsweise durch einen Formring
aus Kunststoff festgelegt sein. Im vorliegenden Fall
wird allerdings vorgesehen, daß das Buchsenelement 12
auf einem Kranz von zwölf in Ringform zueinanderstehenden
Klauen aufsteht und von diesen mit Inneneingriff zen
triert wird, die im fertigen Kollektor entsprechende
Ausnehmungen 18 hinterlassen. Die Höhlung des Kollektors
wird durch einen Zentraldorn freigehalten, so daß nach
dem Ausspritzen der verbleibenden Hohlräume mit einem
Duroplast als Isolierstoff ein Kollektorrohling entsteht.
Dieser Rohling unterscheidet sich von dem dargestellten
Kollektor lediglich dadurch, daß zwischen den Lamellen
2 noch Isolierspalte 19 auszufräsen sind.
In der Regel ist der Kollektor ohne Nacharbeiten an
der Innenwandung 6 bereits im Spritzgußverfahren zu
fertigen. Soweit aber Nacharbeiten erforderlich sind,
lassen sich diese unproblematisch und schnell durchfüh
ren, da der Isolierstoff sehr viel einfacher zu bear
beiten ist als etwa eine Metallbuchse an der Innenseite.
Während das vorstehende Beispiel einen Zylinderkollektor
mit durchgehender axialer Öffnung erfaßt, wird aus dem
beschriebenen Zusammenhang ohne weiteres ersichtlich,
daß ein Plankollektor eine ganz ähnliche Gestaltung
erhalten kann, und daß auch Kollektoren mit einer nur
einseitig ausmündenden (Sackloch-) Öffnung entsprechend
auszubilden sind.
Die Buchse muß zur Erfüllung ihrer Funktion hinreichend
fest sein. Dies wird im einfachsten Fall mit einer
Metallbuchse zu erzielen sein, für die unterschiedlichste
Materialien, auch Legierungen oder Sintermetalle in
Betracht kommen. Es kann aber auch ein höherfester
Kunststoff oder ein Verbundstoff, etwa mit einer Faserar
mierung, verwendet werden. Die Buchse kann Profilierungen
oder Durchbrechungen aufweisen, die einem Abscheren
entgegenwirken. Auch Buchsen in Gitterform oder Wendel
form, auch mehrteilige Buchsen aus Ringen lassen sich
mit Vorteil verwenden.
Claims (14)
1. Kollektor für einen Elektromotor oder -generator
mit symmetrisch zu einer Kollektorachse
am Umfang oder an einer Stirnseite verteilten
Lamellen, die in einen Isolierstoff-Grundkörper
eingelagert sind, wobei der Kollektor als vorgefertigtes,
auf eine Motor- oder Generatorwelle aufpreßbares
Element ausgebildet ist und eine zentrale,
im Durchmesser zu einem Preßsitz auf der
Welle des Elektromotors oder -generators ausgelegte
Öffnung aufweist, die zur Aufnahme von Sitz- und
Aufpreßkräften durch ein Buchsenelement höherer
Festigkeit ausgesteift ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement (12) einen Innendurchmesser
aufweist, der größer als der Durchmesser der Öffnung
(5) ist und daß das Buchsenelement (12) innenseitig
durch eine Schicht (14) aus Isolierstoff
abgedeckt ist.
2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement (12) die Öffnung (5) nicht voll
ständig umschließt, sondern mindestens einen Teilbereich
frei läßt, in dem die Schicht (14) in den Grundkörper
(3) übergeht.
3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement (12) eine gegenüber der Öffnung
(5) verkürzte axiale Länge aufweist.
4. Kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement (12) an beiden axialen Stirnseiten
(8, 9) gegenüber der Öffnung (5) axial zurückversetzt
und in Isolierstoff eingebettet ist.
5. Kollektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Buchsenelement (12) an einer gegenüber
der Öffnung (5) zurückversetzten Stirnseite (9) an zumin
dest drei Abstützpunkten (18) freiliegt.
6. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnung (5) zu einer Stirnseite
(8) eine Fase (7) aufweist.
7. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die innenseitige Schicht (14) aus
Isolierstoff eine Dicke von mindestens 0,5 mm aufweist.
8. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Buchsenelement (12) zumindest
an einer Mantelfläche mit einer Profilierung versehen
ist.
9. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Buchsenelement (12) an zumindest
einer Mantelfläche mit einer haftvermittelnden Schicht
versehen ist.
10. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß er als zylindrischer Kollektor (1)
ausgebildet ist.
11. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß er als Plankollektor ausgebil
det ist.
12. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß das Buchsenelement (12) aus
Metall besteht.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kollektors nach
einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Satz von Lamel
len am Innenumfang einer zylindrischen Preßform und
ein Buchsenelement um einen Zentraldorn der Preßform
fixiert werden und die Preßform nachfolgend mit einem
Isolierstoff verfüllt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement mit einem einen Ringspalt ausbil
denden gleichförmigen Radial-Abstand zum Dorn angeordnet
wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das Buchsenelement in der Form auf ein zentrierendes
und von einem Boden der Preßform abhebendes Formwerkzeug
mit zumindest drei kranzförmig angeordneten Klauen aufge
stellt wird.
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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