Плоский коллектор
Изобретение относится к плоскому коллектору. В плоском коллекторе, содержащем несущее тело (1), множество проводящих сегментов (3) и такое же количество углеродных сегментов (4), соединенных с проводящими сегментами электрически и с геометрическим замыканием, каждый углеродный сегмент (4) имеет расположенный противоположно щеточной рабочей поверхности (5) кольцевой выступ (13), торцевая поверхность (15) которого находится в контакте с кольцевой контактной поверхностью (16) сопряженного проводящего сегмента (3). Кольцевые контактные поверхности (16) окружены контактным кольцом (24) соответствующего проводящего сегмента (3), которое находится в контакте без зазора с сопряженным кольцевым выступом (13). На каждом проводящем сегменте имеется выступающий контактный штифт (17), входящий без зазора в отверстие кольцевого выступа (13) сопряженного углеродного сегмента (4). Таким образом, углеродные сегменты соединены электрически с проводящими сегментами (3) по наружной окружной поверхности, кольцевой торцевой поверхности (15) и внутренней окружной поверхности кольцевого выступа (13). Техническим результатом является благоприятное распределение плотности тока на границе между проводящими сегментами и большой срок службы. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.
Данное изобретение относится к плоскому коллектору, содержащему выполненное из изолирующего прессовочного материала несущее тело, множество проводящих сегментов, расположенных равномерно вокруг оси коллектора, и такое же количество углеродных сегментов, соединенных с проводящими сегментами электрически и с геометрическим замыканием, состоящих из моноуглерода и образующих щеточную рабочую поверхность.
Плоские коллекторы, щеточная рабочая поверхность которых образована торцевой поверхностью углеродных сегментов, применяются вместо коллекторов с металлической щеточной рабочей поверхностью в особенности для работы в коррозийной среде, например, в приводных двигателях топливных насосов транспортных средств. В настоящее время известны многочисленные варианты выполнения типовых плоских коллекторов, описанные, например, в DE 8908-77 U1, ЕР 583892 В1, ЕР 1001501 В1, US 5175463 А1, DE 9807045 U1, DE 19752626 A1, US 5255426 A1, DE 19652840 A1, WO 97/03486, DE 19601863 A1, DE 4028420 A1, ЕР 0667657 A1, US 5442849 A1, WO 92/01321, US 5637944 A1 и DE 19713936 A1. Соответствующий уровень техники определяют также US 5629576 A1, DE 19903921 A1 и ЕР 0935331 A1. Большое количество охранных документов на плоские коллекторы с углеродной щеточной рабочей поверхностью подтверждает большую потребность в коллекторах такого типа, годных для практического применения. К тому же большое количество публикаций позволяет сделать вывод, что имеется множество проблем, которые до сих пор не были решены в удовлетворительной мере.
Это связано, в том числе, с тем, что в известных типовых плоских коллекторах различные требования отчасти противоречат друг другу; в частности, требования малых размеров, низких затрат на изготовление и высокой надежности и долговечности коллектора даже при очень неблагоприятных условиях. Так, требование малых размеров плоского коллектора противоречит его долговечности, так как провода обмотки ротора обычно привариваются к проводящим сегментам, что в плоских коллекторах очень малых размеров часто приводит к обусловленному перегревом повреждению электропроводных паяных соединений проводящих сегментов с углеродными сегментами. Поэтому было предложено применять для соединения углеродных сегментов с проводящими сегментами тугоплавкий припой, стойкий к высокой температуре (ЕР 0935331 А1), или располагать точки контакта между проводящими сегментами и углеродными сегментами на относительно большом удалении от соединительных элементов обмотки ротора (DE 19903921 А1). Однако первое из упомянутых предложений требует дополнительных затрат, а второе приводит к уменьшению точек контакта между проводящими сегментами и углеродными сегментами, что в свою очередь влечет за собой неблагоприятное распределение плотности тока в углеродных сегментах. Другие предложения по решению этой проблемы направлены на то, чтобы уменьшить теплопередачу от соединительных выводов к точкам контакта между проводящими сегментами и углеродными сегментами (DE 19956844 А1), или соединять углеродные сегменты с сопряженными проводящими сегментами исключительно, или по меньшей мере в дополнение к паяному соединению, посредством геометрического замыкания. Для этого в DE 19713936 А1 и US 2001/0024074 были предложены плоские коллекторы типовой конструкции, в которых углеродные сегменты имеют на своей торцевой стороне, расположенной противоположно щеточной рабочей поверхности, выступы в виде шипа, которые входят в промежутки сопряженных проводящих сегментов. В сходном решении согласно ЕР 1001501 В1 дополнительно предусмотрено, что выступающие наружу из проводящих сегментов концевые участки этих выступов механически деформируют путем обжатия, чтобы как можно более жестко зажать углеродные сегменты на проводящих сегментах. С этой целью углеродные сегменты выполнены из двух слоев с различным составом материала, так что выступы и примыкающие к ним области углеродных сегментов, в отличие от областей, примыкающих к щеточной рабочей поверхности, состоят из содержащего металл углерода. Это улучшает не только способность выступов деформироваться, но и положительно сказывается на распределении плотности тока в углеродных сегментах. Тем не менее, изготовление двухслойных углеродных элементов такого типа является сравнительно дорогим. Этот недостаток отсутствует в известных типовых плоских коллекторах с углеродными сегментами из "моноуглерода". Однако из-за того что эффективный контакт углеродных сегментов с проводящими сегментами достигается лишь по малой поверхности, имеет место неблагоприятное распределение плотности тока, что приводит к перегрузке контакта.
Изобретение направлено на устранение указанных недостатков и создание плоского коллектора, который, несмотря на возможность его изготовления с относительно малыми размерами и сравнительно малыми затратами, имеет благоприятное распределение плотности тока на границе между проводящими сегментами и углеродными сегментами и большой срок службы.
Указанная задача решена согласно п.1 формулы изобретения путем создания плоского коллектора описанного выше типа, в котором:
каждый углеродный сегмент имеет расположенный противоположно щеточной рабочей поверхности кольцевой выступ, кольцевая торцевая поверхность которого находится в контакте с соответствующей кольцевой контактной поверхностью сопряженного проводящего сегмента;
кольцевые контактные поверхности окружены каждая контактным кольцом соответствующего проводящего сегмента, которое находится в контакте без зазора с сопряженным кольцевым выступом в области его наружной окружной поверхности;
на каждом проводящем сегменте имеется окруженный кольцевой контактной поверхностью выступающий контактный штифт, который входит без зазора в отверстие кольцевого выступа сопряженного углеродного сегмента таким образом, что каждый углеродный сегмент соединен электрически с проводящим сегментом по наружной окружной поверхности, кольцевой торцевой поверхности и внутренней окружной поверхности указанного кольцевого выступа;
служащие для соединения с углеродными сегментами поверхности контактных колец, кольцевые контактные поверхности и наружные окружные поверхности контактных штифтов выполнены стойкими к окислению и коррозии.
Следующий вариант решения поставленной задачи описан в п. 19 формулы изобретения, в котором предложен плоский коллектор, отличающийся от коллектора согласно п.1 другим выполнением частей проводящих сегментов, находящихся в контакте с кольцевыми выступами углеродных сегментов в области их наружных окружных поверхностей, а именно в этом варианте проводящие сегменты вместо одного замкнутого в окружном направлении контактного кольца имеют несколько контактных выступов, расположенных на расстоянии друг от друга, причем в промежутках между каждыми двумя соседними контактными выступами прессовочный материал несущего тела прилегает к наружным окружным поверхностям кольцевых выступов углеродных сегментов. Хотя в дальнейшем данное изобретение поясняется на примере плоского коллектора согласно п.1 формулы изобретения, оно не ограничено этим плоским коллектором и представленные в дальнейшем сведения, в том числе касающиеся преимуществ предпочтительных усовершенствований изобретения, распространяются также на коллектор согласно п.19 формулы.
Характерной особенностью плоских коллекторов согласно изобретению является описанный выше контакт каждого углеродного сегмента с сопряженным проводящим сегментом по меньшей мере по трем поверхностям, а именно по наружной окружной поверхности, кольцевой торцевой поверхности и внутренней окружной поверхности кольцевого выступа, а также при необходимости дополнительно по поверхности дна отверстия углеродного сегмента. Во-первых, благодаря этому получается очень большая поверхность контакта углеродных сегментов с проводящими сегментами и тем самым достигается особенно благоприятное распределение плотности тока на границе между проводящими сегментами и углеродными сегментами и внутри углеродных сегментов, даже если они выполнены из так называемого "моноуглерода", т.е. не являются многослойными и не выполнены, полностью или частично, из углерода с добавлением металлических частиц. Во-вторых, контактные штифты проводящих сегментов, входящие каждый в соответствующее отверстие кольцевого выступа сопряженного углеродного сегмента, при необходимости, вплоть до прилегания торцом ко дну указанного отверстия углеродного сегмента, в сочетании с прочими признаками, характерными для соединения с геометрическим замыканием углеродных сегментов с проводящими сегментами, осуществляют особенно эффективное, долговечное, электропроводное и выдерживающее большие механические нагрузки механическое зажатие углеродных сегментов проводящими сегментами. Прочному зажатию углеродных сегментов проводящими сегментами способствует то, что при соединении проводящей заготовки, состоящей из еще соединенных между собой проводящих сегментов, и углеродного кольцевого диска, состоящего из еще соединенных между собой углеродных сегментов, кольцевые выступы углеродных сегментов в области их наружных и внутренних окружных поверхностей пластически деформируются и внутри них создается упругое предварительное напряжение, которое обеспечивает большое усилие зажатия и надежный контакт. Пластическое деформирование кольцевых выступов углеродных сегментов может включать, в частности, внедрение краевых областей контактных колец, а также контактных штифтов проводящих сегментов в первоначальный контур кольцевых выступов, при этом возможная металлизация поверхности сегментов будет соскабливаться контактными кольцами и контактными штифтами, так что достигается непосредственный контакт углеродного материала с соответствующими контактным кольцом и контактным штифтом. Упругое предварительное напряжение обусловлено модулем упругости отвержденного углерода предварительно сформированных и отвержденных кольцевых выступов углеродных сегментов. Для создания предварительного напряжения решающее значение имеет то, что выступы углеродных сегментов при изготовлении коллектора прижимаются с торцевой стороны к сопряженным контактным поверхностям проводящих сегментов, так как вследствие этого внутри кольцевых выступов может создаться указанное упругое предварительное напряжение, которое обеспечивает надежный контакт углеродных сегментов с проводящими сегментами даже при изменении температурных условий (от -40°С до 120°С). На практике предварительное напряжение создается в два этапа, сначала при соединении проводящих сегментов и углеродных сегментов и затем когда перед литьем под давлением несущего тела к соответствующей форме прикладывается полное замыкающее усилие. Полученное в результате описанных мер усилие зажатия, обеспечивающее прилегание выступов углеродных сегментов без зазора к поверхностям контактных колец и контактных штифтов проводящих сегментов и электрическое соединение между ними, может быть даже больше прочности углеродного материала, так что выступы нельзя будет вытащить из проводящих сегментов.
Если согласно одному предпочтительному усовершенствованию изобретения на поверхности углеродных сегментов нет металлизации, то благодаря упругому деформированию выступов (см. выше) в области торцевых поверхностей выступов также возможен предварительно напряженный непосредственный контакт без зазора между углеродным сегментов и соответствующим проводящим сегментом. Этот контакт без зазора по торцевой поверхности выступов углеродных сегментов с сопряженными контактными поверхностями проводящих сегментов может иметь особое значение. Поэтому в плоском коллекторе согласно п.1 формулы изобретения особенно важно то, что контакт углеродных сегментов с проводящими сегментами в области торцевых поверхностей выступов хорошо защищен от агрессивных сред, которые могут диффундировать через прессовочный материал несущего тела, так как соответствующий контакт, не считая возможных узких каналов для прессовочного материала (см. ниже), со всех сторон отделен от несущего тела контактным кольцом проводящего сегмента, прилегающим к наружной поверхности кольцевого выступа углеродного сегмента или внедренным в этот выступ.
Благодаря тому что согласно изобретению достигается механически прочное, предварительно напряженное зажатие выступов углеродных сегментов проводящими сегментами, с обеспечением электрического соединения и при полном отсутствии зазоров между ними, отпадает необходимость в припаивании углеродных сегментов к проводящим сегментам. Таким образом, исключается возможное ухудшение соответствующего соединения из-за последующего приваривания обмотки ротора к коллектору. Кроме того, благодаря исключению паяного соединения достигается экономичность изготовления коллектора.
Стойкое к окислению и коррозии выполнение поверхностей, по которым проводящие сегменты контактируют с сопряженными углеродными сегментами, является важным с точки зрения высокой надежности коллектора, даже при особенно неблагоприятных условиях эксплуатации, например, при контакте с топливом, содержащим метанол и этанол. Предпочтительное в этом отношении усовершенствование плоского коллектора согласно изобретению состоит в том, что служащие для соединения с углеродными сегментами поверхности контактных колец проводящих сегментов, их кольцевые контактные поверхности, а также наружные окружные поверхности и, при необходимости, торцевые поверхности контактных штифтов покрыты стойким к окислению и коррозии металлом, таким как серебро, олово и т.п. С этой целью могут быть использованы известные и опробованные способы покрытия. Могут использоваться и другие возможности для обеспечения стойкости указанных поверхностей к окислению и коррозии.
Согласно другому предпочтительному усовершенствованию изобретения предусмотрено, что торцевые поверхности кольцевых выступов и поверхности углеродных сегментов, окружающие кольцевые выступы, имеют соединенную между собой металлизацию, предпочтительно гальваническую металлизацию. Такая металлизация может быть, в частности, выполнена двухслойной, с нижним слоем из меди (например, от 4 до 12 мкм) и покровным слоем из олова (например, от 2 до 6 мкм). Благодаря тому что металлизация покрывает поверхности углеродного сегмента, окружающие кольцевой выступ, ток в углеродные сегменты подается по большой поверхности и тем самым достигается особенно благоприятное распределение тока внутри углеродных сегментов.
Еще одно предпочтительное усовершенствование плоского коллектора согласно изобретению состоит в том, что каждое контактное кольцо в области своей поверхности, служащей для соединения с сопряженным углеродным сегментом, имеет по меньшей мере один канал для прессовочного материала, который оканчивается в области края, образованного соответствующей поверхностью и кольцевой контактной поверхностью. Через эти каналы для прессовочного материала во время литья под давлением несущего тела прессовочный материал поступает в область упомянутого края и заполняет полость между проводящим сегментом и выступом углеродного сегмента, которая там может быть. Кроме того, в плоских коллекторах, в которых поверхности углеродных сегментов углеродного кольцевого диска в области кольцевых выступов и в окружающих их областях металлизируются, эта металлизация при соединении углеродного кольцевого диска и проводящей заготовки остается вдоль каналов для прессовочного материала неповрежденной; таким образом, в области каналов для прессовочного материала остаются отходящие от металлизации токопроводящие полосы, которые соединяют металлизацию на торцевой поверхности кольцевого выступа с металлизацией на поверхности углеродного сегмента, окружающей выступ. Результатом этого является особенно надежный, функционально дублированный контакт проводящих сегментов с углеродными сегментами. Первый контакт осуществляется через внутренние поверхности контактных колец и наружные поверхности контактных штифтов, которые при соединении углеродного кольцевого диска и проводящей заготовки внедряются в углеродную массу кольцевых выступов; металлизация углеродных сегментов там срезается внедряющимися контактными кольцами или контактными штифтами. Второй контакт осуществляется через соединенные с контактными поверхностями проводящих сегментов посредством электропроводного промежуточного слоя торцевые поверхности кольцевых выступов углеродных сегментов, откуда через описанные выше токопроводящие полосы и металлизацию окружающих выступы областей углеродных сегментов ток по большой поверхности подается в углеродные сегменты.
Согласно уже описанному выше усовершенствованию изобретения предусмотрено, что между металлизированными торцевыми поверхностями кольцевых выступов углеродных сегментов и сопряженными контактными поверхностями проводящих сегментов расположен электропроводный промежуточный слой. Его функция состоит, в частности, в том, чтобы компенсировать шероховатость торцевых поверхностей выступов углеродных сегментов и контактных поверхностей проводящих сегментов и тем самым улучшить обеспеченный с торцевой стороны и имеющий большую поверхность контакт углеродных сегментов, практически не деформируемых в области их поверхностной металлизации, с проводящими сегментами, даже при существующих на практике допусках на изготовление для проводящих сегментов и углеродных сегментов. Кроме того, через промежуточный слой может быть выполнено паяное соединение между металлизированными торцевыми поверхностями кольцевых выступов углеродных сегментов и сопряженными контактными поверхностями проводящих сегментов. Благодаря компенсации шероховатости обеих упомянутых поверхностей промежуточный слой также предотвращает проникновение прессовочного материала в соответствующую контактную зону во время литья под давлением несущего тела. Для выполнения этой функции электропроводный промежуточный слой состоит предпочтительно из порошкообразного или пастообразного, уплотненного в процессе соединения углеродного кольцевого диска и проводящей заготовки электропроводного материала, например из уплотненного таким путем металлического порошка из олова, уплотненного графитового порошка, уплотненного порошка из смеси металла и графита или отвержденной паяльной пасты. Толщина промежуточного слоя может составлять для обычных применений изобретения от 0,03 до 0,1 мм. В технологическом отношении целесообразно наносить материал, образующий впоследствии промежуточный слой, на торцевые поверхности выступов углеродных сегментов при помощи тампона.
Согласно еще одному предпочтительному усовершенствованию изобретения предусмотрено, что соединительные области, соединяющие электрически углеродные сегменты с проводящими сегментами, окружены кольцевыми слоями прессовочного материала, расположенными между углеродными сегментами и проводящими сегментами. Эти кольцевые слои прессовочного материала отгораживают снаружи области соединения углеродных сегментов с проводящими сегментами и защищают от непосредственного контакта с агрессивными средами. Это особенно целесообразно при использовании коллектора в неблагоприятной среде.
Следующее предпочтительное усовершенствование плоского коллектора согласно изобретению состоит в том, что проводящие сегменты имеют кольцевые возвышения, расположенные противоположно кольцевым контактным поверхностям и внедренные в несущее тело. Это выгодно как в отношении изготовления коллектора, так и в отношении его применения. Что касается изготовления, то кольцевые контактные поверхности проводящих сегментов могут быть изготовлены особенно экономично и эффективно, так как материал проводящих сегментов, когда они еще соединены друг с другом и образуют проводящую заготовку, вытесняется в осевом направлении и образует на противоположной стороне указанные кольцевые возвышения. В процессе дальнейшего изготовления эти кольцевые возвышения заделываются в прессовочный материал несущего тела, что способствует жесткому механическому закреплению проводящих сегментов в несущем теле и тем самым увеличивает срок службы коллектора.
Кольцевые выступы предпочтительно имеют по существу трапециевидную форму основания, причем это определение распространяется на выступы, у которых наружная в радиальном направлении граница имеет контур в форме дуги. В этом случае обеспечивается особенно благоприятное использование поверхности для механического соединения и электрического контакта углеродных сегментов с проводящими сегментами и большая прочность соединения.
Возможны различные варианты выполнения кольцевых выступов и находящихся с ними в контакте поверхностей проводящих сегментов в зависимости, например, от размеров коллектора и состава материала углеродных сегментов, главным образом выступов. Так, поверхности контактных колец, служащие для соединения с углеродными сегментами, могут быть коническими, в частности сужающимися в направлении к кольцевой контактной поверхности; однако предпочтительно они выполнены цилиндрическими. Кольцевые выступы углеродных сегментов имеют предпочтительно наружный контур в форме усеченного конуса, но могут быть выполнены и цилиндрическими. Контактные штифты имеют предпочтительно по существу круглое поперечное сечение; но могут иметь поперечное сечение другой формы, главным образом тогда, когда наружная окружная поверхность кольцевого углубления сильно отличается по форме от круга. Контактные штифты выполнены предпочтительно цилиндрическими, но это тоже не является обязательным.
За исключением отличий, обусловленных указанными выше особенностями коллектора, он может быть изготовлен известным способом, например, описанным в DE 19956844 А1. Этот способ включает раздельное изготовление проводящей заготовки, которая в своей окончательной конфигурации содержит соединенные друг с другом проводящие сегменты с контактными кольцами, кольцевыми контактными поверхностями и контактными штифтами, и углеродного кольцевого диска, имеющего кольцевые выступы, описанные выше. Затем проводящую заготовку и углеродный кольцевой диск соединяют в осевом направлении так, что кольцевые выступы углеродного кольцевого диска, с одной стороны, и контактные кольца и контактные штифты проводящих сегментов проводящей заготовки, с другой стороны, механически внедряются и жестко запрессовываются друг в друга в осевом направлении с образованием прочного соединения (см. выше). Полученный узел затем заливают под давлением массой прессовочного материала, образующей несущее тело. Наконец, путем механической обработки углеродный кольцевой диск разделяют на отдельные углеродные сегменты и разъединяют соединения между проводящими сегментами в проводящей заготовке.
Из изложенного выше видно, что для решения поставленной задачи особенно большое значение имеет контакт по торцевой стороне между выступами углеродных сегментов и сопряженными контактными поверхностями проводящих сегментов, поскольку это важно как для хорошего электрического контакта, в частности, описанного выше функционально дублированного контакта, так и для создания внутри выступов напряжений, способствующих механическому закреплению углеродных сегментов. В этом отношении, по меньшей мере для некоторых применений коллектора (например, коллектора с очень малыми размерами), поставленная задача может быть также решена в значительной мере посредством конструкции коллектора, которая отличается от конструкции согласно пп.1 и 19 формулы изобретения отсутствием контактных штифтов и имеет такие же остальные особенности. Заявитель оставляет за собой право претендовать на защиту выполненных таким образом коллекторов, в частности, путем подачи дополнительной заявки.
В дальнейшем изобретение поясняется подробнее описанием предпочтительных вариантов выполнения плоского коллектора со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает осевой разрез первого варианта выполнения плоского коллектора согласно изобретению,
фиг.2 - область соединения углеродного сегмента и проводящего сегмента коллектора, показанного на фиг.1, в увеличенном масштабе,
фиг.3 - область соединения углеродного сегмента и проводящего сегмента коллектора, показанного на фиг.1 и 2, в разрезе по линии III-III, перпендикулярной оси коллектора,
фиг.4 - осевой разрез углеродного кольцевого диска, используемого при изготовлении плоского коллектора, показанного на фиг.1,
фиг.5 - поперечный разрез области соединения углеродного сегмента и проводящего сегмента согласно второму варианту выполнения плоского коллектора по линии, перпендикулярной к оси коллектора,
фиг.6 - область соединения коллектора, показанного на фиг.5, в разрезе по линии VI-VI,
фиг.7 - область соединения коллектора, показанного на фиг.5 и 6, в разрезе по линии VII-VII,
фиг.8 - область соединения углеродного сегмента и проводящего сегмента третьего варианта выполнения плоского коллектора согласно изобретению в поперечном разрезе, перпендикулярном к оси коллектора.
Плоский коллектор, изображенный на фиг.1-4, содержит выполненное из изолирующего прессовочного материала несущее тело 1, восемь расположенных равномерно вокруг оси 2 проводящих сегментов 3 и восемь углеродных сегментов 4, каждый из которых электрически соединен с соответствующим проводящим сегментом 3. Углеродные сегменты 4 образуют расположенную перпендикулярно к оси 2 коллектора щеточную рабочую поверхность 5. Несущее тело 1 имеет центральное отверстие 6.
Выполненные из меди проводящие сегменты 3 изготавливают из одной проводящей заготовки. Сегменты 3 имеют соединительную область 7 и контактную область 8. В соединительной области 7 расположен контактный вывод 9 для электрического соединения обмотки ротора с соответствующим проводящим сегментом 3. Для лучшего закрепления проводящих сегментов 3 в несущем теле 1 от соединительной области 7 каждого проводящего сегмента 3 наклонно внутрь отходит удерживающая лапа 10.
Наружные в радиальном направлении окружные поверхности углеродных сегментов 4 покрыты оболочкой 11 из прессовочного материала несущего тела 1. Благодаря ступенчатому выполнению наружной окружной поверхности углеродных сегментов 4 образуется соединение с геометрическим замыканием с соответствующей оболочкой 11 из прессовочного материала. Прессовочный материал несущего тела 1 покрывает также, в виде краевых выступов 12, внутренние в радиальном направлении окружные поверхности углеродных сегментов 4. Ступенчатое выполнение внутренних в радиальном направлении окружных поверхностей углеродных сегментов 4 тоже обеспечивает образование соединения с геометрическим замыканием. Соединение с геометрическим замыканием углеродных сегментов 4 с несущим телом 1 по их внутренним и наружным в радиальном направлении поверхностям обеспечивает прочное закрепление углеродных сегментов в несущем теле 1.
Описанная конструкция плоского коллектора известна из уровня техники (см., например, DE 19956844 А1) и не нуждается в подробном описании.
Каждый углеродный сегмент 4 имеет кольцевой выступ 13 с отверстием 14, расположенный противоположно щеточной рабочей поверхности 5. Каждый выступ 13 прилегает своей кольцевой торцевой поверхностью 15 к соответствующей кольцевой контактной поверхности 16 сопряженного проводящего сегмента 3. Окруженный кольцевой контактной поверхностью 16 круглый цилиндрический контактный штифт 17 проводящего сегмента 3 входит в отверстие 14 кольцевого выступа 13 соответствующего углеродного сегмента 4, образуя по своей окружной поверхности 18 электропроводное соединение с внутренней окружной поверхностью 19 кольцевого выступа 13, а по своей торцевой поверхности 20 - электропроводное соединение с поверхностью 21 дна отверстия 14. Снаружи контактная поверхность 16 окружена замкнутым контактным кольцом 24, которое прилегает, с обеспечением электрического контакта, к наружной окружной поверхности 23 сопряженного кольцевого выступа 13 или частично внедрено в нее.
Кольцевые выступы 13 и соответствующие им контактные кольца 24 (см. фиг.3) имеют в основании по существу форму трапеции. Благодаря напряжению, созданному в кольцевых выступах 13 при изготовлении коллектора, каждый углеродный сегмент 4 соединен электрически и без зазора с сопряженным проводящим сегментом 3 по четырем поверхностям, а именно по наружной окружной поверхности 23, кольцевой торцевой поверхности 15 и внутренней окружной поверхности 19 кольцевого выступа 13, а также по поверхности 21 дна отверстия 14, находящейся в контакте с торцевой поверхностью 20 контактного штифта 17.
Эти четыре поверхности проводящего сегмента 3, служащие для контакта с углеродным сегментом, снабжены покрытием 25 из стойкого к окислению и коррозии металла, такого как олово, серебро и т.п.
Соединительные области 26, соединяющие электрически углеродные сегменты 4 с проводящими сегментами 3, окружены кольцевым слоем 27 прессовочного материала, расположенным между углеродными сегментами и проводящими сегментами. Прессовочным материалом заполнены также те полости 28, которые имеются в области края 30, образованного внутренней поверхностью 29 контактного кольца 24 и кольцевой контактной поверхностью 16, между проводящим сегментом 3 и выступом 13 (здесь скругленным, ср. фиг.4) углеродного сегмента 4. С этой целью внутренние поверхности 29 контактных колец 24 проводящих сегментов 3 имеют на своем наружном в радиальном направлении участке 31 два канала 32 (фиг.3) для прессовочного материала, которые оканчиваются в области краев 28.
На стороне каждого проводящего сегмента 3, обращенной в сторону от сопряженного с ним углеродного сегмента 4, имеется кольцевое возвышение 33, расположенное против кольцевой контактной поверхности 16 и соответствующее ей. Эти кольцевые возвышения, которые образуются в результате осевого смещения материала, прессуемого для изготовления кольцевых контактных поверхностей 16, внедрены в несущее тело 1.
Также показаны радиальные разрезы 34, с помощью которых при изготовлении плоского коллектора первоначально монолитный углеродный кольцевой диск 35 (ср. фиг.4) разделен на отдельные углеродные сегменты.
На фиг.4 также показано, что наружные окружные поверхности 23 кольцевых выступов 13 углеродного кольцевого диска 35 перед его соединением с проводящей заготовкой наклонены таким образом, что выступы слегка сужаются по направлению к торцевой поверхности 15. Сравнение изображения углеродного кольцевого диска 35 перед его соединением с проводящей заготовкой с изображениями готового плоского коллектора, в особенности на фиг.2, наглядно поясняет частичное внедрение контактного кольца 24 в кольцевой выступ 13 в области его наружной окружной поверхности 23 и вызванное этим пластическое деформирование соответствующего выступа в этой области. Контактный штифт 17 тоже слегка внедрен в углеродный материал, окружающий отверстие 14.
Показанный на фиг.5-7 второй вариант выполнения плоского коллектора в отношении основных конструктивных элементов аналогичен варианту согласно фиг.1-4, и поэтому эти элементы, во избежание повторов, не описаны и обозначены теми же позициями. Плоский коллектор согласно второму варианту выполнения имеет по существу три следующих отличия.
Углеродные сегменты 4 имеют гальваническую металлизацию 37 поверхности. Перед соединением углеродного кольцевого диска с проводящей заготовкой металлизация простирается по поверхности 21 дна отверстия 14, по всем поверхностям кольцевого выступа 13 и по прилегающей к нему поверхности соответствующего углеродного сегмента. Металлизация 37 выполнена двухслойной, с нижним слоем из меди и покровным слоем из олова. При соединении углеродного кольцевого диска и проводящей заготовки контактное кольцо 24 и контактный штифт 17 срезают металлизацию 37 и внедряются в неметаллический углеродный материал. Однако в области каналов 32 для прессовочного материала металлизация 37 углеродных сегментов 4 остается неповрежденной и поэтому области 39 металлизации 37, расположенные снаружи выступов 13, будут соединены с металлизацией 37 в области торцевой поверхности 13 через токопроводящие полосы 40, которые проходят внутри каналов 32 для прессовочного материала и состоят из сохранившейся там металлизации. Таким образом, прерывание металлизации 37, вызванное частичным внедрением контактных колец 24 в выступы 13, не оказывает отрицательного влияния на распределение тока внутри углеродных сегментов.
На фиг.6 и 7 показан электропроводный промежуточный слой 38 (который изображен непропорционально толстым), расположенный между торцевой поверхностью 15 выступов 13 углеродных сегментов 4 и контактной поверхностью 16 проводящих сегментов 3 и в результате компенсации шероховатости обеих этих поверхностей обеспечивает большую площадь контакта между углеродными сегментами 4 и проводящими сегментами 3, без включений воздуха и/или прессовочного материала в зону контакта.
Согласно фиг.5-7, к каждому кольцевому выступу 13 примыкают пять каналов 32 для прессовочного материала, которые расположены радиально снаружи, радиально внутри и на обеих поверхностях контактного кольца 24, параллельных радиальным разрезам 34. Это связано с наличием там токопроводящих полос 40 (см. выше).
Показанный на фиг.8 третий вариант выполнения плоского коллектора отличается от коллектора согласно фиг.5-7 в основном лишь тем, что каждый из проводящих сегментов 3′ вместо одного контактного кольца имеет четыре контактных выступа 22, окружающих кольцевые выступы 13′. Контактные выступы 22 в области наружных окружных поверхностей 23′ кольцевых выступов 13′ внедрены в углеродный материал с обеспечением электрического контакта и отделены друг от друга промежутками 36. В этих промежутках 36 между двумя соседними контактными выступами 22 прессовочный материал несущего тела 1′ прилегает к (металлизированной) наружной окружной поверхности 23′ кольцевого выступа 13′ соответствующего углеродного сегмента 4′. Оставшаяся здесь металлизация тоже образует токопроводящие полосы 40′, так же как и в области обоих каналов 32′ для прессовочного материала.
1. Плоский коллектор, содержащий выполненное из изолирующего прессовочного материала несущее тело (1), множество расположенных равномерно вокруг оси (2) коллектора проводящих сегментов (3) и такое же количество углеродных сегментов (4), соединенных электрически и с геометрическим замыканием с проводящими сегментами, состоящих из моноуглерода и образующих щеточную рабочую поверхность (5), отличающийся тем, что каждый углеродный сегмент (4) имеет расположенный противоположно щеточной рабочей поверхности (5) кольцевой выступ (13), кольцевая торцевая поверхность (15) которого находится в контакте с соответствующей кольцевой контактной поверхностью (16) сопряженного проводящего сегмента (3); кольцевые контактные поверхности (16) окружены каждая контактным кольцом (24) соответствующего проводящего сегмента (3), которое находится в контакте без зазора с сопряженным кольцевым выступом (13) в области его наружной окружной поверхности (23); на каждом проводящем сегменте имеется окруженный кольцевой контактной поверхностью выступающий контактный штифт (17), который входит без зазора в соответствующее отверстие (14) сопряженного кольцевого выступа (13) соответствующего углеродного сегмента (4) таким образом, что углеродные сегменты соединены электрически с проводящими сегментами (3) по наружной окружной поверхности (23), кольцевой торцевой поверхности (15) и внутренней окружной поверхности (19) кольцевого выступа (13); служащие для соединения с углеродными сегментами (4) поверхности контактных колец (24), кольцевые контактные поверхности (16) и наружные окружные поверхности (18) контактных штифтов (17) выполнены стойкими к окислению и коррозии.
2. Плоский коллектор по п.1, отличающийся тем, что углеродные сегменты (4) имеют предварительно сформированные и отвержденные кольцевые выступы (13), которые благодаря модулю упругости отвержденного углерода предварительно упруго напряжены для прилегания к наружным окружным поверхностям (18) контактных штифтов (17) и внутренним окружным поверхностям контактных колец (24).
3. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхности кольцевых выступов (13) углеродных сегментов (4) не имеют металлизации, а торцевые поверхности (15) кольцевых выступов (13), благодаря модулю упругости отвержденного углерода, предварительно упруго напряжены для прилегания без зазора к контактным поверхностям (16) проводящих сегментов (3).
4. Плоский коллектор по п.3, отличающийся тем, что углеродные сегменты соединены электрически с проводящими сегментами (3) также через поверхность (21) дна отверстия (14) сопряженного кольцевого выступа (13), находящуюся в контакте с торцевой поверхностью (20) контактного штифта (17).
5. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что торцевые поверхности (15) кольцевых выступов (13), а также поверхности углеродных сегментов (4), окружающие кольцевые выступы, имеют металлизацию.
6. Плоский коллектор по п.5, отличающийся тем, что металлизация выполнена в виде гальванической металлизации (37).
7. Плоский коллектор по п.5, отличающийся тем, что между металлизированными торцевыми поверхностями (15) кольцевых выступов (13) углеродных сегментов (4) и сопряженными контактными поверхностями (16) проводящих сегментов (3) расположен электропроводный промежуточный слой (38).
8. Плоский коллектор по п.7, отличающийся тем, что промежуточный слой (38) образует паяное соединение между металлизированными торцевыми поверхностями (15) кольцевых выступов (13) углеродных сегментов (4) и сопряженными контактными поверхностями (16) проводящих сегментов (3).
9. Плоский коллектор по п.8, отличающийся тем, что промежуточный слой (38) состоит из уплотненного металлического порошка, уплотненного графитового порошка, уплотненного порошка из смеси металла и графита или отвержденной паяльной пасты.
10. Плоский коллектор по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что толщина промежуточного слоя (38) составляет от 0,03 до 0,1 мм.
11. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждое контактное кольцо (24) в области своей поверхности, служащей для соединения с выступом (13) сопряженного углеродного сегмента, имеет по меньшей мере один канал (32) для прессовочного материала, который оканчивается в области края (30), образованного соответствующей поверхностью контактного кольца (24) и кольцевой контактной поверхностью (16).
12. Плоский коллектор по п.11, отличающийся тем, что торцевые поверхности (15) кольцевых выступов (13), а также поверхности углеродных сегментов (4), окружающие кольцевые выступы, имеют металлизацию, а вдоль каждого канала (32) для прессовочного материала проходит токопроводящая полоса (40) из металлизации (37), соединяющая металлизацию на торцевой поверхности (15) кольцевого выступа (13) с металлизацией (39) на поверхности углеродного сегмента (4), окружающей выступ.
13. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что соединительные области (26), соединяющие электрически углеродные сегменты (4) с проводящими сегментами (3), окружены кольцевым слоем (27) прессовочного материала, расположенным между углеродными сегментами (4) и проводящими сегментами (3).
14. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что служащие для соединения с углеродными сегментами (4) поверхности контактных колец (24), кольцевые контактные поверхности (16) и наружные окружные поверхности (18) контактных штифтов (17) покрыты металлом, стойким к окислению и коррозии.
15. Плоский коллектор по п.14, отличающийся тем, что торцевые поверхности (20) контактных штифтов (17) тоже покрыты металлом, стойким к окислению и коррозии.
16. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевые выступы (13) имеют, по существу, трапециевидную форму основания.
17. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхности контактных колец (24), служащие для соединения с углеродными сегментами (4), выполнены цилиндрическими.
18. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что контактные штифты (17) имеют, по существу, круглое поперечное сечение.
19. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что контактные штифты (17) выполнены цилиндрическими.
20. Плоский коллектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что проводящие сегменты (3) имеют кольцевые возвышения (33), расположенные противоположно кольцевым контактным поверхностям (16) и внедренные в несущее тело (1).
21. Плоский коллектор, содержащий выполненное из изолирующего прессовочного материала несущее тело (1′), множество расположенных равномерно вокруг оси (2) коллектора проводящих сегментов (3′) и такое же количество углеродных сегментов, соединенных с проводящими сегментами электрически и с геометрическим замыканием, состоящих из моноуглерода и образующих щеточную рабочую поверхность, отличающийся тем, что каждый углеродный сегмент имеет расположенный противоположно щеточной рабочей поверхности кольцевой выступ (13′), кольцевая торцевая поверхность которого находится в контакте с соответствующей кольцевой контактной поверхностью сопряженного проводящего сегмента (3′); кольцевые контактные поверхности окружены каждая несколькими, расположенными на расстоянии друг от друга, контактными выступами (22) соответствующего проводящего сегмента, которые с сопряженным кольцевым выступом (13′) в области его наружной окружной поверхности (23′) находятся в контакте без зазора непосредственно с углеродным материалом; на каждом проводящем сегменте имеется окруженный кольцевой контактной поверхностью выступающий контактный штифт (17′), который входит без зазора в соответствующее отверстие сопряженного кольцевого выступа (13′) соответствующего углеродного сегмента таким образом, что каждый углеродный сегмент соединен электрически с соответствующим проводящим сегментом (3′) по наружной окружной поверхности (23′), кольцевой торцевой поверхности и внутренней окружной поверхности кольцевого выступа (13′); в промежутках (36) между каждыми двумя соседними контактными выступами (22) прессовочный материал несущего тела (1′) прилегает к наружным окружным поверхностям (23′) кольцевых выступов (13′) углеродных сегментов; служащие для соединения с углеродными сегментами поверхности контактных выступов (22) проводящих сегментов, кольцевые контактные поверхности и наружные окружные поверхности контактных штифтов (17′) выполнены стойкими к окислению и коррозии; торцевые поверхности кольцевых выступов (13′) и поверхности углеродных сегментов, окружающие кольцевые выступы, имеют металлизацию; между металлизированными торцевыми поверхностями кольцевых выступов (13′) углеродных сегментов и сопряженными контактными поверхностями проводящих сегментов (3′) расположен электропроводный промежуточный слой.
