DE10009007A1 - Schleifring-Anordnung bei Elektromotoren und Generatoren - Google Patents
Schleifring-Anordnung bei Elektromotoren und GeneratorenInfo
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Abstract
Schleifring-Anordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in denen Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe (10, 10', 10'') des Schleifringkörpers (11) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe (10, 10', 10'') metallische Schleifringe (2, 2' und 2'') üblicher Bauart als Schleifringbasis und eine elektrisch leitende Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, deren Dicke maximal 11% des Radius des Schleifrings (10, 10', 10'') beträgt und die elektrisch leitend auf dem Umfang der metallischen Schleifringbasis (2, 2' und 2'') durch Verklebung befestigt ist. Verfahren zur Umrüstung von Schleifringkörpern mit metallischen Schleifringen durch Abtragen der metallischen Schleifringe und Aufkleben einer Gleitschicht.
Description
Die Erfindung betrifft Schleifring-Anordnungen für elektrische Maschinen mit Bürsten aus
Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringkörpern, wobei die Bürsten mit den Schleifringen der
Schleifringkörper elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Elektrische Motoren und Generatoren, mit denen elektrische Energie in Rotationsenergie oder
umgekehrt Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, benötigen eine
Stromzuführung für die drehbar angeordnete Spule, die kraftschlüssig oder formschlüssig mit der
Drehachse verbunden ist. Dies erfolgt üblicherweise über mit der Drehachse verbundene und mit
dieser konzentrische Schleifringe, die mit feststehenden Bürsten leitend verbunden sind, oder
über die Paarung von Bürsten mit sogenannten Kommutatoren oder Kollektoren, die neben der
Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem feststehenden und dem drehenden Teil
der elektrischen Maschine auch die Stromwendung (bei Gleichstrommaschinen) bewirken.
Üblicherweise bestehen die Schleifringe und Kommutatoren aus Metallen wie Kupfer,
Kupferlegierungen wie z. B. Bronze, Zinnbronzen, Nickelbronze, Silber oder Stahl. Die Schleif
ringe werden zu Schleifringkörpern durch isolierende Befestigungen mit der Nabe (Drehachse)
verbunden, wobei sie dieser gegenüber und untereinander isoliert sind. Entlang des Umfangs der
Schleifringe sind elektrisch leitende Bürsten ortsfest angeordnet, die durch Federkraft mit der
Oberfläche der Schleifringe in Kontakt gehalten werden. Für Wechselstrom-Motoren und -
Generatoren werden Schleifringe einzeln oder mehrfach je Phase benötigt.
Die Gleitkontakte (Bürsten) bestehen meist aus Kohlenstoffwerkstoffen, gegebenenfalls in
Kombination mit Metallen (z. B. Metallgraphit, zu dessen Herstellung Mischungen von
Metallpulvern, insbesondere Kupfer, Zinn oder Blei, mit Graphit, insbesondere Naturgraphit,
verpreßt und anschließend durch Glühen oder Sintern verfestigt werden).
Bei all diesen Werkstoffpaarungen kommt es durch die gegenseitige Bewegung und auch durch
die teilweise hohen übertragenen Ströme zu Verschleiß, wobei sich aus dem Abrieb Stäube
bilden können, die zu Kriechwegverkürzung durch Verschmutzung und damit zu Überschlägen
führen können; andererseits ergibt sich ein Abtrag der sich berührenden Schichten. Dabei
ergeben sich durch die Notwendigkeit des Ersatzes der Bürsten und der Oberflächen-
Nachbehandlung der Schleifringe (Abdrehen der Fehlstellen wie Riefen oder ähnliches)
zusätzliche Wartungsintervalle, die kürzer sind als die Wartungsintervalle der (Wälz-)Lager, was
wesentlich erhöhte Wartungskosten vor allem durch zusätzliche Ausfallzeiten verursacht.
Es ist daher erwünscht, den Abrieb möglichst gering zu halten und so die Häufigkeit der dadurch
bedingten Wartungsarbeiten geringer oder höchstens gleich der Häufigkeit der Wartungsarbeiten
für die Lager und/oder anderer Verschleißteile zu machen.
Aus der Patentschrift DD 258 687 A1 und aus VEM Zeitschrift 1975, S. 15 ff ist bekannt, daß
bei einer Paarung von Graphitbürsten mit Schleifringen aus Graphit der Verschleiß sehr niedrig
ist. Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß durch den Graphitkörper der Schleifringe wegen
dessen im Vergleich zu Metallen relativ hohen spezifischen Widerstandes nur geringe Ströme
durchgeleitet werden können. Bei hohen durchgeleiteten Strömen wird die Ohmsche Wärme
unzulässig hoch. Dies kann zu Schädigung des Systems führen. Die Ein- oder Ableitung des
Stroms erfolgt bei einem Schleifring über einen metallischen Leiter, der parallel zur Drehachse
seitlich versetzt zu dieser verläuft und mit dem Körper des Schleifrings elektrisch leitend
verbunden ist. Da der Widerstand im Inneren eines Graphitschleifrings von ähnlicher Größe wie
der Übergangswiderstand zwischen Schleifring und Bürste ist, führt dies bei konstantem
induzierten Strom in der Spule zu periodischen Spannungsschwankungen bei einem Generator
bzw. bei einem Motor zu ungleichmäßigem Drehmoment, je nach der Weglänge des Stroms und
damit dem wirksamen Widerstand in dem Schleifring.
Eine andere Konstruktion ist aus der Patentschrift DD 248 909 bekannt. Hier wird ein
Schleifring mit einer metallischen Schleifringbasis und einem aufgelöteten Kohlegleitring
beschrieben, wobei die Schleifringbasis Hohlräume aufweist, um die Verlustwärme durch
allseitige Belüftung abführen zu können. Die der metallischen Schleifringbasis zugewandte Seite
des Kohlegleitringes muß metallisiert sein, um einen niedrigen Übergangswiderstand zu
gewährleisten und eine Lötverbindung zu ermöglichen. Durch die starke Erwärmung der
Konstruktion durch die Ohmsche Verlustleistung sowie auch bereits beim Löten treten
Wärmespannungen auf. Daher wird der Außenteil der metallischen Schleifringbasis
vorzugsweise mit Aussparungen zur Kompensation von Wärmespannungen versehen.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Konstruktion für Schleifringe zu finden, die zu möglichst
niedrigem Verschleiß führt, und andererseits eine ausreichend hohe Strombelastung zuläßt, damit
derartige Systeme auch im Hochstrombereich eingesetzt werden können, ohne daß die aus dem
Stand der Technik bekannten starken Erwärmungen auftreten. Eine weitere Aufgabe ist,
bestehende Maschinen mit metallischen Schleifringen so nachrüsten zu können, daß der
Verschleiß kleiner wird, wobei möglichst wenige Teile ersetzt werden sollten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schleifring-Konstruktion, die aus einem metallischen
Schleifring üblicher Bauart als Schleifringbasis und einer auf dieser Schleifringbasis aufgeklebten
Gleitschicht, die vorzugsweise aus einem Kohlenstoff-Werkstoff besteht. Wird ein Kohlenstoff-
Werkstoff eingesetzt, so ist es vorteilhaft, einen Graphit-Werkstoff, und besonders bevorzugt,
einen isostatisch gepreßten Graphit-Werkstoff mit einzusetzen. Weiterhin sollte die
Biegefestigkeit des Graphitwerkstoffs bevorzugt mindestens 30 MPa (= 30 N/mm2) betragen,
damit die Schichtdicke des Kohlenstoff-Werkstoffes ausreichend niedrig gehalten werden kann.
Durch diese Konstruktion wird einerseits erreicht, daß die Kontaktflächenpaarung einen
minimalen Verschleiß aufweist, da das Material des Reibungspartners der Bürsten so gewählt
werden kann, daß der Abrieb zwischen diesen gegeneinander bewegten Werkstoffen erheblich
niedriger ist als der zwischen einer Paarung aus Metallen oder einer Paarung mit Metall und
Kohlenstoff-Werkstoff für die Bürsten. Andererseits ist durch diese Konstruktion der
Übergangswiderstand zwischen der metallischen Basis des Schleifrings und der Gleitschicht
zentrosymmetrisch.
Die Erfindung betrifft daher eine Schleifring-Anordnung für elektrische Motoren und
Generatoren, in denen Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und die Schleifringe der Schleif
ringkörper elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schleifringe metallische Schleifringe üblicher Bauart (Schleifringbasis) und eine elektrisch
leitende Gleitschicht aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, deren Dicke maximal 11% des
Außenradius des Schleifrings beträgt und die elektrisch leitend auf dem Umfang der metallischen
Schleifringbasis durch Verklebung befestigt ist. Es ist auch möglich, daß nicht alle Schleifringe
des Schleifringkörpers mit der Gleitschicht versehen sind.
Als Schleifringkörper wird, wie für den Fachmann üblich, hier die Anordnung bezeichnet, die aus
der Nabe, dem Isolator (bevorzugt der Isolierhülle in Form eines Zylindermantels) und den
Schleifringen besteht, die bei der Erfindung aus der metallischen Schleifringbasis und der
Gleitschicht zusammengesetzt sind.
Die Dicke der Gleitschicht ist nach oben begrenzt durch ihre Leitfähigkeit (je dicker die im
Vergleich zu Metallen schlechter leitfähige Gleitschicht ist, desto höher wird der Widerstand
zwischen der mit der metallischen Schleifringbasis leitend verbundenen Ableitung und der
Anschlußleitung an der Bürste). Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Dicke der Gleitschicht
nicht größer als 11% des Radius des äußeren Mantels der Gleitschicht zu machen.
Die metallische Schleifringbasis ist üblicherweise ein flacher zylindrischer Tragring, der massiv,
mit (meist kreisförmigen) Aussparungen oder als Speichenrad ausgeführt sein kann. Es ist auch
möglich und bevorzugt, die Breite der Schleifringbasis in der Nähe des äußeren Mantels in der
Region größer zu wählen als bei dem Rest des Ringes. Die Schleifringbasis erhält damit das
Aussehen eines flachen Ringes (der ebenfalls Aussparungen aufweisen kann), auf dessen Umfang
in bevorzugter Weise ein (in Richtung parallel zur Achse) breiterer Zylindermantel wie ein Reif
ausgeführt ist. Auf der (äußeren) Mantelfläche dieser Schleifringbasis wird eine Gleitschicht mit
konstanter Dicke elektrisch leitend befestigt. Diese Befestigung wird vorzugsweise durch eine
leitfähige Verklebung hergestellt. Der Vorteil einer Verklebung ist, daß die elektrische
Verbindung eine möglichst große Kontaktfläche hat dies senkt den Übergangswiderstand und
verteilt die Kraft zwischen beiden Materialien auf eine möglich große Fläche. Bei einer
Verklebung entfällt auch das ansonsten bei der Herstellung einer Lotverbindung erforderliche
Erwärmen auf Temperaturen, bei denen das Lot schmilzt. Beim Löten werden nämlich besondere
Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um eine Schädigung der Schleifringbasis zu vermeiden, wie
Demontage oder Anbringen eines Wärmeschildes.
Die Gleitschicht besteht aus einem elektrisch leitenden Graphit Werkstoff. Bevorzugt wird als
Material für die Gleitschicht ein Graphit-Werkstoff mit einer Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa
eingesetzt. Weiterhin wird bevorzugt isostatisch gepreßter Graphit-Werkstoff verwendet.
Die Dicke der Gleitschicht sollte wegen des im Vergleich zur metallischen Schleifringbasis
höheren spezifischen Widerstandes möglichst gering gehalten werden. Dabei ist jedoch zu
berücksichtigen, daß einerseits die mechanische Stabilität der Gleitschicht mit geringerer Dicke
kleiner wird, und andererseits der Abrieb in Verbindung mit den (üblicherweise und bevorzugt
aus Kohlenstoff-Werkstoffen bestehenden) Bürsten durch die geeignete Auswahl von Werkstoff
und dessen Dicke so gestaltet werden soll, daß die durch Erneuerung der Gleitschicht erforderlich
werdenden Wartungsintervalle gleich oder größer sind als die durchschnittliche Wälzlager-
Lebensdauer. Die Dicke der Gleitschicht sollte daher nicht mehr als 11% des Außenradius des
Schleifrings (also des äußeren Radius der Gleitschicht) betragen; bevorzugt ist die Dicke der
Gleitschicht 10% oder weniger dieses Radius, insbesondere 8% oder weniger, wobei Anteile von
6% und darunter bzw. 4% und darunter besonders bevorzugt werden.
Zur Verklebung von Gleitschicht und metallischer Schleifringbasis werden leitfähige Klebstoffe
verwendet. Diese Klebstoffe sollten bevorzugt so ausgewählt werden, daß ihre
Temperaturbeständigkeit so groß ist, daß auch eine feste Verklebung der Gleitschicht auf der
metallischen Schleifringbasis gesichert ist bei den während des Betriebs der Schleifring-
Anordnung auftretenden Temperaturen am Schleifring. Bevorzugt werden jedoch auch Kleber
verwendet, die keine geeignete eigene Leitfähigkeit aufweisen, denen jedoch ein Metallpulver,
bevorzugt Kupferpulver, zugesetzt wird. Besonders bevorzugt wird nach dem Aufbringen der
Klebstoffschicht die bestrichenen Flächen mit dem Metallpulver bestreut, um eine elektrisch
leitende Klebeverbindung zu erhalten. Die verwendeten Metallpulver weisen bevorzugt eine
Körnung von 0,01 mm bis 0,2 mm auf. Zu den verwendeten Klebern zählen insbesondere
Epoxidharzkleber, Phenolharzkleber, Cyanatesterharzkleber sowie Kleber auf der Basis von
Polyurethanharzen, Polyesterharzen und Aminharzen. Besonders bevorzugt werden für die
erfindungsgemäßen Schleifringe Phenolharzkleber eingesetzt. Die Schichtdicke des Klebers auf
der Metalloberfläche der Schleifringbasis bzw. auf der Innenfläche der Gleitschicht beträgt
bevorzugt zwischen 0,02 mm und 0,2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,1 mm.
Beim Verkleben werden die Gleitschicht-Segmente auf die tragende Schleifringbasis paßgenau
aufgesetzt und unter gleichmäßigem Druck aufgepreßt. Dabei sollte die Fugenbreite zwischen den
einzelnen Segmenten der Gleitschicht möglichst gering gehalten werden.
Als Gleitpartner zur Gleitschicht der Schleifringe werden bevorzugt Graphitbürsten verwendet,
daß heißt Bürsten aus Kohlenstoff Werkstoffen mit einem graphitischen Charakter. Hierzu
zählen insbesondere Elektrographit und gebrannte Kohlenstoff Werkstoffe, die Naturgraphit
beinhalten.
Als weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist zu nennen, daß die Gleitschicht, die bevorzugt aus
dem genannten biegefesten Kohlenstoff-Werkstoff besteht, bei Bedarf problemlos erneuert
werden kann; dazu muß lediglich die verbliebene Gleitschicht und die Kleberschicht bis auf das
Metall abgedreht werden, worauf dann eine neue Gleitschicht aufgebracht werden kann.
Änderungen der Bürstenstellung bei dieser Überholung werden hier nicht erforderlich. Bei einer
reinen Metallausführung muß der Schleifring bei Verschleiß überarbeitet werden, wobei ein
Mindest-Durchmesser nicht unterschritten werden darf, oder der ganze Schleifring muß
ausgetauscht werden, wobei die Bürsten ebenfalls erneuert werden müssen.
Die teilweise oder vollständige Umrüstung von bestehenden Maschinen mit rein metallischen
Schleifringen ist problemlos derart vorzunehmen, daß die metallische Kontaktschicht an der
äußeren Mantelfläche der vorhandenen Schleifringe im Schleifringkörper so vorbereitet wird,
bevorzugt abgetragen wird, besonders bevorzugt durch Abdrehen, daß die Gleitschicht in der
erforderlichen Dicke aufgebracht und mit der verbleibenden metallischen Schleifringbasis durch
Klebung verbunden werden kann. Die Gleitschicht kann, falls zur Beseitigung von Oberflächen
unregelmäßigkeiten erforderlich, anschließend z. B. durch Abdrehen oder Schleifen überarbeitet
werden. Insbesondere bei dieser Nachrüstung zeigt sich der Vorteil der erfindungsgemäßen
Ausführung, da üblicherweise die Dicke (in radialer Richtung) der Laufschicht von metallischen
Schleifringen groß genug ist um ohne Verlust an Stabilität auf den erforderlichen Durchmesser
abgedreht zu werden. Dies gilt insbesondere bei metallischen Schleifringen, die zwei Schichten
in radialer Richtung aufweisen, eine metallische Trägerschicht und eine separate äußere Lauf
schicht.
Von besonderem Vorteil ist es, die metallischen Schleifringe einer vorhandenen Maschine derart
(z. B. durch Schleifen, Drehen oder Fräsen) vorzubereiten, daß an mindestens einem der Ränder
der äußeren Mantelfläche der verbleibenden metallischen Schleifringbasis jeweils ein Überstand
(in Richtung des zunehmenden Radius) stehen bleibt, der bevorzugt 0,5 mm bis 5 mm,
insbesondere 1 mm bis 3 mm breit und 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 bis 2 mm hoch ist. Die
Gleitschicht wird in die zylindrische Nut die auf diese Weise entsteht, derart eingeklebt, daß die
Gleitschicht mit den Überständen abschließt oder diese vorzugsweise um bis zu 5 mm,
insbesondere bis zu 3 mm überragt.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann der gesamte Schleifringkörper zur Überholung bzw.
Erneuerung der Gleitschicht eingespannt werden, die Schleifringe werden bis auf die metallische
Basis abgedreht und die Gleitschicht kann (bei einem oder mehreren Schleifringen gleichzeitig)
ersetzt werden.
Die Gleitschicht kann aus einem geschlossenen Ring bestehen; es wird jedoch bevorzugt, die
Gleitschicht aus mehreren Segmenten zusammenzusetzen, die aus einem oder mehreren
Graphitringen geschnitten werden, wobei sie in mindestens zwei, besonders bevorzugt in
mindestens drei Segmenten auf den Träger aufgebracht wird. Dabei ist es günstig, den Stoß
zwischen zwei aneinanderliegenden Gleitschicht-Segmenten nicht parallel zur Drehachse (d. h.
senkrecht zur Tangente) auszuführen, sondern in einem Winkel zur Tangente von maximal 75°,
bevorzugt maximal 60°, und besonders bevorzugt bis zu 45°. Es hat sich also besonders
vorteilhaft erwiesen, falls die Gleitschicht einteilig in Form eines Ringes aufgebracht wird, diesen
umlaufend zu schlitzen mit einem Winkel β gegenüber der Tangente, der bevorzugt so zu
bemessen ist, daß der Schlitz mindestens einmal über den vollen Umfang der Gleitschicht
verläuft. Wird die Gleitschicht in mehr als einem Segment aufgebracht, so ist es vorteilhaft, diese
Segmente nicht mit gleicher (Bogen-)Länge zu bemessen, sondern die (Bogen-)Länge des
längsten Segments sollte mindestens 110% der Länge des anderen (bzw. des zweitlängsten)
Segments betragen. Die Dicke der Gleitschicht beträgt bis zu 11% des Außenradius des
Schleifrings, bevorzugt maximal 5 mm, insbesondere 4 mm und weniger.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Schleifringkörper
Fig. 2 eine Detailvergrößerung gemäß dem Ausschnitt II in Fig. 1
Fig. 3 eine Detailvergrößerung entsprechend dem Ausschnitt von Fig. 2 von einer alternativen
Ausführung zu Fig. 1
Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1
Fig. 5 eine seitliche Draufsicht auf einen Schleifring-Körper gemäß Fig. 4
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Schleifring-Körper gemäß einer alternativen Ausführungsform
zu Fig. 4
Einen Schleifringkörper 11 nach der Erfindung mit insgesamt drei Schleifringen 10, 10', 10" ist
in der Fig. 1 dargestellt, die ein Schnitt durch den Schleifringkörper 11 in einer Ebene parallel zur
Drehachse ist. Auf einer Isolierschicht 12, die auf eine Nabe 1 aufgebracht ist, sind metallische
Ringe 2, 2', 2" als Schleifringbasis befestigt. Auf der Mantelfläche dieser metallischen Ringe 2,
2', 2" ist jeweils eine Gleitschicht 3, 3' und 3" in Form eines zylindrischen Ringes aufgeklebt mit
Hilfe eines elektrisch leitfähigen Klebers. Diese Konstruktion ist aus der Fig. 2 ersichtlich, die
eine Ausschnittsvergrößerung der Fig. 1 ist. Hier ist ein metallischer Teil der Schleifringbasis 2
dargestellt, auf dem die ringförmige Gleitschicht 3 durch den elektrisch leitfähigen Kleber 6
befestigt ist.
Die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform, bei der die Schleifringbasis 2 so ausgeführt
wird, daß an den Rändern ihrer äußeren Mantelfläche jeweils ein Überstand 4, 4' stehen bleibt, ist
in der Fig. 3 zu sehen. Diese ist eine abgewandelte Ausführungsform gegenüber der in Fig. 2 bzw.
Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zur in der Fig. 1 dargestellten Konstruktion
ist hier an beiden Rändern des äußeren Mantels der Schleifringbasis 2 jeweils ein Überstand 4 und
4' stehen geblieben, wodurch in der Mitte der äußeren Begrenzungsfläche der Schleifringbasis 2
eine Nut 5 gebildet wird, in die die Gleitschicht bündig eingebracht werden kann. Auf dem Grund
der Nut 5 wird der elektrisch leitfähige Kleber 6 aufgestrichen, die Gleitschicht 3 wird aufgesetzt
und mit der Schleifringbasis 2 verklebt.
Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 1. Auf der Isolierschicht 12 über der
Nabe 1 ist die ringförmige Schleifringbasis 2" befestigt, auf den die Gleitschicht 3" aufgeklebt ist.
In dieser Fig. 4 ist die mehrteilige Ausführungsform der Gleitschicht 3" zu erkennen, wobei hier
eine dreiteilige Ausführungsform dargestellt ist, mit den Gleitschicht-Segmenten 3"1, 3"2 und 3"3
und den Stoßstellen 7, 7' und 7".
In der Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen derartigen Schleifring dargestellt, wobei die
Blickrichtung senkrecht zur Achse und senkrecht zum Durchmesser des Schleifrings ist. Auf die
Schleifringbasis 2 ist die Gleitschicht 3 in mehreren Segmenten aufgeklebt, wobei hier ein Stoß
8 zwischen zwei Segmenten der Gleitschicht zu sehen ist. Der Winkel a des Stoßes 8 gegen die
Tangente beträgt 60°.
Die Fig. 6 schließlich zeigt in der Draufsicht wie Fig. 5 eine weitere bevorzugte
Ausführungsform, bei der der die Gleitschicht bildende Ring 3 geschlitzt ist. Der Winkel β des
Schlitzes 9 gegenüber der Tangente wird bevorzugt so gewählt, daß der Schlitz entlang einer
Spiral-Linie auf der Mantelfläche der zylindrischen Gleitschicht läuft und die Länge des Schlitzes
größer als der Umfang der Mantelfläche ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß der Ring
zum Aufbringen auf der auf der Nabe 1 befestigten Schleifringbasis 2 aufgeweitet werden kann,
wobei er sogar gegebenenfalls über einen gemäß der Darstellung in Fig. 3 vorhandenen erhabenen
Überstand 4 bzw. 4' der Schleifringbasis ohne Bruchgefahr in die Nut 5 eingebracht werden kann.
Die geschlitzte Gleitschicht 3 wird anschließend so auf der Schleifringbasis 2 festgeklebt, daß sie
bündig anliegt und die Breite des Schlitzes 9 möglichst gering ist. Der spitze Winkel β (geringe
Winkel) des Schlitzes 9 gegenüber der Tangente minimiert weiter mögliche Unebenheiten oder
Stöße und verringert dadurch den Abrieb.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele erläutert:
In einem Standard 6 kV-Elektromotor (Typ " 1LS1 456-4HA60-Z" der Siemens AG, Nr. 904068)
mit Schleifringen gemäß dem Stand der Technik aus Stahl X10Cr13 und zugehörigen optimierten
Bürsten, nämlich Metallgraphitbürsten "RC53" der Fa. SGL CARBON GmbH wurde während
des Betriebs mit Nennlast die Temperatur der Zuluft, an der Wicklung, im Schleifringraum, an
den Bürsten und an den Schleifringen bestimmt. Der Abrieb an Bürsten und Schleifringen wurde
bestimmt.
Der Schleifring-Körper aus dem Vergleichsbeispiel (mit einem Durchmess er von 280 mm) wurde
zentrisch auf einer Drehbank eingespannt und die Schleifringe aus Stahl auf einen Außen
durchmesser von 270 mm abgedreht. Auf die durch das Abdrehen entstandene blanke Oberfläche
wurden drei Ringsegmente aus einem isostatisch gepreßten Graphit der Marke 300 der Fa. SGL
CARBON GmbH der Abmessungen: Innendurchmesser 270 mm, Außendurchmesser 282 mm,
Breite 30 mm mit Hilfe eines Phenolharzes als Kleber, das mit Kupferpulver der Sorte FFL der
Fa. Norddeutsche Affmerie gefüllt war (Zusammensetzung: 50 Gew.-% Harz, 50 Gew.-%
Kupferpulver), aufgeklebt. Die Stoßstellen zwischen den Segmenten wurden mit einer Schräge
von 60° ausgeführt. Der Schleifringkörper wurde abermals zentrisch eingespannt und auf 280 mm
Außendurchmesser abgedreht. Der Schleifringkörper wurde wieder in den Motor eingebaut.
Außerdem wurden die Bürsten gegen Graphitbürsten der Marke RE65 der SGL CARBON GmbH
getauscht. Es wurden dieselben Messungen wie im Vergleichsbeispiel ausgeführt. Die Ergebnisse
sind in der Tabelle zusammengestellt.
Umfangreiche Vergleiche zwischen den beiden Konfigurationen mit unterschiedlichen
Betriebszeiten und unterschiedlicher Last ergaben, daß die Temperatur der Bürsten in der
erfindungsgemäßen Ausführung im Mittel 13 bis 23°C niedriger als die des Vergleichs lag, die
Temperatur der Schleifringe war im Mittel um 12 bis 18°C geringer als beim Vergleich.
Aufgrund der geringeren Temperaturbeanspruchung in der erfindungsgemäßen Schleifring-
Anordnung kann die Lebensdauer der Komponenten der elektrischen Maschinen, wie z. B. der
Lager, gesteigert werden.
Bei höherer Laufzeit (einige hundert Stunden) war im Vergleich ein deutlicher Abtrag der Bürsten
der konventionellen Anordnung (Vergleich) festzustellen, während die erfindungsgemäße
Anordnung keinen meßbaren Bürstenverschleiß der eingesetzten Bürsten erkennen ließ. Der
Verschleiß an den Schleifringen war bei dieser kurzen Laufzeit nicht meßbar.
Weiterhin wurden Versuche mit der Vergleichschleifring-Anordnung und der erfindungsgemäßen
Schleifring-Anordnung gemäß dem Beispiel auf Prüfständen durchgeführt, um die Systeme unter
Extrembelastungen zu testen. Hierbei waren die Schleifring-Anordnungen auf einem 710 KW
Motor angebracht und es wurden Einschaltversuche in Form von Hochläufen mit
unterschiedlichen Läuferströmen durchgeführt, d. h. es wurde ihnen kurzfristig eine sehr große
Leistung abverlangt. Bei der Vergleichschleifringanordnung gemäß dem bisherigen Stand der
Technik konnten diese Versuche bis zu einer 3,2-fachen Belastung des Nennstroms durchgeführt
werden, was einer Stromdichte je Bürste von ca. 32 A/cm2 entspricht. Hierbei wiesen, in der
Standardausführung allerdings sowohl die Schleifringe als auch die Bürstenlaufflächen starke
Schädigungen durch Anschmelzungen auf (Feuern der Bürsten wurde beobachtet). Die
erfindungsgemäße Schleifring-Anordnung gemäß dem Beispiel konnte sogar bis zu einer ca. 3,5-
fachen Belastung des Nennstroms durchgeführt werden, was einer Stromdichte über der
erfindungsgemäßen Schleifring-Anordnung von 40 A/cm2 entspricht. Auch bei dieser noch
höheren Belastung konnten keine Schädigungen an den Schleifringen und Bürsten (Feuern der
Bürsten)der erfindungsgemäßen Anordnung beobachtet werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schleifring-Anordnung besteht darin, daß die
Schleifringe nahezu ohne Austausch verwendet werden können. Lediglich die Gleitschicht kann
falls erforderlich erneuert werden, ohne jedoch die metallische Schleifringbasis nennenswert
anzugreifen. Dagegen mußten die bisher benutzten metallischen Schleifringe mit der Zeit erneuert
werden, weil sie bei jeder fristmäßigen Wartung der elektrischen Maschinen zum Austausch der
Lager abgedreht werden mußten, um die Riefenbildung an der Schleifringoberfläche
auszugleichen.
1
Nabe
2
,
2
',
2
" metallische Schleifringbasis (Ringform)
3
,
3
',
3
" Gleitschicht
3"1
3"1
, 3"2
, 3"3
4
,
4
' Überstand
5
Nut
6
Kleber
7
,
7
',
7
" Stoßstelle
8
Stoß
9
Schlitz
10
Schleifring
11
Schleifringkörper
12
Nabenisolation
α Winkel von
α Winkel von
8
β Winkel von
9
Claims (17)
1. Schleifring-Anordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in denen Bürsten aus
Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe (10, 10', 10") des Schleifringkörpers (11) elektrisch
leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringe (10, 10',
10") metallische Schleifringe (2, 2' und 2") üblicher Bauart als Schleifringbasis und eine
elektrisch leitende Gleitschicht (3, 3' und 3") aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, deren
Dicke maximal 11% des Radius des Schleifrings (10, 10', 10") beträgt und die elektrisch leitend
auf dem Umfang der metallischen Schleifringbasis (2, 2' und 2") durch Verklebung befestigt ist.
2. Schleifring-Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Werkstoff der Gleitschicht (3, 3' und 3") eine Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa aufweist.
3. Schleifring-Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3") aus einem isostatisch gepreßten Graphit-
Werkstoff besteht.
4. Schleifring-Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3") aus ringförmigen Segmenten besteht.
5. Schleifring-Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
Stoßstellen (7, 7' und 7") zwischen den Segmenten der Gleitschicht einen Winkel a von
maximal 75° zur Tangente aufweisen.
6. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 4 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente unterschiedliche Bogenlängen aufweisen, wobei die
Länge des längsten Segments mindestens 110% der Länge des zweitlängsten Segmentes beträgt.
7. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schleifringbasis (2, 2', 2") so ausgeführt ist, daß sie an mindestens einer
der Ränder ihrer äußeren Mantelfläche einen Überstand (4, 4') aufweist.
8. Schleifring-Anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
mindestens eine Überstand (4, 4') eine Breite zwischen 0,5 mm und 5 mm und eine Höhe
zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweist.
9. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht aus einem Ring besteht, der umlaufend mit
einem Winkel β zur Tangente geschlitzt ist.
10. Schleifring-Anordnung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Winkel β so bemessen ist, daß der Schlitz mindestens einmal über den vollen Umfang der
Gleitschicht verläuft.
11. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung von Gleitschicht (3, 3' und 3") und metallischer
Schleifringbasis (2, 2' und 2") mit einem temperaturbeständigen Klebstoff erfolgt, der eine feste
Verbindung der Gleitschicht (3, 3' und 3") mit der Schleifringbasis (2, 2' und 2") auch im
Betrieb der Schleifring-Anordnung ermöglicht.
12. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung von Gleitschicht (3, 3' und 3") und metallischer
Schleifringbasis (2, 2' und 2") mit einem Klebstoff erfolgt, dem ein Metallpulver zugesetzt ist.
13. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß als Bürsten Graphitbürsten verwendet werden.
14. Schleifring-Anordnung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, nicht alle Schleifringe (10, 10', 10") des Schleifringkörpers (11) eine
Gleitschicht aus einem Graphitwerkstoff aufweisen.
15. Schleifringkörper (11) gemäß der Schleifring-Anordnung der Patentansprüche 1 bis 14.
16. Verfahren zur Umrüstung von Schleifringkörpern in elektrischen Maschinen mit
metallischen Schleifringen, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kontaktschicht an der
äußeren Mantelfläche mindestens eines der vorhandenen metallischen Schleifringe
entsprechend der Dicke der aufzubringenden Gleitschicht abgetragen wird und daß
anschließend eine Gleitschicht (3, 3', 3") entsprechend einem oder mehreren der
Patentansprüche 1 bis 12 aufgebracht wird.
17. Verfahren zur Umrüstung von Schleifringkörper in elektrischen Maschinen mit
metallischen Schleifringen gemäß Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abtragen der metallischen Kontaktschicht bei mindestens einem der metallischen Schleifringe
so erfolgt, daß mindestens an einem Rand der äußeren Mantelfläche der verbleibenden
metallischen Schleifringbasis (2, 2' und 2") ein Überstand (4, 4'), bevorzugt gemäß
Patentanspruch 8 erhalten bleibt und daß eine Gleitschicht (3, 3', 3") entsprechend einem oder
mehreren Patentansprüche 1 bis 12 aufgebracht wird.
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