DE10113673A1

DE10113673A1 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10113673A1
Application number: DE10113673A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine mit einer Kontaktierungseinrichtung, über deren Umfang wenigstens ein Schleifkontakt angeordnet ist, der mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt steht (Schleifsystem), wobei der wenigstens eine Schleifkontakt aus einem verschleißfesten Material besteht. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine Innenkühlung umfasst, bei der als Kühlmedium ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch die zu kühlenden Komponenten inklusive dem Schleifsystem umströmt und der wenigstens eine Schleifkontakt aus einer Legierung mit wenigstens einem sauerstoffaffinen Legierungsbestandteil besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine mit einer Innenkühlung nach den im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, bei rotierenden elektrischen Maschi nen zum elektrischen Anschließen von in einem rotie renden Anker angeordneten Spulen Kontaktierungsein richtungen einzusetzen. Diese Kontaktierungseinrich tungen weisen Schleifkontakte auf, die mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt stehen. Die Bürsten, die in der Regel auf Basis von Graphit werkstoffen hergestellt werden, sind mit einer Feder kraft beaufschlagt, die die Bürsten gegen die rotie rende Kontaktierungseinrichtung drückt. Die Kontak tierungseinrichtung rotiert dabei beispielsweise mit einer Drehzahl von zirka 3000 bis 8000 U/min. Während eines Betriebes der elektrischen Maschine kommt es zu einem Verschleiß sowohl der Schleifkontakte als auch der Bürsten. Um den aufgrund der tribologischen Ver hältnisse auftretenden Verschleiß zu minimieren, ist es bekannt, den für die Bürsten verwendeten Graphit werkstoffen neben den vorhandenen Metallanteilen Festschmierstoffe, Bindemittel und/oder Putzmittel zuzusetzen.

Zur Kühlung rotierender elektrischer Maschinen sind einerseits Systeme bekannt, bei denen ein Luftstrom über die zu kühlenden Komponenten geleitet wird, und andererseits sind Lösungen bekannt, in denen ein flüssiges Kühlmedium an die zu kühlenden Komponenten herangeführt wird. Ist aus Gründen des Schallschutzes oder um die Komponenten der elektrischen Maschine vor Umwelteinflüssen zu schützen ein hermetisch geschlos senes Gehäuse vorhanden, so kann ein Wärmefluss vom Inneren des Gehäuses lediglich durch die Wandungen desselben erfolgen. Derartige Innenkühlungen sind bisher lediglich unter Einsatz eines Gases als Kühl medium realisiert worden. Nachteilig hieran ist die nur geringe Wärmeleitfähigkeit des Kühlmediums, so dass nur eine unzureichende Wärmeableitung gewährt werden kann. Ein Einsatz eines flüssigen Kühlmediums würde zu einem unerwünschten Anstieg der Scher beanspruchungen im Bereich rotierender Komponenten führen, so dass eine solche Lösung lediglich für elektrische Maschinen mit niedrigen Drehzahlen sinn voll ist. Darüber hinaus bestehen bei Verwendung von flüssigen Kühlmitteln zusätzliche tribologische Bean spruchungen im Bereich der Schleifkontakte. Dadurch, dass die Schleifkontakte mit dem Kühlmittel benetzt sind beziehungsweise bedeckt sind, wird ein Sauer stoffzutritt verhindert. Damit wird eine oxidische Schutzschicht, die die Schleifkontakte der Kontaktie rungseinrichtung bedeckt, schneller abgetragen und insgesamt eine Lebenszeit des Schleifsystems ver ringert.

Vorteile der Erfindung

Mit einer rotierenden elektrischen Maschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen ist es demgegenüber möglich, durch Verwendung eines speziellen Kühl mediums die Reibungsverluste innerhalb der elektri schen Maschine gering zu halten und dabei trotzdem einen Verschleiß im Bereich des Schleifsystems zu minimieren. Dadurch, dass die elektrische Maschine eine Innenkühlung umfasst, bei der als Kühlmedium ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch die zu kühlenden Komponenten inklusive dem Schleifsystem umströmt und die Schleif kontakte aus einer Legierung mit wenigstens einem sauerstoffaffinen Legierungsbestandteil bestehen, kann ein Abrieb an den Schleifkontakten der Kontak tierungseinrichtung infolge der tribologischen Ver hältnisse während des Schleifkontaktes der Bürsten mit den Schleifkontakten verringert werden und gleichzeitig eine sehr effektive Kühlung der Kom ponenten erfolgen.

Die Verwendung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches als Kühlmedium, vorzugsweise einem Öl, führt bei Be triebsaufnahme der elektrischen Maschine zur Bildung eines Aerosols. Das Aerosol besitzt eine größere Wärmeleitfähigkeit als ein Gas, hat aber mit Hinsicht auf Reibungsverluste eine günstigere Viskosität als eine Kühlflüssigkeit. Je nach Applikation beträgt ein Flüssigkeitsanteil am Flüssigkeits-Gas-Gemisch 1 bis 30%. Dieser Anteil und eine Auswahl der Flüssigkeit können den jeweils vorliegenden Applikationsbedürf nissen angepasst werden. Trotz der Aerosolbildung kommt es zu einer Benetzung aller Oberflächen der im Innenraum des Gehäuses angeordneten Komponenten der elektrischen Maschine. Da dies auch den Bereich des Schleifsystems umfasst, insbesondere die Schleif kontakte der Kontaktierungseinrichtung, muss die auf gezeigte Materialauswahl einen vorzeitigen Verschleiß verhindern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schleifkontakte derart ausgelegt, dass ein Haupt bestandteil der Legierung Kupfer ist und der sauer stoffaffine Legierungsanteil ein unedleres Metall und/oder ein Halbmetall ist. Daraus wird deutlich, dass die Auswahl möglicher Legierung nicht auf binäre oder tertiäre Systeme beschränkt ist, sondern eine beliebige Kombination der entsprechenden Legierungs bestandteile zulässt. Die sauerstoffaffinen Legie rungsbestandteile werden dabei vorzugsweise in einem Gewichtsanteil von zirka 0,05 bis 3%, insbesondere 0,3 bis 0,9%, zugesetzt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das unedlere Metall als ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Magnesium, Zirkonium, Titan, Hafnium, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Eisen auszuwählen. Als besonders bevorzugte Halbmetalle kann ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Tellur, Silizium und Bor gewählt werden. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Legierung Begleitelemente, wie Sauerstoff und/oder Phosphor, im Promille- oder ppm- Bereich besitzt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die einen Klauenpolgenerator zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die einzige Figur zeigt eine Schnittansicht durch einen Klauenpolgenerator 10, wie er Anwendung im Kraftfahrzeugbau findet. Der Klauenpolgenerator 10 weist eine feststehende Erregerwicklung 12 und eine Ständerwicklung 16 auf, die im Inneren eines Genera torgehäuses 18 untergebracht sind. Funktionsweise und Aufbau derartiger Klauenpolgeneratoren 10 sind all gemein bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.

A-seitig ist ein Schleifsystem 20 in das Generator gehäuse 18 integriert. Das Schleifsystem 20 besteht aus einem Schleifkontaktträger 22, an dessen Umfang als Schleifringe 24 ausgebildete Schleifkontakte angeordnet sind. Die Schleifringe 24 werden während des Betriebes der elektrischen Maschinen mit einer Bürstenanordnung 26 in Schleifkontakt gebracht. Die Bürstenanordnung 26 besteht aus einem Bürstenhalter 28 und den Schleifringen 24 zugewandten Bürsten 30. Über den Bürstenhalter 28 werden die Bürsten 30 beispielsweise mit Hilfe eines hier nicht dar gestellten Federelementes mit einer Federkraft be aufschlagt, die die Bürsten 30 gegen die rotierenden Schleifringe 24 drückt.

In das Generatorgehäuse 18, das hermetisch ver schlossen ist, ist ferner eine Innenkühlung 32 integriert. Die Innenkühlung 32 erstreckt sich über den gesamten freien Innenraum des Gehäuses 18, also den Raum, der nicht durch die im Inneren des Gehäuses 18 angeordneten Komponenten der elektrischen Maschine eingenommen wird. Als Kühlmedium ist dem Innenraum ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch zugesetzt, wobei sich als flüssige Bestandteile insbesondere Öle eignen. Ein Füllgrad sowie die Auswahl der Flüssigkeit kann von der jeweiligen Applikation abhängig gemacht werden, also beispielsweise, indem ein präsumtiver Drehzahlbereich der elektrischen Maschine oder eine Viskosität der Flüssigkeit berücksichtigt werden. Mit Inbetriebnahme der elektrischen Maschine bildet sich durch die Bewegung der rotierenden Teile innerhalb des Gehäuses 18 ein Aerosol. Das Aerosol besitzt eine größere Wärmeleitfähigkeit als ein Gas und ermöglicht damit eine bessere Wärmeabführung aus dem Inneren über die Wandungen 34 des Gehäuses 18.

Da auch das Schleifsystem 20, insbesondere der Be reich der Schleifringe 24 und Bürsten 30, von dem Kühlmedium bedeckt werden und damit ein Sauerstoff zutritt zumindest stark behindert wird, ist es not wendig, das Schleifsystem 20 entsprechend anzupassen. Diesen besonderen Anforderungen kann dadurch Rechnung getragen werden, dass die Schleifringe 24 auf Basis einer Legierung mit wenigstens einem sauerstoff affinen Legierungsbestandteil realisiert werden. Ein Hauptbestandteil der Legierung ist Kupfer, während der sauerstoffaffine Legierungsbestandteil ein un edleres Metall und/oder ein Halbmetall ist.

Durch die Wahl vorgenannter Legierungsbestandteile konnte ein Verschleiß der die Schleifringe 24 schützenden Oxidschicht verringert werden, so dass sich insgesamt eine höhere Lebensdauer ergibt.

Eine Auswahl der sauerstoffaffinen Legierungsbestand teile kann den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Dabei können insbesondere tribologisch be dingte Werkstoffveränderungen, wie Pseudolegierungs bildung, Überstrukturen, Mischoxidfilme und Ähnli ches, vorteilhaft genutzt werden, um den Gesamt verschleiß weiter zu reduzieren. Die Wahl der Le gierung ist zudem nicht auf binäre oder tertiäre Systeme beschränkt, das heißt, es kann eine beliebige Anzahl von sauerstoffaffinen Legierungsbestandteilen dem Hauptbestandteil Kupfer zugesetzt werden. In Frage kommen dabei insbesondere Metalle wie Magne sium, Zirkonium, Titan, Hafnium, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Eisen sowie Halbmetalle wie Tellur, Silizium und Bor. Gegebenenfalls hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Begleitelemente wie Sauerstoff und/oder Phosphor im Promille- oder ppm-Bereich bei zumengen. Ein Gewichtsanteil der sauerstoffaffinen Legierungsbestandteile an der Legierung sollte dabei im Bereich zwischen 0,05 bis 3%, insbesondere 0,3 bis 0,9%, liegen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das darge stellte Ausführungsbeispiel. So kann die Kontaktie rungseinrichtung auch einen Kommutator umfassen, der als Lamellen ausgebildete Schleifkontakte aufweist.

Claims

1. Rotierende elektrische Maschine mit einer Kon taktierungseinrichtung, über deren Umfang wenigstens ein Schleifkontakt angeordnet ist, der mit einer Bürstenanordnung in Schleifkontakt steht (Schleif system), wobei der wenigstens eine Schleifkontakt aus einem verschleißfesten Material besteht, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Innenkühlung umfasst, bei der als Kühlmedium ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch die zu kühlenden Komponenten inklusive dem Schleifsystem umströmt und der we nigstens eine Schleifkontakt aus einer Legierung mit wenigstens einem sauerstoffaffinen Legierungsbestand teil besteht.

2. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptbestandteil der Legierung Kupfer ist und der sauerstoffaffine Legie rungsbestandteil ein unedleres Metall und/oder ein Halbmetall ist.

3. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unedlere Metall ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Magnesium, Zirkonium, Titan, Hafnium, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Eisen ist.

4. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbmetall ein Ele ment oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Tellur, Silizium und Bor ist.

5. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewichtsanteil der sauerstoffaffinen Le gierungsbestandteile an der Legierung im Bereich zwischen 0,05 bis 3,0%, insbesondere 0,3 bis 0,9%, beträgt.

6. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Begleitelemente wie Sauerstoff und/oder Phosphor im Promille- oder ppm-Bereich be sitzt.

7. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Öl ist.