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Kraftfahrzeuggeneratoren
sind heutzutage als Drehstromgeneratoren realisiert. Die Erregung des
Generators erfolgt entweder ausschließlich über eine Elektromagnetspule
oder als sogenannte Hybriderregung, wobei hier eine Kombination
von permanentmagnetischer und elektrischer Erregung vorliegt. In
den heute üblichen
Anwendungen dreht sich diese Elektromagnetspule mit dem Läufer mit,
d. h. die elektrische Energie für
diese Spule wird mittels einer Schleifringbaugruppe übertragen.
Die Schleifringe dieser Schleifringbaugruppe sind aus Lebensdauergründen im
Durchmesser sehr klein dimensioniert. Zwischen dem Läufer und
den Schleifringen ist üblicherweise
noch ein Kugellager angeordnet. Eine derartige Anordnung erfordert
konstruktive Zugeständnisse,
da der Erregerstrom, welcher vom Regler des Generators bereitgestellt
wird, über
Stromschienen die isoliert in Nuten innerhalb der Wellen liegen
geführt
wird. Für
die beiden Schleifringe sind daher zwei Stromschienen vorgesehen,
die mit den Nuten in der Welle korrespondieren. Eine derartige Anordnung
ist beispielsweise aus dem europäischen
Patent
EP 444 044 B1 bekannt.
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An
sich ist die dort beschriebene Lösung
für die
Stromversorgung der Erregerspule des Generators sehr gut geeignet.
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Allerdings
konnte in jüngerer
Vergangenheit beobachtet werden, dass durch die Verwendung von Antriebsriemen
aus neuartigen Riemenwerkstoffen es in der elektrischen Maschine
zunächst
zur Ladungstrennung und schließlich
nach dem Überschreiten
eines bestimmten Spannungspotenzials es zu elektrostatischen Entladungen
kommen kann, die unerwünscht
sind.
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Vorteil der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass
durch die direkte Kontaktierung des minusseitigen Schleifrings an
der Welle der elektrischen Maschine ein Aufbau von elektrostatischer
Ladung weitestgehend vermieden werden kann und somit elektrostatische
Entladungen nicht mehr auftreten können. Des weiteren entfällt eine
Nut in der Welle, da zunächst
auf eine Stromschiene verzichtet werden kann. Der Bearbeitungsaufwand
in der Wellenfertigung sinkt, der Kugellagersitz zwischen den Schleifringen
und dem Läufer
ist verbessert, da der Kugellagersitz nur noch durch eine Nut unterbrochen ist.
Die Lebensdauer des Wälzlagers
wird dadurch unmittelbar erhöht.
Durch den Wegfall einer Stromschiene in der Schleifringbaugruppe
ergeben sich weitere Vorteile: so wird einerseits Material und auch Fertigungskosten
an der Schleifringbaugruppe eingespart, der Wellenzapfen kann im
Durchmesser vergrößert werden,
so dass der Bearbeitungsaufwand der Welle sinkt. Alternativ kann
auch der Schleifringdurchmesser weiter verkleinert werden, so dass
sich hierdurch wieder reduzierte Materialkosten und auch eine erhöhte Lebensdauer
des Kohleschleifringsystems ergeben.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Maschine nach
dem Hauptanspruch möglich.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
einer elektrischen Maschine bzw. des Schleifringsystems dieser elektrischen
Maschine dargestellt. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine elektrische Maschine mit einem Läufer,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schleifringbaugruppe,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Schleifringbaugruppe,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Schleifringbaugruppe,
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5 ein
viertes Beispiel einer Schleifringbaugruppe,
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5a eine
Trägerscheibe
in einer Seitenansicht,
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6 ein
fünftes
Beispiel einer Schleifringbaugruppe,
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6a ein
sechstes Beispiel einer Schleifringbaugruppe,
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7 ein
siebtes Beispiel einer Schleifringbaugruppe.
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Beschreibung
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In
der Darstellung der 1, die zum besseren Verständnis der
Erfindung dient, ist ein Klauenpolläufer 10 einer symbolisch
dargestellten elektrischen Maschine 13, nämlich eines
Drehstromgenerators für
Kraftfahrzeuge und dergleichen dargestellt. Auf einer Läuferwelle 16 ist
die elektrische Erregerwicklung 19 gelagert. Dieser Erregerwicklung 19 wird der
erforderliche Erregerstrom über
die beiden Schleifringe, nämlich
das Plusschleifelement 22 und das Minusschleifelement 24 zugeführt. Beidseitige Lüfterflügel sind
mit 26 und 27 bezeichnet. Das bürstenseitige,
d.h. B-seitige Wälzlager 29 ist
zwischen den Schleifringen 22 und 24 und den zur
Erregerwicklung 19 gerichteten Kontaktflächen 32 und 33 angeordnet.
Die Kontaktflächen 32 und 33 sind
jeweils die von den Schleifringen 22 bzw. 24 abgewandten
Enden der Verbindungsleiter zwischen der Erregerwicklung 19 und
den Schleifringen 22 bzw. 24. An diesen Kontaktflächen 32 bzw. 33 sind
die entsprechenden Enden der Erregerwicklung 19 befestigt.
Die Verbindungsleiter haben die Bezugszeilen 35 und 36 und
sind hier vorzugsweise als Stromschienen, d.h. als blechartige Leiter
ausgeführt.
Die Verbindungsleiter 35 bzw. 36 sind unter dem
Wälzlager 29 hindurchgeführt. Die
Kontaktflächen 32 und 33 sind
im Vergleich mit den Verbindungsleitern 35 bzw. 36 verbreiterte
Enden.
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In 2 ist
ausschnittweise ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schleifringbaugruppe 31 vergrößert dargestellt.
Das Plusschleifelement 22 ist in einem Kunststoffträger 50 aufgenommen
und gehalten. Vom Plusschleifelement 22 ausgehend ist im
Kunststoffträger 50 der Verbindungsleiter 35 zunächst in
axialer Richtung geführt.
Der Verbindungsleiter 35 ist bis zu einem Absatz 53 der
Läuferwelle 16 in
einem ringförmigen
Abschnitt 56 des Kunststoffträgers ringsum umgeben. Ab dem
Absatz 53 – hier
geht der ringförmige
Abschnitt 56 in einen einfachen tragenden Abschnitt 59 des
Kunststoffträgers 50 über – ist der
Verbindungsleiter 35 nur noch von dem im wesentlichen im
Querschnitt rechteckigen Kunststoffbereich des tragenden Abschnitts 59 umgeben.
Der Verbindungsleiter 35 hat im Wesentlichen L-Form, wobei
sich der eine Schenkel wie bereits erwähnt im wesentlichen in Achsrichtung
der Läuferwelle 16 erstreckt
und der andere Schenkel nach einer frei zu definierenden Länge nach
radial außen
aus dem Kunststoffträger 50 heraustritt.
Dort wo der Verbindungsleiter 35 aus dem Kunststoffträger 50 heraustritt,
geht dieser in die Kontaktfläche 32 über. Der
tragende Abschnitt 59 reicht im übrigen in einen sich axial
erstreckenden und nach radial außen offnen Nutschlitz 62.
Ein Teil des tragenden Abschnitts 59 dient mit seiner nach
radial außen
orientierten Oberfläche
als Auflage für
das in 2 dargestellte Wälzlager 29.
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Der
Kunststoffträger 50 sitzt
mit seinem ringförmigen
Abschnitt 56 auf einem im Durchmesser reduzierten Abschnitt
der Läuferwelle 16.
Dieser im Durchmesser reduzierte Wellenabschnitt ist hier als Wellenzapfen 65 bezeichnet.
Der Kunststoffträger 50 hat
an seiner vom tragenden Abschnitt 59 abgewandten Seite
eine im Wesentlichen axiale Stirnfläche 68. An diese axiale
Stirnfläche 68 schließt sich
ein Minusschleifelement 24 bzw. Minusschleifring an, der mittels
eines Presssitz auf den Wellenzapfen 65 aufgesetzt und
befestigt ist. Der Minusschleifring 24 weist hier den gleichen
Außendurchmesser
wie der Plusschleifring 22 auf. Der Innendurchmesser des Minusschleifrings 24 entspricht
im Wesentlichen dem Außendurchmesser
des Wellenzapfens 65.
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Es
ist somit eine elektrische Maschine 13 mit einer Schleifringbaugruppe 31 zur
Stromversorgung vorgesehen, wobei die Schleifringbaugruppe 31 sowohl
ein Plusschleifelement 22 als auch ein Minusschleifelement 24 hat,
wobei das Plusschleifelement 22 in einem Kunststoffträger 50 aufgenommen
und gehalten ist, welche auf einer Welle 16 der elektrischen
Maschine 13 gehalten ist. Es ist vorgesehen, dass das Minusschleifelement 24 die
Welle 16 direkt kontaktiert. Ein direktes Kontaktieren
bedeutet hier, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Minusschleifelement 24 und
der Welle 16 hergestellt ist, ohne den Läufer 10 elektrisch
zu verlassen. Auch eine elektrische Verbindung, die sich weiterer
elektrisch leitfähiger
Teile bedient soll hiervon umfasst sein.
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Es
ist vorgesehen, dass das Minusschleifelement 24 unmittelbar
einen Wellenzapfen 65 elektrisch leitfähig kontaktiert.
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Während der
Außendurchmesser
des Wellenzapfens 65 in 2 noch im
Wesentlichen der Ausführung
einer Schleifringbaugruppe 31 entspricht, deren beide Schleifringe 22 bzw. 24 mittels Verbindungsleitungen 35 bzw. 36 an
die Erregerwicklung 19 verbunden sind, ist in 3 der
Außendurchmesser
des Wellenzapfens 65 gegenüber dem Außendurchmesser der Läuferwelle 16 an
dem Ort, wo der Innenring des Wälzlagers 29 aufliegt,
weniger verringert, so dass die Bearbeitungskosten an dieser Stelle
ebenso verringert sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 2 ergibt
sich hiermit somit ein Minusschleifring 24 mit einem Innendurchmesser,
der gegenüber
dem Ausführungsbeispiel nach 2 vergrößert ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist zunächst
die Nut 62 so tief ausgeführt, dass diese auf gleichem
Niveau des Außendurchmessers
des Wellenzapfens 65 endet. Der Verbindungsleiter 35 ist nunmehr
auch weiter radial innen geführt,
sodass der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser des Plusschleifrings 22 gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
nach 2 verkleinert ist. Der Außendurchmesser des Minusschleifrings
ist entsprechend ebenso verkleinert.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 5 ist im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen
gemäß den 2, 3 und 4 die elektrische
und mechanische Anbindung des Minusschleifrings 24 geändert. Der
Kunststoffträger 50 nimmt
nunmehr nicht nur den Plusschleifring 22 auf, sondern auch
den Minusschleifring 24. Der Minusschleifring 24 stützt sich
auf seiner radialen Innenseite auf einer zusätzlichen Trägerscheibe 71 ab,
die die elektrische Verbindung zwischen Minusschleifring 24 und
Wellenzapfen 65 herstellt. Die Trägerscheibe 71 ist
dabei als in Axialrichtung durchströmbares Bauteil gestaltet.
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Die
Trägerscheibe 71 muss
deshalb axial durchströmbar
sein, damit während
der Herstellung des Kunststoffträgers 50 der
verflüssigte
oder pastose Kunststoff durch diese Trägerscheibe 71 hindurchtreten
können
muss, um einen Verbund zwischen den Kunststoffabschnittten links
von der Trägerscheibe 71 und
den Kunststoffabschnitten rechts von der Trägerscheibe 71 herzustellen.
Die Trägerscheibe 71 weist
einen ringförmigen,
sich in Radialrichtung erstreckenden Steg 74 auf, von dem
sich nach radial außen
und auch in axialer Richtung ein ringzylindrischer Abschnitt 76 erstreckt.
Auf der Außenfläche des
ringzylindrischen Abschnitts 76 sitzt mit seiner Innenfläche der
Minusschleifring 23 auf. Vom ringförmigen Steg 74 geht
zusätzlich
ein weiterer ringzylindrischer Abschnitt 79 aus, der den
elektrischen Kontakt zwischen der Läuferwelle 16 bzw.
deren Wellenzapfen 65 und dem Minusschleifring 24 herstellt.
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In 5a ist
eine Ansicht der Trägerscheibe 71 von
links dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die beiden ringzylindrischen
Abschnitte 76 und 70, sowie der gelochte Steg 74.
Diese Löcher 80 ermöglichen
den bereits erwähnten
Durchtritt des noch nicht erstarrten Kunststoffs des Kunststoffträgers 50.
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Gemäß den Ausführungen
zu 5 ist somit vorgesehen, dass das Minusschleifelement 24 mittelbar
einen Wellenzapfen 65 mittelbar elektrisch leitfähig kontaktiert.
Hierzu ist die Trägerscheibe 71 als Mittel
vorgesehen. Die Trägerscheibe 71 ist
somit als ein Scheibenelement eine direkte elektrische Verbindung
zwischen dem Minusschleifelement 24 und dem Wellenzapfen 65.
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Die
Schleifringbaugruppe 31 aus 5 lässt sich
dabei nach folgenden Verfahrensschritten herstellen:
- a) Herstellen einer Baugruppe aus dem Minusschleifelement 24 mit
der Trägerscheibe 71:
es ist dabei vorgesehen, dass die Trägerscheibe 71 mit dem
Minusschleifelement 24 stoffschlüssig verbunden wird. Hierzu
wird die Trägerscheibe 71 in den
Hohlraum des Minusschleifelements 24 eingeführt und
an einer bestimmten Position mit dem Minusschleifelement 24 von
dessen Innenseite her verbunden. Als Verbindungsverfahren kommen
beispielsweise ein Lötverfahren
oder auch ein Schweißverfahren
in Frage.
- b) Das Plusschleifelement 22 wird mit dem Verbindungsleiter 35 von
der Innenseite des Plusschleifelements 22 her elektrisch
leitfähig
verbunden. Auch hier kommen als Verbindungsverfahren stoffschlüssige Verfahren
wie Löten
oder Schweißen
in Frage.
- c) Einsetzen der Bauelementegruppe aus dem Minusschleifelement 24 mit
der Trägerscheibe 71 und
der Baugruppe aus Plusschleifelement 22 mit Verbindungsleiter 35 in
eine Spritzgussform.
- d) Einspritzen der den späteren
Kunststoffträger 50 ergebenden
noch nicht erstarrten Kunststoffmasse, die dabei durch die Löcher 80 der
Trägerscheibe 71 hindurchtritt.
- e) Entnehmen der erstarrten Schleifringbaugruppe 31.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Schleifringbaugruppe 31 dargestellt. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
das eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
aus 5 darstellt, ist vorgesehen, dass der Minusschleifring 24 von
radial innen durch eine Trägerscheibe 71 kontaktiert
wird. Diese Trägerscheibe 71 ist
einstückig
mit einem Bolzen 83 ausgeführt, der in ein Sackloch 86 der
Läuferwelle 16 eingesetzt
ist. Die elektrische Verbindung kommt dabei über die Trägerscheibe 71 und
den Bolzen 83 zustande, der elektrisch leitfähig in dem
Sackloch 86 eingesetzt ist.
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An
diesem Ausführungsbeispiel
kommen zwei verschiedenen Ausführungen
in Frage: In der ersten Variante wäre der Kunststoffträger 50 derart ausgeführt, dass
dieser zunächst
die beiden Schleifringe 22 und 24 trägt und hält und auch
den Verbindungsleiter 35 umfasst. Diese Baugruppe aus Kunststoffträger 50,
Schleifringen 22 und 24 sowie Verbindungsleiter 35 würde zunächst auf
die Welle 16 aufgeschoben, indem der tragende Abschnitt 59 in
die Nut 62 eingeschoben wird. Anschließend würde das einstückige Bauteil
aus Bolzen 83 mit Trägerscheibe 71 in
das Sackloch 86 eingeschoben. Dieses Bauteil würde sich
im Sackloch 86 selbst halten und den Minusschleifring 24 von
seiner Innenseite her kontaktieren. Über die Trägerscheibe 71 würde der
Kunststoffträger 50 in
seiner vorgesehenen Position gehalten werden.
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In
der zweiten Variante, s. a. 6a, würde auch
dieser Bolzen 83 mit Trägerscheibe 71 beim Herstellen
der Schleifringbaugruppe 31 und damit beim Umspritzen bzw.
Einspritzen des Kunststoffmaterials für den Kunststoffträger 50 umspritzt
werden. Dabei könnte
beispielsweise auch in diesem Ausführungsbeispiel die Trägerscheibe 71 wie
bereits beim Beispiel nach 5 gelocht
sein, damit das Kunststoffmaterial auch durch diese Trägerscheibe 71 hindurchströmen könnte. Dies
würde es
ermöglichen, dass
beiderseits der Trägerscheibe 71 Kunststoffmaterial
angeordnet sein könnte,
siehe beispielsweise 6a. Es ist somit vorgesehen,
dass das Scheibenelement 71 einen Bolzen 83 hat,
der als Mittel zur Befestigung des Scheibenelements 71 an
der Welle 16 dient.
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Prinzipiell
kann bei allen Varianten (eingeschränkt bei 5) der Außendurchmesser
des Minusschleifelements 24 kleiner als der Außendurchmesser
des Plusschleifelements 22 ausgeführt sein.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 7 ist vorgesehen, dass in Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach 2 in der Welle 16 eine zweite Nut 62 eingearbeitet
ist, in der ein weiterer tragender Abschnitt 59 eingepasst
sein kann. In diesen weiteren kragenden Abschnitt 59 soll
gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ein Verbindungsleiter 36 eingearbeitet sein, der wie der
andere Verbindungsleiter 35 beim Herstellen des Kunststoffträgers 50 umspritzt worden
ist. Allerdings ist hier vorgesehen, dass der Verbindungsleiter 36 nicht
nur eine Kontaktfläche 33 aufweist,
sondern auch ein davon abgewandtes nach axial innen gerichtetes
Ende 90, das derartig ausgestaltet ist, dass dieses mit
dem Aufschieben der Schleifringbaugruppe 31 die Welle 16 elektrisch
leitfähig
kontaktiert. Eine derartige Gestaltung hat den Vorteil, dass hinsichtlich
der Kontaktierung der Erregerspule 19 wie bisher deren
Enden 99 an den Kontaktflächen 32 und 33 elektrisch
kontaktiert werden kann.
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Es
ist demzufolge vorgesehen, dass in den Kunststoffträger 50 ein
Verbindungsleiter 36 eingebettet ist, der einerseits eine
Kontaktfläche 33 aufweist,
an der ein Ende 99 einer Erregerspule 19 befestigt
ist und andererseits derart in den Kunststoffträger eingebettet ist, dass ein
von der Erregerspule 19 abgewandtes Ende der Verbindungsleiters 36 mit der
Welle 16 elektrisch leitfähig kontaktiert.
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Ein
besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist in diesem Zusammenhang eine Kombination des Ausführungsbeispiels
gemäß 5 mit
dem zweiten kragenden Abschnitt 59, in dem der Verbindungsleiter 36 eingearbeitet
ist, der nicht nur die Kontaktfläche 33 aufweist
sondern eben auch das Ende 90, das mit der Welle 16 kontaktiert.