DE102005045959A1

DE102005045959A1 - Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall und Anwendung einer solchen elektrisch leitenden Verbindung

Info

Publication number: DE102005045959A1
Application number: DE200510045959
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Lauer; Norman Perner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-19
Also published as: WO2007036436A1; EP1929593A1

Abstract

Bei der Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall ist zwischen einem stationären Teil (4) und einem rotierenden Teil (6) ein Spalt (8) gebildet, der einen Flüssigmetalltropfen (10) enthält. Der Tropfen (10) ist insbesondere durch einen Tropfenhalter (12) gehalten, um ein Auseinanderlaufen des Tropfens (10) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der das Flüssigmetall enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin die Anwendung einer solchen elektrisch leitenden Verbindung bei einem Elektromotor und bei der Gantry eines Computertomographen.
Elektrische Leistung auf rotierende Maschinenteile zu übertragen oder von ihnen abzuführen, setzt geeignete Stromverbindungen voraus. Elektrische Leistungsübertragung bei schnell rotierenden Maschinenteilen ist z.B. die Stromversorgung des Rotors eines Elektromotors oder einer Wellenerdung. Oftmals müssen auch elektrische Signale aus einem rotierenden Maschinenteil abgeführt werden, wie z.B. Datenübertragung aus einer drehenden Gantry zum stationären Basissystem eines Computertomographen.
Eine Möglichkeit, um solche Stromverbindungen zu realisieren, bieten Schleifringe mit Kohle-, Silber- oder Goldbürsten. Dies führt allerdings zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Kontaktbereich gelangen und damit die Stromübertragung stören können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist ein regelmäßiger Bürstenwechsel erforderlich.

Eine alternative Möglichkeit für Übertragung elektrischer Leistung stellen elektrisch leitende Verbindungen über Flüssigmetalle dar. Aus der DE 103 60 548 A1 geht eine Schleifringanordnung für eine elektrische Maschine hervor, bei der im Spalt zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil eine Flüssigmetalllegierung eingebracht ist, die den elektrischen Kontakt zwischen den zwei Teilen herstellt. Hierbei wird die Flüssigmetalllegierung durch die Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den zwei Teilen gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und effektive elektrisch leitende Verbindung über Flüssigmetall anzugeben. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anwendung einer solchen elektrisch leitende Verbindung anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der das Flüssigmetall enthält, wobei das Flüssigmetall nach Art eines Tropfens ausgebildet ist.

Der wesentliche Vorteil dieser Vorrichtung ist darin zu sehen, dass eine sichere elektrische Verbindung zwischen zwei zueinander bewegenden Teilen bei minimierten Flüssigmetallmenge gewährleistet ist. Im Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen, bei denen ein umlaufender Ring aus Flüssigmetall um einen rotierenden Teil der elektrischen Maschine vorhanden ist, ist hierbei eine minimale Menge an Flüssigmetall vorgesehen, die die Form eines Tropfens annimmt und eine sehr kostengünstige Realisierung der Verbindung ermöglicht. Der Kontakt zwischen den beiden Teilen über das Flüssigmetall erfolgt daher nur in einem oder wenigen begrenzten, insbesondere im Wesentlichen punktförmigen Teilbereichen. Unter tropfenartig wird hier allgemein verstanden, dass das Flüssigmetall durch seine Oberflächenspannung und seine Kohäsionskräfte zusammengehalten wird. Außerdem fallen aufgrund der Verschleißfreiheit dieser Flüssigmetallverbindung keine Wartungskosten an.

Weiterhin weist diese Vorrichtung im Vergleich zu den herkömmlichen Flüssigmetallverbindungen eine kompaktere Bauweise auf, die auch bei großen Durchmessern der Wellen elektrischer Maschinen kostengünstig anwendbar ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass sie eine große Flexibilität für ein modulares System aus Standartkomponenten für unterschiedlichen Anwendungsfälle aufweist. Eine herkömmliche elektrischen Maschine kann durch das Einbringen von wenigen Hilfsmitteln, wie z.B. einem Tropfen Flüssigmetall, und einfache Anpassungen ihrer Konstruktion für die Stromübertragung über den Tropfen aus Flüssigmetall ausgelegt werden. Es können auch zwei oder mehrere Tropfen im Spalt vorgesehen sein, die sich auf Abstand voneinander befinden.

Besonders geeignet ist die Verwendung einer solchen Vorrichtung für die Stromversorgung eines Rotors eines Elektromotors oder für die elektrische Anbindung einer rotierenden Gantry eines Computertomographen. Die elektrische Verbindung dient hierbei insbesondere sowohl zur elektrischen Versorgung der in der Gantry installierten Komponenten als auch für die Datenübertragung aus der Gantry. Der Tropfen kann dabei fixiert werden, so dass das rotierende Teil an ihm gleitet, oder alternativ kann der Tropfen mit dem rotierenden Teil mitrotieren. Voraussetzung für beide Ausgestaltungen ist, allerdings, das die Kontaktbereiche beider Teilen mit dem Flüssigmetalltropfen derart ausgestaltet sind, dass sie elektrische Ströme übertragen können.

Vorzugsweise ist der Tropfen auf einem Tropfenhalter fixiert, welcher in der Lage ist, elektrische Ströme zu übertragen. Ein fixierter Tropfen hat gegenüber einem rotierenden Tropfen den Vorteil, dass durch einfache technische Mittel zum Fixieren des Tropfens eine besonders stabile und sichere Verbindung hergestellt wird und ein "Auseinanderlaufen" des Tropfens sicher vermieden ist.

Der Tropfen kann beispielweise durch eine geeignete Geometrie des Tropfenhalters am Tropfenhalter gehalten werden. So weist der Tropfenhalter bevorzugt eine Vertiefung zum Einlegen des Tropfens auf. Bei dieser Ausgestaltung spielen zwei Faktoren eine sehr wichtige Rolle zur Aufrechterhaltung des Tropfens und somit der elektrisch leitenden Verbindung. Der erste Faktor ist die räumliche Begrenzung des Tropfens durch die Wände der Vertiefung – sie umgeben ihn und verhindern, dass er bei der Bewegung des komplementären Teils der Maschine mitgerissen wird. Der zweite Faktor ist die Oberflächenspannung des Tropfens, durch deren Einfluss der Tropfen bestrebt ist, den Tropfen zusammenzuhalten und eine Kugelform zu erlangen. Eine große Oberflächenspannung des Tropfens ist dementsprechend von großem Vorteil.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tropfen durch Adhäsionskräfte fixierbar. Dies bedeutet, dass die Oberflächen der zwei Teile der elektrischen Maschine, mit denen der Tropfen in Kontakt kommt, unterschiedlich benetzt sind, was dazu führt, das der Tropfen an einer der Oberflächen besser haftet als an der anderen. Die unterschiedliche Benetzung wird zumindest unterstützt durch die unterschiedliche Ausbildung der Oberflächen des Tropfenhalters im Bereich der Vertiefung und der des rotierenden Teils. Ein Maß für die Adhäsionskräfte stellt der Kontaktwinkel dar – der Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffes zu dieser Oberfläche bildet. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche ab. Je größer diese Wechselwirkung ist, desto kleiner wird der Kontaktwinkel. Ein kleiner Kontaktwinkel bedeutet, dass der Flüssigkeitstropfen gut an der Feststoffoberfläche haftet. Im Falle von einem fixierten Tropfen ist der Kontaktwinkel zwischen dem Tropfen und dem feststehenden Teil oder dem Tropfenhalter, falls einer vorgesehen ist, kleiner 90°, insbesondere kleiner 60°. Gleichzeitig ist der Kontaktwinkel zwischen dem Tropfen und dem anderen Teil der Maschine größer 90°.

Alternativ oder in Kombination mit den Adhäsionskräften ist der Tropfen durch Magnetfelder oder elektrische Felder fixierbar. Dabei werden die magnetischen oder dielektrischen Eigenschaften des Flüssigmetalls ausgenutzt, um den Tropfen im Spalt zwischen den zwei Teilen der elektrischen Maschine in wirksamer Weise zu fixieren und zu formen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist seitlich neben dem Tropfen ein Fluidkanal mit einer in den Spalt mündenden Austrittsöffnung zum Einstellen eines Fluidkissens vorgesehen. Insbesondere ist der Fluidkanal ringförmig ausgebildet und umgibt den Tropfenhalter oder die Stelle, an der der Tropfen zur Oberfläche des einen Teils fixiert ist. Aus der Austrittsöffnung des Fluidkanals strömt kontinuierlich ein Fluid aus, welches den Tropfen in sich einschließt und Flüssigmetall, welches an der Oberfläche des komplementären Teils eventuell anhaftet, wirksam verdrängt. Ausreichend wäre es auch, wenn das Fluidkissen auf nur einer Seite des Tropfens gebildet wird, jedoch so positioniert, dass eine Bewegung des Tropfens, verursacht durch die Bewegung des komplementären Teils der elektrischen Maschine, verhindert wird.

Vorteilhafterweise ist für die Ausbildung des Fluidkissens ein Schutzgas vorgesehen. Somit wird ein geeigneter Schutz des Flüssigmetalltropfens gegen Oxidation oder andere chemische Veränderungen gewährleistet. Als Schutzgas kann Stickstoff oder ein anderes Inertgas, welches keinen Sauerstoff enthält, verwendet werden. Das Schutzgas wird permanent aus der Austrittsöffnung ausgeblasen und entweicht dann in den Spalt. Im Falle von einem ringförmigen Fluidkanal spielt das Fluidkissen aus Schutzgas auch die Rolle einer Abdichtung.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist ein federndes oder elastisches Element vorgesehen, das insbesondere auf den Tropfenhalter einwirkt und somit auf den Tropfen eine Anpresskraft ausübt, so dass dieser mit einer vorbestimmten Kraft gegen beispielsweise den rotierenden Teil gepresst wird. Hierdurch ist ein sicherer und dauerhafter Kontakt mit geringem Kontaktwiderstand gewährleistet. Weiterhin von Vorteil ist, dass der Tropfen von der Umgebungsatmosphäre abgedichtet ist. Eine Abdichtung dichtet gegen atmosphärische Einflüsse, damit keine unerwünschte chemische Umwandlungen des Flüssigmetalltropfen stattfinden, und schützt gleichzeitig auch gegen Eindringen von Fremdkörper, so dass eine Wartungsfreiheit gewährleistet ist. Wenn eine Abdichtung vorgesehen ist kann auf ein Schutzgas verzichtet werden.

Die Abdichtung des Flüssigmetalltropfens gegenüber der Atmosphäre geschieht in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung auf Basis von einem Ferrofluid oder einer anderen magnetisch leitenden Flüssigkeit. Zur Abdichtung eignen sich aber auch mechanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen, Radialwellendichtungen oder Labyrinthdichtungen.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung umfasst eine Heizung im Bereich dieser Verbindung. Dank der Heizung wir verhindert, dass die Erstarrungstemperatur des Flüssigmetalls bei dem vorhandenen Druck erreicht wird.

Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalle haben sich Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn herausgestellt.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektromotor oder einen Computertomographen, der eine solche elektrisch leitenden Verbindung aufweist. Die in den vorhergehenden Ansprüchen angegebenen Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf den Elektromotor oder den Computertomographen zu übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei:
1 eine radiale Anordnung einer Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung,
2 eine axiale Anordnung einer Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung,
3 einen Tropfenhalter mit einer Vertiefung zum Einlegen eines Tropfens,
4 einen Tropfenhalter mit einem integrierten Magnet,
5 einen Tropfenhalter mit einem Fluidkanal, und
6 eine abgedichtete Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer radialen Anordnung eine Vorrichtung 2 zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten, stationären Teil 4 und einem zweiten rotierenden Teil 6 einer elektrischen Maschine, welche Teile 4, 6 einen Spalt 8 bilden. Dieser ist in der Zeichnung stark überzeichnet dargestellt. Die Lagerung des rotierenden Teils 6 erfolgt ausschließlich über das Flüssigmetall und es sind keine weiteren mechanischen Lager vorgesehen. Die Übertragung der elektrischen Leistung erfolgt über einen Flüssigmetalltropfen 10, der sich im Spalt 8 befindet. Der Tropfen 10 berührt die Umfangsseite des rotierenden Teils 6. Der Flüssigmetalltropfen 10 ist auf einem Tropfenhalter 12 fixiert, der in dem Spalt 8 positioniert ist und mit dem stationären Teil 4 über eine Leitung 14 verbunden ist, so dass er als Bauelement des stationären Teils 4 angesehen werden kann. Der Tropfenhalter 12 kann auch aus der dem rotierenden Teil 6 zugewandte Seite des stationären Teils 4 herausragen oder mit ihr wandbündig ausgestaltet sein. Durch den Tropfenhalter 12 in dieser Ausführungsform wird die Breite des Spaltes 8 reduziert so dass ein kleinerer Tropfen 10 verwendet wird. Die Leitung 14 ist in diesem Fall aus Metall und nach Art einer Feder ausgebildet, die eine flexible Anpassung des Abstandes zwischen dem Tropfenhalter 12 und dem rotierenden Teil 6 gewährleistet. Die Leitung 14, der Tropfenhalter 12 sowie beide Teile 4, 6 bestehen aus Materialien, die in der Lage sind elektrische Ströme zu leiten. Somit wird die elektrisch leitenden Verbindung hergestellt. Alternativ zu der Ausbildung der Leitung 14 als federndes Element ist ein separates, von der Leitung 14 getrennt federndes oder elastisches Element vorgesehen, das auf den Tropfen 10 eine vorbestimmte Anpresskraft auf den rotierenden Teil 6 ausübt, so dass jederzeit ein sicherer Kontakt gewährleistet ist.
Eine Vorrichtung 2 zur elektrisch leitenden Verbindung in einer axialen Anordnung wird ist in 2 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführung gemäß 1 erfolgt der Kontakt zwischen dem Flüssigmetalltropfen 10 und dem rotierenden Teil 6 auf der Stirnseite des rotierenden Teils 6. Die zwei Teile 4 und 6, die Leitung 14, der Tropfenhalter 12, sowie der Tropfen 10 sind aus Materialien ausgebildet, die eine Übertragung von elektrischer Leistung oder elektrischen Signalen ermöglichen.
Eine mögliche Ausbildung des Tropfenhalters 12, die eine sichere Fixierung des Tropfens 10 auf dem Tropfenhalter 12 garantiert, ist schematisch in 3 gezeigt. Der Tropfenhalter 12 weist eine Vertiefung 16 auf, in der der Tropfen 10 eingelegt ist. Der Tropfenhalter 12 umringt somit den Tropfen 10 in etwa ringförmig und verhindert, dass er von dem rotierenden Teil 6 mitgerissen wird. Der Tropfen 10 weist weiterhin eine große Oberflächenspannung und hohe Viskosität auf, die die Moleküle des Tropfens 10 zusammenhalten. Die durch die Oberflächenspannung üblicherweise gebildete Kugelform des Tropfens wird durch Geometrie der Vertiefung 16 und ergänzend durch die Oberflächeneigenschaften des Tropfenhalters 12 im Bereich der Vertiefung 16 verformt. Die Oberfläche des Tropfenhalters 12 ist derart ausgebildet, dass der Flüssigmetall tropfen 10 an ihr gut haftet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Tropfens 10 im Bereich der Kontaktstelle mit dem rotierenden Teil 6 schließt der Tropfen 10 einen Kontaktwinkel α größer 90° zu der Oberfläche des rotierenden Teils 6 ein.
Eine weitere Möglichkeit für die Fixierung des Tropfens 10 auf dem Tropfenhalter 12 ist aus 4 zu entnehmen. Hierbei werden die magnetischen Eigenschaften des Flüssigmetalls ausgenutzt. Für diesen Zweck wird ein Magnet 18 im Tropfenhalter 12 integriert. Dieser Magnet 18 kann nach Art eines Elektromagnetes oder Permanentmagnetes ausgebildet sein.
Eine dritte Möglichkeit den Tropfen 10 auf dem Tropfenhalter 12 zu fixieren ist in 5 dargestellt. Der Tropfenhalter 12 weist einen Fluidkanal 20 mit einer in den Spalt 8 mündenden ringförmige Austrittsöffnung 22 auf. Ein Schutzgas S, welches kein Sauerstoff enthält, um eine Oxidation des Flüssigmetalltropfens zu verhindern, z.B. N₂, strömt aus der Austrittsöffnung 22 aus und entweicht in den Spalt 8. Das ausströmende Schutzgas S bildet eine ringförmiges Fluidkissen 24 um den Tropfen 10 herum und verhindert somit, dass der Tropfen 10 von dem rotierenden Teil 6 mitgerissen wird. Gleichzeitig dichtet das herausströmende Schutzgas S den Tropfen 10 von der Umgebung und verhindert das Eindringen von Partikeln, die die Verbindung über den Tropfen 10 stören könnten.
Ein anderer Weg zum Abdichten des Tropfens 10 ist in 6 gezeigt. Das stationäre Teil 4 weist ein U-förmiges Profil auf, welches das umlaufende Teil 6 umgibt, so dass zwischen den beiden Teilen 4, 6 ein etwa U-förmiger Raum 26 gebildet ist. Um des rotierende Teil 6 ist eine Abdichtung 28 angebracht und dichtet den U-förmigen Raum 26 gegen die Atmosphäre ab. Wichtig ist, das kein Kontakt zwischen der Atmosphäre und dem Tropfen 10 vorhanden ist. Der abgedichtete Raum 26 enthält den axial angeordnete Tropfenhalter 12 mit Flüssigmetalltropfen 10. Die Abdichtung 28 ist auf Basis von einem Ferrofluid verwirklicht. Im Raum 26 befindet sich ein Gas oder eine Flüssigkeit, welche chemisch nicht mit dem Flüssigmetalltropfen reagieren, oder ein Vakuum.

Claims

Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen (4, 6) einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen (4, 6) ein Spalt (8) gebildet ist, der das Flüssigmetall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall nach Art eines Tropfens (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) auf einem Tropfenhalter (12) fixiert ist, welcher in der Lage ist elektrischen Strom zu übertragen.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenhalter (12) eine Vertiefung (16) zum Einlegen des Tropfens (10) aufweist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) durch Adhäsionskräfte fixierbar ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) durch Magnetfelder oder elektrische Felder fixierbar ist.
Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben dem Tropfen (10) ein Fluidkanal (20) mit einer in den Spalt (8) mündenden Austrittsöffnung (22) zum Einstellen eines Fluidkissens (24) vorgehen ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung des Fluidkissens (24) ein Schutzgas (S) vorgesehen ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein federndes Element (14) eine Anpresskraft auf den Tropfen (10) ausgeübt wird.
Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) von der Umgebungsatmosphäre abgedichtet ist.
Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (28) aus einem Ferrofluid besteht.
Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verbindung eine Heizung vorgesehen ist.
Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigmetall Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen sind.
Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bei einem Elektromotor.
Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bei der Gantry eines Computertomographen.