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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
Klauenpolgenerator, mit einem Stator und einem Rotor, wobei die
Maschine zu motorischen oder generatorischen Zwecken dienen kann.
Der Rotor trägt
zumindest eine Erregerspule, die mittels einer Schleifringanordnung
mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung
zumindest einen Schleifring und einen auf den Schleifring gleitfähig angeordneten
Gleitkontakt aufweist. Der Gleitkontakt ist eine sogenannte Bürste und
besteht aus einem Pressmaterial, welches üblicherweise Elektrographit
ist. Maschinen dieser Bauart werden seit vielen Jahren weltweit
verwendet.
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Nachteilig
ist bei derartigen Maschinen, dass die Schleifringanordnung aus
der Kombination einer Bürste
aus Elektrographit und einem Schleifring aus Kupfer den gestiegenen
Lebensdaueranforderungen, insbesondere Nutzkraftfahrzeugbereich,
nicht mehr gewachsen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor zumindest
einen Erregerspule trägt,
die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist,
wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring und einen
auf dem Schleifring gleitfähig angeordneten
Gleitkontakt aufweist und der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste ist,
die aus dem Pressmaterial Elektrographit besteht, ist dann besonders
vorteilhaft, wenn der Schleifring aus Bronze besteht. Die Lebensdauer
dieses Systems wird dadurch erheblich verbessert.
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Eine
weitere Verbesserung tritt dann ein, wenn die Bronze eine sogenannte
Zinnbronze ist, deren Zinnanteil vorzugsweise zwischen 1% und 10% Massenanteil
beträgt.
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Eine
Lebensdauererhöhung
von beispielsweise 50%–100%
gegenüber
herkömmlichen
Systemen unter Verwendung von Kupferschleifringen ist dann gegeben,
wenn der Zinnanteil zwischen 3% und 5% beträgt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
Figur zeigt einen Längsschnitt
durch eine elektrische Maschine, ausgeführt als Generator.
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1 zeigt
eine elektrische Maschine 10, ausgeführt als Drehstromgenerator
für Kraftfahrzeuge.
Diese elektrische Maschine 10 besteht aus einem Gehäuse 13,
das zweiteilig ausgeführt
ist. Dieses Gehäuse 13 weist
als Gehäuseteile
ein antriebsseitiges Lagerschild 16 und ein so genanntes
bürstenseitiges
Lagerschild 19 auf. Zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 16 und 19 ist
mittels Gehäuseschrauben 22 ein
Statur 25 gehalten. Dieser Statur 25 besteht aus
einem Ständerblechpaket 28,
in dessen hier nicht dargestellte Nuten eine Ständerwicklung 31 eingesetzt
ist. Von dieser Ständerwicklung 31 sind ein
antriebsseitiger Winkelkopf 34 und ein bürstenseitiger
Wickelkopf 37 zu erkennen. Innerhalb des Ständerblechpakets 28 ist
ein Rotor 40 angeordnet. Dieser Rotor 40 ist über eine
Welle 43 sowohl im Antriebslagerschild 16 als
auch im bürstenseitigen
Lagerschild 19 mittels zweier Lager, nämlich einem antriebsseitigen
Lager 46 und einem rückwärtigen Lager 49 gelagert.
Zwischen den beiden Lagern 46 und 49 sind die
magnetischen Teile des Rotors 40 positioniert. Zwischen
einer ersten Polradhälfte 52 und
einer zweiten Polradhälfte 55 ist
ein Polkern 58 angeordnet. Um den Polkern 58 herum
ist eine Erregerwicklung 61 positioniert. Die Polradhälfte 52,
der Polkern 58, die Erregerwicklung 61 und die
Polradhälfte 55 sind
von der Welle 43 getragen. Auf der Seite der Polradhälfte 52,
die von der Erregerwicklung 61 abgewandt ist, ist ein erster
Lüfter 64 und
auf der entsprechen den Gegenseite an der anderen Polradhälfte 55 ein
zweiter Lüfter 67 befestigt.
Beide Lüfter
dienen dazu, aus axialer Richtung Luft anzusaugen und diese durch Öffnungen
in den Wickelköpfen 34 bzw. 37 durchzublasen
und durch hier nicht gezeigte radial außen angeordnete Öffnungen
nach der Erwärmung an
die Umgebung abzugeben.
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An
einem antriebsseitigen Ende 70 der Welle 43 ist
mittels einer Schraubenmutter eine Riemenscheibe 73 befestigt.
Diese Riemenscheibe dient dazu, den Rotor 40 mittels eines
Riemens 74 zu drehen. Am bürstenseitigen Ende der Welle 43 ist
eine Schleifringbaugruppe 76 befestigt. Diese Schleifringbaugruppe
dient dazu, mittels zweier Schleifringe 79 (Minusschleifring)
und 81 (Plusschleifring) die Erregerwicklung 61 zu
bestromen. Dazu sind als weitere Verbindungselemente eine erste
Verbindungsleitung 84 zwischen dem Minusschleifring 79 und
eine zweite Verbindungsleitung 87 als Verbindung zwischen den
Plusschleifring 81 und dem anderen Ende der Erregerwicklung 61 vorgesehen.
Zur Bestromung der Erregerwicklung 61 gleiten auf den genannten Schleifringen 79 und 81 Bürsten 89,
die durch einen Regler 90 mit Erregerstrom belastet werden.
Des Weiteren ist ein üblicher
Gleichrichter 93 vorhanden, der mittels einer Schutzkappe 96 bedeckt
ist.
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2 zeigt
eine räumliche
Darstellung einer Schleifringbaugruppe 76, wie sie bei
dem zuvor beschriebenen Generator verwendet wird. Diese Schleifringbaugruppe
trägt die
bereits erwähnten Schleifringe 79 und 81.
Beide Schleifringe 79 und 81 sind durch einen
Halter 100 gehalten. Der Halter 100 ist ein komplexes
Gebilde, das mittels eines Spritzgussverfahrens entstanden ist und
ist aus einem Isolierstoff 101 geformt. Dieser Halter 100 trägt verborgen
in seinem Inneren zwei Verbindungsleiter 103 und 106.
Der Verbindungsleiter 103 verbindet den ersten Schleifring 79 durch
einen Steg 109 hindurch mit einer einstückig mit dem Verbindungsleiter 103 ausgeführten Kontaktfahne 112,
die ein vom ersten Schleifring 79 abgewandtes Ende 115 darstellt.
Der Verbindungsleiter 106 verbindet den zweiten Schleifring 81 durch
den Steg 118 hindurch mit einer ebenso einstückig ausgeführten Kontaktfahne 121,
die ebenfalls ein vom Schleifring 81 abgewandtes Ende 124 des
Verbindungsleiters 106 darstellt. Der Verbindungsleiter 106 ist
wie der Verbindungsleiter 103 auch, innerhalb des Halters 100 angeordnet.
Der Verbindungsleiter 106 tritt durch den Schleifring 79 hindurch.
Die Schleifringe 79 und 81 bilden eine äußere Begrenzung
für den
Halter 100. Radial innerhalb der Schleifringe 79 und 81 ist
eine Öffnung 127 vorgesehen,
die hohlzylindrisch ausgeführt
ist. Diese Öffnung 127 ist
später
im montierten Zustand durch einen wellenseitigen Zapfen besetzt.
Dieser im Grunde genommen hohlzylindrische Abschnitt zwischen der endseitigen Öffnung 127 und
dem Übergang
des Halters 100 in die zwei Stege 109 und 118 wird
durch einen Wulst 130 begrenzt, der in etwa ringförmig um die
Drehachse 133 positioniert ist. Am von dem Wulst 130 abgewandten
Ende der Stege 109 bzw. 118 schließt sich
ein Ringbereich 136 an, der die Position der Enden 115 stabilisiert,
indem diese Enden 115 bzw. 124 bzw. Abschnitte
dieses Verbindungsleiters 103 bzw. 106 in diesem
Ringbereich 136 eingebettet sind.
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Der
Halter 100 umfasst sowohl den innerhalb der Schleifringe 79 und 81 angeordneten
Anteil des Halterteils 100 als auch den Bereich rund um
den Wulst 130, die Isolierung der Stege 109 und 118 sowie
den Ringbereich 136.
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Dieses
hier gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt
zwar zwei Schleifringe 79 und 81, dennoch sind Ausführungsbeispiele
machbar, bei denen lediglich ein Schleifring 81 an der
Schleifringanordnung vorgesehen ist. Die Aufgaben des Minusschleifrings Schleifring 79 würden dann
beispielsweise dadurch wahrgenommen werden, dass das minusseitige Ende
der Erregerwicklung 61 mit einem Masseteil des Rotors 40 verbunden
ist. Der Stromkreis würde dann
beispielsweise über
eines der beiden Kugellager – in
diesem Fall das antriebsseitige Kugellager 46 – an Masse
erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die zumindest eine Bürste 89 und
damit die im gezeichneten Ausführungsbeispiel
dargestellten zwei Bürsten 89 aus
einem Pressmaterial bestehen, welches Elektrographit ist und dass
der zumindest eine Schleifring 81, hier im Ausführungsbeispiel
beide Schleifringe 79 und 81, aus Bronze ist.
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Dementsprechend
ist eine elektrische Maschine 10, insbesondere Klauenpolgenerator,
vorgesehen, mit einem Stator 25 und einem Rotor 40,
wobei der Rotor 40 zumindest eine Erregerwicklung 61 trägt, die
mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist,
wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring 81 und
einen auf dem Schleifring 81 gleitfähig angeordneten Gleitkontakt
aufweist, der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste 89 ist und aus
einem Pressmaterial besteht, wobei das Pressmaterial Elektrographit
ist und der Schleifring 81 aus Bronze ist.
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Es
ist vorgesehen, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine
Zinnbronze ist. Günstigerweise hat
die Zinnbronze des Schleifrings 81 einen Zinnanteil zwischen
1% und 10% Masseanteil.
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Besonders
bevorzugt wird, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine
Zinnbronze mit einem Zinnanteil zwischen 3% und 5% Masseanteil ist.
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Eine
weitere Lebensdauer beeinflussende Größe liegt in der Gestaltung
des Gleitkontakts und der Schleifringe. Nur eine optimale Kombination
zwischen der Kontaktfläche
des Gleitkontakts und des Schleifrings ergibt ein Minimum an Abbrand.
Einerseits sollte ein möglichst
kleiner Schleifringdurchmesser gewählt werden, da der Umfangsweg
pro Umdrehung direkt mit dem Verschleiß des Gleitkontakts in Verbindung
steht. Anderseits darf der Schleifringdurchmesser auch nicht zu
klein werden, um eine nicht zu starke Krümmung des Gleitkontakts festzulegen.
Weiterhin muss die Kontaktfläche
auch noch so groß sein,
dass ein geringer Spannungsabfall zwischen Gleitkontakt und Schleifring
auftritt und der Erregerstrom möglichst
Verlustfrei übertragen
wird. Besonders geeignete Geometrien liegen in Schleifringdurchmessern
von typischerweise 12–20
mm. Entsprechende geeignete Geometrien des Gleitkontakts liegen
geeigneter Weise bei 3–5
mm in Umfangsrichtung und 5–8
mm axialer Länge
der Kontaktfläche des
Gleitkontakts bei 10–20
mm nutzbarer Länge
des Gleitkontakts.
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Der
Verschleiß des
Gleitkontakts ist mit abnehmender Kohlelänge typischerweise nicht linear. Im
Anfangsstadium ist die zum Anpressdruck notwendige Feder stark komprimiert.
Dies bewirkt zwar geringere elektrische aber stärkere mechanische Verluste.
Nach Abnahme der Länge
des Gleitkontakts reduziert sich der Anpressdruck und somit auch der
Verschleiß des
Gleitkontakts. Wird dagegen der Anpressdruck zu gering, besteht
ein erhöhtes
Risiko von Bürstenfeuer.
Dies entsteht durch abhebende Gleitkontakte speziell bei höheren Schleifringdrehzah len.
Teilweise kann dieser Effekt durch eine geringere Masse des Gleitkontakts
kompensiert werden.