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Die
Erfindung betrifft einen Versorgungsendblock zur Versorgung einer
Sputterkathode mit einem Kühlmittel
und elektrischer Spannung.
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Bei
herkömmlichen
Sputtereinrichtungen zur Hochvakuumbeschichtung durch Kathodenzerstäubung werden
zumeist plattenförmige
Targets auf einem Magnetron montiert und das Material des Targets
anschließend
durch Ionenbeschuss zerstäubt. Auf
Grund der starren Anordnung von Target und Magnetron zueinander
bilden sich mit der Zeit im Targetmaterial Vertiefungen oder Graben
an den Stellen, an denen das Targetmaterial auf Grund der magnetischen
Feldlinien bevorzugt zerstäubt
wird. Dadurch ist die Ausbeute an Targetmaterial relativ gering,
da das Target frühzeitig
ausgewechselt werden muss.
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Zur
Vermeidung dieses Effekts wurden verschiedene Lösungen für Sputtereinrichtungen zur Verwendung
bei der Beschichtung von Substraten durch Kathodenzerstäubung vorgeschlagen.
So ist aus
US 4,356,073 eine
drehbare Sputterkathode bekannt, die neben anderen Komponenten ein
langgestrecktes zylindrisches Rohrelement umfasst, das mit einer
Schicht des gewünschten
Beschichtungsmaterials versehen ist. Aus
US 4,443,318 ist ebenfalls eine drehbare
Sputterkathode bekannt, die ein langgestrecktes zylindrisches Rohrelement,
Mittel zur Drehung des Rohrelements und Targetmittel mit Beschichtungsmaterial
umfasst, die lösbar
an dem Rohrelement angebracht sind.
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Bei
den genannten Lösungen
kann durch Drehung des Rohrelements erreicht werden, dass der Materialabtrag über den
gesamten Umfang des Rohr-Targets gleichmäßig erfolgt und auf diese Weise
die Bildung von Vertiefungen oder Gräben im Targetmaterial verhindert
werden.
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Unter
dem Begriff Sputtereinrichtung soll im Sinne dieser Anmeldung eine
Anordnung verstanden werden, die mindestens ein Magnetron und eine Sputterkathode
mit einem oder mehreren Targets umfasst.
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Zur
Versorgung der Sputtereinrichtung mit einem Kühlmittel und elektrischer Spannung
werden innerhalb der Vakuumkammer der Beschichtungsvorrichtung so
genannte Versorgungsendblöcke montiert,
die jeweils getrennte Anschlüsse
für ein Kühlmittel
und die elektrische Spannungsversorgung der in der Vakuumkammer
angeordneten Sputtereinrichtung aufweisen. Beide Medien werden also
dem Versorgungsendblock getrennt zugeführt und in vorgelagerten Baugruppen
auf gleiches elektrisches Potential gebracht. Die Stromeinspeisung
wird dabei meist über
Schleifkontakte vorgenommen. Die Übertragung der Drehbewegung
auf das Targetrohr erfolgt meist mittels eines zweiten Antriebsendblocks.
Problematisch an diesen bekannten Lösungen ist es, dass das Andruckverhalten
der Schleifkontakte zum Abriebbild nicht optimal ist. Dadurch erfolgt
die Stromeinspeisung ungleichmäßig. Die
relativ langen Seile von den Schleifkontakten (auch als Kohlebürsten bezeichnet)
zum Anschlusskontakt können
nicht direkt gekühlt
werden, so dass besonders beim Mittelfrequenzbetrieb der Strom durch
die Erwärmung der
Drähte
und damit durch die zulässige
Höchsttemperatur
der Isolation begrenzt wird. Die Potentialangleichung des Kühlwassers
muss in einer zusätzlichen
Baugruppe vorgenommen werden. Die Seile an den Schleifkontakten
können
eine Zugbelastung auf die Schleifkontakte ausüben, so dass nach der Montage
nicht sichergestellt ist, dass die Schleifkontakte an der vorgesehenen
Position mit der vorgeschriebenen Kraft auf die Welle gepresst werden.
Die bisherige Lösung
mit Schläuchen
und Drähten
am Versorgungsendblock führt
zu einem hohen Montageaufwand und Fehlermöglichkeiten bei der Montage.
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Bei
der Lösung
gemäß
WO 2006/042808 A1 sind
zur Spannungsversorgung ein Sockel mit einem Kontaktring und eine
in dem Sockel koaxial drehbar gelagerte Spindel mit einer Mehrzahl
elektrisch leitender, durch elastische Elemente auswärts gedrückter Schleifkontakte,
die den elektrischen Kontakt mit dem Kontaktring des Sockels herstellen.
Diese Lösung
hat den Hauptnachteil, dass der durch den Skin- und Proximity-Effekt
bestimmten Ausbreitung nicht Rechnung getragen wird, so dass eine
Einschränkung
in der Stromtragfähigkeit
auftritt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist die geringe Entkopplung
der Schleifpaarung von Bauteiltoleranzen. Diese Lösung erfordert
das zuverlässige
Fluchten der beteiligten Partner des Schleifkontakts.
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Bei
der Lösung
gemäß
US 2004/0149576 A1 liegt
der Schleifkontakt im Kühlwasser.
Diese Lösung ist
erfolgreich für
den Gleichstrombetrieb. Bei Mittelfrequenzbetrieb muss der Strom über alle
Lagerungen fließen,
so dass besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, damit
die Lager dem Mittelfrequenzstrom standhalten.
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Bei
der Lösung
gemäß
WO 02/38826 A1 liegt
der Schleifkontakt im Vakuum. Im Vakuum treten sehr hohe Reibungskoeffizienten
auf, so dass die Schleifkontakte unzulässig schnell verschleißen und außerdem den
Kohleabrieb in der Vakuumkammer freisetzen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Versorgungsendblock
zur Versorgung einer Sputtereinrichtung mit einem Kühlmittel
und elektrischer Spannung anzugeben, der eine gleichmäßige Stromeinspeisung
sowie die Durchführung
des Potentialausgleichs für
das Kühlmittel
ohne die Verwendung zusätzlicher
Baugruppen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß werden
diese Aufgaben durch den nachfolgend beschriebenen Versorgungsendblock
gelöst.
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Bei
einem Versorgungsendblock zur Versorgung einer Sputter kathode mit
einem Kühlmittel
und elektrischer Spannung, der ein Gehäuse mit einem Kühlmittelanschluss
und einem Stromanschluss sowie eine drehbar gelagerte Trägerwelle
umfasst, an welcher das Targetrohr befestigt wird, wird vorgeschlagen,
dass der Kühlmittelanschluss
und der Stromanschluss unmittelbar an der Einspeisestelle so zusammengeführt werden,
dass das Kühlmittel
beim Eintritt in das Gehäuse
des Endblocks auf das Potenzial der angelegten elektrischen Spannung
gebracht wird. Hierdurch wird ein doppelter Effekt erzielt. Einerseits
wird eine optimale Kühlung
der Stromzuführung
erreicht, andererseits findet gleichzeitig ein optimaler Potentialausgleich
des Kühlmittels
statt.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass im Gehäuse des Versorgungsendblocks
ein elektrisch leitender Grundkörper
mit einem Kühlmittelkanal
angeordnet ist, der Kühlmittelkanal über den Kühlmittelanschluss
mit der Kühlmittelzuführung verbunden
ist und der Stromanschluss elektrisch leitend mit dem Grundkörper verbunden
ist.
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Weiterhin
ist bei einem Versorgungsendblock mit mindestens zwei radial auf
die Trägerwelle wirkenden
Schleifkontakten vorgesehen, dass die Schleifkontakte (beispielsweise
Kohlebürsten)
von der tragenden Konstruktion (Gehäuse, Grundkörper) des Versorgungsendblocks
dadurch entkoppelt sind, dass die Schleifkontakte über kurze
Zuleitungen (nachfolgend auch einheitlich als Anschlussdrähte bezeichnet),
beispielsweise Kupferseile oder Kupferdrähte, an einen Kontaktring,
der beispielsweise massiv aus Kupfer gefertigt sein kann, angeschlossen
sind. Hierdurch wird die Leitung des Mittelfrequenzstroms zu den
Schleifkontakten (beispielsweise Kohlebürsten) deutlich verbessert.
Der Kontaktring kann beispielsweise mit Hilfe eines Zugbolzens an
der Unterseite des Grundkörpers
fixiert sein.
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Ein
weiteres Merkmal des vorgeschlagenen Versorgungsendblocks kann darin
bestehen, dass Toleranzen bei der Fertigung des Versorgungsendblocks
dadurch ausgeglichen werden, dass die Anschlussdrähte, durch
die der Mittelfrequenzstrom auf die Schleifkontakte übertragen
wird, vom Kontaktring ausgehend in schräger Richtungen zu den Schleifkontakten
geführt
sind. Hierdurch wird erreicht, dass Lageänderungen durch geringfügige Verdrehung
des Anschlussdrahts ausgeglichen werden können. Dabei bedeutet die Formulierung „in schräger Richtung", dass die Anschlussdrähte zwischen
dem Kontaktring und dem Schleifkontakt jeweils einen Abschnitt aufweisen,
der nicht radial (90°),
sondern tangential (0°)
oder mit einem zwischen der radialen und der tangentialen Richtung
liegenden Winkel relativ zum Umfang der Trägerwelle verläuft.
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Der
Anschluss der Anschlussdrähte
an den Kontaktring kann beispielsweise über eine federbelastete Klemmstelle
erfolgen. Eine derartige Klemmstelle kann beispielsweise einen in
einer Bohrung des Kontaktrings gelagerten, mit einer Durchgangsbohrung
zur Aufnahme des Endes eines Anschlussdrahts versehenen Druckzylinder
umfassen, wobei die Bohrung des Kontaktrings ein Sackloch ist, in dem
eine Druckfeder angeordnet ist.
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Weiterhin
können
die Schleifkontakte so gestaltet sein, dass der Stromfluss auf einem
möglichst kurzen
Weg vom Kontaktring über
die Zuleitung, beispielsweise das Kupferseil beziehungsweise den Kupferdraht,
und den Schleifkontakt auf die Trägerwelle erfolgen kann. Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, zum gleichmäßigen Anpressen
der Schleifkontakte an die Trägerwelle
ein gemeinsames Federelement, beispielsweise eine Ringfeder vorzusehen,
die alle Schleifkontakte umschlingt und sie in radialer Richtung
auf die Welle drückt.
Die Ringfeder kann beispielsweise eine lange Schraubenfeder sein, die
um die Anordnung von Schleifkontakten geführt ist und deren Enden durch
ein geeignetes Verschlusselement miteinander verbunden sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Versorgungsendblock,
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2 einen
Längsschnitt
durch den Versorgungsendblock gemäß 1,
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3 eine
Seitenansicht bestimmter Teile des Versorgungsendblocks,
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4 zwei
weitere Schnittdarstellungen des Versorgungsendblocks gemäß 3,
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5 eine
Detaildarstellung eines Schleifkontakts sowie seiner Befestigung
im Kontaktring.
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Aus
Gründen
der besseren Übersichtlichkeit sind
nicht in allen Figuren alle Bestandteile des erfindungsgemäßen Versorgungsendblocks
dargestellt. So wurde in allen Figuren darauf verzichtet, die eigentlich
erforderlichen Dichtungspakete zum Kühlmittelkreislauf und zum Vakuum
darzustellen. Diese sind normalerweise beiderseits der in den Figuren dargestellten
Kugellager 51 angeordnet. Darüber hinaus wurden in den 3 und 4 weitere
Bestandteile, insbesondere das Gehäuse 1, weggelassen.
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In
der Draufsicht der 1 ist das Gehäuse 1 erkennbar,
dass an seiner Oberseite eine Öffnung 11 aufweist,
die durch einen (nicht dargestellten) Deckel verschließbar ist.
Hierzu ist am Gehäuse 1 eine Dichtung 12 vorgesehen.
Im Gehäuse 1 ist
der Grundkörper 2 angeordnet.
Am Grundkörper 2 befinden
sich zwei Kühlmittelanschlüsse 21 sowie
sechs Stromanschlüsse 22.
Der Grundkörper 2 weist
dementsprechend Kanäle
für das
Kühlmittel
sowie eine Bohrung für
den Zugbolzen 3 auf, der an der Oberseite des Grundkörpers 2 mittels
einer Mutter 31 verschraubt ist. Die Funktion des Zugbolzens 3 wird nachfolgend
noch näher
erläutert.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Versorgungsendblock aus 1 entlang
der Linie A-A. Aus der Öffnung 11 des
Gehäuses 1 ragt
der Grundkörper 2 mit
den darauf angebrachten Kühlmittelanschlüssen 21 und
den hier nicht erkennbaren Stromanschlüssen 22. Ebenso ist
der Zugbolzen 3 mit der Mutter 31 erkennbar, der
sich durch eine dafür
im Grundkörper 2 vorgesehene
Bohrung nach unten erstreckt. Der Zugbolzen 3 weist an
seinem unteren Ende einen Gewindezapfen 32 auf, dessen
Funktion später
erläutert
wird.
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Im
unteren Teil des Gehäuses 1 ist
die Trägerwelle 5,
an deren freiem Ende ein Targetrohr anbringbar ist, unterhalb des
Grundkörpers 2 in
zwei Kugellagern 51 gelagert. Ein zentraler Bereich der Trägerwelle 5 dient
der Herstellung des elektrischen Kontaktes mit den Schleifkontakten,
die im Ausführungsbeispiel
als Kohlebürsten 42 ausgeführt sind. Die
Kohlebürsten 42 sind
in gleichmäßiger Anordnung über den
Umfang der Trägerwelle 5 verteilt
angeordnet und werden durch eine alle Kohlebürsten 42 umschlingende
Ringfeder 43 auf deren Oberfläche gedrückt. Die Kohlebürsten 42 sind
mit Hilfe von Anschlussdrähten 41 in
einem die Trägerwelle 5 umfassenden
Kontaktring 4 sowie einem die ringförmige Anordnung der Kohlebürsten 42 erleichternden
Führungsring 7 gelagert.
Die Einzelheiten dieser Lagerung sind im Detail in der Beschreibung
zu den 4 und 5 dargelegt.
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Der
Kontaktring 4 wird durch den Zugbolzen 3 in seiner
Position relativ zum Grundkörper 2 und zur
Trägerwelle 5,
zu der er konzentrisch angeordnet ist, fixiert. Hierzu weist der
Kontaktring 4 an seiner Oberseite eine Bohrung auf, durch
die der Gewindezapfen 32 des Zugbolzens 3 in das
Innere des Kontaktrings 4 ragt, wo er in die Gewindebohrung
eines Druckstücks 33 eingeschraubt
ist, das mit Hilfe von Schrauben 34 mit der Innenseite
des Kontaktrings 4 verschraubt ist. Durch Anziehen der
Mutter 31 des Zugbolzens 3 wird der Kontaktring 4 in
seiner Position an der Unterseite des Grundkörpers 2 fixiert.
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Die
Darstellung in 3 ist reduziert auf den Grundkörper 2 mit
den Kühlmittelanschlüssen 21, dem
Zugbolzen 3 mit der Mutter 31, dem Kontaktring 4 sowie
der Trägerwelle 5.
Außerdem
sind die Schnittlinien B-B sowie C-C dargestellt, die die Schnittebenen
bezeichnen, die den Darstellungen in 4 zugrundeliegen.
In 3 ist besonders gut erkennbar, wie der Kontaktring 4 an
der Unterseite des Grundkörpers 2 abgestützt ist
und wie die Trägerwelle 5 durch
den Kontaktring 4 hindurchragt.
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4 zeigt
die beiden Schnittdarstellungen B-B sowie C-C entsprechend der Darstellung
in 3, wobei bei der Darstellung C-C darauf verzichtet
wurde, den oberen Teil des Grundkörpers 2 nochmals darzustellen,
da dieser Bereich identisch mit dem oberen Teil der Darstellung
B-B ist.
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In
der Darstellung B-B ist der Schnitt nur durch den äußeren Teil
der Trägerwelle 5,
der zur Aufnahme des Targetrohrs dient, geführt. Dadurch fällt der
Blick von außen
auf die Stirnseite des Kontaktrings 4. Demgegenüber führt der
Schnitt C-C durch den Kontaktring 4, so dass auch die Befestigung
der Anschlussdrähte 41 im
Kontaktring 4 erkennbar wird. In beiden Darstellungen ist
erkennbar, dass der Kontaktring 4 mit Hilfe des Druckstücks 33 und
des Zugbolzens 3 sowie der Mutter 31 an der Unterseite
des Grundkörpers 2 fixiert
ist.
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Zwischen
Kontaktring 4 und Trägerwelle 5 sind
fünf Kohlebürsten 42 zu
erkennen, von denen jede mittels je drei Anschlussdrähten 41 mit
dem Kontaktring 4 verbunden ist. Gleichzeitig liegen die Kohlebürsten 42 an
der Oberfläche
der Trägerwelle 5 an.
Sie werden durch eine radial auf sie wirkende Kraft auf diese Oberfläche gepresst,
die von einer Ringfeder 43 ausgeübt wird, die die gesamte Anordnung
von Kohlebürsten 42 umschlingt.
Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Ringfeder 43 um eine Schraubenfeder,
die um die kreisförmige
Anordnung von Kohlebürsten 42 gelegt
ist und deren beide Enden durch ein Verschlusselement 44 miteinander
verbunden sind.
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Die
Anschlussdrähte 41 sind
doppelt gebogen. Ihr eines Ende steckt in axialer Richtung der Trägerwelle 5 in
einer dafür
vorgesehenen Bohrung der Kohlebürsten 42.
Im mittleren Bereich sind die Anschlussdrähte 41 U-förmig geformt.
In einem ersten Teilabschnitt des mittleren Bereichs ist der Anschlussdraht
zunächst
aus der axialen Richtung der Trägerwelle 5 in
eine schräge,
annähernd
tangentiale oder periphere Richtung zur Trägerwelle 5 gebogen und
daran anschließend
in einem zweiten Teilabschnitt des mittleren Bereichs nochmals so
gebogen, dass der zweite Teilabschnitt des U-förmigen mittleren Bereichs sich
fast entgegengesetzt zum ersten Teilabschnitt erstreckt. Da durch
treten die Anschlussdrähte 41 schräg in dafür vorgesehene
Bohrungen des Kontaktrings 4 ein, wo sie mit Hilfe von
Klemmzylindern 61, deren Aufbau und Funktion in der Beschreibung
zu 5 näher
erläutert
wird, fixiert sind.
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Insbesondere
in der Darstellung C-C ist erkennbar, wie die Anschlussdrähte 41 im
Kontaktring 4 fixiert sind. Der Kontaktring 4 weist über seinen Umfang
verteilt axiale Bohrungen auf, in denen je ein Klemmzylinder 61 steckt.
Jeder Klemmzylinder 61 hat eine radiale Durchgangsbohrung,
die der Aufnahme eines Endes eines Anschlussdrahts 41 dient.
Um diese Durchgangsbohrung mit der zugehörigen Bohrung des Kontaktrings 4 in
eine Flucht zu bringen, weisen die Klemmzylinder 61 an
ihrem stirnseitigen Ende einen Schlitz auf, so dass sie mit einem
herkömmlichen
Schraubendreher verdreht werden können.
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Eine
detaillierte Darstellung der gegenseitigen Anordnung von Kontaktring 4,
Anschlussdraht 41 und Kohlebürsten 42 ist in 5 niedergelegt.
In der gewählten
Schnittdarstellung ist erkennbar, wie der Klemmzylinder 61 in
der Bohrung des Kontaktrings 4 gelagert ist. Die Bohrung
ist als Sackloch ausgeführt,
in dem eine Druckfeder 62 unterhalb des Klemmzylinders 61 angeordnet
ist. Der Klemmzylinder 61 weist eine seitliche Durchgangsbohrung
auf, die der Aufnahme eines Endes eines Anschlussdrahts 41 dient.
Diese Durchgangsbohrung kann mit der zu dem gleichen Zweck vorgesehenen
Bohrung im Kontaktring 4 in eine Flucht gebracht werden,
indem der Klemmzylinder 61 mit Hilfe eines Schraubendrehers
wie oben beschrieben in dem Sackloch verdreht wird. Wenn das Ende
des Anschlussdrahts 41 in die Bohrung des Kontaktrings 4 und
die Durchgangsbohrung des Klemmzylinders 61 eingeführt ist, so
sorgt die von der Druckfeder 62 auf den Klemmzylinder 61 in
axialer Richtung der Trägerwelle 5,
das heißt
quer zum Anschlussdraht 41 ausgeübte Kraft dafür, dass
der Anschlussdraht 41 eingeklemmt wird, so dass der Anschlussdraht 41 sowie
die an seinem anderen Ende angeordnete Schleifkontakt 42 relativ zum
Kontaktring 4 fixiert sind. Gleichzeitig sorgt die Art
der Befestigung des Schleifkontakts 42 am Kontaktring 4 mit
Hilfe des Anschlussdrahts 41 dafür, dass Fertigungstoleranzen
einfach und selbsttätig ausgeglichen werden.
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Ebenfalls
in der 5 erkennbar ist die Lage der Ringfeder 43 an
der Außenseite
der Kohlebürste 42,
das heißt
an der der Oberfläche
der (hier nicht dargestellten) Trägerwelle 5 abgewandten
Seite der Kohlebürste 42.
Außerdem
zeigt 5, wie der Führungsring 7 die
kreisförmige
Anordnung der Kohlebürsten 42 erleichtert,
indem der Führungsring 7 die Kohlebürsten 42 in
radialer und axialer Richtung unterstützt.
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- 1
- Gehäuse
- 11
- Öffnung
- 12
- Dichtung
- 2
- Grundkörper
- 21
- Kühlmittelanschluss
- 22
- Stromanschluss
- 3
- Zugbolzen
- 31
- Mutter
- 32
- Gewindezapfen
- 33
- Druckstück
- 34
- Schraube
- 4
- Kontaktring
- 41
- Anschlussdraht
- 42
- Schleifkontakt,
Kohlebürste
- 43
- Ringfeder
- 44
- Verschlusselement
- 5
- Trägerwelle
- 51
- Kugellager
- 61
- Klemmzylinder
- 62
- Druckfeder
- 7
- Führungsring