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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schleifringvorrichtung für eine elektrische Maschine mit einem Schleifring, der an dem Laufer der elektrischen Maschine anbringbar ist und eine Rotationsachse aufweist, sowie einer Burste, die mit dem Schleifring zur Stromubertragung in Kontakt steht.
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Schleifringlaufermotoren für die industrielle Anwendung sind Asynchronmotoren, denen über externe Lauferwiderstände eine besondere Anfahrcharakteristik gegeben werden kann. über diese externen Lauferwiderstande konnen sie an besondere Anfahrbedingungen angepasst werden. Solche Anfahrbedingungen sind beispielsweise ein hohes Gegenmoment wahrend des Hochlaufs (z. B. Muhlenantriebe, Brecherantriebe), ein definiertes Beschleunigungsmoment wahrend des Hochlaufs (z. B. Förderantriebe), ein begrenzter Anfahrstrom (z. B. Anlassen leistungsstarker Motoren in schwachen Netzen) oder lange Anlaufzeiten (z. B. große Lüfter mit hohem Massenträgheitsmoment).
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Die externen Lauferwiderstände werden über Kohlebursten und rotierende Schleifringe mit den Lauferwicklungen des Schleifringmotors elektrisch verbunden und wahrend des Anlaufvorgangs stufenweise oder kontinuierlich reduziert. Der dabei entstehende leitfahige Kohleabrieb bedeutet einen erhöhten Wartungsaufwand und bei ungenügender Wartung ein permanentes technisches Risiko. Vielerorts wird heute der Schleifringläufermotor aufgrund dieser Risiken und Wartungskosten durch Umrichterantriebe verdrangt. Aber vor allem bei drehzahlkonstanten Antrieben mit großer Leistung ist die weltweite Nachfrage nach solchen Motoren nach wie vor groß und eine kostengunstige Alternative zum Umrichterantrieb.
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Die Schleifringtechnologie wird auch bei läuferspeisenden Windkraftgeneratoren eingesetzt. Im Leistungsbereich von Windkraftanlagen (WKA) größer 1 MW ist der lauferspeisende Asynchrongenerator die vorherrschende Technologie. Uber einen in den Lauferkreis geschalteten Umrichter konnen sich diese Generatoren in einem weiten Drehzahlbereich der Windsituation selbsttatig anpassen und so die Energieausbeute optimieren. Im Gegensatz zu anderen Technologien muss dieser Umrichter nicht auf Nennleistung der WKA, sondern nur auf die wesentlich geringere Teilleistung des Lauferkreises angepasst werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem rotierenden Lauferkreis des Generators und dem stationären Umrichter wird über Schleifringe hergestellt. Gerade durch den exponierten Betrieb der Generatoren auf Windkraftanlagen stellt der leitfahige Bürstenabrieb einen erheblichen wirtschaftlichen Kostenfaktor in der Betriebsunterhaltung dar.
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Bei Schleifringlaufermotoren gibt es Standardlosungen fur die Problematik des Kohleabriebs. Da bei Schleifringlaufermotoren die Lauferwiderstande nur während des Anfahrens zur Einstellung einer bestimmten Hochlaufcharakteristik benotigt werden, werden diese nach erfolgtem Hochlauf lauferseitig abgeschaltet, um so den abfallenden, elektrisch leitfähigen Bürstenstaub und die Kosten fur Ersatzbürsten auf ein Minimum zu begrenzen. Hierzu wurden von den Motorherstellern Läuferkurzschluss-Burstenabhebevorrichtungen (KBAV) entwickelt. Bei keinem der Motorhersteller erreichten diese KBAV den erforderlichen technischen Reifegrad, sodass heute viele Anwender auf die Option einer KBAV verzichten und den erhöhten Wartungsaufwand, der durch dauernd aufliegende Bürsten verursacht wird, akzeptieren.
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Bei den läuferspeisenden Windkraftgeneratoren muss der Lauferkreis ständig mit dem stationären Umrichter verbunden sein. Eine KBAV kann deshalb hier nicht eingesetzt werden, und der anfallende, leitfahige Burstenabrieb und damit verbundenen Risiken und Kosten mussen dauerhaft akzeptiert werden.
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Bei den beiden obigen Anwendungen teilt sich der Burstenabrieb in eine mechanische und eine elektrische Komponente auf.
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Zur Minimierung des Bürstenverschleißes wurden in der Vergangenheit Überlegungen angestellt, eine optimale Werkstoffpaarung zwischen Schleifring und Kohlebürste mit geringstem Reibbeiwert und Strom-Übertragungsverlusten zu finden. Bei herkömmlichen Schleifringanwendungen mit hohem Bürstenverschleiß sind die Schleifringe aus einem bestimmten Edelstahl und die Kohlebürsten ein Sinterprodukt aus Elektrographit und Kupfer, wobei der Kupfergehalt je nach Anwendung zwischen 20% und 85% liegen kann. Zur Minimierung des mechanischen Verschleißes wurden Laborversuche an Kohle-Kohle-Schleifringpaarungen durchgeführt, bei denen sowohl die Bürste als auch die Schleifringe aus Graphitwerkstoff gefertigt waren und hervorragende Verschleißergebnisse zeigten. Der Erfolg bei den Laborversuchen konnte jedoch in der praktischen Anwendung nicht wiederholt werden und alle Maschinen mussten in den Folgejahren auf herkömmliche Stahl-Kohle-Schleifringsysteme rückgebaut werden.
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Aus der gattungsgemäßen Druckschrift
DE 100 09 007 A1 ist eine Schleifring-Anordnung bei Elektromotoren und Generatoren bekannt. Sie weist einen Schleifring auf, der an dem Läufer der elektrischen Maschine anbringbar ist und eine Rotationsachse aufweist. Außerdem besitzt sie eine Bürste, die mit dem Schleifring zur Stromübertragung in Kontakt steht, wobei der Schleifring und die Bürste aus einem Graphitwerkstoff hergestellt sind.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
DE 21 01 982 A eine Kohlebürste für elektrische Maschinen. Es wird angegeben, dass die beste Verschleißfestigkeit einer Kohlebürste aus einem Graphitwerkstoff dann erreicht wird, wenn die durch das Pressen des Graphits hervorgerufene Schichtstruktur senkrecht zur Laufrichtung und parallel zur Drehachse verläuft.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schleifringvorrichtung für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der weniger Bürstenabrieb auftritt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schleifringvorrichtung nach Anspruch 1.
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In vorteilhafter Weise wird somit die Schichtstruktur von Graphit genutzt, um den Verschleiß zu reduzieren. Insbesondere kann so ein Kohle-Kohle-Schleifringsystem mit geringem Reibbeiwert und geringen Strom-Übergangsverlusten bei gleichzeitig minimalem Bürstenverschleiß realisiert werden.
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Vorzugsweise wird als Graphitwerkstoff fur den Schleifring und/oder die Burste Elektrographit eingesetzt. Alternativ kann der Schleifring und/oder die Burste auch aus Metallgraphit gefertigt sein.
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Die erfindungsgemäße Schleifringvorrichtung lasst sich vorteilhaft für den Laufer einer elektrischen Maschine einsetzen. In einer bevorzugten Anwendung ist die elektrische Maschine als Asynchronmotor oder läuferspeisender Windkraftgenerator ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen naher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Kontaktspiegel einer Bürste aus einem Kohle-Kohle-Schleifringsystem gemaß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Ansicht einer Kohlebürste auf einem Schleifring gemäß dem Stand der Technik; und
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3 eine schematische Ansicht einer Kohleburste auf einem Schleifring gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die nachfolgend naher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Zum besseren Verstandnis der Erfindung wird jedoch zunachst ein bekanntes Kohle-Kohle-Schleifringsystem naher anhand der 1 und 2 erläutert.
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Bürsten eines Schleifringsystems werden haufig unsymmetrisch an der Oberseite, d. h. der von dem Schleifring abgewandten Seite, kontaktiert. Bei solchen Bursten erfolgt also eine einseitige Stromeinspeisung. Nach einer gewissen Betriebsdauer ergibt sich ein charakteristischer Kontaktspiegel an der Unterseite einer Burste, d. h. der dem Schleifring zugewandten Seite einer Burste. So ist beispielsweise etwa die eine Hälfte des Kontaktspiegels in Umfangsrichtung blank poliert, denn es findet dort reine mechanische Reibung ohne Stromdurchgang statt. Die andere Hälfte des Kontaktspiegels in Umfangsrichtung im Bereich der Stromeinspeisung ist haufig mit feiner mikroskopischer Kraterstruktur aufgrund partiell hoher Stromdichten ausgebildet.
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Solche Kontaktspiegel mit unsymmetrischer Strombelastung werden zuallererst durch den negativen Widerstand-Temperaturkoeffizienten von Graphitwerkstoffen begünstigt.
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Die Bürsten in der eingangs erwahnten Serie von elektrischen Maschinen mit Kohle-Kohle-Schleifringsystem zeigten jedoch, obwohl einseitige Kontaktierung gegeben ist, eine Kontaktspiegelstruktur gemaß 1. Der Kontaktspiegel besitzt Riefen 1 in Umfangsrichtung durch partiell erhohte Stromdichten. Daneben ergeben sich blank polierte Streifen 2 aufgrund mechanischer Reibung ohne Stromübergang.
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Der in 1 gezeigte Kontaktspiegel steht im Widerspruch zu den langjahrigen Beobachtungen im Industriebereich mit Schleifringen (z. B. Zementindustrie), denn dort ergaben sich die oben geschilderten, in Umfangsrichtung zweigeteilten Kontaktspiegel, wovon ein Kontaktbereich blank poliert und der andere riefig ist. Der Grund für diese unterschiedliche Kontaktspiegelauspragung ist offensichtlich im Werkstoff des mit der Burste gepaarten Schleifrings zu suchen.
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Der im Feldversuch beobachtete, unerwartet hohe Verschleiß an den Graphitwerkstoffen ist u. a. auf erhöhten elektrischen Verschleiß in den Riefen mit partiell erhohten Stromdichten und erhohten mechanischen Verschleiß in den blank polierten Streifen mit rein mechanischer Reibung ohne der so genannten ”Stromschmiere” zuruckzuführen. Im Idealfall schwimmt die Burste auf einem, durch den Stromubergang generierten Gaspolster (”Stromschmiere”) und die Punkte des Stromübergangs im Kontaktspiegel wechseln sich aufgrund des kontinuierlichen Bürstenverschleißes in schneller Folge gegenseitig ab, sodass es an keiner Stelle des Kontaktspiegels zu einer partiellen elektrischen/thermischen Überlastung kommen kann. In einem Kontaktspiegel entsprechend 1 kommt es jedoch im Bereich der blank polierten Streifen 2 zu einer ”harten” Reibung mit direktem Materialkontakt zwischen Burste und Schleifring. Diese ”harte” Reibung ohne ”Stromschmiere” bedeutet jedoch erhöhten mechanischen Burstenverschleiß in diesem Bereich.
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Dagegen erfahren die ”riefigen” Bereiche 1 durch elektrische/thermische Uberlastung einen noch weitaus höheren elektrischen Materialverschleiß. Durch diesen verstärkten elektrischen/thermischen Verschleiß sind die ”riefigen” Bereiche im Kontaktspiegel gegenüber den blank polierten Bereichen geringfügig rückversetzt. Dadurch muss der Stromübergang in den ”riefigen” Bereichen 1 mit partiell erhöhter Leitfähigkeit teilweise uber Mikrolichtbögen erfolgen. Durch den damit verbundenen Materialverschleiß (Kraterstruktur in den Riefen) wird die scharfe Abgrenzung zwischen ”riefigen”, elektrisch uberlasteten und blank polierten, stromlosen Bereichen weiter stabilisiert. Der daraus resultierende Bürstenverschleiß liegt deutlich uber dem herkommlicher Schleifkontaktanwendungen mit metallischen Schleifringen, die sich durch flächig ausgepragte ”Stromschmiere” und schnell wechselnde Kontaktpunkte im gesamten Kontaktspiegel der Kohlebürsten auszeichnen.
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Zur Erklarung des in 1 dargestellten Phänomens ist es notwendig, auf die Struktur von Graphit näher einzugehen. Graphit ist ein anisotroper Werkstoff. Der reine Kohlenstoff kommt in zwei sehr unterschiedlichen Modifikationen vor: Graphit und Diamant. Im kristallinen Graphit ist der Kohlenstoff mit jeweils drei Nachbaratomen in einer zwei-dimensionalen Schichtstruktur gebunden. Innerhalb dieser Ebenen liegen hohe Bindungsenergien vor, zwischen den Ebenen bestehen jedoch nur geringe Anziehungskrafte. Aus dieser extremen Richtungsabhangigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits:
- – leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Schichtebene, hohe Festigkeit senkrecht zur Schichtebene
- – fast metallische Leitfähigkeit entlang der Schichtebene, nahezu elektrische Isolation senkrecht zur Schichtebene.
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Im Diamant hingegen sind die Kohlenstoffatome tetraedrisch gebunden. Das bedeutet, jedes Atom hat vier symmetrisch ausgerichtete Bindungen zu seinem nächsten Nachbarn. Die große Härte von Diamant resultiert aus der sehr hohen Bindungsenergie der vorliegenden chemischen Bindungen.
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Graphit besitzt gegenüber metallischen Gleitwerkstoffen für Schleifringsysteme deutliche Vorteile. Zum einen ergibt sich geringe Reibung aufgrund der schichtartigen Anordnung der Kristallebenen. Zum anderen erfolgt auch bei hoheren Temperaturen kein Schmelzen, weshalb es auch zu keinem Verschweißen mit dem Gegenlaufmaterial kommt. Daruber hinaus besitzt Graphit eine geringe Dichte, ist umweltfreundlich und weist eine hohe chemische Bestandigkeit auf.
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Die Anisotropie des Graphits macht man sich bereits in Kohlebursten fur DC-Motoren zunutze. Dort benutzt man Elektrographitbursten mit Graphitschichtung quer zur Drehrichtung. Dies ergibt eine gute Leitfahigkeit in Langsrichtung und einen hohen Querwiderstand zur Verbesserung der Kommutierungsfahigkeit. Darüber hinaus wird die Schichtstruktur von Graphit auch in Kohlebursten für Schleifringlaufermotoren genutzt. Die dort haufig eingesetzten Metall-Graphit-Bürsten besitzen eine Graphitschichtung längs zur Drehrichtung. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Leitfähigkeit in Längsrichtung und eine hohe mechanische Festigkeit bei großen Umfangsgeschwindigkeiten. Die Werkstoff-Anisotropie von Graphit wird also optimal fur das jeweilige Einsatzgebiet genutzt.
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Mit dem Wissen der Anisotropie des Graphits lasst sich nun eine Schadenshypothese bezuglich des in 1 dargestellten Kontaktspiegels formulieren. Bei der oben beschriebenen Serie von Windkraftgeneratoren verlief die Graphitschichtung in den Schleifringen des Kohle-Kohle-Systems senkrecht zur Rotationsachse 3 des Laufers bzw. des Schleifrings 4, wie in 2 dargestellt ist. Radial uber dem Schleifring 4 befindet sich in Kontakt mit diesem eine Kohleburste 5. Die Kohleburste 5 besitzt zahlreiche Graphitschichten 6, die sich in Ebenen erstrecken, deren Normalenvektor bzw. Normale parallel zur Rotationsachse 3 verläuft. Ebenso besitzt der Graphitschleifring 4 eine Graphitschichtung 7, die senkrecht zur Rotationsachse 3 verläuft. In dem Schleifring 4 sind also auch Graphitschichten 6 ausgebildet, deren Normalenvektoren parallel zur Rotationsachse 3 verlaufen.
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Im axialen Querschnitt des Graphitschleifrings 4 konnten sich so die Bereiche erhöhter Leitfähigkeit aufgrund des negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Graphitwerkstoffs gegenüber den Bereichen geringerer Leitfähigkeit scharf abgrenzen. Durch die geringe Wärmeleitfahigkeit von Graphit wurden diese engen Bereiche partiell erhohter Stromdichten weiter stabilisiert. Die Strom- und Warmeverteilung wurde der Bürste durch den Schleifring weitgehend aufgepragt, sodass es zu dem ”riefigen” Kontaktspiegel wie in 1 und dem damit einhergehenden Werkstoffverschleiß kam.
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Wird nun erfindungsgemaß, wie in 3 dargestellt ist, die Schichtung im Graphitschleifring 4 zur Rotationsachse 3 in einem Winkel (90° + α) ausgerichtet, bestreichen die eng begrenzten Bereiche hoher Leitfahigkeit im Schleifring 4 einen großeren Bereich im Kontaktspiegel der Kohlebürste 5. Die Schichten in dem Graphitschleifring 4 erstrecken sich also in Ebenen, die einen gemeinsamen Normalenvektor besitzen.
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Damit werden der Burste 5 zwangslaufig weitere Bereiche der Stromführung aufgezwungen. Auch die Warmeverteilung im Kontaktspiegel der Burste 5 wird dadurch weniger eng begrenzt. Diese gleichmäßigere Warmeverteilung in der Bürste 5 hat uber den gasförmigen Ubergangswiderstand (Plasmapolster) zwischen Burste 5 und Schleifring 4 wiederum positive Rückwirkungen auf die Warmeverteilung im Schleifring 4, sodass auch dort die partiell erhohte Strombelastung gemildert wird.
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Bei den bisherigen Kohle-Kohle-Schleifringsystemen waren die Schleifringe aus Elektrographit und die Kohlebürsten aus kupferhaltigem Metallgraphit gefertigt. Metallgraphit ist ein Sinterprodukt aus fein gemahlenem Graphit und feinkornigem Metallpulver. Metallgraphit weist nicht die ausgeprägte kristalline Lamellenstruktur von Elektrographit auf. Da aber Temperatur und Druck während des Sinterprozesses als gerichtete Größen auf den Materialrohling aufgebracht werden, konnen sich auch hier anisotrope Materialeigenschaften ausprägen. Kommen nun Lamellenstruktur des Schleifrings und längsgerichtete Bereiche erhohter Leitfahigkeit der Kohleburste zufällig in der Schleifringkontaktanordnung zur Deckung, kann dies eine besonders deutlich ausgepragte Riefenstruktur im Kontaktspiegel der Bürste zur Folge haben. Somit kann auch eine Ausrichtung der Graphitstrukturen in den Kohlebursten um einen Winkel von (90° – β) gegenuber der Rotationsachse eine Verbesserung der internen Stromverteilung zur Folge haben. Mit anderen Worten, auch in der Kohlebürste sollte ein Normalenvektor der Schichtebenen um einen Winkel β von der Rotationsachse 3 abweichen.
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Eine Steigerung des Winkels α über den Wert tanαmax = a/t (a = Axialmaß der Bürste, t = Tangentialmaß der Bürste) hinaus ergibt keinen Sinn, denn ab diesem Wert wird von einer Lamellengrenzfläche im Schleifring der gesamte Kontaktspiegel der Bürste bestrichen. Das Optimum der Lamellenausrichtung in Bürste und Graphitschleifring ist erreicht, wenn es im Kontaktspiegel der Bürste keine blank polierten (stromlose) Bereiche mehr gibt. Der Winkel für dieses Optimum liegt in aller Regel deutlich unter dem Wert αmax. Welcher Winkel α in welchem Drehzahlbereich aus mechanischen Gründen (Fliehkrafte) fur die einzelnen Graphitwerkstoffe maximal zulässig ist, ist durch Versuche zu klaren.
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Eine Verbesserung der Stromverteilung könnte auch durch einen Schleifring aus Metallgraphit erreicht werden, da in diesem Werkstoff die anisotropen Werkstoffeigenschaften weniger deutlich ausgepragt sind und durch die verbesserte Warmeleitfahigkeit eine gleichmaßigere Erwärmung der Schleifringe sichergestellt ist. Allerdings ist durch entsprechende Versuchsreihen die notwendige Festigkeit solcher Werkstoffe gegen Fliehkräfte nachzuweisen. Bei Bedarf konnen solche Werkstoffe gegen Fliehkräfte durch konstruktive Gegenmaßnahmen armiert werden.
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Durch die oben beschriebenen Maßnahmen
- – Ausrichtung der Graphit-Lamellenstruktur in den Schleifringen
- – Ausrichtung der Graphit-Lamellenstruktur in Schleifringen und Kohlebürsten
- – Graphitschleifringe aus Metallgraphit
- – Graphitschleifringe aus Metallgraphit mit Fliehkraftarmierung
wird die Stromverteilung in Bürste und Graphitschleifring soweit vergleichmaßigt, dass es keine Bereiche mit ubermaßig elektrischem und keine Bereiche mit übermäßig mechanischem Verschleiß gibt. Erst durch eine erzwungene homogene Stromverteilung in Bürsten- und Schleifringquerschnitt können die elektrischen und mechanischen Vorteile eines Kohle-Kohle-Schleifringsystems zur Geltung kommen.
