DE102010024431A1

DE102010024431A1 - Kabellose elektrische Verbindung

Info

Publication number: DE102010024431A1
Application number: DE102010024431A
Authority: DE
Inventors: Norbert 91220 Gläsel; Bernhard Dr. 91096 Roas; Ulrich 91325 Wetzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über eine ionische Flüssigkeit zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen (1, 2) einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen (1, 2) ein Spalt (3) gebildet ist, der die ionische Flüssigkeit enthält. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Gleitlagerschmiermittels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kabellose elektrische Verbindung, insbesondere zur verschleißfreien elektrischen Kopplung eines bewegten und eines unbewegten Teils.
Ein zentrales Problem in der Elektrotechnik und im Maschinenbau ist die Übertragung elektrischer Signale oder elektrischer Energie zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen. Während zur Übertragung elektrischer Energie bei räumlich begrenzten Bewegungen noch Kabelverbindungen möglich sind, werden bei rotierenden elektrischen Maschinen wie Motoren oder Generatoren und auch bei medizinischen Systemen mit großem Bewegungsspielraum wie Computertomographen bevorzugt Gleit- oder Schleifkontakte genutzt, um elektrische Energie beispielsweise von einem nicht bewegten Stator zu einem bewegten Rotor zu übertragen. Solche Verbindungen sind prinzipbedingt nicht wartungsfrei und leiden einerseits unter dem zwangsläufig auftretenden Verschleiß der aneinander gleitenden oder schleifenden Bauteile und andererseits häufig unter durch nachlassende Andruckkräfte verursachten Kontaktierungsschwierigkeiten und/oder unter durch vom elektrisch leitfähigen Abrieb verursachten Kurzschlüssen.
Soll Wechselstrom übertragen werden, kann alternativ eine verschleißfreie induktive Kopplung gewählt werden, welche stets ein auch in der Umgebung der Übertragungsstrecke auftretendes, unter Umständen unerwünschtes oder störendes magnetisches Wechselfeld verursacht und Spulen geeigneter Größe in Stator und Rotor erfordert, wodurch speziell die Masse des Rotors auf unerwünschte Weise zunimmt.
Schließlich ist z. B. aus der Veröffentlichung DE 10 2005 045 959 bekannt, daß Flüssigmetalle zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen (4, 6) einer elektrischen Maschine genutzt werden können. Flüssigmetalle sind aber in der Praxis mitunter schwierig zu handhabende Substanzen. Beispielsweise kann bei Kontakt mit Feuchtigkeit und Sauerstoff Korrosion auftreten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kabellose elektrische Verbindung zur verschleißfreien elektrischen Kopplung eines bewegten Teils an ein unbewegtes Teil anzugeben, welche keine gesonderten Bauteile wie Spulen erfordert und chemisch beständiger ist als eine Flüssigmetallvorrichtung.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über eine ionische Flüssigkeit zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der die ionische Flüssigkeit enthält.
Zum Erreichen einer kompakten Bauweise der elektrischen Maschine wird vorzugsweise die elektrisch leitende Verbindung innerhalb eines (Stütz-)Lagers realisiert, d. h. vorzugsweise handelt es sich bei den sich relativ zueinander bewegenden Teilen um einerseits ein radiales Gleitlager eines Stators und anderseits eine Welle eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei die ionische Flüssigkeit zusätzlich zur Vollschmierung zwischen Gleitlager und Welle dient.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann eine Welle vorgesehen werden, die im Lagerbereich Lamellen aufweist, welche in entsprechende Aussparungen des Gleitlagers eingreifen, wobei Lamellen und Aussparungen eine von der ionischen Flüssigkeit benetzte Lageroberfläche vergrößern und so die Leitfähigkeit der Verbindung verbessern.
Vorteilhaft können Benetzungseigenschaften und/oder Viskosität der ionischen Flüssigkeit so gewählt werden, daß ein Austreten der ionischen Flüssigkeit aus dem Lager allein durch eine entsprechende komplementäre Beschichtung der Gleitlagerrandbereiche verhindert wird. Hinsichtlich der Benetzungseigenschaften lassen sich ionische Flüssigkeiten in hydrophile ionische Flüssigkeiten und hydrophobe ionische Flüssigkeiten unterteilen. Hydrophile ionische Flüssigkeiten können beispielsweise durch eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung des Lagerrandbereiches, etwa mittels Teflon, am Austreten aus dem Lagerbereich gehindert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Anwendung einer erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Verbindung bei einem Elektromotor sowie die Anwendung bei der Gantry eines Computertomographen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Gleitlagerschmiermittels, vorzugsweise zur Lagerung einer Achse oder Welle einer rotierenden elektrischen Maschine.
Ein wichtiger Vorteil der Verwendung ionischer Flüssigkeiten für eine elektrisch leitende Verbindung ist darin zu sehen, daß ionische Flüssigkeiten die unmittelbare Übertragung von Gleichspannung erlauben und chemisch beständiger sind als Flüssigmetalle, eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, nicht brennbar sind und hervorragende Schmiereigenschaften aufweisen. Zusätzlich lassen sich bei ionischen Flüssigkeiten bestimmte Eigenschaften wie Affinität zu Wasser, Löslichkeit und Viskosität gezielt einstellen.
Allgemein handelt es sich bei ionischen Flüssigkeiten um Salze, die je nach Zusammensetzung bis –50°C und darunter flüssig sind. Im Gegensatz zu rein anorganischen Salzen, die erst bei hohen Temperaturen schmelzen, ist in einer ionischen Flüssigkeit mindestens das Kation eine organische Verbindung. Ionische Flüssigkeiten haben keinen meßbaren Dampfdruck und sind thermisch und elektrochemisch sehr stabil. Einen kurzen Überblick über ionische Flüssigkeiten und ihre sonstigen Eigenschaften liefert beispielsweise der Artikel "Ionische Flüssigkeiten", erschienen im März 2009 in der von der Gesellschaft Deutscher Chemiker herausgegebenen Publikation "Nachrichten aus der Chemie" Band 57, S. 290ff.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Welle 2 eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine ist in einem Gleitlager 1 eines Stators der Maschine gelagert. Welle 2 und Gleitlager 1 bilden einen umlaufenden Spalt 3, der mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt ist, welche sowohl der Vollschmierung des Gleitlagers 1 als auch der elektrischen Verbindung zwischen Gleitlager 1 und der Welle 2 dient.
Welle 2 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel im Lagerbereich Lamellen 4 auf, welche in entsprechende Aussparungen 5 des Gleitlagers 1 eingreifen. Lamellen 4 und Aussparungen 5 vergrößern die von der ionischen Flüssigkeit benetzte Lageroberfläche und verbessern so die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung.
In alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann auf Lamellen 4 und Aussparungen 5 verzichtet werden, insbesondere dann, wenn die durch die ionische Flüssigkeit fließenden Ströme hinreichend gering sind, so daß die über dem durch die ionische Flüssigkeit gebildeten elektrischen Widerstand auftretende Verlustleistung einen gewünschten Wert nicht überschreitet.
Ionische Flüssigkeiten erreichen Leitfähigkeiten von bis zu 100 mS/cm und mehr. Bei einer beispielhaften Ionischen Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 100 mS/cm beträgt der elektrische Widerstand zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden mit einem Abstand von 1 mm und einer Fläche von 1 cm² genau 1 Ω. Folglich können über ein Wellenstück mit einer Länge von 30 cm und einem Durchmesser von 10 cm, welches eine Oberfläche von ca. 1000 cm² aufweist, Ströme von 100 A bei einem Spannungsabfall von nur 0,1 V über der ionischen Flüssigkeit und einer resultierenden Verlustleistung von 10 W übertragen werden. Diese Verluste können, wie in der Figur dargestellt, durch die Lamellen 4 und Lageraussparungen 5 weiter verringert werden.
Ein wichtiger Vorteil bei der Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Schmier- und Kontaktmittel ergibt sich daraus, daß sich bestimmte Eigenschaften wie Affinität zu Wasser, Löslichkeit und Viskosität gezielt einstellen lassen. So ist es beispielsweise möglich, eine hydrophile Flüssigkeit mit einer geeigneten Viskosität zu schaffen, die allein durch eine entsprechende hydrophobe Beschichtung 6 von Stator und Rotor in den Lagerrandbereichen im Lager gehalten werden kann, so daß zusätzliche Dichtungen entfallen können. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, eine hydrophobe Flüssigkeit innerhalb eines hydrophil beschichteten Bereiches zu halten. Allgemeiner gesagt lassen sich Benetzungseigenschaften und Viskosität der ionischen Flüssigkeit und der Beschichtung 6 so wählen, daß die ionische Flüssigkeit ohne weitere Maßnahmen im Lagerbereich verbleibt.
Für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete ionische Flüssigkeiten mit besonders hoher Leitfähigkeit erhält man beispielsweise mit einem Kation auf Basis1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIM), z. B. EMIM tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate, EMIM bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, EMIM tetracyanoborate und EMIM dicyanamide. Auch mit anderen Kationen erreicht man auf Basis des tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate (FAP) Anions hohe Leitfähigkeiten, z. B. 1-ethyl-3-methylimidazolium FAP, 1-methoxyethyl-1-methylpyrrolidinium FAP, 1-butyl-3-methylimidazolium FAP und 1-butyl-1-methylpyrrolidinium FAP.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, anstelle einer Beschichtung und einer entsprechend ausgewählten Flüssigkeit durch herkömmliche Dichtungen dafür zu sorgen, daß die ionische Flüssigkeit innerhalb des Lagers verbleibt. Ferner ist es natürlich auch möglich, andere Lagerarten als das dargestellte Radiallager mit einer ionischen Flüssigkeit zu schmieren und mit dieser gleichzeitig eine elektrische leitende Verbindung zu gewährleisten, beispielsweise Linearlager. Schließlich ist es mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei sich in beliebiger Weise relativ zueinander bewegenden Teilen einer beliebigen elektrischen Maschine mittels einer ionischen Flüssigkeit zu schaffen, welche lediglich der verschleißfreien elektrischen Kopplung der sich relativ zueinander bewegenden Teile dient und nicht gleichzeitig auch noch mechanische Aufgaben wie Lagerung erfüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005045959 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel ”Ionische Flüssigkeiten”, erschienen im März 2009 in der von der Gesellschaft Deutscher Chemiker herausgegebenen Publikation ”Nachrichten aus der Chemie” Band 57, S. 290ff [0013]

Claims

Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über eine ionische Flüssigkeit zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen (1, 2) einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen (1, 2) ein Spalt (3) gebildet ist, der die ionische Flüssigkeit enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der es sich bei den sich relativ zueinander bewegenden Teilen (1, 2) um ein radiales Gleitlager (1) eines Stators und eine Welle (2) eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine handelt, wobei die ionische Flüssigkeit zusätzlich zur Vollschmierung zwischen Gleitlager (1) und Welle (2) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Welle im Lagerbereich Lamellen (4) aufweist, welche in entsprechende Aussparungen (5) des Gleitlagers eingreifen, wobei Lamellen (4) und Aussparungen (5) eine von der ionischen Flüssigkeit benetzte Lageroberfläche vergrößern und so die Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindung verbessern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der eine ionische Flüssigkeit eingesetzt wird, deren Benetzungseigenschaften und/oder Viskosität so gewählt werden, daß ein Austreten der ionischen Flüssigkeit aus dem Lager allein durch eine entsprechende komplementäre Beschichtung (6) der Gleitlagerrandbereiche verhindert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren ionische Flüssigkeit EMIM als Kation aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren ioniosche Flüssigkeit FAP als Anion aufweist.
Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Elektromotor.
Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der Gantry eines Computertomographen.
Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Gleitlagerschmiermittels.
Verwendung nach Anspruch 9, bei dem das Gleitlagerschmiermittel zur Lagerung einer Achse oder Welle einer rotierenden elektrischen Maschine verwendet wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine ionische Flüssigkeit mit EMIM als Kation.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine ionische Flüssigkeit mit FAP als Anion.