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Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit zum Übertragen von elektrischen Strömen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilgruppen, gemäß dem Anspruch 1.
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Schleifringeinheiten bestehen üblicherweise aus zwei Bauteilgruppen, nämlich einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst häufig Bürstenelemente, wogegen der Rotor meist eine Mehrzahl von konzentrischen Schleifringen aufweist. Im Betrieb haben die Bürstenelemente gleitenden Kontakt zu den rotierenden Schleifringen. Die Bauweise, bei der die relativ zueinander drehbaren Bauteilgruppen mit axialem Anstand zueinander angeordnet sind, wird häufig als Tellerschleifring-Bauweise bezeichnet. Derartige Schleifringeinheiten werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt, um elektrische Signale oder elektrische Leistung von einer ortsfesten auf eine sich drehende elektrische Einheit zu übertragen.
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Beispielsweise werden entsprechende Schleifringeinheiten in Robotern eingesetzt, wo Steuersignale und elektrische Antriebsleistung zwischen relativ zueinander drehenden Baueinheiten übertragen werden müssen.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 94 01 715 ist eine Schleifringeinheit zum Übertragen von Signalen und elektrischer Leistung gezeigt. In diesem Zusammenhang werden auskragende federnde Kontaktpaare verwendet, die tangential gegenüber liegend zueinander angeordnet sind und einen schleifenden Kontakt zu Kontaktringen herstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifringeinheit zu schaffen, welche zuverlässig arbeitet, nur einen vergleichsweise geringen Bauraum beansprucht und einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß umfasst die Schleifringeinheit eine erste und eine zweite Bauteilgruppe, welche relativ zueinander um eine Achse drehbar angeordnet sind, wobei die Schleifringeinheit zum Übertragen von elektrischen Strömen oder Signalen zwischen den beiden Bauteilgruppen über mehrere Umdrehungen hinweg geeignet ist. Die erste Bauteilgruppe umfasst einen Halter, an dem zumindest ein Bürstenelement an zwei Lagerstellen festgelegt ist. Die zweite Bauteilgruppe weist zumindest einen geschlossenen umlaufenden Schleifring auf. Der Halter ist in axialem Abstand zum Schleifring angeordnet und der Schleifring wird von dem Bürstenelement an einer Kontaktierungsstelle im Betrieb schleifend kontaktiert. Die Schleifringeinheit ist nun so konfiguriert, dass entlang des Verlaufes des Bürstenelements die Kontaktierungsstelle zwischen den Lagerstellen angeordnet ist und die Kontaktierungsstelle in radialem Versatz zu einer Linie, welche die Lagerstellen verbindet, angeordnet ist.
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Als Lagerstellen sind diejenigen Orte zu verstehen, an denen das Bürstenelement am Halter im Sinne eines Auflagers nach den Grundlagen der technischen Mechanik abgestützt ist. Entsprechend werden an den Lagerstellen Reaktionskräfte und/oder Reaktionsmomente zu den auf das Bürstenelement eingeprägten Kräften abgestützt. Die Lagerstellen können zur Idealisierung auf einen geometrischen Punkt reduziert werden. Sofern die Kontaktierungsstelle nicht punktförmig ist kann hier der Mittelpunkt oder der Schwerpunkt der Fläche der Kontaktierungsstelle für die Betrachtungen herangezogen werden.
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Als elektrische Ströme sind im Folgenden Ströme zu verstehen, die zur Übertragung von elektrischer Leistung erforderlich sind aber auch Ströme die als Signale ausgebildet sind und lediglich zur Übertragung von Informationen dienen. Die Bürstenelemente der erfindungsgemäßen Schleifringeinheit sind mit Vorteil für die Signalübertragung geeignet bzw. bestimmt.
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Mit Vorteil weist die Schleifringeinheit mehrere Bürstenelemente mit jeweils identischer Geometrie auf.
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Die Schleifringeinheit kann so konfiguriert sein, dass die Festlegung bzw. Fixierung des Bürstenelements an den Lagerstellen derart ausgestaltet ist, dass durch diese Festlegung ein Reaktionsmoment um die Linie, welche die Lagerstellen verbindet, übertragbar ist. Eine entsprechende Lagerung an dieser Lagerstelle kann als zweiwertige Lagerung verstanden werden. Insbesondere dann, wenn die Festlegung an den Lagerstellen derart ausgestaltet ist, dass durch diese radial und tangential orientierte Reaktionskräfte an den Halter übertragbar sind.
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Weiterhin kann die Festlegung an einer der Lagerstellen derart ausgestaltet sein, dass das Bürstenelement an der betreffenden Lagerstelle relativ zum Halter starr festgelegt ist. In diesem Zusammenhang kann von einer starren Einspannung des Bürstenelements am Halter an der betreffenden Lagerstelle gesprochen werden, also von einer dreiwertigen Lagerung. Die Schleifringeinheit kann auch so ausgestaltet sein, dass die Festlegung an beiden Lagerstellen starr ausgestaltet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Festlegung an zumindest einer der Lagerstellen derart ausgestaltet sein, dass das Bürstenelement an der betreffenden Lagerstelle relativ zum Halter axial verschieblich festgelegt ist.
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Mit Vorteil beträgt ein Winkel zwischen einer Verbindungslinie, welche die Kontaktierungsstelle mit der einen Lagerstelle verbindet, und einer Verbindungslinie, welche die Kontaktierungsstelle mit der anderen Lagerstelle verbindet, weniger als 180°, insbesondere weniger als 150°, mit Vorteil weniger als 100°.
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Vorteilhaft ist es, wenn bezogen auf ein Bürstenelement, also im Hinblick auf ein und dasselbe Bürstenelement innerhalb der Schleifringeinheit, zumindest eine der Lagerstellen näher an der Achse zu liegen kommt als die Kontaktierungsstelle. Weiterhin kann die Schleifringeinheit so konstruiert sein, dass dieser mehrere Bürstenelemente aufweist, wobei dann die Kontaktierungsstellen der Bürstenelemente entlang einer, insbesondere radial orientierten, Linie angeordnet sind, und/oder die Lagerstellen der Bürstenelemente entlang einer, insbesondere tangential orientierten, Linie angeordnet sind.
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Weiterhin kann das Bürstenelement einen runden Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann das Bürstenelement aus einem Rundmaterial, etwa einem Draht, gefertigt werden, so dass das Bürstenelement auch als Drahtbügel bezeichnet werden kann. Sofern ein derartiges Bürstenelement nur lokal begrenzt einen Querschnitt aufweist, der von der runden Geometrie abweicht, kann dennoch von einem Bürstenelement mit rundem Querschnitt gesprochen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere zur Optimierung seiner Federeigenschaften, kann das Bürstenelement eine Verjüngung aufweisen. Mit Vorteil weist dann die Verjüngung einen Verlauf entlang einer Linie auf, wobei die Linie eine Richtungskomponente parallel zur Linie, welche die Lagerstellen verbindet, orientiert ist. Entsprechend kann so der Biegewiderstand gegenüber Biegemomenten, die durch axiale Kräfte in die Kontaktierungsstelle eingeleitet werden, reduziert werden. Eine entsprechende Verjüngung kann beispielsweise durch eine spanlose Umformung, etwa durch Pressen bzw. durch eine plastische Verformung an einer Stelle des Bürstenelements hergestellt werden, so dass das Material des Bürstenelements verschoben wird und die absolute Größe der Querschnittsfläche, die etwa in mm2 gemessen wird, an sich nicht verändert oder reduziert wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da der zu übertragende Strom unter Umständen von der absoluten Größe der Querschnittsfläche begrenzt wird. Die Verjüngung weist zudem mit Vorteil einen Verlauf auf, der orthogonal zur Achse orientiert ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Schleifringeinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.
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Es zeigen die
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1a eine Draufsicht auf Schleifringe mit den dazugehörigen Bürstenelementen einer Schleifringeinheit gemäß der Ansicht B-B,
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1b eine Seitenansicht der Schleifringeinheit gemäß der Ansicht C-C,
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1c eine Seitenansicht der Schleifringeinheit gemäß der Ansicht D-D,
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2 eine Detailansicht eines Bürstenelements,
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3a eine Detailansicht eines Bürstenelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3b eine weitere Detailansicht des Bürstenelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß den 1a, 1b, 1c umfasst die erfindungsgemäße Schleifringeinheit eine erste Bauteilgruppe 1, die beispielsweise als Stator dienen kann, und eine zweite Bauteilgruppe 2, welche etwa als Rotor fungieren kann. Die Schleifringeinheit dient zum Übertragen von elektrischen Strömen zwischen der ersten Bauteilgruppe 1 und der zweiten Bauteilgruppe 2, wobei die Bauteilgruppen 1, 2 relativ zueinander um eine Achse A drehbar angeordnet sind. Als elektrische Ströme sind Ströme zu verstehen, die zur Übertragung von elektrischer Leistung erforderlich sind aber auch Ströme die als Signale ausgebildet sind und lediglich zur Übertragung von Informationen dienen.
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Die zweite Bauteilgruppe 2 umfasst eine Ringscheibe 2.1, die im vorliegenden Beispiel als eine Leiterplatte mit kreisförmiger Außenkontur ausgestaltet ist. Auf einer Seite der Ringscheibe 2.1 sind mehrere konzentrisch zur Achse A angeordnete Schleifringe 2.2, 2.3 aufgebracht, welche über 360° geschlossenen umlaufend ausgestaltet sind, so dass durch die Schleifringeinheit eine Übertragung von elektrischen Strömen mit unbegrenztem Drehwinkel, also über beliebig viele Umdrehungen hinweg, erreichbar ist. Damit eine lange Lebensdauer erzielt wird, bestehen die Schleifringe 2.2, 2.3 jeweils aus einer Edelmetallschicht, die auf eine elektrisch leitende Zwischenschicht oder direkt auf das Leiterplattenmaterial der Ringscheibe 2.1 aufgebracht ist. Die in den 1a–1c radial weiter außen liegenden Schleifringe 2.2, welche eine geringere Ringbreite aufweisen bzw. eine schmalere Spur bilden, dienen zur Übertragung von elektrischen Signalen, also zur Übertragung von Strömen mit überaus geringer Stromstärke. Dagegen sind die Schleifringe 2.3 mit der größeren Ringbreite zur Übertragung von höheren Stromstärken, beispielsweise zwischen 1 A und 16 A, bestimmt. Insbesondere die Schleifringe 2.2 mit der geringeren Ringbreite sind so ausgestaltet, dass diese, bedingt durch die Materialwahl und die Bemessung des Querschnitts, einen elektrischen Widerstand von weniger als 10 Ω/m, insbesondere weniger als 1 Ω/m aufweisen.
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Der Übersichtlichkeit halber wurde in den Figuren auf die Darstellung von elektrischen Leitungen verzichtet, die an der den Schleifringen 2.2, 2.3 gegenüberliegenden Seite der Ringscheibe 2.1 vorgesehen sind und jeweils mit den Schleifringen 2.2, 2.3 mittels Durchkontaktierung elektrisch verbunden sind.
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Die erste Bauteilgruppe 1 weist einen Halter 1.1 auf, welcher ebenfalls als eine Leiterplatte ausgestaltet ist. Der Halter 1.1 ist in axialem Abstand a zu den Schleifringen 2.2, 2.3 angeordnet. Derartige Schleifringeinheiten werden häufig als Tellerschleifringe oder Pan-Cake-Slip-Rings bezeichnet. Sowohl der Halter 1.1 als auch die Ringscheibe 2.1 werden an relativ zueinander drehbaren Maschinenteilen befestigt, deren relative Anordnung den Abstand a definiert. Derartige Maschinenteile können naturgemäß im Betrieb wechselnde Drehrichtungen annehmen und vibrieren oder Stöße in die Schleifringeinheit einleiten. Durch die Vibrationen oder Stöße kann der axiale Abstand a, wenn auch nur in geringem Maße, zeitlichen Änderungen unterliegen.
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An dem Halter 1.1 sind Bürstenelemente 1.2, 1.3 befestigt, welche der ersten Bauteilgruppe 1 zuzuordnen sind und federnd die Schleifringe 2.2, 2.3 berühren. Die vier radial innen liegenden Bürstenelemente 1.3 sind aus einem Flachmaterial mit Hilfe eines Stanz-Biegeprozesses hergestellt und dienen zur Übertragung von elektrischer Leistung.
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Die anderen Bürstenelemente 1.2 sind dagegen aus einem Draht gebogen, welcher im vorgestellten Ausführungsbeispiel einen Kupferkern aufweist und mit Edelmetall beschichtet ist, wobei die Beschichtung selektiv nur im Bereich der Kontaktierungsstelle X erfolgen kann oder über die gesamte Länge des Bürstenelementes 1.2. Diese Bürstenelemente 1.2 sind zur Signalübertragung bestimmt und innerhalb einer Schleifringeinheit jeweils baugleich ausgeführt, so dass sie demnach jeweils eine identische Geometrie aufweisen.
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Die Enden der Bürstenelemente 1.2 zur Signalübertragung werden in dafür vorgesehene Bohrungen im Halter 1.1 eingeführt. Diese Verbindungsstellen bilden folglich Lagerstellen Y, Z, an denen jeweils ein Bürstenelement 1.2 am Halter 1.1 festgelegt ist. An der Lagerstelle Z wird, entsprechend der 2, zudem ein Lötpunkt 1.11 gesetzt, so dass das jeweilige Bürstenelement 1.2 an der Lagerstelle Z relativ zum Halter 1.1 starr befestigt ist und bezüglich aller sechs Freiheitgrade fixiert ist. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel wird an der anderen Lagerstelle Y keine weitere Befestigungsmaßnahme getroffen, so dass dort das jeweilige Bürstenelement 1.2 relativ zum Halter 1.1 in Axialrichtung verschieblich festgelegt ist. Durch die starre Verbindung des Bürstenelements 1.2 an der Lagerstelle Z und andererseits durch die an den Endbereich des Bürstenelements 1.2 anschließende Krümmung ist die axiale Beweglichkeit des Bürstenelements 1.2 innerhalb der Bohrung an der Lagerstelle Y im Halter 1.1 begrenzt.
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Elektrisch sind die Bürstenelemente 1.2 zur Signalübertragung, wie auch die Bürstenelemente 1.3 zur Übertragung der elektrischen Leistung mit Leitern an der den Bürstenelementen 1.2, 1.3 gegenüber liegenden Seite verbunden. Auf die Darstellung entsprechender Anschlusskabel wurde in den Figuren verzichtet. In Bezug auf die Bürstenelemente 1.2 zur Signalübertragung wird die elektrische Anbindung an den rückseitigen Leiter an der Lagerstelle Z durch den Lötpunkt 1.11 in Verbindung mit einer Durchkontaktierung gewährleistet. An der Lagerstelle Y ist keine elektrische Kontaktierung vorgesehen. Alternativ kann an der Lagerstelle Y eine axial bewegliche elektrische Verbindung hergestellt werden, so dass die Anordnung beispielsweise im Hinblick auf Kriterien der elektromagnetischen Verträglichkeit optimiert ist.
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Rein geometrisch können, wie in der 2 ersichtlich, die Lagerstellen Y, Z mit einer Linie yz verbunden werden. Dabei können beispielsweise im Bereich der Lagerstellen Y, Z die Mittelpunkte des runden Querschnitts des Bürstenelements 1.2 bzw. die Mittelpunkte der Bohrungen durch den Halter 1.1 als geometrische Verbindungspunkte verwendet werden. Die Bürstenelemente sind nun so gestaltet und derart in der Schleifringeinheit angeordnet, dass die Kontaktierungsstelle X in radialem Versatz d zur Linie yz angeordnet ist. Der Versatz d ist eine Teilstrecke der Verbindung zwischen der Kontaktierungsstelle X und der Achse A.
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Entsprechend kann durch die Kontaktierungsstelle X und die beiden Lagerstellen Y, Z gemäß der 1b eine Ebene E aufgespannt werden, die derart im Raum zu liegen kommt, dass diese von der Achse A geschnitten wird.
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Die Festlegung bzw. Fixierung des jeweiligen Bürstenelements 1.2 ist an beiden Lagerstellen Y, Z also so ausgestaltet, dass durch diese ein Reaktionsmoment um die Linie yz, welche die Lagerstellen Y, Z verbindet, übertragbar ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Enden des Bürstenelements 1.2 in entsprechende axiale Bohrungen des Halters 1.1 passgenau eingeführt sind. Aufgrund dieser Bauweise ist die Festlegung des jeweiligen Bürstenelements 1.2 an den Lagerstellen Y, Z zudem so eingerichtet, dass radial und tangential orientierte Reaktionskräfte vom Bürstenelement 1.2 an den Halter 1.1 übertragbar sind. Die Festlegung des jeweiligen Bürstenelements 1.2 ist an der Lagerstelle Z ist schließlich so ausgestaltet, dass durch diese eine Reaktionskraft in axialer Richtung übertragbar ist.
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Das Bürstenelement 1.2 berührt den zugehörigen Schleifring 2.2 an einer Kontaktierungsstelle X, welche entlang des Verlaufes des Bürstenelements 1.2 zwischen den beiden Lagerstellen Y, Z angeordnet ist. Mit anderen Worten: Ausgehend von der ersten Lagerstelle Y dem Verlauf des Bürstenelements 1.2 folgend wird zunächst die Kontaktierungsstelle X erreicht und dann die zweite Lagerstelle Z.
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Die Verbindungslinie xy verbindet die Kontaktierungsstelle X mit der Lagerstelle Y, während die Verbindungslinie xz die Kontaktierungsstelle X mit der anderen Lagerstelle Z verbindet. Die Bürstenelemente 1.2 sind so gebogen, dass im vorgestellten Ausführungsbeispiel zwischen den geometrisch angenommenen Verbindungslinien xy, xz ein Winkel α von etwa 115° eingeschlossen wird.
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Im Betrieb der Schleifringeinheit dreht sich die zweite Bauteilgruppe 2 relativ zur ersten Bauteilgruppe 1. Infolgedessen entsteht ein schleifender Kontakt zwischen den Bürstenelementen 1.2, 1.3 und den damit korrespondierenden Schleifringen 2.2, 2.3. Dadurch, dass die Bürstenelemente 1.2, welche elektrische Signale übertragen, an den Lagerstellen Y, Z beidseitig der Kontaktierungsstelle X am Halter 1.1 festgelegt sind, werden insbesondere Slip-Stick-Effekte unterbunden. Entsprechend ist somit gewährleistet, dass die Bürstenelemente 1.2 ohne Unterbrechung die zugehörigen Schleifringe 2.2 kontaktieren, was gerade für eine sichere Signalübertragung von großer Bedeutung ist. Des Weiteren kann konstruktionsbedingt auch bei Vibrationen ein temporäres abheben der Bürstenelemente 1.2 von den Schleifringen 2.2 wirksam unterbunden werden. Der radiale Versatz d wirkt als Hebelarm zur Einleitung eines Biegemoments um die Verbindunglinie yz, so dass eine elastische Vorspannung der Bürstenelemente 1.2 erzeugbar ist. In der Folge wird so über eine vergleichsweise weite axial orientierte schwingungsbedingte zeitliche Änderungen des Abstands a eine geeignete Andrückkraft an die Schleifringe 2.2 erreicht. Entsprechend arbeitet die neue Schleifringeinheit überaus zuverlässig, wenn diese Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt ist. Gleichzeitigt erlaubt die neue Bauweise eine überaus platzsparende Anordnung. Insbesondere kann durch die neue Konstruktion erreicht werden, dass die Lagerstellen Y, Z aller Bürstenelemente 1.2 zur Signalübertragung einen geringeren Abstand zur Achse A aufweisen als der Außendurchmesser der Ringscheib 2.1. Dadurch kann eine kompakte Bauweise der Schleifringeinheit erreicht werden.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den 3a, 3b unterscheidet sich vom vorhergehenden dadurch, dass das Bürstenelement 1.2' eine Verjüngung 1.21' aufweist. Diese Verjüngung 1.21' wurde durch einen Pressvorgang erzeugt, wobei ein Presswerkzeug so angelegt wurde, dass die Verjüngung 1.21' im eingebauten Zustand des Bürstenelements 1.2' entlang einer Linie yz' verläuft, die parallel zur Linie yz orientiert ist. Der Verlauf der Verjüngung 1.21' orientiert sich also an dem Verlauf der dünnsten Stelle innerhalb der Verjüngung 1.21' des Bürstenelements 1.2'.
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Die Verjüngung 1.21' dient im Wesentlichen dazu den für den Betrieb der Schleifringeinheit maßgeblichen Biegewiderstand des Bürstenelements 1.2' zu reduzieren, indem im Bereich der Verjüngung 1.21' das Flächenträgheitsmoment reduziert ist. Gleichzeitig ist aber im vorgestellten Ausführungsbeispiel die absolute Querschnittsfläche in mm2 nicht verringert worden, so dass praktisch keine elektrische Einbußen im Hinblick auf die Höhe des übertragbaren Stroms zu verzeichnen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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