DE102012203098A1

DE102012203098A1 - Elektrische Maschine mit Bürstensystem

Info

Publication number: DE102012203098A1
Application number: DE201210203098
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit Bürstensystem (2), das rotierende Schleifringe (3) und stationäre Bürsten (4, 5), die elektrisch mit den Schleifringen (3) in Schleifkontaktverbindung (6) stehen, aufweist. Ein Bürstengehäuse (7) umgibt die Schleifringe (3) und die Bürsten (4, 5). Innerhalb des umgebenden Bürstengehäuses (7) ist eine geschlossene Luftzirkulations- und Kühlvorrichtung (8) angeordnet. Das Bürstensystem (2) weist zusätzlich eine Filtereinrichtung (10) auf, mittels der Abriebstoffe (9) der Schleifkontaktverbindung (6) aus der Luftzirkulation herausgefiltert werden. Ferner kann mittels der filtergereinigten Luft die Schleifkontaktverbindung (6) gekühlt werden.

Description

Es wird eine elektrische Maschine mit Bürstensystem beschrieben, bei der das Bürstensystem rotierende Schleifringe und stationäre Bürsten aufweist, die elektrisch mit den Schleifringen in Schleifkontaktverbindung stehen. Ferner sind die Schleifringe und die Bürsten von einem Bürstengehäuse umgeben.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 000 315 A1 ist dazu ein Universalmotor mit einer Einrichtung zum Entfernen von Staub bekannt. Dieser Universalmotor weist zwei Kohlebürsten, die jeweils in einem Kommutierungsbereich einen Kommutator kontaktieren, eine Lüftungseinrichtung, mittels der ein Kühlstrom in einem Kühlstrompfad erzeugbar ist, und einen Staubschutz auf. Mittels des Staubschutzes sind Materialpartikel vom Kommutierungsbereich beabstandbar. Der Kommutierungsbereich weist in der bekannten Technik dazu ein Leitelement auf, mittels dem die Materialpartikel dem Kühlstrom zuleitbar sind. Dieses mindestens eine Leitelement ist zwischen den Kohlebürsten angeordnet und weist eine dem Kommutator zugewandte glatte, konkave Leitfläche auf, die sich benachbart zu einer Oberfläche des Kommutators erstreckt und zu einer Absaugöffnung hin gerichtet ist, die mit dem Kühlstrompfad verbunden ist.
In der bekannten Ausführungsform wird Außenluft mittels des Kühlluftpfades über eine Schleifkontaktverbindung zwischen den zwei Bürsten und dem Kommutator rückgeführt und reißt entsprechende Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung mit dem Kühlluftstrom der elektrischen Maschine in den Innenraum der Maschine über die Rotorlagerungen, den Stator und die Rotorwicklungen sowie der Lüftungseinrichtung in Form eines Gebläses in die Außenluft der Umgebung.
Bei diesem Universalmotor werden die Abriebstoffe, feinste Kohlenstoffpartikel und feinste Partikel der Bindemittel, in die bewegten Teile der elektrischen Maschine, wie Lager, Rotor, Lüftungsgebläse, hineingetragen, so dass diese Komponenten in ihrer Funktion beeinträchtigt werden können und im Extremfall die Rotorlager verschmutzen und elektrisch leitende Belege Kriechströme ermöglichen, welche den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine vermindern. Außerdem besteht die Gefahr, dass in einer schmiermittel- und aerosolhaltigen Umgebung, wie in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs, die Wirksamkeit des Kommutators beeinträchtigt wird, da die aerosolhaltige Umgebungsluft im Motorraum eines Fahrzeugs über die Schleifkontaktverbindung bei dem bekannten Universalmotor strömt und die sich ausbildenden Schmierfilme die Schleifkontaktverbindung des Bürstensystems beeinträchtigen können.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Paarung aus Kohlebürsten und Gegenlaufmaterial des Kommutators bildet eine Schleifkontaktverbindung und gleichzeitig eine Verschleißpartnerschaft. Die Kohlebürste soll verschleißen, das Gegenlaufmaterial soll möglichst nicht beschädigt werden. Der Verschleiß der Kohlebürste hängt dabei stark von den Betriebsbedingungen, wie Umlaufgeschwindigkeit, Umgebungsbedingungen und elektrische Belastung, ab. Abhängig vom verwendeten Kohlenbürstenwerkstoff sind die anfallenden Abriebstoffe in Form von Bürstenverschleißstoff mehr oder weniger anhaftend und leitfähig. Im Laufe der Betriebszeit verschlechtern sich so die Isolationseigenschaften erheblich. Dies kann zu Durchschlägen und Abbrand der Isolation führen. Ebenfalls kann das zu Fehlfunktionen oder Beschädigungen von anderen Teilen, insbesondere von elektrischen und elektronischen Komponenten, in der elektrischen Maschine führen.
Selbst dünne Schichten des absetzenden Verschleißstaubs auf Isolatoren der im Kühlluftstrom der bekannten elektrischen Maschine mit Führung des Verschleißstaubs über eine Kühlluftführung durch die elektrische Maschine hindurch können in den stromabwärts angeordneten Komponenten den Isolationswiderstand erheblich herabsetzen. Verschmutzte Isolatoren sind eine Ursache für Überschläge und die Abriebstoffe in Verbindung mit Öl oder Feuchtigkeit können zu sich festfressenden Kohlebürsten führen. Auch sind die Abriebstoffe aus Graphit deutlich leitfähiger als Oxide von Metallleitern, so dass in Bezug auf die Absenkung des Isolationswiderstandes die Abriebstoffe von graphitischen Werkstoffen wie bei Kohlebürsten kritischer sind als die von metallischen Werkstoffen. Somit ergibt sich für Elektromaschinen nachteilig die Forderung einer regelmäßigen Wartung nach vorgegebenen Betriebszeitenintervallen, wobei die abgeschiedenen Abriebstoffe von den Komponenten der Elektromaschine zu entfernen sind. Derartige Wartungen sind zeit- und kostenintensiv, da fest anhaftende Abriebstoffe aus der Anordnung bzw. von den Oberflächen der Komponenten des Elektromotors vollständig entfernt werden müssen.
Ein weiteres Problem des bekannten Bürstensystems mit Abführung der Abriebstoffe über das Innere der elektrischen Maschine mithilfe des Kühlluftstromes ist, dass die Abriebstoffe in Bereiche eindringen können, die zwischen den Bürsten und dem Motorgebläse liegen, wie beispielsweise die Lagerungen des Rotors. Dabei können die Abriebstoffe der Kohlebürsten in die Wälzlager eindringen, das Fett der Wälzlager zersetzen und deren Lebensdauer reduzieren.
Ein anderes Problem ist, wenn austretendes Wälzlagerfett zu den Schleifringen wandert. Staub, Öle und fetthaltige Stoffe auf den Kohlebürsten oder auf den Schleifringlaufflächen haben nachteilige Auswirkungen. Unter Einwirkung der an der Bürstenlauffläche auftretenden Wärme zersetzt sich das am Schleifring haftende Öl. Hierbei verdunsten die flüchtigen Bestandteile, während schwere nicht flüssige Stoffe an den Unebenheiten der Schleifringe haften bleiben. Es entsteht ein Rückstand, der sich aus teerartigen Stoffen, Verschleißstaub der Kohlebürsten und Staub aus der Umgebung der Maschine zusammensetzt. Der Schmierbelag auf der Schleifringoberfläche bewirkt, dass sich der Übergangswiderstand zwischen dem Schleifring und der Kohlebürstenlauffläche vergrößert. Wenn der Schmierbelag zu dick wird, kann Bürstenfeuer auftreten, die Fettstoffe verkoken und verursachen eine Rippenbildung. In allen Fällen kommt es zu Anbrennungen und erhöhtem Kohlebürstenverschleiß, was zu einer verkürzten Lebensdauer des Elektromotors führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den anfallenden Bürstenverschleißstaub zu sammeln, Verschmutzungen im Bürstensystem zu vermeiden, Wartungsintervalle zu verlängern und das Eindringen von Bürstenstaub in ein Rotorwellenlager zu verhindern. Eine weitere Aufgabe ist es, durch Kühlung von Schleifring und Bürstenoberfläche den Bürstenverschleiß zu verringern, zumal erhöhte Betriebstemperaturen zu erhöhtem Kohlebürstenverschleiß führen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden mit den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Mit einer Ausführungsform der Erfindung wird eine elektrische Maschine mit Bürstensystem geschaffen. Die elektrische Maschine weist rotierende Schleifringe und stationäre Bürsten, die elektrisch mit den Schleifringen in Schleifkontaktverbindung stehen, auf. Ein Bürstengehäuse umgibt die Schleifringe und Bürsten. Innerhalb des umgebenden Bürstengehäuses ist eine geschlossene Luftzirkulations- und Kühlvorrichtung angeordnet, die eine Filtereinrichtung aufweist. Mithilfe der Filtereinrichtung sind Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung aus der Luftzirkulation herausfilterbar. Mittels der filtergereinigten Luft ist die Schleifkontaktverbindung kühlbar.
Mit dieser elektrischen Maschine, die ein erfindungsgemäßes Bürstensystem aufweist, werden die Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung gesammelt und Verschmutzungen im Bürstensystem vermieden. Eine Wartung wegen des Bürstensystems entfällt und wird durch einen einfachen Filterwechsel ersetzt. Das Eindringen von Abriebstoffen wie Bürstenstaub in Wälzlager der elektrischen Maschine bzw. des Rotors der elektrischen Maschine werden verhindert. Zusätzlich wird durch die Filterung und Rückführung der gefilterten Luft ein Kühlen der Schleifringe und der Bürstenoberflächen erreicht und damit der Verschleiß in der Schleifkontaktverbindung verringert, da erhöhte Betriebstemperaturen der Schleifringe, welche zu erhöhtem Kohlebürstenverschleiß führen würden, vermieden werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ragt eine Rotorwelle mit einem Rotorwellenabschnitt in das Bürstengehäuse hinein, wobei auf dem Rotorwellenabschnitt in dem Bürstengehäuse die Schleifringe angeordnet sind. Eine Radialradscheibe mit Radialgebläseschaufeln eines Radialgebläses sind auf der Rotorwelle angeordnet. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Radialradscheibe das Bürstengehäuse von einem ersten Wälzlager der Lagerung der Rotorwelle trennt. Die Radialradscheibe bildet somit eine rotierende Trennwand zu den übrigen Komponenten der elektrischen Maschine, wie Rotorlager, Rotor, Stator und Gehäuse. Die auf der Radialradscheibe angeordneten Radialgebläseschaufeln eines Radialgebläses sind hingegen axial zu der Schleifkontaktverbindung ausgerichtet, so dass Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung in einem Nabenbereich des Radialgebläses den Radialradscheiben durch Sogwirkung zugeführt werden und mit dem Luftstrom die Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung über einen Druckauslass des Radialgebläses und über einen den Druckauslass spiralförmig umgebenden Druckraum in einen Filtereinlass der Filtereinrichtung strömen.
Das Radialgebläse kann dabei rückwärts gekrümmte oder rückwärts geneigte oder als radial endende Radialgebläseschaufeln aufweisen. Die Art der Krümmung der Radialgebläseschaufeln richtet sich nach der Wirksamkeit in Bezug auf die Luftzirkulation, die durch einen hohen Druckverlust bei einer Filtrationsabscheidung beeinflusst ist. Dabei wird zwischen Laufrädern mit in Laufrichtung vorwärts gekrümmten Schaufeln und Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln unterschieden. Vorwärtsgekrümmte Schaufeln erlauben eine stärkere Umlenkung der Luftströmung und erreichen so eine höhere Energieumsetzung. Jedoch hat die austretende Luft einen höheren Drall. Dieser Drall muss in einem nachfolgenden Leitapparat in Druck umgesetzt werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten rückwärts gekrümmten oder geneigten Schaufeln erreichen einen nicht ganz so hohen bauraumbezogenen Energieumsetzungsgrad, jedoch baut sich der Druck bei dieser Anordnung bereits weitgehend im Laufrad selbst auf. Bei rückwärts gekrümmten Schaufeln ist der Schaufelaustrittswinkel kleiner als 30°. Radialgebläse mit rückwärts geneigten geraden Schaufeln sind geeignet für Gase mit groben, trockenen Materialteilchen. Der Schaufelaustrittswinkel liegt bei rückwärts geneigten geraden Schaufeln bei 40° bis 60°. Radialräder mit radial endenden Schaufeln dienen hauptsächlich wegen ihrer geringen Verkrustungsgefahr zur Förderung von staubstoffbelasteten Gasen, wie es hier bei den Abriebstoffen der Fall ist. Der Schaufelaustrittswinkel liegt bei radial endenden Radialgebläseschaufeln bei 75° bis 90°.
Die Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung enthalten Partikel verschiedener Korngrößen aus Rohmaterial und Binder. Im Wesentlichen bestehen die Körner aus Elektrographit, Graphit und Kohlenstoffgraphitwerkstoffen unterschiedlicher Körnung. Der relative Anteil unterschiedlicher Körnungen hängt vom eingesetzten Werkstoff ab. Außerdem wird die Kornverteilung auch durch die Betriebsbedingungen beeinflusst. Bei hoher Umfangsgeschwindigkeit und niedriger elektrischer Belastung dominiert der mechanische Faktor und es entstehen größere Partikel. Bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten und hoher elektrischer Belastung dominiert der elektrische Einfluss und es entstehen kleinere Partikel. Im Allgemeinen sind etwa 80% des Elektrographitstaubes kleiner als 6 μm (Mikrometer), so dass sich der Elektrographitstaub aus ultrafeinem Staub zwischen 5 μm und 20 μm und feinem Staub zwischen 60 μm und 90 μm zusammensetzt. Die Korngröße wiederum ist entscheidend für die Auswahl geeigneter Filtermaterialien und die Struktur eines entsprechenden Filters.
Die Filtereinrichtung realisiert die Partikelfilterung durch einen Siebeffekt, einen Sperreffekt, eine Diffusionsabscheidung, eine Trägheitsabscheidung, eine elektrostatische Anziehung oder Kombinationen dieser Filtermechanismen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass Stäube graphitischer Werkstoffe häufig schmierig bis fettig und gut haftend sind. Während Stäube mit einem höheren metallischen Werkstoffanteil eher trocken und weniger haftend sind. Beim Abscheiden von Abriebstoffen der Schleifkontaktverbindung aus der Luftzirkulation kann darüber hinaus festgestellt werden, dass je feiner die Teilchen sind, desto leichter der Transport mit der Strömung erfolgt. Der Abscheideeffekt aus der Zirkulation ist für Graphitstäube gering.
Da der Abscheideeffekt aus einer Zirkulation bei feinsten Teilchen gering ist, sind die bevorzugten Ausführungsformen mit elektrostatischen oder mechanischen Filtern ausgestattet. Da die Partikel der Abriebstoffe zu 80% eine mittlere Korngröße von 6 μm aufweisen, wird in einer Ausführungsform der Erfindung in vorteilhafter Weise ein elektrostatischer Filter eingesetzt. Ein derartiger elektrostatischer Filter weist elektrostatisch aufgeladene Fasern auf und hat den Vorteil, dass der Druckverlust bei dem Filtervorgang gegenüber den oben vorgestellten mechanischen Filtern deutlich geringer ist. Außerdem wird die Luft bei der Luftzirkulation nicht nur durch die Anordnung der Filter und kühlenden Innenflächen des Bürstengehäuses in vorteilhafter Weise gekühlt, sondern bereits in dem spiralförmigen Druckraum, in dem eine Wandung des spiralförmigen Druckraumes durch das gekühlte Lagerschild der elektrischen Maschine gebildet wird, wobei an dem Lagerschild das Bürstengehäuse mit dem spiralförmigen Druckraum mediendicht angebracht ist. Außerdem hat diese Anordnung den Vorteil, dass das Bürstengehäuse direkt an das Lagerschild unter Ausbildung eines spiralförmigen Druckraums angeflanscht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, als Filter der Filtereinrichtung einen Hohlzylinder aus Filtermaterial einzusetzen. Ein zylindrischer Innenraum des Filters ist dazu mit dem Druckraum strömungstechnisch verbunden und ein Raum außerhalb des Hohlzylinders, im Prinzip der Innenraum des Bürstengehäuses, ist mit der Schleifkontaktverbindung strömungstechnisch verbunden und weist die gefilterte Luft auf. Im Innenraum des Hohlzylinders sammeln sich die herausgefilterten Partikel. Sie bilden teilweise eine Beschichtung, wodurch der Druckabfall durch den Filter vergrößert wird. Durch die Vibrationen, denen eine elektrische Maschine ausgesetzt ist, kann eine sich bildende Oberflächenschicht aus abgeschiedenen Partikeln abgerieselt und in einem Auffangbehälter gesammelt werden, wenn die Achse des Hohlzylinders senkrecht in dem Bürstengehäuse ausgerichtet ist.
Je mehr Abriebstoffe sich auf den Oberflächen des Filtermaterials abscheiden, umso mehr steigt der Druckverlust, weil sich die Durchlässigkeit des mechanischen Durchgangsfilters vermindert. Beim Erreichen eines maximalen Druckverlustes oder in festgelegten Zeitabständen wird deshalb ein Abreinigen der gebildeten Staubschicht oder ein Ersetzen des Filters durch einen neuen Filter durchgeführt. Dabei bestimmen die Eigenschaften des Staubes maßgeblich die Staubabscheidung. Eine praktische Auslegung von Wartungsintervallen ist dabei lediglich empirisch über eine so genannte Filterflächenbelastung möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als ein Filter der Filtereinrichtung eine Filterscheibe aus Filtermaterial eingesetzt, in der ein spiralförmiger Kanal angeordnet ist, dessen Einlass in einem Außenrandbereich der Filterscheibe angeordnet ist und mit dem Druckraum strömungstechnisch in Verbindung steht. Die abriebhaltige Luft wird dann von dem Einlass in dem spiralförmigen Kanal zu einem zentralen Auslass geführt und dabei gefiltert, wobei durch die spiralförmigen Kanäle eine zentrifugale Beschleunigung der Partikel der Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung eintritt, so dass am zentralen Auslass, der mit der Schleifkontaktverbindung strömungstechnisch in Verbindung steht, ein von Abriebstoffen und Partikeln befreiter Luftstrom zur Verfügung steht. Dieser gereinigte Luftstrom, der über die Schleifkontaktverbindung geführt wird, sorgt gleichzeitig für eine entsprechende Kühlung der Schleifkontaktverbindung. Dazu wird in vorteilhafter Weise die Filterscheibe der Filtereinrichtung auf einer Gehäuseabdeckung des Bürstengehäuses angeordnet.
Weiterhin kann der Filter der Filtereinrichtung einen zylindrischen Filterring aus Filtermaterial aufweisen. Die abriebhaltige Luft wird innerhalb des Filterringes entlang einer inneren Mantelfläche des Filtermaterials über einen schraubenförmigen Kanal zugeführt. Ein Einlass des schraubenförmigen Kanals ist dabei mit dem Druckraum des Radialgebläses strömungstechnisch verbunden und ein Auslass des schraubenförmigen Kanals steht strömungstechnisch mit der Schleifkontaktverbindung über den Innenraum des Bürstengehäuses in Verbindung. Durch die Anordnung des Filterringes an einer inneren Mantelfläche eines topfförmigen Bürstengehäuses wird gleichzeitig die zirkulierende Luft intensiv gekühlt, so dass nach Durchströmen der schraubenförmigen Kanäle nicht nur eine gefilterte Luft zur Verfügung steht, sondern zusätzlich eine gekühlte Luft der Schleifkontaktverbindung zugeführt werden kann.
Außerdem bildet das stationäre Lagerschild mit der rotierenden Radialradscheibe eine begrenzende Wand zu dem Antriebsbereich der elektrischen Maschine. Dazu ist zwischen der rotierenden Radialradscheibe und dem Lagerschild eine Labyrinthdichtung angeordnet.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine mit einem Bürstensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine mit einem Bürstensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Teilbereichs einer elektrischen Maschine gemäß 2;
4 zeigt eine schematische perspektivische Vorderansicht des Bürstensystems gemäß 2;
5 zeigt eine schematische perspektivische Rückansicht des Bürstensystems gemäß 2;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine mit einem Bürstensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Bürstengehäuses bei entfernter Bürstengehäuseabdeckung;
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Filterscheibe mit spiralförmigem Kanal;
9 zeigt eine schematische Draufsicht gemäß 8 mit Kanaltaschen in der Filterscheibe;
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine mit einem Bürstensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Filterringes mit einem schraubenförmigen Kanal;
12 zeigt einen teilweise quer geschnittenen Filterring mit schraubenförmigem Kanal.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 mit einem Bürstensystem 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bürstensystem 2 ist auf einem Rotorwellenabschnitt 12 einer Rotorwelle 11 angeordnet, die über ein Rotorlager 17 hinausragt. Dazu ist auf dem Rotorwellenabschnitt 12 mindestens ein Schleifring 3 angeordnet, der in dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer stationären Bürste 4 in Schleifkontaktverbindung 6 steht. Die Schleifkontaktverbindung 6 ist von einem zylindrischen Ansatz 39 eines Bürstengehäuses 7 umgeben, wobei durch den zylindrischen Ansatz 39 die eine stationäre Bürste hindurchragt, um die Schleifkontaktverbindung 6 zu bilden. Der zylindrische Ansatz 39 bildet einen engen Ringspalt 40 aus, der den Schleifring 3 umgibt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit einer Luftzirkulationsluft mit ihrer Strömungsrichtung 48 in diesem Bereich am größten ist. Der Ringspalt 40 steht strömungstechnisch in Verbindung mit einem Nabenbereich 19 eines Radialgebläses 15, das eine Radialradscheibe 13 aufweist, welche das Rotorlager 17 von dem Bürstengehäuse 7 abschirmt.
Dazu kann die Radialradscheibe 13 mit der Rotorwelle 11 kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sein. Die Radialradscheibe 13 trägt Radialgebläseschaufeln 14, deren Form und Wirkung bereits oben beschrieben wurden, wobei die Radialgebläseschaufeln 14 mit ihrem Saugeinlass 18 in einem Nabenbereich 19 des Radialgebläses 15 die mit Abriebstoffen 9 beladene Luft am Druckauslass 20 des Radialgebläses 15 in ein Verbindungsstück 41 mit einem elektrostatischen Filter 34 bläst. In dem Filter 34 sind elektrostatisch aufgeladene Fasern angeordnet, an deren Oberflächen sich staubförmige Partikel aus den Abriebstoffen anlagern. Der elektrostatische Filter 34 benutzt elektrostatische Effekte, um einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen Luftströmungswiderständen zu erreichen. Der Druckverlust bildet sich bei dem elektrostatischen Filter 34 in der Regel langsamer als bei einem mechanischen Filter mit einer vergleichbaren Abscheideleistung aus.
Die Fasern werden während des Herstellungsprozesses elektrostatisch aufgeladen und mit zunehmender Partikelbeladung wird die elektrische Ladung neutralisiert, wodurch sich die Abscheideleistung des elektrostatischen Filters 34 allmählich verringert. Das Filtermaterial kann zu 100% aus synthetischen, elektrisch geladenen Fasern, so genannten Elektriten, bestehen. Sie ermöglichen eine Tiefenspeicherung mit hoher Partikelabscheidung bei niedrigem Druckverlust, anders als bei rein mechanischen Durchgangsfiltern.
Das synthetische Material ist relativ robust und zugleich resistent gegen Feuchtigkeit und gebräuchliche Chemikalien sowie gegen Faserverlust. Eine weitere Form des elektrostatischen Filters weist anstelle der Fasern feinste Polypropylen-Härchen auf, die durch das Vorbeiströmen der Luft elektrostatisch aufgeladen werden und auf diese Weise die Staubpartikel auf natürliche Weise an sich binden können. Diese Art der elektrostatischen Filter werden auch Flimmerfilter genannt und zeichnen sich durch einen extrem hohen Staub- und Partikelabscheidungsgrad aus. Ein Zusetzen der Filterkörper im herkömmlichen Sinne wie bei mechanischen Filtern ist praktisch nicht gegeben, so dass eine lange Betriebszeit ohne Filterwechsel möglich ist. Während der Betriebszeit kann ein minimaler Druckverlust auftreten. Außerdem zeigt 1, dass der Raumbedarf für den elektrostatischen Filter 34 bei gleicher Filtrationswirkung wie mechanischen Durchgangsfiltern relativ gering ist.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden in 2 und den nachfolgenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Der Unterschied der zweiten Ausführungsform der Erfindung zu den vorhergehenden Ausführungsformen besteht im Wesentlichen darin, dass nun ein Hohlzylinder 28 aus Filtermaterial in dem Bürstengehäuse 7 angeordnet ist, welcher ein Verbindungsstück 41 mit einem Sammelbereich 42 verbindet und dafür sorgt, dass eine Luftzirkulationsvorrichtung 8 gefilterte und gekühlte Luft dem Innenraum 43 des Bürstengehäuses 7 und damit dem Ringspalt 40 zuführt. Die Anordnung der rotierenden Radialradscheibe 13 und des stationären Lagerschilds 16 bleiben gegenüber der ersten Ausführungsform unverändert.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Teilbereichs einer elektrischen Maschine 1 mit dem Bürstensystem 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die Gehäuseabdeckung für das Bürstengehäuse 7 entfernt, so dass der Rotorwellenabschnitt 12 sichtbar wird, der von einem zylindrischen Ansatz 39 umgeben ist. Zwischen dem zylindrischen Ansatz 39 und dem Rotorwellenabschnitt 12 ist ein Ringspalt 40 ausgebildet, in dem die Schleifkontaktverbindungen der Bürsten 4 und 5 zu den Schleifringen 3 angeordnet sind, wobei durch diesen Ringspalt 40 Luft des Luftzirkulationssystems mit hoher Strömungsgeschwindigkeit fließt und Abriebstoffe der Schleifkontaktverbindung mitreißt.
Das sich bildende Aerosol aus Luft und Partikeln der Abriebstoffe wird mithilfe des Radialgebläses 15 in ein Spiralgehäuse 35 zentrifugal beschleunigt, wobei ein Druckraum 21 des Spiralgehäuses 35 in ein Verbindungsstück 41 übergeht, an das sich ein mechanischer Abreinigungsfilter in Form des Hohlzylinders 28 anschließt. Der Hohlzylinder 28 besteht aus Filtermaterial, wobei die abriebhaltige Luft in einem zylindrischen Innenraum 29 des Hohlzylinders 28 eingeführt wird und durch das Filtermaterial des Hohlzylinders 28 hindurch in den Innenraum 43 des Bürstengehäuses 7 gedrückt wird. Dieser Vorgang wird unterstützt durch die Sogwirkung des Ventilators, welcher nabenseitig im Innenraum 43 einen Unterdruck erzeugt. Durch die relativ vertikale Anordnung des Hohlzylinders 28 können durch die Vibrationen des Elektromotors oder durch Vibrationen, die beim Gebrauch des Elektromotors in einem Fahrzeug auftreten, abgeschiedene Beschichtungen abgeschüttelt und in einem unteren Sammelbereich 42 gesammelt und entnommen werden. Gleichzeitig dient die Entnahmeöffnung auch dem Filterwechsel. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Bürsten 4 und 5 in entsprechenden Bürstenhaltern 44 und 45 vorgesehen.
4 zeigt eine schematische perspektivische Vorderansicht des Bürstensystems 2 gemäß 3 bei entferntem Gehäusedeckel des Bürstengehäuses 7. Von dem Hohlzylinder 28 aus Filtermaterial wird gefilterte Luft in den Innenraum 43 des Filtergehäuses 7 abgegeben, die mithilfe des in 3 gezeigten Radialgebläses in den Ringspalt 40 zwischen dem zylindrischen Ansatz 39 und den Schleifringen 3 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit eingezogen wird. Der Hohlzylinder 28 aus Filtermaterial ist zwischen einem Verbindungsstück 41 zum hier nicht gezeigten Druckraum und dem Sammelbereich 42 für die abgefilterten Abriebstoffe angeordnet.
5 zeigt eine schematische perspektivische Rückansicht des Bürstensystems gemäß 3, wobei die Rotorwelle 11 aus der Rückseite des Bürstengehäuses 7 herausragt und einen Fixierring 46 aufweist, der die Radialradscheibe 13 auf der Rotorwelle fixiert. Die Radialradscheibe 13 rotiert mit der Rotorwelle 11 in dem Spiralgehäuse 35, das mit dem Druckauslass 20 des Radialgebläses 15 zusammenwirkt. Die Radialradscheibe 13 trägt Radialgebläseschaufeln 14. Das Spiralgehäuse 35 weist den Druckraum 21 auf, in dem sich ein entsprechend hoher Luftdruck ausbildet, der die abriebhaltige Luft über das Verbindungsstück 41 mit dem in 4 gezeigten Innenraum 29 des Hohlzylinder 28 aus Filtermaterial zuführt.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 mit einem Bürstensystem 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Bürstensystem 2 ist auf einem Rotorwellenabschnitt 12 einer Rotorwelle 11 angeordnet, die über ein Rotorlager 17 hinausragt. Dazu ist auf dem Rotorwellenabschnitt 12 mindestens ein Schleifring 3 angeordnet, der in dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer stationären Bürste 4 in Schleifkontaktverbindung 6 steht. Die Schleifkontaktverbindung 6 ist von einem zylindrischen Ansatz 39 eines Bürstengehäuses 7 umgeben, wobei durch den zylindrischen Ansatz 39 die eine stationäre Bürste hindurchragt, um die Schleifkontaktverbindung 6 zu bilden. Der zylindrische Ansatz 39 bildet einen engen Ringspalt 40 aus, der den Schleifring 3 umgibt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit einer Luftzirkulationsluft mit ihrer Strömungsrichtung 48 in diesem Bereich am größten ist. Der Ringspalt 40 steht strömungstechnisch in Verbindung mit einem Nabenbereich 19 eines Radialgebläses 15, das eine Radialradscheibe 13 aufweist, welche das Rotorlager 17 von dem Bürstengehäuse 7 abschirmt.
Dazu kann die Radialradscheibe 13 mit der Rotorwelle 11 kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sein. Die Radialradscheibe 13 trägt Radialgebläseschaufeln 14, deren Form und Wirkung bereits oben beschrieben wurden, wobei die Radialgebläseschaufeln 14 mit ihrem Saugeinlass 18 in einem Nabenbereich 19 des Radialgebläses 15 die mit Abriebstoffen 9 beladene Luft am Druckauslass 20 des Radialgebläses 15 in einen spiralförmigen Druckraum 21 beschleunigen. Von dem spiralförmigen Druckraum 21 wird die mit Abriebstoffen 9 beladene Luft über ein Verbindungsstück 41 zu einer Filterscheibe 23 geleitet, die auf einer Innenseite einer Gehäuseabdeckung 33 des Bürstengehäuses 7 angeordnet ist. Die Filterscheibe 23 aus Filtermaterial weist einen Einlass 26 auf, der in spiralförmige Kanäle 24 übergeht, die in einem Auslass 27 im Zentrum des scheibenförmigen Filters 25 enden, so dass die gefilterte und an der Gehäuseabdeckung 33 gekühlte Luft direkt dem Ringspalt 40 der Schleifkontaktverbindung 6 zugeführt werden kann. Eine derartige Luftzirkulationsvorrichtung 8 filtert nicht nur effektiv die mit Abriebstoffen 9 beladene zirkulierende Luft, sondern kühlt auch gleichzeitig die Schleifkontaktverbindung 6.
Da der Druckraum 21 teilweise von dem gekühlten Lagerschild 16 und teilweise von dem Bürstengehäuse 7 gebildet wird, wird bereits die mit Abriebstoffen 9 beladene Luft noch vor dem Eintritt in die Filterscheibe 23 gekühlt. Die Radialradscheibe 13 bildet zusammen mit dem Lagerschild 16 eine Trennwand zwischen dem Bürstengehäuse 7 und den übrigen Komponenten der elektrischen Maschine 1, die mit der Rotorwelle 11 und dem Stator zusammenwirken. Um die rotierende Radialradscheibe 13 gegenüber dem stationären Lagerschild 16 abzudichten, weist das Lagerschild 16 eine Labyrinthdichtung 22 der Luftzirkulationsvorrichtung 8 auf.
Details einer derartigen in diesem Falle einstufigen Labyrinthdichtung 22 zeigt der Ausschnitt 6A. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige einstufig Labyrinthdichtung 22 eingeschränkt, vielmehr sind auch mehrstufige Labyrinthdichtungen zur berührungsfreien Druck- und Strömungsentkopplung zwischen Motorgehäusebereich 49 und Bürstensystem 1 einsetzbar.
In den nachfolgenden 7–9 werden nun Details der Filtereinrichtung 10 in Form einer Filterscheibe 23 erläutert.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Bürstengehäuses 7, wobei die Bürstengehäuseabdeckung 33, die in 6 gezeigt wird, entfernt ist. Wie 7 zeigt, ist das Bürstengehäuse 7 rund um den Rotorwellenabschnitt 12 angeordnet und auf dem Lagerschild 16 fixiert. In dieser Ausführungsform sind zwei stationäre Bürsten 4 und 5, die von zwei Bürstenhaltern 44 und 45 gegen die rotierenden Schleifringe 3 gepresst werden. In dem Ringspalt 40 zwischen zylindrischem Ansatz 39 des Bürstengehäuses 7 und den rotierenden Schleifringen 3 ist die Schleifkontaktverbindung 6 zwischen den beiden Bürsten 4 und 5 und den Schleifringen 3 einer hohen Strömungsgeschwindigkeit der Luftzirkulationsvorrichtung in der Strömungsrichtung 48 ausgesetzt. Dazu weist die Luftzirkulationsvorrichtung das mit gestrichelten Linien angedeutete Radialgebläse 15 mit Radialgebläseschaufeln 14 auf. Ein Druckauslass 20 des Radialgebläses 15 geht in einen Druckraum 21 eines Spiralgehäuses 35 über. Das Spiralgehäuse 35 ist mit einem Verbindungsstück 41 innerhalb des Bürstengehäuses verbunden. Die mit Abriebstoffen 9 beladene Luft wird über das Verbindungsstück 41 der Filtereinrichtung 10 in der entfernten Gehäuseabdeckung 33, wie es 6 zeigt, zugeführt.
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Filterscheibe 23 mit spiralförmigem Kanal 24. Diese Filterscheibe 23 besteht aus Filtermaterial, das im Deckel des Bürstengehäuses angeordnet ist, und dient als Fliehkraftabscheider. Das Gemisch aus Abriebstoffen und Förderluft tritt durch eine Einlassöffnung 26 in den spiralförmigen Kanal 24 ein und wird mit zunehmender Geschwindigkeit in kreisende Bewegung versetzt. In der Spirale können sich die Abriebstoffe in Form von Verschleißpartikeln der Kohlebürsten aufgrund der Zentrifugalkraft und der Klebrigkeit der Partikel an den porösen Außenwandungen des spiralförmigen Kanals 24 festsetzten, wobei der eigentliche Strömungskanal für die Förderluft frei bleibt.
9 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Filterscheibe 23 gemäß 8, wobei die Filterscheibe 23 zusätzliche Kanaltaschen 36, 37 und 38 aufweist. Die Kanaltaschen 36, 37 und 38 unterstützen durch die Ausbildung turbulenter Wirbel das Auffangen, insbesondere größerer Partikel aus dem Abriebstoff. Die Kanaltaschen 36, 37 und 38, die als radiale Ausbuchtungen des spiralförmigen Kanals ausgebildet sind, verstärken ein Ablagern von Bürstenstaub aus dem Luftstrom.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 mit einem Bürstensystem 2 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Bürstengehäuse 7 nicht als rechteckiges Gehäuse aufgebaut, sondern weist eine topfförmige Struktur auf mit einer zylindrischen Wandung. An dieser zylindrischen Wandung ist ein Filterring 30 aus Filtermaterial angeordnet, wobei in schraubenförmig angeordneten Kanalwindungen die abriebhaltige Luft an dem Filtermaterial vorbeigeführt wird. Dabei sorgt die Zentrifugalkraft dafür, dass die Staubpartikel durch eine relativ durchlässige innere Mantelfläche 31 in den Filterring 30 aus Filtermaterial gelangen. Nach Durchlauf mehrerer Kanalwindungen tritt schließlich eine gekühlte und gefilterte Luft aus dem Auslass 27 des Filterringes 30 aus und wird dem Ringspalt 40 der Schleifkontaktverbindung 6 zugeführt. In den nachfolgenden 11 und 12 wird ein teilweise quer geschnittener Filterring 30 mit schraubenförmigem Kanal 32 in vergrößertem Detail gezeigt.
Dazu zeigt 11 eine schematische perspektivische Ansicht eines teilweise quergeschnittenen Filterringes 30 mit einem schraubenförmigen Kanal 32. Der schraubenförmige Kanal 32 ist in einem Innenring 47 beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial eingearbeitet oder eingeformt und weist einen Einlass 26 und einen Auslass 27 auf. Der Schraubenkanaleinlass 26 ist strömungstechnisch mit dem Druckraum 21, der in 10 gezeigt wird, verbunden, während der Schraubenkanalauslass 27 die gereinigte Filterluft in den Innenraum des Bürstengehäuses entlässt, so dass gereinigte und gekühlte Luft von dem Ringspalt mit den Schleifkontaktverbindungen aufgenommen werden kann. Der schraubenförmige Kanal 32 kann von einem Filterring 30 aus einem Faserflies mit synthetischen, elektrisch geladenen Fasern umgeben sein, so dass zusätzlich zu der zentrifugalen Abscheidekraft, die auf die Partikel wirkt, auch noch eine elektrostatische Anziehungskraft wirkt, um die Feinstaubpartikel aus dem Luftstrom herauszufiltern.
12 zeigt einen teilweise quer geschnittenen Filterring 30 mit schraubenförmigem Kanal 32, der noch einmal den bevorzugten Aufbau eines elektrostatischen Filters zeigt.
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurden, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Bürstensystem
3: Schleifring
4: stationäre Bürste
5: stationäre Bürste
6: Schleifkontaktverbindung
7: Bürstengehäuse
8: Luftzirkulationsvorrichtung
9: Abriebstoffe
10: Filtereinrichtung
11: Rotorwelle
12: Rotorwellenabschnitt
13: Radialradscheibe
14: Radialgebläseschaufel
15: Radialgebläse
16: Lagerschild
17: Rotorlager
18: Saugeinlass (Nabenbereich)
19: Nabenbereich
20: Druckauslass
21: Druckraum (spiralförmig)
22: Labyrinthdichtung
23: Filterscheibe
24: spiralförmiger Kanal
25: Filter
26: Einlass (Filter)
27: Auslass (Filter)
28: Hohlzylinder (Filter)
29: zylindrischer Innenraum
30: Filterring
31: innere Mantelfläche
32: schraubenförmiger Kanal
33: Gehäuseabdeckung
34: elektrostatischer Filter
35: Spiralgehäuse
36: Kanaltasche
37: Kanaltasche
38: Kanaltasche
39: zylindrischer Ansatz
40: Ringspalt
41: Verbindungsstück
42: Sammelbereich
43: Innenraum
44: Bürstenhalter
45: Bürstenhalter
46: Fixierring
47: Innenring
48: Strömungsrichtung
49: Motorbereich

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 102006000315 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine mit Bürstensystem (2) aufweisend: – rotierende Schleifringe (3); – stationäre Bürsten (4, 5), die elektrisch mit den Schleifringen (3) in Schleifkontaktverbindung (6) stehen; – ein Bürstengehäuse (7), das die Schleifringe (3) und die Bürsten (4, 5) umgibt, wobei innerhalb des Bürstengehäuses (7) eine geschlossene Luftkühlvorrichtung (8) angeordnet ist, die eine Filtereinrichtung (10) aufweist, mittels der Abriebstoffe (9) der Schleifkontaktverbindung (6) herausfilterbar sind, und wobei mittels der filtergereinigten Luft die Schleifkontaktverbindung (6) kühlbar ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei eine Rotorwelle (11) mit einem Rotorwellenabschnitt (12) in das Bürstengehäuse (7) hineinragt, und wobei auf dem Rotorwellenabschnitt (12) die Schleifringe (3) angeordnet sind und eine Radialradscheibe (13) mit Radialgebläseschaufeln (14) eines Radialgebläses (15) auf der Rotorwelle fixiert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Radialradscheibe (13) axial benachbart zu einem stationären Lagerschild (16) eines Rotorlagers (17) angeordnet ist, und wobei ein Saugeinlass (18) in einem Nabenbereich (19) des Radialgebläses (15) mit der Schleifkontaktverbindung (6) strömungstechnisch in Verbindung steht, und wobei ein Druckauslass (20) des Radialgebläses (15) über einen spiralförmigen Druckraum (21) mit einem Einlass der Filtereinrichtung (10) strömungstechnisch in Verbindung steht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filtereinrichtung (10) die Partikelfilterung durch einen Siebeffekt, einen Sperreffekt, eine Diffusionsabscheidung, eine Trägheitsabscheidung, eine elektrostatische Anziehung oder Kombinationen dieser Filtermechanismen realisiert.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filtereinrichtung (10) einen mechanischen Partikelfilter oder einen elektrostatischen Filter (34), vorzugsweise mit polarisierten Fasern, aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei der mechanische Partikelfilter einen Hohlzylinder (28) aus Filtermaterial aufweist, und wobei ein zylindrischer Innenraum (29) eines Filters (25) mit dem Druckraum (21) strömungstechnisch in Verbindung steht und ein Raum außerhalb des Hohlzylinders (28) mit der Schleifkontaktverbindung (6) strömungstechnisch in Verbindung steht und gefilterte Luft aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filtereinrichtung (10) als Filter (25) eine Filterscheibe (23) aus Filtermaterial aufweist, in der ein spiralförmiger Kanal (24) angeordnet ist, dessen Einlass in einem Außenrandbereich der Filterscheibe angeordnet ist und mit dem Druckraum (21) strömungstechnisch in Verbindung steht, wobei abriebhaltige Luft von einem Einlass (26) in dem spiralförmigen Kanal (24) zu einem zentralen Auslass (27) geführt und gefiltert wird, und wobei der zentrale Auslass (27) mit der Schleifkontaktverbindung (6) strömungstechnisch in Verbindung steht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filtereinrichtung (10) als Filter (25) einen Filterring (30) aus Filtermaterial aufweist, dem abriebhaltige Luft entlang einer inneren Mantelfläche (31) des Filtermaterials über einen schraubenförmigen Kanal (32) zugeführt wird, wobei ein Einlass (26) des schraubenförmigen Kanals (32) mit dem Druckraum (21) strömungstechnisch in Verbindung steht, und wobei ein Auslass (27) des schraubenförmigen Kanals (32) strömungstechnisch mit der Schleifkontaktverbindung (6) in Verbindung steht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filtereinrichtung (10) an einer Gehäuseabdeckung (33) des Bürstengehäuses (7) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Radialgebläse (15) rückwärts gekrümmte oder rückwärts geneigte oder als radial endende Radialgebläseschaufeln (14) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei das stationäre Lagerschild (16) mit Rotorlager (17) eine Labyrinthdichtung (22) aufweist, die zwischen dem stationären Lagerschild (16) und der rotierenden Radialradscheibe (13) angeordnet ist, wobei das stationäre Lagerschild (16) mindestens eine Ringnut aufweist, in der mindestens ein ringförmiger Vorsprung der Radialscheibe berührungsfrei rotiert.