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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schleifringsystem, das einen Schleifring aus Kupfer und wenigstens eine Kohlebürste aufweist.
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Stand der Technik
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Elektrische Generatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, ebenso wie Schleifringsysteme. Um elektrische Energie von einem rotierenden Bauteil auf eine feststehende Peripherie und umgekehrt zu übertragen, werden häufig Schleifringsysteme verwendet, bei denen ein Schleifring aus Kupfer oder Bronze an dem rotierenden Bauteil angeordnet und wenigstens eine Kohlebürste ortsfest beispielsweise in/an einem Gehäuse mittels eines Bürstenhalters gehalten ist. Die Kohlebürste wird dabei gegen den Schleifring vorgespannt, so dass sie stets im Anlagekontakt mit diesem liegt, um im Betrieb Funkenbildung zu vermeiden. Hierzu weist der Bürstenhalter beispielsweise ein oder mehrere Federelemente auf, die die Kohlebürste gegen den Schleifring drängen.
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Aus der
DE 10 2007 010 892 A1 ist es bekannt, bei einem Kommutator für einen Elektromotor die Schleiffläche der Kohlebürste, die gegen eine Mantelaußenfläche des Kommutators gedrängt wird, im Wesentlichen glatt auszubilden, während die Mantelaußenfläche des Kommutators mit mehreren, sich jeweils über den Umfang der Mantelaußenfläche des Kommutators erstreckenden Vorsprüngen versehen ist. Die Vorsprünge weisen dabei eine bestimmte Breite auf, so dass sie zusammen mit der Schleiffläche der Kohlebürste jeweils einen Flächenkontakt bilden. Mit zunehmender Betriebszeit des Elektromotors passt sich die Form der Schleiffläche der Kohlebürste an die Form der Mantelaußenfläche mit den Vorsprüngen an, so dass die Kontaktfläche zwischen Kommutator und Kohlebürste insgesamt vergrößert wird. Aus der
US 2004/0140729 A1 ist ebenfalls ein entsprechendes Kommutatorsystem bekannt. Aus der
US 7,847,467 B2 ist außerdem ein Kommutatorsystem bekannt, bei dem die Bürste von vornherein mit entsprechenden Vorsprüngen und Vertiefungen versehen ist, die komplementär zu den Vorsprüngen des Kommutators ausgebildet sind, so dass bereits bei der ersten Inbetriebnahme eine maximale Kontaktfläche zwischen Kohlebürste und Kommutator besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße elektrische Generator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass einerseits während des Betriebs in kurzer Zeit automatisch eine Anpassung der Oberflächenkontur der Schleiffläche an die Mantelaußenfläche des Schleifrings erfolgt, wobei andererseits der dadurch entstehende Abrieb in den Freiräumen zwischen den Vorsprüngen der Mantelaußenfläche gehalten wird, wodurch die Tribologie zwischen Schleifring und Kohlebürste durch Reduzierung des Reibkoeffizienten verbessert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Generator ist vorgesehen, dass sich die Vorsprünge jeweils über den gesamten Umfang der Mantelaußenfläche unterbrechungsfrei erstrecken. Das bedeutet, dass die Vorsprünge nicht durch eine Trennung, wie sie sich üblicherweise im Wesentlichen in Längserstreckung/Axialerstreckung eines Kommutators erstreckt, unterbrochen werden. Unter einem Schleifring wird insofern ein durchgehendes Ringelement verstanden, das keine Unterbrechung in seiner Mantelwand aufweist. Bei Kommutatoren ist diese Unterbrechung notwendig, um den einzelnen, die Mantelaußenfläche insgesamt bildenden Kommutatorsegmenten unterschiedliche Strompotentiale zuordnen zu können. Bei dem Generator ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorsprünge sich unterbrechungsfrei über den Umfang erstrecken. Außerdem sind sie konzentrisch angeordnet, erstrecken sich also parallel zueinander in Umfangsrichtung beziehungsweise Drehrichtung. Dadurch wird gewährleistet, dass der im Betrieb entstehende Abrieb zwischen benachbarten Vorsprüngen gehalten und nicht ohne Weiteres aus dem Tribologiesystem zwischen Schleiffläche und Mantelaußenfläche entweichen kann. Zweckmäßigerweise weisen die Vorsprünge zumindest im Wesentlichen den gleichen maximalen Außenumfang beziehungsweise -Durchmesser auf. Dadurch, dass die Schleiffläche zunächst im Wesentlich glatt ausgebildet ist, wird gewährleistet, dass genügend Abrieb vorhanden ist, der in dem Zwischenraum zwischen den Vorsprüngen gesammelt wird. Dieser Kohleabrieb füllt nach und nach die Freiräume auf und wandelt dadurch mit der Zeit die Gleitpartner insbesondere von Kupfer oder Bronze (Schleifring) und Kohle (Bürste) zu Kohle und Kohle. Dadurch wird der Reibkoeffizient zwischen Schleifring und Kohlebürste verbessert, was zu einer deutlich höheren Lebensdauer des Generators beziehungsweise des Schleifringsystems führt. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Vorsprünge zumindest zunächst jeweils radial spitz zulaufen, also im Längsschnitt gesehen eine Spitze an ihrem maximalen Außendurchmesser aufweisen, um einen Linienkontakt mit der Schleiffläche der Kohlebürste zu bilden, wird ein hoher Kohleabrieb insgesamt gewährleistet, so dass in kurzer Zeit das optimierte tribologische System zur Verfügung steht. Durch ihre spitze Ausbildung graben sich die Vorsprünge schneller in das Material der Kohlebürsten hinein und dichten schnell die Freiräume zwischen den Vorsprüngen ab, um den Abrieb beziehungsweise die abgeriebene Kohle am Entweichen aus dem Freiraum zu hindern. Durch den Linienkontakt wird ein besonders hoher Anpressdruck lokal gewährleistet, der schnell zu dem gewünschten Abrieb führt. Hierdurch wird gleichzeitig auch gewährleistet, dass nach kürzester Zeit Schleifring und Kohlebürste einen Formschluss in axialer Richtung ausbilden, der eine axiale Relativbewegung von Kohlebürste zu Schleifring verhindert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorsprünge einstückig mit dem Schleifring ausgebildet sind. Die Vorsprünge sind insbesondere aus Kupfer oder Bronze oder zumindest im Wesentlichen aus Kupfer oder Bronze gefertigt und weisen eine entsprechende Härte gegenüber dem Material der Kohlebürsten auf, um den schnellen Abrieb an der Kohlebürste zu gewährleisten. Durch die einstückige Ausbildung lassen sich die Vorsprünge einfach und kostengünstig realisieren, beispielsweise durch eine Drehbearbeitung.
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Bevorzugt weist die Schleiffläche der Kohlebürste einen Radius auf, der zumindest im Wesentlichen dem Außenradius des Schleifrings entspricht. Die zunächst glatte Schleiffläche ist somit insgesamt gekrümmt ausgebildet, so dass sie möglichst über ihre gesamte Breite mit der Mantelaußenfläche, insbesondere mit den Vorsprüngen der Mantelaußenfläche, in Berührungskontakt steht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen je zwei benachbarten Vorsprüngen eine – im Längsschnitt gesehen – bogenförmige, insbesondere teilkreisförmige Vertiefung ausgebildet ist. Durch das Versehen der Vertiefung zumindest bereichsweise mit einer Bogenform, wird die Oberfläche der Vertiefung vergrößert, wodurch die elektrischen Eigenschaften der Schleifpartner zur Übertragung der elektrischen Energie verbessert werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen je zwei benachbarten Vorsprüngen eine V-förmige Vertiefung ausgebildet ist. Die V-förmige Vertiefung ist kostengünstiger realisierbar und wird in den meisten Fällen zu einem ausreichend guten elektrischen Übergang führen.
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Besonders bevorzugt ist die jeweilige V-förmige Vertiefung ungleichförmig beziehungsweise asymmetrisch ausgebildet. Das bedeutet, dass die Vertiefung ungleiche Schenkel – im Längsschnitt gesehen – aufweist, wodurch die gegenüberliegenden Flanken der Vertiefung unterschiedlich groß und mit unterschiedlicher Steigung ausgebildet sind. Durch die asymmetrische Ausbildung der Vertiefung kann beispielsweise eine gewünschte Verschiebung von Kohlebürste zu Schleifring beim Einschleifen der Kohlebürste im Betrieb hergestellt werden, die beispielsweise zu einer gewünschten Vorspannung in axialer Richtung zwischen Kohlebürste und Schleifring führt.
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Besonders bevorzugt bilden die Vorsprünge – im Längsschnitt gesehen – ein Sägezahnprofil. Durch das Sägezahnprofil sind die Vertiefungen wie zuvor beschrieben asymmetrisch ausgebildet, wobei die Vertiefungen insgesamt über die Längserstreckung hinweg gesehen gleich ausgebildet sind, so dass auch die aufeinanderfolgenden Vorsprünge stets die gleiche asymmetrische Kontur aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schleiffläche zumindest bei einer ersten Inbetriebnahme des Generators zumindest im Wesentlichen glatt ausgebildet ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 einen elektrischen Generator mit einem Schleifringsystem in einer vereinfachten Darstellung,
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2 das Schleifringsystem vor Inbetriebnahme in einer Schnittdarstellung,
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3 das Schleifringsystem nach Inbetriebnahme in einer Längsschnittdarstellung, und
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4 eine alternative Ausbildung einer Mantelaußenfläche des Schleifrings des Schleifringsystems.
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1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen Generator 1, der beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Stromgewinnung eingesetzt werden kann. Der Generator 1 weist eine Welle 2 auf, die in einem Gehäuse 1‘ durch zwei Wälzkörperlager 2‘ und 2‘‘ drehbar gelagert angeordnet ist. Die Welle 2 trägt einen Kern 3, der drehfest auf der Welle 2 angeordnet ist. Ortsfest in dem Gehäuse ist weiterhin eine Ankerspule 4 vorgesehen, die mit dem Kern 3 zur Erzeugung elektrischer Energie durch Rotation der Welle 2 vorgesehen ist. An einem ersten Ende 5 ist die Welle 2 mit einem Antrieb, insbesondere Riementrieb, verbindbar, wodurch ein Drehmoment auf die Welle 2 zu ihrer Rotation übertragen werden kann. An ihrem dem Ende 5 gegenüberliegenden Ende 6 ist der Welle 2 ein Schleifringsystem 7 zugeordnet, mittels dessen der Kern 3 elektrisch kontaktierbar ist.
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Das Schleifringsystem 7 weist zwei auf dem Ende 6 der Welle 2 drehfest angeordnete Schleifringe 8 sowie zwei in dem Gehäuse drehfest angeordnete Kohlebürsten 9 auf. Die Kohlebürsten 9 sind in einem jeweiligen, hier nicht dargestellten Bürstenhalter derart gehalten, dass sie radial in Richtung der Welle 2 gedrängt werden, so dass sie mit einer Schleiffläche 10 jeweils gegen die Mantelaußenfläche 11 eines der Schleifringe 8 gedrängt werden.
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Wie im Stand der Technik üblich, sind die Schleiffläche 10 und die Mantelaußenfläche 11 zumindest im Wesentlichen glatt, also bis auf durch die Herstellung bedingte Schleifspuren, ausgebildet, wobei die Kontur der Schleiffläche 10 zumindest im Wesentlichen an die Außenkontur der Mantelaußenfläche 11 angepasst ist und insofern einen Radius aufweist, der zumindest im Wesentlichen dem Radius der Mantelaußenfläche 11 des Schleifrings 8 entspricht.
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Das zwischen Schleifring 8 und Kohlebürsten 9 jeweils vorliegende Energie-Determinierte tribologische System ist aufgrund von Reibung in Folge der Oberflächenbeschaffenheit als auch aufgrund der Materialpaarung einem Verschleiß unterworfen. Sowohl die Lebensdauer als auch die Leistung des Generators 1 ist maßgeblich vom Verschleißverhalten des Kohle-Schleifringsystems 7 abhängig. Verschleißrelevant sind hierbei vor allem die eingesetzten Kohlen in Form von Metallgraphit oder Elektrographit. Physikalische Kräfte bewirken einen mehr oder weniger hohen Verschleiß, der sich in unterschiedlichen Reibwerten äußert. Der Schleifring 8 ist wie üblich aus einem Kupfermaterial gefertigt.
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2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des Generators 1, durch welche das Verschleißverhalten des Generators 1 optimiert wird, ohne dass dabei Stromverluste in dem tribologischen System entstehen.
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2 zeigt hierzu das Schleifringsystem 7 in einer detaillierten Längsschnittdarstellung. Im Unterschied zum Stand der Technik ist die Mantelaußenfläche 11 des jeweiligen Schleifrings 8 mit einer Profilierung versehen. Hierzu ist die Mantelaußenfläche 11 mit mehreren parallel zueinander angeordneten, gleichen Vorsprüngen 12 versehen, die sich jeweils über den gesamten Umfang des Schleifrings 8 unterbrechungsfrei und koaxial zur Rotationsachse der Welle 2 beziehungsweise des Schleifrings 8 erstrecken. Die Vorsprünge 12 laufen radial jeweils spitz zu, so dass der höchste Punkt des jeweiligen Vorsprungs 12 von einer Spitze gebildet wird, die zusammen mit der Schleiffläche 10 der jeweiligen Kohlebürste 9, die gegen die Mantelaußenfläche 11 gedrängt wird, einen Linienkontakt bildet. Die Vorsprünge 12 sind dabei einstückig mit dem Schleifring 8 und daher ebenfalls aus dem Kupfermaterial gefertigt. Zwischen benachbarten Vorsprüngen 12 ist jeweils eine bogenförmige Vertiefung 13 ausgebildet, die die Oberfläche zwischen benachbarten Vorsprüngen 12 jeweils maximiert. Darüber hinaus kann durch die bogenförmige Ausbildung der Vertiefung 13 auf einfache Art und Weise das spitze Zulaufen der Vorsprünge 12 in radialer Richtung hergestellt beziehungsweise erreicht werden.
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2 zeigt den Ausgangszustand des Generators 1 beziehungsweise des Schleifringsystems 7 vor seiner ersten Betriebnahme, wenn die Schleiffläche 10 der Kohlebürste 9 noch ihrem glatten Ausgangszustand entspricht. Wie zuvor ist die Kontur der Schleiffläche 10 insgesamt an die Kontur der Mantelaußenfläche 11 des Schleifrings 8 derart angepasst, dass sie im Wesentlichen den gleichen Radius aufweist, wie der maximale Außenradius des Schleifrings 8 an den Spitzen der Vorsprünge 12.
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Mit Inbetriebnahme des Generators 1 erfolgt eine Relativbewegung zwischen Kohlebürste 9 und Schleifring 8, in Drehrichtung gesehen. Durch die Spitzen der Vorsprünge 12 entstehen an den jeweils gebildeten Linienkontakten hohe Drücke, die auf die Kohlebürsten 9 wirken. Dadurch entsteht bei einer Rotation der Welle 2 ein hoher Abrieb an dem Kohlematerial der Kohlebürsten 9, der dazu führt, dass die Vorsprünge 12 nach und nach in das Material der Kohlebürsten 9 eindringen.
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3 zeigt hierzu das Schleifringsystem 7 in einem Zustand nach der ersten Inbetriebnahme des Generators 1 beziehungsweise des Schleifringsystems 7. Der durch die Relativbewegung erzeugte Abrieb 14 ist in den Vertiefungen 13 gesammelt, während die Vorsprünge 12 sich entsprechende Nuten in die Schleiffläche 10 der Kohlbürsten 9 gegraben beziehungsweise gerieben haben. Da sich die Vorsprünge 12 unterbrechungsfrei über den gesamten Umfang des Schleifrings 8 erstrecken, kann die abgeriebene Kohle beziehungsweise der Abrieb 14 nicht ohne Weiteres aus der jeweiligen Vertiefung 13 herausgelangen. Die verschlissenen Kohlepartikel werden dadurch auf dem Schleifring 8 gebunden, wodurch es zu einem Wechsel der Gleitpartner von Kohle/Kupfer zu Kohle/Kohle beziehungsweise Graphit/Graphit kommt. In Folge dieses Tribologiewechsels kommt es zu einer Verringerung der Reibwerte, was sich in einem optimierten Verschleißverhalten äußert. Diese Reibwertänderung ist nanotribologisch betrachtet auf eine Änderung der Oberflächenadhäsionskräfte zurückzuführen. Insgesamt wird daher die Lebensdauer des Generators 1 durch das verbesserte Verschleißverhalten optimiert beziehungsweise verlängert.
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4 zeigt einen weiteren Längsschnitt, diesmal jedoch nur durch den Schleifring 8. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 13 nicht bogenförmig, sondern im Wesentlichen V-förmig ausgebildet, wobei die Vorsprünge 12 weiterhin spitz enden. Die Vertiefungen 13 sind dabei asymmetrisch ausgebildet, so dass die hintereinander liegenden Vorsprünge 12 – im Längsschnitt gesehen – ein Sägezahnprofil 15 bilden. Vorliegend ist dabei die dem Kern 3 zugewandte Flanke der Vorsprünge 12 kürzer ausgebildet als die von dem Kern 3 wegweisende Seite. Gleichzeitig ist der Flankenwinkel α der längeren Seite kleiner gewählt, wie der Flankenwinkel β der kürzeren Flanke, so dass sich die beiden Flanken in der jeweiligen Spitze auf gleicher Höhe treffen. Das Sägezahnprofil 15 der Mantelaußenfläche 11 bedingt eine Vorzugsrichtung – axial gesehen – in welche Kohlebürste 9 und Schleifring 8 sich zueinander verlagern können. Hierdurch kann beispielsweise eine Vorspannung in axialer Richtung zwischen Kohlebürste 9 und Schleifring 8 erreicht werden. Auch hier erlauben die Spitzen ein vorteilhaftes Eintreiben der Vorsprünge 12 in die Kohlenbürsten 9 und den damit einhergehenden hohen Abrieb des Materials der Kohlebürste, der sich dann in kurzer Zeit in den Vertiefungen 13 sammelt, um die Gleitpaare in dem tribologischen System zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010892 A1 [0003]
- US 2004/0140729 A1 [0003]
- US 7847467 B2 [0003]
