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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erdungsschleifeinheit mit einem stehenden Maschinenteil, einem drehenden Maschinenteil und mindestens einer Bürste mit Borsten aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die Bürste derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie bei einer Drehung des drehenden Maschinenteils einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zwischen dem drehenden Maschinenteil und dem stehenden Maschinenteil herstellt.
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Eine Bürste ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bund aus Borsten. Dabei umfasst der Begriff „Borsten“ auch alle funktionell gleichwirkenden flexiblen Schleifkontakte.
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Als Beispiel für Maschinen, die ein stehendes und ein drehendes Maschinenteil aufweisen, sind z. B. Drehdurchführungen oder Antriebsmaschinen zu nennen, bei denen eine Welle in einem Drehlager drehbar gelagert ist.
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Durch die Drehung des drehenden Maschinenteils relativ zum stehenden Maschinenteil kommt es bei solchen Maschinen aufgrund von Reibungsprozessen häufig zu Ladungstrennungen und dadurch zu einer gegensinnigen elektrostatischen Aufladung des drehenden und stehenden Maschinenteils und folglich zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen drehendem und stehendem Maschinenteil, die unter Umständen zu unkontrollierten Entladungen führen kann. Solche elektrischen Potentialdifferenzen bzw. Spannungen können auch durch kapazitive Einkopplungen entstehen, beispielsweise wenn das stehende Maschinenteil durch Ladungszufuhr von außen eine Aufladung erfährt. Darüber hinaus können bei drehenden elektrischen Maschinenteilen auch Induktionsströme und damit einhergehende Ladungstrennungen und Potentialdifferenzen innerhalb des drehenden Maschinenteils auftreten, falls der magnetische Kreis des drehenden Maschinenteils Asymmetrien aufweist. All diese Effekte bewirken in einer Maschine demnach elektrische Spannungen und Entladungen bzw. Ströme, die in der Regel unerwünscht sind, und daher als Störspannungen bzw. -ströme bezeichnet werden. Dies gilt auch für Maschinenteile, die überwiegend oder ausschließlich aus elektrisch gut leitendem Material, wie zum Beispiel Stahl oder Edelstahl, bestehen. Diese Störspannungen bzw. -ströme sind insbesondere deshalb unerwünscht, weil sie die Funktionalität von in der Maschine verbauten Elektronikbauteilen einschränken können und auch zu einem Ausfall dieser Elektronikbauteile führen können. Bei solchen Elektronikbauteilen kann es sich beispielweise um Sensoren oder Steuereinheiten einer Maschine handeln.
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Um einen störungsfreien Betrieb von in einer Maschine verbauten Elektronikbauteilen zu ermöglichen, werden drehende Maschinenteile daher in der Regel über eine Erdungsschleifeinheit gegenüber dem stehenden Maschinenteil geerdet. Über die Erdungsschleifeinheit werden Ströme bzw. Spannungen, die im drehenden Maschinenteil herrschen bzw. bestehen, abgeführt. Dabei werden die Ströme bzw. Spannungen in der Regel über schleifende Bürsten vom drehenden Maschinenteil auf das stehende Maschinenteil geleitet, wodurch zumeist auch eine Erdung des drehenden Maschinenteils gegenüber dem Untergrund, auf dem die Maschine steht, erfolgen kann. Die Erdungsschleifeinheit soll effektiv einen Kurzschluss zwischen drehendem und stehendem Maschinenteil herstellen, so dass keine elektrischen Spannungen zwischen dem stehenden und dem drehenden maschinenteil aufgebaut werden, wobei dies selbstverständlichen voraussetzt, dass die stehenden und drehenden Maschinenteile, die mit der Erdungsschleifeinheit in Kontakt stehen, ihrerseits zu wesentlichen Teilen aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.
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Üblicherweise handelt es sich bei einem drehenden Maschinenteil um eine Welle und damit verbundene Teile, wobei die Welle über Drehlager in dem stehenden Maschinenteil drehbar gelagert ist. Der Kontakt über Lager, wie zum Beispiel Wälzlager und insbesondere über Gleitlager oder gar um berührungsfreie (z. B. magnetische) Lager, reicht im Allgemeinen nicht aus, um den Aufbau elektrischer Potentiale zwischen den Maschinenteilen zu verhindern, weil zum Beispiel Ölfilme oder andere Gleitmittel den elektrischen Kontakt vermindern.
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Die Bürsten können beispielsweise an einer ringförmigen Bürstenhalterung des stehenden Maschinenteils angebracht sein, so dass die Welle durch die ringförmige Bürstenhalterung verläuft, wobei die Bürsten auf der Innenseite der ringförmigen Bürstenhalterung derart angeordnet sind, dass die Borsten der Bürsten die Welle berühren und somit ein Schleifkontakt zwischen Welle und Bürstenhalterung mittels der Bürsten hergestellt wird.
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Die Borsten bestehen dabei in der Regel aus elastischen Drähten, die des Öfteren auch Grafitanteile aufweisen, um einen zuverlässigen Schleifkontakt bei sehr hohen Drehzahlen erreichen zu können.
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In vielen Fällen reichen aber nicht einmal diese herkömmlichen Erdungsschleifeinheiten mit Bürsten aus, einen ausreichenden Kontakt zwischen den Maschinenteilen herzustellen, der den Aufbau unerwünschter Spannungen sicher verhindert, da oft bereits Spannungen von wenigen Volt empfindliche und kleine elektronische Halbleiterbauteile zerstören bzw. beschädigen und unbrauchbar machen können
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Im Zuge der Digitalisierung des Industriesektors und aufgrund der Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit elektronischer Bauelemente werden immer mehr und immer sensiblere elektronische Bauteile auch in Maschinen verbaut, die einen drehenden und einen stehenden Maschinenteil aufweisen. Dazu zählen beispielsweise Sensoren, die Prozess- oder Maschinenparameter wie Temperatur, Druck oder Durchflussraten messen können. Solche Sensoren haben zumeist äußerst geringe räumliche Maße besitzen, damit sie an vielen unterschiedlichen Stellen in einer Maschine eingebaut werden können, ohne die eigentliche Funktionalität und räumlichen Maße einer Maschine zu beeinflussen. Durch eine Vielzahl von Sensoren kann ein möglichst umfassendes Bild des Ist-Zustandes einer Maschine und der mit der Maschine verbundenen Prozesse erstellt werden, was zu einer verbesserten Prozessüberwachung, -steuerung und -abstimmung und schlussendlich zu einer verbesserten Effizienz der jeweiligen Maschinen und Prozesse führen kann.
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Durch die geringen räumlichen Maße solcher Sensoren werden auch die elektronischen Schaltkreise dieser Sensoren immer kleiner, was auch zur Folge hat, dass solche Sensoren mit immer kleineren Spannungen und Strömen arbeiten. Daher sind derartige in Maschinen verbaute Elektronikbauteile und Sensoren in der Regel äußerst empfindlich gegenüber äußeren elektrischen Feldem. Wenn die Übergangswiderstände zwischen drehendem und stehenden Maschinenteil an der Erdungsschleifeinheit im Betrieb einer Maschine allerdings schwanken, werden die Störspannungen und -Ströme zum Teil auch durch die Widerstandsschwankungen selbst generiert oder mittels der herkömmlichen Erdungsschleifeinheiten nicht kontinuierlich genug abgebaut bzw. abgeleitet, um das Spannungsniveau unterhalb eines tolerierbaren Gefährdungsniveaus für elektronisch Bauteile zu halten. Die Funktionalität und somit auch die Verwendungsmöglichkeit von Sensoren und elektronischen Bauteilen in einer Maschine mit drehendem Maschinenteil ist deshalb aufgrund dieser Schwankungen des Übergangswiderstands begrenzt.
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Die Erfahrung mit herkömmlichen Erdungsschleifeinheiten hat gezeigt, dass es bei einer Rotation der Welle durch Stoßprozesse zwischen Borstenenden und der Oberfläche der Welle zu temporären Kontaktverlusten bzw. Kontaktminderungen zwischen Borsten und Welle kommt. Dadurch entstehen zeitliche Schwankungen des Übergangswiderstands, so dass mit herkömmlichen Erdungsschleifeinheiten erfahrungsgemäß kein konstanter Übergangswiderstand gewährleistet werden kann. Widerstandsschwankungen bewirken zudem zeitlich veränderliche Erdungsströme, wodurch es wiederum zusätzlich zu störhaften induzierten Spannungen und Strömen kommen kann.
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Bei herkömmlichen Erdungsschleifeinheiten ergibt sich erfahrungsgemäß ein Übergangswiderstand zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil ergibt, dessen Wert im Betrieb, d. h. während der Rotation der Welle unter Umständen 20 Ohm übersteigen kann. Zwar sind in manchen Fällen auch solche relativ hochohmigen Verbindungen tolerierbar, jedoch sind niederohmige Verbindungen zur Ableitung von Störspannungen an Maschinen mit rotierenden Elementen bevorzugt
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Es werden deshalb Erdungsschleifeinheiten benötigt, die näherungsweise zumindest konstante Übergangswiderstände gewährleisten können, um den Einfluss von Störspannungen bzw. -strömen auf verbaute Elektronikbauteile ausreichend gering zu halten. In diesem Sinne sind die Ansprüche an Erdungsschleifeinheiten im Zuge der Digitalisierung des Industriesektors deutlich gestiegen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erdungsschleifeinheit bereitzustellen, mit der auf einfache Weise ein zeitlich annähernd konstanter Übergangswiderstand zwischen dem drehenden Maschinenteil und dem stehenden Maschinenteil erzielt werden kann. Darüber hinaus wird zusätzlich ein möglichst geringer Übergangswiderstand (unter 1 Ohm) angestrebt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Erdungsschleifeinheit besteht aus einem drehenden Maschinenteil, einem stehenden Maschinenteil und mindestens einer Bürste mit Borsten aus einem elektrisch leitfähigen Material. Dabei ist die Bürste derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie während einer Drehung des drehenden Maschinenteils einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil herstellt, wobei die freien Enden der Borsten der Bürste eine Schleifoberfläche der Erdungsschleifeinheit überstreichen. Die Schleifoberfläche besteht dabei aus einem elektrisch leitfähigen Material. Erfindungsgemäß ist die Schleifoberfläche zumindest teilweise mit einem Silberlack oder einer Silberpaste beschichtet.
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Die Beschichtung der Schleifoberfläche mit Silberpaste bzw. Silberlack führt auch bei einer Rotation eines drehenden Maschinenteils zu einem kontinuierlichen elektrisch leitenden Kontakt zwischen stehendem und drehendem Maschinenteil. Zum einen ist der Silberpaste bzw. der Silberlack selbst sehr gut elektrisch leitfähig aufgrund der enthaltenen Silberpartikel. Eine Silberpaste bzw. ein Silberlack haftet zudem sehr gut auf einer Oberfläche eines drehenden oder stehenden Maschinenteils, die in der Regel aus einem Metall bzw. aus Stahl besteht, sodass insgesamt eine niederohmige Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Maschinenteil entsteht. Zum anderen bewirkt die silberhaltige Beschichtung eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Borsten und Schleifoberfläche, da die Beschichtung einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Schleifoberfläche und solchen Borsten her, die nicht direkt an der Schleifoberfläche anliegen. Vor allem die Anzahl der zeitlich begrenzten Kontaktverluste zwischen Borsten und Schleifoberfläche wird durch die Beschichtung verringert. Es hat sich gezeigt, dass dadurch ein annähernd konstanter, sehr geringer Übergangswiderstand zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil erzeugt wird bzw. Schwankungen des Übergangswiderstandes zumindest stark verringert werden. Darüber hinaus oxidiert eine mit einer Silberpaste oder einem Silberlack beschichtete Schleifoberfläche nicht so leicht wie eine unbeschichtete Schleifoberfläche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bürsten am stehenden Maschinenteil befestigt. Bei dieser Ausführungsform weist zumindest das drehende Maschinenteil eine Schleifoberfläche auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
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Durch die Befestigung der Bürsten am stehenden Maschinenteil kann das drehende Maschinenteil in vorteilhafter Weise so einfach wie möglich ausgestaltet sein. Dies ist insofern vorteilhaft, da das drehende Maschinenteil aufgrund der im Betrieb stattfindenden Drehung einem größeren Verschleißpotenzial ausgesetzt ist, welches dadurch minimiert werden kann, dass das drehende Maschinenteil als eine möglichst einfache Form, beispielsweise als Körper mit zylindrischer Oberfläche, ausbildet ist. Zusätzliche am drehenden Maschinenteil befestigte Elemente wie Bürsten würden sich auf das Trägheitsmoment des drehenden Maschinenteils auswirken, was die Anforderungen an ein zugehöriges Drehlager erhöhen kann.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Bürsten am drehenden Maschinenteil befestigt. In diesem Fall weist zumindest das stehende Maschinenteil eine Schleifoberfläche auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Möglich sind darüber hinaus auch Ausführungsformen, bei denen Bürsten sowohl am stehenden als auch am drehenden Maschinenteil befestigt und die entsprechenden Schleifoberflächen an beiden Maschinenteilen vorgesehen sind.
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Trotz der zuvor genannten Nachteile einer Befestigung der Bürsten am drehenden Maschinenteil kann es bei besonderen Anwendungen dennoch vorteilhafter sein, die Bürsten am drehenden Maschinenteil zu befestigen. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn sich aus Platzgründen eine nachträgliche Anbringung von Bürsten am stehenden Maschinenteil als schwierig erweist.
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In einer Ausführungsform wird die Schleifoberfläche durch eine auf dem drehenden oder stehenden Maschinenteil aufgeklebte Folie bzw. einem Blech aus kupferhaltigem Material bereitgestellt. Der Kleber, mit dem eine solche Folie oder eine Blech aufgeklebt wird, beinhaltet vorzugweise Silberpartikel und weist dadurch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Alternativ kommt für die Befestigung eines Bleches auch Auflöten oder -Schweißen in Betracht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das drehende Maschinenteil eine Welle mit einer Längsachse auf. Dabei kann die Welle in einem Drehlager, wie beispielsweise in einem Kugellager, gelagert sein.
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In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Erdungsschleifeinheit ein drehendes Maschinenteil in Form einer Welle auf, wobei ein Abschnitt der Welle von einer Hülse umfasst ist. Die radial äußere Oberfläche der Hülse bildet dabei die Schleifoberfläche. Bei dieser Ausführungsform ist mindestens eine Bürste am stehenden Maschinenteil befestigt und die freien Enden der Borsten dieser Bürste liegen an der Schleifoberfläche der Hülse an. Die Hülse besteht vorzugsweise aus Stahl, Kupfer, Messing oder Bronze. Im Besonderen sind aber weitere kupferhaltige Materialien bzw. Materialien aus der Gruppe der Kupferlegierungen durch diese Nennung nicht ausgeschlossen und können auch zum Einsatz kommen.
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Das Material der Welle kann dabei im Hinblick auf die Materialkosten oder die erforderlichen mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden, da diese durch die Hülse nur unwesentlich beeinfluss werden. Das Material der Hülse wird hingegen auf Basis ihrer Eignung als Schleifkontakt ausgewählt. Der Verbund aus Welle und Hülse kann unterschiedliche Formen annehmen, wobei in der Regel die Außenkontur der Welle entsprechend der Innenkontur der Hülse ausgeformt ist. Beispielsweise kann die Welle eine Aussparung aufweisen, so dass der Verbund aus Welle und Hülse an der in Längsrichtung befindlichen Schnittstelle eine stufenlose Zylinderoberfläche aufweist. Eine Hülse kann zudem auf einfache Weise an einer Welle angebracht werden, indem sie auf die Welle aufgesetzt bzw. aufgeschrumpft wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Hülse gegebenenfalls unabhängig von der Welle ausgewechselt werden kann. Somit besteht die Möglichkeit einer einfachen und kostengünstigen Wartung bzw. eines einfachen Ersatzes der Schleifoberfläche.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Hülse einen sich bezüglich der Längsachse der Welle radial erstreckenden Flansch auf. Der Flansch kann dabei so ausgestaltet sein, dass eine Oberfläche des Flansches, deren Flächennormale in eine Längsrichtung der Welle zeigt, die Schleifoberfläche aufweist.
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Durch einen solchen Flansch wird ermöglicht, dass die Bürsten einer Erdungsschleifeinheit in Längsrichtung der Welle ausgerichtet sein können, so dass sie entweder an der oben genannten Oberfläche des Flansches befestigt sind oder die Borsten der Bürste an der genannten Oberfläche anliegen bzw. im Betrieb schleifen. Durch eine solche Vorrichtung können Störspannungen bzw. - ströme in Längsrichtung der Welle abgeleitet werden. Dies ist insbesondere bei Drehdurchführungen von Vorteil, bei denen Elemente, die senkrecht von der Längsrichtung einer Welle angreifen würden, aus Platzgründen vermieden werden sollen.
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In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Bürsten an einer gemeinsamen oder auch leicht versetzten axialen Position bezüglich der Längsrichtung der Welle angeordnet. Die Bürsten überstreichen dabei die Schleifoberfläche gemeinsam und sind an unterschiedlichen Winkelpositionen bezüglich der Achse der Welle angeordnet.
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Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise eine ringförmige die Schleifoberfläche umfassende Bürstenhalterung aufweisen, durch die die Welle hindurch verläuft, An der Bürstenhalterung sind z. B. mehrere Bürsten befestigt, die einen Kontakt zu der Welle bzw. deren Schleifoberfläche herstellen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise und mit einem Minimum an Material- und Platzbedarf ein Einsatz von mehreren Bürsten ermöglicht.
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Als besonders zweckmäßig hat sich eine Erdungsschleifeinheit mit drei Bürsten erwiesen, die unter Winkelabständen von 120° zueinander an derselben oder auch relativ versetzten axialen Position bezüglich der Welle angeordnet sind. Die Bürsten können beispielsweise in axialer Richtung um den halben bis ganzen Durchmesser einer Bürste bzw. eines Borstenbündels axial zueinander versetzt sein, um den Reibungsverschleiß gleichmäßig über die zur Verfügung stehende Schleifoberfläche zu verteilen.
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Durch das Vorsehen von mehreren Bürsten wird insbesondere ein gleichmäßiges Ableiten von Störspannungen und - strömen ermöglicht, weil es praktisch ausgeschlossen ist, dass drei derart angeordnete Bürsten beispielsweise in Folge von Vibrationen der Maschine gleichzeitig den Kontakt mit der Schleifoberfläche verlieren, so dass mindestens eine der Bürsten immer mit der Schleifoberfläche in Kontakt ist.
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In einerweiteren Ausführungsform ist die Schleifoberfläche zylindrisch mit einem Durchmesser von mindestens 5 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm und hat eine Breite senkrecht zur Schleifrichtung (d.h. in axialer Richtung) von 2 bis 50 mm. Die Bürsten bestehen typischerweise aus mindestens einem Bündel oder Büschel aus mehreren zusammengefassten Borsten, wobei jedes Bündel oder Büschel aus mindestens 10 und bis zu mehreren hundert Borsten besteht. Die Borsten der Bürste bestehen ihrerseits vorzugsweise aus Carbonfasem, die jeweils eine Dicke von 5 bis 20 µm haben.
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Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Dimensionierung der Erdungsschleifeinheit einen annährend konstanten Übergangswiderstand gewährleisten kann und der Übergangswiderstand selber einen Wert von 20 Ohm nicht übersteigt.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass auch die Borsten der Erdungsschleifeinheit zumindest teilweise von einem Film aus Silberlack oder Silberpaste überzogen sind. Dies kann schon allein dadurch bewirkt werden, dass Silberlack bzw. Silberpaste im Überschuss auf die Schleifoberfläche aufgetragen wird, die Bürsten mit der Schleifoberfläche in Eingriff gebracht werden und das drehende Maschinenteil in Drehung versetzt wird. Aufgrund der zumindest zunächst fließfähigen Konsistenz des Silberlacks bzw. der Silberpaste bildet sich durch die Schleifbewegung ein Film aus Silberpaste bzw. Silberlack auf den Borsten aus. Alternativ können die Bürsten auch manuell und unabhängig vom Schleifkontakt mit einem Film aus Silberlack bzw. Silberpaste überzogen werden.
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Durch den Film aus Silberlack bzw. Silberpaste werden in vorteilhafter Weise der elektrische Widerstand der Borsten und auch der Kontaktwiderstand zwischen Borsten und Schleifoberfläche verringert, was zu einer Gesamtreduktion des Übergangswiderstandes zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil führt. Außerdem wird durch den Film die Kontaktoberfläche zwischen Borsten und Schleifoberfläche vergrößert. Darüber hinaus kann der Film aus Silberlack bzw. Silberpaste auf vorteilhafte Weise weitere elektrisch leitende Kontakte zwischen der Schleifoberfläche und solchen Borsten herstellen, die nicht direkt an der Schleifoberfläche anliegen. Die Möglichkeit von Schwankungen des Übergangswiderstands wird dadurch weiter verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Borsten der Bürste aus Carbonfasem. Carbonfasern bzw. Kohlefasern sind besonders gut dafür geeignet, elektrisch leitende Verbindungen herzustellen und ihre Elastizität bleibt auch nach längeren Betriebszeiten weitgehend erhalten, sodass eine solche Bürste eine hohe Lebensdauer aufweist.
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In einer Ausführungsform besteht der Silberlack bzw. die Silberpaste zu 35 bis 65 % aus Silber, zu 10 bis 30 % aus N-Butylacetat, zu 10 bis 30 % aus 1-Methoxy-2-propanolacetat und zu 5 bis 10 % aus Acrylharz.
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Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch die oben genannte Zusammensetzung des Silberlacks bzw. der Silberpaste ein sehr geringer und vor allem weitgehend konstanter Übergangswiderstand zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil erzielbar ist. Der Übergangswiderstand ist dabei sehr gering in einem Bereich von weniger als 1 Ohm und zeigt im Betrieb der erfindungsgemäßen Erdungsschleifeinheit nur geringe zeitliche Schwankungen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Erdungsschleifeinheit als Anbaumodul für eine Maschine ausgestaltet, die ihrerseits ein stehendes und ein drehendes Maschinenteil aufweist. Das Modul weist ein Gehäuse auf, welches ein drehendes Maschinenteil des Moduls derart umgibt, dass die Erdungsschleifeinheit als nach außen weitgehend gekapseltes Modul ausgebildet ist, das Schnittstellen zur Verbindung mit einem weiteren stehenden und einem weiteren drehenden Maschinenteil aufweist, die gut leitend miteinander zu verbinden sind, um das Auftreten von elektrischen Spannungen und elektrostatischen Ladungen und Entladungen zwischen diesen Maschinenteilen zu verhindern. Eine bevorzugte Schnittstelle ist dabei ein drehbares Maschinenteil der Erdungsschleifeinheit, welches einen Hohlwellenabschnitt mit einem polygonalen inneren Querschnitt, wie zum Beispiel eine Innensechskant oder ein achtkantiges Querschnittsprofil aufweist.
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Das gekapselte Modul zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass es als eine in sich abgeschlossene Baugruppe ausgestaltet ist, die ihrerseits ein stehendes und ein drehendes Maschinenteil aufweist, die über die erfindungsgemäße Erdungsschleifeinheit miteinander verbunden sind und mit möglichst geringem Aufwand an eine konkret zu schützende Maschine angekuppelt werden können.
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Das Gehäuse schützt zum einen die Erdungsschleifeinheit vor störenden Umwelteinflüssen, wie z.B. Staubbefall, der den Übergangswiderstand zwischen dem drehenden und dem stehenden Maschinenteil in nachteiliger Weise vergrößern könnte. Des Weiteren dient das Gehäuse dazu, die Erdungsschleifeinheit als Modul mit einer Standardschnittstelle auszubilden, die mit anderen Maschinen oder Maschinenmodulen in Verbindung gebracht werden kann. Das Gehäuse ist auch insofern von Vorteil, als der Anwender in einfacher Art und Weise die Erdungsschleifeinheit als Ganzes montieren, abmontieren bzw. lagern kann.
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Die Schnittstelle zwischen Erdungsschleifeinheit und einem weiteren Maschinenteil, wie beispielsweise einer Spindel, ermöglicht es dem Anwender, die Erdungsschleifeinheit auf besonders einfache und schnelle Art und Weise mit dem weiteren Maschinenteil in Verbindung zu bringen. Daraus ergibt sich insbesondere auch der Vorteil, dass die Erdungsschleifeinheit im Zuge von Wartungsarbeiten einfach zu demontieren ist bzw. auszutauschen ist.
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Rotierende Maschinen weisen häufig Drehdurchführungen für fließfähige Medien, beispielsweise für Hydrauliköl, Luft oder andere Medien auf. Dabei ist es häufig zweckmäßig, wenn Eine Erdungsschleifeinheit, wie sie vorstehend beschrieben und in den Ansprüchen definiert ist, in eine solche Drehdurchführung für fließfähige Medien integriert ist
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In einer Ausführungsform besteht die Schleifoberfläche aus Kuper oder einer kupferhaltigen Legierung,.
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Die Verwendung von Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen als Material der Schleifoberfläche führt zu einer deutlichen Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen dem stehenden und dem drehenden Maschinenteil. Kupfer und kupferhaltige Materialien können ihrerseits einen guten elektrischen Kontakt zu dem drehendem oder stehendem Maschinenteil herstellen, das in der Regel aus Stahl oder einem Edelstahl hergestellt ist. Die Oberflächeneigenschaften kupferhaltiger Legierungen und Silberpasten bzw. Silberlacke werden somit in Kombination auf vorteilhafter Weise genutzt, so dass insgesamt zwischen dem drehendem und dem stehendem Maschinenteil eine niederohmige elektrische Verbindung entsteht. Bei Verwendung kupferhaltiger Legierungen, wie zum Beispiel Messing, gelingt es, den Übergangswiderstand zwischen dem stehenden und dem drehenden Maschinenteil konstant auf unter 1 Ohm zu reduzieren
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Messing, kommt deshalb vorzugsweise als Schleifoberflächenmaterial zum Einsatz. Bei Messing handelt es sich um ein kupferhaltiges Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit von ca. 19 bis 33 MS pro Meter.
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Messing eignet sich für die Verwendung als Material der Schleifoberfläche in besonderer Weise, da es sowohl gut elektrisch leitend als auch hart und widerstandsfähig ist und zudem keine Funken schlägt. Vor allem aber hat sich gezeigt, dass die Silberpaste ihrerseits besonders gut auf einer Messingoberfläche haftet. Darüber hinaus ist es korrosionsbeständig und weist gute Oberflächeneigenschaften auf, so dass die Borsten einer Bürste gut auf der Schleifoberfläche gleiten und es somit im Betrieb in der Regel nicht zu einem Abheben der Borsten von der Schleifoberfläche kommt.
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Ein anderes gut geeignetes Material ist Kupfer-Beryllium, das auch für Werkzeuge in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform besteht die Schleifoberfläche aus Stahl, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Stahl als Schleifoberflächenmaterial in vielen Fällen ausreichend ist, um den notwendigen Erdungseffekt mit einem i etwa konstanten Übergangswiderstand zu erzielen und folglich durch Störspannungen bedingte Fehlfunktionen elektronischer Bauteile zu verhindern. Daher ist Stahl aufgrund seiner akzeptablen Oberflächeneigenschaften und seines relativ geringen Preises oftmals die erste Wahl. Zudem können aus Stahl bestehende Maschinen ohne zusätzliches Bereitstellen einer Schleifoberfläche mit einer Erdungsschleifeinheit nachgerüstet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Erdungsschleifeinheit,
- 2: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Erdungsschleifeinheit.
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Die perspektivische Ansicht einer Erdungsschleifeinheit 1 in 1 zeigt eine gekapselte Ausführungsform einer als Anbaumodul ausgestalteten Erdungsschleifeinheit 1. Das Erdungsschleifmodul weist insbesondere ein Gehäuse 2, äußere Flansche 3 sowie Befestigungsschrauben 4 auf. Die Befestigungsschrauben stecken in Bohrungen, die auf den hervorstehenden Flächen der Flansche 3 angeordnet sind, und ermöglichen es, das Erdungsschleifmodul an ein weiteres stehendes Maschinenteil anzukuppeln.
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Eine Schnittstelle 5 für die Verbindung mit weiteren Maschinenteilen liegt dabei auf der dem Betrachter abgewandten Seite. Auf der dem Betrachter zugewandten Stirnseite des Erdungsschleifmoduls 1, weist das Gehäuse 2 eine ringförmige Aussparung 6 auf, die dazu dient, den Flansch 3 an der Stirnseite des Gehäuses mittels der Befestigungselemente 7 zu fixieren.
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Man erkennt weiterhin das drehende Maschinenteil 8 der Erdungsschleifeinheit, in diesem Fall eine Welle 8, die auf der dem Betrachter zugewandten Seite von einer ringförmigen Bürstenhalterung 9 umgeben ist. Die Welle 8 hat die Form eines Hohlzylinders und schließt auf der dem Betrachter zugewandten Seite mit einem Wellen-Verschlussring 10 ab.
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Die in 1 gezeigte Bürstenhalterung 9 gehört zum stehenden Maschinenteil 11. Sie weist Bohrungen 12 und Bohrungen 13 auf. Die Bohrungen 12 dienen zur Aufnahme von Bürsten 14, 14',14" und die Bohrungen 13 dienen zur Befestigung einer in dieser Darstellung nicht gezeigten stimseitigen Verschlusskappe 22 des Moduls. Die Bürsten 14, 14',14", die in den Bohrungen 12 befestigt sind, stellen einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem stehenden Maschinenteil 11 und der Oberfläche der Welle 8 her. Der Teil der Oberfläche der Welle, der währen einer gedachten kompletten Drehung der Welle von den Borsten einer der Bürsten 14, 14' oder 14" überstrichen wird, bildet die Schleifoberfläche 15. Diese befindet sich an einer axialen Position der Welle, die ca. 2-3 cm von der Stirnseite der Welle bzw. dem Wellen-Verschlussring 10 beabstandet ist.
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Dabei ist es jedoch möglich, die Bürsten an zueinander leicht versetzten axialen Positionen anzuordnen, um die Schleifoberfläche in einer größeren axialen Breite zu nutzen und den Verschließ dieser Fläche durch den Schleifkontakt mit den Bürsten zu verringern. In der gezeigten Ausführungsform wird die Schleifoberfläche 15 durch eine dünne Messinghülse 16 bereitgestellt, die auf die äußere Oberfläche eines Endabschnitts der Welle 8 aufgeschrumpft ist. Alternativ könnte auf diesem Endabschnitt reduzierten Durchmessers der Welle 8 auch eine Folie aus einem kupferhaltigen Material aufgeklebt sein.
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2 zeigt eine axiale Schnittansicht einer Erdungsschleifeinheit 1.
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Eine Welle 8 mit einer Längsachse 17 ist in diesem Fall über ein Kugellager 18 drehbar gelagert. Kugeln 19 sind jeweils zwischen einem Lagerinnenring 20, der sich mit der Welle dreht, und einem am Gehäuse fixierten Lageraußenring 21 angeordnet.
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Am dem vom Betrachter gesehen rechten Ende der Vorrichtung ist die Bürstenhalterung 9 zu erkennen, an der die Bürsten 14, 14' und 14" angeordnet sind. In dem in 2 gezeigten Querschnitt sind die Bürsten 14 und 14' nur teilweise zu erkennen.
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In 2 ist zudem die Verschlusskappe 22 erkennbar, Sie Die Verschlusskappe ist ein Deckel der über nicht dargestellte Schrauben über die Bohrungen 7 mit dem Gehäuse 2 verschraubt wird und bündig mit dem Gehäuse 2 abschließt. Der Bürstenhalterungsring 9 ist mit diesem Deckel über die schrauben 23 verbunden. Gehäuse 2 und Deckel 22 bilden eine geschlossene Gehäuseeinheit. Die Schrauben 23 dienen weiterhin dazu Ströme und Spannungen vom stehenden Teil zu einer externen Masse abzuführen. Die Messinghülse 16, durch die die Schleifoberfläche 15 bei der dargestellten Ausführungsform bereitgestellt wird, ist aufgrund ihrer geringen Dicke in dieser Schnittansicht nicht hervorgehoben. Jedoch kann auch die gesamte Welle 8 aus Messing oder einem anderen kupferhaltigen Material hergestellt sein.
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Über die in 2 gezeigte Schnittstelle 5 kann die Erdungsschleifeinheit 1 mit weiteren Maschinenteilen, wie beispielsweise einer Spindel, verbunden werden. Die Welle 8 weist für diese Zwecke einen Kupplungsabschnitt 24 auf, dessen Querschnitt dem Querschnitt eines Wellenendes eines weiteren Maschinenteils entspricht. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Kupplungsabschnitt als Innensechskant ausgebildet. Somit kann eine weitere Welle, das ein Wellenende in Form eines Außensechskants aufweist, in die Welle 8 eingesteckt und formschlüssig mit dieser verbunden werden.
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Der stehende Maschinenteil 11 der Erdungsschleifeinheit bzw. des Erdungsschleifmoduls bildet ein die Welle 8 und die Kugellager 18 sowie die Bürstenhalterung 9 umfassendes Gehäuse und ist über die Befestigungsschrauben 4 und den Flansch 3 mit einem weiteren stehenden Maschinenteil verbindbar und die Welle 8 ist über den Kupplungsabschnitt 24 mit einem weiteren drehenden Maschinenteil verbindbar, wobei zur elektrischen Verbindung der Hohlwelle 8 mit einer darin aufgenommenen Welle oder einem sonstigen drehenden Maschinenteil ein elektrisch leitender, vorzugsweise metallischer Federkontakt vorgesehen ist, so dass auch zwischen den weiteren drehenden Maschinenteilen und dem drehenden Teil der Erdungsschleifeinheit 1 eine gut leitende elektrische Verbindung besteht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist dies ein federnd vorgespannter Ring 25, rechts von dem Innensechskant 24, der mit der Stirnseite eines in dem Innensechskant aufgenommenen, drehenden Maschinenteils in Eingriff tritt
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Die Silberpaste bzw. der Silberlack ist aufgrund der geringen Schichtdicke des Lackfilms auf den gezeigten Darstellungen nicht zu erkennen. Erfindungsgemäß befindet sich aber ein Film aus Silberpaste bzw. Silberlack auf der Schleifoberfläche 15, wobei die Bürsten auf dieser Schleifoberfläche 15 gleiten und ihrerseits mindestens teilweise mit dem Silberlack überzogen sind, und sei es nur durch Abrieb aufgrund des Schleifkontakts.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erdungsschleifeinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Flansch
- 4
- Befestigungsschraube
- 5
- Schnittstelle
- 6
- Ringförmige Aussparung
- 7
- Befestigungselement
- 8
- Welle, drehendes Maschinenteil
- 9
- Bürstenhalterung
- 10
- Wellen-Verschlussring
- 11
- Stehendes Maschinenteil
- 12
- Bohrung
- 13
- Bohrung
- 14, 14', 14"
- Bürsten
- 15
- Schleifoberfläche
- 16
- Kupferfolie
- 17
- Längsachse
- 18
- Kugellager
- 19
- Kugelelement
- 20
- Lagerinnenring
- 21
- Lageraußenring
- 22
- Verschlusskappe
- 23
- Schraubelement
- 24
- Kupplungsabschnitt
