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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wellenerdungsring zur Ableitung induzierter elektrischer Ladung von einer rotierenden Maschinen-Welle, beispielsweise von einer Abtriebswelle eines elektrischen Kraftfahrzeug- Traktionsmotors.
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Bei der Kommutierung einer elektrischen Maschine werden in die elektrisch leitende Maschinen-Welle Spannungen induziert, die in den Wellenlagern Schmelzkratzer verursachen können, wodurch die Haltbarkeit der Wellenlager erheblich verringert wird.
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Aus
GB 901 638 A ,
US 2 153 049 A ,
GB 2 172 446 A und
US 6 644 977 B1 sind typische Kommutator- und Wellenerdungs-Kontaktanordnungen bekannt, die jedoch nicht ringförmig ausgebildet sind, und nur an einer Stelle des Wellenumfangs die Welle kontaktieren.
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Aus
US 2008/0083846 A1 ist eine Wellenerdungs-Anordnung bekannt, die mehrere über den Umfang verteilte Schleifstifte-Büschel aufweist.
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Aus
DE 10 2016 010926 A1 ist ein Wellenerdungsring bekannt, der ringförmig um eine Welle herum angeordnet ist und auf diese Weise einen großflächigen und betriebssicheren Kontakt herstellt. Allerdings hat das ringförmige Konzept den Nachteil, dass sich zwischen dem Wellenerdungsring und der zylindrischen Wellenoberfläche Verschmutzungen, Öl etc. ansammeln können, die die elektrische Kontaktierung verschlechtern.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Traktionsmotor, einen betriebssicheren Wellenerdungsring zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Wellenerdungsring mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor ist anwendungsbedingt relativ großen mechanischen Belastungen und Immissionen aus Staub, Öl etc. ausgesetzt. Staub, Öl und andere Partikel können sich zwischen den Wellenerdungsring und die rotierende Welle setzen, und auf diese Weise die elektrische Leitung zwischen den beiden Maschinenteilen erheblich verschlechtern.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wellenerdungsring einen elektrisch leitenden Ringkörper aufweist, der einen geschlossenen oder nahezu geschlossenen Ring bildet, von dessen Innenumfangsfläche eine Vielzahl von elektrisch leitenden und identischen Schleifstiften radial nach innen abragt. Die Schleifstifte sind im Neuzustand mindestens geringfügig länger als die Spaltbreite des Radialspaltes zwischen dem Ringkörper und der Welle, sodass die Schleifstifte nicht exakt radial orientiert sind, sondern mit einem gewissen Neigungswinkel zur mittigen Axial-Längsebene geneigt sind, wobei die Neigungsrichtung von der Drehrichtung der Welle bestimmt wird. Die proximalen Stiftenden der Schleifstifte stehen mit der Welle in Schleifkontakt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen dem Ringkörper und der Welle hergestellt wird.
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Die Schleifstifte sind nach einem bestimmten Muster an dem Ringkörper derart angeordnet, dass mindestens drei zueinander benachbarte Schleifstifte eine linienartige Schleifstifte-Gruppe bilden. Unter einer Linie in diesem Zusammenhang wird nicht zwangsläufig eine gerade Linie verstanden. Allerdings ist besonders bevorzugt und bezogen auf eine Ebenenabwicklung der Innenumfangsfläche des Ringskörpers eine annähernd geradlinige Linie bevorzugt, auf der die mindestens drei Schleifstifte einer Schleifstifte-Gruppe angeordnet sind. Diese bilden auf diese Weise in einer zylindrischen Kreisringebene eine Schraubenlinie.
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Die von den Schleifstifte-Gruppen jeweils gebildeten Gruppenlinien liegen nicht exakt in der Querebene oder in einer Längsebene des Ringskörpers, sondern sind in einem Drallwinkel von mindestens 5° und höchstens 85° geneigt zu der Ringkörper-Querebene angeordnet, so dass die Gruppenlinien jeweils eine Schraubenlinie definieren. Die Ringkörper-Querebene ist eine Ebene, die senkrecht zu der Wellen-Axialen bzw. der Ringkörper-Axialen steht. Durch die Anordnung einer linienartigen Schleifstifte-Gruppe mit einem Minimum-Drallwinkel im Verhältnis zur Ringkörper-Längsebene und zur Ringkörper-Querebene wird dafür gesorgt, dass beim Rotieren der Welle Verschmutzungen zwischen dem Ringkörper und der rotierenden Welle in einer axialen Vorzugsrichtung abtransportiert werden.
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Es sind nicht notwendigerweise alle Schleifstifte des Wellenerdungsrings anspruchsgemäß angeordnet, jedoch vorzugsweise mindestens 30 % aller Schleifstifte des Wellenerdungsrings, ganz besonders bevorzugt jedoch annähernd alle Schleifstifte des Wellenerdungsrings.
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Ganz besonders bevorzugt beträgt der Drallwinkel höchstens 30° im Verhältnis zu der Querebene des Wellenerdungsrings. Hierdurch wird eine hohe Richtungswahrscheinlichkeit der Vorzugsrichtung sichergestellt.
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Vorzugsweise ist in der Drallwinkel höchstens so groß, dass die Steigung zwischen zwei zueinander benachbarten Schleifstiften einer Gruppe bezogen auf die Querebene höchstens 80% des Durchmessers eines Schleifstiftes beträgt, besonders bevorzugt höchstens 50%. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei rotierender Welle ein Schmutzpartikel durch die jeweils eine Schraubenlinie definierenden Schleifstifte-Gruppen zuverlässig in eine Vorzugsrichtung axial aus dem Bereich des Wellenerdungsrings abtransportiert werden, da das betreffende Schmutzpartikel bei rotierender Welle durch die jeweils zueinander benachbarten Schleifstifte einer Gruppe stückweise in eine einzige axiale Richtung verschoben wird.
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Vorzugsweise weisen alle Gruppenlinien aller Schleifstifte-Gruppen jeweils den gleichen Drallwinkel auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Reihenabstand zweier zueinander benachbarter Gruppenlinien größer ist als der Stiftabstand zweier zueinander benachbarter Schleifstifte einer Schleifstifte-Gruppe. Mit anderen Worten: Die Schleifstifte einer Gruppe stehen jeweils näher zueinander als zwei benachbarte Schleifstifte-Gruppen zueinander stehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Schleifstifte aus Kohle. Kohle ist ein bewährter Werkstoff für Schleifstifte, ist preiswert und bietet gute elektrische Eigenschaften.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt einer rotierenden Welle mit einem Wellenerdungsring,
- 2 den Wellenerdungsring der 1 im Längsschnitt,
- 3 die Innenseite des Wellenerdungsrings der 1 als ebene Abwicklung und mit Schleifstifte-Gruppen, deren Gruppenlinien in einem ersten Drallwinkel angeordnet sind, und
- 4 eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der Abwicklung der 3 mit Schleifstifte-Gruppen, deren Gruppenlinien in einem zweite Drallwinkel angeordnet sind.
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In der 1 ist eine Anordnung 10 bestehend aus einem Wellenerdungsring 20 und einer darin angeordneten rotierenden Welle 12 dargestellt. Die Welle 12 ist die Abtriebswelle eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors.
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Die Welle 12 besteht aus einem elektrisch leitenden Metall- Wellenkörper 14, der eine glatte zylindrische Wellenoberfläche 13 aufweist.
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Der Wellenerdungsring 20 ist als geschlossener Kreisring ausgebildet, und besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden zylindrischen Metall-Ringkörper 22 mit einer hohlzylindrischen Innenumfangsfläche 23, in der eine Vielzahl nach radial innen abragender Kohle-Schleifstifte 30 verankert sind. Die zueinander identischen Schleifstifte 30 weisen im Neuzustand eine freie Länge auf, die geringfügig größer ist als die radiale Spaltweite S des Ringspaltes zwischen der Ringkörper-Innenumfangsfläche 23 und der Wellenoberfläche 13. Die proximalen Stiftenden 31 der Schleifstifte 30 berühren die zylindrische Wellenoberfläche 13, und stellen auf diese Weise eine unterbrechungsfreie und vielfach redundante elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Wellenkörper 14 und dem Ringkörper 22 her.
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Der Wellenerdungsring 20 definiert geometrisch eine Axiale A, die die Drehachse der Welle 12 darstellt, und eine Querebene Q, die senkrecht zu der Axialen A angeordnet ist.
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In den 2 und 3 ist eine erste. Konfiguration der erfindungsgemäß angeordneten Schleifstifte 30 dargestellt, deren Anordnung jedoch nur schematisch dargestellt ist. Die Schleifstifte 30 sind jeweils in einer Vielzahl linienartig angeordneten Schleifstifte-Gruppen 40 angeordnet, die, bezogen auf die in der 3 dargestellte Abwicklung, geradlinig und zueinander parallel sind. In dem Wellenerdungsring 20 bilden die Schleifstifte-Gruppen 40 jeweils eine Schraubenlinie mit konstanter Steigung.
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In dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel 90°-D zwischen den Gruppenlinien 40' und der Ringkörper-Axialen A ungefähr 30°, so dass der Drallwinkel D zwischen der Querebene Q und den Gruppenlinien 40' ungefähr 60° beträgt. Der Reihenabstand 46 zweier zueinander benachbarter Gruppenlinien 40' ist größer als der Stiftabstand 44 zweier zueinander benachbarter Schleifstifte 30 einer Schleifstifte-Gruppe 40.
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In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Wellenerdungsrings 20 dargestellt, in dem der Drallwinkel D zwischen den Gruppenlinien 40' einerseits und der Ringkörper-Querebene Q andererseits nur ca. 10° beträgt. Auf diese Weise ist die Steigung S zwischen zwei zueinander benachbarten Schleifstiften 30 einer Gruppe 40 bezogen auf die Querebene Q kleiner als 50 % des Durchmessers d der Schleifstifte 30. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei Wellen-Rotation ein Schmutzpartikel bzw. Flüssigkeit durch die Schleifstifte 30 einer Gruppe 40 mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in eine einzige Vorzugsrichtung axial aus dem Wellenerdungsring 20 heraus transportiert wird.
