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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine, die eine Erdungsbürste, insbesondere eine Fasererdungsbürste, hat.
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Rotierende Maschinen umfassen im Allgemeinen ein Gehäuse und eine rotierende Welle, die zumindest durch ein Lager gelagert ist.
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Die Stromversorgung der rotierenden Maschinen erzeugt eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Welle und dem Gehäuse, die wiederum ein elektrisches Potential zwischen einem mit der Welle verbundenen inneren Lagerring und einem mit dem Rahmen der Maschine verbundenen äußeren Lagerring erzeugt. Die Potenzialdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring kann zu einer Stromentladung durch das Lager führen.
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Strom, der durch das Lager fließt, kann die Laufbahnen und Wälzkörper des Lagers beschädigen. Elektrische Entladungen können auch Schwingungen erzeugen, die das akustische Geräusch der Maschine erhöhen.
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Es ist bekannt, eine rotierende Welle zu erden, indem eine Erdungsbürste verwendet wird, wobei die Bürste aus leitenden Fasern bestehen kann. Die Erdungsbürste ist im Allgemeinen so am Maschinenrahmen befestigt, dass die distalen Enden der Fasern die Außenfläche der rotierenden Welle radial kontaktieren.
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Die Leitfähigkeit der Fasern erzeugt einen parallelen elektrischen Pfad und erlaubt so, dass die Welle auf demselben elektrischen Potential wie der Maschinenrahmen gehalten wird. Dies hält auch den Innen- und den Außenring des Lagers, das die Welle trägt, auf demselben elektrischen Potential und reduziert elektrische Entladungen durch das Lager erheblich.
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Aber auch mit einer solchen Erdungsbürste erhöht sich der Widerstand der Wellenoberfläche aufgrund der elektrischen Veränderung der Wellenoberfläche mit der Zeit. Während der Lebensdauer des Motors kann tatsächlich eine Oxidation auf der Oberfläche der Welle auftreten, z. B. durch Hitze, Feuchtigkeit, elektrischen Stromfluss oder Reibung.
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Aufgrund dieser Oberflächenveränderung auf der Welle hat die Erdungsbürste einen höheren Widerstand und eine höhere Durchschlagsspannung als das Lager und ist möglicherweise nicht mehr in der Lage, einen parallelen Pfad für den Strom zu erzeugen. Der Strom fließt dann durch das Lager und erzeugt erhebliche Schäden am Lager und kann es sogar zerstören.
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Es ist daher notwendig, die Außenfläche des rotierenden Teils zu schützen, um Veränderungen während der Lebensdauer des Motors zu vermeiden.
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Um die Gefahr der Oxidation der Außenfläche der Welle zu verringern und damit ihre Leitfähigkeit zu maximieren, ist es bekannt, eine Beschichtung aus einem Harz, wie z. B. Epoxid, auf die Außenfläche der Welle aufzubringen.
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Eine solche Beschichtung hat jedoch eine geringe Härte und kann durch das Gleiten der Erdungsbürste beschädigt oder entfernt werden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Schutz der Gleitfläche des rotierenden Teils zu verbessern.
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Insbesondere ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die einen nicht rotierenden Teil, einen rotierenden Teil, zumindest ein Lager, das den rotierenden Teil trägt, und eine Erdungsbürste umfasst, die an dem nicht rotierenden Teil befestigt ist. Das Lager umfasst einen rotierenden Ring und einen nicht rotierenden Ring. Die Erdungsbürste ist an dem nicht rotierenden Teil gesichert und hat ein freies Ende, das sich in Richtung des rotierenden Rings des Lagers erstreckt.
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Die elektrische Maschine umfasst ferner eine leitende Schicht, die zumindest teilweise eine Oberfläche des rotierenden Rings des Lagers abdeckt, wobei das freie Ende der Erdungsbürste in Kontakt mit der leitenden Schicht steht.
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Die leitende Schicht wirkt als integrierte, zugeordnete Gleitfläche für die Erdungsbürste und stellt im Laufe der Zeit einen minimalen Kontaktwiderstand sicher und vermeidet eine Gleitflächenveränderung im Laufe der Zeit.
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In einer Ausführungsform kann die Erdungsbürste eine federbelastete, massive Bürste sein, die aus leitendem Material hergestellt ist, wie z. B. Grafit, Metallpulver usw.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Erdungsbürste aus einem leitenden Filz bestehen.
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In einer Ausführungsform kann die Erdungsbürste ein Polymer mit einer elektrisch leitenden Schicht oder einem leitenden Füllstoff sein, wie z. B. einer Dichtung, die mit Kohlenstoff in der Polymermatrix angereichert ist, oder eine PTFE-Dichtung mit leitender Beschichtung.
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In einer Ausführungsform kann die Erdungsbürste eine Faserbürste sein, die einen an dem nicht rotierenden Teil gesicherten Träger und mehrere leitende Fasern umfasst, die ein erstes, an dem Träger gesichertes Ende und ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes freies Ende haben.
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Das zweite freie Ende der leitenden Fasern der Fasererdungsbürste ist beispielsweise in Kontakt mit der leitenden Schicht.
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Die Fasern erstrecken sich zum Beispiel in Richtung des rotierenden Rings des Lagers.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der rotierende Ring einen axialen Abschnitt, der sich axial über eine Seitenfläche des nicht rotierenden Rings hinaus erstreckt, wobei die leitende Schicht zumindest eine zylindrische Oberfläche des axialen Abschnitts, beispielsweise die Außen- oder die Innenfläche, abdeckt.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich die Bürste radial in Richtung der zylindrischen Oberfläche des rotierenden Rings des Lagers, die mit der leitenden Schicht abgedeckt ist. Das freie Ende der leitenden Bürste steht in radialem Kontakt mit der leitenden Schicht.
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Gemäß einer Ausführungsform deckt die leitende Schicht eine Seitenfläche des rotierenden Rings des Lagers ab.
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Die Bürste erstreckt sich zum Beispiel in einer geneigten Richtung hin zur Seitenfläche des rotierenden Rings des Lagers, die mit der leitenden Schicht abgedeckt ist. Das freie Ende der leitenden Bürste steht in axialem Kontakt mit der leitenden Schicht.
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Vorteilhafterweise ist die leitende Schicht durch Plattieren auf den rotierenden Rings des Lagers aufgebracht.
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Die leitende Schicht ist zum Beispiel aus einem metallischen Material hergestellt, das aus einer ersten Gruppe von edlen Materialien ausgewählt ist, die Gold, Silber und Platin umfassen.
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Die leitende Schicht ist zum Beispiel aus einem metallischen Material hergestellt, das aus einer zweiten Gruppe von unedlen Materialien ausgewählt ist, die Zinn oder Nickel umfassen.
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Der rotierende Ring kann zum Beispiel vollständig mit der leitenden Schicht abdeckt sein.
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Zum Beispiel ist der rotierende Ring der Innenring und der nicht rotierende Ring ist der Außenring des Lagers.
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Zum Beispiel ist der rotierende Teil eine Welle und der nicht rotierende Teil ist ein Gehäuse.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser verstanden, wenn man die detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen studiert, die in Form von nicht einschränkenden Beispielen gegeben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, in denen:
- 1 eine schematische Querschnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer leitenden Schicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, und
- 2 eine schematische Querschnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer leitenden Schicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
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Die Ausdrücke „äußerer“ und „innerer“ beziehen sich auf die Drehachse X-X des rotierenden Teils der elektrischen Maschine 10, wobei die inneren Teile näher an dieser Achse liegen als die äußeren Teile.
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Bezug wird auf 1 genommen, die eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine 10 dargestellt, die ein nicht rotierendes Gehäuse 12, eine rotierende Welle 14, ein Lager 15, das die Welle 14 trägt, und eine im Gehäuse 12 befestigte Erdungsbürste 18 umfasst.
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Alternativ kann die Maschine mehrere Lager umfassen.
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Alternativ kann es sich bei der Welle um einen nicht rotierenden Teil und bei dem Gehäuse um einen rotierenden Teil handeln.
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Wie dargestellt, ist das Gehäuse 12 radial durch eine innere zylindrische Fläche 12a und eine äußere zylindrische Fläche 12b begrenzt.
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Wie in 1 dargestellt, hat die rotierende Welle 14 eine äußere zylindrische Fläche 14a.
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Das Lager 15 ist radial an der Innenfläche oder innerhalb der Bohrung 12a des Gehäuses 12 befestigt.
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Die Bohrung 12a des Gehäuses kann mit Schultern oder axialen Haltemitteln versehen sein, um das Lager 15 im Inneren des Gehäuses 12 axial zu halten.
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Als nicht einschränkendes Beispiel umfasst das Lager 15 einen inneren rotierenden Ring 16, einen äußeren nicht rotierenden Ring 17 und eine Reihe von Wälzkörpern 15a, wie z. B. Rollen, die zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 16, 17 angeordnet sind. Das Lager 15 umfasst beispielsweise einen Käfig (nicht dargestellt), der dazu ausgebildet ist, die Umfangsbeabstandung der Wälzkörper aufrechtzuerhalten.
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Alternativ kann das Lager 15 ein Gleitlager sein.
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Alternativ kann der Innenring 16 ein nicht rotierender Ring sein, der Außenring 17 kann ein rotierender Ring sein, wenn die Welle ein nicht rotierender Teil ist.
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Der Außenring 17 und der Innenring 16 des Lagers 15 haben die Form von konzentrischen Ringen, die um die Drehachse X-X des Lagers drehbar sind, wobei der Außenring 17 den Innenring 16 radial umgibt.
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Wie dargestellt, ist der Innenring 16 des Lagers 15 von massiver Bauart und wird radial durch eine innere zylindrische Fläche 16a, die in radialem Kontakt mit der Welle 14 steht, und eine äußere zylindrische Fläche 16b begrenzt, die eine Laufbahn für die Wälzkörper 15a hat. Der Innenring 16 umfasst ferner zwei gegenüberliegende radiale Stirnflächen 16c, 16d, die die innere zylindrische Fläche 16a und die äußere zylindrische Fläche 16b axial begrenzen.
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Wie dargestellt, ist der Außenring 17 des Lagers 15 von massiver Bauart und radial durch eine innere zylindrische Fläche 17a, die eine Laufbahn für die Wälzkörper 15a aufweist, und eine äußere zylindrische Fläche 17b begrenzt, die in radialem Kontakt mit der Innenfläche 12a des Gehäuses 12 steht. Der Außenring 17 umfasst weiterhin zwei gegenüberliegende radiale Stirnflächen 17c, 17d, die die innere zylindrische Fläche 17a und die äußere zylindrische Fläche 17b axial begrenzen.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst der Innenring 16 einen axialen Abschnitt 16f, der sich axial über die Seitenfläche 17c des Außenrings 17 hinaus erstreckt.
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Wie dargestellt, ist die Erdungsbürste eine Fasererdungsbürste.
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Die Erfindung gilt jedoch auch für andere Erdungsbürsten, wie z. B. federbelastete massive Bürsten, die aus leitendem Material hergestellt sind, wie z. B. Grafit, Metallpulver oder einem leitenden Filz. Alternativ kann die Erdungsbürste auch aus einem Polymer mit einer elektrisch leitenden Schicht oder einem leitenden Füllstoff bestehen, wie z. B. einer Dichtung, die mit Kohlenstoff in der Polymermatrix angereichert ist, oder einer PTFE-Dichtung mit leitender Beschichtung.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst die Fasererdungsbürste 18 einen Träger 18a und mehrere leitende Fasern 19, die ein erstes, an dem Träger 18a gesichertes Ende 19a und ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes freies Ende 19b haben, das sich radial in Richtung des Innenrings 16 erstreckt.
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Der Träger 18a ist am Gehäuse 12 gesichert, beispielsweise durch Presspassung auf der Innenfläche 12a des Gehäuses oder mit geeigneten Befestigungsmitteln oder Klebstoffen. Alternativ kann der Träger 18a auch am Lager 15, z. B. am Außenring 17, gesichert sein.
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Bei den Fasern kann es sich zum Beispiel um Kohlenstofffasern handeln.
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Die Maschine 10 umfasst weiterhin eine leitende Schicht 24 aus leitendem Material, das aus einem metallischen Material hergestellt ist, das durch Galvanisieren oder stromloses Plattieren auf den Innenring 16 des Lagers 15 aufgebracht ist.
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Wie in 1 dargestellt, ist die leitende Schicht 24 auf der Außenfläche des axialen Abschnitts 16f des Innenrings 16 aufgebracht.
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Alternativ kann die leitende Schicht 24 die gesamte Außenfläche des Innenrings 16 bedecken.
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In jedem Fall liegt die leitende Schicht 24 dem freien Ende 19b der Fasern 19 der leitenden Bürste 18 gegenüber und bildet eine Gleitfläche für die Fasern 19. Das freie Ende 19b der Fasern 19 der leitenden Bürste 18 steht in radialem Kontakt mit der leitenden Schicht 24.
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Das metallische Material der leitenden Schicht 24 kann ein edles Material, wie Gold, Silber, Platin, oder ein unedles Material, wie Zinn oder Nickel, sein.
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Eine andere Ausführungsform einer elektrischen Maschine 10, die in den 2 dargestellt ist, in der dieselben Elemente das gleiche Bezugszeichen tragen, unterscheidet sich von der Maschine der 1 nur dadurch, dass die leitende Schicht 24 auf einer Seitenfläche 16c des Innenrings 16 des Lagers 15 aufgebracht ist.
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Wie in 4 gezeigt, erstrecken sich die Fasern 19 der Bürste 18 schräg in Richtung der mit der leitenden Schicht 24 abdeckten Seitenfläche 16c des Innenrings 16.
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Das freie Ende 19b der Fasern 19 der leitenden Bürste 18 steht in axialem Kontakt mit der leitenden Schicht 24.
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Diese besondere Form der Fasern 19 der Bürste 18 ist kompakt.
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In allen Ausführungsformen kann das metallische Material der leitenden Schicht 24 ein edles Material sein, wie Gold, Silber, Platin, oder ein unedles Material, wie Zinn oder Nickel.
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Edelmetalle sind extrem widerstandsfähig gegen chemische Veränderungen und damit gegen Korrosion. Darüber hinaus stellt die Plattierung eine härtere Gleitfläche als eine Epoxidbeschichtung bereit und ist damit im Laufe der Zeit widerstandsfähiger gegen den Bürstenabrieb.
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Unedle Metalle haben eine sehr schnelle Korrosionsschicht, die aber dünn genug ist, um gute elektrische Leistungen zu erhalten.
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Die Kombination einer Erdungsbürste mit einer leitenden Schicht, die eine Gleitfläche hat, die aus einem solchen leitenden Material hergestellt ist, verringert den Kontaktwiderstand und die Durchschlagspannung der Bürste während der Lebensdauer des Motors.
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Dank der Erfindung werden die Veränderungen der Gleitfläche während der Lebensdauer der Maschine reduziert.
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Es sollte beachtet werden, dass die elektrische Maschine mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben worden ist, bei der die Welle der rotierende Teil und das Gehäuse der nicht rotierende Teil ist. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Ausführungsformen, bei denen die Welle der nicht rotierende Teil und das Gehäuse der rotierende Teil ist. Im Allgemeinen ist die Fasererdungsbürste an dem nicht rotierenden Teil oder dem nicht rotierenden Ring des Lagers befestigt, und die leitende Schicht ist auf den rotierenden Ring des Lagers plattiert.
