DE10216855B4

DE10216855B4 - Anordnung zur Stromübertragung

Info

Publication number: DE10216855B4
Application number: DE2002116855
Authority: DE
Inventors: Gerhard Neeser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: DE10216855A1

Abstract

Vorrichtung zur Stromübertragung von einem im Querschnitt ringförmigen Außenleiter (5) auf einen konzentrisch angeordneten kreisförmigen Innenleiter (4), die sich gegeneinander auf der gemeinsamen Achse drehen, mit
– mehreren Kontaktrollen, die zwischen dem Außenleiter (5) und dem Innenleiter (4) anordenbar sind, die einen im Wesentlichen dem Abstand zwischen dem Innen- und Außenleiter entsprechenden Durchmesser aufweisen und die eine elektrisch leitende elastische Oberfläche besitzen „ dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktrollen (6) und in Abständen angeordnete Führungsrollen (9) an einem Führungsring (8) drehend gelagert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromübertragung von einem im Querschnitt ringförmigen Außenleiter auf einen konzentrisch angeordneten kreisförmigen Innenleiter, die sich gegeneinander auf der gemeinsamen Achse drehen, mit mehreren im Querschnitt kreisförmigen Kontaktelementen, die zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter anordenbar sind, die einen im Wesentlichen dem Abstand zwischen dem Innen- und Außenleiter entsprechenden Durchmesser aufweisen und die eine elektrisch leitende elastische Oberfläche besitzen.

Aus der DE 17 67 893 ist ein Laufring für elektrische Stromuntertragungsrollen, insbesondere für Kontaktrollen bei mechanischen Stromrichtern bekannt, wobei als federndes Material zwischen einem äußeren Kontaktring und einem inneren Kontaktring Silikonharze verwendet sind. Damit wird versucht die insbesondere bei. größeren Stromstärken und den dadurch bedingten Temperaturanstieg zu kompensieren.

Aus der GB 142 578 ist ein Kollektor für elektrische Maschinen bekannt der den Strom zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Teil übertragen soll. Die Stromübertragung folgt dabei über Rollelemente um somit auch die mechanischen Verluste zu reduzieren.

Aus der Aus der US 59 23 114 A ist ein System bekannt, bei dem durch elektrisch leitende Kugeln der Strom von einem stehenden Außenleiter zu einem sich drehenden Innenleiter übertragen wird. Die Kugeln sind ähnlich einem Kugellager frei drehbar und härter als die innere und äußere Oberfläche entsprechender Kontaktringe. Sie sind entlang der Drehachse des Systems in ringförmigen Reihen angeordnet.

Darüber hinaus ist aus der DE 19 41 309 A ein elektrischer Rollkontakt in Form eines Wälzlagers bekannt. Dabei machen federnde Wälzkörper die bisherige Forderung nach genauer Fluchtung der Wälzkörper und Laufringe überflüssig. Die federnden Wälzkörper gleichen, da sie in Querrichtung zusammendrückbar sind, Fluchtungsfehler der Laufringe aus, indem sie eine dem vorhandenen Fluchtungsfehler entsprechende Form annehmen. Diese Eigenschaft erübrigt auch die Notwendigkeit einer genauen Zentrierung der rotierenden Welle. Die Endstücke der Wälzkörper sind wahlweise aus elektrisch leitendem Material wie Metall oder nicht leitendem Material wie Kunststoff hergestellt.

Die Reduzierung der Gleitreibung bei der Stromübertragung auf sich drehende Wellen ist aus der US 43 72 633 bekannt. Dort ist eine Anordnung aus Rollringen zur Starkstromübertragung beschrieben. Zwischen einem inneren Ring und einem äußeren Ring ist ein im Wesentlichen ringförmiger radialer Schlitz definiert. Innerhalb dieses radialen Schlitzes sind mehrere elastische, fadenartige Leiterschlingen angeordnet. Sie sind radial beabstandet, coplanar um die gemeinsame Achse zwischen dem inneren und äußeren Leiterring zur Herstellung des elektrischen Kontakts angebracht. Flanschartige, vorzugsweise elektrisch leitende Rollen, die auf Spulen aufgebracht sind, sind zwischen den leitenden Ringen zu deren Beabstandung angebracht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Stromübertragung bei verminderter Gleitreibung weiter zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Stromübertragung von einem im Querschnitt ringförmigen Außenleiter auf einen konzentrisch angeordneten kreisförmigen Innenleiter, die sich gegeneinander auf der gemeinsamen Achse drehen, mit mehreren Kontaktrollen, die zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter anordenbar sind, die einen im Wesentlichen dem Abstand zwischen dem Innen- und Außenleiter entsprechenden Durchmesser aufweisen und die eine elektrisch leitende elastische Oberfläche besitzen, wobei die Kontaktrollen und in Abständen angeordnete Führungsrollen an einem Führungsring drehend gelagert sind.

Vorteilhafterweise umfassen die Kontaktelemente Kontaktrollen oder Kontaktkugeln. Die Oberfläche der Kontaktelemente sollte aus einem gut leitenden Metall bestehen, das dennoch hinreichend abriebfest ist. Durch das elastische Füllmaterial beziehungsweise den elastisch stützenden Untergrund der Metalloberfläche kann gewährleistet werden, dass das Kontaktelement auf längere Zeit seine Form beibehält.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Kontaktrollenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Seitenansicht auf eine elektrisch kontaktierte Welle einer elektrischen Maschine.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Auf einer drehbaren Welle 1 ist ein Innenleiter 4 angeordnet. Konzentrisch hierzu ist ein Außenleiter 5 um den Innenleiter 4 angeordnet. Zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 5 befinden sich mehrere Kontaktrollen 6. Diese besitzen spiralförmig nach außen ragende federnde Kontaktblätter 7. Diese sind so ausgebildet, dass immer mindestens zwei von ihnen gleichzeitig auf dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 5 aufliegen. Damit ist gewährleistet, dass der Stromübergang zwischen Innenleiter 4 und Außenleiter 5 nie unterbrochen ist.
Durch die spiralförmige Anordnung stützen sich die Kontaktblätter beziehungsweise Metalllamellen 7 gegenseitig. Dies führt zu einem elastischen Innenaufbau der Kontaktrollen 6.
Das Material der Kontaktblätter 7 ist vorzugsweise im Hinblick auf Dauerelastizität zu wählen. Der elektrische Widerstand spielt wegen der relativ kurzen Wege keine vorrangige Rolle.
Die Kontaktrollen 6 werden durch einen Führungsring 8 zueinander in festem Abstand gehalten. Hierzu sind die Kontaktrollen 6 an dem Führungsring 8 drehend gelagert. Der zweite Führungsring zur Lagerung der Kontaktrollen an deren anderem Ende ist in 1 nicht dargestellt.
Zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 5 befinden sich über den Umfang verteilt zusätzlich mehrere Stütz- beziehungsweise Führungsrollen 9. Diese sind aus einem im Wesentlichen nicht elastischen Material gefertigt und ebenfalls an dem Führungsring 8 gelagert. Sie besitzen annähernd die gleichen Abmessungen wie die Kontaktrollen 6, d.h. einen Durchmesser, der dem Abstand zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 5 entspricht. Die Führungsrollen 9 sichern den Abstand der Rollen untereinander und verhindern, dass die federnden Kontaktrollen 6 in Schwingungen geraten. Das Verhältnis der Anzahl der Kontaktrollen 6 und der Anzahl der Führungsrollen 9 kann beliebig variiert werden.
Eine weiter entwickelte zweite Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung entspricht dem von 1. Lediglich die Kontaktrollen 6 besitzen eine abweichende Form. Sie verfügen über eine geschlossene zylinderförmige Oberfläche 10 aus einem leitenden Material. Im Inneren jeder Kontaktrolle 6 sind von deren Zentrum ausgehend spiralförmige Stützlamellen 11 spiralförmig angeordnet, die die Oberfläche 10 elastisch stützen.
Der Vorteil dieser Ausführungsform macht sich insbesondere bei hohen Drehzahlen der Welle 1 bemerkbar. Durch die Fliehkraft kommt es nämlich bei dieser Ausführungsform nicht zu einer Aufweitung der Kontaktblätter beziehungsweise Stützlamellen, da sie in eine zylindrische Hülse eingeschlossen sind, die ihrerseits geringfügig elastisch ist, um zu verhindern, dass der Kontakt nur aus einer Linienauflage besteht.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Kontaktrollen 6 aus einem geschlossenen zylindrischen Ring 10 mit einem elastischen Füllmaterial 12 bestehen.
Das Füllmaterial 12 besteht vorzugsweise aus Nylon oder einem anderen Polymer, das eine entsprechende Elastizität gewährleistet. Der zylindrische Ring 10 jeder Kontaktrolle 6 besteht beispielsweise aus einem hochvergüteten Edelstahl, der einen geringen Abrieb zeigt.
Bei dieser Ausführungsform weisen die Kontaktrollen 6 eine hinreichende Steifigkeit auf, so dass auf Führungsrollen verzichtet werden kann. Damit können zwischen Innenleiter 4 und Außenleiter 5 mehr Kontaktrollen äquidistant angeordnet werden. Die Kontaktrollen 6 sind wiederum in zwei Führungsringen 8 gelagert.
Bei einer typischen Anwendung werden die drei Phasen R, S, T auf die Rotorwelle einer elektrischen Maschine übertragen. Eine diesbezügliche Kontaktvorrichtung ist in 4 dargestellt. Auf der Welle 1 sind drei axial hintereinander beabstandete Innenleiter, z. B. Kupferringe 4, angeordnet. Die entsprechend stillstehenden Außenleiter 5 besitzen jeweils feststehende Kontakte 13. Zwischen jedem Paar Innenleiter 4 und Außenleiter 5 sind Kontaktrollen 6 angeordnet. Elektrische Verbindungen 14 übertragen den Strom von den Innenleitern 4 zu einer nicht dargestellten Rotorwicklung.
Nachfolgend ist eine Beispielrechnung hinsichtlich der auftretenden Stromdichte und der zu verwendenden Materialstärke angeführt. Die Ausgangswerte sind:
Strom: 750 A
Angenommener Stromdichte: 2, 5 A/mm²,
Wellendurchmesser: z. B. 140 mm
Außenring-Durchmesser: 210 mm
d. h. 12 Walzen mit 35 mm Durchmesser
Pro Walze zu übertragen: 62,5 A
Erforderliche Auflagefläche: 25 mm²
50 mm Walzenlänge
daraus folgt: Auflagebreite: 0,5 mm (Abplattung der Walze an der Kontaktfläche)
Die Dicke des leitenden Materials auf der Walze muss für eine auf 2 A/mm² verringerte Stromdichte 62,5 A/ (2 A/mm²) /50 mm/2 = 0,32 mm betragen. Dies ist also nur nahezu Foliendicke. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist es vorteilhaft, die Auflage dicker zu gestalten.
Um die Auflagebreite und damit die Verformungsarbeit zu verringern, kann die Walzenbreite oder der Durchmesser des Außenleiters vergrößert werden. Bei einer Verdoppelung der Walzenbreite halbiert sich die Auflagebreite (in diesem Beispiel auf 0, 25 mm) .
Eine Vergrößerung des Außenleiter-Durchmessers hat jedoch den Nachteil, dass die Umfangsgeschwindigkeit erhöht wird und damit auch die Luftreibungsverluste.
Bei Verringerung des Außenleiter-Durchmessers – z.B. auf den halben Walzendurchmesser – verdoppelt sich die Anzahl der Walzen, also halbiert sich wiederum die erforderliche Auflagebreite. Bezogen auf die Verformungsarbeit bleiben die Verhältnisse aber gleich.
Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stromübertragung ergeben sich bei Schleifringläufermotoren, Wellenerdungsvorrichtungen, Lagerstromableitung, Messwertübertragung u.a.

Claims

Vorrichtung zur Stromübertragung von einem im Querschnitt ringförmigen Außenleiter (5) auf einen konzentrisch angeordneten kreisförmigen Innenleiter (4), die sich gegeneinander auf der gemeinsamen Achse drehen, mit – mehreren Kontaktrollen, die zwischen dem Außenleiter (5) und dem Innenleiter (4) anordenbar sind, die einen im Wesentlichen dem Abstand zwischen dem Innen- und Außenleiter entsprechenden Durchmesser aufweisen und die eine elektrisch leitende elastische Oberfläche besitzen „ dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktrollen (6) und in Abständen angeordnete Führungsrollen (9) an einem Führungsring (8) drehend gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kontaktrollen (6) spiralförmig angeordnete Metalllamellen (7), die die Elastizität gewährleisten, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktrollen (6) aus einem Metallzylinder (10), der von Stützlamellen (11) getragen wird, bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktrollen (6) aus einem Metallzylinder (10), der ein elastisches Füllmaterial (12) umhüllt, bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (4) auf der Welle (1) einer elektrischen Maschine sitzt und der Außenleiter (5) feststehend ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass axial hin tereinander mehrere Innenleiter (4) mit jeweils darüber angeordneten Vorrichtungen zur Stromübertragung angeordnet sind.
Elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Stromübertragung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, die eine drehende Welle (1), auf der der Innenleiter (4), insbesondere ein Kupferring, aufgebracht ist, und einen stehenden Außenleiter (5) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, bei der auf der Welle (1) axial hintereinander mehrere Innenleiter (4) mit jeweils darüber angeordneten Vorrichtungen zur Stromübertragung angeordnet sind,