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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Schleifringbürste, die in einer elektrischen Stromübertragungsvorrichtung, wie einem Schleifring oder einem Drehübertrager, oder im Kollektor eines Elektromotors verwendet werden kann. Schleifringe werden verwendet, um elektrische Leistung zwischen rotierenden Teilen von Maschinen wie Windkraftanlagen, Computertomographen oder elektrischen Generatoren zu übertragen. Dabei gleitet eine Bürste, die hauptsächlich aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Kohlenstoff besteht, auf einer rotierenden zylindrischen Bahn aus leitfähigem Material. Übliche Materialien für solche Bahnen sind Stahl oder Messing.
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Stand der Technik
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Schleifringbürsten müssen einen niedrigen Kontaktwiderstand zu der Bahn und ein geringes Kontaktrauschen bei einer langen Lebensdauer haben. Weiterhin muss der Verschleiß der Bahn niedrig sein, da der Ersatz der Bahn komplex und teuer ist.
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Das
US-Patent 2,153,049 offenbart eine Schleifringbürste, die Löcher hat, welche im Wesentlichen parallel zur auf der Bahn gleitenden Abnutzungsfläche sind. Wenn Material der Bürste durch Verschleiß abgetragen wird, öffnen sich die parallelen Reihen und bilden Rillen, die sich diagonal über die Abnutzungsfläche erstrecken. Das soll den elektrischen Kontakt erhöhen, indem die Bildung eines Vakuums oder Drucks verhindert wird, welche sich unter Teilen der Bürstenfläche und auch durch Fremd-Materieteilchen, die versuchen unter die Bürste zu gelangen, entwickeln können.
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Eine andere Lösung ist im
US-Patent 6,091,178 offenbart. Dieses Patent versucht, hydrodynamische Kräfte zwischen einer Bürste und der Bahn zu verringern, um einen guten Kontakt durch Bereitstellung einer Lücke auf einer Seite der Bürste zu erhalten.
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GB 1 477 312 A offenbart eine Bürste mit zwei Aussparungen.
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Darstellung der Erfindung
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Das durch die Erfindung zu lösende Problem ist, eine Schleifringbürste mit guten Kontakteigenschaften, langer Lebensdauer und geringem Bahnverschleiß bereitzustellen.
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Lösungen des Problems sind in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Verbesserungen der Erfindung.
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Langzeit-Beobachtungen von Schleifringbahnen und darauf laufenden Bürsten haben gezeigt, dass die Stromdichte in einer Schleifringbürste für eine gute Kontakteigenschaften, lange Lebensdauer und geringen Bahnverschleiß entscheidend ist.
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In einer ersten Ausführungsform hat eine Schleifringbürste mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mindestens ein Sackloch in seiner Kontaktoberfläche. Vorzugsweise wird der Durchmesser und/oder Querschnitt des Sacklochs an den durch die Bürste fließenden Strom angepasst, um eine bestimmte Stromdichte zu erhalten. Es ist wesentlich, dass dieses Sackloch innerhalb der Bürste endet und nicht die Bürste durchdringt. Ein Durchgangsloch würde, wie bereits im Stand der Technik beobachtet wurde, zu einem Austritt von Luft und Gasen führen, was das Wärmegleichgewicht in der Bürste nachteilig beeinträchtigen würde. Weiterhin führt es zu einer übermäßigen Stromdichte innerhalb des Kontaktbereiches zwischen dem Kontaktdraht und der Bürste, aufgrund des begrenzten Querschnitts der Bürste im Kontaktbereich. Solch ein Durchgangsloch kann beim Betrieb einer Schleifringbürste und -bahn bei vergleichsweise hohen Leistungsstufen nützlich sein, wo die Signalqualität nicht entscheidend ist. Beim Betrieb mit mäßigen oder niedrigen Leistungsstufen können Übertragungsqualität und Lebensdauer durch sorgfältige Optimierung des Wärme- und Stromgleichgewichts deutlich erhöht werden. Das Sackloch dieser Ausführungsform definiert einen verwendbaren Querschnitt für den durch die Bürste fließenden Strom, was zu einer spezifischen Stromdichte führt. Aufgrund dieser spezifischen Dichte sind der Verschleiß der Bahn und der Bürste geringer als bei niedrigeren oder höheren Stromdichten. Vorzugsweise ist die Stromdichte im Bereich von 1–100 A/mm2 des Bürstenquerschnitts. Es ist weiter bevorzugt, die Stromdichte auf einen Bereich von 3–30 A/mm2 zu begrenzen. Hierbei ist eine niedrigere Stromdichte sogar noch kritischer für den Verschleiß als eine höhere Stromdichte. Da das Sackloch vor dem Kontaktbereich zwischen dem Kontaktdraht und der Bürste endet, kann die Stromdichte in diesem Bereich verringert werden, um für einen langfristigen zuverlässigen Kontakt zu sorgen.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Außenmaße, die in einen Standard-Bürstenhalter passen, nicht geändert werden müssen, um die Bürste an eine Vielzahl von Strömen anzupassen. Daher bleiben die Außenmaße gleich, während der Querschnitt für einen anderen Stroms individuell an den Strom angepasst werden kann, um die Stromdichte in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Dies vereinfacht die Änderung bestehender Systeme sowie den Austausch von bestehenden Bürsten.
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Das Sackloch muss nicht unbedingt ein rundes Loch sein. Stattdessen kann es jede beliebige Form haben, solange es einen erforderlichen Querschnitt des umgebenden Bürstenkörpers aufrechterhält. Es kann zum Beispiel elliptisch, dreieckig oder rechteckig sein. Natürlich kann es auch eine Vielzahl von Löchern in dem Schleifringbürstenkörper geben.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Sackloch mit einem isolierenden Material gefüllt. Dieses isolierende Material verhindert, dass Strom durch den Bereich des Sackloches fließt und hält daher die Stromdichte, wie oben beschrieben. Vorzugsweise ist das isolierende Material nicht nur elektrisch isolierend, sondern auch thermisch isolierend, um eine Erhöhung der Bürstentemperatur reduzieren. Es kann PTFE (Teflon) oder jedes andere Kunststoffmaterial sein. Tests haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Löcher leer sind und einen Hohlraum bilden. Dennoch können mit einem Isolator gefüllte Löcher eine Alternative sein, die eine weitere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt eine Bürste mit einem Sackloch.
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2 zeigt einen Querschnitt der Bürste.
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3 zeigt eine Unteransicht der Bürste.
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4 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen der Bürste.
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8 bis 11 zeigen Ausführungsformen mit zwei Sacklöchern.
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12 zeigt eine Perspektivansicht der Bürste.
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13 zeigt einen Bürstenkörper, der mit einem isolierenden Material gefüllt ist.
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14 zeigt eine Schnittansicht, die die Verteilung der Stromdichte veranschaulicht.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Bürste gezeigt. Ein Bürstenkörper 10 aus elektrisch leitfähigem Material, welches zumindest eines aus Kohlenstoffmaterial, Metallpulver wie Silber, Gleitmittel umfassen kann, ist durch einen Kontaktdraht 30 mit einer Kontaktplatte 40 verbunden. Der Kontaktdraht ist vorzugsweise ein Litzendraht. Die Kontaktplatte 40 dient zum elektrischen Kontakt der Bürste und kann beispielsweise mit einem Kabel in Kontakt gebracht werden. Zur Anwendung mechanischer Kraft auf den Bürstenkörper und zum Drücken der Bürste auf eine Schleifbahn, die hier nicht gezeigt ist, kann eine Feder 20 vorgesehen sein. Der Bürstenkörper 10 hat eine Kontaktoberfläche 12, die mit der Schleifbahn in Kontakt ist. Eine Verschleißmarkierung kann an der Bürstenoberfläche bereitgestellt sein, um eine Stelle anzuzeigen, bis zu der die Bürste abgetragen ist. Wenn die Verschleißmarkierung die Schleifbahn erreicht hat oder sogar abgerieben ist, muss die Bürste ausgetauscht werden. Weiterhin ist ein Sackloch 50 innerhalb des Bürstenkörpers 10 vorgesehen.
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In 2 ist ein Querschnitt der Bürste gezeigt. Wie zu sehen ist, endet das Sackloch 50 innerhalb des Bürstenkörpers und durchdringt die Bürste nicht. Dies ist unerlässlich, wie oben beschrieben.
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3 zeigt eine Unteransicht der Bürste. Auch hier ist das Sackloch zu sehen.
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Die 4 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen der Bürste. 4 zeigt eine Bürste mit einem Sackloch mit einem abgerundeten Ende, während die Bürste von 6 ein Sackloch mit einem konischen Ende hat. 5 zeigt eine Unteransicht der Bürste von 4, während 7 eine Unteransicht der Bürste von 6 zeigt.
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Die 8 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen der Bürste mit Doppelsacklöchern. Wie in 8 gezeigt, kann es zwei Sacklöcher 51, 52 mit ungefähr der gleichen Länge geben. Die entsprechende Unteransicht ist in 9 gezeigt. In 10 ist eine Bürste mit versetzten Doppelsacklöchern 51, 52 gezeigt. Die entsprechende Unteransicht ist in 11 gezeigt.
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12 zeigt eine Perspektivansicht der Bürste.
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13 zeigt einen Bürstenkörper gefüllt mit einem isolierenden Material 55, das PTFE oder ein beliebiger anderer Kunststoff sein kann.
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14 zeigt eine Schnittansicht, die die Stromdichteverteilung zeigt. Die gestrichelte Linie 13 zeigt die Verschleißgrenze, bis zu der die Bürste abgerieben werden kann. Dies kann der Verschleißmarkierung 11 entsprechen. Im Bereich 60 neben dem Loch und am meisten bevorzugt unterhalb der Verschleißgrenze, ist eine konstante und relativ hohe Stromdichte erforderlich um gut deren Eigenschaften zu erreichen. Oberhalb dieses Bereiches, nahe dem Kontaktbereich 31, wo die Kontaktdraht 30 den Bürstenkörper 10 kontaktiert, gibt es einen Bereich 61 mit reduzierter Stromdichte.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bürstenkörper
- 11
- Verschleißmarkierung
- 12
- Kontaktoberfläche
- 13
- Verschleißgrenze
- 20
- Feder
- 30
- Kontaktdraht
- 31
- Kontaktbereich
- 40
- Kontaktplatte
- 50
- Sackloch
- 51, 52
- Doppelsacklöcher
- 55
- Isoliermaterial
- 60
- Bereich mit höherer Stromdichte
- 61
- Bereich mit geringerer Stromdichte
