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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Schleifringe zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie mittels Schleifkontakten zwischen drehbaren Teilen. In einem solchen Schleifkontakt, ist eine Bürste gleitend auf einer Schleifbahn, die auch als Schleifringbahn bezeichnet wird. Die Bürste und der Schleifbahn umfassen elektrisch leitfähige Materialien. Der Kontakt zwischen der Bürste und der Schleifbahn bildet eine galvanische Verbindung, durch welche der elektrische Strom übertragen wird.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Ein Schleifring ist in der
DE 14 89 080 A offenbart. Hier umfassend die Bürsten feste einzelne Drähte, die in Rillen einer Bahn laufen.
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Ein weiterer Schleifring ist in der
EP 0 662 736 A offenbart, mit Multidrahtbürsten, die in einer V-förmigen Rille einer Bahn verlaufen. Die Multidrahtbürsten haben eine Vielzahl von Bürstendrähten, welche eine Vielzahl von gleichzeitigen Kontakten mit der Schleifbahn bereitstellen. Dies führt zu einem geringeren Kontaktwiderstand und einer höheren Stromkapazität.
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Die
US 2011/0081789 offenbart einen Schleifring mit V-förmigen Rillen und Multikontaktbürsten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das durch die Erfindung zu lösende Problem ist, einen Schleifring bereitzustellen, der eine weiter verbesserte Kapazität, weiter verringerte Kontaktwiderstand und Kontaktrauschen, und weiter erhöhte Stromkapazität bereitstellt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Schleifbahn bereitzustellen, die eine verbesserte Kapazität, weiter verringerte Kontaktwiderstand und Kontaktrauschen, und weiter erhöhte Stromkapazität bereitstellt.
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Lösungen des Problems sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Verbesserungen der Erfindung.
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In einer ersten Ausführungsform hat eine Schleifbahn eine konvexe Form, um eine bessere Verteilung der Bürstendrähte – auch als Kontaktdrähte bezeichnet – einer Multifaserbürste zu bieten. Vorzugsweise ragt diese konvexe Form nach außen von der Oberfläche eines Schleifringmoduls hervor. Die meisten Schleifbahnen aus dem Stand der Technik haben konkave, nach innen in die Oberfläche eines Schleifringmoduls geformte Oberflächen, die dazu bestimmt sind, zumindest einen Draht einer Bürste in einer vorbestimmten Schleifbahn zu führen. Wenn eine Vielzahl von Bürstendrähten in einer konkaven Schleifbahn läuft, gleiten einige der Bürstendrähte direkt auf der konkaven Bahnoberfläche, während andere Drähte auf der Oberseite dieser gleitenden Drähte angeordnet sind. Diese anderen Drähte stellen keinen elektrischen Kontakt mit der Schleifbahn her. Versuchsreihen haben gezeigt, dass in den meisten Fällen 20 bis 50%, und bis zu 80% der verfügbaren Drähte nicht auf der Schleifbahnoberfläche gleiten. Dies wird durch die erste Ausführungsform verbessert, indem eine konvexe Schleifbahnoberfläche verwendet wird. Hier verteilen sich die einzelnen Drähte gleichmäßig über die Oberfläche der Schleifbahn. Wäre ein Draht über einem anderen Draht angeordnet, würde er einfach an die Seite des anderen Drahtes gleiten und die Schleifbahn kontaktieren.
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Die Verwendung einer konvexen Schleifbahn ist nur in Verbindung mit Multidrahtbürsten mit zumindest zwei Drähten nützlich. Wenn es eine Vielzahl von Drähten gibt, gleiten einige der Drähte relativ zu einer ersten Seite der Mitte der Bahn, während andere auf der anderen Seite der Mitte der Bahn gleiten. Durch die konvexe Form gibt es Kräfte, die die Drähte seitlich und nach unten von der Bahn ziehen. Da diese Kräfte auf beiden Seiten der Mitte der Bahn bestehen, kompensieren sich diese und halten die Bürste als ein Ganzes in einer stabilen Position.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine Rille auf einer Seite der konvexförmigen Schleifbahn. Vorzugsweise gibt es zwei Rillen auf beiden Seiten der konvexförmigen Schleifbahn. Diese Rillen können die Bewegung der Bürstendrähte begrenzen. Dies kann weiterhin durch zumindest einen Seitenflügel und/oder erhöhte Seite verbessert werden. In einer weiteren Ausführungsform gibt es eine Kontaktoberfläche, welche zumindest zwei Segmente mit konvexem Querschnitt aufweist. Es kann eine Vielzahl von Bürsten parallel zueinander geben, jede auf ihrem eigenen Segment.
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Die Schleifbahn hat vorzugsweise eine runde Form, die auch als ein Bogensegment beschrieben werden kann. Die Mitte der konvexen Schleifbahn definiert eine Mittelebene. Vorzugsweise wird zumindest eine Bürste in der Mittelebene gehalten. Ist es bevorzugt, wenn die Bürste zumindest im Wesentlichen parallel zur Mittelebene ist.
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Eine weitere Ausführungsform bezieht sich auf ein Schleifringmodul umfassend zumindest eine Schleifbahn wie hier beschrieben. Eine weitere Ausführungsform bezieht sich auf einen Schleifring umfassend zumindest ein Schleifringmodul und zumindest eine Multidrahtbürste, wie hier beschrieben. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zumindest eine Multidrahtbürste zumindest zwei Bürstendrähte und einen Bürstenhalter zum Halten der zumindest zwei Bürstendrähte umfasst. Vorzugsweise ist die zumindest eine Multidrahtbürste innerhalb einer Mittelebene angeordnet, die von der Mitte einer kreisförmigen Kontaktoberfläche definiert ist.
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Aufgrund der konvexen Schleifbahn gemäß der Erfindung ergibt sich eine bessere Verteilung der Bürstendrähte auf der Schleifbahn. Tests haben gezeigt, dass mehr als 90 % der Bürstendrähte in unmittelbarem Kontakt mit der Schleifbahn sind. Daher kann durch Verwendung einer Schleifbahn nach den vorhergehenden Ausführungsformen die Anzahl von Bürstendrähten, die in gleitendem Kontakt mit der Schleifbahn bleiben, erhöht werden, ohne die Gesamtzahl der gleitenden Drähte zu erhöhen. Dies führt zu einer erhöhten Stromkapazität, geringerem Kontaktwiderstand und geringerem Kontaktrauschen. Darüber hinaus wird die Wärme über eine größere Fläche abgeleitet und besser über die Drähte und die Bahnoberfläche verteilt, was die Stromkapazität und Lebensdauer durch abnehmenden Verschleiß weiter erhöht. Aufgrund der erhöhten Stromkapazität können Schleifringe kleiner gebaut werden. Insbesondere wenn es eine hohe Anzahl von Gleitdrähten, wie in einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform mit einer konkaven Schleifbahn gibt, können die Drähte ihre Lage relativ zu den anderen Drähten verschieben. Dies verursacht zusätzliches Kontaktrauschen. Solches Kontaktrauschen wird durch die hierin beschriebene Ausführungsform verhindert.
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Die Schleifbahnen und die hierin genannten Bürstendrähte umfassen vorzugsweise zumindest ein Metall, vorzugsweise ein Edelmetall. Ein solches Edelmetall kann Gold, Silber oder eine Legierung davon sein. Die Schleifbahn und/oder zumindest ein Bürstendraht können eine Oberfläche aus solchen Metallen haben oder massiv aus solchen Metallen sein. Es ist bevorzugt, wenn die Schleifbahn einen Metallkörper hat, der Kupfer oder eine Kupferlegierung oder ein ähnlich leitendes Metallmaterial sein kann, mit einer zumindest ein Edelmetall umfassenden Oberfläche. Zumindest eine Bürste kann einen inneren Körper aus einem leitenden Material umfassen, wie Stahl, Messing oder Kupfer, welcher durch ein zumindest ein Edelmetall umfassendes Material beschichtet ist. Im Allgemeinen umfasst eine Bürste, wie sie hier erwähnt wird, eine Vielzahl von Bürstendrähten.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer konvexen Schleifbahn.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform.
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3 zeigt die Kräfte auf Gleitdrähte in einer Schnittansicht einer Schleifbahn.
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4 zeigt eine Vielzahl von durch einen Bürstenhalter gehaltenen Bürsten in einer Seitenansicht.
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5 zeigt eine Schleifbahn, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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6 zeigt eine andere Schleifbahn, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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7 zeigt eine Schnittansicht eines Schleifrings.
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In 1 ist eine Schnittansicht einer konvexen Schleifbahn gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die Schleifbahn hat einen Schleifbahnkörper 14. Der Schleifbahnkörper 14 wird gehalten durch oder ist eingebettet in einen Schleifringkörper 16. Um einen guten elektrischen Kontakt mit den Bürsten zu ermöglichen, gibt es eine Schleifbahnbeschichtung 15 auf der Oberfläche des Schleifbahnkörpers 14. Eine Vielzahl von Bürstendrähten 50 gleiten auf der Schleifbahnbeschichtung. Die Schleifbahn weist im Wesentlichen einen konvexförmigen Querschnitt 19 mit einem die Mittelebene 49 definierenden Mittelabschnitt 41 auf. Neben diesem Mittelabschnitt gibt es vorzugsweise Seitenflügel 42 und 43, die vorzugsweise ebenfalls wie zuvor beschrieben beschichtet sind. Während des normalen Betriebs gleiten die Drähte 50 auf dem konvexförmigen Schleifbahnteil und gleiten nicht auf den Seitenflügeln. Diese können eine Sicherheitsgrenze für den Fall bereitstellen, dass die Drähte 50 ihre normale Position verlassen. Dies kann durch eine Fehlausrichtung, Stöße oder Vibration verursacht werden. Die konvexe Schleifbahn kann einen Querschnitt eines Kugelsegments, einer Ellipse, einer Sinus- oder jeder andere Form haben, die zu einer konvexen Form führt. In dieser und den folgenden Figuren ist nur eine einzige Schleifbahn dargestellt. Es kann auch eine Mehrzahl solcher Bahnen geben, die nebeneinander an einem Schleifringmodul montiert sind. Die Bahnen können elektrisch verbunden sein oder können voneinander isoliert sein.
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In 2 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Schleifbahn gezeigt. Hier sind Seitenrillen 44 und 45 vorgesehen, um jegliche Bürstendrähte zu fangen, die von der konvexförmigen Schleifbahn wegrutschen. Weiterhin können erhöhte Seiten 46 und 47 vorgesehen sein, um eine zusätzliche Sicherheitsgrenze bereitzustellen.
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In 3 sind Kräfte an Gleitdrähten in einer Schnittansicht einer Schleifbahn gezeigt. In diesem Beispiel sind zur Vereinfachung nur zwei Gleitdrähte dargestellt. Grundsätzlich gelten die gleichen Kräfte, wenn es eine größere Anzahl von Gleitdrähten gibt. Ein erster Bürstendraht 51 ist auf der linken Seite der Mittelebene 49 dargestellt, während ein zweiter Bürstendraht 52 auf der rechten Seite der Mittelebene 49 dargestellt ist. Die auf die Bürsten 51 und 52 wirkenden Kräfte sind symmetrisch zur Mittelebene 49. An der ersten Bürste 51 zieht eine ersten Tangentialkraft 61 die Bürste nach außen auf die linke Seite. Diese Kraft hat zwei Komponenten. Eine erste Kraft 62 zieht die Bürste in einem rechten Winkel zur Mittelebene weg von der Mittelebene, während eine zweite Kraft 63 die Bürste 51 parallel zur Mittelebene auf die Schleifbahnoberfläche drückt. Die zweite Kraft 63 wird durch die Elastizität des Bürstendrahtes erzeugt, welche die Bürstendrähte einer Bürste in der Richtung einer Rotationsachse des Schleifrings und parallel zur Mittelebene 49 drückt. Das gleiche gilt für die zweite Bürste 52 mit der Tangentialkraft 65, der ersten Kraft 66 und der zweiten Kraft 67, welche die zweite Bürste im Wesentlichen auf die rechte Seite drückt. Wenn diese Anordnung symmetrisch ist, haben die erste Kraft 62 auf Bürste 51 und die erste Kraft 66 auf die zweite Bürste 52 die gleiche Größe und entgegengesetzte Richtung. Daher kompensieren sich diese Kräfte gegenseitig und ermöglichen eine stabile Positionierung der beiden Bürstendrähte 51 und 52 auf der Oberfläche der konvexen Schleifbahn. Um eine solche Kompensierung von Kräften zu ermöglichen, sind die Bürsten 51 und 52 vorzugsweise in einem Bürstenhalter fest angebracht und zusammengehalten.
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In 4, ist eine Vielzahl von Bürsten 50, die durch einen Bürstenhalter 53 gehalten werden, in einer Seitenansicht gezeigt. Zumindest ein Teil des Bürstenhalters 53 kann eine Hülse sein, welche alle Drähte fest zusammenhält. Vorzugsweise ist der Bürstenhalter 53 in der Mittelebene 49 angeordnet und kann durch die Leiterplatte 20 (wie in 7 gezeigt) oder jede beliebige andere Bürstenhalteanordnung gehalten werden.
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In 5 ist eine Schleifbahn wie aus dem Stand der Technik bekannt gezeigt. Auf einem Schleifringkörper 30 ist eine Schleifbahnbeschichtung 31, welche eine V-förmige Rille 33 bildet. Im Grunde ist dies eine konkave Form. Es gibt es eine Vielzahl von in dieser Rille gleitenden Bürstendrähten 32. Es ist zu sehen, dass nur einige der Bürstendrähte 32 in elektrischem Kontakt mit der Rille sind, während die anderen Bürstendrähte auf der Oberseite der gleitenden Bürstendrähte angeordnet sind.
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In 6 ist eine Schleifbahn wie aus dem Stand der Technik bekannt gezeigt. Auf einem Schleifringkörper 30 gibt es eine Schleifbahnbeschichtung 31, welche eine flache Schleifbahn bildet. Es gibt eine Vielzahl von auf dieser Bahn gleitenden Bürstendrähten 32. Es ist zu sehen, dass nur einige der Bürstendrähte 32 in elektrischem Kontakt mit der Bahn sind, während die anderen Bürstendrähte auf der Oberseite der gleitenden Bürstendrähte angeordnet sind.
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In 7 ist eine schematische Ansicht eines Schleifrings in einer Schnittansicht gezeigt. Der Schleifring weist ein Schleifringmodul 10 auf, welches um eine Rotationsachse 11 in einer Rotationsrichtung 12 drehbar sein kann. Es kann auch in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden. Das Schleifringmodul hat einen Schleifringkörper 16, der vorzugsweise ein isolierendes Material, am meisten bevorzugt Keramik, Kunststoff, Polymer oder Epoxy umfasst. Es gibt zumindest eine Schleifbahn 13, welche von dem Schleifringkörper 16 gehalten wird und/oder in ihn eingebettet ist. Eine erste Drahtbürste 21 und/oder eine zweite Drahtbürste 22 können auf der Schleifbahn 13 gleiten und die Schleifbahn in der Nähe eines ersten Kontaktpunktes 23 und eines zweiten Kontaktpunktes 24 kontaktieren. Vorzugsweise können beide Drahtbürsten durch eine Leiterplatte 20 oder jede beliebige andere Art von Bürstenhalteanordnung gehalten werden. Anstelle der Leiterplatte können andere Mittel wie eine Metallplatte verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schleifringmodul
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Rotationsrichtung
- 13
- Schleifbahn
- 14
- Schleifbahnkörper
- 15
- Schleifbahnbeschichtung
- 16
- Schleifringkörper
- 19
- konvexförmiger Querschnitt
- 20
- Leiterplatte
- 21
- erste Drahtbürste
- 22
- zweite Drahtbürste
- 23
- erster Kontaktpunkt
- 24
- zweiter Kontaktpunkt
- 30
- Schleifbahnkörper
- 31
- Schleifbahnbeschichtung
- 32
- Bürstendrähte
- 33
- V-förmige Rille
- 41
- Schleifbahn-Mittelabschnitt
- 42
- erste Seitenflügel
- 43
- zweite Seitenflügel
- 44
- erste Seitenrille
- 45
- zweite Seitenrille
- 46
- erste erhöhte Seite
- 47
- zweite erhöhte Seite
- 49
- Mittelebene
- 50, 51, 52
- Bürstendraht
- 53
- Bürstenhalter
- 62, 63
- erste Bürstenkräfte
- 66, 67
- zweite Bürstenkräfte
