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Die
Erfindung betrifft einen Schleifringübertrager zur Übertragung
mittelfrequenter Ströme
gemäß dem Patentanspruch.
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In
der Industrie werden heute in steigendem Maße mittelfrequente Ströme eingesetzt,
um induktive Kopplungen zu verbessern. In diesem Zusammenhang sind
beispielsweise Schweißtransformatoren
an Robotern, alle frequenzgeregelten Motore, Sende- und Empfangsanlagen
für Mobiltelefone, Rundfunk
und Fernsehen sowie die Datenübertragungstechnik
usw. typische Anwendungsfälle
für induktive
Ankopplungen.
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Die
Praxis hat gezeigt, dass bei steigender Frequenz des Induktionsstroms
die Effizienz bei den vorstehend genannten Anwendungsbeispielen
unproportional ansteigt. So nimmt z.B. ein Transformator bei Verdoppelung
der Frequenz mit ca. Faktor 4 in Gewicht und Volumen ab. Als störender Einfluss
bei der Übertragung
mittelfrequenter Induktionsströme tritt
jedoch der physikalische Effekt auf, dass der Stromfluss mit steigender
Frequenz an die Randzone eines elektrischen Leiters gedrängt wird.
Daraus resultiert, dass bei hohen Frequen zen nur noch die äußere Schicht
bzw. Randzone bei einem Leiter genutzt werden kann.
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Für den zukünftigen
erfolgreichen Einsatz von Schleifringübertragungssystemen erlangt
die Übertragung
mittelfrequenter Ströme
eine immer größere Bedeutung.
Der Nachteil der heutigen Technik ist jedoch, dass der Einsatz mittelfrequenter
Ströme bei
Schleifringübertragungssystemen
nur mit sehr großen
geometrischen Abmessungen möglich
ist. Solche Abmessungen sind deshalb notwendig, weil genügend Randzone
des Leiters für
die Übertragung bereit
zu stellen ist. Ein bekannter Schleifringübertrager für 150 A bei 600 VAC 50 Hz passt
derzeit in eine Hutschachtel. Der gleiche Schleifringübertrager
bei einem Strom von 150 A und 16 kHz hat etwa die Größe eines
LKW-Rades.
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Wenn
folglich bei 50 Hz-Strömen
theoretisch ein runder Vollstab als Leiter verwendet werden kann,
um den nötigen
Strom zu übertragen,
kann bei mittelfrequenten Strömen,
ca. 30 kHz, nur ein "Rohr" als äquivalente
Leiterquerschnittsfläche
eingesetzt werden. Je höher
also die Frequenz, desto dünnwandiger
ist das "Rohr". Um gleiche Ströme übertragen zu
können,
muss jedoch der Leiterquerschnitt erhalten bleiben, was zur Folge
hat, dass ein "Rohr" im Durchmesser größer werden
muss, um genügend Randzone
als Leiter zur Verfügung
zu stellen.
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Das
vorstehend erwähnte "Rohr" ist als physikalisches
Modell zu verstehen. Tatsächlich
werden in der Praxis Vollprofile und Drähte verwendet, deren innerer
Kern zur Stromübertragung
aber kaum beiträgt.
Der Kern des Leiters bringt somit im Grunde nur totes Gewicht und
ist physikalisch/technisch zur Stromübertragung nicht effizient.
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Diese
Problematik ist für
fest verlegte Leitungen in Form von Hohlleitern bzw. Kupferrohren
gelöst.
Für die
Anwendung in endlos drehbaren Stromübertragungssystemen, nämlich der
Schleifringübertrager,
führt der
beschriebene physikalische Effekt zu mechanisch sehr großen und
schweren Geräten. Diese
Geräte
würden
in dieser Form am Markt nicht akzeptiert werden. Ferner ist das heute
bei Schleifringübertragern
eingesetzte Wirkprinzip der Schleifkohlen bei hohen Frequenzen praktisch
nicht verwendbar, da die gesinterten Werkstoffe die geforderten Stromdichten
in den Randzonen nicht zulassen und somit eine Selbstzerstörung herbeiführen würden.
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Die
dem Patentanspruch zugrunde liegende
DE 25 29 519 A1 offenbart einen luftgekühlten Schleifring,
der sich aus einzelnen im Abstand zueinander angeordneten Kreisringscheiben
zusammensetzt, in denen miteinander fluchtende Durchlässe enthalten
sind, die axial verlaufende, von mindestens einer Stirnseite ausgehende
Kühlkanäle bilden.
Die Kreisringscheiben setzen sich aus zwei oder mehreren Ringsektoren
zusammen, die sich an ihren Rändern
jeweils teilweise überlappen.
Durch diese Überlappungen
wird der Schleifring versteift. Außerdem ergibt sich durch das Überlappen
der Randteile der Ringsektoren eine Verlagerung der Kontaktpunkte zwischen
Bürste
und Schleifring in axialer Richtung und somit eine Vergleichmäßigung der
Bürstenabnutzung.
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Die
GB 1,072,991 offenbart eine
scheibenförmige
Anordnung von leitenden und isolierenden Folien für einen
Elektromotor. Die Folienscheibe umfasst dünne äußere Schichten aus leitendem
Material und dünne
innere Schichten aus leitendem Material. Die jeweiligen, insbesondere
aus Kupfer bestehenden Schichten werden durch dünnere Isolationsschichten elektrisch
isoliert.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schleifringübertrager zur Übertragung
mittelfrequenter Ströme
zu schaffen, bei welchem bei kleinerer Bauweise verbesserte Übertragungseigenschaften
gewährleistet
sind.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Leiterplattentechnologie
für die
Entwicklung von Schleifbahnen und Stromabnehmern auch bei Schleifringübertragern
geeignet erscheint. Folglich liegt der innovative Kern der Erfindung
darin, mehrere dünne
Metallfolien in Sandwichzuordnung mechanisch stabil zu fixieren
und elektrisch zu verbinden.
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Danach
wird ein im physikalischen Modell beschreibbares "Rohr" in Längsrichtung
in mehrere Segmentstreifen sozusagen aufgeschnitten und diese werden
dann übereinander
gestapelt. Zwischen den Segmentstreifen befindet sich jeweils eine
Isolierschicht.
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In
der praktischen Ausführungsform
werden mehrere dünne
Metallfolien unter Eingliederung von Isolierlagen zu einem Folienstapel
geschichtet. Mehrfach in Längsrichtung
des Folienstapels gleichmäßig verteilte
Durchkontaktierungen gewährleisten eine
homogene Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten Metallfolien
bleibt als Leiterquerschnitt nur die gewünschte Randzone, wodurch das Bauvolumen
um weit mehr als die Hälfte
reduziert wird.
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Die
gleichmäßige und
sichere elektrische Durchkontaktierung der Metallfolien untereinander und
zu einem Anschlusskontakt wird dadurch verwirklicht werden, dass
ein Loch senkrecht durch das Folienpaket gebohrt und die Wand des
Lochs verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei wegen der homogenen
Stromverteilung mit sehr kleinen Durchmessern eingebracht werden.
Die Länge der
Bohrung, abhängig
von der Anzahl der Metallfolien, ist verhältnismäßig groß. Das Verhältnis Durchmesser/Länge beträgt ca. 1:8
bis 1:10.
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Durch
geeignete Anordnung der Metallfolien und durch das Einbringen von
geerdeten elektrischen Schirmflächen
kann das gesamte System nach außen
elektromagnetisch verträglich
gestaltet werden.
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Da
ein Schleifringübertrager
aus einem rotierenden und einem stehenden Teil besteht, werden, um
das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile gleich gestaltet. Bei
dem rotierenden Gegenlaufpartner der Schleifbahn kommt die Anbringung
der Kontaktelemente hinzu. Hierbei ist Sorge dafür zu tragen, dass der in den
Metallfolien fließende
Strom in diesen Kontaktelementen konzentriert werden muss, um mit
einem vertretbaren Wirkungsgrad die Stromübertragung zu gewährleisten.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen veranschaulichten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
der Perspektive einen elektrischen Leiter im physikalischen Modell;
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2 die
Segmente gemäß 1 in
gestapelter Form, ebenfalls in der Perspektive;
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3 in
der Perspektive einen elektrischen Leiter in Form eines Folienstapels,
teilweise im Schnitt, und
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4 einen
Querschnitt durch einen Schleifringübertrager mit Folienstapel
gemäß 3.
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Danach
wird, wie die 1 erkennen lässt, ein als physikalisches
Modell dargestelltes Rohr 1 in Längsrichtung in mehrere Segmentstreifen 2 aufgeschnitten,
beim Ausführungsbeispiel
sechs Segmentstreifen 2. Diese werden dann übereinander
gestapelt (2).
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Zwischen
den Segmentstreifen 2 befindet sich jeweils eine Isolierschicht 3.
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In
der praktischen Ausführungsform
gemäß 3 werden
mehrere dünne
Metallfolien 4 unter Eingliederung von Isolierlagen 5 zu
einem Folienstapel 6 geschichtet. Mehrfach in Längsrichtung
des Folienstapels 6 gleichmäßig verteilte Durchkontaktierungen 7 gewährleisten
eine homogene Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten
Metallfolien 4 bleibt als Leiterquerschnitt nur die gewünschte Randzone.
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Die
gleichmäßige und
sichere elektrische Kontaktierung der Metallfolien 4 untereinander
und zu einem nicht näher
veranschaulichten Anschlusskontakt ist dadurch verwirklicht, dass
ein Loch senkrecht durch das Folienpaket 6 gebohrt und
die Wand des Lochs verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei
wegen der homogenen Stromverteilung in sehr kleinen Durchmessern
eingebracht werden. Die Länge
der Bohrung, abhängig
von der Anzahl der Metallfolien 4, ist verhältnismäßig groß. Das Verhältnis Durchmesser/Länge beträgt ca. 1:8
bis 1:10.
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Durch
geeignete Anordnung der Metallfolien 4 und durch das Einbringen
von geerdeten elektrischen Schirmflächen kann das gesamte System nach
außen
elektromagnetisch verträglich
gestaltet werden.
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Da
ein Schleifringübertrager 8 (4)
aus einem rotierenden Teil 9 und einem stehenden Teil 10 besteht,
werden, um das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile 9, 10 im
Prinzip gleich gestaltet. Bei dem rotierenden Teil 9 kommt
die Anbringung der Kontaktelemente 11 hinzu. Hierbei ist
Sorge dafür
getragen, dass der in den Metallfolien 4 fließende Strom
in diesen Kontaktelementen 11 konzentriert ist, um mit
einem vertretbaren Wirkungsgrad die Stromübertragung zu gewährleisten.
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In
der 4 sind die Isolierlagen 5 durch ein Glashartgewebe
gebildet, welches zugleich die Stabilität sowohl der rotierenden Teile 9 als
auch des stehenden Teils 10 gewährleistet.
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Die
Rotationsachse des Schleifringübertragers 8 ist
mit 12 bezeichnet.
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Der
stehende Teil 10 ist am radial äußeren Umfang mit einem Führungsring 13 versehen.
Der Führungsring 13 ist über lediglich
schematisch durch Mittellinien 14 veranschaulichte Schrauben
mit dem stehenden Teil 10 verbunden. In dem Führungsring 13 ist
eine Führungsnute 15 ausgebildet,
in die der radial äußere Umfangsbereich 16 des
rotierenden Teils 9 gleitschlüssig eingreift.
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- 1
- Rohr
- 2
- Segmentstreifen
- 3
- Isolierschicht
- 4
- Metallfolien
- 5
- Isolierlagen
- 6
- Folienstapel
- 7
- Durchkontaktierungen
- 8
- Schleifringübertrager
- 9
- rotierender
Teil v. 8
- 10
- stehender
Teil v. 8
- 11
- Kontaktelemente
- 12
- Rotationsachse
v. 8
- 13
- Führungsring
- 14
- Schrauben
- 15
- Führungsnute
- 16
- äußerer Umfang
v. 9