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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ableitungseinrichtung zur Ableitung elektrostatischer Ladung von einer Welle oder einem Schleifring, die eine Litze und eine Halterung umfasst.
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Eine derartige Ableitungseinrichtung ist aus der Praxis bekannt und dient beispielsweise zur Ableitung elektrostatischer Ladung aufgrund von Reibungseffekten oder auch äußerer Einwirkungen, wie Blitzschlag. Auch können derartige Ableitungseinrichtungen zur Ableitung elektrostatischer Ladung von Motor-, Getriebewellen oder Schleifringen eingesetzt werden, die beispielsweise an Drehstrommotoren in Folge eines Welleninduzierten elektrischen Stroms entstehen können.
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Aus der
WO 2015/032989 A3 ist eine Ableitungseinrichtung zur Ableitung elektrostatischer Ladung von einer Welle bekannt, die einen biegeelastisch ausgebildeten Leiter mit einer Kohlenstofffaseranordnung aus zwei Leiterabschnitten umfasst. Die Leiterabschnitte sind jeweils in einem Führungskanal eines aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildeten Halters angeordnet, über ihre im Halter aufgenommenen Abschnittsenden mit einem Erdungsleiter verbindbar und umfassen jeweils einen Wellenkontaktabschnitt. Bei der aus der
WO 2015/032989 A3 bekannten Ableitungseinrichtung sind zur Anbindung der Leiter in dem Halter jedoch Ausnehmungen bzw.
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Führungskanäle vorzusehen. Demnach ist eine Herstellung der Ableitungseinrichtung mit einem hohen Aufwand verbunden und kostenintensiv.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Ableitungseinrichtung zur Ableitung elektrostatischer Ladung vorzuschlagen, die kostengünstig und mit einem vergleichsweise geringen Aufwand herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ableitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Ableitungseinrichtung zur Ableitung elektrostatischer Ladung umfasst eine aus Metall gegossene Halterung und eine Litze, die aus Kohlenstofffasern ausgebildet ist und in der Halterung eingegossen ist.
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Bei der Ableitungseinrichtung nach der Erfindung mit einer Litze und einer Halterung, sind nicht mehr, wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Ableitungseinrichtungen zur Verbindung der Litze und der Halterung Ausnehmungen in der Halterung erforderlich. Vielmehr ist die Litze in die Halterung mit eingegossen, da es sich bei dem Formgebungsprozesses der Halterung um einen Urformprozess, insbesondere einen Gießprozess handelt.
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Ein derartiges Eingießen der Litze in der Halterung ist aufgrund von Werkstoffeigenschaften, insbesondere einem Temperaturverhalten bzw. einer hohen Temperaturbeständigkeit der Kohlenstofffasern der Litze möglich. Somit kann auf einfache Weise eine Anbindung der Litze an bzw. in der Halterung der Ableitungseinrichtung mittels des Gießprozesses hergestellt werden. Der Gießprozess, also das Einfüllen einer Metallschmelze in eine Gussform, kann beispielsweise in Form eines Kokillengießens, eines Druckgießens, eines Niederdruckgießens, eines Gegendruckgießens oder einer Kombination dieser Gießprozesse erfolgen, wobei sich alle diese Verfahren durch einen geringen Materialverbrauch sowie eine geringe Anzahl notwendiger Herstellungsschritte auszeichnen.
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Durch geeignete Gestaltung der Gussform ist eine reproduzierbare Anordnung der Litze innerhalb der Halterung möglich, wobei es sich bei der Gussform insbesondere um eine Dauergussform handeln kann, die in der Regel aus Stahl besteht. Gegossene Bauteile weisen im Vergleich zu mit anderen Fertigungsverfahren hergestellten Bauteilen eine hohe gestalterische Flexibilität auf, weshalb die Halterung an eine jeweilige Funktion und/oder eine Position und eine Gestalt der Ableitungseinrichtung innerhalb einer Baugruppe entsprechend angepasst werden kann. Demzufolge ist auch ein mit der Gussform hergestelltes Bauteil, insbesondere die Halterungen selbst, entsprechend der jeweilige Funktion und/oder der Position und der Abmessung der Ableitungseinrichtung ausgestaltet. Die Ableitungseinrichtung bzw. die Halterung und die Litze der Ableitungseinrichtung ist daher auf unterschiedliche Art und Weise in dem Bauteil anordbar bzw. positionierbar, wodurch selbst komplizierte Geometrien realisiert werden können.
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Aufgrund des Eingießens der Litze in der Halterung kann, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Ableitungseinrichtungen, ein Fehlerrisiko im Bereich der Anbindung der Litze an der Halterung und ein hierfür erforderlicher Aufwand reduziert werden.
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Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Ableitungseinrichtungen mit einer Halterung und einer Litze, eine Litzenform in der Regel durch eine Geometrie bzw. Abmessungen einer Ausnehmung, einer Vertiefung oder einer Bohrung, in welche die Litze zur Anbindung an die Halterung einzubringen ist, definiert bzw. vorgegeben ist, kann die Litze der Ableitungseinrichtung aufgrund der Herstellung der Halterung mittels des Gießprozesses zudem in einer alternativen Ausführungsform einen beliebigen Querschnitt aufweisen, insbesondere einen runden oder bandförmigen, so dass eine Litzengeometrie an spezielle Anforderungen angepasst werden kann.
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Auch kann die Litze formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Halterung verbunden sein. Wobei eine derartige Verbindung insbesondere durch das Eingießen der Litze in die Halterung mit einer anschließenden Erstarrung des Metalls entsteht. Bei einer formschlüssigen Verbindung kann eine Oberfläche der aus Kohlenstofffasern bestehenden Litze von dem Metall der Halterung beispielsweise umgeben sein. Eine stoffschlüssige Verbindung der Litze mit der Halterung kann durch ein Infiltrieren bzw. ein Füllen von Poren eines Kohlenstoff-Fasergefechts der Litze mit dem Metall der Halterung realisiert werden. Demnach können die formschlüssige Verbindung und die stoffschlüssige Verbindung ohne zusätzlichen Bearbeitungsschritte oder Verbindungsmittel, wie beispielsweise Klebstoff, hergestellt werden. Vielmehr können derartige Verbindungen im Rahmen einer Halterungsherstellung, also dem Gießprozess selbst, realisiert werden. Zudem kann sowohl die formschlüssige Verbindung als auch die stoffschlüssige Verbindung bei einem vergleichsweise geringen Platzbedarf realisiert werden und weist eine geringe Störanfälligkeit auf.
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Eine Herstellung der Halterung mittels des Gießprozesses ermöglicht es des Weiteren, die Halterung aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen. Somit können an eine elektrische Maschine maßgeschneiderte Eigenschaften realisiert werden. Die Halterung kann aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, Zink, Messing oder Kupfer ausgebildet sein. Derartige Werkstoffe ermöglichen es aufgrund ihrer Schmelztemperaturen die Litze in der Halterung einzugießen ohne hierbei die Litze bzw. den Werkstoff der Litze zu beschädigen oder zu verändern bzw. modifizieren.
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Um die Halterung und die Litze formschlüssig und/oder stoffschlüssig zu verbinden, kann die Litze auch mit dem Metall der Halterung umgeben und/oder infiltriert bzw. aufgefüllt sein. So dass eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung der Litze und der Halterung ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte realisiert werden kann. Bei der formschlüssigen Verbindung kann dabei eine Oberfläche der Litze von dem Metall der Halterung umgeben sein, wohingegen bei einer stoffschlüssigen Verbindung Poren eines Kohlenstoff-Fasergeflechts der Litze mit dem Metall der Halterung gefüllt sein können. Die auf diese Weise hergestellten Verbindung, also die formschlüssige bzw. die stoffschlüssige Verbindung weist eine geringe Störanfälligkeit auf. Zudem kann eine Herstellung dieser Verbindungen ohne zusätzlichen Bearbeitungsschritte oder Verbindungselemente erfolgen, was eine kostengünstige Herstellung zur Folge haben kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Litze flexibel oder teilflexibel ausgestaltet sein. So kann eine Anbindung an weitere Bauteile auf besonders vorteilhafte Weise erfolgen, indem Maßtoleranzen der Ableitungseinrichtung ausgeglichen werden und eine federnde Anbindung der Litze an einer Welle bzw. einem Schleifring ermöglicht werden.
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Auch kann die Litze eine Flechtlitze sein. Die Litze kann so auf besonders vorteilhafte Art und Weise formtreu bzw. nahezu formtreu hergestellt werden und vergleichsweise geringe Delaminations-Effekte sowie gewünschte biegeelastische Eigenschaften aufweisen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Litze vollständig aus Kohlenstofffasern bestehen. Kohlenstofffasern haben eine gute elektrische Leitfähigkeit bzw. einen geringen elektrischen Widerstand. Da eine Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern eine Festigkeit der meisten Metalle und anderer Faserverbundwerkstoffe übertrifft, kann die Litze zudem eine vergleichsweise hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweisen, wodurch eine Lebensdauer der Litze und demzufolge auch eine Lebensdauer der Ableitungseinrichtung erhöht werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Litze mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, infiltriert bzw. aufgefüllt sein. Durch eine Steuerung einer Infiltrationsmenge des pyrolytischen Kohlenstoffs bzw. eines Beschichtungsverfahrens können Eigenschaften der Litze, insbesondere biegeelastische Eigenschaften, ausgebildet werden und die Litze bei ausreichender Biegeelastizität in einer gewünschten Gestalt fixiert werden. Zudem kann die Litze aufgrund einer Infiltration bzw. eines Auffüllens mit dem pyrolytischen Kohlenstoff eine niedrige Porosität und Eigenbindung, eine hohe Reinheit, eine bessere Oxidationsbeständigkeit und eine hohe Festigkeit aufweisen, wobei eine hohe Festigkeit insbesondere dadurch erreicht werden kann, dass Faserknotenpunkte der Litze aus Kohlenstofffasern mit dem pyrolytischen Kohlenstoff fixiert bzw. durch eine Eigenbindung verbunden werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausbildung der Beschichtung bzw. eine Infiltration durch Anwendung eines CVI-Verfahrens (chemische Gasphaseninfiltration, engl.: Chemical Vapor Infiltration) herausgestellt, da dieses Verfahren nicht nur für die gewünschte Oberflächenbeschichtung, sondern darüber hinaus auch für die Ausbildung von Bindungskräften zwischen den einzelnen Filamenten des Fasergeflechtes sorgt. Alternativ kann auch ein CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung, engl.: Chemical Vapor Deposition) angewandt werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können die Kohlenstofffasern der Litze zur biegeelastischen Ausgestaltung der Litze mit einer Harzmatrix, vorzugsweise einer Kunsthatzmatrix versehen und/oder beschichtet sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können auch zwei oder mehr Litzen in der Halterung eingegossen sein. Wobei die Litzen in einer zu einer Wellen- bzw. Schleifringlängsachse quer verlaufenden Wellen- bzw. Schleifringkontaktebene im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und über Wellen- bzw. Schleifringkontaktabschnitte entgegengesetzt tangential ausgerichtet an einem Wellen- bzw. Schleifringumfang anliegen.
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Zur Einstellung einer gewünschten Kontaktkraft mit der die Litzen, insbesondere ein Endabschnitt der Litzen der Ableitungseinrichtung an einem Wellen- bzw. Schleifringumfang anliegen, ist es vorteilhaft, wenn die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Abschnitte der Litzen quer zu ihrer Längserstreckung abgestützt werden. Wobei der Ort der Abstützung und damit die entsprechend definierten freien Biegelängen zwischen den Abschnitten und den jeweiligen Wellen- bzw. Schleifringkontaktabschnitten die Höhe der Kontaktkraft bestimmen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ableitungseinrichtung kann die Litze derart in der Halterung eingegossen sein, dass ein Kontaktabschnitt aus der Halterung herausragt. Die Litze kann somit über den Kontaktabschnitt an weitere Bauelemente einer Baugruppe, insbesondere eine Welle oder einen Schleifring angebunden werden bzw. mit diesem kontaktiert werden. Eine Länge bzw. Abmessung des Kontaktabschnitts kann dabei beliebig, den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgestaltet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halterung Ausnehmungen zur Anbindung bzw. Montage der Ableitungseinrichtung mit einer Baugruppe umfasst. Somit kann die Ableitungseinrichtung mittels der Halterung auf einfache Weise an einer entsprechenden Position bzw. an einem bestimmten Bauelement innerhalb einer Baugruppe montiert werden, wodurch die mit der Halterung verbundene Litze, insbesondere der Kontaktabschnitt der Litze in gewünschter Weise an einem Wellen- bzw. Schleifringumfang einer in der Baugruppe angeordneten Motorwelle, einer Getriebewelle oder eines Schleifrings anliegen kann. Für eine Fixierung der Ableitungseinrichtung innerhalb der Baugruppe kann die Halterung beispielsweise Bohrungen aufweisen, die von einer mit einem anderen Bauelement der Baugruppe in Eingriff stehenden Schraube durchgriffen sind. Eine derartige Verbindungstechnik hat den Vorteil, dass im Falle eines Verschleißes der Litze die Ableitungseinrichtung auf einfache Weise ausgewechselt werden kann. Denkbar sind aber auch andere Verbindungstechniken wie beispielsweise Clip-, Keil- oder Nietverbindungen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ableiteinrichtung derart innerhalb der Baugruppe angeordnet ist, dass die Litze an einem Wellenteil einer Kupplung anliegt, die eine Getriebeanordnung mit einem Motor verbindet, so dass die erfindungsgemäße Ableiteinrichtung gleichzeitig zur Ableitung elektrostatischer Ladung von einer Motorwelle und einer Getriebewelle eingesetzt werden kann.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Halterung mechanische und/oder elektrische Schnittstellen, wie beispielsweise einen Kabelanschluss, einen Kabelschuh oder eine Klemmverbindung umfassen, so dass die Ableitungseinrichtung an eine Maschine angeschlossen werden kann.
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Die elektrische Maschine nach der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Ableitungseinrichtung.
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Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ableitungseinrichtung 10 mit einer Halterung 20 und zwei Litzen 30.
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Die aus Metall gegossene Halterung 20 umfasst einen im Wesentlichen quaderförmigen Grundkörper 22 mit zwei Ausnehmungen 26 und zwei parallel verlaufende Vorsprünge 24, die an zwei Enden einer langen Seitenwand 28 der Halterung 20 angeordnet sind. Mittels der Ausnehmungen 26 kann die Ableitungseinrichtung 10 innerhalb einer hier nicht gezeigten Baugruppe positioniert und mit hier nicht dargestellten Schrauben fixiert werden. Des Weiteren können in dem Grundkörper 22 hier nicht dargestellte mechanische und elektrische Schnittstellen, wie beispielsweise ein Kabelanschluss, ein Kabelschuh oder eine Klemmverbindung, zur elektrischen und mechanischen Anbindung der Ableitungseinrichtung 10 an eine Maschine beinhaltet sein.
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Die Litzen 30 weisen jeweils in einem der Halterung 12 zugewandten Endbereich 40 einen in den Vorsprüngen 24 befindlichen Verbindungsabschnitt und in einem der Halterung 12 abgewandten Endbereich 38 einen Kontaktabschnitt 32 auf. Bezogen auf eine Längsachse 34 der Litzen 30 sind die Litzen 30 im Wesentlichen in einem Rechten Winkel angeordnet und über die Verbindungsabschnitt der Litzen 30, die jeweils in einem der beiden Vorsprüngen 24 der Halterung 12 angeordnet bzw. in diesen eingegossen sind, mit der Halterung 12 verbunden.
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Der Kontaktabschnitt 32 ist dazu ausgebildet mit einer Welle oder einem Schleifring kontaktiert zu werden, um elektrostatische Ladung abzuleiten, die durch Reibungseffekte, äußere Einwirkungen oder in Folge eines Wellen- oder Schleifringinduzierten elektrischen Stroms entstehen können.
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Die Litzen 30 sind aus hier nicht sichtbaren Kohlenstofffasern ausgebildet und können mit Harz, insbesondere Kunstharz infiltriert oder mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltriert und/oder beschichtet sein. Ein Querschnitt 36 der Litzen 30 ist rund ausgestaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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