DE3109770A1 - Leiterbaugruppe zum leiten von stroemen zwischen relativ zueinander drehbaren bauteilen - Google Patents

Description

Patentanwälte * ·Ο"ϊ·|

• p. Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 1.3. Mär Z 1 98 1

Unser Zeichen: 17 157 - Fk/Vi

SPERRY CORPORATION
1290 Avenue of the Americas,
New York, New York 10019
U. S. A.

Leiterbaugruppe zum Leiten von Strömen zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen

Die Erfindung bezieht sich auf Leiterbaugruppen zum Leiten von Strömen zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen, wobei die allgemeine Klasse derartiger Einrichtungen allgemein als Schleifringe bezeichnet wird. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf verbesserte Leiterbaugruppen zum Leiten von Strömen zwischen Stator- und Rotorbauteilen, beispielsweise zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen, die in Luftfahrt- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden, bei denen eine zuverlässige betriebssichere und langlebige Übertragung von elektrischen Strömen von einer großen Anzahl von elektrischen Kreisen über eine relativ kurze Strecke erforderlich ist, die entlang der axialen Länge der relativ zueinander drehbaren Bauteile gemessen ist.

Rollende elektrische Leiterbaugruppen sind allgemein nicht neu und wurden bereits zur Verwendung an Stelle der mehr üblichen Schleifring- und Bürstenbaugruppen vorgeschlagen. Beispielsweise ist in der DE-OS 28 01 26ü eine elektrische Leiterbaugruppe zum Leiten elektrischer Ströme zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen von empfindlichen Elementen, wie z.B. zwischen Kreiselgeräten und dgl. beschrieben, bei der sich eine vollständige Drehfreiheit und eine Reibung von im wesentlichen Null ergibt. Jede elektrische Übertragungseinheit der· Baugruppe weist zwei koaxiale, konzentrische, koplanare und kontinuierliche konkave Leiterringe auf, von denen einer auf einem relativ festgelegten Bauteil und der andere auf einem drehbaren Bauteil befestigt ist, wobei die relativen Durchmesser der Ringe einen erheblichen kreisringförmigen Radialspalt zwischen den Ringen ergeben. Ein elastischer, elektrisch leitender,

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kontinuierlicher fadenförmiger Kreisring ist in dem radialen Spalt derart angeordnet, daß seine allgemein ebene Außenoberflache die konkave Oberfläche der Leiterringe berührt und auf dieser abrollt. Die Kreisring- oder Leiter-Grenzschicht ergibt Selbsteinfang-- und Haltekräfte, um irgendeine Fehlausrichtung zwischen den Ringen und Bewegungen der Kreisringe in dem Radialspalt bei durch Schwingungen und/oder Stöße belasteten Anwendungen aufzufangen, wobei keine Reibungs-Drehmomente auf das drehbare Bauteil ausgeübt werden.

Der wesentliche Nachteil der vorstehend beschriebenen Baugruppe besteht darin, daß lediglich eine begrenzte Anzahl von elektrischen Strömen über eine relativ kurze Strecke übertragen werden kann, die entlang der axialen Länge der relativ zueinander drehbaren Bauteile gemessen ist. Wenn die axiale Länge vergrößert wird, um eine größere Anzahl von Kreisen aufzunehmen, die die übertragung von elektrischen Strömen zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen erfordern, so ergibt die vergrößerte Länge thermische und Schwingungsprobleme, die zu einer raumaufwendigen Anordnung führen, die schwierig zusammenzubauen ist und die möglicherweise unstabil ist, so daß sie für viele Anwendungen ungeeignet ist. Alle bekannten Versuche zur Lösung des Problems der übertragung von elektrischen Strömen von eine hohe Dichte aufweisenden elektrischen Kreisen zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen waren erfolglos oder konzentrierten sich auf die Vergrößerung der axialen Länge der relativ zueinander drehbaren Bauteile.

Zusätzlich zu den Raumproblemen, die sich aus der übertragung von elektrischen Strömen von ein hohe Dichte

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aufweisenden elektrischen Kreisen zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen ergeben, besteht weiterhin ein Bedarf für eine äußerst zuverlässige und hinsichtlich von Umgebungsbedingungen annehmbaren Einrichtung, die in wirkungsvoller Weise unter den nachteiligen Bedingungen arbeiten kann, die bei Luft- und Raumfahrt- und Satellitenanwendungen üblich sind. Eine leichte Reparatur sowie eine hohe Zuverlässigkeit sind Eigenschaften, die benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Leiterbaugruppe der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Übertragung von elektrischen Strömen von eine hohe Dichte aufweisenden elektrischen Schaltungen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen in wirkungsvoller und zuverlässiger Weise, selbst unter ungünstigen Umgebungsbedingungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, 6 und 7 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Leiterbaugruppe ergibt eine Lösung des Problems der übertragung von elektrischen Strömen von eine hohe Dichte aufweisenden elektrischen Schaltungen zwischen relativ zueinander drehbaren Bauteilen, so daß ein wirkungsvoller und zuverlässiger Betrieb beispielsweise von Satellitenanordnungen und/oder Meßinstrumenten, wie z.B. Kreiselgeräten, selbst unter den manchmal harten Umgebungsbedingungen ermöglicht wird, die für

Luft- und Raumfahrtanwendungen typisch sind. Die erfindungsgemäße Leiterbaugruppe stellt eine gegen Umgebungsbedingungen wiederstandsfähige elektrische Leiterbaugruppe dar, die in wirkungsvoller Weise elektrische Ströme von beispielsweise bis zum 200 Schaltungskreisen längs einer Strecke von 33 cm, gemessen entlang der Axiallänge der relativ zueinander drehbaren Bauteile, übertragen kann'.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Leiterbaugruppe werden die eingangs erwähnten Schwierigkeiten hinsichtlich der Übertragung von elektrischen Strömen in eine hohe Dichte aufweisenden elektrischen Schaltungen zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen in großem Umfang beseitigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Leiterbaugruppe eine Anzahl von kreisringförmigen, mit radialem Abstand angeordneten Spalten auf, die zwischen konzentrischen leitenden Ringen gebildet sind, die an den Stator- und Rotor-Bauteilen in kreisringförmigen, mit radialem Abstand angeordneten, in den Bauteilen ausgebildeten Öffnungen befestigt sind. Elastische, fadenförmige, leitende Kreisringe mit einem freien Durchmesser, der größer als die Breite der kreisringförmigen radialen Spalte ist, sind in den Spalten angeordnet und berühren gegenüberliegende Oberflächen der elektrisch leitenden Ringe und rollen auf diesen ab. Im Gegensatz zu bekannten elektrischen Leiterbaugruppen, bei denen lediglich ein radialer kreisringförmiger Spalt für die leitenden Kreisringe vorgesehen ist, weist die erfindungsgemäße Leiterbaugruppe eine Anzahl von kreisringförmigen konzentrischen radialen Spalten auf, und die auf diese Weise vergrößerte Anzahl von kreisringförmigen radialen

Spalten kann eine größere Anzahl von elektrischen Kreisen aufnehmen. Im einzelnen sind die kreisrinförmigen radialen Spalte zwischen Wänden der relativ zueinander drehbaren Bauteile ausgebildet. Diese Wände können abgedichtete Umschließungen bilden, in denen die elektrisch leitenden Kreisringe abrollen und die Oberflächen der elektrisch leitenden Ringe berühren können. Die elektrisch leitenden Ringe sind mit elektrischen Leitungen verbunden, so daß eine elektrische Verbindung über die Stator- und Rotorbauteile für eine größere Anzahl von elektrischen Kreisen geschaffen wird, ohne daß Schwingungsprobleme und thermische Probleme entstehen, die sich aus einer vergrößerten axialen Länge ergeben würden, die andernfalls zur Aufnahme einer großen Anzahl von Kreisen erforderlich wäre.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:.

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der elektrischen Leiterbaugruppe, die zu Erläuterungszwecken an einer der Kardanrahmenachsen eines Kreiselgerätes angeordnet ist;

Fig. 2 eine Teilschnittansicht der Ausführungsform der Leiterbaugruppe entlang der Linie II-II nach Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilschnittansicht einer einer Vielzahl von elektrischen Leiterbaugruppenmoduln der Ausführungsform der Leiterbaugruppe nach Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Modul nach Fig. 3 entlang der Linie IV-IV ;

Fig. 5 eine Teilschnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Leiterbaugruppe mit drei kreisringförmigen Spalten an Stelle der beiden kreisringförmigen' Spalte der Baugruppe nach den Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht der Lagereinheit des Kardanrahmens eines Kreiselgerätes gezeigt, wobei diese Anordnung einen Kardanrahmen 10, d.h. ein rotierendes Bauteil, und eine Basis oder ein Gehäuse 11 einschließt, d.h. ein stationäres Bauteil. Wie dies gezeigt ist, lagert das stationäre Gehäuse 11 in drehbarer Weise den Kardanrahmen 10 in Präzisionskugellagern 12 über einen Lagerzapfen 13, der an dem Kardanrahmen 10 für eine Drehung um eine Mittelachse 14 befestigt ist. Das Gehäuse 11 schließt Kanäle für Leitungen 45, 48 von stationären elektrischen Geräten zu der Leiterbaugruppe in der Kardanrahmen-Lagerungseinrichtung ein- Der Lagerzapfen 13 ist im wesentlichen zylindrisch und der Kardanrahmen 10 weist Kanäle für elektrische Leitungen 46, 47 von der Leiterbaugruppe zu den elektrischen Geräten auf, die von der beweglichen Kardanrahmenbaugruppe getragen werden. Der Lagerzapfen 13 ist an dem Kardanrahmen 10 mit Hilfe geeigneter Einrichtungen, wie z.B. von Befestigungsschrauben 15 befestigt. Ein Lagerhaltering und Klemmschrauben 16 dienen zum Festklemmen der Kugellager 12 an ihrem Platz.

Die elektrische Leiterbaugruppe dient zur Übertragung von elektrischer Leistung oder einer Vielzahl von elektrischen Signalen zwischen dem stationären Gehäuse 11

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und dem relativ hierzu drehbaren Kardanrahmen 10 mit einer mechanischen Reibung und mechanischen Kupplungsdrehmomenten von im wesentlichen Null. Das stationäre Gehäuse 11 weist eine einstückig ausgebildete hohlzylindrische Halterung 11' auf, die eine zylindrische Innenoberfläche 21 aufweist, die konzentrisch zu einer inneren zylindrischen Oberfläche 20 des Gehäuses 11 ist. Entlang der Oberflächen 20 und 21 des Gehäuses 11 sind Sätze von koplanaren, kreisförmigen, konkave Stirnflächen aufweisende elektrisch leitenden Ringen 22 und 23 gleichmäßig in Axialrichtung verteilt. In der folgenden Beschreibung werden die leitenden Ringe 22 in manchen Fällen als die äußeren Gehäuse-Leiterringe bezeichnet, während die leitenden Ringe 23 in manchen Fällen als die inneren Gehäuse-Leiterringe bezeichnet werden. Die Gehäuseringe 22, 23, die ausführlicher in Fig. 3 gezeigt sind, können aus einem geeigneten, elektrisch leitenden Material hergestellt sein, und eine Goldlegierung, wie sie üblicherweise für derartige Anwendungen benutzt wird, ist auf den konkaven Oberflächen der Gehäuseringe abgeschieden, wie dies in der oben genannten Deutschen Offenlegungsschrift beschrieben ist. Der Lagerzapfen 13 weist eine in Radialrichtung äußere Oberfläche 30 und eine in Radialrichtung innere Oberfläche 31 auf, wobei sich jede dieser Oberflächen in axialer Richtung über die gleiche Strecke erstreckt, wie die Oberflächen 20 und 21. Entlang der Außenoberfläche 30 und der Innenoberfläche 31 des Lagerzapfens 13 sind ähnliche Sätze von kreisförmigen, eine konkave Stirnfläche aufweisenden, elektrisch leitenden Ringen 32 und 33 gleichförmig verteilt. Im folgenden werden die leitenden Ringe 32 teilweise als die äußeren Lagerzapfen-Leiterringe bezeichnet, während die

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leitenden Ringe 33 als innere Lagerzapfen-Leiterringe bezeichnet werden. Die Lagerzapfen-Leiterringe 32, 33 können ähnlich wie die Ringe 22 und 23 hergestellt sein. Die Ringe 22, 23, 32, und 33 sind voneinander durch geeignete Isolationsplatten oder Abstandsstücke 40 getrennt (die am besten aus Fig. 3 zu erkennen sind), die aus Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten Isoliermaterial hergestellt sind. Jeder innere Gehäuse-Leiterring 23 ist derart in dem Gehäuse 11 angeordnet, daß er genau und in Axialrichtung derart ausgerichtet ist, daß er koplanar zu einem entsprechenden inneren Lagerzapfen-Leiterring 33 angeordnet ist, der dem Lagerzapfen 13 zugeordnet ist. Der radiale Abstand zwischen den Ringen 23, 33 bildet einen kreisringförmigen Spalt In ähnlicher Weise ist jeder äußere Gehäuse-Leiterring 22 in dem Gehäuse 11 derart angeordnet, daß er genau und in Axialrichtung mit einem entsprechenden äußeren Lagerzapfen-Leiterring 32 ausgerichtet ist, der dem Lagerzapfen 13 zugeordnet ist. Der radiale Abstand zwischen den Ringen 22, 32 bildet einen kreisringförmigen Spalt 36. In jedem dieser konzentrischen, kreisringförmigen Spalte 36, 37 ist zumindestens ein elastischer fadenförmiger leitender Kreisring 44 angeordnet, der die konkaven Kontaktoberflächen auf den Leiterringen 22, 32 und 23, 33 berührt und auf diesen abrollt. Die Kontaktgrenzflächen zwischen den Leiterringen und den fadenförmigen leitenden Kreisringen 44 sind gleich oder im wesentlichen gleich denen, die in der genannten DE-OS beschrieben sind, so daß die Kreisringe automatisch zwischen den Ringen eingefangen und ausgerichtet werden. Die Abstandsstücke 40 bilden einzelne Umschließungen, die in wirksamer Weise jeden Kreisring 44 von den anderen

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trennen, so daß selbst im unwahrscheinlichen Fall eines Bruches eines Kreisringes dieser von den anderen getrennt ist und nicht einen weiteren Kreisring zerstört oder kurzschließt. Die Abstandsstücke 40 schützen die leitenden Kreisringe 44 weiterhin während des Modul-Zusammenbaus gegen Beschädigungen. Die Abstandsstücke 40 weisen derartige Radien auf, daß sie sich in die kreisringförmigen radialen Spalte 36 und 37 erstrecken, wobei ein kleiner kreisringförmiger Abstand zwischen den Abstandsstücken 40 verbleibt, um eine Umschließung für jeden der Kreisringe zu bilden. Endkappen 41, 42 erstrecken sich in Radialrichtung über die Spalte 36, 37 am oberen Ende jedes Moduls 50 (Fig. 3) und wirken mit Modulwänden 53 und 54 zusammen, um das Modul zu umschließen. Die Endkappen 41 ,42 und die Modulwände 53, 54 können so geformt sein, daß eine Labyrinthdichtung 51 zum Schutz der Spalte 36 und 37 gegen Verunreinigungen geschaffen wird. Entsprechend weisen die relativ zueinander drehbaren Bauteile 10, 11 Wände auf, die sich parallel zu der Mittelachse 14 erstrecken und die zwischen sich die beiden konzentrischen kreisringförmigen Spalte 36, 37 bilden. Es ist verständlich, daß die erfindungsgemäße Leiterbaugruppe auch auf andere Anordnungen als Kreiselgeräte oder dgl. anwendbar ist. Beispielsweise kann sie zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen den relativ zueinander drehbaren Strukturen von Raumfahrzeugen verwendet werden, beispielsweise zwischen in Drehung versetzten und gegen eine Drehung geschützten Strukturen von Satelliten und zwischen den Richtsystemachsen von Satelliten.

In der Praxis ist die im vorstehenden beschriebene elektrische Leiterbaugruppe aus getrennten Bauteilen aufgebaut,

die mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel, beispielsweise von Schrauben aneinander befestigt sind, um kreisringförmige Moduln 50 zu bilden, wie sie weiter unten beschrieben werden. Die Moduln 50 werden dann in die kreisringförmigen Räume in dem Gehäuse und dem Lagerzapfen eingesetzt und in diesen befestigt, um die gesamte Leiterbaugruppe herzustellen. Beispielsweise werden die konzentrischen Moduln mit Hilfe einer auf einen Teil 34 der Gehäusehalterung 11' aufgeschraubte Mutter 35 und durch geeignete ringförmige Halterelemente 29 festgehal- ■ ten. Die elektrische Leiterbaugruppe kann unter Verwendung der Kunststoffformungstechniken hergestellt werden, die in der oben genannten DE-OS beschrieben ist.

Wie dies weiter oben erläutert wurde, sind Löcher durch den Kardanrahmen 10 bebohrt, um Kanäle für die elektrischen Leitungen 46, 47 zu bilden, die sich zu elektrischen Bauteilen erstrecken, die von dem Kardanrahmen getragen werden, ähnliche Bohrungen sind in das Gehäuse 11 gebohrt, um den Durchgang von elektrischen Leitungen 45, 48 zu ermöglichen, die sich zu festen elektrischen Bauteilen erstrecken, die mit dem Gehäuse verbunden sind. Es ist aus Fig. 1 zu erkennen, daß insgesamt 16 getrennte Kreise durch die hier gezeigte Leiterbaugruppe betrieben werden können. Wenn jedoch eine äußerst hohe Zuverlässigkeit erwünscht ist, können die einzelnen Leitungen überkreuzt verbunden werden, so daß sich zwei Leiterrihg-Kreisring-Kontakte pro Kreis ergeben. Beispielsweise können die elektrischen Leitungen 47, 48 nach Fig. 2, die mit einem Satz von Leiterringen 32, 22 verbunden sind,.mit elektrischen Leitungen 46 bzw. 45 verbunden werden, die mit einem entsprechenden Satz von Leiterringen 33» 23

verbunden sind, um parallele oder redundante Leiterring-/ Kreisring-Kreise zwischen den Rotor- und Statorbauteilen zu schaffen. Diese redundante Schaltungsanordnung kann bei Raumfahrtanwendungen sehr vorteilhaft sein, weil in diesem Fall bei Ausfall eines fadenförmigen leitenden Kreisringes der andere Kreisring die elektrische Verbindung aufrechterhält. Alternativ können die Leiterringe 32, 33 für diesen Zweck als ein einstückiger Ring anstatt in Form von getrennten Ringen ausgebildet sein.

In Fig. 2 ist eine Endansicht der Leiterbaugruppe gezeigt, die die tüpische zufällige Verteilung der kreisförmigen fadenförmigen leitenden Kreisringe 44 in den kreisringförmigen radialen Spalten 36, und 37 zeigt. Wie dies in der genannten DE-OS beschrieben ist, weisen die elektrisch leitenden kontinuierlichen fadenförmigen Kreisringe 44, die in dem kreisringförmigen radialen Spalt 36 angeordnet sind, (zumindestens ein Kreisring pro Ringsatz) einen allgemein langgestreckten Querschnitt auf, so daß ihre Außenkantenoberflächen, die vorzugsweise eine abgerundete Abschrägung zu Vergrößerung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen können, die auf sie gerichteten konkaven Oberflächen der konzentrischen Ringe 22 und 32

eine

berühren und auf diesen abrollen, wobei sichidie Kreisringe in ihrer Lage festhalteide mechanische Kraft und eine elektrische Verbindung zwischen den Leitungen 48, 47 ergibt. In gleicher Weise rollt die Vielzahl von elastischen, elektrisch leitenden, kontinuierlichen fadenförmigen Kreisringe 44, die in dem kreisringförmigen radialen Spalt 37 angeordnet sind (zumindestens ein Kreisring 44 pro Ringsatz 23, 33) auf den konkaven Oberflächen der konzentrischen Ringe 23, 33 ab.

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Die wesentlichen Erwägungen, die die Auswahl der konstruktiven Parameter für die elastischen, fadenförmigen leitenden Kreisringe bestimmen, bestehen in der Verringerung des wirksamen Kontaktwiderstandes über eine vorgegebene Betriebslebensdauer an der Kreisring-Leiterring-Grenzfläche, in der Erzielung einer möglichst großen Selbsthalteeigenschaft der Kreisringe zwischen den Leiterringen bei Stoß- und Schwingungseinwirkungen ohne das Auftreten erheblicher Kupplungsdrehmomente, in der Erzielung einer möglichst großen Stromübertragungsfähigkeit der Kreisring-/Leiterring-Grenzflache, sowie in der Erzielung der größtmöglichen Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Baugruppe. Es ist aus Fig. 2 zu erkennen-, daß die Kreisringe 44 und die Leiterringe 22, 23, 32, und 33 alle innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet sind, so daß sie im Betrieb gegenüber benachbarten Einrichtungen geschützt sind und während der normalen Handhabung keiner zufälligen Berührung oder einem Herausdrücken aus den Leiterringen ausgesetzt sind.

In Fig, 3 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht des elektrischen Leitermoduls 50 dargestellt. In dem Modul 50 ißt eine typische Kreisring 44-/Leiterring 22-Grenzfläche sowie eine typische Kreisring 44-/Leiterring 32-Grenzflache dargestellt. Die aufeinandergerichteten konkaven Oberflächen der Leiterringe 22, 32 ergeben Selbsteinfang- und Haltekräfte für den zwischen ihnen leicht zusammengedrückten Kreisring 44, und die Tiefe der konkaven Oberfläche ist in Abhängigkeit von der Stärke der Stoß- und Schwingungseinflüsse ausgewählt, unter denen das Kreiselgerät betrieben werden soll, wie dies in der oben genannten DE-OS beschrieben ist. Weiterhin

erstrecken sich die isolierenden Abstandsstücke 10, die zwischen den benachbarten Ringen der Ringsätze 22, 32 angeordnet sind, über den radialen kreisringförmigen Spalt 36, so daß ein sehr kleiner Spalt, vorzugsweise in der Größenordnung von einigen tausendstel Zentimetern verbleibt. Die isolierenden Abstandsstücke 40 bilden einzelne kreisringförmige Umschließungen oder Kammern für jeden der leitenden Kreisringe 44 derart, daß bei der Abnutzung entstehender Abrieb andere Kreisringe nicht verschmutzten kann, wie dies weiter oben erläutert wurde. Es ist weiterhin zu erkennen, daß sich die Endkappen 41, 42 ebenfalls über den kreisringförmigen radialen Spalt 36 erstrecken und so geformt sind, daß sie labyrinth-artige Dichtungen 51 bilden, wie dies weiter oben erwähnt wurde. Die äußeren Labyrinthdichtungen 51 bilden kleine Spalte, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,025 cm, zwischen den Endkappen 41, 42, die Fremdkörper daran hindern, im Betrieb das Innere der Leiterbaugruppe zu verunreinigen, wobei sich die zusätzliche Funktion ergibt, daß die zusammengebauten Bestandteile der Moduln für einen Einbau in das Gehäuse zusammengehalten werden und die leitenden Kreisringe 44 vor und während des Zusammenbaus und des Einbaus gegen Schäden geschützt werden. Insbesondere bei Raumfahrtanwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, große Löcher in die Endkappen 41, 42 zu bohren, um eine Evakuierung zu erleichtern, wenn die Anordnung einem Unterdruck ausgesetzt wird und sich auf einer Umlaufbahn im Raum befindet, wo Verunreinigungen allgemein kein schwerwiegendes Problem darstellen.

Es ist verständlich, daß es bei manchen Anwendungen in

Abhängigkeit von dem Ausmaß der Umgebungseinflüsse ausreichend sein kann, die bogenförmigen Oberflächen der Leiterringe 22, 23 nur auf einem der Leiterringe auszubilden. Vorzugsweise sind die Leiterringe 22, 23 aus einer Kupferlegierung hergestellt und maschinell auf die gewünschte konkave Form bearbeitet, worauf Legierungen von Rhodium, Nickel und Gold oder andere geeignete Materialkombinationen aufeinanderfolgend auf dieser Oberfläche abgeschieden werden, um die fertigen konkaven Leiterringe zu bilden. Alternativ können in der in der genannten DE-OS beschriebenen Weise konkave· Nuten maschinell oder auf andere Weise auf den Oberflächen des Kunststoffgehäuses 11 und des Lagerzapfens 13 mit einem gewünschten Radius und einer gewünschten Tiefe ausgebildet werden, worauf diese Oberflächen in geeigneter Weise abgedeckt werden und eine Goldlegierung auf die Nuten oder konkaven Oberflächen mit der gewünschten Stärke abgeschieden wird. Die leitenden Kreisringe 44 sind ebenfalls galvanisch mit einer gutleitetenden Legierung überzogen, um die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften der Leiterbaugruppe zu verbessern.

Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wird das kreisringförmige Modul 50 dadurch aufgebaut, daß die Leiterringe 32, 22 und die isolierenden Abstandsstücke 40 aufeinanderfolgend auf Schrauben 24 innerhalb der Modulwände 53, 54 aufgestapelt werden. Das resultierende Modul wird in den kreisringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse 11 und dem Kardanrahmen 10 eingebaut, in dem es in der vorstehend beschriebenen Weise an seinem Platz befestigt wird. Beispielsweise sind Löcher in die unteren Flansche der Modulwände 53, 54 eingebohrt, um die Schrauben 24 aufzunehmen.

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Die Schrauben 24 sind mit Isolierhülsen 26' versehen und werden durch Muttern 26 befestigt. Ein erster Satz von isolierenden Abstandsstücken 40 und Leiterringen 22 und 32 wird dann auf die isolierten Schrauben 24 aufgelegt und der fadenförmige leitende Kreisring 44 wird dann zwischen den Ringen 22, 32 komprimiert. Die zweite Schicht von isolierenden Abstandsstücken 40 und Leiterringen 22, 23 wird dann auf die erste Schicht aufgelegt und ein Kreisring 44 zwischen diesen Ringen zusammengedrückt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Modul vollständig gefüllt ist. Die Endkappen 41, 42 werden dann über dem obersten Abstandsstück 40 aufgelegt. Daraufhin können die Befestigungsmuttern 26 auf die Schrauben 24 aufgeschraubt werden, um das Modul 50 zusammenzuhalten. Es ist zu erkennen, daß die Labyrinthdichtung die Einstückigkeit des Moduls während des Einbaus in das Gehäuse aufrechterhält.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Teil-Endansicht des elektrischen Leitermoduls 50. Der Umfang der Ringe 22, 32 ist weggeschnitten, um sich in Längsrichtung erstreckende Kanäle 52 zu bilden, die sich von den Endkappen 41, 42 und entlang der Innenflächen der Modulwände 53, 54 erstrecken, so daß Kanäle für Leitungen 47, 48 gebildet werden. Die Teile der äußeren Lagerzapfen-Leiterringe 32, die an die Modulwand 53 anstoßen, und die Teile der äußeren Gehäuse-Leiterringe 22, die an die Modulwand anstoßen, sowie die jeweils anliegenden Abstandsstücke 40 sind ausgeschnitten, so daß sich die Kanäle 52 vom Boden der Modulwände zu den Endkappen 41, 42 erstrecken. Die Leitungen 47 und 48 sind isolierte Drähte, die in Bohrungen eingelötet sind, die in die Leiterringe 32 bzw. 22 eingebohrt sind. Vorzugsweise werden die Leitungen

an die Leiterringe vor deren Zusammenbau zur Bildung des Moduls angelötet.

Es ist zu erkennen, daß das radial innere Modul mit den Leiterringen 23, 33> den zugehörigen Kreisringen und den entsprechenden Endkappen 41, 42 und den Modulwänden 53» 54 ähnlich dem ist, das für das radial äußere Modul 50 nach Fig. 3 beschrieben wurde.

In Fig. 5, in der gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 bis 4 bezeichnet sind, ist eine Teilschnittansicht einer elektrischen Leiterbaugruppe gezeigt, die eine abgeänderte Ausführungsform darstellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine noch größere Anzahl von Kreisen in der gleichen Axialrichtung vorgesehen. Es sind drei kreisringförmige Spalte 63, und 65 anstelle der zwei kreisringförmigen radialen Spalte gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis vorgesehen. Die Konstruktion der elektrischen Leiterbaugruppe mit den drei kreisringförmigen Spalten 63, 64, 65 ist ähnlich der Konstruktion der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4. Es ist zu erkennen, daß ein zusätzlicher Lagerzapfen-Zylinder 66 und zwei zusätzliche Sätze von Leiterringen 67, 68 und der zugehörigen Bauteile benötigt werden. Auf Grund der Verwendung der zusätzlichen Sätze von Leiterringen 67, 68 und der zugehörigen (nicht gezeigten) Kreisringe ergibt die Ausführungsform nach Fig. 5 im Vergleich mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 zusätzliche Stromphade durch die Leiterbaugruppe, wobei diese zusätzlichen Stromphade die zusätzlichen Leitungen 69, 79 nach Fig. 5 verbinden. Es ist zu erkennen, daß die radiale Ausdehnung der Leiterbaugruppen bis zu

irgendeiner praktischen gewünschten Grenze fortgesetzt werden kann.

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Claims (1)

1. Patentanwälte* Dipi.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

   D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

   Datum:

   Unser Zeichen: 17 157 - Fk/Vi

   Patentansprüche :

   .) Leiterbaugruppe zum Leiten elektrischer Energie einer Vielzahl von elektrischen Kreisen zwischen zwei relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbaren Bauteilen, dadurch gekennzeichnet,

   daß zumindestens ein erstes Paar von kreisförmigen koplanaren elektrisch leitenden Ringen (22, 32) vorgesehen ist, von denen einer auf einem der Bauteile und der andere an dem anderen Bauteil angeordnet ist, wobei die jeweiligen Durchmesser des ersten Paares von Ringen zwischen diesen Ringen einen ersten relativ großen Radialspalt (36) ergeben, daß zumindestens ein zweites Paar von kreisförmigen koplanaren, elektrisch leitenden Ringen (23> 33) vorgesehen ist, von denen einer an dem einen Bauteil und der andere an dem anderen Bauteil angeordnet ist, wobei die jeweiligen Durchmesser des zweiten.Paares von Ringen (23, 33) einen zweiten relativ großen Radialspalt (37) zwischen diesen Ringen ergeben, daß zumindestens ein elastischer, fadenförmiger leitender Kreisring (44) in jedem der ersten und zweiten radialen Spalte (36, 37) angeordnet ist und einen freien Durchmesser aufweist, der größer ist als die Breite des Spaltes, so daß die Kreisringe Druckkräfte auf die Ringe ausüben, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Paaren von Ringen zu ergeben, wobei die relativen Durchmesser der ersten und zweiten Paare von Ringen derart sind, daß sie auf einer im wesentlichen gemeinsamen Ebene senkrecht zur gemeinsamen Achse (14) angeordnet sind, so daß die Vielzahl von elektrischen Kreisen ohne eine wesentliche Vergrößerung der Länge

   der Leiterbaugruppe entlang der Achse (.14) unterbringbar ist.

   2. Leiterbaugruppe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß ein Ring jedes der Paare von Ringen elektrisch mit einem gemeinsamen elektrischen Kreis verbunden ist, der einem der Bauteile zugeordnet ist, während der andere Ring jedes Paares von Ringen elektrisch mit einem gemeinsamen elektrischen Kreis verbunden ist, der dem anderen Bauteil zugeordnet ist, so daß die leitenden Kreisringe (44) eine redundante elektrische Verbindung zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen (10, 11) ergeben.

   3. Leiterbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß zumindestens eine der aufeinander gerichteten Oberflächen jedes der Paare von Ringen eine relativ flache bogenförmig konkave Form aufweist und daß jeder der leitenden Kreisringe (44) eine im wesentlichen ebene Außenoberfläche aufweist, daß die mit Abstand angeordneten Außenkanten der im wesentlichen ebenen Außenoberfläche die konkaven Oberflächen entlang sich ändernder Kontaktlinien berühren, die von irgendwelchen begrenzten axialen, radialen und Wickelfehlausrichtungen der Ringe bei Relativbewegungen zwischen den Bauteilen (10, 11) hervorgerufen werden und daß die Druckkräfte zwischen den Kreisringen (44) und den konkaven Oberflächen Kraftkomponenten auf die Kreisringe (44) in derartigen Richtungen hervorrufen, daß die Kreisringe (44) in den konkaven Oberflächen gehalten werden.

   4. Leiterbaugruppe nach Anspruch 1, ? oder 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß die ersten und zweiten Paare von leitenden Ringen (22, 32, 23, 33) und die zugehörigen leitenden Kreisringe (44) eine Anordnung bilden, die lediglich eine einer Vielzahl von im wesentlichen identischen, aus Paaren von Ringen von zugehörigen Kreisringen bestehenden Anordnungen darstellt , daß die Vielzahl von Anordnungen sich hintereinander parallel zu der gemeinsamen Achse erstrecken und daß jede Anordnung weiterhin kreisringförmige Isoliereinrichtungen (40) zur elektrischen Isolation benachbarter Ringe voneinander einschließt.

   5. Leiterbaugruppe nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß sich jede der kreisringförmigen Isoliereinrichtungen (40) im wesentlichen in die kreisringförmigen Spalte (36, 37) erstreckt und einzelne Kammern für jeden der leitenden Kreisringe (44) bildet.

   6. Leiterbaugruppe zum Leiten der elektrischen Energie einer Vielzahl von elektrischen Kreisen zwischen zwei relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbaren Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, .

   daß jedes Bauteil (10,11) eine Vielzahl von kreisringförmigen , mit radialem Abstand angeordneten Wänden aufweist, die sich parallel zu der Achse (14) erstrecken, daß die Wände eine Vielzahl von mit radialem Abstand angeordneten konzentrischen Öffnungen zwischen sich ausbilden, daß jede der Öffnungen eine darin angeordnete Vielzahl von Paaren von kreisförmigen koplanaren elektrisch

   leitenden Ringen (22, 32, 23, 33) einschließt, daß ein Ring jedes Paares von einer der die Öffnung ausbildenden Wände gehaltert ist, während der andere Ring jedes Paares durch die gegenüberliegende, öffnungen ausbildende Wand gehaltert ist, daß die jeweiligen Durchmesser des Paares von Ringen einen relativ großen radialen Spalt. (36, 37) zwischen diesen Ringen ergeben, und daß zumindestens ein elastischer ,fadenförmiger, elektrisch leitender Kreisring (44) in dem Spalt angeordnet ist und einen freien Durchmesser aufweist, der größer als die Breite des Spaltes ist, so daß der Kreisring (44) Druckkräfte auf die Ringe ausübt, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Ringen zu erzielen.

   7. Rotierende Leiterbaugruppe zum Leiten elektrischer Energie zwischen zwei Bauteilen, die relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbar sind, dadurch gekennzeichnet,

   daß eine Vielzahl von konzentrischen, elektrisch leitenden Ringen (22, 32, 67) mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen ist, die an einem ersten der relativ zueinander drehbaren Bauteile (11) befestigt sind, daß eine Vielzahl von konzentrischen, elektrisch leitenden Ringen (32, 33, 68) mit unterschiedlichen Durchmessern an dem zweiten relatiy drehbaren Bauteil (10) befestigt und gegenüberliegend zu den konzentrischen leitenden Ringen angeordnet ist, die an dem ersten relativ drehbaren Bauteil befestigt sind, um eine Vielzahl von kreisringförmigen Radj-alspalten zwischen den konzentrischen leitenden Ringen, die an dem ersten drehbaren Bauteil befestigt sind, und den konzentrischen leitenden Ringen zu schaffen, die an dem zweiten drehbaren Bauteil befestigt sind, daß eine

   -if -

   Vielzahl von elastischen fadenförmigen elektrisch leitenden Kreisringen (44) in den kreisringförmigen radialen Spalten angeordnet ist, die durch die gegenüberliegenden konzentrischen leitenden Ringe und drehbaren Teile gebildet sind, daß die Kreisringe einen freien Durchmesser aufweisen, der größer ist, als die Breite der kreisringförmigen Spalte, in denen die Kreisringe angeordnet sind, und daß Einrichtungen zum Halten der Kreisringe (44) in den radialen Spalten vorgesehen sind, die durch die gegenüberliegenden konzentrischen leitenden Ringe und die drehbaren Teile (10, 11) gebildet sind, so daß die Kreisringe (44) elektrische Energie von den an dem ersten drehbaren Bauteil (11) befestigten leitenden Ringen an die leitenden Ringe übertragen, die an dem zweiten drehbaren Bauteil (10) befestigt sind

   Leiterbaugruppe nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die konzentrischen leitenden Ringe, die an dem ersten drehbaren Bauteil (11) befestigt sind, zumindestens zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und daß die konzentrischen leitenden Ringe, die an dem zweiten drehbaren Bauteil (10) befestigt sind, zumindestens zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so daß zwischen diesen zumindestens zwei kreisringförmige radiale Spalte (36, ,37) gebildet werden.

   Leiterbaugruppe nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die konzentrischen leitenden Ringe, die an dem ersten drehbaren Bauteil (11) befestigt sind, zumindestens drei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und daß die konzentrischen leitenden Ringe, die an dem zweiten drehbaren Bauteil (10) befestigt sind, zumindestens drei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so daß zumindestens drei kreisringförmige Spalte (63» 64, 65) zwischen diesen Ringen gebildet sind.

   10. Leiberbaugruppe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Haltereinrichtungen für die Kreisringe (44) eine Vielzahl von konkaven Oberflächen auf den leitenden Ringen und eine Vielzahl von Wänden einschließen, die sich senkrecht von zumindestens einem der drehbaren Bauteile erstrecken und eine kreisringförmige Umschließung zum Trennen der Kreisringe (44) bilden.

   11. Leiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Haltereinrichtungen weiterhin Endwandelemente (41, 42, 53, 54) mit dazwischen befindlichen Abständen einschließen, die eine labyrinth-artige Dichtung (51) bilden.