DE69414687T2

DE69414687T2 - Drehender elektrischer Schleifring mit Mehrdrahtbürsten

Info

Publication number: DE69414687T2
Application number: DE69414687T
Authority: DE
Inventors: Bernard F-78280 Guyancourt Blanchard
Original assignee: Air Precision SA
Current assignee: Everaxis Aerospace and Defence SAS
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: FR2715005B1; EP0662736B1; FR2715005A1; EP0662736A1; DE69414687D1

Description

Die Erfindung betrifft einen drehenden elektrischen Schleifring bzw. Kollektor mit einem oder mehreren Kollektorringen und wenigstens einer Mehrdrahtbürste mit gleitender seitlicher Abstützung auf jedem Kollektorring, um die Übertragung von einem oder mehreren elektrischen Signalen zwischen zwei Teilen zu ermöglichen, die einer Relativdrehbewegung ausgesetzt sein können.
Die elektrischen Schleifringe bzw. Kollektoren sind Vorrichtungen, die ermöglichen, ein oder mehrere elektrische Signale zwischen einem feststehenden Teil oder Stator und einem beweglichen Teil oder Rotor zu übertragen. Solche Vorrichtungen werden auf zahlreichen industriellen Gebieten benutzt, beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau, den Luft-, See- und Landtransporten, den Radaranlagen, etc..
Der Rotor eines drehenden elektrischen Kollektors umfaßt eine Anzahl elektrisch leitender Ringe, die der Anzahl der durch die Vorrichtung zu übertragenden elektrischen Signale entspricht. Diese elektrisch leitenden Ringe sind auf einer elektrisch isolierenden Achse angeordnet und voneinander getrennt durch ein elektrisch isolierendes Material.
Der Stator der drehenden elektrischen Kollektoren umfaßt generell jedem der elektrisch leitenden Ringe gegenüber wenigstens zwei Bürsten, von denen jede in den meisten Fällen durch einen einzigen Draht gebildet wird, der elektrisch leitend ist und permanent auf dem entsprechenden Ring reibt. In die elektrisch leitenden Ringe können Nuten eingearbeitet sein, um die Führung der Bürsten sicherzustellen.
Wenn die Bürsten der drehenden elektrischen Kollektoren Eindrahtbürsten sind, wie dies üblicherweise der Fall ist, führen die Vibrationen bzw. Schwingungen, die während des Betriebs unvermeidlich sind, zu zeitlichen Änderungen der Kontaktflächen zwischen den Bürsten und den Kollektorringen, die bis zu kurzen Kontaktverlusten gehen können. Diese Kontaktflächenänderungen und diese kurzen Kontaktverluste haben empfindliche Veränderungen des dynamischen elektrischen Widerstands in den Gleitkontaktzonen des Kollektors zur Folge.
Dies drückt sich zunächst durch das Auftreten von Geräuschen in den durch diese Kollektoren übertragenen elektrischen Signalen aus.
Dies drückt sich auch durch einen schnelleren Verschleiß der Bürsten aus, sowohl aus mechanischen Gründen als auch aufgrund der Erwärmung durch Stromwärme als Folge der Erhöhung des dynamischen elektrischen Widerstands durch die Kontaktverluste.
Diese Erscheinungen sind umso stärker, je höher die lineare Relativbewegungsgeschwindigkeit der Kollektorringe bezüglich der Kollektorbürsten ist.
Zusammengefaßt haben die drehenden elektrischen Kollektoren mit Eindrahtbürsten folglich die hauptsächlichen Nachteile, in die Signale, die sie übertragen, elektrische Geräusche einzuführen, eine manchmal ungenügende Lebensdauer zu haben und gewisse Begrenzungen aufzuweisen bei der linearen Relativgeschwindigkeit der Kollektorringe bezüglich der Bürsten.
Insbesondere das Dokument FR-A-2 469 813 erläutert, wie man einen drehenden elektrischen Kollektor mit Mehrdrahtbürsten bestückt. Noch genauer schlägt dieses Dokument vor, die Bürsten eines elektrischen Kollektors in Form eines Drahtbündels herzustellen, gebildet durch die Zusammenfassung einer großen Anzahl von Metalldrähten von sehr geringem Durchmesser (10 um bis 300 um).
Bei einer Anordnung dieser Art stellt sich aufgrund der großen Anzahl von Drähten und ihrem sehr kleinen Durchmesser schnell eine Abnützung ein, die zum Brechen von einigen Drähten führt. Es entsteht dann eine große Kurzschlußgefahr, was einen schwerwiegenden Nachteil darstellt, so daß diese Lösung in den meisten Fällen inakzeptabel ist.
Außerdem ist die Mehrzahl der eine Bürste bildenden Drähte des Bündels nicht in direktem Kontakt mit dem Kollektorring. Die Übertragung der elektrischen Signale bis zum Kollektorring erfolgt also von Draht zu Draht, was aufgrund der Kontaktwiderstandsänderung nicht befriedigt.
Das Dokument EP-A-54380 beschreibt einen drehenden elektrischen Kollektor, bestückt mit einer Mehrdrahtbürste, ebenfalls gebildet durch eine große Anzahl sehr dünner Metalldrähte, die tangential in einer rechteckigen, U- oder V-förmigen Nut eines Rings angebracht sind.
Die Erfindung hat genau einen drehenden elektrischen Kollektor zum Gegenstand, dessen Bürsten eine neuartige Konzeption aufweisen, die ermöglicht, die auf Vibrationen bzw. Schwingungen zurückzuführenden elektrischen Geräusche in bezug auf die Eindrahtbürsten wesentlich zu reduzieren, die dabei aber bezüglich Lebensdauer und möglichen Lineargeschwindigkeiten eine Verbesserung gegenüber den Eindrahtbürsten darstellen, ohne Kurzschlußgefahr aufgrund von brechenden Bürstendrähten, unabhängig vom Durchmesser der Kollektorringe, d.h. insbesondere geeignet für Kollektoren mit sehr kleinen Abmessungen, verwendet bei gyroskopische Anwendungen.
Erfindungsgemäß erzielt man dieses Resultat mittels eines drehenden elektrischen Kollektors mit Mehrdrahtbürsten, geeignet zwischen zwei Teilen angebracht zu werden, die eine Relativdrehbewegung ausführen, wobei dieser Kollektor wenigstens einen mit einer Ringnut versehenen Kollektorring umfaßt, hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material und getragen durch ein erstes der genannten Teile, und wenigstens eine Mehrdrahtbürste, hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material und derart durch das zweite Teil getragen, daß sie - sich mit einer bestimmten Abstützkraft seitlich abstützend - auf dem Kollektorring gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mehrdrahtbürste ein Bündel von zwei bis fünf derart in einer Ringnut des Kollektorrings nebeneinanderliegenden Bürstendrähten aufweist, daß jeder von ihnen simultan Kontakt hat mit dieser Nut.
Die Verwendung von Mehrdrahtbürsten mit einer begrenzten Anzahl von Drähten, die alle so angeordnet sind, daß sie in Kontakt sind mit der Ringnut des Kollektorrings, ermöglicht, die dynamischen Änderungen des elektrischen Widerstands an den Kontaktflächen wesentlich zu reduzieren, insbesondere durch eine Selbstdämpfung der Vibrationen bzw. Schwingungen. Daraus resultiert eine wesentliche Reduzierung der in dem Kollektor erzeugten elektrischen Geräusche und eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer und der Lineargeschwindigkeiten, die erreicht werden in bezug auf die Kollektoren mit Eindrahtbürsten.
Zudem ermöglicht die Begrenzung der Zahl der jede Bürste bildenden Drähte auf eine sehr kleine Anzahl, diesen Drähten ausreichend große Durchmesser zu verleihen, so daß jede Bruchgefahr, die zu inakzeptablen Kurzschlüssen in dem Kollektor führen könnte, vermieden wird.
Die Ausführungsform, die den optimalen Kompromiß bildet, entspricht dem Fall, wo jede Mehrdrahtbürste drei nebeneinanderliegende Bürstendrähte umfaßt.
Vorzugsweise umfaßt jede Mehrdrahtbürste zudem einen Sockel, gebildet durch eine Fassung für ein Ende des Bündels und einen Stift zur Einstellung der Abstützkraft, der die Fassung trägt und in einer Befestigungseinrichtung des zweiten Teils festgemacht werden kann.
Dieser Stift ist vorteilhafterweise ein gerader Stift, der gebogen wird, um einen Winkel zu bilden, der die Abstützkraft bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bürstendrähte in ein Grund- bzw. Sackloch der Fassung gelötet. Je nach Fall weist die Ringnut, in der jede Bürste aufgenommen wird, entweder einen V-förmigen Querschnitt oder einen U-förmigen Querschnitt auf.
Auf bekannte Weise befinden sich in jeder der Ringnuten vorzugsweise zwei Bürsten in entgegengesetzter Richtung, die sich seitlich gleitend abstützen.
Nun wird als nicht einschränkendes Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht mit einem partiellen Ausbruch, die einen erfindungsgemäß hergestellten, drehenden elektrischen Kollektor darstellt;
- die Fig. 2 ist eine Ansicht eines Querschnitts des Kollektors der Fig. 1, der durch die Achse von einer der Bürsten dieses Kollektors verläuft;
- die Fig. 3 ist ein Querschnitt entsprechend der Linie III-III der Fig. 2; und
- die Fig. 4 ist ein Querschnitt analog dem der Fig. 3, der eine Ausführungsvariante der Erfindung darstellt.
Dieser drehende elektrische Kollektor, schematisch dargestellt in Fig. 1, umfaßt einen Rotor 10 und einen Stator 12.
Der Rotor 10 umfaßt prinzipiell eine Achse 14, hergestellt aus einem elektrisch isolierenden Material, auf die die Kollektorringe 16 montiert sind, hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material. Diese Kollektorringe 16 sind durch elektrisch isolierende Ringe 18 voneinander getrennt. Die Anzahl der Ringe 16 und 18 ist beliebig und hängt im wesentlichen von der Anzahl der durch den Kollektor zu übertragenden Signale ab.
Elektrische Leiter 20 verlaufen im Innern der Achse 14, um jeden der Kollektorringe 16 mit Systemen zu verbinden, die elektrische Signale senden oder empfangen, die über die Kollektorringe laufen.
Die Achse 14 des Rotors 10 wird mittels zweier Kugellager 24 durch zwei Flansche 22 des Stators 12 getragen.
Der Stator 12 des drehenden elektrischen Kollektors umfaßt außerdem ein ringförmiges Teil 26, das die beiden Flansche 22 koaxial zur Achse 14 miteinander verbindet, um Kollektorringe 16 und Isolierringe 18 herum. Das ringförmige Teil 26 trägt eine Befestigungseinrichtung 27 aus einem elektrisch isolierenden Material, das leitende Lamellen trägt.
Diese Befestigungseinrichtung 27 trägt in einer Ebene, die radial jeden der Kollektorringe 16 schneidet, zwei Mehrdrahtbürsten 28, die so angeordnet sind, daß sie sich seitlich gleitend auf dem entsprechenden Kollektorring 16 abstützen, in entgegengesetzter Richtung. Noch genauer stützt sich jedes Bürstenpaar 28 in einer Führungsnut 30 des entsprechenden Kollektorrings 16 ab, wobei diese Nut 30 vorteilhafterweise einen V-förmigen (Fig. 3) oder U-förmigen (Fig. 4) Querschnitt aufweist. Die Befestigung der beiden Bürsten 28 eines Paars an der Befestigungseinrichtung 27 erfolgt an zwei benachbarten Stellen, so daß die Bürsten 28 symmetrisch angeordet sind in bezug auf die geometrische Achse der Achse 14.
Die individuelle Ausführung jeder Mehrdrahtbürste 28 wird nun mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben.
Erfindungsgemäß umfaßt jede der Mehrdrahtbürsten 28 ein Bündel aus n aneinander anliegenden Drähten, wobei n variieren kann zwischen 2 und 5 und vorteilhafterweise 3 beträgt, wie die Figuren zeigen. Die Drähte 32 sind alle identisch und aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, das mechanisch widerstandfähig ist und eine gute Elastizität aufweist. Dieses Material kann insbesondere durch eine metallische Legierung wie z.B. eine Legierung auf Goldbasis gebildet werden.
Der Durchmesser jedes Drahts 32 der Bürste 28 ist vorteilhafterweise enthalten zwischen 0,15 und 0,25 mm. Mit diesem Maß wird jedes Bruch- und folglich Kurzschlußrisiko im Innern des Kollektors vermieden, ohne daß deswegen der Platzbedarf der Bürste wesentlich zunimmt.
Jede der Mehrdrahtbürsten 28 umfaßt zudem einen Sockel 34, durch den die Drähte 32 an der Befestigungseinrichtung 27 des Stators festgemacht sind. Dieser Sockel 34 wird aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, z. B. aus Messing. Ein erstes Ende des aus den Drähten 32 gebildeten Bündels steckt in dem Grund- bzw. Sackloch einer röhrenförmigen Fassung 36, die einen Teil des Sockels 34 bildet. Der Sockel 34 umfaßt außerdem einen Stift 38, der den Drähten 32 entsprechend ausgerichtet ist, wenn diese letzteren in der Fassung 36 stecken.
Bei der Herstellung der Bürsten 28 werden die drei Drähte 32 jeder Bürste in das Grundloch der Fassung 36 gesteckt und dort festgelötet bzw. -geschweißt. Dieses Löten bzw. Schweißen kann elektrisch erfolgen. Die Drähte 32 sind dann geradlinig und mit dem Stift 38 ausgerichtet, wie mit vollen Strichen dargestellt in Fig. 2.
Wenn die Bürste 28 an der Befestigungseinrichtung 27 des Stators 12 befestigt wird, wird der Stift 38 in eine Bohrung 40 von bestimmter Tiefe eingeführt, die in einem elektrisch leitenden Kontakt vorgesehen ist, den die Befestigungseinrichtung 27 trägt. Die definitive Befestigung erfolgt durch eine mit 42 bezeichnete Lötung bzw. Schweißung.
Damit die Drähte 32 der Bürste 28 anschließend mit einer vorher festgelegten Kraft gegen die Nut 30 des entsprechenden Kollektorrings 16 pressen, wird der Stift 38 entsprechend einem bestimmten Winkel gebogen, in einer zu der geometrischen Achse der Achse 14 senkrechten Richtung, wie in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt. Dieser Winkel ist derart, daß - wenn der Rotor eingesetzt ist -, die Drähte 32 der Bürste 28 seitlich gleitend gegen die Nut 30 des entsprechenden Rings 16 pressen, wobei sich eine gewisse Durchbiegung nach außen einstellt, die die Anpreßkraft bestimmt.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wenn die Nut 30 einen V- förmigen Querschnitt aufweist, stützt sich einer der Drähte 32 der Bürste 28 im untersten Teil der Nut ab, während die beiden anderen Drähte 32 sich zugleich auf den Flanken der Nut und auf dem ersten Draht abstützen.
Die mit Hilfe einer Bürste dieser Art durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß die Vibrationen bzw. Schwingungen jedes Drahts 32 der Bürste durch die anderen Drähte selbst gedämpft werden, so daß die relativen Kontaktflächenänderungen zwischen den Bürsten und dem Kollektorringen wesentlich reduziert werden in bezug auf einen Kollektor mit einer Eindrahtbürste. Zudem, da sich jeder Draht 32 der Bürste in direktem Kontakt mit dem Kollektorring 16 befindet, sind die Kontaktflächen größer. Außerdem wird die Grundanpreßkraft reduziert und verteilt.
Diese Änderungen der Charakteristika haben zur Folge, daß die elektrischen Geräusche, der Kontaktwiderstand, die Erwärmung durch Stromwärme und der mechanische Verschleiß aufgrund der reduzierten und verteilten Grundanpreßkraft wesentlich abnehmen. Dies drückt sich konkret durch eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer in bezug auf drehende elektrische Kollektoren mit Eindrahtbürsten sowie durch die Möglichkeit aus, lineare Relativbewegungsgeschwindigkeiten zwischen den Bürsten und den Ringen zu erzielen, die wesentlich höher sind als bei Eindrahtbürsten.
Zudem werden diese Vorteile mit stark reduzierten Herstellungskosten erzielt, ohne die Gefahr, daß Kurzschlüsse infolge von Drahtbrüchen auftreten.
Bei der Ausführungsvariante der Fig. 4 wurde die V- förmige Nut ersetzt durch eine Nut mit U-förmigem Querschnitt. Diese Charakteristik ermöglicht insbesondere, die Verteilung der Anpreßkraft gegen die Nut aufzuteilen zwischen den Drähten 32 und dabei den Führungseffekt zu behalten, den diese Nut gewährleistet.
Obgleich der Einsatz von drei Drähten in jeder der Bürsten 28 den besten Kompromiß darstellt, kann man auch vorsehen - insbesondere im Falle einer Nut mit U-förmigem Querschnitt - nur zwei Drähte zu verwenden oder, im Gegenteil, vier bis fünf Drähte. In diesem letzteren Fall ist es jedoch wünschenswert, sicherzustellen, daß die. Befestigung der Drähte am Stator so ausgeführt wird, daß jeder der Drähte direkten Kontakt mit der in den Kollektorring 16 eingearbeiteten Nut 30 hat.

Claims

1. Drehender elektrischer Schleifring mit Mehrdrahtbürsten, geeignet zwischen zwei Teilen (10,12) angebracht zu werden, die eine Relativdrehbewegung ausführen, wobei dieser Schleifring wenigstens einen mit einer Ringnut (30) versehenen Kollektorring (16) umfaßt, hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material und getragen durch ein erstes der genannten Teile, und wenigstens eine Mehrdrahtbürste (28), hergestellt aus einem elektrisch leitenden Material und derart durch das zweite Teil (12) getragen, daß sie, sich mit einer bestimmten Abstützkraft seitlich abstützend, auf dem Kollektorring gleitet,

dadurch gekennzeichnet,

daß jede Mehrdrahtbürste (28) ein Bündel von zwei bis fünf derart in einer Ringnut (30) des Kollektorrings (16) nebeneinanderliegende Bürstendrähte (32) aufweist, daß jeder von ihnen simultan Kontakt hat mit dieser Nut.

2. Drehender elektrischer Schleifring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mehrdrahtbürste (28) drei nebeneinanderliegende Bürstendrähte (32) umfaßt.

3. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mehrdrahtbürste (28) zudem einen Sockel (34) umfaßt, gebildet durch eine Fassung (36) für das Ende des Bündels, und einen Stift (38) zur Einstellung der Abstützkraft, der die Fassung trägt und in einer Befestigungseinrichtung (27) des zweiten Teils (12) festgemacht werden kann.

4. Drehender elektrischer Schleifring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (38) ein gerader Stift ist, der umgebogen wird, um einen Winkel zu bilden, der die Abstützkraft bestimmt.

5. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstendrähte (32) in ein Grund- bzw. Sackloch der Fassung (36) gelötet sind.

6. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstendrähte (32) denselben runden Querschnitt aufweisen, mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 0,15 mm und ungefähr 0,25 mm.

7. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (30) einen U-förmigen Querschnitt aufweist.

8. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (30) einen V-förmigen Querschnitt aufweist.

9. Drehender elektrischer Schleifring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Ringnuten (30) zwei Bürsten (28), seitlich gleitend, sich entgegengesetzt abstützen.