EP0089625B1 - Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen - Google Patents

Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen Download PDF

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EP0089625B1
EP0089625B1 EP83102635A EP83102635A EP0089625B1 EP 0089625 B1 EP0089625 B1 EP 0089625B1 EP 83102635 A EP83102635 A EP 83102635A EP 83102635 A EP83102635 A EP 83102635A EP 0089625 B1 EP0089625 B1 EP 0089625B1
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EP
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housing
ball bearings
shaft
bearing bushes
axial
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EP83102635A
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Klaus Ing.-Grad. Barthelt
Kurt Dollhofer
Ludwig Rauh
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Schleifring und Apparatebau GmbH
Original Assignee
Schleifring und Apparatebau GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/643—Devices for uninterrupted current collection through ball or roller bearing

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting electrical currents between mutually rotatable parts.
  • slip ring transmitters are mostly used for this, i.e. Devices in which brushes, in particular carbon brushes, slide on annular slideways made of highly conductive material. These slip ring transmitters have the disadvantage that the brushes, which are made of soft material, are subject to high wear. In order to achieve low wear and thus a long service life even at high speeds, attempts have already been made to use radial ball bearings for power transmission. However, it was found that the internal clearance leads to brief interruptions, so that there is a high level of noise in the case of measuring currents and a disruptive spark formation which increases wear and tear.
  • DE-B No. 1152459 describes a device of the type mentioned at the outset with a plurality of current-transmitting axial ball bearings which are arranged one above the other in the axial direction in a housing coaxially with a component which can be rotated relative to the housing, in each case between the facing ones with electrical ones Feed lines connected bearing shells of two adjacent axial ball bearings are arranged in the axial direction insulating rings, and the contact pressure is caused by a spring element arranged at one end of the housing, which is common to all axial ball bearings, and in which the bearing shells and the balls consist of electrically conductive material.
  • this known device does not yet eliminate all the disadvantages of the devices with radial ball bearings, since the mounting of the parts which can be rotated relative to one another is not separated from the parts used for power transmission, which means that external loads have an influence on the power transmission.
  • US-A No. 2523081 describes a device for transmitting electrical currents between mutually rotatable parts, in which the current is transmitted via so-called inclined shoulder ball bearings, which have similar disadvantages to the radial ball bearings mentioned above, in that the ball rests only at one point . Furthermore, this device has the disadvantage that a separate spring is required for each bearing in order to generate the necessary contact pressure.
  • US-A No. 1821132 describes a rotary connection for electrical cables, in which an axial ball bearing is also used, the bearing surface of which has a V-shaped recess. However, due to its construction, this device is not suitable for the transmission of multiple current paths.
  • the invention had for its object to improve a device for transmitting electrical currents between mutually rotatable parts of the type described in the first place and in the preamble of claim 1 so that the quality of the power transmission is independent of external loads, and a trouble-free power transmission of several transmission paths is achieved in the smallest of spaces with the lowest losses. Furthermore, the device should be constructed in such a way that manufacturing and assembly tolerances effective in the axial and radial directions have no influence on the current transmission.
  • the component which can be rotated against the housing is designed as a housing arranged in the housing, which is mounted in the housing via all radial ball bearings which absorb forces between the housing and the shaft, and the insulating rings are arranged in such a way that they alternate with each other an insulating ring inserted into the housing and connected to it in a rotationally fixed manner is followed by an insulating ring which is pushed onto the shaft and connected to it in a rotationally fixed manner, and the bearing shells which have a V-shaped recess and the balls consist of a silver alloy and are coated with material consisting of nitrides or containing nitrides are and the bearing pressure of the axial ball bearing is adjustable.
  • two rotating bearing shells and two fixed bearing shells are mechanically connected to one another via an insulating ring due to the special arrangement of the insulating rings.
  • This arrangement allows almost unlimited transmission paths to be attached.
  • the insulating rings in the housing which is displaceable in the axial direction, a quasi-flying construction is achieved, with the result that effective manufacturing and assembly tolerances in the axial and radial directions are negligible.
  • the exact setting of the contact pressure enables an intervention in the service life of the rotating parts.
  • the type of structure also does not require fixed flanges, but only a supporting edge and, since only small forces occur in the tangential direction, only simple drivers.
  • the bearing shells which are provided with a V-shaped recess in a manner known per se, ensure that each ball rests at two defined points in the ring, thereby ensuring improved contact transmission.
  • Elastizi module Three material properties were important for the selection of the material from which the bearing shells and balls should be made, namely Elastizi module, surface hardness and conductivity.
  • Materials with high conductivity, i.e. low specific resistance, are generally soft and plastically deformable, while materials with a high modulus of elasticity and high hardness, on the other hand, usually have a high specific resistance.
  • silver alloys are particularly suitable because they combine a high modulus of elasticity and a relatively high surface hardness with a relatively high conductivity.
  • Alloys of silver with copper or beryllium or with both metals are particularly suitable. For example, a material combination of work hardened 835 silver with silver balls hardened with 3% copper has proven to be advantageous.
  • the shaft 10 is rotatably supported in a housing 12 by means of the radial ball bearings 19, 20.
  • the ball bearings 19, 20 can be any known ball bearings that absorb all the forces that occur between the housing 12 and the shaft 10.
  • a second housing 15 is inserted into the housing 12 and fastened by means of a flange.
  • the insulating rings 3 are used, which support the bearing shells 1 b of axial bearings. Insulating rings 2, which carry the other bearing shells 1 of the axial bearings, are also pushed onto the shaft 10. With this arrangement, the insulating rings 3 are connected to the housing 15 in a rotationally fixed manner and the insulating rings 2 are connected to the shaft 10 in a rotationally fixed manner.
  • the ball bearing balls 25 are located between these bearing shells 1a, 1b.
  • a part of the axial bearing is shown in FIG. 2, wherein it can be seen that the bearing shells 1 a and 1 b have V-shaped recesses 24.
  • the bearing shells 1 b connected to the housing 15 are connected to the electrical feed lines 8 and the bearing shells 1 a connected to the shaft 10 are connected to the feed lines 9.
  • six axial bearings are used which are separated from one another by the insulating rings 2, 3, six currents can be transmitted independently of one another.
  • the insulating rings 3 and 2 are inserted alternately into the housing 15. This structure allows an almost unlimited number of transmission paths to be provided by lining up a large number of axial bearings.
  • ball holders 27 can be provided in a manner known per se, which, however, in contrast to the conventional ball holders, do not consist of metal but of plastic. With these ball holders, the balls 25 can be kept at a distance without wear. This makes it possible to accommodate several balls, which means that the current to be transmitted can be increased in a small size. Due to the difference in the circumferential speeds of the inner and outer track on the V-shaped recesses, the contact surfaces between the balls and the bearing shells are self-cleaning, while contaminants that would impair contact are deposited in the valley bottom of the V-shaped recesses, which does not serve as a contact surface can.

Landscapes

  • Support Of The Bearing (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen.
  • Bei Maschinen verschiedenster Art müssen oftmals elektrische Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen übertragen werden. Meist werden dazu Schleifringübertrager verwendet, d.h. Vorrichtungen, bei denen auf ringförmigen Schleifbahnen aus gut leitendem Material Bürsten, insbesondere Kohlebürsten, gleiten. Diese Schleifringübertrager haben den Nachteil, dass an den Bürsten, die aus weichem Material bestehen, ein hoher Verschleiss auftritt. Um auch bei hoher Drehzahl geringen Verschleiss und damit eine lange Lebensdauer zu erreichen, wurde bereits versucht, zur Stromübertragung Radialkugellager zu verwenden. Dabei ergab sich jedoch, dass die Lagerluft kurzzeitige Unterbrechungen zur Folge hat, so dass bei Messströmen ein hohes Rauschen und bei stärkeren Strömen eine störende und den Verschleiss erhöhende Funkenbildung entsteht.
  • In der DE-B Nr. 1152459 ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art beschrieben mit mehreren, stromübertragenden Axialkugellagern, die in axialer Richtung übereinander in einem Gehäuse koaxial zu einem gegenüber dem Gehäuse verdrehbaren Bauteil angeordnet sind, wobei jeweils zwischen den einander zugewandten, mit elektrischen Zuleitungen verbundenen Lagerschalen zweier benachbarter Axialkuggellager in axialer Richtung verschiebbare Isolierringe angeordnet sind, und der Kontaktdruck durch ein an einem Ende des Gehäuses angeordnetes, für alle Axialkugellager gemeinsam wirksames Federelement bewirkt wird, und bei der die Lagerschalen sowie die Kugeln aus elektrisch leitendem Material bestehen.
  • Diese bekannte Vorrichtung beseitigt infolge ihrer Konstruktion noch nicht alle Nachteile der Vorrichtungen mit Radialkugellagern, da die Lagerung der gegeneinander verdrehbaren Teile nicht von den der Stromübertragung dienenden Teilen getrennt ist, was dazu führt, dass äussere Belastungen Einflüsse auf die Stromübertragung haben.
  • In der US-A Nr. 2523081 ist eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen beschrieben, bei der die Stromübertragung über sogenannte Schrägschulterkugellager erfolgt, die ähnliche Nachteile aufweisen, wie die oben erwähnten Radialkugellager, indem die Kugel jeweils nur an einem Punkt aufliegt. Weiterhin hat diese Vorrichtung den Nachteil, dass für jedes Lager eine eigene Feder benötigt wird, um den notwendigen Kontaktdruck zu erzeugen.
  • In der US-A Nr. 1821132 ist eine Drehverbindung für elektrische Kabel beschrieben, bei der ebenfalls ein Axialkugellagerverwendetwird, dessen Lagerfläche einen V-förmigen Einstich aufweist. Diese Vorrichtung ist aber infolge ihrer Konstruktion nicht zur Übertragung mehrerer Stromwege geeignet.
  • Bei einer in FR-A Nr. 2166986 beschriebenen Vorrichtung zur Übertragung von elektrischem Strom zwischen sich gegeneinander drehenden Teilen werden ebenfalls Axialkugellager verwendet, deren Kontaktdruck durch magnetische Kräfte erzeugt wird. Auch diese bekannte Vorrichtung ist nicht zur Übertragung mehrerer Stromwege auf kleinem Raum geeignet.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen der an erster Stelle und im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Bauart so zu verbessern, dass die Qualität der Stromübertragung von äusseren Belastungen unabhängig wird, und eine störungsfreie Stromübertragung mehrerer Übertragungswege auf engstem Raum bei geringsten Verlusten erreicht wird. Weiterhin sollte die Vorrichtung so aufgebaut sein, dass in axialer und radialer Richtung wirksame Fertigungs- und Montagetoleranzen keinen Einfluss auf die Stromübertragung haben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass das gegen das Gehäuse verdrehbare Bauteil als im Gehäuse angeordnete WeHeausgebiidet ist, die im Gehäuse über alle zwischen Gehäuse und Welle auftretenden K;äfte aufnehmende Radialkugellager gelagert ist und die Isolierringe derart angeordnet sind, dass abwechselnd jeweils auf einen in das Gehäuse eingesetzten und mit ihm drehfest verbundenen lsolierring ein auf die Welle aufgeschobene und mit dieser drehfest verbundener Isolierring folgt, und die einen V-förmigen Einstich aufweisenden Lagerschalen sowie die Kugeln aus einer Silberlegierung bestehen und mit aus Nitriden bestehendem oder Nitride enthaltendem Material beschichtet sind und der Lagerdruck der Axialkugellager einstellbar ist.
  • Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung sind infolge der besonderen Anordnung der Isolierringe jeweils zwei rotierende Lagerschalen und zwei feststehende Lagerschalen über einen Isolierring mechanisch miteinander verbunden. Diese Anordnung erlaubt das Anbringen nahezu unbegrenzt vieler Übertragungswege. Durch das in axialer Richtung verschiebbare Einsetzen der Isolierringe in das Gehäuse wird ein quasi fliegender Aufbau erreicht, was zur Folge hat, dass in axialer und radialer Richtung wirksame Fertigungs- und Montagetoleranzen vernachlässigbar sind. Die exakte Einstellmöglichkeit des Kontaktdruckes ermöglicht einen Eingriff in die Lebensdauer der rotierenden Teile. Die Art des Aufbaues benötigt auch keine festen Flansche, sondern nur eine stützende Kante und, da in tangentialer Richtung nur geringe Kräfte auftreten, nur einfache Mitnehmer. Durch die in an sich bekannter Weise mit einem V-förmigen Einstich versehenen Lagerschalen wird erreicht, dass jede Kugel an zwei definierten Punkten im Ring aufliegt und dadurch eine verbesserte Kontaktübertragung gewährleistet ist.
  • Für die Auswahl des Materials, aus dem Lagerschalen und Kugeln bestehen sollen, waren drei Materialeigenschaften wichtig, nämlich Elastizitätsmodul, Oberflächenhärte und Leitfähigkeit. Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit, also geringem spezifischen Widerstand, sind in der Regel weich und plastisch verformbar, während umgekehrt Werkstoffe mit hohem Elastizitätsmodul und grosser Härte meist einen hohen spezifischen Widerstand besitzen. Es musste also nach einem Kompromiss gesucht werden, und es ergab sich, dass Silberlegierungen besonders geeignet sind, da sie mit einer relativ hohen Leitfähigkeit ein grosses Elastizitätsmodul und verhältnismässig grosse Oberflächenhärte verbindet. Insbesondere geeignet sind Legierungen des Silbers mit Kupfer oder Beryllium oder mit beiden Metallen. Als vorteilhaft hat sich zum Beispiel eine Materialpaarung von kaltverfestigtem 835-Silber mit Silberkugeln, die mit 3% Kupfer gehärtet sind, erwiesen.
  • Weiterhin wurde eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit, verbunden mit verhältnismässig grosser Oberflächenhärte, dadurch erzielt, dass die Lagerschalen und die Kugeln mit aus Nitriden bestehendem oder Nitride enthaltendem Material beschichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Kontaktierung, insbesondere bei steigender Drehzahl durch Fliehkräfte, welche auf die Kugel wirken.
  • Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn in jedem Axialkugellager ein aus Kunststoff - material bestehender Kugelhalter zur Halterung mehrerer Kugeln in festgelegten Abständen angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, in jedem Axiallager mehrere Kugeln unterzubringen, die verschleissfrei auf Abstand gehalten werden, wodurch der zu übertragende Strom bei geringer Baugrösse erhöht werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Stromübertragungsvorrichtung nach der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
    • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung,
    • Fig. 2 zeigt im vergrösserten Massstab die Axiallager.
  • In einem Gehäuse 12 ist die Welle 10 mittels der Radial-Kugellager 19, 20 drehbar gelagert. Die Kugellager 19, 20 können beliebige bekannte Kugellager sein, die alle zwischen dem Gehäuse 12 und der Welle 10 auftretenden Kräfte aufnehmen. In das Gehäuse 12 ist ein zweites Gehäuse 15 eingesetzt und mittels eines Flansches befestigt. In dieses Gebäude sind die Isolierringe 3 eingesetzt, die die Lagerschalen 1 b von Axiallagern tragen. Auf die Welle 10 sind ebenfalls Isolierringe 2 aufgeschoben, die die anderen Lagerschalen 1 der Axiallagertragen. Durch diese Anordnung sind die Isolierringe 3 drehfest mit dem Gehäuse 15 und die Isolierringe 2 drehfest mit der Welle 10 verbunden. Zwischen diesen Lagerschalen 1a, 1b befinden sich die Kugellager-Kugeln 25. In Fig. 2 ist ein Teil der Axiallager dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass die Lagerschalen 1 a und 1 b V-förmige Einstiche 24 aufweisen. Die mit dem Gehäuse 15 verbundenen Lagerschalen 1 b sind mit den elektrischen Zuleitungen 8 und die mit der Welle 10 verbundenen Lagerschalen 1 a mit den Zuleitungen 9 verbunden. Werden, wie in Fig. dargestellt, sechs Axiallager verwendet, die voneinander durch die Isolierringe 2, 3 getrennt sind, so können sechs Ströme unabhängig voneinander übertragen werden. Wie aus Fig. ersichtlich, sind die lsolierringe 3 und 2 abwechselnd in das Gehäuse 15 eingesetzt. Dieser Aufbau erlaubtes, durch Aneinanderreihen einer grossen Anzal von Axiallagern eine beinahe unbegrenzte Anzahl von Übertragungswegen vorzusehen. Wichtig für eine gute Übertragung, d.h. für gleichmässige Kontakte, die bei Messströmen kein Rauschen und bei starken Strömen keine Funkenbildung verursachen, ist ein gleichmässiger Lagerdruck, der nicht zu gering sein darf, damit guter Kontakt gewährleistet ist, aber auch nicht zu hoch sein darf, damit die Lagerschalen und Kugeln nicht deformiert oder abgenutzt werden, wodurch die Kontaktgabe wieder mit der Zeit verschlechtert würde. Dieser gleichmässige Lagerdruck wird dadurch gewährleistet, dass an einem Ende Tellerfedern 22 vorgesehen sind, deren Druck durch die Scheibe 6 auf die zusammen mit den Isolierringen 2, 3 in axialer Richtung verschiebbaren Axiallager übertragen wird, auf die aber sonst keine Kräfte einwirken. Durch die Isolierringe 2, 3 und durch zusätzliche Isolierscheiben 4 sind die Axiallager gegen die übrigen Metallteile der Vorrichtung elektrisch isoliert. Eine Mutter 26 dient zur Einstellung des Druckes, den die Federn 22 auf die Axiallager ausüben.
  • Zur Erleichterung des Zusammenbaues und zur Gewährleistung eines ruhigen Laufen können in an sich bekannter Weise Kugelhalter 27 vorgesehen sein, die jedoch zum Unterschied von den üblichen Kugelhaltern nicht aus Metall, sondern aus Kunststoff bestehen. Durch diese Kugelhalter können die Kugeln 25 verschleissfrei auf Abstand gehalten werden. Es ist dadurch möglich, mehrere Kugeln unterzubringen, wodurch der zu übertragende Strom bei geringer Baugrösse erhöht werden kann. Durch die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten von innerer und äusserer Laufspur an den V-förmigen Einstichen tritt eine Selbstreinigung der Berührungsflächen zwischen Kugeln und Lagerschalen auf, während sich Verunreinigungen, die die Kontakgabe beeinträchtigen würden, in der nicht als Kontaktfläche dienenden Talsole der V-förmigen Einstiche ablagern können.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen mit mehreren stromübertragenden Axialkugellagern (1 a-1 b), die inaxialer Richtung übereinander in einem Gehäuse (15) koaxial zu einem gegenüber dem Gehäuse verdrehbaren Bauteil (10) angeordnet sind, wobei jeweils zwischen den einander zugewandten, mit elektrischen Zuleitungen verbundenen Lagerschalen (1 a-1 a, 1 b-1 b) zweier benachbarter Kugellager in axialer Richtung verschiebbare Isolierringe (2, 3) angeordnet sind, und der Kontaktdruck durch ein an einem Ende des Gehäuses (15) angeordnetes, für alle Axialkugellager gemeinsam wirksames Federelement (22) bewirkt wird und bei der die Lagerschalen (1 a, 1 b) sowie die Kugeln (25) aus elektrisch leitendem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass das gegen das Gehäuse (15) verdrehbare Bauteil als im Gehäuse angeordnete Welle (10) ausgebildet ist, die im Gehäuse (15) über alle zwischen Gehäuse und Welle auftretenden Kräfte aufnehmende Radialkugellager (19, 20) gelagert ist und die Isolierringe (3, 2) derart angeordnet sind, dass abwechselnd jeweils auf einen in das Gehäuse (15) eingesetzten und mit ihm drehfest verbundenen Isolierring (3) ein auf die Welle (10) aufgeschobener und mit dieser drehfest verbundener Isolierring folgt, und die einen V-förmigen Einstich (24) aufweisenden Lagerschalen (1a, 1 b) sowie die Kugeln (25) aus einer Silberlegierung bestehen und mit aus Nitriden bestehendem oder Nitride enthaltendem Material beschichtet sind, und der Lagerdruck der Axialkugellager (1 a, 1 b) einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Axialkugellager ein aus Kunststoffmaterial bestehender Kugelhalter (27) zur Halterung mehrerer Kugeln (25) in festgelegten Abständen angeordnet ist.
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