EP0911918B1 - Anordnung zur Übertragung mittelfrequenter Ströme mit einem Schleifringübertrager - Google Patents

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EP0911918B1
EP0911918B1 EP19980119973 EP98119973A EP0911918B1 EP 0911918 B1 EP0911918 B1 EP 0911918B1 EP 19980119973 EP19980119973 EP 19980119973 EP 98119973 A EP98119973 A EP 98119973A EP 0911918 B1 EP0911918 B1 EP 0911918B1
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slip ring
metal foils
transmission
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ring transmitter
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Klaus Barthelt
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Stemmann Technik GmbH
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Stemmann Technik GmbH
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    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/08—Slip-rings
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    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/08—Slip-rings
    • H01R39/10—Slip-rings other than with external cylindrical contact surface, e.g. flat slip-rings

Definitions

  • the "pipe” mentioned above is to be understood as a physical model. In fact, solid profiles and wires are used in practice, their inner core hardly contributes to power transmission. The core of the leader Basically only brings dead weight and is physically / technically Power transmission is not efficient.
  • DE 25 29 519 discloses an air-cooled slip ring, which consists of individual assembles annular disks spaced from each other, in which passages aligned with one another are contained, the axial form extending cooling channels starting from at least one end face.
  • the circular washers consist of two or more ring sectors, that partially overlap at their edges. By these overlaps are stiffened by the slip ring. It also results by overlapping the edge parts of the ring sectors a shift of the Contact points between the brush and slip ring in the axial direction and thus an equalization of brush wear.
  • a slip ring is also disclosed in the scope of US 3,871,727 which in a larger number of holes a variety of steel wires are embedded, which with their free ends to the outer surface of the Slip rings are guided.
  • the holes are in disks, in particular made of an aluminum alloy. These disks are in a plastic, especially polyurethane, and are embedded by screwing with the two-part shaft of the slip ring connected.
  • the invention is based on the knowledge that printed circuit board technology for the development of slideways and pantographs also at Slip ring transformers appear suitable. Hence the innovative core the invention in mechanically sandwiching several thin metal foils stable fixation and electrical connection.
  • a "pipe” can be described in the physical model in the longitudinal direction cut into several segment strips, so to speak, and these are then stacked on top of each other. Located between the segment strips each have an insulating layer.
  • the uniform and safe electrical through-plating of the metal foils with each other and to a connection contact is realized that a hole is drilled vertically through the foil package and the Wall of the hole is copper-plated.
  • the holes used must be used because of the homogeneous power distribution with very small diameters become.
  • the length of the hole, depending on the number of Metal foils, is relatively large.
  • the ratio diameter / length is approx. 1: 8 to 1:10.
  • a slip ring transmitter consists of a rotating and a standing In order to guarantee the principle of operation, both parts are the same designed. The comes with the rotating counter-rotating partner of the grinding track Attachment of the contact elements. Care must be taken here that the current flowing in the metal foils in these contact elements must be concentrated in order to achieve an acceptable level of efficiency To ensure power transmission.
  • a known slip ring transformer for 150 A at 600 VAC 50 Hz currently fits in a hat box.
  • the same slip ring transformer for one current of 150 A and 16 kHz is about the size of a truck wheel.
  • the invention is now the 16 kHz slip ring transmitter of truck wheel size to bring to hat box size. To achieve this goal, the new technological measures described above.
  • a becomes a physical model shown tube 1 cut in the longitudinal direction into several segment strips 2, in the exemplary embodiment six segment strips 2. These are then stacked one on top of the other ( Figure 2).
  • Diameters are introduced.
  • the length of the hole, depending on the number of metal foils 4 is relatively large.
  • the relationship Diameter / length is approx. 1: 8 to 1:10.
  • the insulating layers 5 are formed by a hard glass fabric, which at the same time the stability of both the rotating parts 9 and the standing part 10 guaranteed.
  • the axis of rotation of the slip ring transmitter 8 is designated by 12.
  • the standing part 10 is on the radially outer circumference with a guide ring 13 provided.
  • the guide ring 13 is only schematically through center lines 14 illustrated screws connected to the standing part 10.
  • a guide groove 15 is formed in the guide ring 13, into which the radially outer circumferential region 16 of the rotating part 9 slidably intervenes.

Landscapes

  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Description

In der Industrie werden heute in steigendem Maße mittelfrequente Ströme eingesetzt, um induktive Kopplungen zu verbessern. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise Schweißtransformatoren an Robotern, alle frequenzgeregelten Motore, Sende- und Empfangsanlagen für Mobiltelefone, Rundfunk und Fernsehen sowie die Datenübertragungstechnik usw. typische Anwendungsfälle für induktive Ankopplungen.
Die Praxis hat gezeigt, dass bei steigender Frequenz des Induktionsstroms die Effizienz bei den vorstehend genannten Anwendungsbeispielen unproportional ansteigt. So nimmt z.B. ein Transformator bei Verdoppelung der Frequenz mit ca. Faktor 4 in Gewicht und Volumen ab. Als störender Einfluss bei der Übertragung mittelfrequenter Induktionsströme tritt jedoch der physikalische Effekt auf, dass der Stromfluss mit steigender Frequenz an die Randzone eines elektrischen Leiters gedrängt wird. Daraus resultiert, dass bei hohen Frequenzen nur noch die äußere Schicht bzw. Randzone bei einem Leiter genutzt werden kann.
Für den zukünftigen erfolgreichen Einsatz von Schleifringübertragungssystemen erlangt die Übertragung mittelfrequenter Ströme eine immer größere Bedeutung. Der Nachteil der heutigen Technik ist jedoch, dass der Einsatz mittelfrequenter Ströme bei Schleifringübertragungssystemen nur mit sehr großen geometrischen Abmessungen möglich ist. Solche Abmessungen sind deshalb notwendig, weil genügend Randzone des Leiters für die Übertragung bereit zu stellen ist.
Wenn folglich bei 50 Hz-Strömen theoretisch ein runder Vollstab als Leiter verwendet werden kann, um den nötigen Strom zu übertragen, kann bei mittelfrequenten Strömen, ca. 30 kHz, nur ein "Rohr" als äquivalente Leiterquerschnittsfläche eingesetzt werden. Je höher also die Frequenz, desto dünnwandiger ist das "Rohr". Um gleiche Ströme übertragen zu können, muss jedoch der Leiterquerschnitt erhalten bleiben, was zur Folge hat, dass ein "Rohr" im Durchmesser größer werden muss, um genügend Randzone als Leiter zur Verfügung zu stellen.
Das vorstehend erwähnte "Rohr" ist als physikalisches Modell zu verstehen. Tatsächlich werden in der Praxis Vollprofile und Drähte verwendet, deren innerer Kern zur Stromübertragung aber kaum beiträgt. Der Kern des Leiters bringt somit im Grunde nur totes Gewicht und ist physikalisch/technisch zur Stromübertragung nicht effizient.
Diese Problematik ist für fest verlegte Leitungen in Form von Hohlleitern bzw. Kupferrohren gelöst. Für die Anwendung in endlos drehbaren Stromübertragungssystemen, nämlich der Schleifringübertrager, führt der beschriebene physikalische Effekt zu mechanisch sehr großen und schweren Geräten. Diese Geräte würden in dieser Form am Markt nicht akzeptiert werden. Ferner ist das heute bei Schleifringübertragern eingesetzte Wirkprinzip der Schleifkohlen bei hohen Frequenzen praktisch nicht verwendbar, da die gesinterten Werkstoffe die geforderten Stromdichten in den Randzonen nicht zulassen und somit eine Selbstzerstörung herbeiführen würden.
DE 25 29 519 offenbart einen luftgekühlten Schleifring, der sich aus einzelnen im Abstand zueinander angeordneten Kreisringscheiben zusammensetzt, in denen miteinander fluchtende Durchlässe enthalten sind, die axial verlaufende, von mindestens einer Stirnseite ausgehende Kühlkanäle bilden. Die Kreisringscheiben setzen sich aus zwei oder mehreren Ringsektoren zusammen, die sich an ihren Rändern jeweils teilweise überlappen. Durch diese Überlappungen wird der Schleifring versteift. Außerdem ergibt sich durch das Überlappen der Randteile der Ringsektoren eine Verlagerung der Kontaktpunkte zwischen Bürste und Schleifring in axialer Richtung und somit eine Vergleichmäßigung der Bürstenabnutzung.
Im Umfang der US 3,871,727 wird ebenfalls ein Schleifring offenbart, bei welchem in eine größere Anzahl von Löchern eine Vielzahl von Stahldrähten eingebettet sind, welche mit ihren freien Enden zur äußeren Oberfläche des Schleifrings geführt sind. Die Löcher befinden sich in Scheiben, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung. Diese Scheiben sind in einen Kunststoff, insbesondere Polyurethan, eingebettet und werden durch Schrauben mit der zweiteiligen Welle des Schleifrings verbunden.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schleifringübertrager zur Übertragung mittelfrequenter Ströme zu schaffen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Leiterplattentechnologie für die Entwicklung von Schleifbahnen und Stromabnehmern auch bei Schleifringübertragern geeignet erscheint. Folglich liegt der innovative Kern der Erfindung darin, mehrere dünne Metallfolien in Sandwichzuordnung mechanisch stabil zu fixieren und elektrisch zu verbinden.
Danach wird ein im physikalischen Modell beschreibbares "Rohr" in Längsrichtung in mehrere Segmentstreifen sozusagen aufgeschnitten und diese werden dann übereinander gestapelt. Zwischen den Segmentstreifen befindet sich jeweils eine Isolierschicht.
In der praktischen Ausführungsform werden mehrere dünne Metallfolien unter Eingliederung von Isolierlagen zu einem Folienstapel geschichtet. Mehrfach in Längsrichtung des Folienstapels gleichmäßig verteilte Durchkontaktierungen gewährleisten eine homogene Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten Metallfolien bleibt als Leiterquerschnitt nur die gewünschte Randzone, wodurch das Bauvolumen um weit mehr als die Hälfte reduziert wird.
Die gleichmäßige und sichere elektrische Durchkontaktierung der Metallfolien untereinander und zu einem Anschlusskontakt wird dadurch verwirklicht werden, dass ein Loch senkrecht durch das Folienpaket gebohrt und die Wand des Lochs verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei wegen der homogenen Stromverteilung mit sehr kleinen Durchmessern eingebracht werden. Die Länge der Bohrung, abhängig von der Anzahl der Metallfolien, ist verhältnismäßig groß. Das Verhältnis Durchmesser/Länge beträgt ca. 1:8 bis 1:10.
Durch geeignete Anordnung der Metallfolien und durch das Einbringen von geerdeten elektrischen Schirmflächen kann das gesamte System nach außen elektromagnetisch verträglich gestaltet werden.
Da ein Schleifringübertrager aus einem rotierenden und einem stehenden Teil besteht, werden, um das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile gleich gestaltet. Bei dem rotierenden Gegenlaufpartner der Schleifbahn kommt die Anbringung der Kontaktelemente hinzu. Hierbei ist Sorge dafür zu tragen, dass der in den Metallfolien fließende Strom in diesen Kontaktelementen konzentriert werden muss, um mit einem vertretbaren Wirkungsgrad die Stromübertragung zu gewährleisten.
Ein bekannter Schleifringübertrager für 150 A bei 600 VAC 50 Hz passt derzeit in eine Hutschachtel. Der gleiche Schleifringübertrager bei einem Strom von 150 A und 16 kHz hat etwa die Größe eines LKW-Rades. Das Hauptziel der Erfindung ist nun, den 16 kHz Schleifringübertrager von LKW-Radgröße auf Hutschachtelgröße zu bringen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die vorstehend beschriebenen neuen technologischen Maßnahmen durchgeführt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
in der Perspektive einen elektrischen Leiter im physikalischen Modell;
Figur 2
die Segmente gemäß Figur 1 in gestapelter Form, ebenfalls in der Perspektive;
Figur 3
in der Perspektive einen elektrischen Leiter in Form eines Folienstapels, teilweise im Schnitt, und
Figur 4
einen Querschnitt durch einen Schleifringübertrager mit Folienstapel gemäß Figur 3.
Danach wird, wie die Figur 1 erkennen lässt, ein als physikalisches Modell dargestelltes Rohr 1 in Längsrichtung in mehrere Segmentstreifen 2 aufgeschnitten, beim Ausführungsbeispiel sechs Segmentstreifen 2. Diese werden dann übereinander gestapelt (Figur 2).
Zwischen den Segmentstreifen 2 befindet sich jeweils eine Isolierschicht 3.
In der praktischen Ausführungsform gemäß Figur 3 werden mehrere dünne Metallfolien 4 unter Eingliederung von Isolierlagen 5 zu einem Folienstapel 6 geschichtet. Mehrfach in Längsrichtung des Folienstapels 6 gleichmäßig verteilte Durchkontaktierungen 7 gewährleisten eine homogene Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten Metallfolien 4 bleibt als Leiterquerschnitt nur die gewünschte Randzone.
Die gleichmäßige und sichere elektrische Kontaktierung der Metallfolien 4 untereinander und zu einem nicht näher veranschaulichten Anschlusskontakt ist dadurch verwirklicht, dass ein Loch senkrecht durch das Folienpaket 6 gebohrt und die Wand des Lochs verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei wegen der homogenen Stromverteilung in sehr kleinen
Durchmessern eingebracht werden. Die Länge der Bohrung, abhängig von der Anzahl der Metallfolien 4, ist verhältnismäßig groß. Das Verhältnis Durchmesser/Länge beträgt ca. 1:8 bis 1:10.
Durch geeignete Anordnung der Metallfolien 4 und durch das Einbringen von geerdeten elektrischen Schirmflächen kann das gesamte System nach außen elektromagnetisch verträglich gestaltet werden.
Da ein Schleifringübertrager 8 (Figur 4) aus einem rotierenden Teil 9 und einem stehenden Teil 10 besteht, werden, um das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile 9, 10 im Prinzip gleich gestaltet. Bei dem rotierenden Teil 9 kommt die Anbringung der Kontaktelemente 11 hinzu. Hierbei ist Sorge dafür getragen, dass der in den Metallfolien 4 fließende Strom in diesen Kontaktelementen 11 konzentriert ist, um mit einem vertretbaren Wirkungsgrad die Stromübertragung zu gewährleisten.
In der Figur 4 sind die Isolierlagen 5 durch ein Glashartgewebe gebildet, welches zugleich die Stabilität sowohl der rotierenden Teile 9 als auch des stehenden Teils 10 gewährleistet.
Die Rotationsachse des Schleifringübertragers 8 ist mit 12 bezeichnet.
Der stehende Teil 10 ist am radial äußeren Umfang mit einem Führungsring 13 versehen. Der Führungsring 13 ist über lediglich schematisch durch Mittellinien 14 veranschaulichte Schrauben mit dem stehenden Teil 10 verbunden. In dem Führungsring 13 ist eine Führungsnute 15 ausgebildet, in die der radial äußere Umfangsbereich 16 des rotierenden Teils 9 gleitschlüssig eingreift.

Claims (1)

  1. Schleifringübertrager (8) zur Übertragung mittelfrequenter Ströme, welcher einen stehenden Teil (10) und einen von dem stehenden Teil (10) geführten rotierenden Teil (9) aufweist, bei denen die Strom führenden Bereiche aus mehreren dünnen Metallfolien (4) in Sandwichanordnung bestehen, und zwischen zwei einander benachbarten Metallfolien (4) eine die Metallfolien (4) elektrisch trennende Isolierlage (5) vorgesehen ist, wobei die jeweils einem Teil (9 bzw. 10) zugeordneten Metallfolien (4) mittels Druckkontaktierungen (7) in Form von bezüglich ihrer Wandungen verkupferten Löchern elektrisch gekoppelt sind, bei denen das Verhältnis Durchmesser/Länge ca. 1:8 bis 1:10 beträgt, und den dem stehenden Teil (10) zugewandten Metallfolien (4) des rotierenden Teils (9) Kontaktelemente (11) zugeordnet sind.
EP19980119973 1997-10-24 1998-10-22 Anordnung zur Übertragung mittelfrequenter Ströme mit einem Schleifringübertrager Expired - Lifetime EP0911918B1 (de)

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