EP1726069B1 - Elektrische maschine sowie schleifringelement für eine elektrische maschine - Google Patents

Elektrische maschine sowie schleifringelement für eine elektrische maschine Download PDF

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EP1726069B1
EP1726069B1 EP05756964A EP05756964A EP1726069B1 EP 1726069 B1 EP1726069 B1 EP 1726069B1 EP 05756964 A EP05756964 A EP 05756964A EP 05756964 A EP05756964 A EP 05756964A EP 1726069 B1 EP1726069 B1 EP 1726069B1
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EP
European Patent Office
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grind
ring
electric machine
slip ring
connection
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EP05756964A
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EP1726069A1 (de
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Franc Bizjak
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Ascom doo
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Ascom doo
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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
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/14—Fastenings of commutators or slip-rings to shafts
    • 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
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/08—Slip-rings

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine with a stator and a rotor, which is rotatably mounted in two bearings about its longitudinal axis and has a rotor winding, wherein on a rotor shaft journal projecting over one of the bearings, a slip ring element is arranged, which is made of an insulating material carrier body comprising a rotor shaft journal bore and two slip rings which have from the bearing near end face of the slip ring element from the support body outstanding, connected to the rotor winding connections. Furthermore, the present invention relates to a slip ring element for an electrical machine.
  • an electrical machine as is well known in various embodiments, it may be, for example, the alternator of a motor vehicle.
  • the current induced in the rotor winding is fed into the electrical system of the motor vehicle via the slip ring element.
  • insulating webs are formed on the carrier body of the slip ring element at its end facing the rotor bearing, which are passed in corresponding grooves of the rotor shaft under the adjacent rotor shaft bearing and in which Slip ring connections or associated terminal extensions run.
  • the isolation webs for stiffening the structure are connected to each other at their ends remote from the slip ring element via an integrally molded with the carrier body of the slip ring element and the insulating webs insulation ring.
  • the terminals or the terminal extensions often end in the region of the insulation ring, where a connection with the rotor winding takes place.
  • US 5521450 A and EP 1337013 A2 is documented, the limited short circuit safety of the correspondingly equipped electrical machines of disadvantage; because in the manufacture of these slip ring elements, the guided under the first slip ring connection of the second slip ring during spraying of the carrier body of the slip ring element and the insulating webs molded thereon under the action of the viscous, injected at high speed into the mold pressed material can be deformed and in a dangerous proximity or even in contact with the first slip ring.
  • the radial gap between the one slip ring and the radially inwardly extending from this terminal of the other slip ring is to form an insulating there, injected in the production of the carrier body with carrier body mass.
  • the spacer has a slot-shaped opening extending over its axial length, or it is cut at least in the region of the radial gap between a slip ring and the terminal of the other slip ring.
  • the present invention seeks to provide a cost-manufacturable and despite low radial outer dimensions of the slip rings particularly short-circuit protected slip ring element for an electrical machine and an electric machine with such slip ring element. It would be particularly desirable if in the case of a compound of the rotor winding with the terminals of the slip ring element outside of the adjacent rotor bearing at the same time the assembly of the slip ring element on the prefabricated rotor and the contact of the slip rings with the rotor winding would be facilitated.
  • this object is achieved in a generic electric machine characterized in that in the carrier body of the slip ring element a prefabricated, stepped executed spacer ring is embedded, which bridges the axial gap between each two adjacent slip rings and at least partially into the radial gap between the one Slip ring and the connection of the other slip ring extends into it.
  • the slip ring element used in electrical machines according to the invention can be prepared using prefabricated, from the beginning separate slip rings, which from both sides the spacer ring are placed before the corresponding unit of the two slip rings and the spacer ring is inserted into an injection mold, in which the carrier body of the slip ring element and, if necessary, the molded thereon insulating bars are injected.
  • the spacer ring is particularly preferably made of the same material as the rest of the carrier body of the slip ring element; this is in view of a good connection of the spacer ring with the sprayed carrier body and thus a high reliability and longevity favorable.
  • this is not mandatory. Rather, the spacer may also consist of another suitable insulating material.
  • the spacer ring has a central part and two sleeve-shaped projections with a reduced diameter, wherein the two of the spacer ring associated slip rings abut the outside Shen on the sleeve-shaped projections. It is particularly advantageous if that sleeve-shaped projection, which extends at least partially into the radial gap between a slip ring and the terminal of the other slip ring in, in the region of the respective terminal has an axial extension. This results in an optimal effect of the spacer ring in terms of short-circuit safety, without the solid compound of the slip ring with the support body suffers.
  • the axial extension in question is preferably dimensioned so that the radial gap between the one slip ring and the terminal of the other slip ring is filled to at least 60%, better still at least 70% of the axial height of the respective slip ring with the spacer ring.
  • Another preferred embodiment of the invention is characterized in that that sleeve-shaped projection, which does not extend into the radial gap between a slip ring and the terminal of the other slip ring in, has a recess for the connection of this approach associated slip ring. Particularly preferably, that recess is followed by a pocket arranged on the radial inner side of the spacer ring for receiving it radially below the one slip ring passed through connection of the other slip ring.
  • Such a bag supports the support and fixation of the relevant terminal during the spraying of the carrier body in both the radial and in the circumferential direction.
  • the spacer ring in a slip ring unit having two slip rings, is made axially symmetrical.
  • the above-explained extensions, cutouts and pockets are in this case, if provided at all, double, namely in each case diametrically opposed arrangement. This simplifies the joining of the spacer ring and the two slip rings to a preassembled unit, so that this step can be easily automated and thus carried out particularly inexpensively.
  • the present invention is particularly suitable for applications in which the rotor winding is guided under the rotor bearing adjacent to the slip ring element and connected outside of the respective rotor bearing with the terminals of the slip ring element protruding from the support body at the bearing-side end face of the slip ring element.
  • the carrier body of the slip ring element preferably has recesses in the region of the connections at its bearing-near end face, which recesses receive the outermost ends of the rotor winding.
  • Such recesses which may be implemented in particular radially outwardly immediately adjacent to the terminals of the slip rings, support the correct positioning of the ends of the rotor winding during assembly of the slip ring element; make it easier In this way, the assembly of the slip ring element and contribute to a particularly reliable electrical connection of the terminals of the slip rings with the rotor winding.
  • stripped end portions of the rotor winding are mechanically clamped in the terminals of the slip rings.
  • the connections of the slip rings are preferably initially V-shaped end, wherein the V-shaped ends of the terminals of the slip rings are particularly preferably opened radially outwardly.
  • the compression can be effected by means of electrodes, so that at the same time as the mechanical deformation of the ends of the connections, a welding of the conductor of the rotor winding to the terminals by resistance welding.
  • the present invention is not limited to such applications in which the rotor winding is passed under the rotor bearing adjacent to the slip ring member.
  • advantages of the invention are also obtained when insulating webs are formed on the carrier body of the slip ring element, which webs are guided under the adjacent rotor bearing and in which the connections or associated connection extensions emerging from the carrier body of the slip ring element are accommodated.
  • Such a design in which the rotor winding is connected within the relevant rotor bearing with the terminals of the slip ring element or associated terminal extensions, has the advantage that the connections of the rotor winding with the terminals of the slip ring element close to the coils of the rotor winding and substantially on the diameter thereof can.
  • connecting extensions which are accommodated in the insulating webs, are connected to connecting sections produced in one piece with the slip rings.
  • the terminal extensions are expediently, as well as the slip rings with the molded thereon terminal portions of copper and are cut out of a corresponding sheet.
  • the connection of the terminal extensions with the associated terminal sections is preferably carried out in each case via an ultrasonic welding. The arrangement of the corresponding joints away from the slip rings these are not adversely affected in terms of their hardness by the heat generated during the welding process.
  • the above-explained fixation and support of that connection, which is passed under the other slip ring proves to be particularly advantageous by extending into the corresponding radial gap spacer. Because of this effective support needs even a long terminal or a long terminal extension in the form used for spraying the carrier body only on his (their) - to be supported anyway - end. Between this end and the connection of the relevant terminal with the associated slip ring no additional support is needed.
  • terminals or terminal extensions with the exception of their ends can be completely encapsulated with the molding compound from which the carrier body of the slip ring element and the insulating webs formed thereon are made. This reduces the existing in known slip ring elements with a similar structure problem of voltage breakdowns and leakage currents in alternator operation in the area of additional supports of the terminal extensions.
  • the present invention As far as the present invention is described above with reference to slip ring elements with (only) two slip rings, no pertinent restriction can be found. Rather, the present invention equally includes electric machines whose slip ring elements have more than two slip rings. Moreover, the above-explained advantages of the present invention can be seen in the same way also in such electrical machines use, in which the slip ring element is disposed within the two rotor bearings.
  • the electric machine illustrated only in the range of interest here comprises a stator 1 and a rotor 2.
  • the rotor 2 is rotatably mounted in two bearings 3 about its longitudinal axis 4. It has a rotor winding 5.
  • a slip ring element 7 On a rotor shaft journal 6 protruding beyond one of the bearings 3, a slip ring element 7 is arranged.
  • This comprises a made of insulating material support body 8 with a rotor shaft journal bore 9 and two slip rings, namely a bearing near slip ring 10 and a bearing remote slip ring 11.
  • Each of the slip rings 10 and 11 has an inwardly branching from the actual ring, connected to the rotor winding 5 terminal 12th or 13 on.
  • the integrally formed on the slip rings terminals 12 and 13 are guided in the support body 8 to the bearing-side end face 14 of the slip ring member 7 and protrude from the bearing-side end face 14 of the slip ring element.
  • the ends 15 of the terminals 12 and 13 are executed in the illustrated production state V-shaped with a radially outwardly open V-shape.
  • the support body 8 of the slip ring element 7 on its bearing-side end face 14 has two recesses 16 which receive the outermost ends 17 of the stripped bare by conductor 18 of the rotor winding 5.
  • the exposed conductors 18 of the rotor winding are each at the bottom of the V-shaped ends of FIG. 15 of the associated terminal 12 and 13. Compression of the ends 15 of the terminals 12 and 13 by means of respectively two opposing electrodes 19 and 20 results in a mechanical Deforming those ends 15, through which the conductors 18 are mechanically clamped to the terminals, as well as to a welding of the conductors to the terminals by resistance welding.
  • a prefabricated spacer ring 21 is embedded, which bridges the axial gap 22 between the two slip rings 10 and 11.
  • the spacer ring 21 is stepped, so that it not only abuts the end face of the two slip rings 10 and 11, but also partially at the radially inner peripheral surface.
  • the spacer ring 21 extends in particular partially into the radial gap 23 between the bearing slip ring 10 and the terminal 13 of the bearing remote slip ring 11 inside.
  • connections 12 'and 13' of the slip ring element 7 'arranged on the rotor shaft journal 6' each have a connection section 24 or 25 produced integrally with the associated slip ring 10 'or 11' and a connection extension 26 welded to the latter and remote from the slip rings. 27.
  • the terminal extensions 26 and 27 are guided under the rotor bearing 3 ', so that the rotor winding 5' within the respective rotor bearing 3 'with the terminals 12' and 13 'of the slip ring element 7' is connected.
  • the support body 8 'of the slip ring member 7' are on its bearing-side end side two insulating webs 36 and 37 integrally formed in the axial grooves of the rotor shaft under the inner ring of the rotor bearing 3 'passed and in which the terminal extensions 26 and 27 are added.
  • the isolation webs 36 and 37 are connected to each other via an insulating ring 38 molded integrally with the carrier body 8 'of the slip ring element 7' and the insulation webs.
  • the terminal extensions 26 and 27 terminate in the region of the insulating ring 38 with free terminal lugs 39, at which a connection with the rotor winding 5 'takes place.
  • the terminals 12 'and 13' are completely embedded in those molding compound, from the support body 8 'and the insulation bars 36 and 37 are injected.
  • spacer ring 21 ' has a central portion 28 and two sleeve-shaped projections 29 and 30 with a reduced diameter.
  • Each of the two slip rings 10 'and 11' is located on the outside of one of the sleeve-shaped Approaches.
  • the sleeve-shaped projection 29 which extends into the radial gap 23 'between the slip ring 10' shown on the left and the connection portion 25 of the slip ring 11 'shown on the right, has in the region of the respective terminal portion 25 and this diametrically opposite to each axial extension 31.
  • the axial extension 31 is dimensioned so that the radial gap 23 'between the slip ring 10' and the connecting portion 25 to about 75% of the axial height of the slip ring 10 'with the spacer ring 21' is filled.
  • the opposite sleeve-shaped projection 30 has, aligned with the extensions 31, two recesses 32 which are suitable for the passage of the connecting portion 25 of this approach 30 associated slip ring 11 'in the interior of the spacer ring 21'.
  • Each of the recesses 32 is followed by a on the radial inner side 33 of the spacer ring 21 'arranged pocket 34 in the form of a groove-like recess 35, which is suitable for receiving the radially below the slip ring 10' guided through terminal portion 25 of the slip ring 11 '.

Landscapes

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, welcher in zwei Lagern um seine Längsachse drehbar gelagert ist und eine Rotorwicklung aufweist, wobei auf einem über eines der Lager vorstehenden Rotorwellenzapfen ein Schleifringelement angeordnet ist, welches einen aus isolierendem Material gefertigten Trägerkörper mit einer Rotorwellenzapfenbohrung und zwei Schleifringe umfaßt, die aus der lagernahen Stirnseite des Schleifringelements aus dessen Trägerkörper herausragende, mit der Rotorwicklung verbundene Anschlüsse aufweisen. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Schleifringelement für eine elektrische Maschine.
  • Bei einer solchen elektrischen Maschine, wie sie in verschiedenen Ausführungen hinlänglich bekannt ist, kann es sich beispielsweise um die Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Über das Schleifringelement wird dabei der in der Rotorwicklung induzierte Strom in die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs eingespeist.
  • Bei einer ersten Art bekannter elektrischer Maschinen, bei denen das Schleifringelement auf einem über eines der Lager der Rotorwelle vorstehenden Rotorwellenzapfen montiert ist, sind Endabschnitte der Rotorwicklung durch Bohrungen, welche den Trägerkörper des Schleifringelements axial durchdringen, hindurchgeführt sind und an der lagerfernen Stirnseite des Schleifringelements mit den dort aus dem Trägerkörper herausragenden Anschlüssen der Schleifringe elektrisch leitend verbunden sind (vgl. US 6437475 B1 ). Dies gestattet die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Enden der Rotorwicklung und den Anschlüssen der Schleifringe an der frei zugänglichen Stirnseite des Schleifringelements. Dies gilt unabhängig davon, ob die beiden Schleifringe zunächst ein gemeinsames Bauteil bilden und erst nach dem Spritzen des Trägerkörpers elektrisch getrennt werden, insbesondere durch Nutdrehen, oder aber von Anbeginn zwei getrennte Bauteile sind. Die aus der US 6437475 B1 bekannte Gestaltung und Anordnung des Schleifringelements erweist sich insoweit als günstig, als sich das Schleifringelement erst zum Abschluß der Fertigung der ansonsten vorgefertigten elektrischen Maschine montieren und auch mit lediglich minimalem Aufwand ersetzen läßt. Indessen ist bei diesem bekannten Schleifringelement von Nachteil, daß die Schleifringe - wegen der Durchtrittsbohrungen für die Rotorwicklung durch den Trägerkörper - häufig unerwünscht große radiale Außenabmessungen aufweisen. Ferner ist die Montage wegen des Hindurchfädelns der Endabschnitte der Rotorwicklung durch die genannten axialen Durchgangsbohrungen aufwendig und störanfällig.
  • Bei einer zweiten Art bekannter elektrischer Maschinen, die dem einleitend angegebenen, gattungsgemäßen Stand der Technik entsprechen, sind an den Trägerkörper des Schleifringelements an dessen dem Rotorlager zugewandter Stirnseite Isolationsstege angeformt, die in entsprechenden Nuten der Rotorwelle unter dem benachbarten Rotorwellenlager hindurchgeführt sind und in denen die Anschlüsse der Schleifringe oder zugeordnete Anschlußverlängerungen verlaufen. Typischerweise sind die Isolationsstege zur Aussteifung der Struktur an ihren von dem Schleifringelement abgewandten Enden über einen einstückig mit dem Trägerkörper des Schleifringelements und den Isolationsstegen gespritzten Isolationsring miteinander verbunden.
  • Die Anschlüsse bzw. den Anschlußverlängerungen enden dabei häufig im Bereich des Isolationsringes, wo eine Verbindung mit der Rotorwicklung erfolgt. Bei diesem Stand der Technik, wie er beispielsweise in den US 5459364 A , US 5486732 A , US 5521450 A und EP 1337013 A2 dokumentiert ist, ist die eingeschränkte Kurzschlußsicherheit der entsprechend ausgestatteten elektrischen Maschinen von Nachteil; denn bei der Fertigung dieser Schleifringelemente kann der unter dem ersten Schleifring hindurchgeführte Anschluß des zweiten Schleifringes während des Spritzens des Trägerkörpers des Schleifringelements und der daran angeformten Isolationsstege unter der Einwirkung des zähen, mit hoher Geschwindigkeit in die Form eingespritzten Preßstoffes verformt werden und in eine gefährliche Nähe zu oder gar in Kontakt mit dem ersten Schleifring geraten.
  • Ferner sind im Zusammenhang mit deren Anordnung innerhalb des benachbarten Rotorlagers verschiedene Schleifringelemente bekannt geworden (vgl. US 4645962 A und US 4684179 A ). Gemäß der US 4684179 A ist dabei ein in den Trägerkörper des Schleifringelements eingebettetes Distanzelement aus isolierendem Material vorgesehen, welches den axialen Abstand zweier vorgefertigter Schleifringe während des Formens des Trägerkörpers sicherstellt. Das Distanzelement stellt dabei gleichzeitig eine Montagehilfe dar, indem die beiden Schleifringe auf hülsenförmige Ansätze aufgesteckt werden und die so gebildete Einheit zur Herstellung des Trägerkörpers in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird. Der Radialspalt zwischen dem einem Schleifring und dem radial innen von diesem verlaufenden Anschluß des anderen Schleifrings wird, um dort einen Isolierabschnitt zu bilden, bei der Herstellung des Trägerkörpers mit Trägerkörpermasse ausgespritzt. Zu diesem Zweck weist das Distanzelement eine sich über seine axiale Länge erstreckende, schlitzförmige Öffnung auf, oder es ist zumindest im Bereich des Radialspalts zwischen dem einem Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings eingeschnitten. Nachteilig bei diesem bekannten Schleifringelement ist wiederum die eingeschränkte Kurzschlußsicherheit.
  • Im Hinblick auf den vorstehend dargelegten Stand der Technik und auf die Dokumente FR-A-2 710 464 und FR-A-2 549 648 , liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig herstellbares und trotz geringer radialer Außenabmessungen der Schleifringe besonders kurzschlußsicheres Schleifringelement für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit solchen Schleifringelement bereitzustellen. Besonders wünschenswert wäre dabei, wenn im Falle einer Verbindung der Rotorwicklung mit den Anschlüssen des Schleifringelements außerhalb des benachbarten Rotorlagers zugleich die Montage des Schleifringelements an dem vorgefertigten Rotor und die Kontaktierung der Schleifringe mit der Rotorwicklung erleichtert würde.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine dadurch gelöst, daß in den Trägerkörper des Schleifringelements ein vorgefertigter, gestuft ausgeführter Distanzring eingebettet ist, der den Axialspalt zwischen jeweils zwei einander benachbarten Schleifringen überbrückt und sich zumindest teilweise in den Radialspalt zwischen dem einem Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings hinein erstreckt. Das bei erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen eingesetzte Schleifringelement läßt sich unter Verwendung vorgefertigter, von Anfang an getrennter Schleifringe herstellen, die von beiden Seiten her auf den Distanzring aufgesetzt werden, bevor die entsprechende Einheit aus den beiden Schleifringen und dem Distanzring in ein Spritzgießwerkzeug eingesetzt wird, in welchem der Trägerkörper des Schleifringelements und ggfs. die daran angeformten Isolationsstege gespritzt werden. Einer nachträglichen Bearbeitung eines Schleifringelement-Rohlings insbesondere durch Nutdrehen bedarf es somit in diesem Falle nicht. Dies ist vorteilhaft für eine kostengünstige Herstellung des Schleifringelements. Indem der Distanzring des Schleifringelements gestuft ausgeführt ist und sich zumindest teilweise in den Radialspalt zwischen dem einen Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings hinein erstreckt, wird eine gute Fixierung des Anschlusses des zweiten Schleifrings erreicht, so daß dieser Anschluß sich beim Spritzen des Trägerkörpers nicht dergestalt radial nach außen verformen kann, daß ein Kurzschluß oder eine gefährliche Nähe zu dem benachbarten Schleifring entsteht. In Anwendung der vorliegenden Erfindung wird, mit anderen Worten, gegenüber dem Stand der Technik nach der US 4684179 A die Kurzschlußsicherheit erhöht, indem sich der Distanzring zumindest teilweise in den Radialspalt zwischen dem einem Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings hinein erstreckt und auf diese Weise einen Kontakt sowie bereits eine unzulässige Nähe zwischen den beiden genannten Teilen insbesondere auch während des Spritzens des Trägerkörpers, bei dem der Preßstoff mit hoher Geschwindigkeit in die Form eingespritzt wird, wirksam unterbindet.
  • Der Distanzring besteht besonders bevorzugt aus demselben Material wie der übrige Trägerkörper des Schleifringelements; dies ist im Hinblick auf eine gute Verbindung des Distanzrings mit dem gespritzten Trägerkörper und somit eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit günstig. Zwingend ist dies indessen nicht. Vielmehr kann der Distanzring auch aus einem anderen geeigneten isolierendem Material bestehen.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Distanzring ein Mittelteil und zwei hülsenförmige Ansätze mit reduziertem Durchmesser auf, wobei die beiden dem Distanzring zugeordneten Schleifringe au-ßen an den hülsenförmigen Ansätzen anliegen. Dabei ist es besonders günstig, wenn jener hülsenförmige Ansatz, der sich zumindest teilweise in den Radialspalt zwischen dem einem Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings hinein erstreckt, im Bereich des betreffenden Anschlusses eine axiale Verlängerung aufweist. Hierdurch ergibt sich eine optimale Wirkung des Distanzringes im Hinblick auf die Kurzschlußsicherheit, ohne daß die feste Verbindung des Schleifringes mit dem Trägerkörper darunter leidet. Die betreffende axiale Verlängerung ist bevorzugt so bemessen, daß der Radialspalt zwischen dem einen Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings auf mindestens 60%, besser noch auf mindestens 70% der axialen Höhe des betreffenden Schleifrings mit dem Distanzring ausgefüllt ist.
  • Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß jener hülsenförmige Ansatz, der sich nicht in den Radialspalt zwischen dem einem Schleifring und dem Anschluß des anderen Schleifrings hinein erstreckt, eine Aussparung für den Anschluß des diesem Ansatz zugeordneten Schleifringes aufweist. Besonders bevorzugt schließt sich an jene Aussparung eine an der radialen Innenseite des Distanzrings angeordnete Tasche zur Aufnahme des radial unterhalb des einen Schleifrings hindurchgeführten Anschlusses des anderen Schleifringes an. Eine solche Tasche unterstützt die Abstützung und Fixierung des betreffenden Anschlusses während des Spritzens des Trägerkörpers sowohl in radialer wie auch in Umfangsrichtung.
  • Gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer zwei Schleifringe aufweisenden Schleifringeinheit der Distanzring achsensymmetrisch ausgeführt ist. Die vorstehend erläuterten Verlängerungen, Ausschnitte und Taschen sind in diesem Falle, sofern überhaupt vorgesehen, doppelt vorhanden, nämlich jeweils in einander diametral gegenüberliegender Anordnung. Dies vereinfacht das Zusammenfügen des Distanzringes und den beiden Schleifringe zu einer vormontierten Einheit, so daß dieser Schritt ohne weiteres automatisiert und somit besonders kostengünstig durchgeführt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonderer Weise für Anwendungsfälle, in denen die Rotorwicklung unter dem zu dem Schleifringelement benachbarten Rotorlager hindurchgeführt und außerhalb des betreffenden Rotorlagers mit den - an der lagernahen Stirnseite des Schleifringelements aus dem Trägerkörper herausragenden - Anschlüssen des Schleifringelements verbunden wird. Bevorzugt weist dabei der Trägerkörper des Schleifringelements an seiner lagernahen Stirnseite im Bereich der Anschlüsse Vertiefungen auf, die die äußersten Enden der Rotorwicklung aufnehmen. Solche Vertiefungen, die insbesondere radial außen unmittelbar benachbart zu den Anschlüssen der Schleifringe ausgeführt sein können, unterstützen die lagerichtige Positionierung der Enden der Rotorwicklung bei der Montage des Schleifringelements; sie erleichtern auf diese Weise die Montage des Schleifringelements und tragen zu einer besonders zuverlässigen elektrischen Verbindung der Anschlüsse der Schleifringe mit der Rotorwicklung bei.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten weiterbildung der vorstehend erläuterten Ausführungsform der der Erfindung sind abisolierte Endbereiche der Rotorwicklung in die Anschlüsse der Schleifringe mechanisch eingeklemmt. Hierzu sind die Anschlüsse der Schleifringe bevorzugt zunächst endseitig V-förmig ausgeführt, wobei die V-förmig ausgeführten Enden der Anschlüsse der Schleifringe dabei besonders bevorzugt radial nach außen hin geöffnet sind. Nach dem Einlegen der durch Abisolieren der Endabschnitte der Rotorwicklung freigelegten Leiter in die V-förmigen Enden der Anschlüsse werden diese zu einer beidseitigen innigen Anlage an dem Leiter der Rotorwicklung zusammengedrückt. Das Zusammendrücken kann dabei mittels Elektroden erfolgen, so daß zugleich mit der mechanischen Verformung der Enden die Anschlüsse ein Verschweißen der Leiter der Rotorwicklung mit den Anschlüssen durch Widerstandsschweißen erfolgt. Auch dies ist günstig insbesondere im Hinblick auf eine einfache Montage des Schleifringelements und die Herstellung einer zuverlässigen elektrischen Verbindung zwischen der Rotorwicklung und den Schleifringen. Andere geeignete Verfahren, die Leiter der Rotorwicklung mit den Anschlüssen der Schleifringe zu verbinden, schließen das Löten oder das LaserSchweißen ein.
  • Die vorliegende Erfindung ist indessen nicht auf solche Anwendungsfälle beschränkt, in denen die Rotorwicklung unter dem zu dem Schleifringelement benachbarten Rotorlager hindurchgeführt wird. Die vorstehend erläuterten besonderen Vorteile der Erfindung ergeben sich nämlich auch dann, wenn an den Trägerkörper des Schleifringelements Isolationsstege angeformt sind, welche unter dem benachbarten Rotorlager hindurchgeführt und in denen die aus dem Trägerkörper des Schleifringelements heraustretenden Anschlüsse bzw. zugeordnete Anschlußverlängerungen aufgenommen sind. Eine solche Gestaltung, bei der die Rotorwicklung innerhalb des betreffenden Rotorlagers mit den Anschlüssen des Schleifringelements bzw. zugeordneten Anschlußverlängerungen verbunden ist, hat den Vorteil, daß die Verbindungen der Rotorwicklung mit den Anschlüssen des Schleifringelements nahe den Spulen der Rotorwicklung und im wesentlichen auf deren Durchmesser erfolgen können.
  • Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn jeweils entfernt von den Schleifringen Anschlußverlängerungen, welche in den Isolationsstegen aufgenommen sind, mit einstückig mit den Schleifringen hergestellten Anschlußabschnitten verbunden sind. Die Anschlußverlängerungen bestehen zweckmäßigerweise, ebenso wie die Schleifringe mit den daran angeformten Anschlußabschnitten, aus Kupfer und sind aus einem entsprechenden Blech ausgeschnitten. Die Verbindung der Anschlußverlängerungen mit den zugeordneten Anschlußabschnitten erfolgt dabei bevorzugt über jeweils eine Ultraschallverschweißung. Durch die Anordnung der entsprechenden Verbindungsstellen entfernt von den Schleifringen werden diese nicht hinsichtlich ihrer Härte durch die beim Schweißvorgang entstehende Wärme negativ beeinflußt.
  • Gerade bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen, bei denen nicht die Rotorwicklung unter dem zu dem Schleifringelement benachbarten Rotorlager hindurchgeführt wird, erweist sich die weiter oben erläuterte Fixierung und Abstützung jenes Anschlusses, der unter dem anderen Schleifring hindurchgeführt ist, durch den sich in den entsprechenden Radialspalt hinein erstreckenden Distanzring als besonders vorteilhaft. Denn durch diese wirksame Abstützung braucht selbst ein langer Anschluß bzw. eine lange Anschlußverlängerung in der zum Spritzen des Trägerkörpers verwendeten Form lediglich an seinem (ihren) - ohnehin blanken - Ende abgestützt zu werden. Zwischen diesem Ende und der Verbindung des betreffenden Anschlusses mit dem zugeordneten Schleifring wird keine zusätzliche Abstützung benötigt. Infolgedessen können Anschlüsse bzw. Anschlußverlängerungen mit Ausnahme ihrer Enden vollständig mit jener Preßmasse, aus denen der Trägerkörper des Schleifringelements und die daran angeformten Isolationsstege gefertigt sind, umspritzt sein. Dies reduziert das bei bekannten Schleifringelementen mit einem ähnlichen Aufbau bestehende Problem von Spannungsdurchbrüchen und Kriechströmen im Lichtmaschinenbetrieb im Bereich zusätzlicher Abstützungen der Anschlußverlängerungen.
  • Soweit die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Schleifringelementen mit (lediglich) zwei Schleifringen erläutert wird, ist dem keine dahingehende Beschränkung zu entnehmen. Vielmehr umfaßt die vorliegende Erfindung in gleicher Weise elektrische Maschinen, deren Schleifringelemente mehr als zwei Schleifringe aufweisen. Im übrigen lassen sich die vorstehend erläuterten Vorteile der vorliegenden Erfindung erkennbar in gleicher Weise auch bei solchen elektrischen Maschinen nutzen, bei denen das Schleifringelement innerhalb der beiden Rotorlager angeordnet ist.
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    einen Axialschnitt durch den Endabschnitt des Rotors einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine nach der Erfindung bei noch nicht endgültig fertiggestellter Verbindung der Rotorwicklung mit den Schleifringen,
    Fig. 2
    einen Radialschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Axialschnitt durch den Endabschnitt des Rotors einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Maschine nach der Erfindung und
    Fig. 4
    in perspektivischer, vergrößerter Ansicht den zur Herstellung des Schleifringelements nach Fig. 3 verwendeten Distanzringes.
  • Die in den Figuren 1 und 2 lediglich in dem hier interessierenden Bereich dargestellte elektrische Maschine umfaßt einen Stator 1 und einen Rotor 2. Der Rotor 2 ist in zwei Lagern 3 um seine Längsachse 4 drehbar gelagert. Er weist eine Rotorwicklung 5 auf.
  • Auf einem über eines der Lager 3 vorstehenden Rotorwellenzapfen 6 ist ein Schleifringelement 7 angeordnet. Dieses umfaßt einen aus isolierendem Material gefertigten Trägerkörper 8 mit einer Rotorwellenzapfenbohrung 9 und zwei Schleifringe, nämlich einen lagernahen Schleifring 10 und einen lagerfernen Schleifring 11. Jeder der Schleifringe 10 und 11 weist einen innen von dem eigentlichen Ring abzweigenden, mit der Rotorwicklung 5 verbundenen Anschluß 12 bzw. 13 auf.
  • Die an die Schleifringe angeformten Anschlüsse 12 und 13 sind in dem Trägerkörper 8 zu der lagernahen Stirnseite 14 des Schleifringelements 7 geführt und ragen aus der lagernahen Stirnseite 14 des Schleifringelements heraus. Die Enden 15 der Anschlüsse 12 und 13 sind in dem dargestellten Fertigungsstand V-förmig ausgeführt mit einer radial nach außen geöffneten V-Form..
  • Radial außen benachbart zu den Anschlüssen 12 und 13 weist der Trägerkörper 8 des Schleifringelements 7 an seiner lagernahen Stirnseite 14 zwei Vertiefungen 16 auf, die die äußersten Enden 17 der durch Abisolieren freigelegten Leiter 18 der Rotorwicklung 5 aufnehmen. Die freigelegten Leiter 18 der Rotorwicklung liegen im übrigen jeweils im Grund der V-förmigen Enden des 15 des zugeordneten Anschlusses 12 bzw. 13. Das Zusammendrücken der Enden 15 der Anschlüsse 12 und 13 mittels jeweils zweier einander gegenüberstehender Elektroden 19 und 20 führt zu einem mechanischen Verformen jener Enden 15, durch welches die Leiter 18 mechanisch mit den Anschlüssen verklemmt werden, sowie zu einem Verschweißen der Leiter mit den Anschlüssen durch Widerstandsschweißung.
  • In den Trägerkörper 8 ist ein vorgefertigter Distanzring 21 eingebettet, der den Axialspalt 22 zwischen den beiden Schleifringen 10 und 11 überbrückt. Der Distanzring 21 ist gestuft ausgeführt, so daß er nicht nur stirnseitig an den beiden Schleifringen 10 und 11 anliegt, sondern auch teilweise an deren radial innerer Umfangsfläche. So erstreckt sich der Distanzring 21 insbesondere auch teilweise in den Radialspalt 23 zwischen dem lagernahen Schleifring 10 und dem Anschluß 13 des lagerfernen Schleifrings 11 hinein.
  • Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 umfassen die Anschlüsse 12' und 13' des auf dem Rotorwellenzapfen 6' angeordneten Schleifringelements 7' jeweils einen einstückig mit dem zugeordneten Schleifring 10' bzw. 11' hergestellten Anschlußabschnitt 24 bzw. 25 und eine mit diesem entfernt von den Schleifringen verschweißte Anschlußverlängerung 26 bzw. 27. Die Anschlußverlängerungen 26 und 27 sind unter dem Rotorlager 3' hindurchgeführt, so daß die Rotorwicklung 5' innerhalb des betreffenden Rotorlagers 3' mit den Anschlüssen 12' und 13' des Schleifringelements 7' verbunden ist. An den Trägerkörper 8' des Schleifringelements 7' sind an dessen lagerseitiger Stirnseite zwei Isolationsstege 36 und 37 angeformt, die in Axialnuten der Rotorwelle unter dem Innenring des Rotorlagers 3' hindurchgeführt und in denen die Anschlußverlängerungen 26 und 27 aufgenommen sind. Endseitig sind die Isolationsstege 36 und 37 über einen einstückig mit dem Trägerkörper 8' des Schleifringelements 7' und den Isolationsstegen gespritzten Isolationsring 38 miteinander verbunden. Die Anschlußverlängerungen 26 und 27 enden im Bereich des Isolationsringes 38 mit freien Anschlußfahnen 39, an denen eine Verbindung mit der Rotorwicklung 5' erfolgt.
  • Zwischen ihrer Anschlußfahne 39 und dem Übergang des zugeordneten Anschlußanschnitts in den betreffenden Schleifring sind die Anschlüsse 12' und 13' vollständig in jene Preßmasse, aus der Trägerkörper 8' und die,Isolationsstege 36 und 37 gespritzt sind, eingebettet.
  • Der in Fig. 4 im Detail veranschaulichte Distanzring 21' weist ein Mittelteil 28 und zwei hülsenförmige Ansätze 29 und 30 mit reduziertem Durchmesser auf. Jeder der beiden Schleifringe 10' und 11' liegt außen an einem der hülsenförmigen Ansätze an. Der hülsenförmige Ansatz 29, der sich in den Radialspalt 23' zwischen dem links dargestellten Schleifring 10' und dem Anschlußabschnitt 25 des rechts dargestellten Schleifrings 11' hinein erstreckt, weist im Bereich des betreffenden Anschlußabschnitts 25 und diesem diametral gegenüber jeweils eine axiale Verlängerung 31 auf. Die axiale Verlängerung 31 ist so bemessen, daß der Radialspalt 23' zwischen dem Schleifring 10' und dem Anschlußabschnitt 25 auf etwa 75% der axialen Höhe des Schleifrings 10' mit dem Distanzring 21' ausgefüllt ist.
  • Der gegenüberliegende hülsenförmige Ansatz 30 weist, zu den Verlängerungen 31 ausgerichtet, zwei Aussparungen 32 auf, die für den Durchtritt des Anschlußabschnitts 25 des diesem Ansatz 30 zugeordneten Schleifringes 11' in das Innere des Distanzringes 21' geeignet sind. An jede der Aussparungen 32 schließt sich eine an der radialen Innenseite 33 des Distanzrings 21' angeordnete Tasche 34 in Form einer nutartigen Vertiefung 35 an, die zur Aufnahme des radial unterhalb des Schleifrings 10' hindurchgeführten Anschlußabschnitts 25 des Schleifringes 11' geeignet ist.
  • Im übrigen gelten für das in den Figuren 3 und 4 veranschaulichte Schleifringelement die vorstehenden Erläuterungen der Figuren 1 und 2, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.

Claims (14)

  1. Elektrische Maschine mit einem Stator (1, 1') und einem Rotor (2), welcher in zwei Lagern (3, 3') um seine Längsachse (4, 4') drehbar gelagert ist und eine Rotorwicklung (5, 5') aufweist, wobei auf einem über eines der Lager (3, 3') vorstehenden Rotorwellenzapfen (6, 6') ein Schleifringelement (7, 7') angeordnet ist, welches einen aus isolierendem Material gefertigten Trägerkörper (8, 8') mit einer Rotorwellenzapfenbohrung (9, 9') und zwei Schleifringe (10, 10'; 11, 11') umfaßt, die aus der lagernahen Stirnseite des Schleifringelements aus dessen Trägerkörper herausragende, mit der Rotorwicklung (5, 5') verbundene Anschlüsse (12, 12'; 13, 13') aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in den Trägerkörper ein vorgefertigter, gestuft ausgeführter Distanzring (21, 21') eingebettet ist, der den Axialspalt (22, 22') zwischen jeweils zwei einander benachbarten Schleifringen überbrückt und sich zumindest teilweise in den Radialspalt (23, 23') zwischen dem einem Schleifring (10, 10') und dem Anschluß (13, 13') des anderen Schleifrings (11, 11') hinein erstreckt.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Trägerkörper (8, 8') und der Distanzring (21, 21') des Schleifringelements (7, 7') aus dem selben Material bestehen.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Radialspalt (23') zwischen dem einen Schleifring (10') und dem Anschluß (13') des anderen Schleifrings (11') auf mindestens 60% der axialen Höhe des betreffenden Schleifrings mit dem Distanzring (21') ausgefüllt ist
  4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Distanzring (21, 21') des Schleifringelements (7, 7') ein Mittelteil (28) und zwei hülsenförmige Ansätze (29, 30) mit reduziertem Außendurchmesser aufweist, wobei die beiden Schleifringe (10, 10'; 11, 11') außen an den hülsenförmigen Ansätzen anliegen.
  5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jener hülsenförmige Ansatz (29), der sich zumindest teilweise in den Radialspalt (23, 23') zwischen dem einem Schleifring (10, 10') und dem Anschluß (13, 13') des anderen Schleifrings (11, 11') hinein erstreckt, im Bereich des betreffenden Anschlusses eine axiale Verlängerung (31) aufweist.
  6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jener hülsenförmige Ansatz (30), der sich nicht in den Radialspalt (23, 23') zwischen dem einem Schleifring (10, 10') und dem Anschluß (13, 13') des anderen Schleifrings (11, 11') hinein erstreckt, eine Aussparung (32) für den Anschluß (13, 13' des diesem Ansatz zugeordneten Schleifringes (11, 11') aufweist.
  7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Distanzring (21, 21') des Schleifringelements an seiner radialen Innenseite (33) eine Tasche (34) zur Aufnahme des radial unterhalb eines Schleifrings (10, 10') hindurchgeführten Anschlusses (13, 13') des benachbarten Schleifringes (11, 11') aufweist.
  8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Schleifringelement bei zwei Schleifringen (10, 10'; 11, 11') einen achsensymmetrisch ausgeführten Distanzring (21, 21') aufweist.
  9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Trägerkörper (8) des Schleifringelements (7) an seiner lagernahen Stirnseite (14) im Bereich der Anschlüsse (12, 13) Vertiefungen (16) aufweist, die zur Aufnahme der äußersten Enden (17) der Leiter (18) der Rotorwicklung (5) geeignet sind.
  10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß abisolierte Endbereiche der Rotorwicklung (5) in die Enden (15) der Anschlüsse (12, 13) der Schleifringe (10, 11) mechanisch einklemmbar sind.
  11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an den Trägerkörper (8') des Schleifringelements (7') Isolationsstege angeformt sind, welche unter dem benachbarten Rotorlager (3') hindurchgeführt sind, wobei jeweils entfernt von den Schleifringen (10', 11') Anschlußverlängerungen (26, 27), welche in den Isolationsstegen aufgenommen sind, mit einstückig mit den Schleifringen hergestellten Anschlußabschnitten (24, 25) verbunden sind.
  12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Anschlußverlängerungen (26, 27) mit den zugeordneten Anschlußabschnitten (24, 25) mittels Ultraschall verschweißt sind.
  13. Elektrische Maschine nach Anspruch 11 oder Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Anschlußverlängerungen (26, 27) mit Ausnahme von endseitigen Anschlußfahnen vollständig in die Isolationsstege eingebettet sind.
  14. Schleifringelement (7, 7') für eine einen Stator (1, 1') und einen Rotor (2) umfassende elektrische Maschine, deren Rotor eine Rotorwicklung (5, 5') aufweist und in zwei Lagern (3, 3') um seine Längsachse (4, 4') drehbar gelagert ist, wobei das Schleifringelement einen aus isolierendem Material gefertigten Trägerkörper (8, 8') mit einer Rotorwellenbohrung (9, 9') und mindestens zwei Schleifringe (10, 10'; 11, 11') umfaßt, die in der gleichen Richtung aus dem Trägerkörper des Schleifringelements herausragende, mit der Rotorwicklung (5, 5') verbindbare Anschlüsse (12, 12'; 13, 13') aufweisen, und wobei ferner in den Trägerkörper mindestens ein vorgefertigter, gestuft ausgeführter Distanzring (21, 21') eingebettet ist, der den Axialspalt (22, 22') zwischen jeweils zwei einander benachbarten Schleifringen überbrückt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Distanzring (21, 21') sich zumindest teilweise in den Radialspalt (23, 23') zwischen einem Schleifring (10, 10') und dem Anschluß (13, 13') des benachbarten Schleifrings (11, 11') hinein erstreckt.
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