EP1929593A1 - Vorrichtung zur elektrisch leitenden verbindung über flüssigmetall und anwendung einer solchen elektrisch leitenden verbindung - Google Patents

Vorrichtung zur elektrisch leitenden verbindung über flüssigmetall und anwendung einer solchen elektrisch leitenden verbindung

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Publication number
EP1929593A1
EP1929593A1 EP06793505A EP06793505A EP1929593A1 EP 1929593 A1 EP1929593 A1 EP 1929593A1 EP 06793505 A EP06793505 A EP 06793505A EP 06793505 A EP06793505 A EP 06793505A EP 1929593 A1 EP1929593 A1 EP 1929593A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drop
electrically conductive
conductive connection
liquid metal
holder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06793505A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Lauer
Norman Perner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1929593A1 publication Critical patent/EP1929593A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for electrically conductive connection via liquid metal between two relatively moving parts of an electric machine, between which parts a gap is formed which contains the flues ⁇ sigmetall.
  • the invention further relates to the application of such a ⁇ electrically conductive connection in an electric motor and the gantry of a Computertomo ⁇ graph.
  • Electric power transmission in the case of rapidly rotating machine parts is, for example, the power supply of the rotor of an electric motor or of a shaft ground.
  • electrical signals must also be removed from a rotating machine part, such as data transmission from a rotating gantry to the stationary base system of a computer tomograph.
  • the invention has for its object to provide a cost-effective and effective electrically conductive connection via remplissigme ⁇ tall. Furthermore, the invention has for its object to provide an application of such an electrically conductive connection.
  • the first object is achieved by a device for electrically conductive connection via liquid metal between see two relatively moving parts of an electric machine, between which parts a gap is formed, which contains the liquid metal, wherein the liquid ⁇ formed metal in the manner of a drop is.
  • the main advantage of this device is the fact hen to se ⁇ that a secure electrical connection between two mutually moving parts is ensured with minimized amount of liquid metal.
  • a minimal amount of liquid metal provided ⁇ see which takes the form of a drop and a very kos ⁇ -effective realization allows the connection.
  • the contact between the two parts via the liquid metal therefore takes place only in one or a few limited, in particular substantially punctiform partial regions.
  • Under drop-like is generally understood here, is held together that the copessigme ⁇ tall by its surface tension and its cohesion forces.
  • this device has a more compact design compared to the conventional liquid metal compounds, which is inexpensive applicable even with large diameters of the shafts of electrical machines.
  • a conventional electrical machine can be designed by introducing a few tools, such as a drop of liquid metal, and simple adjustments to its design for power transfer across the liquid metal droplet. Also, two or more Trop ⁇ fen in the gap be provided that from each other to a distance of the are.
  • Such a device for the power supply of a rotor of an electric motor or for the electrical connection of a rotating gantry of a computer tomograph.
  • the electrical connection serves in particular both for the electrical supply of the components installed in the gantry and for the data transmission from the gantry.
  • the drop may be fixed so that the rotating part slides on it, or alternatively, the drop may rotate with the rotating part.
  • a prerequisite for both embodiments is, however, that the contact areas of both parts with the liquid metal drop ⁇ are designed such that they can transmit electrical currents.
  • the drop is fixed on a drop holder which is capable of transmitting electrical currents.
  • a fixed drop has relative to a rotating drop the advantage that by simple technical means to Fixie- drop ren a particularly stable and safe Verbin ⁇ is produced dung and a "divergence" of the Trop ⁇ fens is avoided.
  • the drop can be held on the drop holder by a suitable geometry of the drop holder.
  • the drop holder preferably has a recess for inserting the drop. In this embodiment, two factors play a very important role in maintaining the drop and thus the electrically conductive connection.
  • the first factor is the spatial confinement of the drop through the walls of the depression - they surround it and prevent it from becoming entrained in the movement of the complementary part of the machine.
  • the second factor is the surface tension of the drop, through whose influence the drop tends to hold the drop together and obtain a spherical shape. A large surface tension of the drop is accordingly of great advantage.
  • the drop can be fixed by adhesion forces.
  • the different wetting is at least supported by the different Ausbil ⁇ tion of the surfaces of the drop holder in the region of the depression and the rotating part.
  • a measure of the adhesion forces is the contact angle - the angle that a drop of liquid on the surface of a solid forms to that surface.
  • the size of the contact angle between liquid and solid depends on the interaction between the substances at the contact surface. Depending ⁇ RESIZE SSER this interaction is, the smaller the contact angle.
  • a low contact angle means that the liquid ⁇ keitstropfen adheres well to the solid surface.
  • the contact angle between the drop and the fixed part or the drop holder, if one is provided is less than 90 °, in particular less than 60 °.
  • the contact angle between the drop and the other part of the machine is greater than 90 °.
  • the drop can be fixed by magnetic fields or electric fields.
  • the magnetic or dielectric properties of the liquid metal are exploited in order to fix and shape the droplet in the gap between the two parts of the electric machine in an effective manner.
  • a fluid channel with an outlet opening into the gap for adjusting a fluid cushion is provided laterally next to the drop.
  • the fluid channel is annular and surrounds the drop holder or the point at which the
  • Drop is fixed to the surface of one part. From the outlet opening of the fluid channel, a fluid continuously flows, which encloses the drop in itself and effluent ⁇ sigmetall, which may adhere to the surface of the complementary part, effectively displaced. It would also be sufficient if the fluid pad is formed on only one side of the drop but positioned so as to prevent movement of the drop caused by the movement of the complementary part of the electric machine.
  • a protective gas is provided for the formation of the fluid cushion.
  • Nitrogen or another inert gas containing no oxygen can be used as the protective gas.
  • the shielding gas is permanently blown out of the outlet opening and then escapes into the gap.
  • the inert gas cushion also plays the role of a seal.
  • a resilient or elastic element which in particular on the Drop holder acts and thus exerts a pressing force on the drop, so that it is pressed with a predetermined force against, for example, the rotating part.
  • This ensures a secure and permanent contact with low contact resistance.
  • Remains of pre ⁇ part that the drop is sealed from the ambient atmosphere bring ⁇ .
  • a seal seals against atmospheric influences, so that no unwanted chemical transformations of the liquid metal droplet take place, and at the same time also protects against penetration of foreign bodies, so that freedom from maintenance is ensured. If a seal is pre ⁇ see can be dispensed with a protective gas.
  • the sealing of the liquid metal droplet with respect to the Atmo- sphere is done in a further preferred embodiment based on a ferrofluid or other magnetically conductive liquid.
  • mechanical sealing devices such as brush seals, radial shaft seals or labyrinth seals are also suitable for sealing.
  • a further preferred feature of the device to the electro conductive compound comprises a ⁇ -driven heating in the region of this connection. Thanks to the heating we prevent the solidification temperature of the liquid metal from reaching the existing pressure.
  • gallium ⁇ or indium compounds or a eutectic of the metal components gallium, indium and tin have been found.
  • FIG. 1 shows a radial arrangement of a device for electrically conductive connection
  • FIG. 3 shows a drop holder with a recess for inserting a drop
  • FIG. 4 shows a drop holder with an integrated magnet
  • FIG. 6 shows a sealed device for electrically lei ⁇ border connection.
  • FIG. 1 shows in a radial arrangement, a device 2 for electrically conductive connection between a first stationary part 4 and a second rotating part 6 of an electrical machine, which parts 4, 6, a gap 8 bil ⁇ .
  • the storage of the rotating part 6 takes place ⁇ finally on the liquid metal and there are no further mechanical bearings provided.
  • the transmission of electrical power via a liquid metal drop 10, which is located in the gap 8.
  • the drop 10 touches the peripheral side of the rotating part 6.
  • the liquid metal drop 10 is fixed on a drop holder 12, which is positioned in the gap 8 and connected to the stationary part 4 via a
  • Line 14 is connected so that it can be regarded as a component of sta ⁇ tionary part 4.
  • the drop holder 12 may also protrude from the side of the stationary part 4 facing the rotating part 6 or be flush with the wall. By the drop holder 12 in this embodiment, the width of the gap 8 is reduced so that a smaller drop 10 is used.
  • the line 14 is in This case of metal and designed in the manner of a spring, which ensures a flexible adaptation of the distance between the Trop ⁇ fenhalter 12 and the rotating part 6.
  • the line 14, the drop holder 12 and both parts 4, 6 are made of materials that are capable of electrical
  • the electrically conductive connection is made.
  • a separate, separated from the line 14 resilient or elastic element is provided which exerts a predetermined contact force on the droplets 10 on the ro ⁇ animal 6, so that at any time a safe Kon ⁇ tact is guaranteed.
  • a device 2 for the electrically conductive connection in an axial arrangement is shown in FIG.
  • the contact Zvi ⁇ takes place rule the liquid metal droplets 10 and the rotating part 6 on the end face of the rotating member 6.
  • the two parts 4 and 6, the line 14, the drop holder 12, and the drip water 10 are made of materials that allow transmission of electrical power or electrical signals.
  • the drop holder 12 has a recess 16 in which the drop 10 is inserted.
  • the drop holder 12 thus surrounds the drop 10 approximately annularly and prevents it from being entrained by the rotating part 6.
  • the droplet 10 further has a high surface tension and high viscosity that hold the molecules of the droplet 10 together.
  • the spherical shape of the droplet usually formed by the surface tension is deformed by the geometry of the depression 16 and additionally by the surface properties of the droplet holder 12 in the region of the depression 16.
  • the surface of the Trop ⁇ fenhalters 12 is formed such that the liquid metal drop 10 sticks to her well.
  • the drop 10 includes a contact angle ⁇ greater than 90 ° to the surface of the rotating part 6.
  • a magnet 18 is integrated in the drop holder 12. This magnet 18 may be designed in the manner of an electromagnet or permanent magnet.
  • FIG. 1 A third possibility to fix the drop 10 on the drop holder 12 is shown in FIG.
  • the drop holder 12 has a fluid channel 20 with an opening into the gap 8 annular outlet opening 22.
  • a shielding gas S containing no oxygen talltropfens, for example N 2 flows out of the initial opening 22 and escapes into the gap 8.
  • the out ⁇ flowing protective gas S forms an annular fluid pad 24 to the drops 10 around and thus prevents the Trop ⁇ fen 10 is entrained by the rotating part. 6
  • the outflowing protective gas S seals the droplets 10 from the environment and prevents the penetration of particles which could disturb the connection via the droplets 10.
  • the stationary part 4 has a U-shaped profile which surrounds the peripheral part 6, so that an approximately U-shaped space 26 is formed between the two parts 4, 6.
  • a seal 28 is ⁇ introduced and seals the U-shaped space 26 against the Atmo ⁇ sphere. It is important that no contact between the Atmo- sphere and the drop 10 is present.
  • the sealed space 26 contains the axially disposed drop holder 12 with liquid metal droplets 10.
  • the seal 28 is based on realized a ferrofluid. In the space 26 there is a gas or a liquid which does not chemically react with the liquid metal drop, or a vacuum.

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Abstract

Bei der Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall ist zwischen einem stationären Teil (4) und einem rotierenden Teil (6) ein Spalt (8) gebildet, der einen Flüssigmetalltropfen (10) enthält. Der Tropfen (10) ist insbesondere durch einen Tropfenhalter (12) gehalten, um ein Auseinanderlaufen des Tropfens (10) zu verhindern.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall und Anwendung einer solchen elektrisch leitenden Ver- bindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der das Flüs¬ sigmetall enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin die An¬ wendung einer solchen elektrisch leitenden Verbindung bei einem Elektromotor und bei der Gantry eines Computertomo¬ graphen .
Elektrische Leistung auf rotierende Maschinenteile zu über¬ tragen oder von ihnen abzuführen, setzt geeignete Stromverbindungen voraus. Elektrische Leistungsübertragung bei schnell rotierenden Maschinenteilen ist z.B. die Stromversor- gung des Rotors eines Elektromotors oder einer Wellenerdung. Oftmals müssen auch elektrische Signale aus einem rotierenden Maschinenteil abgeführt werden, wie z.B. Datenübertragung aus einer drehenden Gantry zum stationären Basissystem eines Computertomographen .
Eine Möglichkeit, um solche Stromverbindungen zu realisieren, bieten Schleifringe mit Kohle-, Silber- oder Goldbürsten. Dies führt allerdings zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Kontaktbereich gelangen und damit die Stromübertragung stören können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist ein re¬ gelmäßiger Bürstenwechsel erforderlich.
Eine alternative Möglichkeit für Übertragung elektrischer Leistung stellen elektrisch leitende Verbindungen über Flüssigmetalle dar. Aus der DE 103 60 548 Al geht eine Schleif¬ ringanordnung für eine elektrische Maschine hervor, bei der im Spalt zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil eine Flüssigmetalllegierung eingebracht ist, die den elektrischen Kontakt zwischen den zwei Teilen herstellt. Hierbei wird die Flüssigmetalllegierung durch die Kapillar- Wirkung des Spaltes zwischen den zwei Teilen gehalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und effektive elektrisch leitende Verbindung über Flüssigme¬ tall anzugeben. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anwendung einer solchen elektrisch leitende Verbindung anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwi- sehen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der das Flüssigmetall enthält, wobei das Flüssig¬ metall nach Art eines Tropfens ausgebildet ist.
Der wesentliche Vorteil dieser Vorrichtung ist darin zu se¬ hen, dass eine sichere elektrische Verbindung zwischen zwei zueinander bewegenden Teilen bei minimierten Flüssigmetallmenge gewährleistet ist. Im Unterschied zu den bekannten Vor¬ richtungen, bei denen ein umlaufender Ring aus Flüssigmetall um einen rotierenden Teil der elektrischen Maschine vorhanden ist, ist hierbei eine minimale Menge an Flüssigmetall vorge¬ sehen, die die Form eines Tropfens annimmt und eine sehr kos¬ tengünstige Realisierung der Verbindung ermöglicht. Der Kontakt zwischen den beiden Teilen über das Flüssigmetall er- folgt daher nur in einem oder wenigen begrenzten, insbesondere im Wesentlichen punktförmigen Teilbereichen. Unter tropfenartig wird hier allgemein verstanden, dass das Flüssigme¬ tall durch seine Oberflächenspannung und seine Kohäsions- kräfte zusammengehalten wird. Außerdem fallen aufgrund der Verschleißfreiheit dieser Flüssigmetallverbindung keine Wartungskosten an. Weiterhin weist diese Vorrichtung im Vergleich zu den herkömmlichen Flüssigmetallverbindungen eine kompaktere Bauweise auf, die auch bei großen Durchmessern der Wellen elektrischer Maschinen kostengünstig anwendbar ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass sie eine große Flexibilität für ein modulares System aus Standartkomponenten für unterschiedlichen Anwendungsfälle aufweist. Eine herkömmliche elektrischen Maschine kann durch das Einbringen von wenigen Hilfsmitteln, wie z.B. einem Tropfen Flüssigmetall, und einfache Anpassungen ihrer Konstruktion für die Stromübertragung über den Tropfen aus Flüssigmetall ausgelegt werden. Es können auch zwei oder mehrere Trop¬ fen im Spalt vorgesehen sein, die sich auf Abstand voneinan- der befinden.
Besonders geeignet ist die Verwendung einer solchen Vorrichtung für die Stromversorgung eines Rotors eines Elektromotors oder für die elektrische Anbindung einer rotierenden Gantry eines Computertomographen. Die elektrische Verbindung dient hierbei insbesondere sowohl zur elektrischen Versorgung der in der Gantry installierten Komponenten als auch für die Datenübertragung aus der Gantry. Der Tropfen kann dabei fixiert werden, so dass das rotierende Teil an ihm gleitet, oder al- ternativ kann der Tropfen mit dem rotierenden Teil mitrotieren. Voraussetzung für beide Ausgestaltungen ist, allerdings, das die Kontaktbereiche beider Teilen mit dem Flüssigmetall¬ tropfen derart ausgestaltet sind, dass sie elektrische Ströme übertragen können.
Vorzugsweise ist der Tropfen auf einem Tropfenhalter fixiert, welcher in der Lage ist, elektrische Ströme zu übertragen. Ein fixierter Tropfen hat gegenüber einem rotierenden Tropfen den Vorteil, dass durch einfache technische Mittel zum Fixie- ren des Tropfens eine besonders stabile und sichere Verbin¬ dung hergestellt wird und ein "Auseinanderlaufen" des Trop¬ fens sicher vermieden ist. Der Tropfen kann beispielweise durch eine geeignete Geometrie des Tropfenhalters am Tropfenhalter gehalten werden. So weist der Tropfenhalter bevorzugt eine Vertiefung zum Einlegen des Tropfens auf. Bei dieser Ausgestaltung spielen zwei Faktoren eine sehr wichtige Rolle zur Aufrechterhaltung des Tropfens und somit der elektrisch leitenden Verbindung. Der erste Faktor ist die räumliche Begrenzung des Tropfens durch die Wände der Vertiefung - sie umgeben ihn und verhindern, dass er bei der Bewegung des komplementären Teils der Maschine mitgerissen wird. Der zweite Faktor ist die Oberflächenspannung des Tropfens, durch deren Einfluss der Tropfen bestrebt ist, den Tropfen zusammenzuhalten und eine Kugelform zu erlangen. Eine große Oberflächenspannung des Tropfens ist dementsprechend von großem Vorteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tropfen durch Adhäsionskräfte fixierbar. Dies bedeutet, dass die Oberflä¬ chen der zwei Teile der elektrischen Maschine, mit denen der Tropfen in Kontakt kommt, unterschiedlich benetzt sind, was dazu führt, das der Tropfen an einer der Oberflächen besser haftet als an der anderen. Die unterschiedliche Benetzung wird zumindest unterstützt durch die unterschiedliche Ausbil¬ dung der Oberflächen des Tropfenhalters im Bereich der Ver- tiefung und der des rotierenden Teils. Ein Maß für die Adhäsionskräfte stellt der Kontaktwinkel dar - der Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffes zu dieser Oberfläche bildet. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt von der Wechselwir- kung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche ab. Je grö¬ ßer diese Wechselwirkung ist, desto kleiner wird der Kontaktwinkel. Ein kleiner Kontaktwinkel bedeutet, dass der Flüssig¬ keitstropfen gut an der FeststoffOberfläche haftet. Im Falle von einem fixierten Tropfen ist der Kontaktwinkel zwischen dem Tropfen und dem feststehenden Teil oder dem Tropfenhalter, falls einer vorgesehen ist, kleiner 90°, insbesondere kleiner 60°. Gleichzeitig ist der Kontaktwinkel zwischen dem Tropfen und dem anderen Teil der Maschine größer 90°.
Alternativ oder in Kombination mit den Adhäsionskräften ist der Tropfen durch Magnetfelder oder elektrische Felder fixierbar. Dabei werden die magnetischen oder dielektrischen Eigenschaften des Flüssigmetalls ausgenutzt, um den Tropfen im Spalt zwischen den zwei Teilen der elektrischen Maschine in wirksamer Weise zu fixieren und zu formen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist seitlich neben dem Tropfen ein Fluidkanal mit einer in den Spalt mündenden Austrittsöffnung zum Einstellen eines Fluidkissens vorgesehen. Insbesondere ist der Fluidkanal ringförmig ausgebildet und umgibt den Tropfenhalter oder die Stelle, an der der
Tropfen zur Oberfläche des einen Teils fixiert ist. Aus der Austrittsöffnung des Fluidkanals strömt kontinuierlich ein Fluid aus, welches den Tropfen in sich einschließt und Flüs¬ sigmetall, welches an der Oberfläche des komplementären Teils eventuell anhaftet, wirksam verdrängt. Ausreichend wäre es auch, wenn das Fluidkissen auf nur einer Seite des Tropfens gebildet wird, jedoch so positioniert, dass eine Bewegung des Tropfens, verursacht durch die Bewegung des komplementären Teils der elektrischen Maschine, verhindert wird.
Vorteilhafterweise ist für die Ausbildung des Fluidkissens ein Schutzgas vorgesehen. Somit wird ein geeigneter Schutz des Flüssigmetalltropfens gegen Oxidation oder andere chemi¬ sche Veränderungen gewährleistet. Als Schutzgas kann Stick- Stoff oder ein anderes Inertgas, welches keinen Sauerstoff enthält, verwendet werden. Das Schutzgas wird permanent aus der Austrittsöffnung ausgeblasen und entweicht dann in den Spalt. Im Falle von einem ringförmigen Fluidkanal spielt das Fluidkissen aus Schutzgas auch die Rolle einer Abdichtung.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist ein federndes oder elastisches Element vorgesehen, das insbesondere auf den Tropfenhalter einwirkt und somit auf den Tropfen eine Anpresskraft ausübt, so dass dieser mit einer vorbestimmten Kraft gegen beispielsweise den rotierenden Teil gepresst wird. Hierdurch ist ein sicherer und dauerhafter Kontakt mit geringem Kontaktwiderstand gewährleistet. Weiterhin von Vor¬ teil ist, dass der Tropfen von der Umgebungsatmosphäre abge¬ dichtet ist. Eine Abdichtung dichtet gegen atmosphärische Einflüsse, damit keine unerwünschte chemische Umwandlungen des Flüssigmetalltropfen stattfinden, und schützt gleichzei- tig auch gegen Eindringen von Fremdkörper, so dass eine Wartungsfreiheit gewährleistet ist. Wenn eine Abdichtung vorge¬ sehen ist kann auf ein Schutzgas verzichtet werden.
Die Abdichtung des Flüssigmetalltropfens gegenüber der Atmo- Sphäre geschieht in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung auf Basis von einem Ferrofluid oder einer anderen magnetisch leitenden Flüssigkeit. Zur Abdichtung eignen sich aber auch mechanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen, Radial- wellendichtungen oder Labyrinthdichtungen.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Vorrichtung zur elekt¬ risch leitenden Verbindung umfasst eine Heizung im Bereich dieser Verbindung. Dank der Heizung wir verhindert, dass die Erstarrungstemperatur des Flüssigmetalls bei dem vorhandenen Druck erreicht wird.
Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalle haben sich Gallium¬ oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn herausgestellt.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektromotor oder einen Computertomographen, der eine solche elektrisch leitenden Verbindung aufweist. Die in den vorhergehenden Ansprüchen angegebenen Vorteile und bevorzug- ten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf den Elektromotor oder den Computertomographen zu übertragen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei:
FIG 1 eine radiale Anordnung einer Vorrichtung zur elekt- risch leitenden Verbindung,
FIG 2 eine axiale Anordnung einer Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung,
FIG 3 einen Tropfenhalter mit einer Vertiefung zum Einlegen eines Tropfens, FIG 4 einen Tropfenhalter mit einem integrierten Magnet,
FIG 5 einen Tropfenhalter mit einem Fluidkanal, und
FIG 6 eine abgedichtete Vorrichtung zur elektrisch lei¬ tenden Verbindung.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Be¬ zugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt in einer radialen Anordnung eine Vorrichtung 2 zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten, stationären Teil 4 und einem zweiten rotierenden Teil 6 einer elektrischen Maschine, welche Teile 4, 6 einen Spalt 8 bil¬ den. Dieser ist in der Zeichnung stark überzeichnet dargestellt. Die Lagerung des rotierenden Teils 6 erfolgt aus¬ schließlich über das Flüssigmetall und es sind keine weiteren mechanischen Lager vorgesehen. Die Übertragung der elektrischen Leistung erfolgt über einen Flüssigmetalltropfen 10, der sich im Spalt 8 befindet. Der Tropfen 10 berührt die Um- fangsseite des rotierenden Teils 6. Der Flüssigmetalltropfen 10 ist auf einem Tropfenhalter 12 fixiert, der in dem Spalt 8 positioniert ist und mit dem stationären Teil 4 über eine
Leitung 14 verbunden ist, so dass er als Bauelement des sta¬ tionären Teils 4 angesehen werden kann. Der Tropfenhalter 12 kann auch aus der dem rotierenden Teil 6 zugewandte Seite des stationären Teils 4 herausragen oder mit ihr wandbündig aus- gestaltet sein. Durch den Tropfenhalter 12 in dieser Ausführungsform wird die Breite des Spaltes 8 reduziert so dass ein kleinerer Tropfen 10 verwendet wird. Die Leitung 14 ist in diesem Fall aus Metall und nach Art einer Feder ausgebildet, die eine flexible Anpassung des Abstandes zwischen dem Trop¬ fenhalter 12 und dem rotierenden Teil 6 gewährleistet. Die Leitung 14, der Tropfenhalter 12 sowie beide Teile 4, 6 be- stehen aus Materialien, die in der Lage sind elektrische
Ströme zu leiten. Somit wird die elektrisch leitenden Verbindung hergestellt. Alternativ zu der Ausbildung der Leitung 14 als federndes Element ist ein separates, von der Leitung 14 getrennt federndes oder elastisches Element vorgesehen, das auf den Tropfen 10 eine vorbestimmte Anpresskraft auf den ro¬ tierenden Teil 6 ausübt, so dass jederzeit ein sicherer Kon¬ takt gewährleistet ist.
Eine Vorrichtung 2 zur elektrisch leitenden Verbindung in ei- ner axialen Anordnung wird ist in FIG 2 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführung gemäß FIG 1 erfolgt der Kontakt zwi¬ schen dem Flüssigmetalltropfen 10 und dem rotierenden Teil 6 auf der Stirnseite des rotierenden Teils 6. Die zwei Teile 4 und 6, die Leitung 14, der Tropfenhalter 12, sowie der Trop- fen 10 sind aus Materialien ausgebildet, die eine Übertragung von elektrischer Leistung oder elektrischen Signalen ermöglichen .
Eine mögliche Ausbildung des Tropfenhalters 12, die eine si- chere Fixierung des Tropfens 10 auf dem Tropfenhalter 12 garantiert, ist schematisch in FIG 3 gezeigt. Der Tropfenhalter 12 weist eine Vertiefung 16 auf, in der der Tropfen 10 eingelegt ist. Der Tropfenhalter 12 umringt somit den Tropfen 10 in etwa ringförmig und verhindert, dass er von dem rotie- renden Teil 6 mitgerissen wird. Der Tropfen 10 weist weiterhin eine große Oberflächenspannung und hohe Viskosität auf, die die Moleküle des Tropfens 10 zusammenhalten. Die durch die Oberflächenspannung üblicherweise gebildete Kugelform des Tropfens wird durch Geometrie der Vertiefung 16 und ergänzend durch die Oberflächeneigenschaften des Tropfenhalters 12 im Bereich der Vertiefung 16 verformt. Die Oberfläche des Trop¬ fenhalters 12 ist derart ausgebildet, dass der Flüssigmetall- tropfen 10 an ihr gut haftet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Tropfens 10 im Bereich der Kontaktstelle mit dem rotierenden Teil 6 schließt der Tropfen 10 einen Kontaktwinkel α größer 90° zu der Oberfläche des rotierenden Teils 6 ein .
Eine weitere Möglichkeit für die Fixierung des Tropfens 10 auf dem Tropfenhalter 12 ist aus FIG 4 zu entnehmen. Hierbei werden die magnetischen Eigenschaften des Flüssigmetalls aus- genutzt. Für diesen Zweck wird ein Magnet 18 im Tropfenhalter 12 integriert. Dieser Magnet 18 kann nach Art eines Elektro- magnetes oder Permanentmagnetes ausgebildet sein.
Eine dritte Möglichkeit den Tropfen 10 auf dem Tropfenhalter 12 zu fixieren ist in FIG 5 dargestellt. Der Tropfenhalter 12 weist einen Fluidkanal 20 mit einer in den Spalt 8 mündenden ringförmige Austrittsöffnung 22 auf. Ein Schutzgas S, welches kein Sauerstoff enthält, um eine Oxidation des Flüssigme¬ talltropfens zu verhindern, z.B. N2, strömt aus der Aus- trittsöffnung 22 aus und entweicht in den Spalt 8. Das aus¬ strömende Schutzgas S bildet eine ringförmiges Fluidkissen 24 um den Tropfen 10 herum und verhindert somit, dass der Trop¬ fen 10 von dem rotierenden Teil 6 mitgerissen wird. Gleichzeitig dichtet das herausströmende Schutzgas S den Tropfen 10 von der Umgebung und verhindert das Eindringen von Partikeln, die die Verbindung über den Tropfen 10 stören könnten.
Ein anderer Weg zum Abdichten des Tropfens 10 ist in FIG 6 gezeigt. Das stationäre Teil 4 weist ein U-förmiges Profil auf, welches das umlaufende Teil 6 umgibt, so dass zwischen den beiden Teilen 4, 6 ein etwa U-förmiger Raum 26 gebildet ist. Um des rotierende Teil 6 ist eine Abdichtung 28 ange¬ bracht und dichtet den U-förmigen Raum 26 gegen die Atmo¬ sphäre ab. Wichtig ist, das kein Kontakt zwischen der Atmo- Sphäre und dem Tropfen 10 vorhanden ist. Der abgedichtete Raum 26 enthält den axial angeordnete Tropfenhalter 12 mit Flüssigmetalltropfen 10. Die Abdichtung 28 ist auf Basis von einem Ferrofluid verwirklicht. Im Raum 26 befindet sich ein Gas oder eine Flüssigkeit, welche chemisch nicht mit dem Flüssigmetalltropfen reagieren, oder ein Vakuum.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander bewegen- den Teilen (4, 6) einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen (4, 6) ein Spalt (8) gebildet ist, der das Flüs¬ sigmetall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall nach Art ei¬ nes Tropfens (10) ausgebildet ist.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) auf einem Tropfenhalter (12) fixiert ist, welcher in der Lage ist elektrischen Strom zu übertragen.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenhalter (12) eine Vertiefung (16) zum Einlegen des Tropfens (10) aufweist.
4. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) durch Adhäsi¬ onskräfte fixierbar ist.
5. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) durch Magnet¬ felder oder elektrische Felder fixierbar ist.
6. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben dem Tropfen (10] ein Fluidkanal (20) mit einer in den Spalt (8) mündenden Aus¬ trittsöffnung (22) zum Einstellen eines Fluidkissens (24) vorgehen ist.
7. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung des Fluid¬ kissens (24) ein Schutzgas (S) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein federndes Element (14) eine Anpresskraft auf den Tropfen (10) ausgeübt wird.
9. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfen (10) von der Umge¬ bungsatmosphäre abgedichtet ist.
10. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (28) aus einem Ferrofluid besteht.
11. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verbindung eine Heizung vorgesehen ist.
12. Vorrichtung (2) zur elektrisch leitenden Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigmetall Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen sind.
13. Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bei einem Elektromotor .
14. Anwendung einer elektrisch leitenden Verbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bei der Gantry eines Computertomographen.
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