EP2498347B1 - Drehübertrager - Google Patents

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EP2498347B1
EP2498347B1 EP20110157265 EP11157265A EP2498347B1 EP 2498347 B1 EP2498347 B1 EP 2498347B1 EP 20110157265 EP20110157265 EP 20110157265 EP 11157265 A EP11157265 A EP 11157265A EP 2498347 B1 EP2498347 B1 EP 2498347B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
porous material
electrically conductive
liquid metal
recess
metal alloy
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.)
Not-in-force
Application number
EP20110157265
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2498347A1 (de
Inventor
Joachim Denk
Ulrich Wetzel
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
Priority to EP20110157265 priority Critical patent/EP2498347B1/de
Publication of EP2498347A1 publication Critical patent/EP2498347A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2498347B1 publication Critical patent/EP2498347B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/30—Liquid contacts
    • 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 rotary transformer, wherein the rotary transformer has an electrically conductive first element and an electrically conductive second element, wherein the first and the second element are arranged rotatably to each other, wherein the first and the second element are arranged separated by a gap from each other, wherein in the gap an electrically conductive liquid metal alloy is arranged.
  • an electric current often has to be transmitted from a stationary to a rotating system or vice versa.
  • rotary joints which usually transmit electric current based on slip rings.
  • slip rings sliding contacts are subject to a temporally progressive mechanical abrasion. Consequently, an uninterrupted transmission of electric current over a long period of time, especially with a large mechanical load of the rotary transformer (for example, at high speeds or high currents) can be ensured only with great effort.
  • Rotary transformers which use liquid metal alloys instead of the conventional slip rings.
  • a current transmission surface is provided in each case on a stationary part and on a part of the rotary transformer rotating relative thereto, wherein a gap is arranged between the two current transmission surfaces in which the liquid metal alloy is introduced.
  • the liquid metal alloy By the liquid metal alloy, an electrically conductive connection is created between the two parts, which does not affect the rotation of the rotating part relative to the stationary part.
  • a rotary transformer in which a chamber filled with a conductive liquid rotates about an axis and a ring fixed relative to the rotating chamber projects into the chamber with the conductive liquid. So that there is always enough liquid in the rotating chamber, this has on its two side walls on two annular recesses which are filled with a porous material and absorb the conductive liquid like a sponge.
  • a rotary transformer wherein the rotary transformer has an electrically conductive first element and an electrically conductive second element, wherein the first and the second element are arranged rotatably to each other, wherein the first and the second element are arranged separated by a gap , wherein in the gap an electrically conductive liquid metal alloy is arranged, wherein the first element on its side facing the second element has a first recess and the second element has on its side facing the first element a second recess, wherein in the first and second recesses is arranged electrically conductive first porous material, wherein the liquid metal alloy is an electrically conductive connection between the arranged in the first recess electrically conductive first porous material and the second recess arranged in the electrically conductive first porous Materia l produces.
  • a second porous material is arranged between the first porous material arranged in the first recess and the first element, and between the first porous material arranged in the second recess and the second element.
  • the first element has on its side facing the second element a plurality of mutually separate first recesses and the second element has on its side facing the first element a plurality of mutually separate second recesses, wherein in the first and second Recesses an electrically conductive porous material is arranged, wherein the liquid metal alloy produces an electrically conductive connection between the arranged in the first recesses electrically conductive first porous material and the arranged in the second recesses electrically conductive first porous material.
  • the second porous material has ceramic particles and metal particles. This ensures a particularly reliable retention of the liquid metal alloy in the gap.
  • the ceramic particles are made of aluminum oxide, since ceramic particles can be produced in a particularly simple manner from aluminum oxide.
  • the second porous material has metal particles, wherein a part of the metal particles has a non-stick coating. As a result, a particularly secure retention of the liquid metal alloy is ensured in the gap.
  • the non-stick coating is in the form of a ceramic coating, since a ceramic coating has a particularly good anti-adhesive effect against the liquid metal.
  • the ceramic coating consists of aluminum oxide, since the ceramic coating can be made in a particularly simple manner of aluminum oxide.
  • the first porous material has metal particles, since then the first porous material has a particularly good adhesion to the liquid metal.
  • the metal particles have molybdenum, titanium or iron.
  • the metals molybdenum, titanium or iron are particularly suitable for the production of metal particles.
  • FIG. 1 Shown in the form of a schematic representation of an inventive rotary transformer 1, wherein for the sake of clarity, only the essential elements of the understanding of the invention elements of the rotary transformer are shown.
  • FIG. 2 is shown in the form of a schematic representation of a sectional view of the rotary transformer according to the invention and in FIG. 3 is a detail view of FIG. 2 shown.
  • the rotary transformer 1 has an electrically conductive, preferably annularly designed first element 2 and an electrically conductive, preferably annular, second element 3.
  • the first and the second element are arranged rotatably relative to one another.
  • the second element 3 is rotatably arranged and the first element 2 is arranged stationary.
  • the second element 3 for example with a rotatably mounted motor shaft or generator shaft, be rotatably connected so that it rotates with the motor or generator shaft and the first element 2 is arranged at rest.
  • the second element 3 rotates during operation of the rotary transformer in the direction of rotation R.
  • the first element 2 is arranged circumferentially around the second element 3.
  • a gap 4 is arranged, the width of the sake of clarity in FIG. 1 wider than shown in reality.
  • the second element 3 rotates during operation of the rotary transformer 1 about the axis of rotation Z of the rotary transformer in the direction of rotation R.
  • an electrical connection element 5 is attached to connect an electrical line 6.
  • an electrical connection element 5 is attached to the second element 3 for connecting an electrical line 6.
  • an electrically conductive liquid metal alloy 8 which causes an electrically conductive connection between the first and second elements 2 and 3.
  • the first element 2 and the second element 3 are preferably in the form of metal rings, which may consist of steel, for example.
  • the first element 2 has a first recess 15a on its side 9a facing the second element 3, and the second element 3 has a second recess 15b on its side 9b facing the first element 2.
  • the first and the second recess preferably have a rectangular cross section and are preferably in the form of a groove which is introduced into the respective element.
  • an electrically conductive first porous material is arranged in the first and the second recess 15a and 15b, wherein the liquid metal alloy forms an electrically conductive connection between the electrically conductive first porous material 7 arranged in the first recess 15a and the electrically conductive one arranged in the second recess first porous material 7 produces.
  • FIG. 4 is that in FIG. 3 shown on the left side shown first porous material 7, wherein in FIG. 4 the same elements are provided with the same reference numerals as in 1 to FIG. 3 ,
  • the first porous material due to its porosity and its associated high surface area, strongly attracts the liquid metal alloy and thereby holds the liquid metal alloy in the gap between the first and second elements 2 and 3.
  • the first porous material 7 is preferably made of metal particles, for the sake of clarity in FIG. 4 only a metal particle 11 is provided with a reference numeral. A part of the liquid metal alloy 8 is thus sucked into the cavities arranged between the metal particles, whereby the liquid metal alloy 8 adheres very well to the first porous material 7.
  • the first porous material 7 has a high adhesion effect.
  • the metal particles are preferably molybdenum, titanium or iron and are preferably predominantly or wholly molybdenum, titanium or iron.
  • FIG. 10 is a detail view on the arranged in the first recess 15 a, in FIG. 3 shown on the right side shown first porous material, wherein in FIG. 10 the same elements are provided with the same reference numerals as in FIG. 4 ,
  • a preferably electrically conductive second porous material 10 may be arranged between the first porous material 7 arranged in the first recess 15a and the first element 2, and between the first porous material 7 arranged in the second recess 15b and the second element 3, a preferably electrically conductive second porous material 10 may be arranged.
  • FIG. 5 the second porous material 10 arranged between the second element 3 and the first porous material 7 is shown.
  • FIG. 9 is that too FIG. 5 corresponding representation with respect to the arranged between the first element 2 and the first porous material 7 second porous material 10 is shown.
  • the second porous material 10 has ceramic and metal particles, with only one metal particle 11 'and one ceramic particle 12 being provided with a reference symbol for the sake of clarity.
  • the second porous material 10 consists of a mixture of ceramic and metal particles.
  • the ceramic particles are preferably made of aluminum oxide.
  • the metal particles of the second porous material 10 are preferably made of the same material as the first porous material 7.
  • the ceramic particles have a repellent effect on the liquid metal alloy. This ensures that the layer consisting of the second porous material is not completely soaked with the liquid metal alloy, but still remain between the individual particles of the second porous material cavities that remain empty during normal operation of the rotary transformer, ie in the no liquid metal alloy is involved.
  • the non-stick effect of the ceramic particles on the liquid metal alloy prevents the second porous material from becoming completely saturated with the liquid metal alloy. Under extreme conditions, if eg due to High centrifugal forces caused by high rotational speeds or vibration coupling by external sources and acting on the liquid metal alloy, thus leaving a reservoir into which the liquid metal alloy can still penetrate in these extreme cases, so that no liquid metal alloy emerges from the gap.
  • a type of sponge is created, which does not fully soak in normal operation of the rotary transformer with the liquid metal alloy, so that even under extreme conditions ensures that a residual suction on the liquid metal alloy is maintained and thus this remains in the gap 4.
  • the second porous material a kind of pumping action is generated, which ensures that even under extreme conditions in which high forces act on the liquid metal, this is securely held in the gap.
  • the second porous material 10 may also have metal particles 11 'coated with a non-stick coating 13.
  • the second porous material thus comprises metal particles, with a portion of the metal particles having a non-stick coating.
  • the metal particles of the second porous material 10 preferably consist of the same material as the metal particles of the first porous material.
  • the non-stick coating 13 may e.g. in the form of a ceramic coating, which preferably consists of aluminum oxide.
  • the operating principle is otherwise the same as in the embodiment in which the second porous material consists of a mixture of metal particles and ceramic particles.
  • the liquid metal is strongly attracted by the first and if present by the second porous material, it is securely held in the gap 4, which has a favorable effect on the manufacturing cost of the rotary transformer 1, since the gap 4 can be increased and thus the dimensions of the first and second elements of the rotary transformer can have greater tolerances and still a very reliable holding of the liquid metal alloy is ensured in the gap.
  • FIG. 8 a further embodiment of the rotary transformer 1 according to the invention is shown, wherein in 7 and FIG. 8 the same elements are provided with the same reference numerals as in 1 to FIG. 3 ,
  • the first element 2 on its second element 3 facing side 9a a plurality of mutually separate first recesses 15a 'and the second element 3 on its the first element 2 side facing 9b a plurality of separate second recesses 15b 'up.
  • the recesses are separated by partitions, with the sake of clarity in FIG. 7 only the partitions 14a and 14b are provided with reference numerals.
  • the first and the second recesses 15a 'and 15b' are arranged one behind the other in the direction of rotation R and in the context of the exemplary embodiment consist of grooves which have been introduced into the first and second elements 2 and 3, for example by milling.
  • FIG. 7 For the sake of clarity, the electrical connection elements and the electrical lines to the connection elements are not shown, and the first element 2 and the second element 3 are shown offset in the direction of the rotation axis Z.
  • FIG. 8 is a sectional view of the embodiment according to FIG. 7 represented, wherein like elements are provided with the same reference numerals as in FIG. 7 , Otherwise, the arrangement as well as the mode of action of the first and preferably present second porous material arranged in the first and second recesses corresponds exactly to that described in the first embodiment of the invention.
  • the only difference of the embodiment according to 7 and FIG. 8 Compared to the first embodiment is that the first and second recesses described therein in the second Embodiment are performed segmented.
  • the influence of the weight and the resulting uneven mass distribution of the liquid metal alloy in the gap can be greatly reduced because, when the rotation axis Z extends in the horizontal direction, and the rotary transformer is thus upright, the liquid metal can not collect more in the lower region of the gap 4, while the upper portion of the gap 4 is not or only insufficiently electrically bridged by the liquid metal.
  • the first and the porous material may e.g. in the form of powder metallurgically produced solids, in particular in the form of powder metallurgically produced solid state rings.
  • the first element can at the same time, in many cases, take over the function of the mechanical mounting of the second element 3 arranged rotatably in the exemplary embodiment, similar to a plain bearing bush soaked in lubricant.
  • the mechanical structure of the rotary transformer can be considerably simplified.

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  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager, wobei der Drehübertrager ein elektrisch leitendes erstes Element und ein elektrisch leitendes zweites Element aufweist, wobei das erste und das zweite Element zueinander drehbar angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt von einander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung angeordnet ist.
  • Insbesondere auf dem technischen Gebiet der Automatisierungstechnik muss häufig ein elektrischer Strom von einem ruhenden auf ein rotierendes System oder umgekehrt übertragen werden. Hierzu werden Drehübertrager eingesetzt, die üblicherweise auf Basis von Schleifringen den elektrischen Strom übertragen. Die bei einer Übertragung mittels Schleifringen notwendigen Schleifkontakte unterliegen allerdings einem zeitlich fortschreitenden mechanischen Abrieb. Demzufolge kann eine unterbrechungsfreie Übertragung des elektrischen Stroms über einen längeren Zeitraum, besonders bei einer großen mechanischen Belastung des Drehübertragers (z.B. bei hohen Drehzahlen oder hohen Strömen), nur mit hohem Aufwand gewährleistet werden.
  • Aus der WO 2005/062432 A1 und der WO 2007/147657 A1 sind Drehübertrager bekannt, die anstelle der herkömmlichen Schleifringe Flüssigmetalllegierungen verwenden. Hierzu wird an einem ruhenden Teil und an einem gegenüber diesem rotierenden Teil des Drehübertragers jeweils eine Stromübertragungsfläche bereitgestellt, wobei zwischen den beiden Stromübertragungsflächen ein Spalt angeordnet ist, in dem die Flüssigmetalllegierung eingebracht wird. Durch die Flüssigmetalllegierung wird zwischen den beiden Teilen eine elektrisch leitende Verbindung geschaffen, die die Drehbarkeit des rotierenden Teils gegenüber dem ruhenden Teil nicht beeinträchtigt. Ein Problem, das bei Drehübertragern auftritt, die auf Basis einer Flüssigmetalllegierung eine elektrische Verbindung herstellen, ist die sichere Fixierung der Flüssigmetalllegierung im Spalt zwischen den beiden relativ zueinander beweglichen Kontaktflächen des rotierenden und des ruhenden Teils des Drehübertragers. Bei handelüblichen Drehübertragern, die anstelle der herkömmlichen Schleifringe, Flüssigmetalllegierungen verwenden, muss häufig allein die zwischen der Flüssigmetalllegierung und den Kontaktflächen wirkende Adhäsionskraft diese Fixierung gewährleisten.
  • Durch betriebsbedingte Effekte können Kräfte auf die Flüssigmetalllegierung wirken, wodurch es zum Austritt der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt kommen kann. Ursachen für diese nachteiligen Effekte können z.B. sein:
    • ungleichmäßige Massenverteilung des Flüssigmetalls im Spalt durch plötzliche Lageänderung des Drehübertragers
    • Zentrifugalkraft bei hohen Drehzahlen (Schleuderwirkung)
    • Schwingungseinkopplung auf die Flüssigmetalllegierung durch externe Quellen
    • turbulente Strömungen in der Flüssigmetalllegierung bei bestimmten Drehzahlen
  • In der WO 2005/062432 A1 wird mit Hilfe einer einstellbaren Oberflächenmodifikation an der den Stromübertragungsflächen angrenzenden Elementen ein ungewolltes Austreten der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt verhindert. Eine solche Lösung verlangt aber eine ausreichend kleine Spaltbreite, die wiederum enge mechanische Toleranzen des ruhenden und rotierenden Teils des Drehübertragers fordert. Dies wiederum macht Herstellung und Montage des gesamten Drehübertragers aufwändig. Weiterhin kann bei hohen dynamischen Bewegungen des rotierenden Teils des Drehübertragers die hieraus resultiernde Kraftwirkung auf die Flüssigmetalllegierung derart groß werden, dass diese Barriere durchbrochen wird und die Flüssigmetalllegierung trotz der Oberflächenmodifikation aus dem Spalt austritt. Ebenso kann sich durch eine Änderung der Temperatur- und Druckverhältnisse im Spalt das Volumen der Flüssigmetalllegierung derart ändern, dass ein zuverlässiges Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt nicht mehr gegeben ist.
  • Aus der EP 2146403 A1 ist ein auf einer Flüssigmetalllegierung basierender Drehübertrager bekannt.
  • Aus der Patentschrift US 2,890,304 ist ein Drehübertrager bekannt, bei dem eine mit einer leitfähigen Flüssigkeit gefüllte Kammer um eine Achse rotiert und ein relativ zu der rotierenden Kammer feststehender Ring in die Kammer mit der leitenden Flüssigkeit hineinragt. Damit stets genügend Flüssigkeit in der rotierenden Kammer vorhanden ist, weist diese an ihren beiden Seitenwänden zwei ringförmige Ausnehmungen auf, die mit einem porösen Material gefüllt sind und die leitfähige Flüssigkeit schwammartig aufsaugen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Drehübertrager zu schaffen, bei dem ein zuverlässiges Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt des Drehübertragers gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehübertrager, wobei der Drehübertrager ein elektrisch leitendes erstes Element und ein elektrisch leitendes zweites Element aufweist, wobei das erste und das zweite Element zueinander drehbar angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt voneinander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung angeordnet ist, wobei das erste Element an seiner dem zweiten Element zugewandten Seite eine erste Ausnehmung aufweist und das zweite Element an seiner dem ersten Element zugewandten Seite eine zweite Ausnehmung aufweist, wobei in der ersten und zweiten Ausnehmung ein elektrisch leitendes erstes poröses Material angeordnet ist, wobei die Flüssigmetalllegierung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem in der ersten Ausnehmung angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material und dem in der zweiten Ausnehmung angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material herstellt. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zwischen dem in der ersten Ausnehmung angeordneten ersten porösen Material und dem ersten Element, und zwischen dem in der zweiten Ausnehmung angeordneten ersten porösen Material und dem zweiten Element ein zweites poröses Material angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders sicheres Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt gewährleistet.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Element an seiner dem zweiten Element zugewandten Seite mehrere von einander getrennte erste Ausnehmungen aufweist und das zweite Element an seiner dem ersten Element zugewandten Seite mehrere von einander getrennte zweite Ausnehmungen aufweist, wobei in den ersten und zweiten Ausnehmungen ein elektrisch leitendes poröses Material angeordnet ist, wobei die Flüssigmetalllegierung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem in den ersten Ausnehmungen angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material und dem in den zweiten Ausnehmungen angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material herstellt. Durch diese Maßnahme kann der Einfluss der Gewichtskraft und eine daraus resultierende ungleichmäßige Massenverteilung des Flüssigmetalls im Spalt reduziert werden, wodurch ein besonders zuverlässiges Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt sichergestellt wird.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite poröse Material Keramikpartikel und Metallpartikel aufweist. Hierdurch wird ein besonders zuverlässiges Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt sichergestellt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Keramikpartikel aus Aluminiumoxid bestehen, da Keramikpartikel auf besonders einfache Art und Weise aus Aluminiumoxid hergestellt werden können.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite poröse Material Metallpartikel aufweist, wobei ein Teil der Metallpartikel eine Antihaftbeschichtung aufweist. Hierdurch wird ein besonders sicheres Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt gewährleistet.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Antihaftbeschichtung in Form einer Keramikbeschichtung vorliegt, da eine Keramikbeschichtung eine besonders gute Antihaftwirkung gegenüber dem Flüssigmetall aufweist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Keramikbeschichtung aus Aluminiumoxid besteht, da die Keramikbeschichtung auf besonders einfache Art und Weise aus Aluminiumoxid hergestellt werden kann.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste poröse Material Metallpartikel aufweist, da dann das erste poröse Material eine besonders gute Adhäsionswirkung auf die Flüssigmetall aufweist.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Metallpartikel Molybdän, Titan oder Eisen aufweisen. Die Metalle Molybdän, Titan oder Eisen eignen sich besonders gut zur Herstellung der Metallpartikel.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    einen erfindungsgemäßen Drehübertrager in Form einer schematisierten perspektivischen Ansicht,
    FIG 2
    eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drehübertragers,
    FIG 3
    eine Detailansicht der Schnittansicht gemäß FIG 2,
    FIG 4
    eine Detailansicht auf das in der zweiten Ausnehmung angeordnete erste poröse Material,
    FIG 5
    eine Detailansicht auf das in der zweiten Ausnehmung angeordnete erste und zweite poröse Material,
    FIG 6
    ein mit einer Antihaftbeschichtung 13 versehener Metallpartikel,
    FIG 7
    ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehübertragers in Form einer schematisierten perspektivischen Ansicht,
    FIG 8
    eine Schnittansicht der weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehübertragers,
    FIG 9
    eine Detailansicht auf das in der ersten Ausnehmung angeordnete erste und zweite poröse Material und
    FIG 10
    eine Detailansicht auf das in der ersten Ausnehmung angeordnete erste poröse Material.
  • In FIG 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung ein erfindungsgemäßer Drehübertrager 1 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente des Drehübertragers dargestellt sind. In FIG 2 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drehübertragers dargestellt und in FIG 3 ist eine Detailansicht von FIG 2 dargestellt.
  • Der Drehübertrager 1 weist ein elektrisch leitendes, vorzugsweise ringförmig ausgebildetes erstes Element 2 und ein elektrisch leitendes, vorzugsweise ringförmig ausgebildetes zweites Element 3 auf. Das erste und das zweite Element sind zueinander drehbar angeordnet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist das zweite Element 3 drehbar angeordnet und das erste Element 2 ruhend angeordnet. Dies kann jedoch auch genau umgekehrt sein. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels kann das zweite Element 3, z.B. mit einer drehbar angeordneten Motorwelle oder Generatorwelle, drehfest verbunden sein, so dass dieses mit der Motor- oder Generatorwelle mit rotiert und das erste Element 2 ist ruhend angeordnet. Das zweite Element 3 rotiert beim Betrieb des Drehübertragers in Rotationsrichtung R. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist das erste Element 2 um das zweite Element 3 umlaufend angeordnet. Zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 ist ein Spalt 4 angeordnet, dessen Breite der Übersichtlichkeit halber in FIG 1 breiter als in der Realität dargestellt ist. Das zweite Element 3 rotiert beim Betrieb des Drehübertragers 1 um die Rotationsachse Z des Drehübertragers in Rotationsrichtung R. An dem ersten Element 2 ist zum Anschluss einer elektrischen Leitung 6 ein elektrisches Anschlusselement 5 angebracht. Weiterhin ist an das zweite Element 3 zum Anschluss einer elektrischen Leitung 6 ein elektrisches Anschlusselement 5 angebracht. Wie in FIG 2 und FIG 3 dargestellt, ist im Spalt 4 eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung 8 angeordnet, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Element 2 und 3 bewirkt. Das erste Element 2 und das zweite Element 3 sind vorzugsweise in Form von Metallringen, die z.B. aus Stahl bestehen können, ausgebildet. Das erste Element 2 weist an seiner dem zweiten Element 3 zugewandten Seite 9a eine erste Ausnehmung 15a auf und das zweite Element 3 weist an seiner dem ersten Element 2 zugewandten Seite 9b eine zweite Ausnehmung 15b auf. Die erste und die zweite Ausnehmung weisen dabei vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf und sind vorzugsweise in Form einer Nut, welche in das jeweilige Element eingebracht ist, ausgebildet. Erfindungsgemäß ist in der ersten und der zweiten Ausnehmung 15a und 15b ein elektrisch leitendes erstes poröses Material angeordnet, wobei die Flüssigmetalllegierung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem in der ersten Ausnehmung 15a angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material 7 und dem in der zweiten Ausnehmung angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material 7 herstellt.
  • In FIG 4 ist das in FIG 3 linkseitig dargestellte erste poröse Material 7 vergrößert dargestellt, wobei in FIG 4 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in FIG 1 bis FIG 3. Das erste poröse Material zieht infolge seiner Porosität und seiner damit verbundenen großen Oberfläche die Flüssigmetalllegierung stark an und hält die Flüssigmetalllegierung hierdurch im Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Element 2 und 3. Das erste poröse Material 7 besteht vorzugsweise aus Metallpartikeln, wobei der Übersichtlichkeit halber in FIG 4 nur ein Metallpartikel 11 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Ein Teil der Flüssigmetalllegierung 8 wird somit in die zwischen den Metallpartikeln angeordneten Hohlräume hineingesogen, wodurch die Flüssigmetalllegierung 8 sehr gut an dem ersten porösen Material 7 haftet. Das erste poröse Material 7 hat eine hohe Adhäsionswirkung. Die Metallpartikel weisen vorzugsweise Molybdän, Titan oder Eisen auf und bestehen vorzugsweise überwiegend oder vollständig aus Molybdän, Titan oder Eisen. In FIG 10 ist eine Detailansicht auf das in der ersten Ausnehmung 15a angeordnete, in FIG 3 rechtsseitig dargestellte erste poröse Material dargestellt, wobei in FIG 10 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in FIG 4.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann zusätzlich zwischen dem in der ersten Ausnehmung 15a angeordneten ersten porösen Material 7 und dem ersten Element 2, und zwischen dem in der zweiten Ausnehmung 15b angeordneten ersten porösen Material 7 und dem zweiten Element 3 ein vorzugsweise elektrisch leitendes zweites poröses Material 10 angeordnet sein. In FIG 5 ist das zwischen dem zweiten Element 3 und dem ersten porösen Material 7 angeordnete zweite poröse Material 10 dargestellt. In FIG 9 ist die zu FIG 5 korrespondierende Darstellung bezüglich des zwischen dem ersten Element 2 und dem ersten porösen Material 7 angeordneten zweiten porösen Material 10 dargestellt.
  • Das zweite poröse Material 10 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels Keramik- und Metallpartikel auf, wobei der Übersichtlichkeit halber nur ein Metallpartikel 11' und ein Keramikpartikel 12 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Das zweite poröse Material 10 besteht aus einem Gemisch von Keramik- und Metallpartikeln. Die Keramikpartikel bestehen dabei vorzugsweise aus Aluminiumoxid. Die Metallpartikel des zweiten porösen Materials 10 bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie das erste poröse Material 7. Die Keramikpartikel haben eine abstoßende Wirkung auf die Flüssigmetalllegierung. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Schicht, die aus dem zweiten porösen Material besteht, nicht vollständig mit der Flüssigmetalllegierung vollsaugt, sondern noch zwischen den einzelnen Partikeln des zweiten porösen Materials Hohlräume verbleiben, die im Normalbetrieb des Drehübertragers leer bleiben, d.h. in die keine Flüssigmetalllegierung hineingezogen wird. Durch die Antihaftwirkung der Keramikpartikel auf die Flüssigmetalllegierung wird verhindert, dass sich das zweite poröse Material vollständig mit der Flüssigmetalllegierung vollsaugt. Unter Extrembedingungen, wenn z.B. infolge von hohen Drehzahlen hohe Zentrifugalkräfte oder eine Schwingungseinkopplung durch externe Quellen hervorgerufen wird und auf die Flüssigmetalllegierung einwirken, verbleibt somit ein Reservoir in die in diesen Extremfällen die Flüssigmetalllegierung noch eindringen kann, so dass keine Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt austritt. Durch die Schicht aus dem zweiten porösen Material im Zusammenwirken mit der Schicht aus dem ersten porösen Material wird eine Art von Schwamm geschaffen, der sich bei Normalbetrieb des Drehübertragers nicht vollständig mit der Flüssigmetalllegierung vollsaugt, so dass auch bei Extrembedingungen sichergestellt ist, dass eine Restsaugwirkung auf die Flüssigmetalllegierung aufrechterhalten wird und dieses somit im Spalt 4 verbleibt. Durch das zweite poröse Material wird eine Art Pumpwirkung erzeugt, die sicherstellt, dass auch unter Extrembedingungen, bei denen hohe Kräfte auf das Flüssigmetall einwirken, dieses sicher im Spalt gehalten wird.
  • Alternativ kann, wie in FIF 6 dargestellt, anstelle der Keramikpartikel das zweite poröse Material 10 auch mit einer Antihaftbeschichtung 13 überzogene Metallpartikel 11' aufweisen. Das zweite poröse Material weist somit Metallpartikel auf, wobei ein Teil der Metallpartikel eine Antihaftbeschichtung aufweist. Die Metallpartikel des zweiten porösen Materials 10 bestehen dabei vorzugsweise aus dem selben Material wie die Metallpartikel des ersten porösen Materials. Die Antihaftbeschichtung 13 kann z.B. in Form einer Keramikbeschichtung vorliegen, wobei diese vorzugsweise aus Aluminiumoxid besteht. Das Wirkprinzip ist ansonsten das gleiche wie bei der Ausführungsform, bei der das zweite poröse Material aus einer Mischung aus Metallpartikeln und Keramikpartikeln besteht.
  • Dadurch, dass das Flüssigmetall durch das erste und falls vorhanden durch das zweite poröse Material stark angezogen wird, wird es sicher im Spalt 4 gehalten, was sich günstig auf den Herstellungsaufwand des Drehübertragers 1 auswirkt, da dessen Spalt 4 vergrößert werden kann und somit die Abmessungen des ersten und zweiten Elements des Drehübertragers größere Toleranzen aufweisen können und trotzdem ein sehr zuverlässiges Halten der Flüssigmetalllegierung im Spalt sichergestellt ist.
  • In FIG 7 und FIG 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehübertragers 1 dargestellt, wobei in FIG 7 und FIG 8 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in FIG 1 bis FIG 3. Im Unterschied zur oben beschriebenen Ausführungsform weist bei dieser Ausführungsform das erste Element 2 an seiner dem zweiten Element 3 zugewandten Seite 9a mehrere voneinander getrennte erste Ausnehmungen 15a' auf und das zweite Element 3 an seiner dem ersten Element 2 zugewandten Seite 9b mehrere voneinander getrennte zweite Ausnehmungen 15b' auf. Die Ausnehmungen sind durch Trennwände voneinander getrennt, wobei der Übersichtlichkeit halber in FIG 7 nur die Trennwände 14a und 14b mit Bezugszeichen versehen sind. Die ersten und die zweiten Ausnehmungen 15a' und 15b' sind in Rotationsrichtung R hintereinander angeordnet und bestehen im Rahmen des Ausführungsbeispiels aus Nuten, welche in das erste und zweite Element 2 und 3, durch z.B. eine Fräsbearbeitung, eingebracht wurden. In FIG 7 sind der Übersichtlichkeit halber die elektrischen Anschlusselemente sowie die elektrischen Leitungen zu den Anschlusselementen nicht dargestellt und das erste Element 2 und das zweite Element 3 in Richtung der Rotationsachse Z versetzt dargestellt.
  • In FIG 8 ist eine Schnittzeichnung der Ausführungsform gemäß FIG 7 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in FIG 7. Ansonsten entspricht die Anordnung wie auch die Wirkungsweise des in den ersten und zweiten Ausnehmungen angeordneten ersten und vorzugsweise vorhandenen zweiten porösen Materials exakt dem wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der einzige Unterschied der Ausführungsform gemäß FIG 7 und FIG 8 gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die dort beschriebene erste und zweite Ausnehmung bei der zweiten Ausführungsform segmentiert ausgeführt sind. Durch das Vorhandensein von mehreren ersten und zweiten Ausnehmungen, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, kann der Einfluss der Gewichtskraft und die daraus resultierende ungleichmäßige Massenverteilung der Flüssigmetalllegierung im Spalt stark reduziert werden, da, wenn die Rotationsachse Z in waagrechter Richtung verläuft, und der Drehübertrager somit aufrecht steht, das Flüssigmetall sich nicht im unteren Bereich des Spalts 4 mehr sammeln kann, während der obere Bereich des Spalts 4 nicht oder nur unzureichend vom Flüssigmetall elektrisch überbrückt wird.
  • Das erste und das poröse Material können z.B. in Form von pulvermetallurgisch hergestellten Festkörpern, insbesondere in Form von pulvermetallurgisch hergestellten Festkörperingen vorliegen. Dabei werden die Partikel aus denen das erste und/oder das zweite poröse Material besteht in die Ausnehmungen eingebracht und anschließend stark erhitzt, wodurch die Partikel miteinander verbacken und das poröse Material entsteht und eine feste Form annimmt.
  • Weiterhin kann durch die sehr gute Adhäsionswirkung des ersten porösen Materials das erste Element gleichzeitig in vielen Fällen auch, ähnlich wie bei einer mit Schmierstoff getränkten Gleitlagerbuchse, die Funktion der mechanischen Lagerung des im Rahmen des Ausführungsbeispiels rotierbar angeordneten zweiten Elements 3 übernehmen. Hierdurch kann der mechanische Aufbau des Drehübertragers erheblich vereinfacht werden.

Claims (11)

  1. Drehübertrager, wobei der Drehübertrager (1) ein elektrisch leitendes erstes Element (2) und ein elektrisch leitendes zweites Element (3) aufweist, wobei das erste und das zweite Element (2,3) zueinander drehbar angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Element (2,3) durch einen Spalt (4) von einander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt (4) eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung (8) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (2) an seiner dem zweiten Element (3) zugewandten Seite (9a) eine erste Ausnehmung (15a) aufweist und das zweite Element (3) an seiner dem ersten Element (2) zugewandten Seite (9b) eine zweite Ausnehmung (15b) aufweist, wobei in der ersten und zweiten Ausnehmung (15a,15b) ein elektrisch leitendes erstes poröses Material (7) angeordnet ist, wobei die Flüssigmetalllegierung (8) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem in der ersten Ausnehmung (15a) angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material (7) und dem in der zweiten Ausnehmung (15b) angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material (7) herstellt.
  2. Drehübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem in der ersten Ausnehmung (15a) angeordneten ersten porösen Material (7) und dem ersten Element (2), und zwischen dem in der zweiten Ausnehmung (15b) angeordneten ersten porösen Material (7) und dem zweiten Element (3) ein zweites poröses Material (10) angeordnet ist.
  3. Drehübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (2) an seiner dem zweiten Element (3) zugewandten Seite (9a) mehrere von einander getrennte erste Ausnehmungen (15a') aufweist und das zweite Element(3) an seiner dem ersten Element (2) zugewandten Seite (9b) mehrere von einander getrennte zweite Ausnehmungen (15b') aufweist, wobei in den ersten und zweiten Ausnehmungen (15a',15b') ein elektrisch leitendes erstes poröses Material angeordnet ist, wobei die Flüssigmetalllegierung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem in den ersten Ausnehmungen angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material und dem in den zweiten Ausnehmungen angeordneten elektrisch leitenden ersten porösen Material herstellt.
  4. Drehübertrager nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem in den ersten Ausnehmungen (15a') angeordneten ersten porösen Material (7) und dem ersten Element (2), und zwischen dem in den zweiten Ausnehmungen (15b') angeordneten ersten porösen Material (7) und dem zweiten Element (3) ein zweites poröses Material (10) angeordnet ist.
  5. Drehübertrager nach Anspruch 2 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite poröse Material (10) Keramikpartikel (12) und Metallpartikel (11') aufweist.
  6. Drehübertrager nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (12) aus Aluminiumoxid bestehen.
  7. Drehübertrager nach Anspruch 2 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite poröse Material Metallpartikel (11') aufweist, wobei ein Teil der Metallpartikel eine Antihaftbeschichtung (13) aufweist.
  8. Drehübertrager nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftbeschichtung (13) in Form einer Keramikbeschichtung vorliegt.
  9. Drehübertrager nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung aus Aluminiumoxid besteht.
  10. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste poröse Material Metallpartikel (11) aufweist.
  11. Drehübertager nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel (11,11') Molybdän, Titan oder Eisen aufweisen.
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