EP2622693B1 - Stromübertragungsanordnung für elektromechanische maschinen und anlagen - Google Patents

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EP2622693B1
EP2622693B1 EP11776130.4A EP11776130A EP2622693B1 EP 2622693 B1 EP2622693 B1 EP 2622693B1 EP 11776130 A EP11776130 A EP 11776130A EP 2622693 B1 EP2622693 B1 EP 2622693B1
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EP
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slip ring
transmission arrangement
current transmission
ring body
silicon carbide
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EP11776130.4A
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Conrad Reynvaan
Werner Hück
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Hoffmann and Co Elektrokohle AG
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Hoffmann and Co Elektrokohle AG
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    • 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
    • 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
    • H01R39/022—Details for dynamo electric machines characterised by the materials used, e.g. ceramics
    • H01R39/025—Conductive materials

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission arrangement for electromechanical machines and systems according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a slip ring body for such a power transmission device.
  • a slip ring is on the rotor madebindet, which usually has a metallic slip ring body and is in current contact with a fixed contact element of the stator for power transmission, which is usually designed as a so-called carbon brush with a mainly graphite or a Blend of graphite and copper existing brush body, which is subject to constant wear due to the contact between a contact surface formed on the brush body and the slip ring surface.
  • abrasive components or additives added to the brush body to provide some abrasive action in contact with the slip ring surface to remove, for example, a surface coating formed on the metallic slip ring surface or the formation of a transfer film formed by graphite deposition on the slip ring surface.
  • From the DE 10 2006 047 084 A1 is an electric machine comprising a commutator with contact segments and at least one of the Contact segments contacting brush known. At least one of the contact segments and / or the brush contain a friction agent.
  • the EP 0 165 515 A2 discloses an abrasive collector comprising two abrading members constructed of an electrically conductive ceramic. The contact surfaces of the two sections are coated with a film which consists of a material which is softer than the ceramic.
  • the ceramic used may consist of a mixture of silicon carbide, silicon nitrite and another electrically conductive material.
  • the US 4 034 249 A describes an electric brush for engagement with a commutator, wherein an intermediate layer of an abrasive material is incorporated within the brush.
  • the contact side of the brush is so standardized that when overflowing an increase of the commutator by the brush, the abrasive material abrades the increase.
  • the present invention is therefore based on the object to propose a power transmission arrangement, which allows for a trouble-free operation even under particularly harsh environmental conditions, and on the other hand requires low maintenance.
  • the contact element in addition to the carbon as an electrically conductive component has an abrasive component
  • the slip ring to form a hard, abrasion resistant slip ring surface a slip ring body of a hard electrically conductive non-oxide ceramic Material on.
  • a abrasive component having a contact element with an electrically conductive slip ring body of a non-oxide ceramic material allows the contact element to add the abrasive component in such an amount and / or quality to achieve such abrasion effect that a safe removal of Guaranteed on the slip ring surface auge willinge surface covering or a generation of undesirable surface covering or excessive transfer film can be prevented without it comes due to the abrasive component of the contact element to such wear on the slip ring surface, the unwanted accumulation of maintenance operations or replacement of the slip ring body would require.
  • abrasive components or additives are basically material particles in question, which have a greater hardness compared to graphite as the main component of the brush body.
  • the slip ring body achieves the corresponding abrasion resistance by forming it from a hard non-oxidic ceramic material.
  • non-oxide ceramic materials are hard with a corresponding surface resistance.
  • the necessary for the function of a power transmission arrangement electrical conductivity of the non-oxide ceramic body can be achieved, for example, that a semiconductor is used.
  • a semiconductor is used.
  • the electrical conductivity of a polycrystalline non-metal, ie a semiconductor is reduced by a multiple compared to the electrical conductivity of metals, so far the possibility of an electrically conductive ceramic as a material for a slip ring body due to a corresponding technical prejudice was not considered.
  • it is basically possible to take into account or at least partially compensate for a correspondingly reduced electrical conductivity by taking into account in the geometry of the slip ring body, so for example in the shape and size of the slip ring surface.
  • a non-oxidic silicon carbide-based ceramic material is selected.
  • the material is a composite material, in addition to silicon carbide graphite for forming a corresponding silicon carbide graphite matrix.
  • a metal for example copper or aluminum, may be present.
  • a non-oxidic ceramic material may be used which comprises as components silicon carbide and graphite and in a preferred composition comprises at least 50 volume percent silicon carbide and at least 40 volume percent graphite.
  • the slip ring body can thus expand a microstructure with a silicon carbide-graphite composite matrix.
  • the graphite part can also be removed by oxidation and the cavities formed in the slip ring body by the resulting porosity can be filled by impregnating the slip ring body with a metal, such as, for example, copper of the aluminum.
  • slip ring body there are a variety of possible applications, especially in machines or systems with very high service life requirements or those where the longest possible maintenance intervals are sought, in particular because of difficult accessibility of the power transmission arrangement.
  • Examples include: electrical or electromechanical drives of motor vehicles or generators of wind turbines.
  • a carbon molding is carbonized and graphitized in a first phase of the process, and in a subsequent second phase of the process, an impregnation of the Molded body with liquid silicon with subsequent formation of a silicon carbide-graphite composite matrix.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Mechanical Operated Clutches (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromübertragungsanordnung für elektromechanische Maschinen und Anlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifringkörpers für eine derartige Stromübertragungseinrichtung.
  • Stromübertragungsanordnungen der eingangs genannten Art werden prinzipiell überall dort eingesetzt, wo zur Ausbildung elektromechanischer Maschinen ein Stromübertragungskontakt zwischen einem drehenden Teil, Rotor, und einem feststehenden Teil, Stator, erfolgt. Als Kontaktelement für die Stromübertragung ist an dem Rotor ein Schleifring ausgebindet, der in der Regel einen metallischen Schleifringkörper aufweist und zur Stromübertragung in Berührungskontakt mit einem feststehenden Kontaktelement des Stators steht, das in der Regel als sogenannte Kohlebürste ausgeführt ist mit einem hauptsächlich aus Graphit oder einer Mischung aus Graphit und Kupfer bestehenden Bürstenkörper, der durch den Berührungskontakt zwischen einer am Bürstenkörper ausgebildeten Kontaktfläche und der Schleifringoberfläche einem ständigen Verschleiß unterliegt.
  • Da in der Regel der Austausch eines Bürstenkörpers einer Kohlebürste wesentlich einfacher ist als der Austausch eines Schleifrings, wird sehr darauf geachtet, dass an den Schleifringen ein möglichst geringer Verschleiß entsteht. Dies gilt umso mehr, wenn der in der Regel vom zeitlichen Ablauf her aufwändige Austausch von Schleifringen an exponierten Orten mit umständlicher Zugänglichkeit, wie es beispielsweise an Windkraftanlagen der Fall ist, oder unter besonders rauen Umgebungsbedingungen erfolgen muss. Daher werden beispielsweise abrasive Komponenten oder Zusätze, die dem Bürstenkörper zur Erzielung einer gewissen abrasiven Wirkung bei einem Berührungskontakt zur Schleifringoberfläche zugesetzt werden, um etwa einen auf der metallischen Schleifringoberfläche ausgebildeten Oberflächenbelag zu entfernen oder die Ausbildung eines Transferfilms, der durch Graphitablagerung auf der Schleifringoberfläche entsteht, zu begrenzern, nur in retativ geringem Umfang zugesetzt, um einen übermäßigen Verschleiß durch Oberflächenabrasion der Schleifringoberfläche zu verhindern. Die Folge hiervon ist, dass in einer für die Ausbildung eines Oberflächenbelags besonders förderlichen Umgebung, wie es beispielsweise bei erhöhten Einsatztemperaturen in öl- oder schmiermittelhaltiger Luft oder in einer korrosiven Umgehung der Fall ist, es trotz der abrasiven Zusätze des Bürstenkörpers zu einem Oberflächenbelag kommen kann, der eine einwandfreie Funktion der Stromübertragungsanordnung gefährdet.
  • Darüber hinaus kann es gerade bei erhöhten Einsatztemperaturen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen metallischen Schleifringkörpern und isolierenden, beispielsweise aus Keramik gebildeten Isolationszwischenkörpern des Rotors zu mechanischen Problemen im Betrieb entsprechender elektromechanischer Maschinen kommen.
  • Aus der DE 10 2006 047 084 A1 ist eine elektrische Maschine, umfassend einen Kommutator mit Kontaktsegmenten sowie mindestens eine die Kontaktsegmente kontaktierende Bürste bekannt. Mindestens eines der Kontaktsegmente und/oder die Bürste enthalten ein Reibmittel.
  • Die EP 0 165 515 A2 offenbart einen Schleifstromabnehmer, umfassend zwei aneinander schleifende Teile, welche aus einer elektrisch leitenden Keramik aufgebaut sind. Die Kontaktflächen der beiden Teilstücke sind dabei mit einem Film überzogen, welcher aus einem Material besteht, welches weicher ist als die Keramik. Die verwendete Keramik kann aus einer Mischung aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrit und einem weiteren elektrisch leitfähigen Material bestehen.
  • Die US 4 034 249 A beschreibt eine elektrische Bürste zur Anlage an einem Kommutator, wobei innerhalb der Bürste eine Zwischenschicht aus einem abrasiven Material eingearbeitet ist. Die Kontaktseite der Bürste ist derart genormt, dass beim Überlaufen einer Erhöhung des Kommutators durch die Bürste das abrasive Material die Erhöhung abschleift.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromübertragungsanordnung vorzuschlagen, die zum einen auch unter besonders rauen Umgebungsbedingungen einen störungsfreien Betrieb ermöglicht, und zum anderen einen geringen Wartungsaufwand erfordert.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Stromübertragungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Stromübertragungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist einerseits das Kontaktelement neben dem Kohlenstoff als elektrisch leitende Komponente eine abrasiv wirkende Komponente auf, und andererseits weist der Schleifring zur Ausbildung einer harten, gegen Abrasion beständigen Schleifringoberfläche einen Schleifringkörper aus einem harten elektrisch leitenden nichtoxidischen keramischen Material auf.
  • Die erfindungsgemäße Kombination aus einem eine abrasive Komponente aufweisenden Kontaktelement mit einem elektrisch leitenden Schleifringkörper aus einem Nichtoxid-Keramik-Material ermöglicht es, dem Kontaktelement die abrasive Komponente in solch einer Menge und/oder Qualität zur Erreichung einer solchen Abrasionswirkung hinzuzufügen, dass eine sichere Entfernung eines auf der Schleifringoberfläche augebildeten Oberflächenbelags gewährleistet bzw. ein Entstehen eines unerwünschten Oberflächenbelags oder übermäßigen Transferfilms verhindert werden kann, ohne dass es infolge der abrasiven Komponente des Kontaktelements zu einem solchen Verschleiß auf der Schleifringoberfläche kommt, der eine unerwünschte Häufung von Wartungsvorgängen bzw. einen Austausch des Schleifringkörper erforderlich machen würde.
  • Als abrasive Komponenten oder Additive kommen grundsätzlich Materialpartikel in Frage, die im Vergleich zum Graphit als Hauptbestandteil des Bürstenkörpers eine größere Härte aufweisen.
  • Der Schleifringkörper erreicht die entsprechende Abrasionsbeständigkeit durch dessen Ausbildung aus einem harten nichtoxidischen keramischen Werkstoff. Im Gegensatz zu keramischen Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffen, die weich sind und im Kontakt zu einem Gegenlaufpartner einen schmierigen Transferfilm ausbilden, sind nichtoxidische keramische Werkstoffe hart mit einer entsprechenden Oberflächenbeständigkeit.
  • Die für die Funktion einer Stromübertragungsanordnung notwendig elektrische Leitfähigkeit des nichtoxidischen keramischen Körpers kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass ein Halbleiter verwendet wird. Zwar ist die elektrische Leitfähigkeit eines polykristallinen Nichtmetalls, also eines Halbleiters, um ein mehrfaches gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen reduziert, so dass bislang die Möglichkeit einer elektrisch leitenden Keramik als Werkstoff für einen Schleifringkörper aufgrund eines entsprechenden technischen Vorurteils überhaupt nicht in Betracht gezogen wurde. Jedoch ist es grundsätzlich möglich, eine entsprechend reduzierte elektrische Leitfähigkeit durch Berücksichtigung in der Geometrie des Schleifringkörpers, also beispielsweise in der Gestalt und Größe der Schleifringoberfläche zu berücksichtigen bzw. zumindest teilweise zu kompensieren. Insbesondere stehen die sich aufgrund der beschränkten elektrischen Leitfähigkeit ergebenden hohen elektrischen Widerstände mit entsprechender Erwärmung des Schleifringkörpers einer einwandfreien Funktion des Schleifringkörpers nicht entgegen, da insbesondere die Volumenänderungseffekte bei einem keramischen Schleifringkörper aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten vergleichsweise gering sind.
  • Darüber hinaus besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit des keramischen Werkstoffs durch elektrisch leitende Zusätze oder Behandlungen zu erhöhen.
  • Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer Ausführungsform der Stromübertragungsanordnung für den Schleifringkörper ein nichtoxidischer keramischer Werkstoff auf Siliziumkarbid-Basis gewählt wird. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit sind möglich, wenn der Werkstoff ein Verbundwerkstoff ist, der neben Siliziumkarbid Graphit zur Ausbildung einer entsprechenden Siliziumkarbid-Graphitmatrix aufweist. In einer weiteren Phase neben Siliziumkarbid kann auch ein Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, vorliegen.
  • Als Werkstoff für einen Schleifringkörper eines Schleifrings einer Stromübertragungseinrichtung kann ein nichtoxidischer keramischer Werkstoff verwendet werden, der als Komponenten Siliziumkarbid und Graphit aufweist und in einer bevorzugten Zusammensetzung mindestens 50 Volumenprozent Siliziumkarbid und mindestens 40 Volumenprozent Graphit aufweist.
  • Der Schleifringkörper kann demzufolge eine Gefügestruktur mit einer Siliziumkarbid-Graphit-Verbundmatrix aufweiten.
  • Alternativ kann auch der Graphitanteil durch Oxidation entfernt und die im Schleifringkörper durch die resultierende Porosität entstandenen Hohlräume durch eine Imprägnierung des Schleifringkörpers mit einem Metall, wie beispielsweise Kupfer der Aluminium, gefüllt werden.
  • Für den Schleifringkörper ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in Maschinen oder Anlagen mit sehr hohen Lebensdaueranforderungen oder solchen bei denen insbesondere wegen erschwerter Zugänglichkeit der Stromübertragungsanordnung möglichst lange Wartungsintervalle angestrebt werden. Beispielhaft sind zu nennen: elektrische bzw. elektromechanische Antriebe von Kraftfahrzeugen oder Generatoren von Windkraftanlagen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zur Herstellung eines Schleifringkörpers für einen Schleifring einer erfindungsgemäßen Stromübertragungsanordnung für elektromechanische Maschinen wird in einer ersten Phase des Verfahrens ein Kohlenstoff-Formkörper carbonisiert und graphitiert, und in einer nachfolgenden zweiten Phase des Verfahrens erfolgt eine Imprägnierung des Formkörpers mit flüssigem Silizium mit nachfolgender Ausbildung einer Siliziumkarbid-Graphit-Verbundmatrix.

Claims (8)

  1. Stromübertragungsanordnung für elektromechanische Maschinen und Anlagen mit einem auf einer Welle angeordneten Schleifring und einem mit einer Kontaktfläche in Schleifkontakt gegen eine Schleifringoberfläche anliegenden, Kohlenstoff aufweisenden Kontaktelement, wobei das Kontaktelement neben dem Kohlenstoff als elektrisch leitende Komponente eine abrasiv wirkende Komponente aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schleifring zur Ausbildung einer harten, gegen Abrasion beständigen Schleifringoberfläche einen Schleifringkörper aus einem harten elektrisch leitenden nichtoxidischen keramischen Material aufweist.
  2. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das für den Schleifringkörper gewählte Material ein keramischer Werkstoff auf Siliziumkarbid-Basis ist.
  3. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der keramische Werkstoff ein Verbundwerkstoff ist, der neben Siliziumkarbid Graphit aufweist.
  4. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der keramische Werkstoff eine Zusammensetzung aufweist, mit
    - mindestens 50 Volumen-% Siliziumkarbid,
    - mindestens 40 Volumen-% Graphit.
  5. Stromübertragungsanardnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schleifringkörper eine Gefügestruktur mit einer Verbundmatrix aus Siliziumkarbid und Graphit aufweist.
  6. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schleifringkörper eine Gefügestruktur mit einer Verbundmatrix aus Siliziumkarbid und einem metallischen Anteil aufweist.
  7. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der metallische Anteil aus Kupfer und/oder Aluminium oder einer Kupfer oder Aluminium enthaltenden Legierung besteht.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Stromübertragungsanordnung für elektromechanische Maschinen und Anlagen gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einer ersten Phase des Verfahrens der Herstellung des Schleifringkörpers für den Schleifring ein Kohlenstoff-Formkörper carbonisiert und graphitiert wird, und in einer nachfolgenden Phase des Verfahrens der Kohlenstoff-Formkörper mit flüssigem Silizium imprägniert wird zur Ausbildung einer Verbundmatrix aus Siliziumkarbid und Graphit.
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