EP2831961B1

EP2831961B1 - Bürstenblock für eine schleifringanordnung

Info

Publication number: EP2831961B1
Application number: EP13711857.6A
Authority: EP
Inventors: Peter Pollner
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: WO2013143842A1; US9281648B2; EP2831961A1; CN104380542A; DE102012204830A1; CN104380542B; US20150024610A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Bürstenblock sowie eine Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Signale mittels Schleifkontakten zwischen gegeneinander drehbaren Teilen. Auf einer Schleifbahn aus elektrisch leitfähigem Material schleift wenigstens ein Schleifkontakt, auch Bürste genannt, aus einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Material. Durch den galvanischen Kontakt zwischen Schleifbahn und Bürste kann elektrischer Strom übertragen werden.

Stand der Technik

Ein Bürstenblock, bei dem Federdrähte in einer Leiterplatte verlötet sind, ist beispielsweise aus der DE 20115 215 U1 oder auch aus der US 4,583,797 bekannt. Die Herstellung ist vergleichsweise einfach, wobei eine präzise Positionierung der einzelnen Bürstendrähte kaum möglich ist. Weiterhin ist die Haltbarkeit bei Dauerbelastung nicht zufriedenstellend, da die Lötstellen im Laufe der Zeit aufbrechen.
In der EP 1453 155 A2 ist eine Schleifringbürste offenbart, welche an der Oberseite einer Leiterplatte verlötet wird. Durch Einbringen von Lot von der Unterseite der Leiterplatte wird versucht, eine großflächige Lötstelle zu erhalten, welche dann eine hinreichende mechanische Festigkeit erzielen soll. Nachteilig an diesem Bürstenblock ist, dass neben dem komplexen Fertigungsverfahren, aufgrund der großen Auflagelänge des Bürstendrahtes auf der Leiterplatte und zur Vermeidung von Querkräften auf der Lötstelle nur eine U-förmige Bürstenanordnung realisierbar ist. Dadurch liegen zwei Bürsten an gegenüberliegenden Stellen der Schleifbahn an, was viel Einbauraum benötigt und nur zwei Bürsten pro Schleifbahn ermöglicht. Die DE 10158 381 B4 offenbart einen Schleifringübertrager, bei dem eine Kontaktfeder durch einen Klemmmechanismus an einer Leiterplatte befestigt wird. In der JP 2010-232139A ist eine gattungsgemäße Anordnung offenbart, wobei die Bürstendrähte in Durchkontaktierungen verlötet sind.
EP 1 531 528 A1 und EP 1 610 425 A1 zeigen weitere Bürstenblöcke.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bürstenblock sowie eine Schleifringanordnung derart auszugestalten, dass diese auch langfristig eine stabile Fixierung der Bürsten und eine sichere Kontaktierung ermöglicht. Gleichzeitig soll dieser Bürstenblock sowie diese Schleifringanordnung einfach und kostengünstig herstellbar sein, sowie eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit besitzen. Weiterhin soll eine flexible Bürstenanordnung und insbesondere eine Platz sparende V-förmige Bürstenanordnung möglich sein, bei der auch mehrere Bürstenblöcke an einem Schleifring angebracht werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein erfindungsgemäßer Bürstenblock für eine Schleifbahn umfasst wenigstens einen Träger, der vorzugsweise eine Leiterplatte ist. Weiterhin umfasst der Bürstenblock wenigstens einen Federbügel, der am Träger elektrisch kontaktiert und mechanisch fixiert ist. Der Federbügel besteht bevorzugt aus einem Metalldraht oder aus einem metallischen Flachmaterial. Langzeituntersuchungen bei Bürstenblöcken haben gezeigt, dass Lötstellen die sowohl zur Kontaktierung als auch zur mechanischen Fixierung von Bürsten verwendet werden, oftmals vorzeitig ausfallen. Daher basiert der erfindungsgemäße Bürstenblock auf einer Trennung von elektrischer Kontaktierung und mechanischer Fixierung.
Hierzu umfasst der Träger zwei vorzugsweise im wesentlichen parallele Bohrungen, die einen gekröpften Federbügel halten. Dabei befindet sich der gekröpfte Teil des Federbügels auf der ersten Seite des Trägers, während der Federbügel auf der zweiten Seite des Trägers, die zur Schleifbahn bzw. zum Schleifringmodul hin gerichtet ist, wenigstens eine Kontaktfeder, bevorzugt zwei Kontaktfedern ausbildet. Der Federbügel ist auf der ersten Seite elektrisch kontaktiert. Hierzu ist er mit einem elektrischen Leiter, beispielsweise einer Leiterbahn, am Träger verlötet. Auf der zweiten Seite des Trägers ist keine Lötverbindung mit dem Federbügel. Durch diese Anordnung erfolgt nun vorzugsweise auf der ersten Seite des Trägers durch eine Kontaktierungsstelle, welche bevorzugt eine Lötstelle ist, eine elektrische Kontaktierung. Alternativ kann die Kontaktierungsstelle auch einen Einpresskontakt umfassen. Kräfte, die von einer Schleifbahn auf die Kontaktfedern erzeugt werden, werden über die Bohrungen ausgehend von der zweiten Seite des Trägers in den Träger eingeleitet. Zwischen der Kontaktfeder und der Kontaktierungsstelle befindet sich auf der ersten Seite des Trägers weiterhin eine Kröpfung zur mechanischen Entlastung der Kontaktierungs-Lötstelle. Die Kröpfung ist hier ein federndes Element. Somit belasten die Andruckkräfte der Kontaktfeder die Lötstelle nicht, was zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer und einer deutlich höheren Zuverlässigkeit führt. Dadurch, dass der Federbügel in zwei Bohrungen gehalten ist, ergibt sich auch eine Verdrehsicherung, die die Aufnahme von Drehmomenten parallel zur Oberfläche des Trägers ohne Belastung der Lötstelle erlaubt. Die Kontaktierungsstelle und insbesondere Kontaktierungslötstelle könnte auch eine Durchkontaktierung in einer Bohrung sein, sofern durch diese Bohrung nicht ein Segment des Federbügels mit einer Kontaktfeder führt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Bohrung einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Federbügels aufweist. Um eine gute seitliche Führung des Federbügels zu ermöglichen, sollte der Durchmesser der Bohrung nicht größer als der doppelte Durchmesser, bevorzugt der 1,5 fache und besonders bevorzugt der 1,2 bzw. 1,1, 1.05 oder 1,01-fache Durchmesser sein. Um eine noch bessere Führung bzw. Fixierung zu erreichen, könnte der Federbügel auch in die Bohrung eingepresst sein. Hierzu hat die Bohrung bevorzugt einen geringeren Durchmesser als der Durchmesser des Federbügels ist. Bevorzugt beträgt in diesem Fall der Durchmesser der Bohrung nicht mehr als das das 0,95 oder 0,9-fache und besonders bevorzugt das 0,8-fache des Durchmessers des Federbügels. Um die Stabilität der Bohrung zu erhöhen, könnte diese mit einer Durchkontaktierung versehen sein. In diesem Falle hat die Durchkontaktierung vorzugsweise mechanisch stützende Eigenschaften und verstärkt die Bohrung. Obwohl sie zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung mit dem Träger dient, erfolgt primär die elektrische Kontaktierung durch die mechanisch nicht belastete Lötstelle. Im Falle eines Federbügels aus einem Flachmaterial könnte anstelle einer Bohrung auch eine Aussparung mit einem Querschnitt entsprechend dem Querschnitt des Flachmaterials vorgesehen sein.
In einer ersten Variante der Erfindung weist der Federbügel ein Mittelstück mit zwei Enden auf, bei dem an jedem Ende eine Kröpfung mit anschließender Kontaktfeder vorgesehen ist.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist nur an einem Ende des Mittelstücks eine Kröpfung mit anschließender Kontaktfeder vorgesehen.
Alternativ können anstelle einer Kröpfung auch zwei oder mehrere Kröpfungen hintereinander vorgesehen sein. Grundsätzlich kann eine Kröpfung verschiedene Formen haben. Sie könnte halbrund oder rechteckig sein, oder auch eine vieleckige Drahtführung aufweisen.
Besonders bevorzugt ist hier eine Anordnung der Kontaktfeder in V-Form, da diese besonders kompakt ist und gute Übertragungseigenschaften aufweist. Allerdings ist entsprechend jede andere insbesondere auch eine U-Form herstellbar, bei der die Kontaktfedern ungefähr senkrecht aus den Bohrungen des Trägers herausragen.
Bevorzugt ist der Federbügel innerhalb der Bohrungen nicht verlötet. Besonders bevorzugt sind daher die Bohrungen im Inneren nicht metallisiert. Es lassen sich aber auch mit Federbügeln, die in den Bohrungen verlötet sind, gute Ergebnisse erzielen. So ist die Lötstelle in der Bohrung nicht primär für den elektrischen Kontakt notwendig, da der elektrische Kontakt über eine durch eine Kröpfung mechanisch entkoppelte Kontaktierungsstelle erfolgt. Somit würde ein solcher Bürstenblock auch beim Ausfall dieser Lötstelle in der Bohrung einwandfrei funktionieren.
Die Bürsten sind bevorzugt Metalldrähte und umfassen wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material. Bevorzugt haben Sie einen Kern aus einem mechanisch stabilen und federelastischen Material, wie beispielsweise Stahl, Kupfer-Beryllium oder Messing sowie eine äußere Beschichtung oder Hülle aus einem elektrisch gut leitenden und vorzugsweise korrosionsbeständigen Material, wie beispielsweise Silber, Gold oder einer Goldlegierung. Ebenso können die Bürsten auch Drähte aus Silber/oder Gold bzw. Legierungen davon umfassen.
Eine erfindungsgemäße Schleifringanordnung weist eine Schleifbahn sowie wenigstens einen der hier offenbarten Bürstenblöcke auf. Zur Führung der Bürsten hat die Schleifbahn bevorzugt wenigstens eine V-Nut. Grundsätzlich sind aber auch Schleifbahnen mit anderen Geometrien einsetzbar. Dies können beispielsweise ebene Schleifbahnen oder Schleifbahnen mit U-förmigen Nuten (halbkreisförmig, elliptisch) sein.
Ein Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines hierin beschriebenen Bürstenblocks umfasst die folgenden Schritte:

1. Bereitstellen eines Trägers mit wenigstens zwei Bohrungen,
2. Einsetzen eines Federbügels mit wenigstens einer Kröpfung,
3. Herstellen einer Kontaktierungs-Lötstelle.

Optional kann noch ein seitliches Verbiegen der Kontaktfeder zur Einstellung des korrekten Winkels bzw. der korrekten Form, wie beispielsweise einer V-Form erfolgen.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

Figur 1: zeigt einen erfindungsgemäßen Bürstenblock
Figur 2: zeigt den Schnitt eines Bürstenblocks
Figur 3: zeigt einen weiteren Schnitt eines Bürstenblocks
Figur 4: zeigt ein Detail eines Federbügels
Figur 5: zeigt eine andere Ausführung der Erfindung
Figur 6: zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung
Figur 7: zeigt einen kompletten Schleifringübertrager
Figur 8: zeigt die Kräfte an Kontaktfedern

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Bürstenblock 20 dargestellt. Der Bürstenblock hat einen Träger 21, vorzugsweise eine Leiterplatte. Der Träger 21 dient hier zur Aufnahme von Kontaktfedern 31, 32 sowie von Leiterbahnen 60 zum Anschluss der Kontaktfedern. Die Kontaktfedern stehen hier in einer V-Form von dem Träger ab. Durch diese Bauform lassen sich zumindest zwei, meist aber auch vier Bürstenblöcke um ein Schleifringmodul anordnen, was eine höhere Kontaktzahl ermöglicht. Die Leiterbahnen weisen hier Anschlussbohrungen 61 auf, in bzw. durch die ein Anschlussdraht gesteckt und verlötet werden kann. Es sind hier beispielhaft jeweils zwei Paare von Kontaktfedern mittels einer Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden. Durch diese Parallelschaltungen kann der Übergangswiderstand reduziert, die Zuverlässigkeit erhöht und das Kontaktrauschen verringert werden. Die Befestigung des Bürstenblocks kann über die Befestigungselemente 68 mit Bohrungen 69 erfolgen
In Figur 2 ist ein Bürstenblock im Schnitt dargestellt. Die erste Kontaktfeder 31 und die zweite Kontaktfeder 32 sind einstückig aus einem Federbügel geformt. Der Federbügel weist ein Mittelstück 35 auf, welches mit dem Träger 21 in einer Kontaktierungsstelle verlötet ist. Es ist hierbei bevorzugt an einer Leiterbahn 60 angelötet. Das Mittelstück 35 geht auf einer Seite in eine erste Kröpfung 33 und von dort in die erste Kontaktfeder 31 über, sowie von der zweiten Seite in eine zweite Kröpfung 34 und von dort in die zweite Kontaktfeder 32 über. Das Mittelstück 35 und die Kröpfungen 33, 34 liegen auf der ersten Seite 26 des Trägers. Die Kontaktfedern 31, 32 sind mittels Bohrungen 24, 25 durch den Träger 21 zur zweiten Seite 27 hin durchgeführt. Die Bohrungen des Trägers 21 können wahlweise innen metallisiert oder auch nicht metallisiert sein. Bevorzugt für die Erfindung ist, dass die Kontaktfedern in der Bohrung nicht mit der Leiterplatte verlötet sind. Daher ist es weiter bevorzugt, wenn die Bohrungen nicht metallisiert sind.
In Figur 3 ist nochmals der Bürstenblock im Schnitt dargestellt. Hier ist der Federbügel 30 mit dem Mittelstück 35, mit seinen Enden 37, 38 den Kröpfungen 34, 33 sowie den Kontaktfedern 31, 32 zu sehen.
In Figur 4 ist ein Detail eines Federbügels dargestellt. Das Mittelstück 35 des Federbügels 30 ist mittels der Kontaktierungsstelle 40 mit der ersten Seite 26 des Trägers 21 verbunden. Eine weitere Lötstelle 41 kann zwischen der zweiten Kröpfung 34 und der zweiten Kontaktfeder 32 an der ersten Seite 26 des Trägers 21 zur mechanischen Entlastung der Kontaktierungsstelle 40 über die Kröpfung 34 angebracht sein. Bevorzugt befindet sich an dieser Stelle jedoch kein Lotmaterial. Des weiteren besteht bevorzugt keine Lötverbindung zwischen der zweiten Kontaktfeder 32 und der zweiten Bohrung 25 in dem Träger 21. Allerdings könnte beispielsweise eine Presspassung oder ein Formschluss zwischen diesen bestehen.
In der Figur 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind die erste Kontaktfeder 51 und die zweite Kontaktfeder 52 getrennte mechanische Bauteile. Diese sind nicht durch ein Mittelstück miteinander verbunden. Stattdessen ist ein erstes Endstück 55 an einem Ende der Kröpfung 53 durch eine zweite Bohrung 25 und eine erste Kontaktfeder 51 durch eine erste Bohrung 24 geführt. Die zweite Kontaktfeder ist bevorzugt symmetrisch hierzu ausgeführt. Ein zweites Endstück 56 am anderen Ende der Kröpfung 54 zur zweiten Kontaktfeder 52 ist hier durch eine Bohrung im Träger 21 fixiert. Die hier gezeigten Kontaktfedern können einzelne oder wahlweise auch symmetrisch angeordnet eingesetzt werden. Die Kontaktierungsstelle 40 befindet sich auf der ersten Seite des Trägers 21 am Ende der zweiten Bohrung 25 oder in einer Durchkontaktierung dieser Bohrung.
In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese ist ähnlich der Ausführungsform aus Figur 3. Allerdings ist hier nur eine Kontaktfeder 32 vorgesehen.
Die Figur 7 zeigt einen kompletten Schleifringübertrager mit einem Bürstenblock 20, dessen erste Kontaktfeder 22 und zweite Kontaktfeder 23 an einer Schleifbahn 11 auf einem Schleifbahnträger 12 eines drehbaren Schleifringmoduls 10 schleifen und somit mit diesem im elektrischen Kontakt stehen. Es sind hier noch die Richtungen der Kräfte 71, 72 auf die Kontaktfeder 22, 23 eingezeichnet.
In der Figur 8 sind die Kräfte auf die Kontaktfeder nochmals im Detail dargestellt. Die Kräfte 71, 72 stehen senkrecht auf den Auflagepunkten der Kontaktfedern an der Schleifbahn. In dieser Darstellung wird nur noch auf die Kraft 72 eingegangen, da die Kraft 71 auf die gegenüberliegende Kontaktfeder symmetrisch zu dieser ist. Die Kraft 72 lässt sich in eine erste Komponente 73 parallel zum Träger und eine zweite Komponente 74 senkrecht zum Träger zerlegen. Die Komponente 73 parallel zum Träger wird ausgeglichen durch eine zweite entgegengesetzte Komponente von der anderen Kontaktfeder. Die Komponente 74 senkrecht zum Träger wird bereits teilweise an der Biegestelle 36 der Kontaktfeder unmittelbar am Beginn der Bohrung 25 im Träger aufgenommen. Die Kröpfung 34 wirkt wie eine Feder und verhindert, dass ein noch geringer Anteil der zweiten senkrechten Komponente 74 die Lötstelle am Mittelstück zu stark belastet. Weiterhin resultiert aus diesen Kräften an der Eintrittsstelle der Kontaktfedern in den Träger 21 ein Biegemoment 75, welches auch durch die Bohrung 25 im Träger weitgehend abgefangen werden kann.

Bezugszeichenliste

10: Schleifringmodul
11: Schleifbahn
12: Schleifbahnträger
20: Bürstenblock
21: Träger
22: erste Kontaktfeder
23: zweite Kontaktfeder
24: erste Bohrung
25: zweite Bohrung
26: erste Seite des Trägers
27: zweite Seite des Trägers
30: Federbügel
31: erste Kontaktfeder
32: zweite Kontaktfeder
33: erste Kröpfung
34: zweite Kröpfung
35: Mittelstück
36: Biegestelle
37, 38: Enden des Mittelstücks
40: Kontaktierungsstelle
41: Lötstelle Kontaktfeder
51: erste Kontaktfeder
52: zweite Kontaktfeder
53: erste Kröpfung
54: zweite Kröpfung
55: erstes Endstück
56: zweites Endstück
60, 62: Leiterbahn
61, 63: Anschlussbohrung
68: Befestigungselement
69: Befestigungsbohrung
71, 72: Kräfte auf die Kontaktfedern
73, 74: Kraftkomponenten

Claims

Bürstenblock für eine Schleifbahn (11) umfassend wenigstens einen Träger (21) mit einer ersten der Schleifbahn abgewandten Seite, einer zweiten der Schleifbahn zugewandten Seite, sowie wenigstens einen daran befestigten Federbügel (30) mit wenigstens einer Kontaktfeder (31, 32, 51), wobei der Federbügel mit wenigstens einer Kontaktierungsstelle (40) elektrisch leitend mit einem elektrischen Leiter am Träger verbunden ist, der Träger (21) zwei Bohrungen (24, 25) zur Halterung des Federbügels (30) aufweist, und der Federbügel ausgehend von der ersten Seite zur zweiten Seite des Trägers durch beide Bohrungen hindurch geht und auf der zweiten Seite in wenigstens eine Kontaktfeder (31, 32, 51) übergeht,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Federbügel (30) auf der ersten Seite des Trägers zwischen der wenigstens einen Kontaktierungsstelle (40) und der wenigstens einen Kontaktfeder (31, 32) wenigstens ein als Kröpfung (33, 34) ausgebildetes federndes Element zur Entlastung der Kontaktierungsstelle (40) aufweist, wobei die Kontaktierungsstelle (40) eine Lötstelle ist oder einen Einpresskontakt umfasst.
Bürstenblock nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Federbügel (30) ein Mittelstück (35) mit zwei Enden (37, 38) aufweist, welches an jedem Ende in eine Kröpfung (33, 34) mit anschließenden Kontaktfedern (31, 32) übergeht, und wobei das Mittelstück über die Kontaktierungsstelle (40) mit dem Träger (21) verbunden ist.
Bürstenblock nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Federbügel (30) ein Mittelstück (35) mit zwei Enden (37, 38) aufweist, welches an jedem Ende in eine Kröpfung (33, 34) vorgesehen ist wobei nur eine Kröpfung in eine anschließende Kontaktfeder (33) übergeht und die zweite Kröpfung mit einem Ende in eine Bohrung hineinragt, und wobei das Mittelstück über die Kontaktierungsstelle (40) mit dem Träger (21) verbunden ist.
Bürstenblock nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Federbügel (30) eine Kröpfung (53) mit einer an einer Seite anschließenden durch die erste Bohrung (24) hindurchgehenden Kontaktfeder (51) aufweist, und die zweite Seite der Kröpfung in die zweite Bohrung (25) hineinragt und gleichzeitig über eine Kontaktierungsstelle (40) mit dem Träger (21) verbunden ist.
Bürstenblock nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Bohrung (25) innen metallisiert und mit Lot gefüllt ist.
Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger (21) als elektrische Leiterplatte ausgeführt ist.
Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Kontaktfeder (31, 32) einen Kern aus einem mechanisch stabilen und federelastischen Material, wie beispielsweise Stahl, Kupfer-Beryllium oder Messing sowie eine äußere Beschichtung oder Hülle aus einem elektrisch gut leitenden und vorzugsweise korrosionsbeständigen Material, wie beispielsweise Silber, Gold oder einer Silber- oder Goldlegierung aufweist.
Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Kontaktfeder (31, 32) Silber, Gold oder eine Silber- oder Goldlegierung aufweist.
Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Kontaktierungsstelle (40) sich auf der ersten Seite des Trägers befindet.
Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Bohrung, durch die eine Kontaktfeder des Federbügels geführt ist, eine Metallisierung auf der Innenseite aufweist, welche nicht mit dem Federbügel verlötet ist.
Schleifringanordnung umfassend eine Schleifbahn (1) und wenigstens einen Bürstenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Bürstenblocks nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Trägers mit wenigstens zwei Bohrungen,

- Einsetzen eines Federbügels mit wenigstens einer Kröpfung,

- Herstellen einer Kontaktierungs-Lötstelle.