EP2923419B1 - Ringelektrode für einen schleifring, entsprechender schleifring und verfahren zur herstellung einer ringelektrode - Google Patents

Ringelektrode für einen schleifring, entsprechender schleifring und verfahren zur herstellung einer ringelektrode Download PDF

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EP2923419B1
EP2923419B1 EP13789351.7A EP13789351A EP2923419B1 EP 2923419 B1 EP2923419 B1 EP 2923419B1 EP 13789351 A EP13789351 A EP 13789351A EP 2923419 B1 EP2923419 B1 EP 2923419B1
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EP
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ring
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electrodes
electrode
ring electrode
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Stephan Ott
Harry Schilling
Robert RAUM
Dennis Hoff
Ronald Suchanecki
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Moog GAT GmbH
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GAT Gesellschaft fuer Antriebstechnik mbH
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Definitions

  • the present invention relates to a ring electrode for a slip ring for transmitting electrical drive energy between machine parts, at least one of which is rotatable relative to another.
  • the EP 2426 793 discloses a Schleifringbürstensystem for a current-excited synchronous motor with ring electrodes according to the preamble of claim 1.
  • the material for the ring electrodes Cu or Cu alloys, CuZn, CuSn, AG or Ag alloys, Au or Au alloys, steel or a coating of Ni or Co or galvanized Au layer considered, wherein for the slip rings, a CuAg alloy in terms of electrical properties and a CuSn alloy are mentioned in terms of wear as preferred materials.
  • slip rings and closed ring electrodes on motors or generators can be found in US Pat FR 2,088,839 , of the US 2002/1071313 and the US 2003/0137210
  • slip rings find use on a variety of rotating machinery, especially when electrically powered, such as machine tools, certain types of electric motors, and the like.
  • slip rings with ring electrodes of larger diameter are typically also used in computer tomographs.
  • slip rings are used not only for the transmission of drive energy, but also for the transmission of electrical signals.
  • circular or annular slip paths referred to herein as "ring electrodes” are attached to a first machine part.
  • ring electrodes On a second machine part is a sliding contact, which rests with a certain contact pressure on the sliding track or the ring electrode.
  • One of the two machine parts is rotatable relative to the other, so that the sliding contact moves along the entire circumference on the surface of the ring electrode and thereby remains in constant electrical contact with the ring electrode.
  • the electrodes may optionally be in contact with the outer or inner peripheral surface of the ring electrode, but they may as well come into contact with a side surface of the ring, which (in the case of a flat ring) has the advantage that this contact surface is within the same plane lies.
  • the Ring electrode may in principle have any cross-section, but rectangular cross-sections are preferred because they provide flat bearing surfaces for the sliding contacts.
  • Corresponding ring electrodes typically consist of brass or bronze. They are usually made by separating individual rings from a tube of appropriate diameter or by cutting out of solid plates, for example by means of a laser.
  • the present invention based on the object to provide ring electrodes and corresponding slip rings, as well as a method for their preparation, which avoid at least one of the aforementioned disadvantages.
  • the aim is, inter alia, a simplified production and less wear in the use of ring electrodes and corresponding slip rings. Furthermore or alternatively, the contact noise and also the contact resistance should be reduced.
  • the ring electrode and a corresponding slip ring should be particularly suitable for use in computer tomography and similar medical devices for the representation of body cross sections and preferably optimized for this purpose.
  • a ring electrode the electrode consists of a rod material made of stainless steel, which is rolled into a ring and the free ends are brought together in a closed ring, wherein the diameter of the ring electrode in a range of 40 cm 2 m ..
  • One advantage of producing an electrode from a stainless steel rod is, inter alia, that virtually no or only a very small material waste occurs, since the rod material only has to be cut off to the length required for a ring.
  • Such bar material is often wound on large-diameter rolls and is thus practically available as a continuous material.
  • bar material any material having a constant cross-section and a diameter at least a hundred times the length.
  • rod material also includes wire cross sections from 16 mm 2 up to cross sections of, for example, 30x30 mm 2 , without any limitations being associated with these cross-sectional details.
  • the free ends of the rod formed into a closed ring are then opposite each other on impact.
  • the rod is also embedded in an insulating plastic carrier material, so that at most remains a negligible for practical purposes gap between the free ends of the annularly bent rod.
  • such a plastic carrier material should be suitably selected so that it has a coefficient of thermal expansion which corresponds as well as possible with the thermal expansion coefficient of the ring electrode made of stainless steel.
  • the coefficient of thermal expansion in the range of an operating and transport temperature between -40 and + 80 ° C, at least within a factor 2 should be in the range of the thermal expansion coefficient of stainless steel.
  • the rod or rod material used to make a particular ring should preferably have a certain small excess length because this allows the free ends of the overall ring-rolled rod to be superposed and along a miter cut to the desired one To bring length. As a result, a good overlap for a sliding over the butt weld sliding contact is ensured in each case.
  • the opposing free ends of the ring can of course also be welded together or brazed.
  • the corresponding weld seam is not exactly radial with respect to the ring axis, but significantly inclined relative to the radial direction.
  • the area of a weld on the ring electrode is preferably smoothed by milling, turning or grinding, so that excessive wear of the sliding contacts in the region of the weld is avoided.
  • the ring in the region of the weld can also be annealed to some degree by heating so that this region has substantially the same friction characteristics for the sliding contacts as the remainder of the ring electrode.
  • a corresponding slip ring for transmitting electrical energy between a stationary and a rotating machine part, which has an insulating carrier material, which likewise has the shape of a ring, is inventively characterized in that the slip ring has at least one ring electrode of the type described above.
  • the electrode is embedded in the carrier material of the slip ring and has only a slight projection over a corresponding surface of the carrier material.
  • a slip ring may also have a plurality of ring electrodes of the type described above.
  • the plurality of ring electrodes of a slip ring have different diameters and are arranged concentrically in a common radial plane, i. in a plane perpendicular to the common ring axis.
  • the plurality of ring electrodes each have the same diameter and arranged in parallel in a common cylinder surface of the annular or cylindrical support material. It goes without saying in addition to the at least one ring electrode made of stainless steel according to the invention, further ring electrodes can also be arranged on a slip ring, which consist of another conductive material, in particular of brass.
  • the corresponding sliding contacts or tap electrodes are in touching contact with the at least one ring electrode made of stainless steel and are preferably metal-containing carbon electrodes.
  • carbon electrodes with a silver content of up to 60% or a copper content of up to 75% have proven suitable for combination with stainless steel ring electrodes.
  • a plurality of carbon electrodes are arranged as sliding contacts on a common tap rail in a slip ring for each ring electrode.
  • the available contact surface between the ring and sliding contact is significantly increased and you can optimize the contact pressure and thus highlighted friction and wear to the effect that forms an ideal patina for the transfer.
  • the low initial wear of the listed material combinations in combination with ambient air humidity leads to a coating of the ring electrodes with the sliding contact material, which has a markedly positive effect on the properties with regard to contact resistance, contact noise and further wear behavior.
  • the method according to the invention for producing corresponding ring electrodes has already been implicitly described above and is characterized by using a rod material made of stainless steel, the length of a corresponding stainless steel rod corresponding at least to the circumference of the ring electrode to be produced, rolling the rod into a ring shape with the desired diameter, welding the merged free ends of the rod formed in a ring and smoothing or grinding the weld area on the surface of the welded ring.
  • a rod material with a rectangular cross-section is preferably used.
  • the preferred materials for the stainless steel of a ring electrode are, for example, stainless steels with high chromium and carbon content, such as are available as steels of the types X10Cr13 or X20Cr13.
  • FIG. 1 in plan view a ring 1 shown schematically, which consists of stainless steel and its cross-section, for example, according to FIG. 3 square with dimensions of 10x10 mm 2 can be.
  • the section A is in the upper part of FIG. 1 shown enlarged and indicated schematically by a dashed line to a weld 8, which runs along a miter cut.
  • FIG. 2 shows a plan view of a slip ring, which consists of a carrier disc 5 in ring form, which is made of an insulating plastic material, preferably polyurethane with a mineral filler, wherein the filler ensures that the plastic material has a total of a coefficient of thermal expansion, in the Magnitude of the thermal expansion of stainless steel and at least in the interesting temperature range of -40 ° to 80 ° C differs by less than a factor of 2 from the coefficient of expansion of stainless steel.
  • a slip ring which consists of a carrier disc 5 in ring form, which is made of an insulating plastic material, preferably polyurethane with a mineral filler, wherein the filler ensures that the plastic material has a total of a coefficient of thermal expansion, in the Magnitude of the thermal expansion of stainless steel and at least in the interesting temperature range of -40 ° to 80 ° C differs by less than a factor of 2 from the coefficient of expansion of stainless steel.
  • the carrier disk 5 has a total of four embedded slip rings 1, 2, 3 and 4.
  • the common axis 10 of the carrier disc 5 and the rings 1, 2, 3 and 4 is indicated in the center of the disc.
  • FIG. 3 shows a cross section through the carrier disc 5 with the four embedded Ring electrodes 1, 2, 3 and 4, which protrude slightly over the surface 6 extending in a radial plane.
  • the projection of the surfaces of the ring electrodes 1, 2, 3 and 4 with respect to the surface 6 may, for example, be between 1 and 3 mm.
  • the square in cross-section ring electrodes 1, 2, 3 and 4 are each embedded to more than half in the material of the support disk 5.
  • the parallel to the radial plane 6 extending surfaces of the ring electrodes 1, 2, 3 and 4 are preferably in turn smoothed, for example by grinding, turning or milling and lie together in a plane parallel to the plane 6 6 ', which is indicated by a dashed line.
  • FIG. 4 schematically shows a side view of a ring electrode 1, which is in sliding contact with a carbon brush 11, wherein the carbon brush, again only schematically, is shown in section.
  • the carbon brush 11 consists overall of a metal-filled or metal-impregnated graphite block 12, a guide sleeve 13, a cap 14 and a spring 15, which holds the graphite block 12 in engagement with the surface of the ring electrode 1.
  • the carbon brush 11 is typically mounted in a rail of a brush block 21 as shown in FIG FIG. 5 is shown.
  • sleeve 13, cap 14 and spring 15 made of an electrically conductive material, typically made of metal and optionally may also be a flat, flexible contact lug or line between spring 15 and graphite block 12 may be arranged with a free end with the cap 14th and / or the sleeve 13 is connected to produce a good electrical contact between graphite block 12 and sleeve 13 and cap 14.
  • a plurality of carbon brushes 11 are connected to an electrically conductive contact rail 22 of a brush block 21, specifically accommodated in each case in a matching bore of the contact rail 22.
  • the sleeve 13 could be pressed or shrunk into a bore of the rail, optionally also be soldered or screwed and is connected in this way firmly and electrically conductive with the contact rail 22.
  • carbon brushes 11 can simultaneously and consecutively lying with the same ring electrode 1 in sliding contact.
  • the holes for receiving the carbon brushes 11 on the contact rail 22 follow the arcuate course of a ring electrode 1, but this is generally not required for large diameters of the ring electrode as well as linearly arranged on a short distance carbon brushes despite a slight curvature of the ring electrode keep in touch ..
  • the adjacent contact rails 23, 24 are shown here without carbon brushes, but of course generally in turn also carbon brushes 11, with adjacent Ring electrodes, for example, the ring electrodes 2 and 3 according to FIG. 3 , contact. It is understood that the housing 25 of the brush block 21 is electrically insulating, so that the individual contact rails 22, 23, 24 fastened thereto are electrically insulated from one another.
  • the sliding contacts are held under spring bias in contact with the surface of the ring electrodes 1, 2, 3 and 4, wherein either the support plate 5 with the ring electrodes 1, 2, 3 and 4 or a machine part, on which mounted the sliding contacts are about the common axis 10 rotates, the sliding contacts are continuously in contact with the surface of the ring electrodes 1, 2, 3 and 4 and in this way can transmit electrical energy or power continuously.
  • the method according to the invention for producing the ring electrodes by rolling from stainless steel also has the advantage that rings or ring electrodes of virtually any diameter can be produced from one and the same rod material as long as the material can only be rolled to a desired diameter.
  • the surfaces have and retain a high quality and the material is extremely resistant to wear and has little friction against metal-containing graphite electrodes, so that the overall wear of the system Slip ring and sliding contact remain extremely low while providing excellent performance in terms of ampacity and signal quality.
  • the ring electrodes and slip rings according to the invention are particularly suitable for use on medical imaging devices with rotating sensors or sensors or radiation emitters.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringelektrode für einen Schleifring zur Übertragung von elektrischer Antriebsenergie zwischen Maschinenteilen, von denen mindestens eines gegenüber einem anderen drehbar ist.
  • Die EP 2426 793 offenbart ein Schleifringbürstensystem für einen stromerregten Synchronmotor mit Ringelektroden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Um den Verschleiß möglichst auf den Bürstenverschleiß zu beschränken, werden dabei als Material für die Ringelektroden Cu oder Cu-Legierungen, CUZn, CuSn, AG oder Ag-Legierungen, Au oder Au-legierungen, Stahl bzw. eine Überzug aus Ni oder Co oder aus galvanisierter Au-Schicht in Betracht gezogen, wobei für die Schleifringe eine CuAg-Legierung hinsichtlich elektrischer Eigenschaften und eine CuSn-Legierung hinsichtlich Verschleiß als bevorzugte Materialien erwähnt werden.
  • Weitere Beispiele für Schleifringe und geschlossene Ringelektroden an Motoren bzw. Generatoren finden sich in der FR 2.088.839 , der US 2002/1071313 und der US 2003/0137210
  • Entsprechende Schleifringe finden Verwendung an einer Vielzahl rotierender Maschinen, insbesondere wenn sie elektrisch angetrieben sind, wie zum Beispiel Werkzeugmaschinen, bestimmte Typen von Elektromotoren und dergleichen. Insbesondere werden Schleifringe mit Ringelektroden größeren Durchmessers typischerweise auch in Computertomographen eingesetzt.
  • Dabei dienen derartige Schleifringe nicht nur zur Übertragung von Antriebsenergie, sondern auch zur Übertragung von elektrischen Signalen. Bei einem Schleifring sind kreisförmige bzw. ringförmige Schleifbahnen, die hier als "Ringelektroden" bezeichnet werden, an einem ersten Maschinenteil angebracht. An einem zweiten Maschinenteil befindet sich ein Schleifkontakt, welcher mit einem gewissen Berührungsdruck auf der Schleifbahn bzw. der Ringelektrode aufliegt. Eines der beiden Maschinenteile ist gegenüber dem anderen drehbar, sodass der Schleifkontakt sich entlang des gesamten Umfanges auf der Oberfläche der Ringelektrode bewegt und dabei in ständigem elektrischen Kontakt mit der Ringelektrode bleibt. Dabei können die Elektroden wahlweise mit der äußeren oder inneren Umfangsfläche der Ringelektrode in Kontakt stehen, sie können ebenso gut aber auch mit einer Seitenfläche des Ringes in Kontakt treten, was (im Falle eines ebenen Ringes) den Vorteil hat, dass diese Kontaktfläche innerhalb derselben Ebene liegt. Die Ringelektrode kann im Prinzip einen beliebigen Querschnitt haben, wobei aber rechtwinklige Querschnitte bevorzugt sind, da sie ebene Auflageflächen für die Schleifkontakte bieten.
  • Auf diese Weise können elektrische Energie und Signale durch den direkten galvanischen Kontakt zwischen Ringelektrode und Schleifkontakt und damit zwischen relativ zueinander drehbaren Maschinenteilen übertragen werden.
  • Für den mechanischen Aufbau derartiger Schleifsysteme sind verschiedene Technologien bekannt. In der Regel werden massive Schleifbahnen aus Messing oder Bronze mit einem Schleifkontakt aus Graphit oder Silbergraphit kombiniert, welche dann vor allem zur Übertragung von Gleich- bzw. Wechselströmen mit mittlerer und höherer Leistung (d. h. von etwa einigen 100 W bis etwa 120 kW) Anwendung finden. Im Bereich der Signalübertragung bei kleinen Radien wird häufig auch auf eine Kombination aus vergoldeten Schleifbahnen und vergoldeten Kontaktfederdrähten zurückgegriffen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch primär auf Ringelektroden und Schleifringe gerichtet, mit denen elektrische Energien übertragen werden, was allerdings eine Übertragung elektrischer Signale, gegebenenfalls auch parallel zur elektrischen Energieübertragung, nicht ausschließt.
  • Graphitkontakte oder Kohlebürsten für entsprechende Schleifkontakte sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Variationen bekannt.
  • Entsprechende Ringelektroden bestehen nach dem Stand der Technik typischerweise aus Messing oder Bronze. Sie werden üblicherweise hergestellt durch Abtrennen einzelner Ringe von einem Rohr mit entsprechendem Durchmesser oder durch Ausschneiden aus massiven Platten, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers.
  • Bei der Kombination aus Messing- bzw. Bronzeschleifbahnen mit Graphit- oder Silbergraphitkontakten ist ein Nachteil der relativ hohe Verschleiß der Kontaktmaterialien, was zu einer entsprechend kurzen Lebensdauer des Übertragungssystems führt. Die Herstellung qualitativ hochwertiger Schleifringe und Kontakte ist dabei relativ teuer, da das Material der Ringelektroden hierfür sehr homogen sein muss und die Schleifkontakte einen hohen Silberanteil erfordern. Kostengünstigere Varianten weisen häufig einen erheblichen Übergangswiderstand und sehr hohen Verschleiß auf, sodass hierdurch die übertragbare elektrische Leistung und die Lebensdauer begrenzt wird. Dieses Problem verschärft sich noch bei Schleifringen mit größerem Durchmesser, bei welchen auch größere Relativgeschwindigkeiten zwischen Schleifringoberfläche und Kontaktbürsten auftreten.
  • Weiterhin ist die Herstellung herkömmlicher Ringelektroden relativ aufwendig und teuer und mit erheblichem Materialverlust verbunden, wenn die Ringelektroden beispielsweise aus massiven Platten ausgeschnitten werden, aber auch wenn einzelne Ringe aus einem Rohrmaterial abgetrennt werden, wobei anschließend auch noch eine erhebliche Nachbearbeitung erforderlich ist, um die ausgeschnittenen oder abgetrennten Ringe zu entgraten und zu glätten.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Ringelektroden und entsprechende Schleifringe, ebenso wie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, die mindestens einen der vorgenannten Nachteile vermeiden. Angestrebt wird dabei unter anderem eine vereinfachte Herstellung und ein geringerer Verschleiß im Gebrauch der Ringelektroden und entsprechender Schleifringe. Weiterhin oder alternativ sollte das Kontaktrauschen und auch der Übergangswiderstand verringert werden. Die Ringelektrode und ein entsprechender Schleifring sollten vor allem für die Verwendung in Computertomographen und ähnlichen medizinischen Geräten zur Darstellung von Körperquerschnitten geeignet und vorzugsweise hierfür optimiert sein.
  • Mindestens ein Teil der vorgenannten Aufgabe wird gelöst durch eine Ringelektrode, die Elektrode aus einem Stangenmaterial aus Edelstahl besteht, das zu einem Ring gewalzt ist und dessen freie Enden zu einem geschlossenen Ring zusammengeführt sind, wobei der Durchmesser der Ringelektrode in einem Bereich von 40 cm bis 2 m liegt..
  • Ein Vorteil der Herstellung einer Elektrode aus einem Stangenmaterial aus Edelstahl besteht unter anderem darin, dass praktisch kein oder nur ein sehr geringer Materialverschnitt auftritt, da das Stangenmaterial lediglich auf die für einen Ring benötigte Länge abgetrennt werden muss. Derartiges Stangenmaterial ist häufig auch auf Rollen mit großem Durchmesser aufgewickelt und steht somit praktisch als Endlosmaterial zur Verfügung.
  • Unter "Stangenmaterial" wird dabei jedes Material mit konstantem Querschnitt und einer gegenüber dem Durchmesser mindestens hundertfachen Länge verstanden. Insbesondere umfasst der Begriff "Stangenmaterial" auch Drahtquerschnitte ab 16 mm2 bis hin zu Querschnitten von beispielsweise 30x30 mm2, ohne dass mit diesen Querschnittsangaben irgendwelche Beschränkungen verknüpft sein sollen.
  • Dabei ist es insbesondere möglich, mit entsprechenden Walzanlagen Ringe mit Durchmessern zwischen etwa 40 cm und 1,5 m oder 2 m mit guter Genauigkeit, d.h. mit einer sehr guten Rundheit des Ringes, herzustellen. Besonders bevorzugt ist Stangenmaterial mit rechteckigem Querschnitt, da es die Möglichkeit zur Bereitstellung von Schleifbahnen bietet, die in einfacher Weise einen guten Flächenkontakt mit den Schleifkontakten ermöglichen.
  • Die freien Enden der zu einem geschlossenen Ring geformten Stange liegen dann einander auf Stoß gegenüber. Zweckmäßigerweise ist die Stange darüber hinaus in ein isolierendes Kunststoffträgermaterial eingebettet, so dass allenfalls eine für praktische Zwecke vernachlässigbare Lücke zwischen den freien Enden der ringförmig gebogenen Stange verbleibt.
  • Dabei sollte ein solches Kunststoffträgermaterial zweckmäßigerweise so ausgewählt werden, dass es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der möglichst gut mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aus Edelstahl hergestellten Ringelektrode übereinstimmt. Insbesondere sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich einer Betriebs und Transporttemperatur zwischen -40 und +80°C zumindest innerhalb eines Faktors 2 im Bereich um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl liegen.
  • Die Stange bzw. das Stangenmaterial, welches für die Herstellung eines konkreten Ringes verwendet wird, sollte vorzugsweise eine gewisse, kleine Überlänge aufweisen, weil dies ermöglicht, die freien Enden der insgesamt zu einem Ring gewalzten Stange übereinander zu legen und entlang eines Gehrungsschnittes auf die gewünschte Länge zu bringen. Dadurch wird in jedem Fall eine gute Überlappung für einen über die Stoßnaht gleitenden Schleifkontakt sichergestellt. Durch Einbetten und Fixieren der Ringelektroden und der freien Enden derselben und gegebenenfalls Glätten des Übergangsbereiches kann man einen erhöhten Verschleiß an der Stoßverbindung vermeiden.
  • Darüber hinaus können die einander gegenüber liegenden freien Enden des Ringes selbstverständlichen auch miteinander verschweißt oder hartverlötet werden.
  • Im Falle eines Gehrungsschnittes verläuft die entsprechende Schweißnaht nicht genau radial bezüglich der Ringachse, sondern deutlich geneigt gegenüber der radialen Richtung.
  • Der Bereich einer Schweißnaht an der Ringelektrode wird vorzugsweise durch Fräsen, Drehen oder Schleifen geglättet, sodass ein übermäßiger Verschleiß der Schleifkontakte im Bereich der Schweißnaht vermieden wird.
  • Gegebenenfalls kann der Ring im Bereich der Schweißnaht auch durch Erhitzen bis zu einem gewissen Grad ausgeheilt werden, sodass dieser Bereich im Wesentlichen die gleichen Reibungseigenschaften für die Schleifkontakte hat, wie der übrige Teil der Ringelektrode.
  • Ein entsprechender Schleifring zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem stehenden und einem rotierenden Maschinenteil, der ein isolierendes Trägermaterial aufweist, das gleichfalls die Form eines Ringes hat, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifring mindestens eine Ringelektrode der vorstehend beschriebenen Art aufweist. Vorzugsweise ist die Elektrode in das Trägermaterial des Schleifringes eingebettet und weist nur einen geringen Überstand über eine entsprechende Oberfläche des Trägermaterials auf.
  • Ein Schleifring kann selbstverständlich auch mehrere Ringelektroden der vorstehend beschriebenen Art aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform haben die mehreren Ringelektroden eines Schleifringes unterschiedliche Durchmesser und sie sind konzentrisch in einer gemeinsamen radialen Ebene angeordnet, d.h. in einer Ebene senkrecht zu der gemeinsamen Ringachse.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es allerdings auch möglich, dass die mehreren Ringelektroden jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen und parallel in einer gemeinsamen Zylinderoberfläche des ring- bzw. zylinderförmigen Trägermaterials angeordnet. Es versteht sich, dass neben der mindestens einen erfindungsgemäßen Ringelektrode aus Edelstahl auch weitere Ringelektroden an einem Schleifring angeordnet sein können, die aus einem anderen leitfähigen Material, insbesondere aus Messing, bestehen.
  • Die entsprechenden Schleifkontakte bzw. Abgriffselektroden stehen in berührendem Kontakt mit der mindestens einen Ringelektrode aus Edelstahl und sind vorzugsweise metallhaltige Kohleelektroden. Für die Kombination mit Edelstahl-Ringelektroden haben sich insbesondere Kohleelektroden mit einem Silbergehalt bis zu 60 % oder einem Kupfergehalt bis zu 75 % als geeignet erwiesen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei einem Schleifring für jede Ringelektrode jeweils mehrere Kohleelektroden als Schleifkontakte auf einer gemeinsamen Abgriffsschiene angeordnet. Hierdurch wird die zur Verfügung stehende Kontaktfläche zwischen Ring und Schleifkontakt deutlich vergrößert und man kann den Kontaktdruck und die dadurch hervorgehobene Reibung und den Verschleiß dahingehend optimieren, dass sich eine für die Übertragung ideale Patina bildet. Der geringe Anfangsverschleiß der aufgeführten Materialkombinationen führt in Kombination mit umgebender Luftfeuchtigkeit zu einer Beschichtung der Ringelektroden mit dem Schleifkontaktmaterial, welche die Eigenschaften hinsichtlich Übergangswiderstand, Kontaktrauschen und weiteres Verschleißverhalten deutlich positiv beeinflusst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen entsprechender Ringelektroden wurde weiter oben bereits implizit beschrieben und es ist gekennzeichnet durch Verwenden eines Stangenmaterials aus Edelstahl, wobei die Länge einer entsprechenden Edelstahlstange mindestens dem Umfang der herzustellenden Ringelektrode entspricht, Walzen der Stange zu einer Ringform mit dem gewünschten Durchmesser, Verschweißen der zusammengeführten freien Enden der zu einem Ring geformten Stange und Glattfräsen oder Schleifen des Schweißnahtbereiches auf der Oberfläche des zusammengeschweißten Ringes.
  • Dabei wird, wie bereits erwähnt, vorzugsweise ein Stangenmaterial mit rechteckigem Querschnitt verwendet.
  • Die bevorzugten Materialien für den Edelstahl einer Ringelektrode sind beispielsweise Edelstähle mit hohem Chrom- und Kohlenstoffgehalt, wie sie zum Beispiel als Stähle der Sorten X10Cr13 oder X20Cr13 zur Verfügung stehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
    • Figur 1 die Draufsicht auf eine Ringelektrode sowie eine entsprechende Ausschnittsvergrößerung im Bereich einer Schweißnaht,
    • Figur 2 die Draufsicht auf einen Schleifring,
    • Figur 3 einen Querschnitt durch einen Schleifring,
    • Figur 4 eine Kohlebürste in Schleifkontakt mit einer Ringelektrode und
    • Figur 5 einen Bürstenblock für die Bereitstellung von Schleifkontakten mit mehreren Ringelektroden.
  • Man erkennt in Figur 1 in der Draufsicht einen schematisch dargestellten Ring 1, der aus Edelstahl besteht und dessen Querschnitt beispielsweise gemäß Figur 3 quadratisch mit Maßen von 10x10 mm2 sein kann.
  • Der Ausschnitt A ist im oberen Teil der Figur 1 vergrößert dargestellt und deutet schematisch anhand einer gestrichelten Linie eine Schweißnaht 8 an, die entlang eines Gehrungsschnittes verläuft.
  • Zur Herstellung eines solchen Schnittes wird ein Stangenmaterial mit einer geringfügigen Überlänge verwendet und zu einem entsprechenden Ring gewalzt und die freien Enden, die wegen des Übermaßes etwas überlappen, werden übereinander gelegt und dann gemeinsam entlang einer der Schweißnaht 8 entsprechenden Linie auf Gehrung abgeschnitten. Anschließend werden die geschnittenen Flächen bündig aneinandergelegt und verschweißt, sodass die Schweißnaht 8 den in Figur 1 dargestellten Verlauf hat. Die Oberfläche des Ringes wird anschließend durch Fräsen oder Schleifen geglättet. Eventuell kann auch die ganze Ringfläche nochmals abgedreht werden, wenn die Ringelektrode in eine entsprechende Vorrichtung eingespannt ist oder in den Schleifring 20 gemäß Figuren 2 und 3 eingebettet ist.
  • Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Schleifring, der aus einer Trägerscheibe 5 in Ringform besteht, die aus einem isolierenden Kunststoffmaterial hergestellt ist, vorzugsweise aus Polyurethan mit einem mineralischen Füllstoff, wobei der Füllstoff dafür sorgt, dass das Kunststoffmaterial insgesamt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der in der Größenordnung der thermischen Ausdehnung von Edelstahl liegt und jedenfalls in dem interessierenden Temperaturbereich von -40° bis 80° C um weniger als einen Faktor 2 von dem Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl abweicht.
  • Die Trägerscheibe 5 weist insgesamt vier eingebettete Schleifringe 1, 2, 3 und 4 auf. Die gemeinsame Achse 10 der Trägerscheibe 5 und der Ringe 1, 2, 3 und 4 ist im Zentrum der Scheibe angedeutet. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Trägerscheibe 5 mit den vier eingebetteten Ringelektroden 1, 2, 3 und 4, die über die sich in einer Radialebene erstreckende Oberfläche 6 etwas hervorstehen. Der Überstand der Oberflächen der Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 gegenüber der Oberfläche 6 kann zum Beispiel zwischen 1 und 3 mm liegen. Die im Querschnitt quadratischen Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 sind jeweils zu mehr als der Hälfte in das Material der Trägerscheibe 5 eingebettet. Die parallel zur Radialebene 6 verlaufenden Oberflächen der Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 sind vorzugsweise ihrerseits geglättet, zum Beispiel durch Schleifen, Drehen oder Fräsen und liegen gemeinsam in einer zur Ebene 6 parallelen Ebene 6', die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
  • Figur 4 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ringelektrode 1, die in Schleifkontakt mit einer Kohlebürste 11 steht, wobei die Kohlebürste, wiederum nur schematisch, im Schnitt dargestellt ist. Die Kohlebürste 11 besteht insgesamt aus einem metallgefüllten bzw. metallimprägnierten Graphitblock 12, einer Führungshülse 13, einer Kappe 14 und eine Feder 15, welche den Graphitblock 12 in Eingriff mit der Oberfläche der Ringelektrode 1 hält.
  • Die Kohlebürste 11 wird typischerweise in einer Schiene eines Bürstenblockes 21 montiert, wie er in Figur 5 dargestellt ist. Zweckmäßigerweise bestehen Hülse 13, Kappe 14 und Feder 15 aus einem elektrisch leitfähigen Material, typischerweise aus Metall und gegebenenfalls kann auch noch eine flächige, flexible Kontaktfahne oder -leitung zwischen Feder 15 und Graphitblock 12 angeordnet sein, die mit einem freien Ende mit der Kappe 14 und/oder der Hülse 13 verbunden ist, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen Graphitblock 12 und Hülse 13 bzw. Kappe 14 herzustellen.
  • Wie in Figur 5 dargestellt, sind typischerweise mehrere Kohlebürsten 11 mit einer elektrisch leitenden Kontaktschiene 22 eines Bürstenblockes 21 verbunden, konkret jeweils in einer passenden Bohrung der Kontaktschiene 22 aufgenommen. Beispielsweise könnte die Hülse 13 in eine Bohrung der Schiene eingepresst oder eingeschrumpft, gegebenenfalls auch verlötet oder verschraubt sein und ist auf diese Weise fest und elektrisch leitend mit der Kontaktschiene 22 verbunden. Mehrere auf derselben Kontaktschiene 22 angeordnete Kohlebürsten 11 können gleichzeitig und hintereinander liegend mit derselben Ringelektrode 1 in Schleifkontakt treten. Gegebenenfalls können die Bohrungen für die Aufnahme der Kohlebürsten 11 auf der Kontaktschiene 22 dem bogenförmigen Verlauf einer Ringelektrode 1 folgen, bei großen Durchmessern der Ringelektrode ist dies aber im Allgemeinen nicht erforderlich da auch linear auf einem kurzen Abstand angeordneten Kohlebürsten trotz einer leichten Krümmung der Ringelektrode mit dieser in Kontakt bleiben..
  • Die benachbarten Kontaktschienen 23, 24 sind hier ohne Kohlebürsten dargestellt, tragen aber selbstverständlich im Allgemeinen ihrerseits ebenfalls Kohlebürsten 11, die mit benachbarten Ringelektroden, zum Beispiel den Ringelektroden 2 und 3 gemäß Figur 3, in Kontakt treten. Es versteht sich, dass das Gehäuse 25 des Bürstenblockes 21 elektrisch isolierend ist, damit die einzelnen daran befestigten Kontaktschienen 22, 23, 24 gegeneinander elektrisch isoliert sind.
  • Im Betrieb werden die Schleifkontakte unter federnder Vorspannung in Kontakt mit der Oberfläche der Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 gehalten, wobei sich entweder die Trägerscheibe 5 mit den Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 oder aber ein Maschinenteil, an welchem die Schleifkontakte angebracht sind, um die gemeinsame Achse 10 dreht, wobei die Schleifkontakte kontinuierlich mit der Oberfläche der Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 in Kontakt stehen und auf diese Weise kontinuierlich elektrische Energie bzw. Leistung übertragen können. Aufgrund der bevorzugten Materialpaarung aus Edelstahl für die Ringelektroden 1, 2, 3 und 4 einerseits und einem Silbergraphit mit bis zu 60 % Silber oder einem Kupfergraphit bis zu 75 % Kupfer erreicht mandurch eine materialbedingt sehr gute Ausbildung einer Patina einen sehr guten Kontaktwiderstand, geringes Kontaktrauschen und eine hohe Übertragungsleistung zwischen dem stehenden und dem drehenden Maschinenteil.
  • Die erfindungsgemäße Methode, die Ringelektroden durch Walzen aus Edelstahl herzustellen, hat vor allem auch den Vorteil, dass aus ein- und demselben Stangenmaterial Ringe bzw. Ringelektroden mit nahezu beliebigem Durchmesser hergestellt werden können, solange das Material sich nur auf einen gewünschten Durchmesser walzen lässt. Dabei gibt es fast keinen Materialverschnitt (abgesehen von den beispielsweise auf Gehrung geschnittenen Enden), die Oberflächen haben und behalten eine hohe Qualität und das Material ist äußerst widerstandsfähig gegen Verschleiß und weist nur eine geringe Reibung gegenüber metallhaltigen Graphitelektroden auf, sodass auch der Gesamtverschleiß des Systems aus Schleifring und Schleifkontakt äußerst gering bleibt und gleichzeitig hervorragende Leistungsdaten in Bezug auf die Stromtragfähigkeit und Signalqualität erzielt werden. Damit sind die erfindungsgemäßen Ringelektroden und Schleifringe insbesondere für die Anwendung an bildgebenden medizinischen Geräten mit rotierenden Aufnehmern bzw. Sensoren oder Strahlungsemittern geeignet.
  • Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

Claims (18)

  1. Ringelektrode für einen Schleifring zur Übertragung von elektrischer Antriebsenergie zwischen Maschinenteilen, von denen mindestens eines gegenüber einem anderen drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelektrode (1, 2, 3, 4) aus einem Stangenmaterial aus Edelstahl besteht, das zu einem Ring gewalzt ist und dessen freie Enden zu einem geschlossenen Ring mit einem Durchmesser im Bereich von 40 cm bis 2 m zusammengeführt sind.
  2. Ringelektrode (1, 2, 3, 4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden des ringförmig gewalzten Stangenmaterials auf Gehrung (8) geschnitten sind.
  3. Ringelektrode (1, 2, 3, 4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden des ringförmig gewalzten Stangenmaterials miteinander verschweißt oder hart verlötet sind.
  4. Ringelektrode (1, 2, 3, 4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenmaterial einen rechteckigen Querschnitt mit Mindestmaßen von 5 x 5 mm2 und Maximalmaßen von 30 x 30 mm2 aufweist.
  5. Ringelektrode (1, 2, 3, 4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Durchmesser im Bereich bis 1,5 m aufweist.
  6. Ringelektrode (1, 2, 3, 4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in ein Kunststoffträgermaterial (5) eingebettet ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient bei einer Betriebstemperatur zwischen -40 und 80°C innerhalb eines Faktors 2 im Bereich um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl liegt.
  7. Schleifring (2) zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem stehenden und einem rotierenden Maschinenteil, mit einem isolierenden Trägermaterial (5) in Form eines Ringes und mindestens einer daran montierten, insbesondere eingebetteten Ringelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifring (20) mindestens eine Ringelektrode (1, 2,3,4) nach einem der Ansprüche 1 - 6 aufweist.
  8. Schleifring (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Ringelektroden (1, 2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  9. Schleifring (20) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ringelektroden (1, 2, 3, 4) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und konzentrisch in einer gemeinsamen radialen Ebene angeordnet sind.
  10. Schleifring (20) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ringelektroden (1, 2, 3, 4) jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen und parallel in einer gemeinsamen Zylinderoberfläche des ringförmigen Trägermaterials angeordnet sind
  11. Schleifring nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass neben mindestens einer Ringelektrode (1, 2, 3, 4) aus Edelstahl weitere Ringelektroden aus einem anderen leitfähigen Material, insbesondere aus Messing, vorgesehen sind.
  12. Schleifring nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgriffselektroden (11) in berührendem Kontakt mit der mindestens einen Ringelektrode (1, 2,3,4) aus Edelstahl metallhaltige Kohlelektroden (12) vorgesehen sind.
  13. Schleifring nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen Kohleelektroden (12) einen Silbergehalt bis zu 60% oder einen Kupfergehalt bis zu 75% aufweisen.
  14. Schleifring nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ringelektrode jeweils mehrere Kohleelektroden auf einer gemeinsamen Abgriffsschiene (22) angeordnet sind.
  15. Verfahren zum Herstellen von Ringelektroden (1, 2, 3, 4) aus Edelstahl, gekennzeichnet durch:
    - Verwenden eines Stangenmaterials aus Edelstahl, wobei die Länge einer Edelstahlstange mindestens dem Umfang der herzustellenden Ringelektrode (1, 2, 3, 4) entspricht,
    - Walzen der Stange zu einer Ringform mit dem gewünschten Durchmesser,
    - Zusammenfügen der freien Enden der Stange zu einem geschlossenen Ring mit einem Durchmesser von 40 cm bis 2m.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stangenmaterial mit rechteckigem Querschnitt verwendet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stange mit Überlänge verwendet wird, deren Enden vor dem Zusammenfügen und Fixieren durch einen Gehrungsschnitt (8) auf passende Länge abgeschnitten werden.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch Verschweißen oder Verlöten der zusammengeführten freien Enden der zu einem Ring geformten Stange und wahlweises glatt Fräsen oder Schleifen des Schweißnahtbereiches.
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