PL203741B1

PL203741B1 - Układ pierścieni ślizgowych do silników i generatorów elektrycznych, korpus z układem pierścieni ślizgowych oraz sposób przezbrajania korpusów z układem pierścieni ślizgowych

Info

Publication number: PL203741B1
Application number: PL345985A
Authority: PL
Inventors: Wolfgang Vesper; Klaus Stadie; Ingolf Hahn; Aloysius Meyer
Original assignee: Pantrac Gmbh
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2009-11-30
Also published as: BR0100825A; CZ2001670A3; US20010033117A1; EP1133028A3; DE10009007A1; DE50111920D1; CZ301293B6; ES2281383T3; CA2337978A1; PL345985A1; EP1133028B1; DE10009007B4; EP1133028A2; ATE352895T1; AR027549A1; US6400057B2

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ pierścieni ślizgowych do silników i generatorów elektrycznych, korpus z układem pierścieni ślizgowych oraz sposób przezbrajania korpusów z układem pierścieni ślizgowych. Wynalazek znajduje zastosowanie w maszynach elektrycznych ze szczotkami z tworzyw węglowych i korpusami z pierścieni ślizgowych, przy czym szczotki są połączone w sposób przewodzący prąd elektryczny z pierścieniami ślizgowymi korpusów.

Silniki i generatory elektryczne, za pomocą których energia elektryczna jest przekształcana w energię obrotową lub odwrotnie, wymagają doprowadzania prą du dla osadzonej obrotowo cewki, połączonej siłowo lub kształtowo z osią obrotu. Odbywa się to zazwyczaj poprzez połączone z osią obrotu i współosiowe względem niej pierścienie ślizgowe, połączone przewodząco ze stałymi szczotkami, lub poprzez skojarzenie szczotek z tak zwanymi komutatorami lub kolektorami, które poza wytworzeniem elektrycznego połączenia pomiędzy stałą i obrotową częścią maszyny elektrycznej powodują również komutację prądu (w maszynach prądu stałego).

Zazwyczaj pierścienie ślizgowe i komutatory są z metali, jak miedź, stopy miedzi, na przykład brązy, brązy cynowe, brązy niklowe, srebro lub stal. Pierścienie ślizgowe są łączone w korpusy za pomocą mocowań izolacyjnych z piastą (oś obrotu), przy czym są one odizolowane względem siebie. Wzdłuż obwodu pierścieni ślizgowych rozmieszczone są osadzone na stałe, przewodzące prąd elektryczny szczotki, utrzymywane siłą sprężyny w styku z powierzchnią pierścieni ślizgowych. W przypadku silników i generatorów na prąd zmienny na każdą fazę potrzebne są pojedyncze pierścienie ślizgowe lub kilka takich pierścieni.

Zestyki ślizgowe (szczotki) są najczęściej z tworzyw węglowych, ewentualnie w kombinacji z metalami (na przykł ad grafit metalowy, który wytwarza się poprzez prasowanie mieszanin proszków metali, zwłaszcza miedzi, cyny lub ołowiu, z grafitem, zwłaszcza grafitem naturalnym, i następne ich utwardzanie w drodze wyżarzania lub spiekania).

We wszystkich tych parach tworzyw ich ruch względem siebie, a częściowo również duże przenoszone prądy, powoduje zużycie, przy czym w wyniku ścierania mogą powstawać pyły, które z kolei mogą prowadzić do skrócenia torów upływu w wyniku zanieczyszczenia, a następnie do przebić; z drugiej strony następuje ubytek stykających się warstw. Konieczność wymiany szczotek i końcowej obróbki pierścieni ślizgowych (toczenie miejsc zdefektowanych, jak rowki lub temu podobne) pociąga za sobą dodatkowe okresy międzykonserwacyjne, które są krótsze niż okresy międzykonserwacyjne dla łożysk (tocznych), co znacznie podwyższa koszty konserwacji, przede wszystkim z uwagi na dodatkowe przestoje.

Dlatego też dąży się do zminimalizowania zużycia, przy czym częstość związanych z nim prac konserwacyjnych powinna być mniejsza lub co najwyżej równa częstości prac konserwacyjnych dla łożysk i/lub innych elementów podlegających zużyciu.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DD 258 687 A1 oraz z publikacji VEM Zeitschrift 1975, strona 15 i następne, wiadomo, że w przypadku pary złożonej ze szczotek grafitowych i pierścieni ślizgowych z grafitu zużycie jest bardzo niewielkie. Układ ten ma jednak tę wadę, że z uwagi na stosunkowo dużą w porównaniu z metalami oporność właściwą grafitowy korpus z pierścieni ślizgowych może przepuszczać jedynie niewielkie prądy. Przy dużych prądach ciepło omowe jest niedopuszczalnie wysokie. Wprowadzanie lub wyprowadzanie prądu odbywa się w pierścieniu ślizgowym poprzez metalowy przewód, przesunięty w bok i równoległy względem osi obrotu i połączony w sposób przewodzący prąd elektryczny z korpusem pierścienia ślizgowego. Ponieważ opór wewnątrz grafitowego pierścienia ślizgowego jest podobnej wielkości co opór przejścia pomiędzy pierścieniem ślizgowym i szczotką, przy stałym indukowanym prą dzie w cewce prowadzi to do periodycznych wahań napięcia w przypadku generatora, za ś w przypadku silnika do nierównomiernego momentu obrotowego, zależ nie od długości drogi prądu, a zatem czynnego oporu w pierścieniu ślizgowym.

Inna konstrukcja jest znana z niemieckiego opisu patentowego nr DD 248 909. Przedstawiony tu jest pierścień ślizgowy z metalową podstawą i przylutowanym węglowym pierścieniem ślizgowym, przy czym podstawa pierścienia ślizgowego ma komory, przeznaczone do odprowadzania strat cieplnych poprzez wentylację ze wszystkich stron. Zwrócona ku metalowej podstawie pierścienia ślizgowego strona pierścienia węglowego musi być metalizowana, aby zapewnić niski opór przejścia i umożliwić połączenie lutowane. Silne nagrzanie konstrukcji w wyniku omowych strat mocy, a także już w operacji lutowania, powoduje występowanie naprężeń cieplnych. Dlatego też zewnętrzna część

PL 203 741 B1 metalowej podstawy pierścienia ślizgowego jest korzystnie zaopatrzona w wybrania do kompensacji naprężeń cieplnych.

Celem wynalazku jest opracowanie pierścieni ślizgowych, które charakteryzują się stosunkowo małym zużyciem, z drugiej zaś strony są odporne na wystarczająco duże obciążenie prądowe, aby tego typu układy można było zastosować również w zakresie niskich napięć, bez obawy o wystąpienie silnego nagrzewania, znanego ze stanu techniki. Kolejnym zadaniem wynalazku jest umożliwienie takiego wyposażenia istniejących maszyn z pierścieniami ślizgowymi, aby zużycie było mniejsze, przy czym wymienić należy jak najmniejszą liczbę części.

Układ pierścieni ślizgowych w silnikach i generatorach elektrycznych, w których szczotki z tworzyw węglowych i pierścienie ślizgowe korpusu są połączone ze sobą w sposób przewodzący prąd elektryczny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierścienie ślizgowe korpusu mają metalową podstawę o typowej budowie i zawierają przewodzącą prąd elektryczny warstwę poślizgową z tworzywa grafitowego, której grubość wynosi co najwyż ej 11% promienia pierś cienia ś lizgowego i która jest zamocowana w sposób przewodzą cy prą d elektryczny za pomocą klejenia na obwodzie metalowej podstawy pierścienia ślizgowego.

Korzystnie tworzywo warstwy poślizgowej ma wytrzymałość na zginanie wynoszącą co najmniej 30 MPa.

Korzystnie warstwa poślizgowa jest z prasowanego izostatycznie tworzywa grafitowego.

Korzystnie warstwa poślizgowa składa się z pierścieniowych segmentów.

Korzystnie miejsca styku pomiędzy segmentami warstwy poślizgowej są nachylone do stycznej pod kątem, wynoszącym maksymalnie 75°.

Korzystnie segmenty mają różne długości łuków, przy czym długość najdłuższego segmentu wynosi co najmniej 110% długości segmentu dwuczęściowego.

Korzystnie podstawa pierścienia ślizgowego jest tak ukształtowana, że co najmniej na jednej z krawę dzi jej zewnętrznej powierzchni bocznej znajduje się występ.

Korzystnie co najmniej jeden występ ma szerokość pomiędzy 0,5 i 5 mm oraz wysokość pomiędzy 0,5 i 3 mm.

Korzystnie warstwa poślizgowa składa się z pierścienia, zaopatrzonego w szczelinę biegnącą pod kątem (β) do stycznej.

Korzystnie kąt jest tak dobrany, że szczelina przechodzi co najmniej raz przez cały obwód warstwy poślizgowej.

Korzystnie sklejenie warstwy poślizgowej i metalowej podstawy pierścienia ślizgowego odbywa się przy użyciu odpornego na temperaturę kleju, który zapewnia stałe połączenie warstwy poślizgowej z podstawą pierścienia ślizgowego także w czasie pracy układu pierścieni ślizgowych.

Korzystnie sklejenie warstwy poślizgowej i metalowej podstawy pierścienia ślizgowego odbywa się przy użyciu kleju, do którego dodany jest proszek metalu.

Korzystnie jako szczotki zastosowane są szczotki grafitowe.

Korzystnie nie wszystkie pierścienie ślizgowe korpusu mają warstwę poślizgową z tworzywa grafitowego.

Korpus z układem pierścieni ślizgowych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera metalową podstawę o typowej budowie i przewodzącą prąd elektryczny warstwę poślizgową z tworzywa grafitowego, której grubość wynosi co najwyżej 11% promienia pierścienia ślizgowego i która jest zamocowana w sposób przewodzący prąd elektryczny za pomocą klejenia na obwodzie metalowej podstawy pierścienia ślizgowego.

Sposób przezbrajania korpusów z układem pierścieni ślizgowych w maszynach elektrycznych z co najmniej jednym metalowym pierścieniem ślizgowym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że z zewnętrznej powierzchni bocznej co najmniej jednego pierścienia ślizgowego zdejmuje się na określoną grubość metalową warstwę stykową, a następnie nakleja się warstwę poślizgową.

Korzystnie przy zdejmowaniu metalowej warstwy stykowej na krawędziach zewnętrznej bocznej powierzchni pozostawia się występ, zaś warstwę poślizgową umieszcza się w rowku utworzonym przez występ.

Według wynalazku pierścień ślizgowy ma zatem podstawę w postaci metalowego pierścienia ślizgowego o typowej budowie i naklejoną na tę podstawę warstwę poślizgową, korzystnie z tworzywa grafitowego. Jeżeli stosowane jest tworzywo grafitowe, wówczas korzystne jest, jeżeli jego parę stanowi tworzywo grafitowe, zwłaszcza izostatycznie prasowane tworzywo grafitowe. Ponadto wytrzymałość na zginanie tworzywa grafitowego powinna wynosić korzystnie co najmniej 30 MPa (= 30 N/mm²),

PL 203 741 B1 aby grubość warstwy tworzywa węglowego mogła być wystarczająco mała. Dzięki tej konstrukcji z jednej strony osiąga się minimalne zużycie pary powierzchni stykowych, ponieważ materiał trący o szczotki można dobrać tak, by ubytki w wyniku tarcia pomiędzy tymi przemieszczanymi względem siebie tworzywami były mniejsze niż ubytki występujące w parach złożonych z metali lub parach złożonych z metalu i tworzywa węglowego dla szczotek. Z drugiej strony konstrukcja ta zapewnia symetryczny rozkład oporu przejścia pomiędzy metalową podstawą pierścienia ślizgowego i warstwą poślizgową.

Dlatego też wynalazek dotyczy układu pierścieni ślizgowych dla silników i generatorów elektrycznych, w których szczotki z tworzyw węglowych i pierścienie ślizgowe korpusu są połączone ze sobą w sposób przewodzący prąd elektryczny, który to układ charakteryzuje się tym, że pierścienie ślizgowe zawierają podstawę w postaci metalowych pierścieni ślizgowych o typowej budowie i przewodzącą prąd elektryczny warstwę poślizgową z tworzywa grafitowego, której grubość wynosi maksymalnie 11% zewnętrznego promienia pierścienia ślizgowego i która jest zamocowana w sposób przewodzący prąd elektryczny za pomocą klejenia na obwodzie metalowej podstawy pierścienia ślizgowego. Możliwe jest również rozwiązanie, w którym nie wszystkie pierścienie ślizgowe korpusu są pokryte warstwą poślizgową.

Pojęcie korpusu z pierścieni ślizgowych, zrozumiałe dla specjalisty, oznacza tutaj układ złożony z piasty, izolatora (korzystnie cylindrycznego płaszcza izolacyjnego) i pierścieni ślizgowych, które według wynalazku składają się z metalowej podstawy pierścieni ślizgowych i warstwy poślizgowej.

Grubość warstwy poślizgowej jest ograniczona od góry jej przewodnością (im grubsza jest warstwa poślizgowa, mająca mniejszą przewodność w porównaniu do metali, tym większy jest opór pomiędzy odprowadzeniem, połączonym przewodząco z metalową podstawą pierścienia ślizgowego, przewodem przyłączeniowym na szczotce). Korzystne okazało się, jeżeli grubość warstwy poślizgowej jest nie większa niż 11% promienia zewnętrznego płaszcza warstwy poślizgowej.

Metalowa podstawa pierścienia ślizgowego ma zazwyczaj postać płaskiego cylindrycznego pierścienia nośnego, który może być wykonany z litego materiału, zaopatrzony w (najczęściej kołowe) wybrania lub mieć postać koła szprychowego. Jest również możliwe i korzystne, jeżeli szerokość podstawy pierścienia ślizgowego w pobliżu zewnętrznej powierzchni bocznej jest większa niż w pozostałej części pierścienia. Podstawa pierścienia ślizgowego zyskuje tym samym wygląd płaskiego pierścienia (który również powinien mieć wybrania), na którego obwodzie znajduje się korzystnie szerszy (w kierunku równoległym do osi), cylindryczny płaszcz, podobnie jak to ma miejsce w oponie. Na (zewnętrznej) powierzchni bocznej tej podstawy pierścienia ślizgowego zamocowana jest w sposób przewodzący prąd elektryczny warstwa poślizgowa o stałej grubości. Zamocowanie to ma korzystnie postać przewodzącego złącza klejonego. Zaletą klejenia jest to, że połączenie elektryczne ma możliwie dużą powierzchnię styku, co zmniejsza opór przejścia i rozkłada siłę pomiędzy obydwoma materiałami na jak największej powierzchni. Przy sklejeniu nie jest również potrzebne, jak to ma miejsce przy lutowaniu, nagrzewanie do temperatur, w których lut ulega stopieniu. Przy lutowaniu trzeba mianowicie przedsięwziąć szczególne środki, aby zapobiec uszkodzeniu podstawy pierścienia ślizgowego, na przykład montaż i demontaż ekranu cieplnego.

Warstwa poślizgowa jest z tworzywa grafitowego, przewodzącego prąd elektryczny. Korzystnie jako materiał na warstwę poślizgową stosowane jest tworzywo grafitowe o wytrzymałości na zginanie co najmniej 30 MPa. Ponadto korzystnie stosowane jest prasowane izostatycznie tworzywo grafitowe. Grubość warstwy poślizgowej powinna być możliwie mała z uwagi na większą oporność właściwą w porównaniu do metalowej podstawy pier ś cienia ś lizgowego. Należ y przy tym jednak uwzglę dnić fakt, że z jednej strony warstwa poślizgowa o mniejszej grubości ma mniejszą stabilność mechaniczną, z drugiej zaś ścieranie w połączeniu z (wykonanymi korzystnie z tworzyw węglowych) szczotkami należy tak dopasować poprzez odpowiedni dobór tworzywa i jego grubości, aby okresy międzykonserwacyjne wynikające z konieczności odnowienia warstwy poślizgowej były równe lub dłuższe niż przeciętny czas życia łożyska tocznego. Grubość warstwy poślizgowej nie powinna zatem wynosić więcej niż 11% zewnętrznego promienia pierścienia ślizgowego (czyli zewnętrznego promienia warstwy poślizgowej); korzystnie grubość warstwy poślizgowej powinna wynosić 10% tego promienia lub mniej, korzystnie 8% lub mniej, przy czym szczególnie korzystne są wartości 6% i poniżej ewentualnie 4% i poniżej.

Do sklejania warstwy poślizgowej i metalowej podstawy pierścienia ślizgowego stosowane są kleje przewodzące. Kleje te powinny być tak dobrane, aby ich odporność na temperaturę była na tyle duża, żeby zapewniała stałe połączenie warstwy poślizgowej na metalowej podstawie pierścienia śliPL 203 741 B1 zgowego również w temperaturach, występujących podczas pracy układu pierścieni ślizgowych. Korzystnie jednak stosowane są także kleje, które nie mają odpowiedniej przewodności własnej, do których to klejów dodawany jest proszek metalu, korzystnie proszek miedzi. Szczególnie korzystne jest rozwiązanie, w którym po nałożeniu warstwy kleju pokryte nim powierzchnie posypuje się proszkiem metalu, aby uzyskać złącze klejone przewodzące prąd elektryczny. Używane proszki metali mają korzystnie ziarno o wielkości od 0,01 do 0,2 mm. Do stosowanych klejów zaliczają się zwłaszcza kleje na bazie żywic epoksydowych, żywic fenolowych, żywic cyjanianowo-estrowych oraz żywic poliuretanowych, poliestrowych i aminowych. Szczególnie korzystne jest zastosowanie do pierścieni ślizgowych według wynalazku klejów na bazie żywic fenolowych. Grubość warstwy kleju na metalowej powierzchni podstawy pierścienia ślizgowego względnie na wewnętrznej powierzchni warstwy poślizgowej wynosi korzystnie od 0,02 do 0,2 mm, zwłaszcza od 0,05 do 0,1 mm. Przy sklejaniu segmenty warstwy poślizgowej nasadza się w sposób pasowany na nośną podstawę pierścienia ślizgowego i prasuje pod równomiernym naciskiem. Szerokość spoin pomiędzy poszczególnymi segmentami warstwy poślizgowej powinna być przy tym jak najmniejsza.

Jako element współpracujący z warstwą poślizgową pierścieni ślizgowych stosowane są korzystnie szczotki grafitowe, to znaczy szczotki z tworzyw węglowych o charakterze grafitu. Zaliczają się do nich zwłaszcza elektrografit i wypalane tworzywa węglowe, zawierające grafit naturalny.

Kolejna zaleta tej konstrukcji polega na tym, że warstwę poślizgową, wykonaną korzystnie ze wspomnianego, wytrzymałego na zginanie tworzywa węglowego, można w razie potrzeby odnawiać; w tym celu należ y jedynie stoczyć pozostałości warstwy poślizgowej i warstwy kleju aż do metalu, po czym można nałożyć nową warstwę poślizgową. Zmiany ustawienia szczotek przy tej obróbce nie są wymagane. W przypadku pierścienia ślizgowego wykonanego wyłącznie z metalu jego zużycie pociąga za sobą konieczność przeróbki, przy czym nie można zejść poniżej minimalnej średnicy pierścienia, względnie trzeba wymienić cały pierścień ślizgowy, co oczywiście wymaga również odnowienia szczotek.

Częściowe lub całkowite przerobienie istniejących maszyn z pierścieniami ślizgowymi wyłącznie z metalu, moż na bez problemu przeprowadzić w ten sposób, że obrabia się , korzystnie zdejmuje, zwłaszcza poprzez toczenie, metalową warstwę stykową z zewnętrznej powierzchni bocznej istniejących pierścieni ślizgowych w korpusie, po czym nakłada się warstwę poślizgową o wymaganej grubości i łączy się ją z pozostałą metalową podstawą pierścienia ślizgowego za pomocą klejenia. Warstwę poślizgową można następnie, jeżeli jest to potrzebne do usunięcia nierówności powierzchni, obrobić za pomocą toczenia lub szlifowania. Zwłaszcza wówczas objawiają się korzystne cechy wynalazku, ponieważ zazwyczaj grubość warstwy poślizgowej (w kierunku promieniowym) pierścieni ślizgowych jest wystarczająco duża, aby toczenie na wymaganą średnicę można było wykonać bez obawy zmniejszenia stabilności. Dotyczy to zwłaszcza metalowych pierścieni ślizgowych, mających dwie warstwy w kierunku promieniowym, mianowicie metalową warstwę nośną i oddzielną zewnętrzną warstwę toczną.

Szczególnie korzystne jest takie obrobienie metalowych pierścieni ślizgowych istniejącej maszyny (na przykład za pomocą szlifowania, toczenia lub frezowania), aby na co najmniej jednej krawędzi zewnętrznej powierzchni bocznej pozostałej metalowej podstawy pierścienia ślizgowego pozostał występ (w kierunku rosnącego promienia), mający korzystnie szerokość od 0,5 do 5 mm, zwłaszcza od 1 do 3 mm, oraz wysokość od 0,5 do 3 mm, korzystnie od 1 do 2 mm. Warstwę poślizgową wkleja się w utworzony w ten sposób, cylindryczny rowek, przy czym warstwa poślizgowa jest równa z występami lub wystaje poza nie, korzystnie 5 mm, zwłaszcza do 3 mm.

W ukł adzie wedł ug wynalazku cał y korpus z pierś cieni ś lizgowych moż na zamocować w celu obrobienia lub odnowienia warstwy poślizgowej, po czym przetacza się pierścienie ślizgowe aż do metalowej podstawy i wymienia się warstwę poślizgową (w przypadku kilku pierścieni ślizgowych wykonuje się to jednocześnie).

Warstwę poślizgową może stanowić zamknięty pierścień; korzystnie jednak warstwa poślizgowa składa się z kilku segmentów, wyciętych z jednego lub kilku pierścieni grafitowych, przy czym umieszcza się je na elemencie nośnym w liczbie co najmniej dwóch, korzystnie co najmniej trzech segmentów. Korzystne jest przy tym, jeżeli styk pomiędzy dwoma stykającymi się segmentami warstwy poślizgowej nie są równoległe do osi obrotu (to znaczy prostopadłe do stycznej), lecz ustawione do stycznej pod kątem co najwyżej 75°, korzystnie co najwyżej 60°, zwłaszcza do 45°. Pojęcie stycznej jest przy tym zdefiniowane i wykorzystywane tutaj w następującym znaczeniu: Styczna jest prostą, stykającą się z zewnętrzną powierzchnią boczną pierścienia ślizgowego i prostopadłą do osi obrotu obraca6

PL 203 741 B1 jącej się części maszyny elektrycznej. Szczególnie korzystne okazało się, jeżeli warstwę poślizgową nakłada się w postaci jednoczęściowego pierścienia, zaopatrzonego w szczelinę biegnącą wzdłuż obwodu pod kątem β do stycznej, przy czym korzystnie szczelina przechodzi co najmniej raz przez cały obwód warstwy poślizgowej. Gdy warstwa poślizgowa ma postać więcej niż jednego segmentu, wówczas korzystne jest, jeżeli segmenty te nie mają jednakowej długości (łuku), lecz długość (łuku) najdłuższego segmentu powinna wynosić co najmniej 110% innego segmentu (ewentualnie drugiego pod względem długości). Grubość warstwy poślizgowej wynosi do 11% zewnętrznego promienia pierścienia ślizgowego, korzystnie co najwyżej 5 mm, zwłaszcza 4 mm lub mniej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia korpus z pierścieni ślizgowych, w schematycznym przekroju wzdłużnym, fig. 2 - fragment II z fig. 1 w powiększeniu, fig. 3 - fragment innego przykładu wykonania w powiększeniu, fig. 4 - przekrój wzdłuż linii IV-IV na fig. 1, fig. 5 - korpus z pierścieni ślizgowych z fig. 4, w bocznym widoku z góry, oraz fig. 6 - inny przykład wykonania korpusu z pierścieni ślizgowych w widoku z góry.

Korpus 11 z pierścieni ślizgowych według wynalazku, zawierający ogółem trzy pierścienie ślizgowe 10, 10', 10'' jest przedstawiony na fig. 1, ukazującej przekrój korpusu 11 w płaszczyźnie równoległej do osi obrotu. Na warstwie izolacyjnej 12, umieszczonej na piaście 1, zamocowane są metalowe pierścienie 2, 2 22. stanowiące podstawę pierścienia ślizgowego. Na bocznej powierzchni każdego z tych metalowych pierścieni 2, 2', 2 naklejona jest za pomocą kleju, przewodzącego prąd elektryczny, warstwa poślizgowa 3, 3' i 32 w postaci cylindrycznego pierścienia. Konstrukcja ta jest widoczna na fig. 2, ukazującej w powiększeniu fragment fig. 1. Przedstawiona jest tutaj metalowa część podstawy 2 pierścienia ślizgowego, na której za pomocą kleju, przewodzącego prąd elektryczny, zamocowana jest pierścieniowa warstwa poślizgowa 3.

Opisany wyżej przykład wykonania, w którym podstawa 2 pierścienia ślizgowego jest tak ukształtowana, że na krawędziach jej zewnętrznej powierzchni bocznej pozostawiony jest występ 4, 4', jest przedstawiony na fig. 3. Jest to wariant przykładu wykonania przedstawionego na fig. 1 względnie 2. W odróżnieniu od konstrukcji przedstawionej na fig. 1 na obu krawędziach zewnętrznej bocznej powierzchni podstawy 2 pierścienia ślizgowego pozostawiony jest występ 4 i 4 wskutek czego w środku zewnętrznej powierzchni ograniczającej podstawę 2 pierścienia ślizgowego utworzony jest rowek 5, w którym można schować warstwę poślizgową. Podstawę rowka 5 pokrywa się klejem przewodzącym prąd elektryczny, po czym nakłada się warstwę poślizgową 3 i skleja ją z podstawą 2 pierścienia ślizgowego.

Na fig. 4 ukazany jest przekrój wzdłuż linii IV-IV na fig. 1. Na warstwie izolacyjnej 12 poprzez piastę 1 zamocowana jest pierścieniowa podstawa 22 pierścienia ślizgowego, na którą naklejona jest warstwa poślizgowa 32· Na fig. 4 widoczna jest kilkuczęściowa budowa warstwy poślizgowej 3'', przy czym przedstawiona jest tutaj struktura trzyczęściowa, złożona z segmentów 31, 3''₂ i 31, oraz miejsca styku 7, 7 i 7''.

Na fig. 5 przedstawiony jest tego typu pierścień ślizgowy w widoku z góry, przy czym kierunek patrzenia jest tutaj prostopadły do osi i prostopadły do średnicy pierścienia ślizgowego. Na podstawę 2 pierścienia ślizgowego naklejona jest warstwa poślizgowa 3 w postaci kilku segmentów, przy czym widoczny jest tu styk 8 pomiędzy dwoma segmentami warstwy poślizgowej. Kąt α pomiędzy stykiem i styczną wynosi 60°.

Na fig. 6 widać wreszcie w widoku z góry, jak na fig. 5, następny korzystny przykład wykonania, w którym tworzący warstwę poślizgową pierścień 3 jest zaopatrzony w szczelinę. Kąt β pomiędzy szczeliną 9 i styczną jest korzystnie tak dobrany, że szczelina biegnie wzdłuż spiralnej linii na bocznej powierzchni cylindrycznej warstwy poślizgowej, zaś długość szczeliny jest większa niż obwód bocznej powierzchni. Zaleta tego przykładu wykonania polega na tym, że pierścień można poszerzyć celem umieszczenia na zamocowanej na piaście 1 podstawie 2 pierścienia ślizgowego, przy czym można go umieścić nawet przez widoczny na fig. 3 występ 4 względnie 4 podstawy pierścienia ślizgowego w rowku 5 bez obawy pęknięcia. Zaopatrzona w szczelinę warstwa poślizgowa 3 jest następnie przyklejana na stałe do podstawy 2 pierścienia ślizgowego tak, że przylega do niej płasko, zaś szerokość szczeliny 9 jest jak najmniejsza. Ostry kąt β (mały kąt) pomiędzy szczeliną 9 i styczną minimalizuje dodatkowo ewentualne nierówności lub miejsca styku, zmniejszając tym samym zużycie wskutek ścierania.

Przedmiot wynalazku jest poniżej objaśniony za pomocą następujących przykładów.

P r z y k ł a d p o r ó w n a w c z y

W standardowym silniku elektrycznym o mocy 6 kV (typ 1LS1 456-4HA60-Z firmy Siemens AG, nr 904 068) z pierścieniami ślizgowymi, wykonanymi według stanu techniki ze stali X10Cr13, oraz

PL 203 741 B1 odpowiednimi szczotkami, mianowicie szczotkami z metalowego grafitu typu RC53 firmy SGL CARBON GmbH podczas pracy z obciążeniem nominalnym mierzono temperaturę doprowadzanego powietrza, temperaturę uzwojenia, w komorze pierścienia ślizgowego, na szczotkach oraz na pierścieniach ślizgowych. Wyznaczono zużycie szczotek i pierścieni ślizgowych.

P r z y k ł a d

Opisany w przykładzie porównawczym korpus z pierścieni ślizgowych (o średnicy 280 mm) zamocowano centralnie na tokarce i przetoczono pierścienie ślizgowe ze stali do średnicy zewnętrznej równej 270 mm. Na powstałą w wyniku toczenia odsłoniętą powierzchnię naklejono trzy pierścieniowe segmenty z prasowanego izostatycznie grafitu typu 300 firmy SGL CARBON GmbH o następujących wymiarach: średnica wewnętrzna 270 mm, średnica zewnętrzna 282 mm, szerokość 30 mm, za pomocą kleju w postaci żywicy fenolowej z proszkiem miedzi gatunku FFL firmy Norddeutsche Affinerie jako wypełniaczem (skład: 50% wagowych żywicy, 50% wagowych proszku miedzi). Miejsca styku pomiędzy segmentami ukształtowano ze skosem 60°. Korpus z pierścieni ślizgowych ponownie zamocowano centralnie i przetoczono na średnicę zewnętrzną równą 280 mm. Korpus z pierścieni ślizgowych ponownie zamontowano w silniku. Poza tym szczotki wymieniono na szczotki grafitowe typu RE65 firmy SGL CARBON GmbH. Przeprowadzono te same pomiary, co w przykładzie wyrównawczym. Wyniki są zestawione w poniższej tabeli:

	Porównanie	Przykład
Szczotki	RC53	RE65
Warstwa poślizgowa	stal X10Cr13	Isographit 300
Zużycie szczotek	0,3 mm / 100 h	< 0,05 mm / 100 h
Zużycie pierścienia	poza pomiarem	poza pomiarem

Liczne porównania pomiędzy obiema konfiguracjami dla różnych czasów pracy i różnego obciążenia pozwoliły stwierdzić, że temperatura szczotek w rozwiązaniu według wynalazku była przeciętnie od 13 do 23°C niższa w stosunku do przykładu porównawczego, zaś temperatura pierścieni ślizgowych była przeciętnie od 12 do 18°C niższa w stosunku do przykładu porównawczego. W związku z mniejszym obciążeniem cieplnym w układzie pierścieni ś lizgowych według wynalazku można wydłużyć czas pracy elementów maszyn elektrycznych, jak na przykład łożyska.

Przy dłuższym czasie pracy (kilka setek godzin) stwierdzono wyraźne zużycie szczotek konwencjonalnego układu (porównanie), natomiast w układzie według wynalazku nie dało się zmierzyć zużycia zastosowanych szczotek. Zużycie pierścieni ślizgowych nie dało się zmierzyć w tak krótkim czasie próby.

Ponadto przeprowadzono próby stanowiskowe z porównawczym układem pierścieni ślizgowych i ukł adem pierścieni ś lizgowych wedł ug wynalazku, aby przetestować oba systemy w warunkach ekstremalnych obciążeń. Układy pierścieni ślizgowych zamontowano przy tym na silniku o mocy 710 kW, po czym przeprowadzono próby włączania na wysokich obrotach przy różnych prądach, to znaczy silniki pracowały chwilowo na bardzo dużej mocy. W porównawczym układzie pierścieni ślizgowych według dotychczasowego stanu techniki próby te można było przeprowadzać do obciążenia 3,2-krotnie większego od prądu nominalnego, co odpowiadało gęstości prądu dla każdej ze szczotek około 32 A/cm².

W rozwiązaniu standardowym zarówno pierś cienie ś lizgowe, jak też powierzchnie robocze szczotek wykazywały silne uszkodzenia w wyniku nadtopień (zaobserwowano nadpalanie szczotek). Układ pierścieni ślizgowych według wynalazku mógł wytrzymać nawet obciążenie około 3,5-krotnie większe w stosunku do prądu nominalnego, co odpowiadało gęstości prądu 40 A/cm². Również przy tym, jeszcze większym, obciążeniu na pierścieniach ślizgowych i szczotkach układu według wynalazku nie stwierdzono uszkodzeń.

Istotną zaletę układu pierścieni ślizgowych według wynalazku stanowi fakt, że pierścienie ślizgowe można użytkować w zasadzie bez wymiany. Jedynie warstwę poślizgową można w razie potrzeby odnowić, jednak bez konieczności znaczącego naruszania metalowej podstawy pierścienia ślizgowego. Dlatego też używane metalowe pierścienie ślizgowe należy po upływie pewnego czasu odnowić, ponieważ przy każdej okresowej konserwacji maszyn elektrycznych należałoby je przetaczać celem wymiany łożysk, aby wyrównać rowki powstałe na powierzchni pierścieni ślizgowych.

Claims

1. Układ pierścieni ślizgowych w silnikach i generatorach elektrycznych, w których szczotki z tworzyw węglowych i pierścienie ślizgowe korpusu są połączone ze sobą w sposób przewodzący prąd elektryczny, znamienny tym, że pierścienie ślizgowe (10, 10', 10'') korpusu (11) mają metalową podstawę (2, 21, 2'') o typowej budowie i zawierają przewodzącą prąd elektryczny warstwę poślizgową (3, 3', 3'') z tworzywa grafitowego, której grubość wynosi co najwyżej 11% promienia pierścienia ślizgowego (10, 101, 10'') i która jest zamocowana w sposób przewodzący prąd elektryczny za pomocą klejenia na obwodzie metalowej podstawy (2, Z, 2) pierścienia ślizgowego.

2. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzywo warstwy poślizgowej (3, 3!, 3) ma wytrzymałość na zginanie wynoszącą co najmniej 30 MPa.

3. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa poślizgowa (3, 3, 313 jest z prasowanego izostatycznie tworzywa grafitowego.

4. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa poślizgowa (3, 3', 33) składa się z pierścieniowych segmentów.

5. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 4, znamienny tym, że miejsca styku (7, 7', 7) pomiędzy segmentami warstwy poślizgowej są nachylone do stycznej pod kątem (α), wynoszącym maksymalnie 75°.

6. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że segmenty mają różne długości łuków, przy czym długość najdłuższego segmentu wynosi co najmniej 110% długości segmentu dwuczęściowego.

7. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że podstawa (2, 2', 2'') pierścienia ślizgowego jest tak ukształtowana, że co najmniej na jednej z krawędzi jej zewnętrznej powierzchni bocznej znajduje się występ (4, 4).

8. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 7, znamienny tym, że co najmniej jeden występ (4, 4J ma szerokość pomiędzy 0,5 i 5 mm oraz wysokość pomiędzy 0,5 i 3 mm.

9. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa poślizgowa składa się z pierścienia, zaopatrzonego w szczelinę biegnącą pod kątem (β) do stycznej.

10. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 9, znamienny tym, że kąt (β) jest tak dobrany, że szczelina przechodzi co najmniej raz przez cały obwód warstwy poślizgowej.

11. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że sklejenie warstwy poślizgowej (3, 3', 33) i metalowej podstawy (2, 23 21') pierścienia ślizgowego odbywa się przy użyciu odpornego na temperaturę kleju, który zapewnia stałe połączenie warstwy poślizgowej (3, 3', 33 z podstawą (2, 23 21') pierścienia ślizgowego także w czasie pracy układu pierścieni ślizgowych.

12. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 11, znamienny tym, że sklejenie warstwy poślizgowej (3, 3, 31') i metalowej podstawy (2, 3, 21') pierścienia ślizgowego odbywa się przy użyciu kleju, do którego dodany jest proszek metalu.

13. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że jako szczotki zastosowane są szczotki grafitowe.

14. Układ pierścieni ślizgowych według zastrz. 1, znamienny tym, że nie wszystkie pierścienie ślizgowe (10, 101, 10'') korpusu (11) mają warstwę poślizgową z tworzywa grafitowego.

15. Korpus z układem pierścieni ślizgowych, znamienny tym, że zawiera metalową podstawę (2, 21, 21') o typowej budowie i przewodzącą prąd elektryczny warstwę poślizgową (3, 3, 31') z tworzywa grafitowego, której grubość wynosi co najwyżej 11% promienia pierścienia ślizgowego (10, 10', 10'') i która jest zamocowana w sposób przewodzący prąd elektryczny za pomocą klejenia na obwodzie metalowej podstawy (2, 3, 213 pierścienia ślizgowego.

16. Sposób przezbrajania korpusów z układem pierścieni ślizgowych w maszynach elektrycznych z co najmniej jednym metalowym pierścieniem ślizgowym, znamienny tym, że z zewnętrznej powierzchni bocznej co najmniej jednego pierścienia ślizgowego zdejmuje się na określoną grubość metalową warstwę stykową, a następnie nakleja się warstwę poślizgową (3, 3, 31').

17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że przy zdejmowaniu metalowej warstwy stykowej na krawędziach zewnętrznej bocznej powierzchni pozostawia się występ (4, 43, zaś warstwę poślizgową (3, 3, 31') umieszcza się w rowku (5) utworzonym przez występ (4, 4).