WO2008040598A1 - Vorrichtung zur übertragung elektrischer energie mittels flüssigmetall - Google Patents

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WO2008040598A1
WO2008040598A1 PCT/EP2007/058836 EP2007058836W WO2008040598A1 WO 2008040598 A1 WO2008040598 A1 WO 2008040598A1 EP 2007058836 W EP2007058836 W EP 2007058836W WO 2008040598 A1 WO2008040598 A1 WO 2008040598A1
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liquid metal
wheel
rotatable
electrical
electrically conductive
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PCT/EP2007/058836
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Günter Schwesig
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/30—Liquid contacts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F15/00—Axle-boxes
    • B61F15/20—Details
    • B61F15/28—Axle-boxes modified to ensure electrical conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R41/00—Non-rotary current collectors for maintaining contact between moving and stationary parts of an electric circuit

Definitions

  • the invention relates to a device for electrically conductive connection between a first and a second part of a moving means by means of a liquid metal.
  • the liquid metal is in particular a liquid metal alloy.
  • liquid metal and “Flüssigmetalllegie ⁇ tion” are used synonymously below, both terms are thus used for alloys as well as for pure metals.
  • the invention further relates to the use of such a device in a linear movement device or in an electric machine.
  • linear motion devices such as in linear motors
  • it has been customary to electrically connect the primary part of the linear motor by means of a movable cable.
  • the use of a cable creates dangers with regard to possible cable breakage or design difficulties during long linear travel movements, since the cable must always be carried along.
  • a wind turbine which has a wind power generator.
  • the wind power generator has a stator and a rotor, wherein electric current for the windings of the rotor is transmitted by means of a liquid metal alloy from a stationary to a rotating part.
  • the invention thus relates in ⁇ game as a device for electrically conductive connects fertil over liquid metal between two relatively moving parts in rotation of an electric machine, between which parts a gap is formed, which contains the liquid metal.
  • the invention has for its object to provide a simple and inexpensive device for electrically conductive connection between a first and a second part of a movement device, wherein the movement device is in particular a linear movement device.
  • the first part is movable relative to the second part, wherein the movement device is in particular a linear movement device.
  • the linear movement device is a rotaryfoldsseinrich- device such as an electric motor to call, which has a stator and a rotatable about an axis rotor with a rotor shaft.
  • the first part has a rotatable relative to an axis wheel for ⁇ leadership of a rolling movement with respect to the second part, wherein by means of the liquid metal, an electrical connection between the rotatable wheel and an axis non-moving element of the first part is formed.
  • Linearly moving systems are, for example, web systems for transporting persons or goods as well as linear motors, which are used, for example, in tooling and production machines. Such linearly moving systems are to be supplied with electrical energy. According to the invention, a wear-free, low-maintenance and cost-effective ge transmission ensured by the use of a wheel and liquid metal.
  • the employed liquid metal is formed as a liquid metal plain bearings letge ⁇ .
  • the plain bearing is executable such that liquid metal is arranged in a bearing gap and the sliding bearing is sealed gas-tight to the environment by means of a sealing arrangement. Due to the gas-tight seal of the sliding bearing to the environment ⁇ ing a contact of the liquid metal with air or other oxidizing gas atmospheres is prevented, so that the operatability of the sliding bearing is not impaired.
  • the sealing arrangement is not only applicable to a device which uses the liquid metal both as a means for sliding bearing as well as a means for electrical power transmission, but also in a device in which the liquid metal serves only as a means for transmitting an electric current over ⁇ ,
  • the liquid metal can also be used in environments with oxidizing gas atmospheres. Advantages of a liquid metal plain bearing are its long service life, good thermal conductivity and low-noise storage.
  • a so-called ferrofluid seal is provided as a sealing arrangement.
  • the use of such a seal guarantees absolute gas-tightness safely and reliably.
  • the combination of a liquid metal plain bearing with a ferrofluid seal of particular advantage since both the bearing and the seal fluids can be used, namely on the one hand, the liquid metal and on the other hand, the ferrofluid.
  • This combination therefore has the advantage that both the bearing and the seal are based on a similar fluidic principle and thus that, overall, the fluidic systems provide -related advantages of low noise, low wear, low Rei ⁇ environment, etc. can be achieved for the entire device.
  • Another advantage of the transmission by means of a remplissigme- talls is that the transmission of the electric current realized at both high and at low speeds without major differences in electrical resistance who can ⁇ .
  • a wear as in brushes or a greater dependence on the speed of brush systems for transmitting electrical energy from a moving system to a non-moving system arise according to the invention is not or not to the extent.
  • the liquid metal is positioned within a small gap, so that the liquid metal is prevented from exiting the gap by a Kapillarwir ⁇ kung.
  • the capillary action can be effected by at Stromübertragungsflä ⁇ chen cross parts as well as by the stream transmission ⁇ surfaces themselves.
  • the capillary action is achieved by wetting the liquid metal side facing the current transfer surface.
  • materials such as molybdenum are used.
  • the capillary action can also be achieved by shaping the current transfer surfaces by reducing the gap width in the respective outer regions of the current transfer surfaces.
  • the capillary action is therefore influenced by the chemical composition of the liquid metal, the geometry of the gap and the nature of the Oberflä ⁇ chenmaterials.
  • liquid metals or liquid metal alloys ⁇ gallium, indium, tin or selenium compounds can be mentioned.
  • a eutectic of metal components such as gallium, indium and tin is also useful.
  • the device according to the invention can be configured such that the second part (5) has a track (13) for the rotatable wheel (11), the track (13) being planar and / or curved is executed.
  • the linearity thus refers, for example, that no fixed rotational property ⁇ se of the trajectory can be assigned.
  • the device according to the invention can also be used for rotational movements in the case of large radii which permit the use of a wheel. This applies, for example, hollow shaft motors.
  • the device is also executable such that the first part has a plurality of rotatable wheels.
  • the electrical contact resistance can be reduced or it can be picked up different voltage potentials.
  • the second part may therefore have a plurality of raceways, wherein each running track is assigned a rotatable wheel or a plurality of rotatable wheels.
  • the rotatable wheel is mounted resiliently and / or damping on the first part.
  • a spring or a damping device is used.
  • the invention also relates to a linear movement device, which is in particular a linear motor, wherein it has a device according to the invention described above.
  • the first part is provided for performing a linear movement.
  • the second part is vorgese ⁇ hen for connection to a current source or a voltage source.
  • the device according to the invention has, in particular in the case of a multiphase power transmission, electrically delimited current transfer surfaces arranged axially one behind the other.
  • Each subassembly is provided for the power transmission in each case one phase, the current transfer surfaces assigned to the respective phases are to be galvanically separated from one another by suitable means in order to avoid short circuits between the phases.
  • modular construction, such a power transmission device a module is a part ⁇ arrangement, a power transfer surface or an insulation disc, so that the entire power being to obtain supply arrangement by axial arrangement of these modules on a supporting body of an inventive wear ⁇ free electrical power transmission is created.
  • FIG. 1 shows a first device for producing an electrically conductive connection by means of a liquid metal and a wheel
  • 2 shows a second device for producing an electrically conductive connection by means of a liquid metal and a plurality of wheels
  • 3 shows a non-moving part of a device for producing an electrically conductive connection by means of a liquid metal
  • FIG. 4 shows a wheel, which has a liquid metal and ei ⁇ ne electrically conductive connection to a contact wire,
  • FIG. 5 shows a wheel which has a liquid metal and has an electrically conductive connection to a conductor track
  • FIG. 7 shows a suspension device for the wheel for forming an electrically conductive connection between a first and a second part, which are mutually movable, and
  • FIG. 1 shows a device 1 for the electrically conductive connection between a first part 3 and a second part 5 by means of a liquid metal 7, wherein the first part 3 is movable relative to the second part 5 linearly according to the direction of movement 31 indicated by a double arrow.
  • the first part 3 has a relative to an axis 9 rotatable wheel 11 for exerting a rolling movement with respect to the second part 5, wherein by means of the liquid metal 7, an electrical connection see between the rotatable wheel 11 and a to
  • Axis 9 non-moving element of the first part 3 is formed.
  • This element is, for example, an electrical device 27, as shown in FIG.
  • the linearity relates to the plane which is provided for the unrolling of the wheel 11, wherein this unrolling plane also definitely
  • the electrical connection between the electrical device 27 and the fixed relative to the first part 3 hub 9 is by means of an elec- realized connecting line 29. This is stiff or flexible executable.
  • the hub 9 is on a support arm
  • Such a means is for example an electrically conductive coating, an electrically conductive cage, a busbar or a power cable.
  • the second part 5 is, for example, a contact wire or a metallic rail, which is electrically conductive and by means of an electrical connection line 30 with a
  • Power source 33 is electrically connected.
  • the Ener ⁇ source, which makes 33 is, for example, a current or voltage ⁇ source or an auxiliary power source or a signal source ⁇ .
  • An inventive apparatus is beispielswei ⁇ se for linearly moving systems with electric Einrichtun- gene used.
  • Electrical equipment for example, electrical machines such as linear motors, transportation systems such as a magnetic levitation or rail-transport systems ⁇ . By means of the device can be supplied with electrical parts such as power electronics, control and electronic control or the like with energy.
  • the wheel 11 adjoins a region of liquid metal 7, wherein the wheel 11 is movable relative to an axis 9 and the liquid metal 7 is adjacent to both the movable wheel 11 and to a non-moving element such as
  • Electric current / energy can be conducted via the liquid metal 7, so that by means of the liquid metal an electrical line between two mutually moved Parts is feasible.
  • the wheel 11 is not only in elec ⁇ trically conductive contact with the liquid metal 7, but also with a second part 5, which is in particular a Stromab ⁇ subscriber or a conductor track, which is provided for the transmission of an electric current.
  • Such a technique can be advantageously used in various systems and replace the use of sliding contacts for monorail overhead monorail, for example.
  • Single-rail monorails are used, for example, in production lines of the automobile industry for the transport of goods. In a monorail, contrary to the illustration in FIG.
  • the second part 5 would be guided on the opposite side of the illustrated guide position, the housing 12 then being positioned such that its center of gravity is advantageously below the axis of rotation of the wheel, this being due to the direction of the wheel Heavy ⁇ force refers.
  • This positioning of the center of gravity of Ge ⁇ koruses 12 is also advantageous in a positioning of the second part 5 of Fig. 1
  • Another application is in electrified railways.
  • This example relates to the transmission of e-lectrical power via a contact wire and a downstream ⁇ participants bracket, wherein the contact wire is a non-moving second part of a device according to the invention and the current collector strap, an inventive wheel 11 has, which electrically conductively connected to the in Wheel 11 integrated liquid metal is connected.
  • the first part is, for example, a locomotive or a multiple unit, which has a power converter for feeding an electric machine which is provided for driving the train or train.
  • the application is not limited to rail-bound systems, but also extends to systems that currently provide an inductive energy ⁇ transmission, such as in magnetic levitation trains.
  • linear motors which are widely used in the tooling and production machine industry, a primary part of the linear motor according to the prior art is included.
  • the trailing cable can be replaced by a device according to the invention.
  • the line ⁇ armotor is designed such that the housing 12 is a primary part of the linear motor.
  • the second part 5 is, for example, as a rail out ⁇ leads. Electrical energy can be absorbed by the rail both by a wheel 11, as well as by two or more wheels 11. An example with regard to the use of two wheels is shown in FIG. 2. This arrangement is possible both in the design of the part 5 as a rail and as a contact wire.
  • DC voltage can be tapped, so two wheels 11 are provided, which each abgrei ⁇ fen two different e-lektrisch separate parts 5 (rail, contact wire, etc.).
  • two or more liquid metal systems can also be implemented.
  • the liquid metal system so the wheel 11, which is electrically connected to the liquid metal 7, also assume a support wheel function.
  • FIGS. 1 and 2 show a radial arrangement of the liquid metal 7 between the wheel 11 and the axis 9.
  • the wheel 11 is located on a hub, wherein the wheel 11 has two end faces which on adjacent to a liquid metal reservoir and thus a transition between a rotating moving part and a stationary with respect to the corresponding reference frame part is feasible.
  • this axial arrangement of the liquid metal is not shown in the illustration according to FIGS. 1 and 2.
  • the auxiliary energy relates, for example, to electronics of the power supply and / or signals as is necessary, for example, in the communication between sensors and actuators and between control and regulation systems. According to the number of signals and buses used, which ensure a communication transmission, an embodiment of the device according to the invention is also to be provided.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a second part 5.
  • the second part 5 has strip conductors 19, which are e.g. can be made of copper or iron.
  • These interconnects 19 are provided to form an electrically conductive connection with wheels 11, not shown, wherein the wheels, not shown, have an electrical conductivity. This is achieved, for example, by using a material such as iron or copper to form the wheel.
  • the one or more wheels are provided for rolling on a track 13, 15.
  • the raceways 13 and 15 are electrically separated from each other, so that different voltage levels can be realized.
  • Figure 4 shows a wheel 11, which rests on a contact wire 5 from ⁇ rollable.
  • the contact wire 5 is an example of a second part 5 and has a circular shape in cross section.
  • the wheel 11 has a groove 18, which is adapted to the cross section of the contact wire 5.
  • FIG. 5 shows a further example of a contact between the wheel 11 and a second part 5, wherein the second part 5 has a conductor track 19, which is in electrically conductive contact with the wheel 11.
  • Figure 6 shows the electrically conductive connection between the axis 9 and the wheel 11.
  • the liquid metal 7 is positioned, the liquid metal ⁇ tall 7 is held by means of a seal 21 in position.
  • the seal 21 comprises a ferrofluid 23 on both sides of the flues ⁇ sigmetalls 17, wherein the ferrofluid 23 is held by magnet 25 in position.
  • Figure 7 shows a sprung suspension of the wheel 11 to a housing 12, wherein the wheel 11 is suspended via the axis 9 and a rotary ⁇ axis 35 rotatably mounted on the housing 12.
  • the suspension of the wheel 11 has a spring 37 and a damper 39, both of which engage on both the housing 12 and on the axis 9 ⁇ .
  • FIG. 8 shows a linear motor 45.
  • the linear motor 45 has a primary part 47 and a secondary part 5.
  • the part 5 speaks 47 extending the second part and the primary part to the first part of the device according to the invention, wherein the secondary has some permanent magnets 43 and along the Permanentmag ⁇ designated 43 fairways 41 ent ⁇ , said 41 conductors 19 are present in the fairways which an energy bus bil ⁇ the.
  • the electrical energy is routable on ⁇ Removable, to a power unit or of coils within the primary section 47 by means of the wheels. 11

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Linear Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Teil (3) und einem zweiten Teil (5) mittels eines Flüssigmetalls (7), wobei das erste Teil (3) relativ zum zweiten Teil (5) bewegbar ist. Aufgabe ist es nun eine Vorrichtung auszubilden, bei welcher die Energieübertragung insbesondere bei linearen Bewegungssystemen verbessert wird. Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung (1) ein erstes Teil (3) auf, welches ein bezüglich einer Achse (9) drehbares Rad (11) zur Ausübung einer Abrollbewegung bezüglich des zweiten Teils (5) aufweist, wobei mittels des Flüssigmetalls (7) eine elektrische Verbindung zwischen dem drehbaren Rad (11) und einem zur Achse (9) nicht bewegten Element des ersten Teils (3) ausgebildet ist. Die Vorrichtung ist bei einer linearen Bewegungseinrichtung (45) einsetzbar, welche insbesondere ein Linearmotor (45) ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie mittels Flüssigmetall
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Teil einer Bewegungseinrichtung mittels eines Flüssigmetalls. Das Flüssigmetall ist insbesondere eine Flüssigmetalllegie- rung. Die Begriffe "Flüssigmetall" und "Flüssigmetalllegie¬ rung" werden im Folgenden synonym verwendet, wobei beide Begriffe also für Legierungen wie auch für reine Metalle verwendet werden. Durch die Verwendung des Flüssigmetalls kann eine verschleißfreie elektrische Leistungsübertragung realisiert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Anwendung einer solchen Vorrichtung bei einer linearen Bewegungseinrichtung bzw. bei einer elektrischen Maschine. Bei linearen Bewegungseinrich- tungen wie z.B. bei Linearmotoren ist es bislang üblich, das Primärteil des Linearmotors mittels eines bewegbaren Kabels elektrisch zu verbinden. Durch die Verwendung eines Kabels ergeben sich Gefahren bezüglich eines möglichen Kabelbruchs bzw. Konstruktionsschwierigkeiten bei langen linearen Ver- fahrbewegungen, da das Kabel stets mitzuführen ist.
Aus der DE 10 2004 027534 ist ein Anwendungsfall für ein Flüssigmetall bekannt. Beschrieben wird eine Windkraftanlage, welche einen Windkraftgenerator aufweist. Der Windkraftgene- rator weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei elektrischer Strom für die Wicklungen des Rotors mittels einer Flüssigmetalllegierung von einem feststehenden zu einem rotierenden Teil übertragen wird. Die Erfindung betrifft also bei¬ spielsweise eine Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbin- düng über Flüssigmetall zwischen zwei sich relativ zueinander rotatorisch bewegenden Teilen einer elektrischen Maschine, zwischen welchen Teilen ein Spalt gebildet ist, der das Flüssigmetall enthält. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Teil einer Bewe- gungseinrichtung zu schaffen, wobei die Bewegungseinrichtung insbesondere eine lineare Bewegungseinrichtung ist.
Die Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. mittels einer linearen Bewegungseinrich- tung mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 bzw. 11 stellen vorteilhafte Weiterbil¬ dungen der Erfindung dar.
Bei einer Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Teil mittels eines Flüssigmetalls ist das erste Teil relativ zum zweiten Teil bewegbar, wobei die Bewegungseinrichtung insbesondere eine lineare Bewegungseinrichtung ist. Als Gegensatz zur linearen Bewegungseinrichtung ist eine rotatorische Bewegungseinrich- tung wie z.B. ein elektrischer Motor zu nennen, welcher einen Ständer und einen um eine Achse drehbaren Rotor mit einer Rotorwelle aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das erste Teil einen bezüglich einer Achse drehbares Rad zur Aus¬ führung einer Abrollbewegung bezüglich des zweiten Teils auf, wobei mittels des Flüssigmetalls eine elektrische Verbindung zwischen dem drehbaren Rad und einem zur Achse nicht bewegten Element des ersten Teils ausgebildet ist. Durch die Verwen¬ dung des Flüssigmetalls ergibt sich ein verschleißfreier Auf¬ bau, durch welchen z.B. die Wartungskosten einer derartigen Vorrichtung reduziert sind.
Linear bewegte Systeme sind beispielsweise Bahnsysteme zum Transport von Personen oder Waren wie auch Linearmotoren, welche beispielsweise bei Werkzeug- und Produktionsmaschinen eingesetzt werden. Derartige linear bewegte Systeme sind mit elektrischer Energie zu versorgen. Erfindungsgemäß ist dabei eine möglichst verschleißfreie wartungsarme und kostengünsti- ge Übertragung mittels der Verwendung eines Rads und von Flüssigmetall gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das ver- wendete Flüssigmetall als Flüssigmetall-Gleitlager weiterge¬ bildet. Somit ergibt sich sowohl eine Verwendung des Flüssig¬ metalls als elektrisch leitende Verbindung wie auch als Gleitmittel für das Gleitlager des drehbaren Rades. Das Gleitlager ist derart ausführbar, dass in einem Lagerspalt Flüssigmetall angeordnet ist und das Gleitlager zur Umgebung hin mit Hilfe einer Dichtungsanordnung gasdicht abgedichtet ist. Durch die gasdichte Abdichtung des Gleitlagers zur Umge¬ bung ist ein Kontakt des Flüssigmetalls mit Luft oder anderen oxidierenden Gasatmosphären verhindert, so dass die Funkti- onsfähigkeit des Gleitlagers nicht beeinträchtigt wird. Die Dichtungsanordnung ist dabei nicht nur bei einer Vorrichtung anwendbar, welche das Flüssigmetall sowohl als Mittel zur Gleitlagerung wie auch als Mittel zur elektrischen Stromübertragung verwendet, sondern auch bei einer Vorrichtung, bei welcher das Flüssigmetall lediglich als ein Mittel zur Über¬ tragung eines elektrischen Stroms dient. Durch den Einsatz einer Dichtung lässt sich das Flüssigmetall auch in Umgebungen mit oxidierenden Gasatmosphären einsetzen. Vorteile eines Flüssigmetall-Gleitlagers sind dessen lange Lebensdauer, die gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine geräuscharme Lagerung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist als Dichtungsanordnung eine so genannte Ferrofluid-Dichtung vorgesehen. Durch die Verwendung einer solchen Dichtung ist eine ab- solute Gasdichtigkeit sicher und zuverlässig gewährleistet. Weiterhin ist die Kombination eines Flüssigmetallgleitlagers mit einer Ferrofluid-Dichtung von besonderem Vorteil, da sowohl für das Lager als auch für die Dichtung Fluide herangezogen werden können, nämlich einerseits das Flüssigmetall und andererseits das Ferrofluid. Diese Kombination hat daher den Vorteil, dass sowohl die Lagerung als auch die Dichtung auf Grundlage eines ähnlichen fluidischen Prinzips beruhen und dass somit insgesamt die durch die fluidischen Systeme be- dingten Vorteile Geräuscharmut, Verschleißarmut, geringe Rei¬ bung etc. für die gesamte Vorrichtung erreicht werden können.
Ein weiterer Vorteil der Übertragung mittels eines Flüssigme- talls ist es, dass die Übertragung des elektrischen Stroms sowohl bei hohen wie auch bei geringen Geschwindigkeiten ohne große Unterschiede im elektrischen Widerstand realisiert wer¬ den kann. Ein Verschleiß wie bei Bürsten oder auch eine größere Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei Bürstensystemen zur Übertragung elektrischer Energie von einem bewegten System zu einem nicht bewegten System ergeben sich gemäß der Erfindung nicht oder nicht in dem Maße.
Vorteilhafterweise ist das Flüssigmetall innerhalb eines kleinen Spaltes positioniert, so dass durch eine Kapillarwir¬ kung das Flüssigmetall am Austritt aus dem Spalt gehindert wird. Die Kapillarwirkung kann durch an Stromübertragungsflä¬ chen grenzende Teile, als auch durch die Stromübertragungs¬ flächen selbst bewirkt werden. Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung durch Benetzung der dem Flüssigmetall zugewandten Seite der Stromübertragungsfläche erreicht. Dabei werden insbesondere Materialien wie z.B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Kapillarwirkung auch durch Formgebung der Stromübertragungsflächen erreicht werden, indem die Spaltbreite in den jeweiligen Außenbereichen der Stromübertragungsflächen verringert wird. Die Kapillarwirkung wird somit durch die chemische Zusammensetzung des Flüssigmetalls, der Geometrie des Spaltes und der Beschaffenheit des Oberflä¬ chenmaterials beeinflusst.
Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalle bzw. Flüssigmetall¬ legierungen sind Gallium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen zu nennen. Auch ein Eutektikum aus Metallkomponenten wie Gallium, Indium und Zinn ist verwendbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgestaltbar, dass das zweite Teil (5) eine Laufbahn (13) für das drehbare Rad (11) aufweist, wobei die Laufbahn (13) planar und/oder gekrümmt ausgeführt ist. Somit können also z.B. auch Kurven bei einer linearen Bewegung ausgeführt werden. Die Linearität bezieht sich also z.B. darauf, dass keine feste Rotationsach¬ se der Bewegungsbahn zugeordnet werden kann. Die erfindungs- gemäße Vorrichtung ist allerdings bei großen Radien, welche den Einsatz eines Rades erlauben auch bei Rotationsbewegungen einsetzbar. Dies betrifft beispielsweise Hohlwellenmotoren.
Die Vorrichtung ist ferner auch derart ausführbar, dass das erste Teil mehrere drehbare Räder aufweist. Somit kann bei¬ spielsweise der elektrische Übergangswiderstand reduziert werden oder es können verschiedenen Spannungspotentiale abgegriffen werden. Das zweite Teil kann also demnach mehrere Laufbahnen aufweisen, wobei jeder Laufbaufbahn ein drehbares Rad oder mehrere drehbare Räder zugeordnet sind.
Um einen guten elektrischen Kontakt des Rades bezüglich des zweiten Teils zu ermöglichen ist das drehbare Rad federnd und/oder dämpfend am ersten Teil befestigt. Hierzu wird eine Feder bzw. eine Dämpfungseinrichtung verwendet.
Die Erfindung betrifft auch eine lineare Bewegungseinrichtung, welche insbesondere ein Linearmotor ist, wobei diese eine obig beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Bei dieser ist das erste Teil zur Durchführung einer Linearbewegung vorgesehen. Das zweite Teil ist für einen Anschluß an einer Stromquelle oder an einer Spannungsquelle vorgese¬ hen .
In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere bei einer mehrphasigen Leistungsübertragung axial hintereinander angeordnete galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflächen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung jeweils einer Phase vor- gesehen, die den jeweiligen Phasen zugeordneten Stromübertragungsflächen sind dabei durch geeignete Mittel galvanisch voneinander zu trennen, um Kurzschlüsse zwischen den Phasen zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist eine derartige Leistungsübertragungs- Einrichtung modulartig aufgebaut, wobei ein Modul eine Teil¬ anordnung, eine Stromübertragungsfläche oder eine Isolations- scheibe darstellt, so dass um die gesamte Leistungsübertra- gungsanordnung zu erhalten durch axiale Anordnung dieser Module auf einem Tragkörper eine erfindungsgemäße verschlei߬ freie elektrische Leistungsübertragung geschaffen wird.
Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung er¬ gibt sich, wenn der Leistungsübertrager bei Umgebungsdruck eingesetzt wird. Die dabei auftretenden Oxidationseffekte des Flüssigmetalls können unter anderem vermieden werden, indem der Leistungsübertrager in einer Schutzgasatmosphäre arbei- tet.
Eine weitere Möglichkeit, den Leistungsübertrager zu betrei¬ ben, ist bei Über- oder Unterdruck, wodurch auch eventuelle Oxidation des Flüssigmetalls verringert werden kann. Die Ab- dichtung der Leistungsübertragungsanordnung gegenüber der Atmosphäre geschieht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten wie z.B. Ferrofluiden . Zur Abdichtung eignen sich aber auch mechanische Dichtvorrichtungen.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematisch stark vereinfachten Darstellungen:
FIG 1 eine erste Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels eines Flüssigmetalls und eines Rads,
FIG 2 eine zweite Vorrichtung zur Herstellung einer e- lektrisch leitenden Verbindung mittels eines Flüssigmetalls und mehreren Rädern, FIG 3 ein nicht bewegtes Teil einer Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels eines Flüssigmetalls,
FIG 4 ein Rad, welches ein Flüssigmetall aufweist und ei¬ ne elektrisch leitende Verbindung zu einem Fahrdraht ausbildet,
FIG 5 ein Rad, welches ein Flüssigmetall aufweist und ei- ne elektrisch leitende Verbindung zu einer Leiterbahn aufweist,
FIG 6 eine Ferrofluid-Dichtung für das Flüssigmetall,
FIG 7 eine Aufhängungsvorrichtung für das Rad zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Teil, welche zueinander bewegbar sind, und
FIG 8 einen Linearmotor.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Teil 3 und einem zweiten Teil 5 mittels eines Flüssigmetalls 7, wobei das erste Teil 3 relativ zum zweiten Teil 5 linear gemäß der mit einem Doppelpfeil gekennzeichneten Bewegungsrichtung 31 bewegbar ist. Das erste Teil 3 weist ein bezüglich einer Achse 9 drehbares Rad 11 zur Ausübung einer Abrollbewegung bezüglich des zweiten Teils 5 auf, wobei mittels des Flüssigmetalls 7 eine elektri- sehe Verbindung zwischen dem drehbaren Rad 11 und einem zur
Achse 9 nicht bewegten Element des ersten Teils 3 ausgebildet ist. Dieses Element ist beispielsweise eine elektrische Ein¬ richtung 27, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Die Lineari- tät betrifft dabei die Ebene die für das Abrollen des Rades 11 vorgesehen ist, wobei diese Abrollebene durchaus auch
Krümmungen aufweisen kann. Die elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Einrichtung 27 und der bezüglich des ersten Teils 3 feststehenden Nabe 9 ist mittels einer elekt- rischen Verbindungsleitung 29 realisiert. Diese ist steif o- der auch flexibel ausführbar. Die Nabe 9 ist an einem Tragarm
10 fixiert, wobei der Tragarm 10 an einem Gehäuse 12 des ers¬ ten Teils 3 befestigt ist. Das Rad 11 sitzt auf dem zweiten Teil 5 auf, wobei das zweite Teil 5 ebenso wie das Rad 11 e- lektrisch leitend ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass das Rad
11 entweder aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist oder auch, dass das Rad ein Mittel zur elektrischen Leitung aufweist. Ein derartiges Mittel ist beispielsweise eine elektrisch leitende Beschichtung, ein elektrisch leitender Käfig, eine Stromschiene oder ein Stromkabel.
Das zweite Teil 5 ist beispielsweise ein Fahrdraht oder auch eine metallische Schiene, welche elektrisch leitend ist und mittels einer elektrischen Verbindungsleitung 30 mit einer
Energiequelle 33 elektrisch leitend verbunden ist. Die Ener¬ giequelle 33 ist beispielsweise eine Strom- oder Spannungs¬ quelle bzw. eine Hilfsenergiequelle oder auch eine Signal¬ quelle. Somit kann durch diese Vorrichtung nicht nur elektri- sehe Energie zur Ausübung einer Bewegung übertragen, sondern auch allein oder zusätzlich als Übertragungseinrichtung zur Übertragung von Daten und Signalen eingerichtet bzw. vorgesehen sein. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist beispielswei¬ se bei linear bewegten Systemen mit elektrischen Einrichtun- gen einsetzbar. Elektrische Einrichtungen sind beispielsweise elektrische Maschinen wie Linearmotoren, Transportsysteme wie eine Magnetschwebebahn oder auch schienengebundene Transport¬ systeme. Mittels der Vorrichtung lässt sich elektrisch zu versorgende Teile wie Leistungselektronik, Steuerungs- und Regelungselektronik oder dergleichen mit Energie versorgen.
Das Rad 11 grenzt an einen Bereich mit Flüssigmetall 7 an, wobei das Rad 11 bezüglich einer Achse 9 bewegbar ist und das Flüssigmetall 7 sowohl an das bewegbare Rad 11 angrenzt wie auch an ein nicht bewegtes Element wie beispielsweise die
Achse 9 des Rads 11. Elektrischer Strom/Energie ist über das Flüssigmetall 7 leitbar, so dass mittels des Flüssigmetalls eine elektrische Leitung zwischen zwei zueinander bewegten Teilen realisierbar ist. Das Rad 11 steht nicht nur in elekt¬ risch leitendem Kontakt mit dem Flüssigmetall 7, sondern auch mit einem zweiten Teil 5, welches insbesondere ein Stromab¬ nehmer bzw. eine Leiterbahn ist, welche zur Übertragung eines elektrischen Stroms vorgesehen ist. Eine derartige Technik kann vorteilhaft in verschiedenen Systemen eingesetzt werden und beispielsweise bei Einschienen-Hängebahnen den Einsatz von Schleifkontakten ersetzen. Einschienen-Hängebahnen sind beispielsweise in Fertigungsstraßen der Automobilindustrie zum Transport von Gütern eingesetzt. Bei einer Hängebahn wäre entgegen der Darstellung in FIG 1 das zweite Teil 5 auf der gegenüberliegenden Seite der dargestellten Führungsposition geführt, wobei das Gehäuse 12 dann derart positioniert ist, dass dessen Schwerpunkt vorteilhaft unterhalb der Drehachse des Rades ist, wobei sich dies auf die Richtung der Schwer¬ kraft bezieht. Diese Positionierung des Schwerpunktes des Ge¬ häuses 12 ist auch bei einer Positionierung des zweiten Teils 5 gemäß FIG 1 vorteilhaft.
Ein weiteres Einsatzgebiet ergibt sich bei elektrifizierten Eisenbahnen. Dieses Beispiel betrifft die Übertragung von e- lektrischer Energie über einen Fahrdraht und einen Stromab¬ nehmer-Bügel, wobei der Fahrdraht ein nicht bewegtes zweites Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt und der Stromabnehmer-Bügel ein erfindungsgemäßes Rad 11 aufweist, welches elektrisch leitend mit dem im Rad 11 integrierten Flüssigmetall verbunden ist. Das erste Teil ist in diesem Fall beispielsweise eine Lokomotive oder auch ein Triebzug, welcher einen Stromrichter zum Speisen einer elektrischen Ma- schine aufweist, die zum Antrieb des Zuges bzw. des Triebzugs vorgesehen ist. Das Einsatzgebiet beschränkt sich jedoch nicht nur auf schienengebundene Systeme, sondern erstreckt sich auch auf Systeme, die derzeit eine induktive Energie¬ übertragung vorsehen, wie z.B. bei Magnetschwebebahne .
Bei Linearmotoren, welche in großem Maße in der Werkzeug- und Produktionsmaschinen-Industrie eingesetzt werden, wird ein Primärteil des Linearmotors nach dem Stand der Technik mit- tels einer Schleppleitung mit elektrischer Energie versorgt. Erfindungsgemäß kann die Schleppleitung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt werden. Hierbei ist der Line¬ armotor derart ausgebildet, dass das Gehäuse 12 ein Primär- teil des Linearmotors darstellt.
Das zweite Teil 5 ist beispielsweise als eine Schiene ausge¬ führt. Elektrische Energie kann dabei von der Schiene sowohl durch ein Rad 11, wie auch durch zwei oder mehrere Räder 11 aufgenommen werden. Ein Beispiel bezüglich der Verwendung von zwei Rädern zeigt Figur 2. Diese Anordnung ist sowohl bei der Ausgestaltung des Teils 5 als Schiene wie auch als Fahrdraht möglich .
Soll beispielsweise eine Zwischenkreisspannung oder eine
Gleichspannung abgegriffen werden, so sind zwei Räder 11 vorzusehen, welche jeweils zwei unterschiedliche voneinander e- lektrisch getrennte Teile 5 (Schiene, Fahrdraht etc.) abgrei¬ fen. Es sind also neben einem auch zwei oder mehrere Flüssig- keitsmetall-Systeme ausführbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Flüssigkeitsmetallsystem, also das Rad 11, welches elektrisch leitend mit dem Flüssigmetall 7 verbunden ist, auch eine Tragrad-Funktion übernehmen.
Die Darstellungen gemäß den Figuren 1 und 2 zeigen eine radiale Anordnung des Flüssigmetalls 7 zwischen dem Rad 11 und der Achse 9. Bei einer axialen Anordnung des Flüssigmetalls 7 befindet sich das Rad 11 auf einer Nabe, wobei das Rad 11 zwei Stirnflächen aufweist, welche an ein Flüssigmetall- Reservoir angrenzen und somit ein Übergang zwischen einem rotierenden bewegten Teil und einem bezüglich des entsprechenden Bezugsystems unbewegten Teil realisierbar ist. Diese axi- ale Anordnung des Flüssigmetalls ist in der Darstellung gemäß Figuren 1 und 2 jedoch nicht dargestellt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann neben der Hauptenergie zum Antrieb einer elektrischen Maschine bei¬ spielsweise auch eine Hilfsenergie übertragen werden. Die Hilfsenergie betrifft beispielsweise eine Elektronik der Stromversorgung und/oder Signale wie diese beispielsweise bei der Kommunikation zwischen Sensoren und Aktoren und zwischen Steuerungs- und Regelungssystemen notwendig ist. Entsprechend der Anzahl der Signale und verwendeten Busse, welche eine Kommunikationsübertragung gewährleisten, ist auch eine Aus- gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzusehen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung eines zweiten Teils 5. Das zweite Teil 5 weist gemäß Figur 3 Leiterbahnen 19 auf, welche z.B. aus Kupfer oder Eisen ausgeführt sein können. Diese Leiterbahnen 19 sind zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mit nicht dargestellten Rädern 11 vorgesehen, wobei die nicht dargestellten Räder eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies gelingt beispielsweise durch die Verwendung eines Materials wie Eisen oder Kupfer zur Aus- bildung des Rades. Das oder die Räder sind zum Abrollen auf einer Laufbahn 13, 15 vorgesehen. Die Laufbahnen 13 und 15 sind elektrisch voneinander getrennt, so dass verschiedene Spannungsebenen realisiert werden können.
Figur 4 zeigt ein Rad 11, welches auf einem Fahrdraht 5 ab¬ rollfähig anliegt. Der Fahrdraht 5 ist ein Beispiel für ein zweites Teil 5 und weist im Querschnitt eine Kreisform auf. Das Rad 11 weist zur Verbesserung des elektrischen Übergangs zwischen dem Rad 11 und dem Fahrdraht 5 eine Rinne 18 auf, welche dem Querschnitt des Fahrdrahtes 5 angepasst ist.
Die Darstellung gemäß Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Kontakt zwischen dem Rad 11 und einem zweiten Teil 5, wobei das zweite Teil 5 eine Leiterbahn 19 aufweist, welche sich im elektrisch leitfähigen Kontakt mit dem Rad 11 befindet. Figur 6 zeigt die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Achse 9 und dem Rad 11. Zwischen dem Rad 11 und der Achse 9 ist das Flüssigmetall 7 positioniert, wobei das Flüssigme¬ tall 7 mittels einer Dichtung 21 in Position gehalten ist. Die Dichtung 21 weist ein Ferrofluid 23 beidseitig des Flüs¬ sigmetalls 17 auf, wobei das Ferrofluid 23 mittels Magneten 25 in seiner Position gehalten ist.
Figur 7 zeigt eine gefederte Aufhängung des Rads 11 an einem Gehäuse 12, wobei das Rad 11 über die Achse 9 und einer Dreh¬ achse 35 drehbar am Gehäuse 12 aufgehängt ist. Die Aufhängung des Rades 11 weist eine Feder 37 und einen Dämpfer 39 auf, wobei beide sowohl am Gehäuse 12 als auch an der Achse 9 an¬ greifen .
Figur 8 zeigt einen Linearmotor 45. Der Linearmotor 45 weist ein Primärteil 47 und ein Sekundärteil 5 auf. Das Teil 5 ent¬ spricht dem zweiten Teil und das Primärteil 47 dem ersten Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Sekundär- teil Permanentmagnete 43 aufweist und längs der Permanentmag¬ nete 43 Fahrrinnen 41 verlaufen, wobei in den Fahrrinnen 41 Leiterbahnen 19 vorhanden sind, welche einen Energiebus bil¬ den. Die elektrische Energie ist mittels der Räder 11 auf¬ nehmbar und an ein Leistungsteil bzw. an Wicklungen innerhalb des Primärteils 47 weiterleitbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Teil (3) und einem zweiten Teil (5) mit- tels eines Flüssigmetalls (7), wobei das erste Teil (3) rela¬ tiv zum zweiten Teil (5) bewegbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste Teil (3) ein bezüglich einer Achse (9) drehbares Rad (11) zur Ausübung einer Abrollbewegung bezüglich des zweiten Teils (5) aufweist, wobei mittels des Flüssigmetalls (7) eine elektri¬ sche Verbindung zwischen dem drehbaren Rad (11) und einem zur Achse (9) nicht bewegten Element des ersten Teils (3) ausge¬ bildet ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das dreh¬ bare Rad (11) als ein elektrischer Leiter ausgebildet ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Teil (5) eine Laufbahn (13) für das drehbare Rad (11) auf¬ weist, wobei die Laufbahn (13) planar und/oder gekrümmt aus¬ geführt ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Flüs¬ sigmetall (7) mittels einer Dichtung (21) positioniert ist, wobei die Dichtung (21) mittels eines Ferrofluids ausgeführt ist .
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Flüs¬ sigmetall (7) Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eu- tektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste Teil (3) mehrere drehbare Räder (11) aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das das zweite Teil (5) mehrere Laufbahnen (13, 15, 17) aufweist, wo¬ bei jeder Laufbaufbahn (13, 15, 17 ) ein drehbares Rad (11) oder mehrere drehbare Räder (11) zugeordnet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das dreh¬ bare Rad (11) federnd am ersten Teil (3) befestigt ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Flüs¬ sigmetall (7) als Mittel zur Gleitlagerung des drehbaren Rades (11) vorgesehen ist.
10. Lineare Bewegungseinrichtung (45), welche insbesondere ein Linearmotor (45) ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass diese eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei das erste Teil (3) zur Durchführung einer Linearbewe- gung vorgesehen ist.
11. Lineare Bewegungseinrichtung (45) nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Teil (5) an einer Stromquelle oder an einer Spannungsquelle (33) angeschlossen ist.
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