WO2009003902A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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bronze
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rotor
sliding contact
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Dieter Schurig
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
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    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof

Definitions

  • the invention relates to an electric machine, in particular a claw pole generator, with a stator and a rotor, wherein the machine can serve for motor or regenerative purposes.
  • the rotor carries at least one exciting coil, which can be supplied with exciter current by means of a slip ring arrangement, wherein the slip ring arrangement has at least one slip ring and a sliding contact which is arranged so as to be slippery on the slip ring.
  • the sliding contact is a so-called brush and consists of a press material, which is usually electrographite. Machines of this design have been used worldwide for many years.
  • the bronze is a so-called tin bronze
  • the tin content is preferably between 1% and 10% by weight.
  • the figure shows a longitudinal section through an electric machine, designed as a generator.
  • FIG. 1 shows an electrical machine 10, designed as an alternator for motor vehicles.
  • This electric machine 10 consists of a housing 13, which is made in two parts.
  • This housing 13 has as housing parts a drive-side bearing plate 16 and a so-called brush-side end shield
  • stator 25 is held by means of housing screws 22.
  • This stator 25 consists of a stator core 28, in which not shown here grooves, a stator winding 31 is inserted. From this stator winding 31, a drive-side angle head 34 and a brush-side winding head 37 can be seen.
  • a rotor 40 is arranged. This rotor 40 is mounted via a shaft 43 both in the drive end plate 16 and in the brush-side end plate 19 by means of two bearings, namely a drive-side bearing 46 and a rear bearing 49. Between the two bearings 46 and 49 the magnetic parts of the rotor 40 are positioned. Between a first
  • a pole core 58 is arranged.
  • a field winding 61 is positioned.
  • the Polradhclient 52, the pole core 58, the field winding 61 and the Polradhget 55 are supported by the shaft 43.
  • a pulley 73 is fastened by means of a nut. This pulley serves to rotate the rotor 40 by means of a belt 74.
  • a slip ring assembly 76 is attached on the brush side end of the shaft 43.
  • This slip ring assembly serves to energize the exciter winding 61 by means of two slip rings 79 (minus slip ring) and 81 (plus slip ring).
  • a first connecting line 84 between the negative slip ring 79 and a second connecting line 87 are provided as a connection between the positive slip ring 81 and the other end of the excitation winding 61 as further connecting elements.
  • a conventional rectifier 93 is present, which is covered by a protective cap 96.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a slip ring assembly 76 as used in the generator described above.
  • This slip ring assembly carries the already mentioned slip rings 79 and 81. Both slip rings 79 and 81 are held by a holder 100.
  • the holder 100 is a complex structure which has been produced by means of an injection molding process and is made of one
  • This holder 100 carries concealed in its interior two connecting conductors 103 and 106.
  • the connecting conductor 103 connects the first slip ring 79 through a web 109 through with an integrally formed with the connecting conductor 103 contact lug 112, which is facing away from the first slip ring 79 end 115.
  • the connecting conductor 106 connects the second slip ring 81 through the web 118 with a likewise integrally formed contact lug 121, which also represents an end 124 of the connecting conductor 106 facing away from the slip ring 81.
  • the connection conductor 106 like the connection conductor 103, is also arranged within the holder 100. The connection conductor 106 passes through the slip ring 79.
  • the Slip rings 79 and 81 form an outer boundary for the holder 100. Radially inside the slip rings 79 and 81, an opening 127 is provided, which is hollow cylindrical. This opening 127 is later occupied in the assembled state by a shaft-side pin. This essentially hollow-cylindrical section between the end-side opening 127 and the transition of the holder 100 into the two webs 109 and 118 is delimited by a bead 130, which is positioned approximately annularly about the axis of rotation 133. At the end facing away from the bead 130 of the webs 109 and 118, an annular region 136 adjoins, which stabilizes the position of the ends 115 by these ends 115 and 124 or portions of this connecting conductor 103 and 106 in this
  • Ring area 136 are embedded.
  • the holder 100 comprises both the portion of the holder part 100 arranged within the slip rings 79 and 81 and the region around the bead 130, the insulation of the webs 109 and 118 and the ring region 136.
  • the at least one brush 89 and thus the two brushes 89 shown in the illustrated embodiment consist of a press material which is electrographite and that the at least one slip ring 81, here in the embodiment both slip rings 79 and 81, is made of bronze.
  • an electric machine 10 in particular a claw pole generator, is provided, with a stator 25 and a rotor 40, wherein the rotor 40 carries at least one excitation winding 61, which can be supplied with excitation current by means of a slip ring arrangement, the slip ring arrangement at least a sliding ring 81 and a slidably disposed on the slip ring 81 sliding contact, the sliding contact is a so-called brush 89 and consists of a press material, wherein the pressing material is electrographite and the slip ring 81 is made of bronze.
  • the bronze of the slip ring 81 is a tin bronze.
  • the tin bronze of the slip ring 81 has a tin content between 1% and 10% by weight.
  • the bronze of the slip ring 81 is a tin bronze with a tin content of between 3% and 5% by weight.
  • a further influencing factor is the design of the sliding contact and the slip rings.
  • the smallest possible slip ring diameter should be selected, since the circumferential travel per revolution is directly related to the wear of the sliding contact.
  • the slip ring diameter must not be too small to set a not too strong curvature of the sliding contact.
  • the contact surface must be so large that a small voltage drop between sliding contact and slip ring occurs and the excitation current is transmitted as possible loss.
  • Particularly suitable geometries are in slip ring diameters of typically 12 - 20mm.
  • Corresponding suitable geometries of the sliding contact are suitably 3 to 5 mm in the circumferential direction and 5 to 8 mm axial length of the contact surface of the
  • the wear of the sliding contact is typically not linear with decreasing carbon length.
  • the spring necessary for the contact pressure is highly compressed. Although this causes lower electrical but stronger mechanical losses.
  • After decreasing the length of the sliding contact reduces the contact pressure and thus also the wear of the sliding contact.
  • the contact pressure is too low, there is an increased risk of brush fire. This is due to lift-off sliding contacts, especially at higher slip ring speeds. len. In part, this effect can be compensated by a lower mass of the sliding contact.

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

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (10), insbesondere ein Klauenpolgenerator, mit einem Stator (25) und einem Rotor (40) vorgeschlagen, wobei der Rotor (40) zumindest eine Erregerwicklung (61) trägt, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist. Die Schleifringanordnung weist zumindest einen Schleifring (81) und einen auf dem Schleifring (81) gleitfähig angeordneten Gleitkontakt auf, der eine sogenannte Bürste (89) ist. Die Bürste (89) besteht aus einem Pressmaterial, welches Elektrographit ist. Es ist vorgesehen, dass der Schleifring (81) aus Bronze besteht.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Klauenpol- generator, mit einem Stator und einem Rotor, wobei die Maschine zu motorischen oder generatorischen Zwecken dienen kann. Der Rotor trägt zumindest ei- ne Erregerspule, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring und einen auf den Schleifring gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist. Der Gleitkontakt ist eine sogenannte Bürste und besteht aus einem Pressmaterial, welches üblicherweise Elektrographit ist. Maschinen dieser Bauart werden seit vie- len Jahren weltweit verwendet.
Nachteilig ist bei derartigen Maschinen, dass die Schleifringanordnung aus der Kombination einer Bürste aus Elektrographit und einem Schleifring aus Kupfer den gestiegenen Lebensdaueranforderungen, insbesondere Nutzkraftfahrzeug- bereich, nicht mehr gewachsen ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor zumindest einen Erregerspule trägt, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring und einen auf dem Schleifring gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist und der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste ist, die aus dem Pressmaterial Elektrographit besteht, ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Schleifring aus Bronze besteht. Die Lebensdauer dieses Systems wird dadurch erheblich verbessert.
Eine weitere Verbesserung tritt dann ein, wenn die Bronze eine sogenannte Zinnbronze ist, deren Zinnanteil vorzugsweise zwischen 1% und 10% Massenanteil beträgt.
Eine Lebensdauererhöhung von beispielsweise 50% - 100% gegenüber herkömmlichen Systemen unter Verwendung von Kupferschleifringen ist dann ge- geben, wenn der Zinnanteil zwischen 3% und 5% beträgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine, ausgeführt als Generator.
Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 10, ausgeführt als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge. Diese elektrische Maschine 10 besteht aus einem Gehäuse 13, das zweiteilig ausgeführt ist. Dieses Gehäuse 13 weist als Gehäuseteile ein antriebsseitiges Lagerschild 16 und ein so genanntes bürstenseitiges Lagerschild
19 auf. Zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 16 und 19 ist mittels Gehäuseschrauben 22 ein Stator 25 gehalten. Dieser Stator 25 besteht aus einem Ständerblechpaket 28, in dessen hier nicht dargestellte Nuten eine Ständerwicklung 31 eingesetzt ist. Von dieser Ständerwicklung 31 sind ein antriebsseitiger Win- kelkopf 34 und ein bürstenseitiger Wickelkopf 37 zu erkennen. Innerhalb des
Ständerblechpakets 28 ist ein Rotor 40 angeordnet. Dieser Rotor 40 ist über eine Welle 43 sowohl im Antriebslagerschild 16 als auch im bürstenseitigen Lagerschild 19 mittels zweier Lager, nämlich einem antriebsseitigen Lager 46 und einem rückwärtigen Lager 49 gelagert. Zwischen den beiden Lagern 46 und 49 sind die magnetischen Teile des Rotors 40 positioniert. Zwischen einer ersten
Polradhälfte 52 und einer zweiten Polradhälfte 55 ist ein Polkern 58 angeordnet. Um den Polkern 58 herum ist eine Erregerwicklung 61 positioniert. Die Polradhälfte 52, der Polkern 58, die Erregerwicklung 61 und die Polradhälfte 55 sind von der Welle 43 getragen. Auf der Seite der Polradhälfte 52, die von der Erre- gerwicklung 61 abgewandt ist, ist ein erster Lüfter 64 und auf der entsprechen- den Gegenseite an der anderen Polradhälfte 55 ein zweiter Lüfter 67 befestigt. Beide Lüfter dienen dazu, aus axialer Richtung Luft anzusaugen und diese durch Öffnungen in den Wickelköpfen 34 bzw. 37 durchzublasen und durch hier nicht gezeigte radial außen angeordnete Öffnungen nach der Erwärmung an die Um- gebung abzugeben.
An einem antriebsseitigen Ende 70 der Welle 43 ist mittels einer Schraubenmutter eine Riemenscheibe 73 befestigt. Diese Riemenscheibe dient dazu, den Rotor 40 mittels eines Riemens 74 zu drehen. Am bürstenseitigen Ende der Welle 43 ist eine Schleifringbaugruppe 76 befestigt. Diese Schleifringbaugruppe dient dazu, mittels zweier Schleifringe 79 (Minusschleifring) und 81 (Plusschleifring) die Erregerwicklung 61 zu bestromen. Dazu sind als weitere Verbindungselemente eine erste Verbindungsleitung 84 zwischen dem Minusschleifring 79 und eine zweite Verbindungsleitung 87 als Verbindung zwischen den Plusschleifring 81 und dem anderen Ende der Erregerwicklung 61 vorgesehen. Zur Bestromung der Erregerwicklung 61 gleiten auf den genannten Schleifringen 79 und 81 Bürsten 89, die durch einen Regler 90 mit Erregerstrom belastet werden. Des Weiteren ist ein üblicher Gleichrichter 93 vorhanden, der mittels einer Schutzkappe 96 bedeckt ist.
Figur 2 zeigt eine räumliche Darstellung einer Schleifringbaugruppe 76, wie sie bei dem zuvor beschriebenen Generator verwendet wird. Diese Schleifringbaugruppe trägt die bereits erwähnten Schleifringe 79 und 81. Beide Schleifringe 79 und 81 sind durch einen Halter 100 gehalten. Der Halter 100 ist ein komplexes Gebilde, das mittels eines Spritzgussverfahrens entstanden ist und ist aus einem
Isolierstoff 101 geformt. Dieser Halter 100 trägt verborgen in seinem Inneren zwei Verbindungsleiter 103 und 106. Der Verbindungsleiter 103 verbindet den ersten Schleifring 79 durch einen Steg 109 hindurch mit einer einstückig mit dem Verbindungsleiter 103 ausgeführten Kontaktfahne 112, die ein vom ersten Schleifring 79 abgewandtes Ende 115 darstellt. Der Verbindungsleiter 106 verbindet den zweiten Schleifring 81 durch den Steg 118 hindurch mit einer ebenso einstückig ausgeführten Kontaktfahne 121, die ebenfalls ein vom Schleifring 81 abgewandtes Ende 124 des Verbindungsleiters 106 darstellt. Der Verbindungsleiter 106 ist wie der Verbindungsleiter 103 auch, innerhalb des Halters 100 an- geordnet. Der Verbindungsleiter 106 tritt durch den Schleifring 79 hindurch. Die Schleifringe 79 und 81 bilden eine äußere Begrenzung für den Halter 100. Radial innerhalb der Schleifringe 79 und 81 ist eine Öffnung 127 vorgesehen, die hohl- zylindrisch ausgeführt ist. Diese Öffnung 127 ist später im montierten Zustand durch einen wellenseitigen Zapfen besetzt. Dieser im Grunde genommen hohlzy- lindrische Abschnitt zwischen der endseitigen Öffnung 127 und dem Übergang des Halters 100 in die zwei Stege 109 und 118 wird durch einen Wulst 130 begrenzt, der in etwa ringförmig um die Drehachse 133 positioniert ist. Am von dem Wulst 130 abgewandten Ende der Stege 109 bzw. 118 schließt sich ein Ringbereich 136 an, der die Position der Enden 115 stabilisiert, indem diese Enden 115 bzw. 124 bzw. Abschnitte dieses Verbindungsleiters 103 bzw. 106 in diesem
Ringbereich 136 eingebettet sind.
Der Halter 100 umfasst sowohl den innerhalb der Schleifringe 79 und 81 angeordneten Anteil des Halterteils 100 als auch den Bereich rund um den Wulst 130, die Isolierung der Stege 109 und 118 sowie den Ringbereich 136.
Dieses hier gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt zwar zwei Schleifringe 79 und 81, dennoch sind Ausführungsbeispiele machbar, bei denen lediglich ein Schleifring 81 an der Schleifringanordnung vorgesehen ist. Die Aufgaben des Minusschleif- rings Schleifring 79 würden dann beispielsweise dadurch wahrgenommen werden, dass das minusseitige Ende der Erregerwicklung 61 mit einem Masseteil des Rotors 40 verbunden ist. Der Stromkreis würde dann beispielsweise über eines der beiden Kugellager - in diesem Fall das antriebsseitige Kugellager 46 - an Masse erfolgen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zumindest eine Bürste 89 und damit die im gezeichneten Ausführungsbeispiel dargestellten zwei Bürsten 89 aus einem Pressmaterial bestehen, welches Elektrographit ist und dass der zumindest eine Schleifring 81, hier im Ausführungsbeispiel beide Schleifringe 79 und 81, aus Bronze ist.
Dementsprechend ist eine elektrische Maschine 10, insbesondere Klauenpolge- nerator, vorgesehen, mit einem Stator 25 und einem Rotor 40, wobei der Rotor 40 zumindest eine Erregerwicklung 61 trägt, die mittels einer Schleifringanord- nung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring 81 und einen auf dem Schleifring 81 gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist, der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste 89 ist und aus einem Pressmaterial besteht, wobei das Pressmaterial Elektrographit ist und der Schleifring 81 aus Bronze ist.
Es ist vorgesehen, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine Zinnbronze ist. Günstigerweise hat die Zinnbronze des Schleifrings 81 einen Zinnanteil zwischen 1% und 10% Masseanteil.
Besonders bevorzugt wird, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine Zinnbronze mit einem Zinnanteil zwischen 3% und 5% Masseanteil ist.
Eine weitere Lebensdauer beeinflussende Größe liegt in der Gestaltung des Gleitkontakts und der Schleifringe. Nur eine optimale Kombination zwischen der Kontaktfläche des Gleitkontakts und des Schleifrings ergibt ein Minimum an Ab- brand. Einerseits sollte ein möglichst kleiner Schleifringdurchmesser gewählt werden, da der Umfangsweg pro Umdrehung direkt mit dem Verschleiß des Gleitkontakts in Verbindung steht. Anderseits darf der Schleifringdurchmesser auch nicht zu klein werden, um eine nicht zu starke Krümmung des Gleitkontakts festzulegen. Weiterhin muss die Kontaktfläche auch noch so groß sein, dass ein geringer Spannungsabfall zwischen Gleitkontakt und Schleifring auftritt und der Erregerstrom möglichst Verlustfrei übertragen wird. Besonders geeignete Geometrien liegen in Schleifringdurchmessern von typischerweise 12 - 20mm. Entsprechende geeignete Geometrien des Gleitkontakts liegen geeigneter Weise bei 3 - 5mm in Umfangsrichtung und 5 - 8 mm axialer Länge der Kontaktfläche des
Gleitkontakts bei 10 - 20 mm nutzbarer Länge des Gleitkontakts.
Der Verschleiß des Gleitkontakts ist mit abnehmender Kohlelänge typischerweise nicht linear. Im Anfangsstadium ist die zum Anpressdruck notwendige Feder stark komprimiert. Dies bewirkt zwar geringere elektrische aber stärkere mechanische Verluste. Nach Abnahme der Länge des Gleitkontakts reduziert sich der Anpressdruck und somit auch der Verschleiß des Gleitkontakts. Wird dagegen der Anpressdruck zu gering, besteht ein erhöhtes Risiko von Bürstenfeuer. Dies entsteht durch abhebende Gleitkontakte speziell bei höheren Schleifringdrehzah- len. Teilweise kann dieser Effekt durch eine geringere Masse des Gleitkontakts kompensiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere Klauenpolgenerator, mit einem Stator (25) und einem Rotor (40), wobei der Rotor (40) zumindest eine Erregerwicklung (61) trägt, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring
(81) und einen auf dem Schleifring (81) gleitfähig angeordneten Kontakt aufweist, der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste (89) ist, die aus einem Pressmaterial besteht, wobei das Pressmaterial Elektrographit ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifring (81) aus Bronze ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronze des Schleifrings (81) eine Zinnbronze ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronze des Schleifrings (81) eine Zinnbronze mit einem Zinnanteil zwischen einem 1% und 10% Masseanteil ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronze des Schleifrings (81) eine Zinnbronze mit einem Zinnanteil zwi- sehen 3% und 5% Masseanteil ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifringanordnung einen Halter (100) umfasst, der den Schleifring (81) und den Schleifring (79) trägt.
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