Mehrfachbürste für Schleifringe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Signale mittels Schleifkontakten zwischen gegeneinander beweglichen Teilen. Derartige Übertragungssysteme werden bevorzugt in linearer Ausführung oder für rotierende Systeme in zylindrischen oder tellerförmigen Ausführungen eingesetzt. Auf einer Schleifbahn aus elektrisch leitfähigem Material schleifen ein Schleifkontakt oder mehrere Schleifkontakte aus einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Material. Durch den galvanischen Kontakt zwischen Schleifbahnen und Kontakt kann elektrischer Strom übertragen werden.
Stand der Technik
Schleifkontaktanordnungen werden beispielsweise in einer linearen Ausführung in Krananlagen oder anderen Fördersystemen zur Übertragung zwischen einem beweglichen Kran und einer stationären Steuereinheit eingesetzt. Ein anderes Anwendungsgebiet von Schleifkontakten in einer kreisförmigen Ausführung, meist auch Schleifringe genannt, ist die Übertragung zwischen gegeneinander drehbaren Teilen. Ein typisches Einsatzgebiet ist beispielsweise in Computertomographen zwischen dem Rotor, welcher die Röntgenröhre und den Detektor trägt, und einer stationären Auswerteeinheit, welche die Bilddaten verarbeitet und anzeigt.
Bei dem Stand der Technik entsprechenden Schleifkontakten wird insbesondere bei kleinen Bauformen ein Schleifkontakt auf metallischer Basis, beispielsweise als Draht oder dünnes Blech eingesetzt.
In der US 2,269,614 ist eine Schleifkontaktbürste mit einer Vielzahl einzelner Drähte offenbart. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass zu jedem Zeitpunkt wenigstens immer ein Draht im Eingriff mit der Schleifbahn ist.
Die US 4,483,574 offenbart eine Schleifkontaktbürste mit einer Vielzahl von Kontaktdrähten, die besonders geeignet zum Einsatz in Kollektoren ist. Die Geräte sind hier relativ kurz, so dass sie vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche des Kollektors aufliegen.
In der EP 0 662 736 Al ist eine Mehrdrahtbürste mit zwei bis fünf Drähten offenbart, wobei diese nebeneinander in der Nut einer Schleifbahn liegen und die Drähte simultan mit der Nut der Schleifbahn in Kontakt stehen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Kontakt bürsten beziehungsweise Schleifkontaktanordnungen dahingehend weiter zu verbessern, dass eine erhöhte Übertragungssicherheit und insbesondere eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Vibrationen und Stößen besteht.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung umfasst wenigstens eine Schleifbahn mit einer V-Nut 5 sowie wenigstens eine darauf laufende Mehr- drahtbürste mit wenigstens zwei Schleifdrähten 3, 4 unterschiedlicher Durch-
messer. Wesentlich für die Erfindung ist, dass beide Schleifdrähte elektrisch miteinander parallel geschaltet sind und in derselben V-Nut der Schleifbahn laufen. Somit stehen sie gleichzeitig im Kontakt mit der Schleifbahn. Für den zu übertragenen Strom gibt es somit gleichzeitig zwei Strompfade. Durch diese Maßnahme wird einerseits der Übergangswiderstand reduziert und andererseits die Toleranz gegenüber mechanischen Stößen beziehungsweise Schwingungen wesentlich erhöht, da die beiden Schleifdrähte unterschiedliche Resonanzfrequenzen ihrer Eigenresonanz aufweisen. Die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen resultieren aus dem unterschiedlichen Federkonstanten und unterschiedlichen Massen auf- grund der unterschiedlichen Durchmesser. So wird bei einer bestimmten Anregungsfrequenz mit hoher Wahrscheinlichkeit nur einer der beiden Schleifdrähte zu Schwingungen angeregt, was zu kurzzeitigen Kontaktunterbrechungen führen kann. Gleichzeitig kann aber der andere Schleifdraht mit einer anderen Resonanzfrequenz noch weiter den Kontakt aufrecht erhalten. Erfindungsgemäß be- rühren die beiden Schleifdrähte die Schleifbahn an unterschiedlichen Winkelpositionen 8, 9. Dadurch entsteht eine weitere Toleranz gegenüber mechanischen Schwingungen, da diese vorzugsweise nur in einer Achse auftreten. So werden beispielsweise bei Fahrzeugen Stöße bevorzugt senkrecht zum Boden auftreten. Wird nun ein zweiter Schleifdraht in einer anderen Richtung beziehungsweise einer anderen Achse angeordnet, so kann dieser noch den Stromfluss aufrechterhalten.
Eine weitere erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung ist ähnlich der zuvor beschriebenen Kontaktanordnung aufgebaut. Hierbei können jedoch die beiden Schleifdrähte 3, 4 an derselben Winkelposition 8 bezogen auf die Schleifbahn angeordnet werden. Wesentlich ist jedoch, dass sie auf unterschiedlichen Radien 10, 11 in der V-Nut laufen. Hierdurch ergibt sich auch ein reduzierter Abrieb, da die Bahnen des Kontakts an unterschiedlichen Positionen liegen. Selbstverständlich ergibt sich auch hier aufgrund der unterschiedlichen Drahtdurchmesser eine erhöhte Toleranz gegenüber mechanischen Schwingungen. Durch die Anordnung
an einer Winkelposition ergibt sich gegenüber der zuerst dargestellten erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine wesentlich einfachere mechanische Konstruktion.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass wenigstens zwei Schleifbahnen mit V-Nuten elektrisch parallel geschaltet sind, und in diesen wenigstens zwei Schleifdrähte mit unterschiedlichen Durchmessern laufen. Bevorzugt läuft in jeder Schleifbahn ein Schleifdraht.
Eine erfindungsgemäße Mehrdrahtbürste weist wenigstens zwei Schleifdrähte auf, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Vorzugsweise liegen die Verhältnisse der Durchmesser der wenigstens zwei Schleifdrähte in einem Bereich von 1:1,2 bis 1:5. besonders günstig ist ein Verhältnis der Durchmesser in einem Bereich von 1:1,5 bis 1:2.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die wenigstens zwei Schleifdrähte unterschiedliche Materialien auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen sind wenigstens zwei Schleifdrähte 3, 4 mit unterschiedlichen Durchmessern in einer Haltevorrichtung, beispielsweise einer Hülse an einem Ende der Schleifdrähte gehalten. Ebenso können sie einfach zusammengelötet oder -gequetscht sein. Sie werden durch die Haltevorrichtung elektrisch und mechanisch miteinander verbun- den. Es bleiben aber die anderen Enden der Schleifdrähte gegeneinender beweglich sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist genau ein Schleifdraht 3 mit einem größeren Durchmesser und ein Schleifdraht 4 mit einem kleineren Durchmesser vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind ein Schleifdraht 3 mit einem größeren Durchmesser und drei Schleifdrähte 4 mit einem kleineren Durchmesser vorgesehen. Der Schleifdraht 3 mit dem größeren Durchmesser läuft auf einer Bahn der Schleifbahn mit kleinerem Radius, während die Schleifdrähte 4 mit dem kleineren Durchmesser auf einer Bahn der Schleifbahn mit größerem Radius laufen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin- dungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schleifkontakt- anordnung.
Fig. 3 zeigt die Schleifdrähte sowie die V-Nut einer erfindungsgemäßen Schleifkontaktanordnung im Schnitt.
Fig. 4 zeigt eine alternative Bürstenkonfiguration.
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Mehrdrahtbürste im Schnitt.
Fig. 6 zeigt eine weitere Mehrdrahtbürste in der Seitenansicht.
Fig. 7 zeigt eine alternative Konfiguration der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung. Die Schleifbahn 1 ist hier im linken Teil senkrecht zu ihrer Drehachse geschnitten dargestellt. Im rechten Teil der Figur befindet sich die Draufsicht auf die Schleifbahn aus einem Blickwinkel senkrecht zur Drehachse. Die Drehachse verläuft senkrecht in die Zeichenebene. Ein Bürstenhalter 2 hält hier zwei Doppelbürsten 3, 4, wobei jede Doppelbürste aus einem Schleifdraht besteht, welcher hier an der Unterseite des Bürstenhalters gehalten wird. Alternativ kann der Schleifdraht auch durch den Bürstenhalter hindurchgeführt sein oder auf andere Weise einen Formschluss mit dem Bürstenhalter aufweisen, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Jeder Schleifdraht der hier gezeigten Doppelbürsten weist zwei Enden 3a, 3b beziehungsweise 4a, 4b auf, wobei jedes Ende mit der Schleifbahn in Kontakt steht. Somit ergeben sich bei jedem Schleifdraht zwei Kontaktpunkte mit der Schleifbahn. Grundsätzlich sind jedoch auch einseitige Bürsten realisierbar, welche nur einen Schleifdraht 3b, 4b aufweisen, der an einer Stelle mit der Schleif- bahn in Kontakt steht. Erfindungsgemäß sind nun zwei solcher Bürsten elektrisch parallel geschaltet und vorzugsweise an einem gemeinsamen Bürstenblock 2 angebracht. Weiterhin weisen die Schleifdrähte der Bürsten unterschiedliche Drahtdurchmesser auf.
Grundsätzlich ergeben sich erfindungsgemäß durch die unterschiedlichen Durchmesser der Drähte unterschiedliche Massenverhältnisse der Drähte und auch unterschiedliche Federkonstanten. Dadurch erhalten die Schleifdrähte auch unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Ein nach dem Stand der Technik bekannter Schleifring mit Bürsten mit gleichem Durchmesser weist bei bestimmten Frequenzen mechanischer Schwingungen Kontaktunterbrechungen auf. Typischer- weise sind diese Frequenzen die Resonanzfrequenzen beziehungsweise Eigenfrequenzen der einzelnen Kontaktdrähte. Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist nun immer ein Kontakt sichergestellt. Wird beispielsweise der erste Schleifdraht mit einer ersten Resonanzfrequenz durch mechanische Schwingungen angeregt, so findet keine Anregung des zweiten Schleifdrahts es mit einer
anderen Resonanzfrequenz statt. In diesem Falle fließt nun der gesamte Strom durch die Anordnung durch den zweiten Schleifdraht. Entsprechend gilt für den umgekehrten Fall bei Beaufschlagung mit einer Schwingungsfrequenz entsprechend der Resonanzfrequenz des zweiten Schleifdrahts. In diesem Falle über- nimmt der erste Schleifdraht den gesamten Strom.
Es besonders vorteilhaft, wenn sowohl der erste Schleifdraht als auch der zweiten Schleifdraht in derselben V-Nut 5 einer Schleifbahn laufen. Hierzu müssen die beiden Schleifdrähte an unterschiedlichen Kontaktpunkten 8, 9 an der Schleifbahn anliegen. Bei einem ebenen Bürstenhalter, beispielsweise in Form einer Platte, besonders bevorzugt in Form einer Leiterplatte, bedeutet dies weiterhin, dass die Schleifdrähte mit unterschiedlichen Winkeln aus diesem austreten beziehungsweise an diesem befestigt sind.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der vorhergehenden, wobei allerdings die Kontaktdrähte an derselben Winkelposition 8 an der Schleifbahn anliegen. Auf- grund der unterschiedlichen Durchmesser der Kontaktdrähte laufen die Kontaktdrähte auf unterschiedlichen Radien der Schleifbahn. Somit läuft der Schleifdraht 3 mit dem größeren Durchmesser auf einer weiter aussen liegenden Bahn mit größerem Radius 10 und der Schleifdraht 4 mit dem kleineren Durchmesser auf einer weiter innen liegenden Bahn mit kleinerem Radius 11. Während in der vor- hergehenden Ausgestaltung mit Kontaktpunkten an unterschiedlichen Winkelpositionen weitgehende Freiheit in der Dimensionierung der unterschiedlichen Durchmesser der Kontaktdrähte besteht, muss hier darauf geachtet werden, dass ein relativ großes Durchmesserverhältnis gewählt wird, so das die beiden Kontaktdrähte 3, 4 gleichzeitig in der V-Nut 5 Anliegen können. Bevorzugt ergibt sich noch ein kleiner Spalt, welcher vorzugsweise größer als der Durchmesser des dünneren Kontakt Drahtes ist, zwischen den beiden Kontaktdrähten, wenn diese der V-Nut anliegen. Das Durchmesserverhältnis liegt hier bevorzugt in einem Bereich 1:2 bis 1:5.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung mit zwei Kontaktdrähten unterschiedlicher Durchmesser in derselben V-Nut liegt in der geringeren Abnutzung der V-Nut. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser dringen die Schleifdrähte unterschiedlich tief in die V-Nut ein und laufen somit darin in unterschiedlichen Bah- nen. Dies gibt insgesamt eine wesentlich bessere Ausnutzung bezogen auf die Lebensdauer der V-Nut. Würden hier Schleifdrähte mit gleichen Durchmessern eingesetzt werden, so würden diese in derselben Bahn laufen und diese wesentlich schneller abnutzen.
Fig 3. zeigt die beiden Schleifdrähte aus Figur 2 zusammen mit der V-Nut in ei- nem Schnitt entlang der Achse 8. In der V-Nut 5 liegt der zweite Draht 4 mit dem kleineren Durchmesser näher an der Spitze des V. darüber liegt mit einem Abstand der erste Draht 3 mit dem größeren Durchmesser. Durch die beiden Auflagepunkt der des ersten Drahtes 4 in der V-Nut 5 ist eine Linie 11 eingezeichnet, welche auf einem kleineren Radius der Schleifbahn verläuft als die Linie 10 durch die Auflagepunkte des ersten Drahtes 3 mit dem größeren Durchmesser.
Fig. 4 zeigt eine alternative Bürstenkonfiguration. Anstelle der in den vorhergehenden Figuren gezeigten Bürstenhalter 2 mit einzelnen Drähten 3, 4 kann auch eine Mehrdrahtbürste eingesetzt werden. Diese kann mit einem einfachen Halter so angeordnet werden, dass die beiden Drähte 3, 4 entsprechend der Erfindung im Kontakt mit der Schleifbahn stehen. Hier werden beispielsweise die beiden Drähte 3, 4 mittels einer Hülse zu einer Einheit elektrisch und mechanisch zu- sammengefasst. Die Verbindung der Drähte erfolgt nur in der Hülse, nicht aber über die Länge der Drähte, so dass diese Drähte an den der Hüle entgegengesetzten Enden noch beweglich sind.
In Fig. 5 ist noch eine weitere Bürste zusammen mit der Schleifbahn im Schnitt dargestellt. Sie weist hier einen ersten Draht 3 mit großem Durchmesser und mehrere zweite Drähte 4 mit kleinerem Durchmesser auf. Eine solche Bürste
kann auch basierend auf dem zuvor dargestellten Bürstenhaltern 2 aufgebaut werden.
Fig. 6 zeigt eine einfache Konfiguration der Mehrdrahtbürste aus Figur 5. Hierbei werden die Drähte 3, 4 in einer Hülse oder einem anderen Befestigungselement zusammengefasst und elektrisch sowie mechanisch miteinander verbunden. Die Verbindung der Drähte erfolgt nur in der Hülse, nicht aber über die Länge der Drähte, so dass diese Drähte an den der Hüle entgegengesetzten Enden noch beweglich sind. Eine solche Bürste kann nun ähnlich der zuvor beschriebenen Doppelbürsten in einer Schleifbahn eingesetzt werden. Es liegen hier nun die verschiedenen Drähte gleichzeitig in der V-Nut der Schleifbahn an. Aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen ist immer gewährleistet, dass bei mechanischer Schwingungsbeanspruchung wenigstens einer der Schleifdrähte in Kontakt mit der Schleifbahn steht. Auch hier ergibt sich der zusätzliche vorteilhafte Effekt, dass die Lebensdauer der Anordnung vergrößert wird, da die ver- schiedenen Drähte in verschiedenen Bahnen laufen.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, in der die beiden unterschiedlichen Schleifdrähte 3, 4 in unterschiedlichen V-Nuten 5, 6 der Schleifbahn verlaufen, selbstverständlich sind die beiden V-Nuten sowie die beiden Schleifdrähte elektrisch parallel geschaltet.
Bezugszeichenliste
1 Schleifbahn
2 Bürstenhalter
3 erster Draht
4 zweiter Draht
5 erste V-Nut
6 zweite V-Nut
7 Hülse
8 erster Auflagepunkt
9 zweiter Auflagepunkt
10 Linie durch erste Auflagepunkte
11 Linie durch zweite Auflagepunkte