Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen

Abstract

 Eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen mit Kugellagern, bei der die Kugellager Axiallager sind, die unter einem konstanten einstellbaren Druck, insbesondere unter Federdruck stehen und von allen anderen Kräften entlastet sind. Die Lagerschalen (1a, 1b) der Axiallager weisen V-förmige Einstiche (24) auf. Lagerschalen und Kugeln bestehen vorteilhaft aus Silberlegierungen, insbesondere aus Legierungen des Silbers mit Kupfer und/oder Beryllium.

Beschreibung

[0001] Bei Maschinen verschiedenster Art müssen oftmals elektrische Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen übertragen werden. Meist werden dazu Schleifringübertrager verwendet, d.h. Vorrichtungen,bei denen auf ringförmigen Schleifbahnen aus gut leitendem Material Bürsten, insbesondere Kohlebürsten, gleiten. Diese Schleifringübertrager haben den Nachteil, daß an den Bürsten, die aus weichem Material bestehen, ein hoher Verschleiß auftritt. Um auch bei hoher Drehzahl geringen Verschleiß und damit eine lange Lebensdauer zu erreichen, wurde bereits versucht, zur Stromübertragung Kugellager zu verwenden. Dabei ergab sich jedoch, daß die Lagerluft kurzzeitige Unterbrechungen zur Folge hat, so daß bei Meßströmen ein hohes Rauschen und bei stärkeren Strömen eine störende und den Verschleiß erhöhende Funkenbildung entsteht.

[0002] Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Kugellager so zu gestalten, daß das Rauschen bei Meßströmen und die Funkenbildung bei stärkeren Strömen vermieden wird. Während bei Radiallagern die störende Lagerluft unvermeidlich ist, ergab sich, daß sich ein spiel- und störungsfreier Lauf erreichen läßt, wenn die den Strom übertragenden Kugellager Axiallager sind. Insbesondere ergibt sich eine störungsfreie Stromübertragung, wenn diese,den Strom übertragenden Axiallager unter einem konstanten einstellbaren Druck stehen, insbesondere unter Federdruck. Dieser Druck kann abhängig von den Abmessungen der Lager und der vorgesehenen maximalen Drehzahl eingestellt werden und sorgt für den nötigen Kontaktdruck. Ein guter gleichmäßiger Kontakt wird erzielt, wenn gemäß der weiteren Erfindung die Laufringe nicht den bei Kugellagern üblichen runden Einstich aufweisen, sondern einen V-förmigen Einstich. Diese Form des Einstiches hat den Vorteil, daß jede Kugel an zwei definierten Punkten im Ring aufliegt und dadurch eine verbesserte Kontaktübertragung gewährleistet ist.

[0003] Zur Verbesserung der elektrischen Werte der Vorrichtung erwies es sich ferner als zweckmäßig, statt der bei Kuggellagern üblichen Stahlteile Teile aus Nichteisen-Metallen zu verwenden. Bei der Auswahl des geeigneten Materials sind drei Materialeigenschaften wichtig, nämlich Elastizitätsmodul, Oberflächenhärte und Leitfähigkeit. Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit, also geringem spezifischen Widerstand, sind in der Regel weich und plastisch verformbar, während umgekehrt Werkstoffe mit hohem Elastizitätsmodul und großer Härte meist einen hohen spezifischen Widerstand besitzen. Es mußte also nach einem Kompromiß gesucht werden und es ergab sich, daß Silberlegierungen besonders geeignet sind, da sie mit einer relativ hohen Leitfähigkeit, ein großes Elastizitätsmodul und verhältnismäßig große Oberflächenhärte verbinden. Insbesondere geeignet sind Legierungen des Silbers mit Kupfer oder Beryllium oder mit beiden Metallen. Als vorteilhaft hat sich z.B. eine Materialpaarung von kalt verfestigtem 835-Silber mit Silberkugeln, die mit 3% Kupfer gehärtet sind, erwiesen.

[0004] Eine weitere Möglichkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit, verbunden mit verhältnismäßig großer Oberflächenhärte, zu erzielen, besteht darin, daß die Lagerschalen und die Kugeln mit aus Nitriten bestehendem oder Nitrite enthaltendem Material beschichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Kontaktierung, insbesondere bei steigender Drehzahl durch Fliehkräfte, welche auf die Kugel wirken.

[0005] Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere stromübertragende Axiallager auf, die in axialer Richtung übereinander in einem Gehäuse und koaxial zu einer gegenüber dem Gehäuse verdrehbaren Welle angeordnet sind, wobei jeweils zwischen den einander zugewandten Lagerschalen zweier benachbarter Axiallager Isolierringe eingesetzt sind, und zwar derart, daß abwechselnd jeweils auf ein mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Isolierring ein mit der Welle drehfest verbundener Isolierring folgt. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Isolierringe in axialer Richtung verschiebbar in das Gehäuse eingesetzt sind und der Kontaktdruck durch ein an einem Ende des Gehäuses angeordnetes für alle Axiallager gemeinsam wirksames Federelement bewirkt wird. Bei dieser Ausführungsform sind infolge der besonderen Anordnung der Isolierringe jeweils zwei rotierende Lagerschalen und zwei feststehende Lagerschalen über einen Isolierring mechanisch miteinander verbunden. Diese Anordnung erlaubt das Anbringen nahezu unbegrenzt vieler Übertragungswege. Durch das in axialer-Richtung verschiebbare Einsetzen der Isolierringe in das Gehäuse wird ein quasi fliegender Aufbau erreicht, was zur Folge hat, daß in axialer und radialer Richtung wirksame Fertigungs- und Montagetoleranzen vernachlässigbar sind. Weiterhin wird bei diesem Aufbau nur ein einziges Federelement benötigt, das einstellbar den Kontaktdruck für alle Axiallager erzeugt. Die exakte Einstellmöglichkeit des Kontaktdruckes ermöglicht einen Eingriff auf die Lebensdauer der rotierenden Teile. Diese Art des Aufbaus benötigt auch keine festen Flansche, sondern nur eine stützende Kante und, da in tangentialer Richtung nur geringe Kräfte auftreten, nur einfache Mitnehmer.

[0006] Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn in jedem Axiallager ein aus Kunststoffmaaterial bestehender Kugelhalter zur Halterung mehrerer Kugeln in festgelegten Abständen angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, in jedem Axiallager mehrere Kugeln unterzubringen, die verschleißfrei auf Abstand gehalten werden, wodurch der zu übertragende Strom bei geringer Baugröße erhöht werden kann.

[0007] Ein Ausführungsbeispiel einer Stromübertragungsvorrichtung nach der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.

[0008] 

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung ,

Fig. 2 zeigt im vergrößertem Maßstäb die Axiallager.

[0009] In einem Gehäuse 12 ist die Welle 10 mittels der RadialKugellager 19, 20 drehbar gelagert. Die Kugellager 19, 20 können beliebige bekannte Kugellager sein, die alle zwischen dem Gehäuse 12 und der Welle 10 auftretenden Kräfte aufnehmen. In das Gehäuse 12 ist ein zweites Gehäuse 15 eingesetzt und mittels eines Flansches befestigt. In dieses Gehäuse sind die Isolierringe 3 eingesetzt, die die Lagerschalen lb von Axiallagern tragen. Auf die Welle 10 sind ebenfalls Isolierringe 2 aufgeschoben, die die anderen Lagerschalen la der Axiallager tragen. Durch diese Anordnung sind die Isolierringe 3 drehfest mit dem Gehäuse 15 und die Isolierringe 2 drehfest mit der Welle 10 verbunden. Zwischen diesen Lagerschalen la, lb befinden sich die Kugellager-Kugeln 25. In Fig. 2 ist ein Teil der Axiallager dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß die Lagerschalen la und lb V-förmige Einstiche 24 aufweisen. Die mit dem Gehäuse 15 verbundenen Lagerschalen Ib sind mit den elektrischen Zuleitungen 8 und die mit der Welle 10 verbundenen Lagerschalen la mit den Zuleitungen 9 verbunden. Werden, wie in Fig. 1 dargestellt, sechs Axiallager verwendet, die voneinander durch die Isolierringe 2, 3 getrennt sind, so können sechs Ströme unabhängig voneinander übertragen werden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Isolierringe 3 und 2 abwechselnd in das Gehäuse 15 eingesetzt. Dieser Aufbau erlaubt es, durch Aneinanderreihen einer großen Anzahl von Axiallagern eine beinahe unbegrenzte Anzahl von Übertragungswegen vorzusehen. Wichtig für eine gute Übertragung, d.h. für gleichmäßige Kontakte, die bei Meßströmen kein Rauschen und bei starken Strömen keine Funkenbildung verursachen, ist ein gleichmäßiger Lagerdruck, der nicht zu gering sein-darf, damit guter Kontakt gewährleistet ist, aber auch nicht zu hoch sein darf, damit die Lagerschalen und Kugeln nicht deformiert oder abgenutzt werden, wodurch die Kontaktgabe wieder mit der Zeit verschlechtert würde. Dieser gleichmäßige Lagerdruck wird dadurch gewährleistet. daß an einem Ende Tellerfedern 22 vorgesehen sind, deren Druck durch die Scheibe 6 auf die zusammen mit den Isolierringen 2, 3 in axialer Richtung verschiebbaren Axiallager übertragen wird, auf die aber sonst keine Kräfte einwirken. Durch die Isolierringe 2, 3 und durch zusätzliche Isolierscheiben 4 sind die Axiallager gegen die übrigen Metallteile der Vorrichtung elektrisch isoliert. Eine Mutter 26 dient zur Einstellung des Druckes, den die Federn 22 auf die Axiallager ausüben.

[0010] Zur Erleichterung des Zusammenbaues und zur Gewährleistung eines ruhigen Laufes können in an sich bekannter Weise Kugelhalter 27 vorgesehen sein, die jedoch zum Unterschied von den üblichen Kugelhaltern nicht aus Metall, sondern aus Kunststoff bestehen. Durch diese Kugelhalter können die Kugeln 25 verschleißfrei auf Abstand gehalten werden. Es ist dadurch möglich, mehrere Kugeln unterzubringen, wodurch der zu übertragende Strom bei geringer Baugröße erhöht wwerden kann. Durch die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten von innerer und äußerer Laufspur an den V-förmigen Einstichen tritt eine 6 Selbstreinigung der Berührungsflächen zwischen Kugeln und Lagerschalen auf, während sich Verunreinigungen, die die Kontaktgabe beeinträchtigen würden, in der nicht als Kontaktfläche dienenden Talsole der V-förmigen Einstiche ablagern können.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Ströme zwischen gegeneinander verdrehbaren Teilen mit Kugellagern, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom übertragenden Kugellager Axiallager (la,lb, 25) sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallager unter einem konstanten einstellbaren Druck stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdruck durch Federn (22) erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (la, lb) der Axiallager einen V-förmigen Einstich (24) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (la, lb) und die Kugeln (25) aus Silberlegierungen bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (la, lb) und die Kugeln (25) aus Legierungen des Silbers mit Kupfer und/oder Beryllium bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (la, lb) und die Kugeln (25) mit aus Nitriten bestehendem oder Nitrite enhaltendem Material beschichtet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere stromübertragende Axiallager aufweist, die in axialer Richtung übereinander in einem Gehäuse (15) und koaxial zu einer gegenüber dem Gehäuse (15) verdrehbaren Welle (10) angeordnet sind, wobei jeweils zwischen den einander zugewandten Lagerschalen (la-la, lb-lb) zweier benachbarter Axiallager Isolierringe (3,2) eingesetzt sind, und zwar derart, daß abwechselnd jeweils auf einen mit dem Gehäuse (15) drehfest verbundenen Isolierring (3) ein mit der Welle (10) drehfest verbundener Isolierring (2) folgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierringe (2, 3) in axialer Richtung verschiebbar in das Gehäuse (10) eingesetzt sind und der Kontaktdruck durch ein an einem Ende des Gehäuses (10) angeordnetes für alle Axiallager gemeinssam wirksames Federelement (22) bewirkt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Axiallager ein aus Kunststoffmaterial bestehender Kugelhalter (27) zur Halterung mehrerer Kugeln (25) in festgelegten Abständen angeordnet ist.

Zeichnung