[0001] In der Industrie werden heute in steigendem Maße mittelfrequente Ströme eingesetzt,
um induktive Kopplungen zu verbessern. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise
Schweißtransformatoren an Robotern, alle frequenzgeregelten Motore, Sende- und Empfangsanlagen
für Mobiltelefone, Rundfunk und Fernsehen sowie die Datenübertragungstechnik usw.
typische Anwendungsfälle für induktive Ankopplungen.
[0002] Die Praxis hat gezeigt, dass bei steigender Frequenz des Induktionsstroms die Effizienz
bei den vorstehend genannten Anwendungsbeispielen unproportional ansteigt. So nimmt
z.B. ein Transformator bei Verdoppelung der Frequenz mit ca. Faktor 4 in Gewicht und
Volumen ab. Als störender Einfluss bei der Übertragung mittelfrequenter Induktionsströme
tritt jedoch der physikalische Effekt auf, dass der Stromfluss mit steigender Frequenz
an die Randzone eines elektrischen Leiters gedrängt wird. Daraus resultiert, dass
bei hohen Frequenzen nur noch die äußere Schicht bzw. Randzone bei einem Leiter genutzt
werden kann.
[0003] Für den zukünftigen erfolgreichen Einsatz von Schleifringübertragungssystemen erlangt
die Übertragung mittelfrequenter Ströme eine immer größere Bedeutung. Der Nachteil
der heutigen Technik ist jedoch, dass der Einsatz mittelfrequenter Ströme bei Schleifringübertragungssystemen
nur mit sehr großen geometrischen Abmessungen möglich ist. Solche Abmessungen sind
deshalb notwendig, weil genügend Randzone des Leiters für die Übertragung bereit zu
stellen ist.
[0004] Wenn folglich bei 50 Hz-Strömen theoretisch ein runder Vollstab als Leiter verwendet
werden kann, um den nötigen Strom zu übertragen, kann bei mittelfrequenten Strömen,
ca. 30 kHz, nur ein "Rohr" als äquivalente Leiterquerschnittsfläche eingesetzt werden.
Je höher also die Frequenz, desto dünnwandiger ist das "Rohr". Um gleiche Ströme übertragen
zu können, muss jedoch der Leiterquerschnitt erhalten bleiben, was zur Folge hat,
dass ein "Rohr" im Durchmesser größer werden muss, um genügend Randzone als Leiter
zur Verfügung zu stellen.
[0005] Das vorstehend erwähnte "Rohr" ist als physikalisches Modell zu verstehen. Tatsächlich
werden in der Praxis Vollprofile und Drähte verwendet, deren innerer Kern zur Stromübertragung
aber kaum beiträgt. Der Kern des Leiters bringt somit im Grunde nur totes Gewicht
und ist physikalisch/technisch zur Stromübertragung nicht effizient.
[0006] Diese Problematik ist für fest verlegte Leitungen in Form von Hohlleitern bzw. Kupferrohren
gelöst. Für die Anwendung in endlos drehbaren Stromübertragungssystemen, nämlich der
Schleifringübertrager, führt der beschriebene physikalische Effekt zu mechanisch sehr
großen und schweren Geräten. Diese Geräte würden in dieser Form am Markt nicht akzeptiert
werden. Ferner ist das heute bei Schleifringübertragern eingesetzte Wirkprinzip der
Schleifkohlen bei hohen Frequenzen praktisch nicht verwendbar, da die gesinterten
Werkstoffe die geforderten Stromdichten in den Randzonen nicht zulassen und somit
eine Selbstzerstörung herbeiführen würden.
[0007] Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine technologisch
neue mit Schleifbahnen und Stromabnehmern ausgestattete Anordnung zur Übertragung
mittelfrequenter Ströme zu schaffen, die nur aus der gewünschten Stromführungs-Randzone
besteht.
[0008] Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs.
[0009] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Leiterplattentechnologie für die
Entwicklung von Schleifbahnen und Stromabnehmern geeignet erscheint. Folglich liegt
der innovative Kern der Erfindung darin, mehrere dünne Metallfolien in Sandwichzuordnung
mechanisch stabil zu fixieren und elektrisch zu verbinden.
[0010] Danach wird ein im physikalischen Modell beschreibbares "Rohr" in Längsrichtung in
mehrere Segmentstreifen sozusagen aufgeschnitten und diese werden dann übereinander
gestapelt.
[0011] Zwischen den Segmentstreifen befindet sich jeweils eine Isolierschicht.
[0012] In einer praktischen Ausführungsform werden mehrere dünne Metallfolien unter Eingliederung
von Isolierlagen zu einem Folienstapel geschichtet. Mehrfach in Längsrichtung des
Folienstapels gleichmäßig verteilte Durchkontaktierungen gewährleisten eine homogene
Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten Metallfolien bleibt als Leiterquerschnitt
nur die gewünschte Randzone, wodurch das Bauvolumen um weit mehr als die Hälfte reduziert
wird.
[0013] Die gleichmäßige und sichere elektrische Durchkontaktierung der Metallfolien untereinander
und zu einem Anschlusskontakt kann z.B. dadurch verwirklicht werden, dass ein Loch
senkrecht durch das Folienpaket gebohrt und die Wand des dabei entstehenden Lochs
verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei wegen der homogenen Stromverteilung
mit sehr kleinen Durchmessern eingebracht werden. Die Länge der Bohrung, abhängig
von der Anzahl der Metallfolien, ist verhältnismäßig groß. Das Verhältnis Durchmesser/Länge
beträgt ca. 1 : 8 bis 1 : 10.
[0014] Durch geeignete Anordnung der Metallfolien und durch das Einbringen von geerdeten
elektrischen Schirmflächen kann das gesamte System nach außen elektromagnetisch verträglich
gestaltet werden.
[0015] Da ein Schleifringübertrager aus einem rotierenden und einem stehenden Teil besteht,
werden, um das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile gleich gestaltet. Bei dem rotierenden
Gegenlaufpartner der Schleifbahn kommt die Anbringung der Kontaktelemente hinzu. Hierbei
ist Sorge dafür zu tragen, dass der in den Metallfolien fließende Strom in diesen
Kontaktelementen konzentriert werden muss, um mit einem vertretbaren Wirkungsgrad
die Stromübertragung zu gewährleisten.
[0016] Ein bekannter Schleifringübertrager für 150 A bei 600 VAC 50 Hz passt derzeit in
eine Hutschachtel. Der gleiche Schleifringübertrager bei einem Strom von 150 A und
16 kHz hat etwa die Größe eines LKW-Rades. Das Hauptziel der Erfindung ist nun, den
16 kHz Schleifringübertrager von LKW-Radgröße auf Hutschachtelgröße zu bringen. Um
dieses Ziel zu erreichen, werden die vorstehend beschriebenen neuen technologischen
Maßnahmen durchgeführt.
[0017] Was für die Anwendung am geschlossenen Ring, wie beschrieben, gilt, ist ebenso auf
gestreckte Leiter anzuwenden.
[0018] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- in der Perspektive einen elektrischen Leiter im physikalischen Modell;
- Figur 2
- die Segmente gemäß Figur 1 in gestapelter Form, ebenfalls in der Perspektive;
- Figur 3
- in der Perspektive einen elektrischen Leiter in Form eines Folienstapels, teilweise
im Schnitt, und
- Figur 4
- einen Querschnitt durch einen Schleifringübertrager mit Folienstapel gemäß Figur 3.
[0019] Danach wird, wie die Figur 1 erkennen lässt, ein als physikalisches Modell dargestelltes
Rohr 1 in Längsrichtung in mehrere Segmentstreifen 2 aufgeschnitten, beim Ausführungsbeispiel
sechs Segmentstreifen 2. Diese werden dann übereinander gestapelt (Figur 2).
[0020] Zwischen den Segmentstreifen 2 befindet sich jeweils eine Isolierschicht 3.
[0021] In einer praktischen Ausführungsform gemäß Figur 3 werden mehrere dünne Metallfolien
4 unter Eingliederung von Isolierlagen 5 zu einem Folienstapel 6 geschichtet. Mehrfach
in Längsrichtung des Folienstapels 6 gleichmäßig verteilte Durchkontaktierungen 7
gewährleisten eine homogene Verteilung der Stromdichte. Durch die gestapelten Metallfolien
4 bleibt als Leiterquerschnitt nur die gewünschte Randzone.
[0022] Die gleichmäßige und sichere elektrische Kontaktierung der Metallfolien 4 untereinander
und zu einem nicht näher veranschaulichten Anschlusskontakt kann z.B. dadurch verwirklicht
werden, dass ein Loch senkrecht durch das Folienpaket 6 gebohrt und die Wand des dabei
entstehenden Lochs verkupfert wird. Die verwendeten Löcher müssen hierbei wegen der
homogenen Stromverteilung in sehr kleinen Durchmessern eingebracht werden. Die Länge
der Bohrung, abhängig von der Anzahl der Metallfolien 4, ist verhältnismäßig groß.
Das Verhältnis Durchmesser/Länge beträgt ca. 1:8 bis 1:10.
[0023] Durch geeignete Anordnung der Metallfolien 4 und durch das Einbringen von geerdeten
elektrischen Schirmflächen kann das gesamte System nach außen elektromagnetisch verträglich
gestaltet werden.
[0024] Da ein Schleifringübertrager 8 (Figur 4) aus einem rotierenden Teil 9 und einem stehenden
Teil 10 besteht, werden, um das Wirkprinzip zu garantieren, beide Teile 9, 10 im Prinzip
gleich gestaltet. Bei dem rotierenden Teil 9 kommt die Anbringung der Kontaktelemente
11 hinzu. Hierbei ist Sorge dafür getragen, dass der in den Metallfolien 4 fließende
Strom in diesen Kontaktelementen 11 konzentriert ist, um mit einem vertretbaren Wirkungsgrad
die Stromübertragung zu gewährleisten.
[0025] In der Figur 4 sind die Isolierlagen 5 durch ein Glashartgewebe gebildet, welches
zugleich die Stabilität sowohl der rotierenden Teile 9 als auch des stehenden Teils
10 gewährleistet.
[0026] Die Rotationsachse des Schleifringübertragers 8 ist mit 12 bezeichnet.
[0027] Der stehende Teil 10 ist am radial äußeren Umfang mit einem Führungsring 13 versehen.
Der Führungsring 13 ist über lediglich schematisch durch Mittellinien 14 veranschaulichte
Schrauben mit dem stehenden Teil 10 verbunden. In dem Führungsring 13 ist eine Führungsnute
15 ausgebildet, in die der radial äußere Umfangsbereich 16 des rotierenden Teils 9
gleitschlüssig eingreift.
Bezugszeichenaufstellung
[0028]
- 1
- - Rohr
- 2
- - Segmentstreifen
- 3
- - Isolierschicht
- 4
- - Metallfolien
- 5
- - Isolierlagen
- 6
- - Folienstapel
- 7
- - Durchkontaktierungen
- 8
- - Schleifringübertrager
- 9
- - rotierender Teil v. 8
- 10
- - stehender Teil v. 8
- 11
- - Kontaktelemente
- 12
- - Rotationsachse v. 8
- 13
- - Führungsring
- 14
- - Schrauben
- 15
- - Führungsnute
- 16
- - äußerer Umfang v. 9