[0001] Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit zum Übertragen von elektrischen Strömen
zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilgruppen, gemäß dem Anspruch 1.
[0002] Schleifringeinheiten bestehen üblicherweise unter anderem aus zwei Bauteilgruppen,
nämlich einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst häufig Schleifringbürsten,
wogegen der Rotor meist eine Folge von Schleifringen aufweist. Im Betrieb haben die
Schleifringbürsten gleitenden Kontakt zu den Mantelseiten der rotierenden Schleifringe.
Derartige Schleifringeinheiten werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt um
elektrische Signale oder elektrische Leistung von einer ortsfesten auf eine sich drehende
elektrische Einheit zu übertragen.
[0003] In der Offenlegungsschrift
EP 0 662 736 A1 ist ein Schleifring offenbart, bei dem ein Bürstenhalter von einem ringförmigen Teil
getragen wird, wobei das ringförmigen Teil zwischen zwei Flanschen befestigt ist.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifringeinheit zu schaffen, welche
eine hohe Zuverlässigkeit und gleichzeitig eine einfache und wirtschaftliche Herstellung
erlaubt.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
[0006] Bei der Schleifringeinheit zum Übertragen von elektrischen Strömen zwischen einer
ersten und einer zweiten Bauteilgruppe sind die beiden Bauteilgruppen relativ zueinander
um eine Achse drehbar angeordnet. Die erste Bauteilgruppe, z. B. ein Stator, umfasst
zumindest eine Schleifringbürste, welche an einem Halter befestigt ist, der zwischen
zwei in Richtung der Achse zueinander versetzt angeordneten Bauteilen montiert ist
(die Bauteile können z. B. als statorseitige Ringe ausgestaltet sein). Die zweite
Bauteilgruppe, z. B. ein Rotor, weist zumindest einen Schleifring auf. Der Halter
und zumindest eines der Bauteile weisen jeweils zumindest eine Wirkfläche auf, durch
die zwischen dem Halter und dem zumindest einen Bauteil eine formschlüssige Verbindung
hergestellt ist. Durch die formschlüssige Verbindung sind Kräfte mit einer Richtungskomponente
parallel zur Achse übertragbar.
[0007] Als elektrische Ströme sind im Folgenden Ströme zu verstehen, die zur Übertragung
von elektrischer Leistung erforderlich sind aber auch Ströme die als Signale ausgebildet
sind und lediglich zur Übertragung von Informationen dienen.
[0008] Mit Vorteil ist die Schleifringeinheit so konfiguriert, dass der Halter und beide
besagten Bauteile jeweils zumindest eine Wirkfläche aufweisen, durch die zwischen
dem Halter und den beiden Bauteilen jeweils eine formschlüssige Verbindung hergestellt
ist.
[0009] Zumindest eines der Bauteile weist mit Vorteil eine Hinterschneidung auf und der
Halter umfasst einen Vorsprung, wobei die Hinterschneidung und der Vorsprung ineinander
greifende Wirkflächen aufweisen und derart zusammenwirken, dass zwischen dem Halter
und dem zumindest einen Bauteil eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist, durch
welche Kräfte mit einer Richtungskomponente parallel zur Achse übertragbar sind. Mit
Vorteil ist die Schleifringeinheit derart konfiguriert, dass beide Bauteile eine Hinterschneidung
aufweisen. Die Schleifringeinheit kann so ausgestaltet sein, dass die zusammenwirkenden
Wirkflächen des Halters und des Bauteils mit einer Überlappung in Umfangsrichtung
ineinander greifen. Alternativ oder ergänzend kann die Schleifringeinheit derart konfiguriert
sein, dass die zusammenwirkenden Wirkflächen mit einer Überlappung in Radialrichtung
ineinander greifen.
[0010] Die Schleifringeinheit kann so ausgestaltet sein, dass in den Halter mit Hilfe der
formschlüssigen Verbindung axiale Zugsspannungen eingeleitet werden können.
[0011] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Bauteilgruppe relativ zur
zweiten Bauteilgruppe mit Hilfe eines Wälzlagers drehbar sein und das Bauteil zur
axialen Sicherung des Wälzlagers dienen und insbesondere mit dem Wälzlager zu diesem
Zweck verbunden sein. Insbesondere kann eines der Bauteile oder beide formschlüssig
mit einem Außenring eines Wälzlagers verbunden sein zur Aufnahme von Axialkräften.
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn das Wälzlager derart ausgestaltet
ist, dass dieses Axialkräfte vom Außenring auf den Innenring übertragen kann, also
beispielsweise wenn das Wälzlager als Rillenkugellager ausgestaltet ist. Die Schleifringeinheit
kann so konfiguriert sein, dass durch diese Axialkräfte zwischen der ersten Bauteilgruppe
und der zweiten Bauteilgruppe übertragbar sind, wobei durch die Axialkräfte mit Hilfe
der formschlüssigen Verbindung axiale Zugsspannungen im Halter erzeugbar sind.
[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Bauteilgruppe ein Gehäuseelement
umfassen, welches als formschlüssige radiale Sicherung der formschlüssigen Verbindung
zwischen dem Halter und dem zumindest einen Bauteil dient. Insbesondere kann das Gehäuseelement
den Halter und das zumindest eine Bauteil im Bereich der formschlüssigen Verbindung
spielfrei radial umschließen. Dabei kann das Gehäuseelement hohlzylindrisch bzw. rohrförmig
ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Gehäuseelement als formschlüssige radiale
Sicherung von formschlüssigen Verbindungen an beiden Bauteilen dienen, wenn der Halter
und beide Bauteile jeweils zumindest eine Wirkfläche aufweisen, durch die zwischen
dem Halter und den Bauteilen jeweils eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist.
[0013] Mit Vorteil weist die Schleifringeinheit mehrere Halter auf, wobei zwischen den Haltern
und dem zumindest einen Bauteil jeweils eine formschlüssige Verbindung hergestellt
ist. Insbesondere kann die Schleifringeinheit zwei Halter aufweisen, die mit Vorteil
um 180° um die Achse (Drehachse) versetzt angeordnet sind. Alternativ können auch
drei Halter angeordnet sein, welche vorteilhafterweise in einem Winkelabstand von
120° zueinander angeordnet sind. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können vier
Halter angeordnet sein, welche insbesondere in einem Winkelabstand von 90° zueinander
angeordnet sind.
[0014] Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
[0015] Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Schleifringeinheit ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden
Figuren.
[0016] Es zeigen die
- Figur 1
- eine Längsschnittdarstellung einer Schleifringeinheit,
- Figur 2a
- eine Detailansicht eines ersten Bauteils der Schleifringeinheit,
- Figur 2b
- eine Detailansicht eines Halters,
- Figur 2c
- eine Teilschnittdarstellung der Schleifringeinheit,
- Figur 3a
- eine Seitenansicht eines Halters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- Figur 3b
- eine Teildraufsicht des Halters gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
- Figur 3c
- eine Detailansicht eines Bauteils der Schleifringeinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
- Figur 3d
- eine Detailansicht der Schleifringeinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
[0017] Gemäß den Figuren 1, 2a, 2b und 2c umfasst die erfindungsgemäße Schleifringeinheit
eine erste Bauteilgruppe, die als Stator 1 bezeichnet werden kann und eine zweite
Bauteilgruppe, im Folgenden Rotor 2 genannt. Die Schleifringeinheit dient zum Übertragen
von elektrischen Strömen zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 1, wobei der Rotor 2
und der Stator 1 relativ zueinander um eine Achse A drehbar angeordnet sind. Der Rotor
2 ist gegenüber dem Stator 1 mit Wälzlagern 3, die einen Außenring 3.1, einen Innenring
3.2 sowie Wälzkörper 3.3 und eine, insbesondere schleifende, Dichtung 3.4 umfassen,
gelagert. Das Wälzlager 3 ist hier als Rillenkugellager ausgestaltet, so dass also
axiale Kräfte vom Außenring 3.1 auf den Innenring 3.2 und umgekehrt übertragbar sind.
[0018] Der Rotor 2 umfasst eine Welle 2.1, die im vorliegenden Beispiel als Hohlwelle ausgestaltet
ist. Radial außerhalb der Welle 2.1 befindet sich zunächst ein im Wesentlichen rohrförmiges
Bauteil 2.4, welches beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein kann. Daran weiterhin
radial außerhalb anschließend ist ein Trägerrohr 2.5 angeordnet, das in Axialrichtung
verlaufende Ausnehmungen 2.51 aufweist.
[0019] Am elektrisch isolierenden Trägerrohr 2.5, das vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik
hergestellt sein kann, sind verdrehsicher Schleifringe 2.2 befestigt, die durch elektrisch
isolierende Ringe 2.3 mit axialem Abstand voneinander getrennt sind. Der Übersichtlichkeit
halber wurde in den Figuren auf die Darstellung von elektrischen Leitungen verzichtet.
Dem ungeachtet ist im Ausführungsbeispiel jeder der mit axialem Abstand aneinandergereihten
Schleifringe 2.2 an seiner Innenseite mit einer elektrischen Leitung verbunden, die
jeweils längs einer Ausnehmung 2.51 in Axialrichtung im Rotor 2 verlegt wird und den
Rotor 2 durch eine der Rillen 2.11 an einem axialen Ende der Welle 2.1 verlässt.
[0020] Der Stator 1 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel vier Halter 1.3 aus einem isolierenden
Werkstoff, hier aus einem Kunststoff auf, wobei die Halter 1.3 jeweils um 90° versetzt
entlang einer Umfangslinie angeordnet sind. Die Halter 1.3 haben einen im Wesentlichen
quaderförmigen Grundkörper. An jedem der Halter 1.3 sind Schleifringbürsten 1.2 befestigt,
welche dem Stator 1 zuzuordnen sind und federnd die Schleifringe 1.2 berühren. Vorliegend
sind die Schleifringbürsten 1.2 als Drahtbündel ausgestaltet. Diese Schleifringbürsten
1.2 werden mit Hilfe von Durchkontaktierungen 1.33 (siehe Figuren 2b, 2c) im Grundkörper
der Halter 1.3 elektrisch mit Leitungen verbunden. In den Figuren 2b, 2c wurde der
Übersichtlichkeit halber auch auf die Darstellungen der statorseitigen elektrischen
Leitungen verzichtet.
[0021] Die Halter 1.3 weisen Vorsprünge 1.31 auf, welche krallenartig an den Grundkörper
angeformt sind. Die Vorsprünge 1.31 haben eine im Wesentlichen zylindrische Grundform,
wobei die betreffenden Zylinderachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, bzw.
die Vorsprünge 1.31 parallel zueinander orientiert sind. Der Halter 1.3 ist einstückig
ausgestaltet und wurde aus Kunststoff mit Hilfe eines Spritzgussprozesses hergestellt.
[0022] Sowohl die Schleifringbürsten 1.2 als auch die Schleifringe 2.2 sind zum Schutz gegenüber
Umgebungseinflüssen im Innenraum eines hohlzylindrischen Gehäuseelements 1.1 angeordnet.
Der Innenraum wird statorseitig außerdem durch zwei Bauteile, hier zwei Ringe 1.4,
1.5 begrenzt. Diese Ringe 1.4, 1.5 bilden gleichzeitig die Halterung für die Außenringe
3.1 der Wälzlager 3, insbesondere dienen die Ringe 1.4, 1.5 zur axialen Sicherung
und zur axialen Vorspannung der Wälzlager 3. Die Kraftübertragung zwischen den Außenringen
3.1 und den Ringen 1.4, 1.5 wird durch radiale umlaufende Absätze 1.43, 1.53 der Ringe
1.4, 1.5 erreicht. Die Wälzlager 3 selbst sind als Rillenkugellager ausgestaltet,
so dass durch diese Axialkräfte vom Stator 1 zum Rotor 2 und umgekehrt übertragbar
sind.
[0023] Gemäß der Figur 2a weist der Ring 1.4 mehrere, hier sechzehn Ausnehmungen (vier um
90° versetzte Gruppen mit je vier Ausnehmungen) auf, die in axialer Richtung durch
Bohrungen beendet werden, so dass Hinterschneidungen 1.42, bezogen auf die Axialrichtung
entstehen. Analog dazu ist auch der zweite Ring 1.5 ausgestaltet, so dass auch dieser
sechzehn Ausnehmungen (vier um 90° versetzte Gruppen mit je vier Ausnehmungen), die
als Hinterschneidungen 1.52 ausgestaltet sind, aufweist.
[0024] Im Zuge der Montage der Schleifringeinheit werden die Vorsprünge 1.31 eines jeden
Halters 1.3 in die Ausnehmungen, insbesondere die Hinterschneidungen 1.42, 1.52 der
Ringe 1.4, 1.5 gedrückt. Die Vorsprünge 1.31 der Halter 1.3 greifen dann in die Hinterschneidungen
1.42, 1,51 des ersten Rings 1.4 und des zweiten Rings 1.5 ein, gemäß der Figur 1,
die eine Schnittdarstellung darstellt, welche durch eine Schnittlinie erzeugt wurde,
die durch zwei bezogen auf den Halter 1.3 äußere Vorsprünge 1.31 verläuft. In den
Figuren 2a bis 2c sind zudem Wirkflächen 1.3a, 1.4a, 1.5a eingezeichnet. Der Halter
1.3 und die beiden Ringe 1.4, 1.5 weisen jeweils diese Wirkflächen 1.3a, 1.4a, 1.5a
auf. Durch die Wirkflächen 1.3a, 1.4a, 1.5a, die sich berühren und ineinander greifen,
wird also zwischen dem Halter 1.3 und jedem der Ringe 1.4, 1.5 eine formschlüssige
Verbindung hergestellt. Mit anderen Worten wird jeweils eine formschlüssige Verbindung
geschaffen, welche durch das Zusammenwirken der Hinterschneidungen 1.42, 1,51 mit
den Vorsprüngen 1.31 entsteht.
[0025] Der axiale Abstand zwischen Vorsprüngen 1.31 an den axial gegenüberliegenden Enden
der Halter 1.3 bzw. der dazugehörigen Wirkflächen 1.3a ist so bemessen, dass dieser
(vor der Montage des Halters 1.3 an den Ringen 1.4, 1.5) etwas kleiner ist als der
axiale Abstand der Hinterschneidungen 1.42, 1,52 bzw. kleiner ist als der axiale Abstand
der Wirkflächen 1.4a, 1.5a der gegenüberliegenden Ringe 1.4, 1.5. Da die Halter 1.3
dieses Untermaß aufweisen, entsteht nach erfolgter Montage eine axiale Vorspannung
in den Haltern 1.3. Diese Vorspannung wird durch die Absätze 1.43, 1.53 auf die Wälzlager
3 übertragen, so dass diese axial zueinander vorgespannt sind. Insofern werden mit
Hilfe der formschlüssigen Verbindungen axiale Zugspannungen in den Halter 1.3 eingeleitet.
[0026] Die krallenartig an den Grundkörper des Halters 1.3 angeformten Vorsprünge 1.31 sind
so ausgestaltet, dass diese nach erfolgter Montage an den Ringen 1.4, 1.5 mit der
radialen Außenkontur der Ringe 1.4, 1.5 bzw. mit deren Außenumfang bündig abschließen.
Die radial außen liegende Kontur der Vorsprünge 1.31 ist also zumindest teilweise
eine Zylinderfläche mit dem Durchmesser des jeweiligen Rings 1.4, 1.5 an seiner Außenseite.
Somit wird durch Aufschieben des Gehäuseelements 1.1 eine radiale Sicherung der Verbindung,
welche durch das Zusammenwirken der Hinterschneidungen 1.42, 1,51 mit den Vorsprüngen
1.31 entsteht, hergestellt.
[0027] In den Figuren 3a, 3b und 3c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich
vom ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der formschlüssigen
Verbindungen unterscheidet.
[0028] In der Figur 3a ist eine stirnseitige Ansicht eines Halters 1.3' ohne Schleifringbürsten
dargestellt, wobei der Halter 1.3' an seiner axial gegenüberliegenden nicht abgebildeten
Stirnseite analog ausgestaltet ist. Der Halter 1.3' weist drei schwalbenschwanzartige
Vorsprünge 1.31' und dazu benachbarte Hinterschneidungen 1.32' auf. Die radiale Außenseite
der Vorsprünge 1.31' bzw. des Halters 1.3' verläuft auf einer Kreislinie. Die Vorsprünge
1.31' haben radial innen jeweils eine Kontur, welche geradlinig verläuft und tangential
orientiert ist.
[0029] Alternativ dazu kann die entsprechende Kontur auch so ausgestaltet sein, dass diese
auf einer Kreislinie verläuft, so dass die Vorsprünge 1.31' unmittelbar auf der Mantelseite
des Außenrings 3.2 aufliegen können. Der Radius der Kreisline kann genauso groß sein
wie der Außenradius des Außenrings 3.2.
[0030] Gemäß der Figur 3b, die ein Detail des Halters 1.3' in einer Draufsicht zeigt, weisen
die Vorsprünge 1.31' und die Hinterschneidungen 1.32' Wirkflächen 1.3a' auf. Diese
Wirkflächen 1.3a' sind dazu bestimmt mit Wirkflächen 1.5a' eines weiteren Bauteils,
welches auch hier als Ring 1.5' ausgestaltet ist, zusammenzuwirken. Die Wirkflächen
1.5a' des Rings 1.5' sind an drei schwalbenschwanzartigen Vorsprüngen 1.51' und an
dazu benachbarten Hinterschneidungen 1.52' angeordnet.
[0031] Nach dem Zusammenfügen ist zwischen dem Halter 1.3' und dem Ring 1.5' gemäß der Figur
3d eine formschlüssige Verbindung hergestellt, wobei durch die formschlüssige Verbindung
Kräfte mit einer Richtungskomponente parallel zur Achse A übertragbar sind. Die Wirkflächen
1.3a' und 1.5a' greifen dabei ineinander. Wenngleich in der Figur 3b nur eine Seite
des Halters 1.3' gezeigt ist, an welcher eine formschlüssige Verbindung erreichbar
ist, kann auch im zweiten Ausführungsbeispiel zudem die gegenüberliegende Seite des
Schleifringes mit einer derartigen Verbindung ausgestattet sein. Entsprechend gelten
auch für das zweite Ausführungsbeispiel die gleichen Überlegungen bezüglich der Herstellung
einer axialen Vorspannung durch ein Untermaß des Halters 1.3'. Ebenfalls dient auch
im zweiten Ausführungsbeispiel das Gehäuseelement 1.1 als formschlüssige radiale Sicherung
der formschlüssigen Verbindung zwischen den ineinander greifenden schwalbenschwanzartigen
Vorsprüngen 1.31', 1.51' und Hinterschneidungen 1.32', 1,52'. Im Übrigen weist der
Schleifring gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auch mehrere über dem Umfang verteilte
Halter 1.3' auf, vorliegend werden vier Halter 1.3' eingesetzt.
1. Schleifringeinheit zum Übertragen von elektrischen Strömen zwischen einer ersten Bauteilgruppe
(1) und einer zweiten Bauteilgruppe (2), wobei die beiden Bauteilgruppen (1, 2) relativ
zueinander um eine Achse (A) drehbar angeordnet sind, wobei
- die erste Bauteilgruppe (1) zumindest eine Schleifringbürste (1.2) umfasst, welche
an einem Halter (1.3; 1.3') befestigt ist, der zwischen zwei in Richtung der Achse
(A) zueinander versetzt angeordneten Bauteilen (1.4, 1.5; 1.5') montiert ist, und
- die zweite Bauteilgruppe (2) zumindest einen Schleifring (2.2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (1.3; 1.3') und zumindest eines der Bauteile (1.4, 1.5; 1.5') jeweils
eine Wirkfläche (1.3a, 1.4a, 1.5a; 1.3a', 1.5a') aufweisen, durch die zwischen dem
Halter (1.3; 1.3') und dem zumindest einen Bauteil (1.4, 1.5; 1.5') eine formschlüssige
Verbindung hergestellt ist, wobei durch die formschlüssige Verbindung Kräfte mit einer
Richtungskomponente parallel zur Achse (A) übertragbar sind.
2. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (1.3; 1.3') und beide Bauteile (1.4, 1.5; 1.5') jeweils eine Wirkfläche
(1.3a, 1.4a, 1.5a; 1.3a', 1.5a') aufweisen, durch die zwischen dem Halter (1.3; 1.3')
und den Bauteilen (1.4, 1.5; 1.5') jeweils eine formschlüssige Verbindung hergestellt
ist.
3. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Halter (1.3; 1.3') mit Hilfe der formschlüssigen Verbindung axiale Zugspannungen
einleitbar sind.
4. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilgruppe (1) relativ zur zweiten Bauteilgruppe (2) mit Hilfe eines
Wälzlagers (3) drehbar ist und eines der Bauteile (1.4, 1.5; 1.5') zur axialen Sicherung
des Wälzlagers (3) dient.
5. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (3) derart konfiguriert ist, dass durch dieses Axialkräfte zwischen
der ersten Bauteilgruppe (1) und der zweiten Bauteilgruppe (2) übertragbar sind.
6. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilgruppe (1) relativ zur zweiten Bauteilgruppe (2) mit Hilfe zweier
Wälzlagers (3) drehbar ist und jeweils eines der Bauteile (1.4, 1.5; 1.5') zur axialen
Sicherung jeweils eines der Wälzlagers (3) dient.
7. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilgruppe (1) ein Gehäuseelement (1.1) umfasst, welches als formschlüssige
radiale Sicherung der formschlüssigen Verbindung dient.
8. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (1.3; 1.3') und beide Bauteile (1.4, 1.5; 1.5') jeweils eine Wirkfläche
(1.3a, 1.4a, 1.5a; 1.3a', 1.5a') aufweisen, durch die zwischen dem Halter (1.3; 1.3')
und den Bauteilen (1.4, 1.5; 1.5') jeweils eine formschlüssige Verbindung hergestellt
ist und das Gehäuseelement (1.1) als formschlüssige radiale Sicherung der formschlüssigen
Verbindungen an beiden Bauteilen (1.4, 1.5; 1.5') dient.
9. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (1.1) hohlzylindrisch ausgestaltet ist.
10. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Halter (1.3; 1.3') aufweist.