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Die Erfindung betrifft eine Schleifkontaktvorrichtung, insbesondere Kommutatoreinrichtung oder Schleifringeinrichtung, für eine elektrische Maschine, mit einer ringförmigen Kontakteinrichtung, die eine Mantelaußenfläche aufweist/bildet und mit wenigstens einer Kontaktbürste, die mit einer Stirnseite gegen die Mantelaußenfläche vorgespannt gehalten ist, wobei die Mantelaußenfläche mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer entsprechenden Schleifkontakteinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schleifkontakteinrichtung.
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Stand der Technik
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Schleifkontaktvorrichtungen, elektrische Maschinen sowie entsprechende Herstellungsverfahren der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise
DE 573640 A eine Schleifkontaktvorrichtung für elektrische Maschinen, bei welcher ein Kommutator mit schraubenförmig verlaufenden Rillen versehen ist, so dass die Kontaktstelle zwischen Bürste und Kommutator im Betrieb dauernd ihre Lage verändert. Hierdurch soll vermieden werden, dass im Betrieb Bürstenfeuer auftritt, das zu einem erhöhten Verschleiß der Schleifkontaktvorrichtung führen kann.
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Aus
EP 0 966 072 A1 ist außerdem eine Kommutatorvorrichtung für eine elektrische Maschine bekannt, bei welcher die Mantelaußenfläche eines Kommutatorrings konkav geformt ist und eine gleichmäßige Rillung aufweist, die eine Zwangsführung für mindestens eine der Kontaktbürsten bewirkt. Dies soll insbesondere einer Geräuschverminderung dienen.
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Ferner ist aus
DE 2 225 187 A1 eine Oberflächenstrukturierung für einen Schleifring bekannt, die durch das Vorsehen einer Fischhaut-Rillung eine Luftpolsterbildung bei hohen Drehzahlen zwischen Bürste und Schleifring oder Kommutator verhindern soll. Die Luftpolsterverringerung dient ebenfalls dazu, ein Bürstenfeuer zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schleifkontaktvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Einlaufen der Schleifkontaktvorrichtung beschleunigt wird und im eingelaufenen Zustand eine besonders große Kontaktfläche bereitgestellt wird, die sich positiv auf Stromdichte und Temperatur in dem tribologischen System auswirkt, wobei insgesamt der Kohlebürstenverschleiß reduziert wird. Die Schleifkontaktvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich hierzu dadurch aus, dass die Oberflächenstrukturierung eine Vielzahl ungleichmäßig verteilt angeordneter und/oder ausgebildeter Riffel aufweist. Durch die nicht durchgängige Riffelstruktur beziehungsweise die ungleichmäßig angeordneten Riffel wird im Neuzustand der Schleifkontaktvorrichtung eine hohe Stromdichte und damit ein erhöhter Verschleiß erreicht, wobei sich die beiden Reiboberflächen, also die Mantelaußenfläche der ringförmigen Kontakteinrichtung und die gegen die Mantelaußenfläche gepresste Stirnseite der Kontaktbürste, in kurzer Zeit aneinander anpassen. Durch den zunächst erhöhten Verschleiß und das schnelle Anpassen der Reibflächen aneinander wird erreicht, dass innerhalb kurzer Zeit ein optimiertes tribologisches System mit geringem Bürstenfeuer und einer optimierten Temperaturentwicklung zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise ist zwischen benachbarten Riffeln, zumindest in Umfangsrichtung der Mantelaußenfläche gesehen, jeweils eine keil- oder teilkreisförmige Vertiefung ausgebildet. Dadurch weisen die zwischen den Riffeln liegenden Vertiefungen nicht durchgängig das gleiche Höhenniveau beziehungsweise die gleiche Tiefe auf, wodurch ebenfalls eine schnelle Anpassung der Reiboberflächen erfolgt.
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Besonders bevorzugt weisen zumindest einige der Vertiefungen ein unterschiedliches Profil und insbesondere eine unterschiedliche Tiefe auf. Insbesondere benachbarte Vertiefungen der Oberflächenstrukturierung sind somit nicht gleich ausgebildet, sondern weisen zumindest teilweise unterschiedliche Höhenniveaus beziehungsweise Tiefen und gegebenenfalls unterschiedliche Profile auf, die ebenfalls zu einem erhöhten Verschleiß beim Einlaufen des tribologischen Systems führen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Riffel spitz oder abgeflacht ausgebildet sind. Die Riffel können sehr spitz zulaufen oder auch breiter ausgebildet sein, und entsprechend können sie an ihrem höchsten Punkt spitz oder auch flach, insbesondere abgerundet, ausgebildet sein, um den Verschleiß zu Beginn beziehungsweise bei Inbetriebnahme der Schleifkontaktvorrichtung zu erhöhen.
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Vorzugsweise weisen die Riffel zumindest im Wesentlichen die gleiche axiale Breite auf. Dies verringert insbesondere bei der Herstellung der Oberflächenstrukturierung die Kosten, da zur Herstellung der Riffel beziehungsweise der Vertiefungen jeweils das gleiche Werkzeug verwendet werden kann.
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Besonders bevorzugt sind gleich breite Riffel in Umfangsrichtung gesehen hintereinander angeordnet, um eine Riffelnut zu bilden, die sich über den gesamten Umfang der Mantelaußenfläche erstreckt. Hierdurch werden vorzugsweise mehrere Axialabschnitte gebildet, die hintereinander liegende Riffel aufweisen, die unterschiedliche Profile, Höhen oder Längen – in Umfangsrichtung gesehen – aufweisen. In axialer Richtung gesehen sind bevorzugt mehrere Riffelnuten gebildet, die sich über die Axialerstreckung der ringförmigen Kontakteinrichtung parallel zueinander erstrecken. Besonders bevorzugt sind zwischen benachbarten Riffelnuten durchgehende Stege gebildet, die sich jeweils über den gesamten Umfang der Kontakteinrichtung erstrecken.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontakteinrichtung als Schleifring oder als ein mehrere Lamellen aufweisender Kommutatorring ausgebildet ist. Der Kommutatorring unterscheidet sich von dem Schleifring im Wesentlichen dahingehend, dass er in Umfangsrichtung gesehen voneinander getrennte Lamellen aufweist, die zusammen die Mantelaußenfläche, wie zuvor beschrieben, bilden. Die Lamellen können sich dabei parallel zur Längsachse des Kommutatorrings oder schräg dazu erstrecken.
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Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch eine Schleifkontakteinrichtung aus, wie sie oben stehend beschrieben wurde. Insbesondere ist vorgesehen, dass die ringförmige Kontakteinrichtung einer drehbar gelagerten Welle der elektrischen Maschine, insbesondere einer Rotor- oder Ankerwelle der elektrischen Maschine, zugeordnet ist, während die mindestens eine Kontaktbürste einem die Welle lagernden Gehäuse zugeordnet ist. Insbesondere ist für jede vorgesehene Bürste an dem Gehäuse mindestens ein Bürstenhalter vorgesehen, der beispielsweise durch Federkraft die jeweilige Bürste gegen die Mantelaußenfläche der ringförmigen Kontakteinrichtung, insbesondere des Schleifrings oder des Kommutatorrings, drängt/presst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schleifkontaktvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächenstruktur durch Einbringen einer Vielzahl ungleichmäßig verteilt angeordneter und/oder ausgebildeter Riffel gebildet wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Riffel in die Mantelaußenfläche eingefräst, oder durch ein Strahlverfahren, beispielsweise durch Laserstrahl oder Wasserstrahl oder durch ein Umformverfahren, in die Mantelaußenfläche eingebracht werden. Dabei werden die Riffel und/oder die zwischen den Riffeln liegenden Vertiefungen vorzugsweise wie zuvor beschrieben gefertigt. Es ergeben sich daher die zuvor beschriebenen Vorteile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dazu zeigen:
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1 eine Schleifkontaktvorrichtung in einer einfachen Schnittdarstellung,
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2 einen Schleifring der Schleifkontaktvorrichtung in einer Draufsicht und
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3 eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens für den Schleifring.
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1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine Schleifkontaktvorrichtung 1 einer hier nicht näher dargestellten elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 weist eine Welle 3 auf, die beispielsweise zur Lagerung eines Ankers oder Rotors der elektrischen Maschine 2 dient. Auf der Welle 3 ist ein Schleifring 4 als ringförmige Kontakteinrichtung 5 drehfest angeordnet. Ortsfest dazu ist eine Kontaktbürste 6 vorgesehen, die beispielsweise in/an einem Gehäuse der elektrischen Maschine 2 gehalten ist, und die mit einer Stirnseite 7 gegen die Mantelaußenfläche 8 des Schleifrings 4 vorgespannt beziehungsweise gedrängt gehalten wird.
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Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen und insbesondere Bürstenfeuer zu vermeiden, weist die Mantelaußenfläche 8 eine Oberflächenstrukturierung 9 auf, wie sie in 2 dargestellt ist. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Schleifring 4, dessen Oberflächenstrukturierung 9 eine Vielzahl ungleichmäßig verteilt angeordneter und ungleichmäßig ausgebildeter Riffel 10 aufweist. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind von den Riffeln 10 hier nur einige mit Bezugszeichen versehen. Die Riffel 10 unterscheiden sich durch die ungleichmäßige Ausbildung dabei in ihrer Höhe und in ihrer Formgebung voneinander. Ebenso unterscheiden sich die zwischen den Riffeln 10 liegenden Vertiefungen 11, von denen hier ebenfalls nur einige mit Bezugszeichen versehen sind. Die Vertiefungen 11 weisen jeweils ein teilkreisförmiges Profil auf.
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Die Riffel 10 werden durch das Einbringen der Vertiefungen 11 in die Mantelaußenfläche 9 des Schleifrings 4 hergestellt. Die Vertiefungen 11 und damit auch die Riffel 10 weisen dabei jeweils die gleiche Breite b auf und sind in Umfangsrichtung gesehen hintereinander (reihenförmig) über den Umfang verteilt angeordnet, so dass die hintereinander liegenden Riffel 10 jeweils eine Riffelnut 12 bilden. Die in Axialrichtung gesehen benachbart zueinander liegenden Riffel 10 sowie die Vertiefungen 11 sind derart beabstandet zueinander angeordnet beziehungsweise gefertigt, dass zwischen den benachbarten Riffelnuten 12 jeweils ein schmaler Steg 13 der ursprünglichen Mantelaußenfläche 8 verbleibt.
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Im Betrieb sorgen die Stege 13 im Wesentlichen dafür, dass eine Relativbewegung zwischen Kontaktbürste 6 und Kontakteinrichtung 5 beziehungsweise Schleifring 4 in axialer Richtung verhindert wird. Die ungleichmäßig verteilt angeordneten und ausgebildeten Riffel 10 gewährleisten, dass im Neuzustand der insofern als Schleifringeinrichtung 14 ausgebildeten Schleifkontaktvorrichtung 1 eine hohe Stromdichte und damit ein erhöhter Verschleiß an den Kontaktflächen erreicht wird, damit sich die Mantelaußenfläche 8 und die Stirnseite 7 der Kontaktbürste 6 schnell aneinander anpassen. Durch das teilkreisförmige Profil der Vertiefungen 11 wird ein nicht durchgängiges Höhenniveau der Vertiefungen 11 erreicht, so dass auch hier eine schnelle Anpassung der Reiboberflächen erfolgt. Alternativ ist beispielsweise auch eine keilförmige Ausbildung beziehungsweise Profilierung der Vertiefungen 11 denkbar.
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3 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein mögliches Herstellungsverfahren, zur Herstellung der Schleifkontaktvorrichtung 1 beziehungsweise der Oberflächenstrukturierung 9 an dem Schleifring 4. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 wird die Oberflächenstrukturierung 9 durch eine Drehfräskinematik erzeugt, bei welcher sowohl die ringförmige Kontakteinrichtung 5 als auch ein Spanwerkzeug 15 in eine Rotationsbewegung versetzt werden, wie durch Pfeile 16 beziehungsweise 17 angedeutet. Hierdurch werden automatisch die teilkreisförmigen Profile der Vertiefungen 11 erzeugt, so dass die Profilspitzen beziehungsweise Riffel 10 zum Teils sehr spitz beziehungsweise schmal, beispielsweise kleiner oder gleich 10 µm, oder auch breiter, beispielsweise mehrere Millimeter breit, sind. Durch wechselnde Rotationsgeschwindigkeiten von Kontakteinrichtung 5 und/oder Werkzeug 15 wird die ungleichmäßige Verteilung und Ausbildung der Riffel 10 gewährleistet. Durch einen Vorschub Vf des Spanwerkzeugs 15 werden die einzelnen Riffelnuten 12 nacheinander gefertigt.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass die Riffel 10 beziehungsweise die Vertiefungen 11 durch Umformprozesse, wie beispielsweise Einprägen oder Einwalzen, oder durch Strahlverfahren, wie beispielweise durch Laserstrahl- oder Wasserstrahlbearbeitung, hergestellt werden.
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Durch die ungleichmäßige Verteilung und Ausbildung der Riffel 10 wird das Einlaufen des tribologischen Systems zwischen Kontaktbürste 6 und Schleifring 4 beschleunigt und die Kontaktfläche im eingelaufenen Zustand vergrößert, so dass Stromdichte und Temperatur reduziert werden. Hierdurch ergibt sich letztendlich ein verringerter Kohlebürstenverschleiß, der die Lebensdauer der Schleifkontaktvorrichtung 1 beziehungsweise der elektrischen Maschine 2 erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 573640 A [0003]
- EP 0966072 A1 [0004]
- DE 2225187 A1 [0005]
