DE102014225225B4 - Electrical machine with an equipotential bonding device - Google Patents

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Abstract

Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem in einem antriebsseitigen Kugellager (9) drehbar gelagerten Rotor (7), sowie mit einer Potentialausgleichsvorrichtung zum Abbau von an der Rotorwelle (8) auftretenden Wellenspannungen, die ein Schleifkontaktelement (28) hat, über das die Rotorwelle (8) elektrisch leitend mit dem Massepotential der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, wobei das Schleifkontaktelement (28) an einem auf Massepotential liegenden Lagerschild (11), das das antriebsseitige Kugellager (9) aufnimmt, angebracht ist und das Schleifkontaktelement (28) an einer Gleitfläche (30) eines antriebsseitig mit der Rotorwelle (8) elektrisch leitend verbundenen Kontaktkörpers (34) mit einer Schleifkontaktfläche (31) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der antriebsseitige Kontaktkörper (34) eine angrenzend an das antriebsseitige Kugellager (9) angeordnete Schleuderscheibe (24) ist, und dass das Schleifkontaktelement (28) eine Bürste (27) ist, die in einer Bohrung (25) am Lagerschild (11) längsverschiebbar einliegt und die eine Druckfeder (29) gegen die Gleitfläche (30) an der Schleuderscheibe (24) drückt.Electrical machine with a stator (6) and a rotor (7) rotatably mounted in a ball bearing (9) on the drive side, and with an equipotential bonding device for reducing shaft voltages occurring on the rotor shaft (8), which has a sliding contact element (28) via the the rotor shaft (8) is electrically conductively connected to the ground potential of the electrical machine (1), the sliding contact element (28) being attached to a bearing plate (11) which is at ground potential and which accommodates the ball bearing (9) on the drive side, and the sliding contact element ( 28) rests against a sliding surface (30) of a contact body (34) which is electrically conductively connected to the rotor shaft (8) on the drive side, with a sliding contact surface (31), characterized in that the contact body (34) on the drive side has a ball bearing (9) adjacent to the drive side arranged centrifugal disc (24), and that the sliding contact element (28) is a brush (27) in a bore (25) a m bearing plate (11) lies in place so that it can be displaced longitudinally and which presses a compression spring (29) against the sliding surface (30) on the centrifugal disc (24).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrical machine with an equipotential bonding device according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Maschinen werden in unterschiedlichen Anwendungsbereichen als Antriebe und als Generatoren eingesetzt. In Kraftfahrzeugen kommen elektrische Maschinen vermehrt in so genannten Rekuperationssystemen zum Einsatz, wobei die elektrischen Maschinen sowohl eine Antriebsfunktion als auch eine Energierückgewinnungsfunktion übernehmen.Electrical machines are used in different areas of application as drives and as generators. In motor vehicles, electrical machines are increasingly being used in so-called recuperation systems, with the electrical machines taking on both a drive function and an energy recovery function.

Elektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor, der fremd- oder eigenerregt sein kann, können jeweils mit einem fest mit dem Rotor verbundenen Drehwinkelgeber ausgerüstet sein, der die Aufgabe hat, die Winkelposition des Rotors an eine Steuerung der elektrischen Maschine zu übertragen.Electrical machines with a stator and a rotor, which can be externally excited or self-excited, can each be equipped with a rotary encoder that is permanently connected to the rotor and has the task of transmitting the angular position of the rotor to a controller for the electrical machine.

Es ist bekannt, dass sich im Betrieb bei elektrischen Maschinen auf der Rotorwelle Wellenspannungen ausbilden können, die eine Spannungsdifferenz zur Maschinenmasse darstellen und unterschiedliche Ursachen haben können. Eine Ursache hierfür kann zum Beispiel die getaktete Ansteuerung der Stator- oder der Rotorwicklung mittels eines pulsweitenmodulierten Signals sein. Bei dieser Ursache treten umso höhere Wellenspannungen auf, je höher die Versorgungsspannung des Bordnetzes und damit die Betriebsspannung der elektrischen Maschine ist.It is known that during operation of electrical machines, shaft voltages can form on the rotor shaft, which represent a voltage difference to the machine ground and can have different causes. One reason for this can be, for example, the clocked control of the stator or rotor winding using a pulse width modulated signal. With this cause, the higher the wave voltages, the higher the supply voltage of the vehicle electrical system and thus the operating voltage of the electrical machine.

Eine weitere mögliche Ursache ist aber auch, dass elektrostatische Aufladungen zu hohen Wellenspannungen führen. Beispielsweise kann eine als Generator betriebene elektrische Maschine über einen Riemen angetrieben werden, sodass eine elektrische Aufladung des Rotors über den Riemen erfolgen kann.Another possible cause is that electrostatic charges lead to high shaft voltages. For example, an electric machine operated as a generator can be driven via a belt, so that the rotor can be electrically charged via the belt.

Entladen sich die auftretenden Wellenspannungen impulsartig über ein Lager, vorzugsweise über das antriebsseitige Kugellager, so hat dies einen impulsförmigen Stromfluss durch das Lager zur Folge. Dabei kann eine Funkenerosion im Bereich der Lagerflächen auftreten, was zu einer Schädigung des Lagers führen kann. Derartige spontane Entladungen über ein Lager des Rotors können insbesondere bei einem Versagen der Isolationswirkung des Lagerfetts in Form eines impulsförmigen Stromflusses auftreten, wodurch eine dauerhafte Belastung des Lagers dieses schädigt und die Lebensdauer des Lagers erheblich reduziert.If the shaft voltages that occur are discharged in pulses via a bearing, preferably via the ball bearing on the drive side, this results in a pulse-shaped current flow through the bearing. Spark erosion can occur in the area of the bearing surfaces, which can lead to damage to the bearing. Such spontaneous discharges via a bearing of the rotor can occur in the form of a pulsed current flow, particularly if the insulating effect of the bearing grease fails, as a result of which permanent loading of the bearing damages it and considerably reduces the service life of the bearing.

Weiterhin führt das impulsartige Entladen der auf der Rotorwelle befindlichen Ladungsträger zur Entstehung elektromagnetischer Wellen, welche die elektromagnetische Verträglichkeit des Produktes negativ beeinflussen. Insbesondere kann dies die störungsfreie Funktion sich in der Nähe befindender elektrischer Geräte behindern.Furthermore, the pulsed discharge of the charge carriers on the rotor shaft leads to the formation of electromagnetic waves, which have a negative impact on the electromagnetic compatibility of the product. In particular, this can impede the trouble-free functioning of nearby electrical devices.

Aus der DE 35 11 755 A1 ist eine Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen für elektrische Maschinen bekannt, bei der Ladungsträger von der Rotorwelle über einen Schleifkontaktelement abgeleitet werden. Hierzu wird eine zwischen Rotorwelle und Maschinenmasse wirksame Kapazität vorgesehen, der eine Induktivität in Serie zugeschaltet sein kann. Die Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen kann auch als Potentialausgleichsvorrichtung bezeichnet werden, da mit dieser zwischen Masse und Rotorwelle ein Potentialausgleich erzielt wird.From the DE 35 11 755 A1 an arrangement for dissipating shaft voltages for electrical machines is known, in which charge carriers are dissipated from the rotor shaft via a sliding contact element. For this purpose, an effective capacitance is provided between the rotor shaft and the machine mass, to which an inductance can be connected in series. The arrangement for deriving shaft voltages can also be referred to as a potential equalization device, since it achieves potential equalization between ground and the rotor shaft.

Aus der DE 101 18 004 A1 ist ein Wechselstromgenerator mit Mitteln zur Unterdrückung der an seinem Läufer gespeicherten statischen Elektrizität bekannt, bei dem die Erregerwicklung des Läufers über einen ohmschen Widerstand mit der Welle des Läufers verbunden sein kann.From the DE 101 18 004 A1 discloses an alternator having means for suppressing static electricity stored in its rotor, in which the excitation winding of the rotor can be connected to the shaft of the rotor via an ohmic resistor.

Aus der DE 60 2004 004 790 T2 ist ein Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge bekannt, umfassend einen Ständer, der an einem Gehäuse angebracht ist, das einen vorderen seitlichen Lagerschild und einen hinteren seitlichen Lagerschild umfasst, einen Läufer, dessen mittige Welle drehbar im Innern des Ständers gelagert ist und der aus einem sogenannten magnetischen Teil besteht, der zumindest die Welle umfasst, wobei die besagte Welle an ihrem Ende eine Antriebsscheibe trägt, und Mittel, deren Aufgabe darin besteht, die elektrostatischen Aufladungen des Wechselstromgenerators zu unterdrücken, wobei diese Mittel eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen der Antriebsscheibe und der äußeren Seitenfläche eines quer angeordneten Lagerschilds des Gehäuses herbeiführen, das ein Wälzlager für die Drehführung des Läufers trägt.From the DE 60 2004 004 790 T2 is known an alternator for motor vehicles, comprising a stator mounted on a casing comprising a front lateral bearing plate and a rear lateral bearing plate, a rotor whose central shaft is rotatably mounted inside the stator and which consists of a so-called magnetic part comprising at least the shaft, said shaft carrying a drive pulley at its end, and means intended to eliminate electrostatic charges from the alternator, these means establishing a permanent electrical connection between the drive pulley and the external lateral face of a bring about transversely arranged end shield of the housing, which carries a roller bearing for the rotational guidance of the rotor.

Aus der DE 10 2005 033 655 A1 ist eine Einrichtung zur Ableitung elektrostatischer Aufladung bekannt, die für einen elektrischen Generator einer Brennkraftmaschine, die bspw. ein Kraftfahrzeug antreibt, dient. Der Generator hat ein Gehäuse mit einer Antriebswelle, deren freies Ende mit einer Riemenscheibe für einen Umschlingungstrieb versehen ist. Die Einrichtung ist vollständig innerhalb des Umfangs der Riemenscheibe des Generators angeordnet und zwischen dem Gehäuse und einer diesem Gehäuse zugewandten Stirnseite der Riemenscheibe vorgesehen.From the DE 10 2005 033 655 A1 a device for dissipating electrostatic charge is known, which is used for an electric generator of an internal combustion engine, which drives a motor vehicle, for example. The generator has a housing with a drive shaft, the free end of which is provided with a pulley for a belt drive. The device is arranged entirely within the circumference of the pulley of the generator and is provided between the housing and an end face of the pulley facing this housing.

In der DE 10 2006 022 063 A1 werden ein Verfahren und ein System zur Begrenzung von Überschlägen eines sich drehenden Teils vorgeschlagen. Das Verfahren und das System umfassen, eine elektrisch leitfähige Vorrichtung vorzusehen, um die elektrischen Potentiale, die dem Gehäuse und dem sich drehenden Teil zugeordnet sind, miteinander zu verbinden, um so Überschläge dazwischen zu begrenzen.In the DE 10 2006 022 063 A1 proposes a method and system for limiting flashovers of a rotating part. The method and system includes providing an electrically conductive device to connect the electrical potentials associated with the housing and the rotating member together so as to limit arcing therebetween.

Aus der DE 601 05 482 T2 ist eine Kugellagereinheit bekannt, umfassend wenigstens ein Kugellager mit einem inneren Ring und einem äußeren Ring, wobei einer der inneren und äußeren Ringe von einem Trägerbauteil getragen ist und der andere der inneren und äußeren Ringe drehbar ein drehendes Element unterstützt; eine Antriebseinheit zum Antreiben und Rotieren des drehbaren Elementes; und ein Entelektrifizierungs-Element, das mit der Antriebseinheit zum Entfernen von durch die Antriebseinheit erzeugter statischer Elektrizität verbunden ist, wobei das Entelektrifizierungs-Element angeordnet ist zwischen der Antriebseinheit und dem von der Antriebseinheit aus nächsten Kugellager.From the DE 601 05 482 T2 a ball bearing unit is known comprising at least one ball bearing having an inner ring and an outer ring, one of the inner and outer rings being carried by a support member and the other of the inner and outer rings rotatably supporting a rotating member; a drive unit for driving and rotating the rotatable member; and a de-electrification member connected to the drive unit for removing static electricity generated by the drive unit, the de-electrification member being disposed between the drive unit and the ball bearing closest to the drive unit.

Aus der US 8 199 453 B2 ist ein Wellenstromsteuerungs-Bürstenringbaugruppe bekannt, die einen Becher und eine Bürstenringbaugruppe, die in dem Becher befestigt ist, umfasst. Die Schale ist an einer Motorfrontplatte innerhalb einer in der Frontplatte ausgebildeten Ausnehmung durch Presspassung oder mittels einer an der Frontplatte befestigten Klemme befestigt. Der Bürstenringanordnung kann eine Schleuder zugeordnet sein.From the U.S. 8,199,453 B2 a ripple current control brush ring assembly is known which includes a cup and a brush ring assembly mounted within the cup. The shell is secured to an engine faceplate within a recess formed in the faceplate by a press fit or by a clamp secured to the faceplate. A centrifugal device can be assigned to the brush ring arrangement.

Aus der DE 32 04 865 A1 ist eine elektrische Anschlusseinrichtung für eine eine Kohlebürste aufnehmende elektrisch leitfähige Bürstenhülse, mit der die Kohlebürste ihrerseits elektrisch leitend verbunden ist, bekannt, wobei ferner die Bürstenhülse in einen Führungsschacht eines einer elektrischen Maschine zugeordneten Bürstenträgers eingesetzt ist und mit einer mit einer elektrischen Zuführleitung verbundenen Kontaktfahne in elektrischer Verbindung steht, wobei die Kontaktfahne durch eine Öffnung in der Wand des Führungsschachtes hindurchgesteckt ist und mindestens so weit in den Führungsschacht hineinragt, dass die Bürstenhülse beim Einschieben in den Führungsschacht mit der Kontaktfahne in Berührung kommt.From the DE 32 04 865 A1 an electrical connection device for an electrically conductive brush sleeve accommodating a carbon brush, to which the carbon brush in turn is electrically conductively connected, is known, with the brush sleeve also being inserted into a guide slot of a brush holder assigned to an electrical machine and having a contact lug connected to an electrical supply line in there is an electrical connection, the contact lug being inserted through an opening in the wall of the guide shaft and protruding at least far enough into the guide shaft that the brush sleeve comes into contact with the contact lug when it is pushed into the guide shaft.

Die DE 93 03 966 U1 zeigt eine elektrische Maschine, vorzugsweise Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem eigengelagerten Rotor und einer Riemenscheibe, die auf dem antriebsseitigen Ende der Maschinenwelle befestigt ist und mit einer an ihr angeformten, vor dem antriebsseitigen Kugellager angeordneten, die Lagerbohrung eines Maschinengehäuseteils überdeckenden Schleuderscheibe zum Abschleudern von Spritzwasser versehen ist, wobei ein im Lagerbereich des Maschinengehäuseteils an der Lagerbohrung konzentrisch angeformter, axial nach außen gerichteter Ringkragen in Achsrichtung bis dicht vor die Schleuderscheibe reicht, wobei die Schleuderscheibe einen größeren Außendurchmesser aufweist als der als Spritzwasser-Abtropfkante dienende Ringkragen.the DE 93 03 966 U1 shows an electric machine, preferably a three-phase generator for motor vehicles, with a rotor with its own bearings and a belt pulley, which is fastened to the drive-side end of the machine shaft and is provided with a centrifugal disc for throwing off spray water, which is formed on it and is arranged in front of the drive-side ball bearing and covers the bearing bore of a machine housing part in the bearing area of the machine housing part, an annular collar which is concentrically formed on the bearing bore and points axially outwards and extends in the axial direction to just in front of the centrifugal disc, the centrifugal disc having a larger outer diameter than the annular collar serving as a spray water drip edge.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Schleifkontaktelement direkt an einem auf Massepotential liegenden Lagerschild, welches das antriebsseitige Wellenlager der Rotorwelle aufnimmt, angeordnet ist und direkt an einem antriebsseitig mit der Rotorwelle elektrisch leitend verbundenen Kontaktkörper mit einer Schleifkontaktfläche anliegt. Dadurch ist es möglich zwischen dem äußeren Lagerring und dem inneren Lagerring des antriebsseitigen Wellenlagers auf sehr kurzem elektrischem Weg einen Potentialausgleich herzustellen. Dadurch wird sichergestellt, dass im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers keine spontanen Entladungen über die Kugeln beziehungsweise über das Kugellagerfett erfolgen. Die Potentialausgleichsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus dem Schleifkontaktelement, dem Lagerschild und dem Kontaktkörper, wobei als Kontaktkörper vorzugsweise ein ohnehin an der Rotorwelle befestigtes Bauteil verwendet wird. Da auch das Lagerschild zur Aufnahme des Wellenlagers ohnehin vorhanden ist, erfordert die Potentialausgleichsvorrichtung lediglich die Anbringung eines zusätzlichen Schleifkontaktelements, was einen verhältnismäßig geringen Material- und Montageaufwand darstellt.The electrical machine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the sliding contact element is arranged directly on a bearing plate which is at ground potential and which accommodates the drive-side shaft bearing of the rotor shaft, and directly on a contact body which is electrically conductively connected to the rotor shaft on the drive side and has a sliding contact surface applied. This makes it possible to establish potential equalization between the outer bearing ring and the inner bearing ring of the shaft bearing on the drive side over a very short electrical distance. This ensures that there are no spontaneous discharges via the balls or via the ball bearing grease in the area of the shaft bearing on the drive side. The equipotential bonding device consists essentially of the sliding contact element, the bearing plate and the contact body, with a component that is already attached to the rotor shaft preferably being used as the contact body. Since the bearing plate for accommodating the shaft bearing is also present in any case, the equipotential bonding device only requires the attachment of an additional sliding contact element, which represents a relatively low outlay in terms of material and assembly.

Als Kontaktkörper wird vorzugsweise die antriebsseitig an der Rotorwelle befestigte Riemenscheibe der elektrischen Maschine oder eine angrenzend an das antriebsseitige Wellenlager angeordnete Schleuderscheibe verwendet. Sowohl die Riemenscheibe als auch die Schleuderscheibe, die das Wellenlager vor Verschmutzungen schützt, besitzen geeignete Gleitflächen, an denen das Schleifkontaktelement mit seiner Schleifkontaktfläche anliegen kann. Das Schleifkontaktelement kann aber auch an anderen Rotorbauteilen mit geeigneten Gleitflächen mit seiner Schleifkontaktfläche anliegen, beispielsweise am Innenring des Wellenlagers, am Klauenpol des Rotors, an einem Lüfter der Rotorwelle oder auch direkt an der Rotorwelle. Dabei kann das Schleifkontaktelement parallel zur Rotorachse oder auch in Radialrichtung zur Rotorachse ausgerichtet sein. Je nach Lage der Gleitfläche, an der das Schleifkontaktelement zur Anlage kommen soll, kann auch eine gegenüber der Rotorwelle geneigte Ausrichtung des Schleifkontaktelements vorgesehen werden. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass das Schleifkontaktelement nicht direkt am Lagerschild des antriebsseitigen Wellenlagers angebracht ist, sondern an einer mit dem Massepotential der elektrischen Maschine verbundenen Halterung, die mit dem Lagerschild verbunden sein kann.The belt pulley of the electric machine fastened to the rotor shaft on the drive side or a centrifugal disc arranged adjacent to the shaft bearing on the drive side is preferably used as the contact body. Both the belt pulley and the centrifugal disc, which protects the shaft bearing from dirt, have suitable sliding surfaces against which the sliding contact element can bear with its sliding contact surface. However, the sliding contact element can also bear against other rotor components with suitable sliding surfaces with its sliding contact surface, for example on the inner ring of the shaft bearing, on the claw pole of the rotor, on a fan of the rotor shaft or directly on the rotor shaft. The sliding contact element can be aligned parallel to the rotor axis or also in the radial direction to the rotor axis. Depending on the position of the sliding surface on which the sliding contact element is to come into contact, the sliding contact element can also be oriented at an angle relative to the rotor shaft. Basically it is there It is also possible for the sliding contact element not to be attached directly to the bearing plate of the drive-side shaft bearing, but to a holder which is connected to the ground potential of the electrical machine and which can be connected to the bearing plate.

Der Kontaktkörper kann aus einer Kupferlegierung hergestellt sein, sodass keinerlei zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um eine für das Schleifkontaktelement geeignete Gleitfläche zu schaffen, an der das Schleifkontaktelement mit seinem Schleifkontakt anliegen kann und dabei eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Massepotential der elektrischen Maschine und der Rotorwelle herstellt.The contact body can be made of a copper alloy, so that no additional measures are required to create a sliding surface suitable for the sliding contact element, on which the sliding contact element can rest with its sliding contact and a good electrical connection between the ground potential of the electrical machine and the rotor shaft manufactures.

Der Kontaktkörper muss aber nicht zwingend aus einer zur Bildung eines Schleifkontakts geeigneten Kupferlegierung hergestellt sein, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass ein am Kontaktkörper angebrachter Schleifring die Gleitfläche für das Schleifkontaktelement bildet. Dieser Schleifring kann aus einer in Bezug auf das Schleifkontaktelement geeigneten Materialzusammensetzung bestehen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, dass zum Potentialausgleich zwischen Maschinenmasse und Rotorwelle auch Kontaktkörper verwendet werden können, die keine optimalen Gleitflächen für einen Schleifkontakt besitzen. Ein am Kontaktkörper angebrachter Schleifring kann kostengünstig aus einer Kupferlegierung hergestellt sein, der somit gute Gleiteigenschaften und auch gute elektrische Kontakteigenschaften besitzt.However, the contact body does not necessarily have to be made of a copper alloy suitable for forming a sliding contact, but there is also the possibility that a slip ring attached to the contact body forms the sliding surface for the sliding contact element. This slip ring can consist of a material composition that is suitable in relation to the sliding contact element. This results in the possibility that contact bodies that do not have optimal sliding surfaces for a sliding contact can also be used for potential equalization between the machine mass and the rotor shaft. A slip ring attached to the contact body can be manufactured inexpensively from a copper alloy, which therefore has good sliding properties and also good electrical contact properties.

Das Schleifkontaktelement kann sehr kompakt als eine in einer metallischen Hülse eingesetzte Bürste ausgeführt sein, wobei die Bürste mittels einer Druckfeder gegen die Gleitfläche des Kontaktkörpers gedrückt wird. Das derart ausgeführte Schleifkontaktelement lässt sich besonders einfach mittels einer Presspassung in eine entsprechende Bohrung am Lagerschild einsetzen, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Bürste und dem Lagerschild sichergestellt ist. Zusätzliche Kontaktierungsmaßnahmen zwischen Bürste und Lagerschild sind in diesem Fall nicht erforderlich.The sliding contact element can be designed very compactly as a brush inserted in a metallic sleeve, the brush being pressed against the sliding surface of the contact body by means of a compression spring. The sliding contact element designed in this way can be used in a particularly simple manner by means of a press fit in a corresponding bore on the bearing plate, as a result of which the electrical connection between the brush and the bearing plate is ensured. Additional contacting measures between the brush and the end shield are not required in this case.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die Bürste über eine Leitungslitze elektrisch leitend mit der Hülse verbunden sein. Damit wird einerseits eine optimale elektrische Verbindung zwischen Bürste und Hülse hergestellt und es wird außerdem sichergestellt, dass die Bürste vor und während der Montage nicht unbeabsichtigt aus der Hülse herausfällt, da die Leitungslitze die Längsverschiebbarkeit der Bürste innerhalb der Hülse begrenzt.According to a preferred development of the invention, the brush can be electrically conductively connected to the sleeve via a litz wire. On the one hand, this creates an optimal electrical connection between the brush and the sleeve and it also ensures that the brush does not fall out of the sleeve before and during assembly, since the cable strand limits the longitudinal displacement of the brush within the sleeve.

Das Schleifkontaktelement kann auch als Kontaktfeder ausgebildet sein, die mittels einer Befestigungsschraube an dem Lagerschild des antriebsseitigen Wellenlagers befestigt ist. Eine derartige Kontaktfeder ist besonders kostengünstig herstellbar und auch einfach zu montieren, weshalb diese Ausführung für bestimmte Anwendungen sinnvoll sein kann. Bei Kontaktverbindungen mit höheren Ansprüchen an die Gleiteigenschaften und an die elektrischen Eigenschaften wird jedoch die Ausführung des Schleifkontaktelements als Bürste bevorzugt.The sliding contact element can also be in the form of a contact spring which is fastened to the bearing plate of the shaft bearing on the drive side by means of a fastening screw. Such a contact spring can be produced particularly inexpensively and is also easy to assemble, which is why this design can be useful for certain applications. In the case of contact connections with higher demands on the sliding properties and on the electrical properties, however, the design of the sliding contact element as a brush is preferred.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing figures.

Es zeigen:

  • 1 eine Gesamtansicht einer elektrischen Maschine,
  • 2 einen Längsschnitt der elektrischen Maschine von 1,
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 im Bereich eines antriebsseitigen Wellenlagers mit einem am Lagerschild angebrachten Schleifkontaktelement,
  • 4 einen vergrößerten Ausschnitt wie bei 3 jedoch mit einem in einer Hülse einliegenden Schleifkontaktelement,
  • 5 und 6 perspektivische Darstellungen des Schleifkontaktelements von 4,
  • 7 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers mit einem radial zur Rotorwelle ausgerichteten Schleifkontaktelement,
  • 8 eine Ausführung wie in 7 dargestellt, jedoch mit einem Schleifring, der die Kontaktfläche für das Schleifkontaktelement bildet,
  • 9 eine weitere Ausführung eines Schleifkontaktelements im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers und
  • 10 eine Ausführung wie in 9 dargestellt, jedoch mit einem an der Riemenscheibe der Rotorwelle angebrachten Schleifring.
Show it:
  • 1 an overall view of an electrical machine,
  • 2 a longitudinal section of the electrical machine from 1 ,
  • 3 an enlarged section 2 in the area of a shaft bearing on the drive side with a sliding contact element attached to the end shield,
  • 4 an enlarged detail as in 3 but with a sliding contact element in a sleeve,
  • 5 and 6 perspective views of the sliding contact element from 4 ,
  • 7 an enlarged section in the area of the drive-side shaft bearing with a sliding contact element aligned radially to the rotor shaft,
  • 8th an execution as in 7 shown, but with a slip ring that forms the contact surface for the sliding contact element,
  • 9 a further embodiment of a sliding contact element in the area of the drive-side shaft bearing and
  • 10 an execution as in 9 shown but with a slip ring fitted to the rotor shaft pulley.

1 zeigt die Ansicht einer elektrischen Maschine 1, deren Maschinenteil 2 einen Stator und einen im Stator einliegenden Rotor umfasst. Antriebsseitig ist eine Riemenscheibe 3 auf der Rotorwelle des Rotors montiert, über die mittels eines hier nicht dargestellten Antriebsriemens eine Drehmomentübertragung erfolgen kann. An der der Riemenscheibe 3 gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 1 befinden sich in einem Gehäuseteil 4 elektrische Einrichtungen zu Steuerungszwecken. Außerdem ist in 1 die Position eines Bürstenhalters 5 ersichtlich. 1 shows the view of an electrical machine 1, the machine part 2 of which includes a stator and a rotor lying in the stator. On the drive side, a belt pulley 3 is mounted on the rotor shaft of the rotor, via which a torque can be transmitted by means of a drive belt, not shown here. Electrical devices for control are located in a housing part 4 on the side of the electrical machine 1 opposite the belt pulley 3 purposes. In addition, 1 the position of a brush holder 5 can be seen.

Im Längsschnitt von 2 ist der Aufbau der elektrischen Maschine 1 detaillierter ersichtlich. Das Maschinenteil 2 besteht im Wesentlichen aus dem Stator 6 und dem Rotor 7, dessen Rotorwelle 8 mittels eines antriebsseitigen Kugellagers 9 und eines gegenüberliegend angeordneten Kugellagers 10 drehbar gelagert ist. Das Kugellager 9 bildet das antriebsseitige Wellenlager für die Rotorwelle 8. Lagerschilde 11, 12, die Teil des Maschinengehäuses sind, dienen als Aufnahme für die Kugellager 9, 10.In the longitudinal section of 2 the structure of the electrical machine 1 can be seen in more detail. The machine part 2 consists essentially of the stator 6 and the rotor 7, the rotor shaft 8 of which is rotatably mounted by means of a ball bearing 9 on the drive side and a ball bearing 10 arranged opposite. The ball bearing 9 forms the drive-side shaft bearing for the rotor shaft 8. End shields 11, 12, which are part of the machine housing, are used to accommodate the ball bearings 9, 10.

Im dargestellten erläuternden Beispiel besitzt der Rotor 7 Klauenpole 13. Eine Rotorwicklung 14 wird über den Bürstenhalter 5 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bestromt. Im Gehäuse 15 des Bürstenhalters 5 sind gegen eine Federspannung verschieblich gelagerte Bürsten 16, 17 angeordnet. Die Bürsten 16, 17 gleiten auf Kupferschleifringen 18, 19, die mit der Rotorwicklung 14 elektrisch verbunden sind. Ein Drehwinkelgeber 20 dient zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors 7 während des Betriebs.In the illustrative example shown, the rotor 7 has claw poles 13. A rotor winding 14 is energized via the brush holder 5 to generate a magnetic field. In the housing 15 of the brush holder 5 displaceably mounted brushes 16, 17 are arranged against spring tension. The brushes 16, 17 slide on copper slip rings 18, 19 which are electrically connected to the rotor winding 14. A rotary encoder 20 is used to determine the angular position of the rotor 7 during operation.

Der Drehwinkelgeber 20 ist mit der Rotorwelle 8 fest verbunden und besitzt als Geber einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld von im Gehäuseteil 4 befindlichen elektrischen Einrichtungen erfasst und zur Lagebestimmung des Rotors 7 ausgewertet wird. Je nach gewünschter Betriebsart der elektrischen Maschine 1 wird die Statorwicklung 21, die in einem Lamellenpaket 22 des Stators 6 einliegt, in Abhängigkeit von der Wickelposition des Rotors 7 bestromt. Im motorischen Betrieb wird eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung umgewandelt, zum Beispiel um ein Drehmoment zur Beschleunigung eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, während im generatorischen Betrieb eine mechanische Leistung in eine elektrische Leistung umgewandelt wird, um beispielsweise das Bordnetz eines Fahrzeugs zu versorgen. Dabei erfolgt die Übertragung mechanischer Leistung über die fest mit der Rotorwelle 8 verbundene Riemenscheibe 3.The rotary encoder 20 is firmly connected to the rotor shaft 8 and has a permanent magnet as the encoder, the magnetic field of which is detected by electrical devices located in the housing part 4 and evaluated to determine the position of the rotor 7 . Depending on the desired mode of operation of the electrical machine 1, the stator winding 21, which lies in a lamination stack 22 of the stator 6, is energized as a function of the winding position of the rotor 7. In motor operation, electrical power is converted into mechanical power, for example to provide torque for accelerating a vehicle, while in generator operation mechanical power is converted into electrical power, for example to supply a vehicle's electrical system. The transmission of mechanical power takes place via the belt pulley 3, which is firmly connected to the rotor shaft 8.

In 2 ist mit strichpunktierter Linie ein Ausschnitt 23 markiert, der in 3 vergrößert dargestellt ist.In 2 a section 23 is marked with a dot-dash line, which in 3 is shown enlarged.

3 zeigt in vergrößerter Darstellung das antriebsseitige Ende der Rotorwelle 8, welches mittels des Kugellagers 9 gelagert ist. Am Ende der Rotorwelle 8 ist die Riemenscheibe 3 montiert. Zwischen dem Kugellager 9 und der Riemenscheibe 3 befindet sich eine Schleuderscheibe 24, die das Kugellager 9 vor Schmutz und Feuchtigkeit schützt. 3 shows an enlarged view of the drive-side end of the rotor shaft 8, which is mounted by means of the ball bearing 9. At the end of the rotor shaft 8, the pulley 3 is mounted. There is a centrifugal disc 24 between the ball bearing 9 and the belt pulley 3, which protects the ball bearing 9 from dirt and moisture.

Im Lagerschild 11 ist eine Bohrung 25 vorgesehen, die parallel zur Achse 26 der Rotorwelle 8 ausgerichtet ist. In der Bohrung 25 liegt ein Schleifkontaktelement 28 längsverschiebbar ein, welches hier als Bürste 27 ausgeführt ist. Die Bürste 27 kann aus einer Kupferlegierung oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material mit guten Gleiteigenschaften bestehen. Mittels einer Druckfeder 29 wird die Bürste 27 gegen eine Stirnseite der Riemenscheibe 3 gedrückt. Die der Bürste 27 zugewandte Stirnfläche der Riemenscheibe 3 bildet somit für die Bürste 27 eine Gleitfläche 30, an der die Bürste 27 mit ihrer Schleifkontaktfläche 31 anliegt.A bore 25 is provided in the end shield 11 and is aligned parallel to the axis 26 of the rotor shaft 8 . A sliding contact element 28 , which is designed as a brush 27 here, is located in the bore 25 in a longitudinally displaceable manner. The brush 27 can be made of a copper alloy or another suitable electrically conductive material with good sliding properties. The brush 27 is pressed against an end face of the pulley 3 by means of a compression spring 29 . The end face of the belt pulley 3 facing the brush 27 thus forms a sliding surface 30 for the brush 27, against which the brush 27 rests with its sliding contact surface 31.

Die Riemenscheibe 3 kann aus einer Kupferlegierung bestehen, die gute Gleiteigenschaften in Bezug auf die Schleifkontaktfläche 31 der Bürste 27 hat. In diesem Fall würde dann die Gleitfläche 30 ein Teil der Stirnfläche 32 der Riemenscheibe 3 sein. Die Gleitfläche 30 kann aber auch von einer auf der Stirnfläche 32 aufgebrachten Beschichtung 33 gebildet werden, die auf den Grundkörper der Riemenscheibe 3 als Folie oder Beschichtung aufgebracht ist.The pulley 3 can be made of a copper alloy, which has good sliding properties with respect to the sliding contact surface 31 of the brush 27. In this case, the sliding surface 30 would then be part of the end face 32 of the belt pulley 3 . However, the sliding surface 30 can also be formed by a coating 33 applied to the end face 32, which is applied to the base body of the belt pulley 3 as a film or coating.

Die Riemenscheibe 3 bildet unmittelbar oder durch Aufbringen einer Beschichtung oder eines Kontaktrings einen Kontaktkörper 34, über den eine elektrische Verbindung zwischen der Rotorwelle 8 und dem auf Massepotential liegenden Lagerschild 11 hergestellt wird. Das Lagerschild 11 steht über das am Kontaktkörper 34 anliegende Schleifkontaktelement 28 in elektrisch leitender Verbindung. Damit können an der Rotorwelle 8 auftretende Wellenspannungen über eine Potentialausgleichsvorrichtung, welche aus dem Kontaktkörper 34 und dem Schleifkontaktelement 28 besteht, abgebaut werden. Es erfolgt somit zwischen der Rotorwelle 8 und dem Lagerschild 11 ein Potentialausgleich, indem an der Rotorwelle 8 aufgebaute Wellenspannungen über die als Kontaktkörper 34 dienende Riemenscheibe 3 und über das Schleifkontaktelement 28, welches auf Massepotential liegt, abgebaut werden. Dadurch wird vermieden, dass Spontanentladungen von Wellenspannungen über die Kugeln 35 auftreten, die bekanntlich zu Schädigungen an den Lagerflächen des Kugellagers 9 führen können.The belt pulley 3 forms a contact body 34 directly or by applying a coating or a contact ring, via which an electrical connection is established between the rotor shaft 8 and the end shield 11, which is at ground potential. The end shield 11 is electrically connected via the sliding contact element 28 resting on the contact body 34 . In this way, shaft voltages occurring on the rotor shaft 8 can be reduced via an equipotential bonding device, which consists of the contact body 34 and the sliding contact element 28 . There is thus a potential equalization between the rotor shaft 8 and the bearing plate 11 in that shaft voltages built up on the rotor shaft 8 are dissipated via the belt pulley 3 serving as the contact body 34 and via the sliding contact element 28, which is at ground potential. This avoids the occurrence of spontaneous discharges of shaft voltages via the balls 35, which, as is known, can lead to damage to the bearing surfaces of the ball bearing 9.

4 zeigt ebenfalls einen vergrößerten Ausschnitt der elektrischen Maschine 1 im antriebsseitigen Bereich, der in 2 mit strichpunktierter Linie markiert ist. Jedoch liegt bei der Ausführungsvariante von 3 die Bürste 27, die allgemein als Schleifkontaktelement 28 bezeichnet wird, in einer Hülse 36 zusammen mit der Druckfeder 29 ein. Außerdem ist die Bürste 27 mittels einer Leitungslitze 37, die als Kupferlitze ausgeführt sein kann, mit der Hülse 36 verbunden, sodass einerseits eine sichere elektrische Verbindung zwischen der Bürste 27 und der Hülse 36 gewährleistet ist und andererseits die Bürste 27 nicht vor oder während der Montage aus der Hülse 36 herausfallen kann. Die Leitungslitze 37 dient somit als elektrische Verbindung und als Sicherungselement für die Bürste 27. Auch bei der Ausführungsvariante von 4 liegt die Bürste 27 an einer Stirnseite der mit der Rotorwelle 8 verbundenen Riemenscheibe 3 an, um hier einen Potentialausgleich zwischen Rotorwelle 8 und dem Lagerschild 11 sicherzustellen. 4 also shows an enlarged section of the electric machine 1 in the drive-side area, which is shown in 2 is marked with a dot-dash line. However, in the variant of 3 the brush 27, which is generally referred to as the sliding contact element 28, in a sleeve 36 together with the compression spring 29. In addition, the brush 27 is connected to the sleeve 36 by means of a stranded wire 37, which can be designed as a copper strand, so that on the one hand a secure electrical connection between the brush 27 and the sleeve 36 is ensured and on the other hand Brush 27 cannot fall out of sleeve 36 before or during assembly. The stranded wire 37 thus serves as an electrical connection and as a fuse element for the brush 27. Also in the embodiment of 4 the brush 27 rests against an end face of the belt pulley 3 connected to the rotor shaft 8 in order to ensure equipotential bonding between the rotor shaft 8 and the bearing plate 11 here.

In den 5 und 6 sind perspektivische Ansichten der in einer Bohrung 25 des Lagerschilds 11 gemäß 4 eingesetzten Hülse 36 dargestellt. Die Hülse 36 besteht vorzugsweise aus einem korrosionsgeschützten Metall und wird in die Bohrung 25 des Lagerschilds 11 eingepresst, sodass eine elektrische Verbindung zwischen der Hülse 36 und dem Lagerschild 11 besteht. Die in der Hülse 36 einliegende Bürste 27 ist über eine rückseitig an der Hülse 36 herausgeführte Leitungslitze 37 mit der Hülse 36 verbunden. In 5 ist die kreisförmige Schleifkontaktfläche 31 der Bürste 27 ersichtlich.In the 5 and 6 are perspective views in a bore 25 of the bearing plate 11 according to 4 inserted sleeve 36 shown. The sleeve 36 is preferably made of a corrosion-protected metal and is pressed into the bore 25 of the bearing plate 11 so that there is an electrical connection between the sleeve 36 and the bearing plate 11 . The brush 27 lying in the sleeve 36 is connected to the sleeve 36 via a stranded wire 37 led out at the rear of the sleeve 36 . In 5 the circular sliding contact surface 31 of the brush 27 can be seen.

7 zeigt nun ebenfalls entsprechend dem in 2 gekennzeichneten Ausschnitt 23 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das als Bürste 27 ausgebildete Schleifkontaktelement 28 radial zur Längsachse 26 der Rotorwelle 8 ausgerichtet ist. Die Bürste 27 liegt in einer Hülse 36 ein und wird mittels einer Druckfeder 29 gegen eine Gleitfläche 30 gedrückt. Die Gleitfläche 30 befindet sich an der Umfangsfläche einer als Kontaktkörper 34 dienenden Schleuderscheibe 24, die drehfest mit der Rotorwelle 8 verbunden ist. Die Hülse 36 ist in eine Bohrung 25 eingesetzt, sodass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Rotorwelle 8 und dem auf Massepotential liegenden Lagerschild 11 gewährleistet ist. 7 now also shows according to in 2 Marked section 23 shows an exemplary embodiment according to the invention, in which the sliding contact element 28 designed as a brush 27 is aligned radially with respect to the longitudinal axis 26 of the rotor shaft 8 . The brush 27 lies in a sleeve 36 and is pressed against a sliding surface 30 by means of a compression spring 29 . The sliding surface 30 is located on the peripheral surface of a centrifugal disk 24 which serves as a contact body 34 and is connected to the rotor shaft 8 in a rotationally fixed manner. The sleeve 36 is inserted into a bore 25, so that an electrically conductive connection between the rotor shaft 8 and the end shield 11, which is at ground potential, is ensured.

Bei der in 8 dargestellten Ausführungsvariante ist an der Umfangsfläche der Schleuderscheibe 24 ein Schleifring 38 angebracht, der die Gleitfläche 30 für die Bürste 27 bildet. Der Schleifring 38 kann aus einer Kupferlegierung bestehen, die gute elektrische Eigenschaften besitzt und in Bezug auf die Schleifkontaktfläche 31 der Bürste 27 gute Gleiteigenschaften hat.At the in 8th In the embodiment variant shown, a slip ring 38 is attached to the peripheral surface of the centrifugal disk 24 and forms the sliding surface 30 for the brush 27 . The slip ring 38 can be made of a copper alloy which has good electrical properties and has good sliding properties with respect to the sliding contact surface 31 of the brush 27 .

9 zeigt nun ebenfalls im antriebsseitigen Ausschnitt 23 die Anordnung eines Schleifkontaktelements 28 in Form einer Kontaktfeder 39, die mittels einer Befestigungsschraube 40 mit dem Lagerschild 11 verschraubt und damit auch mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Auch hier dient die Riemenscheibe 3 als Kontaktkörper 34 für die Kontaktfeder 39, die an einer Stirnseite der Riemenscheibe 3 anliegt. 9 shows the arrangement of a sliding contact element 28 in the form of a contact spring 39, also in the drive-side cutout 23, which is screwed to the bearing plate 11 by means of a fastening screw 40 and is therefore also electrically conductively connected to it. Here, too, the belt pulley 3 serves as a contact body 34 for the contact spring 39 which bears against an end face of the belt pulley 3 .

In 10 ist abweichend von 9 die Riemenscheibe 3 so ausgebildet, dass an der Stirnseite, die eine Kontaktfläche für die Kontaktfeder 39 bildet, ein Schleifring 41 angebracht ist, der elektrisch leitend mit dem metallischen Grundkörper der Riemenscheibe 3 verbunden ist. Die Kontaktfeder 39 liegt somit am Schleifring 41 an, sodass über diese Kontaktverbindung ein Potentialausgleich zwischen der Rotorwelle 8 und dem auf Massepotential liegenden Lagerschild 11 hergestellt wird.In 10 is different from 9 the belt pulley 3 is designed in such a way that a slip ring 41 is attached to the end face, which forms a contact surface for the contact spring 39, and is electrically conductively connected to the metallic base body of the belt pulley 3. The contact spring 39 is thus in contact with the slip ring 41, so that a potential equalization between the rotor shaft 8 and the end shield 11, which is at ground potential, is produced via this contact connection.

Claims (6)

Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem in einem antriebsseitigen Kugellager (9) drehbar gelagerten Rotor (7), sowie mit einer Potentialausgleichsvorrichtung zum Abbau von an der Rotorwelle (8) auftretenden Wellenspannungen, die ein Schleifkontaktelement (28) hat, über das die Rotorwelle (8) elektrisch leitend mit dem Massepotential der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, wobei das Schleifkontaktelement (28) an einem auf Massepotential liegenden Lagerschild (11), das das antriebsseitige Kugellager (9) aufnimmt, angebracht ist und das Schleifkontaktelement (28) an einer Gleitfläche (30) eines antriebsseitig mit der Rotorwelle (8) elektrisch leitend verbundenen Kontaktkörpers (34) mit einer Schleifkontaktfläche (31) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der antriebsseitige Kontaktkörper (34) eine angrenzend an das antriebsseitige Kugellager (9) angeordnete Schleuderscheibe (24) ist, und dass das Schleifkontaktelement (28) eine Bürste (27) ist, die in einer Bohrung (25) am Lagerschild (11) längsverschiebbar einliegt und die eine Druckfeder (29) gegen die Gleitfläche (30) an der Schleuderscheibe (24) drückt.Electrical machine with a stator (6) and a rotor (7) rotatably mounted in a ball bearing (9) on the drive side, and with an equipotential bonding device for reducing shaft voltages occurring on the rotor shaft (8), which has a sliding contact element (28) via the the rotor shaft (8) is electrically conductively connected to the ground potential of the electrical machine (1), the sliding contact element (28) being attached to a bearing plate (11) which is at ground potential and which accommodates the drive-side ball bearing (9), and the sliding contact element ( 28) rests against a sliding surface (30) of a contact body (34) which is electrically conductively connected to the rotor shaft (8) on the drive side, with a sliding contact surface (31), characterized in that the contact body (34) on the drive side has a ball bearing (9) adjacent to the drive side arranged centrifugal disc (24), and that the sliding contact element (28) is a brush (27) which is in a bore (25) on the bearing plate (11) lies in a longitudinally displaceable manner and which presses a compression spring (29) against the sliding surface (30) on the centrifugal disc (24). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste (27) längsverschiebbar in einer in die Bohrung (25) eingesetzten Hülse (36) einliegt und über eine Leitungslitze (37) elektrisch leitend mit der Hülse (36) verbunden ist.Electric machine after claim 1 , characterized in that the brush (27) lies in a longitudinally displaceable manner in a sleeve (36) inserted into the bore (25) and is electrically conductively connected to the sleeve (36) via a litz wire (37). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (34) aus einer Kupferlegierung hergestellt ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the contact body (34) is made of a copper alloy. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (30) eine am Kontaktkörper (34) aufgebrachte elektrisch leitende Beschichtung (33) mit in Bezug auf die Schleifkontaktfläche (31) des Schleifkontaktelements (28) niedrigem Reibungskoeffizienten ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding surface (30) is an electrically conductive coating (33) applied to the contact body (34) with a low coefficient of friction in relation to the sliding contact surface (31) of the sliding contact element (28). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Kontaktkörper (34) angebrachter Schleifring (38) die Gleitfläche (30) bildet.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a slip ring (38) attached to the contact body (34) forms the sliding surface (30). Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifring (38) aus einer Kupferlegierung besteht.Electric machine after claim 5 , characterized in that the slip ring (38) consists of a copper alloy.
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