DE10009007B4

DE10009007B4 - Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren

Info

Publication number: DE10009007B4
Application number: DE10009007A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Vesper; Klaus Stadie; Ingolf Hahn; Aloysius Meyer
Original assignee: SGL Carbon SE; Siemens AG
Current assignee: Pantrac GmbH
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2020-02-26
Also published as: ATE352895T1; CA2337978A1; EP1133028A3; DE50111920D1; EP1133028B1; EP1133028A2; BR0100825A; US6400057B2; US20010033117A1; ES2281383T3; PL345985A1; DE10009007A1; PL203741B1; CZ301293B6; AR027549A1; CZ2001670A3

Abstract

Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe (10, 10', 10'') des Schleifringkörpers (11) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe (10, 10', 10'') metallische Ringe (2, 2' und 2'') und eine elektrisch leitende Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus kreisbogenförmigen Segmenten besteht, deren Dicke maximal 11 % des Radius eines Schleifrings (10, 10', 10'') beträgt und die elektrisch leitend auf dem Umfang der metallischen Ringe (2, 2' und 2'') durch Verklebung befestigt sind.

Description

Die Erfindung betrifft den Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Maschinen, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen mit den Schleifringen der Schleifringkörper elektrisch leitend verbunden sind.
Elektrische Motoren und Generatoren, mit denen elektrische Energie in Rotationsenergie oder umgekehrt Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, benötigen eine Stromzuführung, die kraftschlüssig oder formschlüssig mit der Drehachse verbunden ist. Dies erfolgt üblicherweise über mit der Drehachse verbundene Schleifringe, die mit feststehenden Bürsten leitend verbunden sind, oder über die Paarung von Bürsten mit sogenannten Kommutatoren oder Kollektoren, die neben der Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem feststehenden und dem drehenden Teil der elektrischen Maschine auch die Stromwendung bei Gleichstrommaschinen bewirken.
Üblicherweise bestehen die Schleifringe und Kommutatoren aus Metallen wie Kupfer, Kupferlegierungen wie z.B. Bronze, Zinnbronzen, Nickelbronze, Silber oder Stahl. Die Schleifringe werden zu Schleifringkörpern durch isolierende Befestigungen mit der Nabe verbunden, wobei sie dieser gegenüber und untereinander isoliert sind. Entlang des Umfangs der Schleifringe sind elektrisch leitende Bürsten ortsfest angeordnet, die durch Federkraft mit der Oberfläche der Schleifringe in Kontakt gehalten werden. Für Wechselstrommotoren und -Generatoren werden Schleifringe einzeln oder mehrfach je Phase benötigt.
Die Gleitkontakte bestehen meist aus Kohlenstoffwerkstoffen, gegebenenfalls in Kombination mit Metallen (z.B. Metallgraphit, zu dessen Herstellung Mischungen von Metallpulvern, insbesondere Kupfer, Zinn oder Blei, mit Graphit, insbesondere Naturgraphit, verpreßt und anschließend durch Glühen oder Sintern verfestigt werden).
Bei all diesen Werkstoffpaarungen kommt es durch die gegenseitige Bewegung und auch durch die teilweise hohen, übertragenen Ströme zu Verschleiß, wobei sich aus dem Abrieb Stäube bilden können, die zu Kriechwegverkürzung durch Verschmutzung und damit zu Überschlägen führen können; andererseits ergibt sich ein Abtrag der sich berührenden Schichten. Dabei ergeben sich durch die Notwendigkeit des Ersatzes der Bürsten und der Oberflächen-Nachbehandlung der Schleifringe (Abdrehen der Fehlstellen wie Riefen oder ähnliches) zusätzliche Wartungsintervalle, die kürzer sind als die Wartungsintervalle der (Wälz-) Lager, was wesentlich erhöhte Wartungskosten vor allem durch zusätzliche Ausfallzeiten verursacht.
Es ist daher erwünscht, den Abrieb möglichst gering zu halten und so die Häufigkeit der dadurch bedingten Wartungsarbeiten geringer oder höchstens gleich der Häufigkeit der Wartungsarbeiten für die Lager und/oder anderer Verschleißteile zu machen.

In der deutschen Patentschrift DE 890 986 L wird ein Kohleschleifring mit Ableitung beschrieben, der durch verformbare Ausgleichsglieder mit einem innen angeordneten metallischen Stromführungsring verbunden ist. Aus der deutschen Patentschrift DE 875 234 C ist ein Kohleschleifring mit metallischem Haltekörper bekannt, wobei der Haltekörper durch Umgießen des Kohleschleifrings mit Metall gebildet wird. In der deutschen Patentschrift DE 24 43 769 C wird ein Schleifring für elektrische Maschinen beschrieben, der aus Kohlenstoff, einem Bindemittel sowie gegebenenfalls Metallpulver hergestellt wird, wobei als Bindemittel ein Polyarylensulfid eingesetzt wird.

Aus der Patentschrift DD 253 637 A1 und aus VEM Zeitschrift 1975, S. 15 ff ist bekannt, daß bei einer Paarung von Graphitbürsten mit Schleifringen aus Graphit der Verschleiß sehr niedrig ist. Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß durch den Graphitkörper der Schleifringe wegen dessen im Vergleich zu Metallen relativ hohen spezifischen Widerstandes nur geringe Ströme durchgeleitet werden können. Bei hohen durchgeleiteten Strömen wird die Ohm'sche Wärme unzulässig hoch. Dies kann zu Schädigung des Systems führen. Die Ein- oder Ableitung des Stroms erfolgt bei einem Schleifring über einen metallischen Leiter, der parallel zur Drehachse seitlich versetzt zu dieser verläuft und mit dem Körper des Schleifrings elektrisch leitend verbunden ist. Da der Widerstand im Inneren eines Graphitschleifrings von ähnlicher Größe wie der Übergangswiderstand zwischen Schleifring und Bürste ist, führt dies bei konstantem induzierten Strom in der Spule zu periodischen Spannungsschwankungen bei einem Generator bzw. bei einem Motor zu ungleichmäßigem Drehmoment, je nach der Weglänge des Stroms und damit dem wirksamen Widerstand in dem Schleifring.

Eine andere Konstruktion ist aus der Patentschrift DD 248 909 A1 bekannt. Hier wird ein Schleifring mit einer metallischen Schleifringbasis und einem aufgelöteten Kohlegleitring beschrieben, wobei die Schleifringbasis Hohlräume aufweist, um die Verlustwärme durch allseitige Belüftung abführen zu können. Die der metallischen Schleifringbasis zugewandte Seite des Kohlegleitringes muß metallisiert sein, um einen niedrigen Übergangswiderstand zu gewährleisten und eine Lötverbindung zu ermöglichen. Durch die starke Erwärmung der Konstruktion durch die Ohm'sche Verlustleistung sowie auch bereits beim Löten treten Wärmespannungen auf. Daher wird der Außenteil der metallischen Schleifringbasis vorzugsweise mit Aussparungen zur Kompensation von Wärmespannungen versehen.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Konstruktion für Schleifringe zu finden, die zu möglichst niedrigem Verschleiß führt, und andererseits eine ausreichend hohe Strombelastung zuläßt, damit derartige Systeme auch im Hochstrombereich eingesetzt werden können, ohne daß die aus dem Stand der Technik bekannten starken Erwärmungen auftreten. Eine weitere Aufgabe ist, bestehende Maschinen mit metallischen Schleifringen so nachrüsten zu können, daß der Verschleiß kleiner wird, wobei möglichst wenige Teile ersetzt werden sollten.

Diese Aufgabe wird durch einen Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe des Schleifringkörpers elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe metallische Ringe und eine elektrisch leitende Gleitschicht aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, in der Weise gelöst, daß die Gleitschicht aus kreisbogenförmigen Segmenten besteht, deren Dicke maximal 11 % des Radius eines Schleifrings beträgt und die elektrisch leitend auf dem Umfang der metallischen Ringe durch Verklebung befestigt ist.

Die Erfindung betrifft weiter einen Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe des Schleifringkörpers elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe metallische Ringe und eine elektrisch leitende Gleitschicht aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht aus einem Ring besteht, in dessen Mantelfläche ein Schlitz (9) spiralförmig umläuft und daß der Schlitz (9) mit einer zur Mittelachse des Ringes senkrechten Tangente an die Metallfläche einen Winkel β einschließt.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umrüstung von Schleifringkörpern, die metallische Schleifringe aufweisen, wobei eine metallische Kontaktschicht an einer äußeren Mantelfläche von mindestens einem der metallischen Schleifringe entsprechend der Dicke einen aufzubringenden Gleitschicht abgetragen wird und anschließend eine Gleitschicht unter Bildung eines erfindungsgemäßen Schleifringkörpers aufgebracht wird.

Wird ein Kohlenstoff-Werkstoff eingesetzt, so ist es vorteilhaft, einen Graphit-Werkstoff, und besonders bevorzugt, einen isostatisch gepreßten Graphit-Werkstoff mit einzusetzen. Weiterhin sollte die Biegefestigkeit des Graphitwerkstoffs bevorzugt mindestens 30 MPa (= 30 N/mm²) betragen, damit die Schichtdicke des Kohlenstoff-Werkstoffes ausreichend niedrig gehalten werden kann. Durch diese Konstruktion wird einerseits erreicht, daß die Kontaktflächenpaarung einen minimalen Verschleiß aufweist, da das Material des Reibungspartners der Bürsten so gewählt werden kann, daß der Abrieb zwischen diesen gegeneinander bewegten Werkstoffen erheblich niedriger ist als der zwischen einer Paarung aus Metallen oder einer Paarung mit Metall und Kohlenstoff-Werkstoff für die Bürsten. Andererseits ist durch diese Konstruktion der Übergangswiderstand zwischen der metallischen Basis des Schleifrings und der Gleitschicht zentrosymmetrisch.

Als Schleifringkörper wird, wie für den Fachmann üblich, hier die Anordnung bezeichnet, die aus der Nabe, dem Isolator (bevorzugt der Isolierhülle in Form eines Zylindermantels) und den Schleifringen besteht, die bei der Erfindung aus metallischen Ringen und der Gleitschicht zusammengesetzt sind.

Die Dicke der Gleitschicht ist nach oben begrenzt durch ihre Leitfähigkeit (je dicker die im Vergleich zu Metallen schlechter leitfähige Gleitschicht ist, desto höher wird der Widerstand zwischen der mit den metallischen Ringen leitend verbundenen Ableitung und der Anschlußleitung an der Bürste). Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Dicke der Gleitschicht nicht größer als 11 % des Radius des äußeren Mantels der Gleitschicht zu machen.

Der metallische Ring ist üblicherweise ein flacher zylindrischer Tragring, der massiv, mit (meist kreisförmigen) Aussparungen oder als Speichenrad ausgeführt sein kann. Es ist auch möglich und bevorzugt, die Breite des Ringes in der Mitte des äußeren Mantels größer zu wählen als bei dem Rest des Ringes. Der Ring erhält damit das Aussehen eines flachen Ringes (der ebenfalls Aussparungen aufweisen kann), auf dessen Umfang in bevorzugter Weise ein (in Richtung parallel zur Achse) breiterer Zylindermantel wie ein Reif ausgeführt ist. Auf der Mantelfläche dieses metallischen Ringes wird eine Gleitschicht mit konstanter Dicke elektrisch leitend befestigt. Diese Befestigung wird durch eine leitfähige Verklebung hergestellt. Der Vorteil einer Verklebung ist, daß die elektrische Verbindung eine möglichst große Kontaktfläche hat, dies senkt den Übergangswiderstand und verteilt die Kraft zwischen beiden Materialien auf eine möglichst große Fläche. Bei einer Verklebung entfällt auch das ansonsten bei der Herstellung einer Lotverbindung erforderliche Erwärmen auf Temperaturen, bei denen das Lot schmilzt. Beim Löten werden nämlich besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um eine Schädigung der Schleifringbasis zu vermeiden, wie Demontage oder Anbringen eines Wärmeschildes.

Die Gleitschicht besteht aus einem elektrisch leitenden Graphit-Werkstoff. Bevorzugt wird als Material für die Gleitschicht ein Graphit-Werkstoff mit einer Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa eingesetzt. Weiterhin wird bevorzugt isostatisch gepreßter Graphit-Werkstoff verwendet. Die Dicke der Gleitschicht sollte wegen des im Vergleich zum metallischen Ring höheren spezifischen Widerstandes möglichst gering gehalten werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß einerseits die mechanische Stabilität der Gleitschicht mit geringerer Dicke kleiner wird, und andererseits der Abrieb in Verbindung mit den bevorzugt aus Kohlenstoff-Werkstoffen bestehenden Bürsten durch die geeignete Auswahl von Werkstoff und dessen Dicke so gestaltet werden soll, daß die durch Erneuerung der Gleitschicht erforderlich werdenden Wartungsintervalle gleich oder größer sind als die durchschnittliche Wälzlager-Lebensdauer. Die Dicke der Gleitschicht sollte daher nicht mehr als 11 % des Außenradius des Schleifrings (also des äußeren Radius der Gleitschicht) betragen; bevorzugt ist die Dicke der Gleitschicht 10 % oder weniger dieses Radius, insbesondere 8 % oder weniger, wobei Anteile von 6 % und darunter bzw. 4 % und darunter besonders bevorzugt werden.

Zur Verklebung von Gleitschicht und metallischem Ring werden leitfähige Klebstoffe verwendet. Diese Klebstoffe sollten bevorzugt so ausgewählt werden, daß ihre Temperaturbeständigkeit so groß ist, daß auch eine feste Verklebung der Gleitschicht auf dem metallischen Ring bei Betriebstemperatur gesichert ist bei den während des Betriebs der Schleifringanordnung auftretenden Temperaturen am Schleifring. Bevorzugt werden jedoch auch Kleber verwendet, die keine geeignete eigene Leitfähigkeit aufweisen, denen jedoch ein Metallpulver, bevorzugt Kupferpulver, zugesetzt wird. Nach dem Ausbringen der Klebstoffschicht wird die bestrichene Fläche mit dem Metallpulver bestreut, um eine elektrisch leitende Klebeverbindung zu erhalten. Die verwendeten Metallpulver weisen bevorzugt eine Körnung von 0,01 mm bis 0,2 mm auf. Zu den verwendeten Klebern zählen insbesondere Epoxidharzkleber, Phenolharzkleber, Cyanatesterharzkleber sowie Kleber auf der Basis von Polyurethanharzen, Polyesterharzen und Aminharzen. Besonders bevorzugt werden für die erfindungsgemäßen Schleifringe Phenolharzkleber eingesetzt. Die Schichtdicke des Klebers auf der Oberfläche der metallischen Ringe bzw. auf der Innenfläche der Gleitschicht beträgt bevorzugt zwischen 0,02 mm und 0,2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,1 mm. Beim Verkleben werden die Gleitschicht-Segmente auf den tragenden metallischen Ring paßgenau aufgesetzt und unter gleichmäßigem Druck aufgepreßt. Dabei sollte die Fugenbreite zwischen den einzelnen Segmenten der Gleitschicht möglichst gering gehalten werden.

Als Gleitpartner zur Gleitschicht der Schleifringe werden bevorzugt Graphitbürsten verwendet, daß heißt Bürsten aus Kohlenstoff- Werkstoffen mit einem graphitischen Charakter. Hierzu zählen insbesondere Elektrographit und gebrannte Kohlenstoff- Werkstoffe, die Naturgraphit beinhalten.

Als weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist zu nennen, daß die Gleitschicht, die bevorzugt aus dem genannten biegefesten Kohlenstoff-Werkstoff besteht, bei Bedarf problemlos erneuert werden kann; dazu muß lediglich die verbliebene Gleitschicht und die Kleberschicht bis auf das Metall abgedreht werden, worauf dann eine neue Gleitschicht aufgebracht werden kann. Änderungen der Bürstenstellung bei dieser Überholung werden hier nicht erforderlich. Bei einer reinen Metallausführung muß der Schleifring bei Verschleiß überarbeitet werden, wobei ein Mindestdurchmesser nicht unterschritten werden darf.

Die teilweise oder vollständige Umrüstung von bestehenden Maschinen mit rein metallischen Schleifringen ist problemlos derart vorzunehmen, daß die metallische Kontaktschicht an der äußeren Mantelfläche der vorhandenen Schleifringe abgetragen wird, besonders bevorzugt durch Abdrehen, daß die Gleitschicht in der erforderlichen Dicke aufgebracht und mit dem verbleibenden metallischen Ring durch Klebung verbunden werden kann. Die Gleitschicht kann, falls zur Beseitigung von Oberflächenunregelmäßigkeiten erforderlich, anschließend z.B. durch Abdrehen oder Schleifen überarbeitet werden. Insbesondere bei dieser Nachrüstung zeigt sich der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung, da üblicherweise die Dicke der Laufschicht von metallischen Schleifringen groß genug ist, um ohne Verlust an Stabilität auf den erforderlichen Durchmesser abgedreht zu werden. Dies gilt insbesondere bei metallischen Schleifringen, die zwei Schichten in radialer Richtung aufweisen, eine metallische Trägerschicht und eine separate äußere Laufschicht.

Von besonderem Vorteil ist es, die metallischen Schleifringe einer vorhandenen Maschine derart (z.B. durch Schleifen_; Drehen oder Fräsen) vorzubereiten, daß an mindestens einem der Ränder der äußeren Mantelfläche der verbleibenden metallischen Ringe jeweils ein Überstand (des zunehmenden Radius) stehen bleibt, der bevorzugt 0,5 mm bis 5 mm, insbesondere 1 mm bis 3 mm breit und 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 bis 2 mm hoch ist. Die Gleitschicht wird in die zylindrische Nut, die auf diese Weise entsteht, derart eingeklebt, daß die Gleitschicht mit den Überständen abschließt oder diese vorzugsweise um bis zu 5 mm, insbesondere bis zu 3 mm überragt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann der gesamte Schleifringkörper zur Überholung bzw. Erneuerung der Gleitschicht eingespannt werden, die Schleifringe werden bis auf die metallische Basis abgedreht und die Gleitschicht kann bei einem oder mehreren Schleifringen gleichzeitig ersetzt werden.

Die Gleitschicht kann aus einem geschlossenen Ring bestehen; es wird jedoch bevorzugt, die Gleitschicht aus mehreren Segmenten zusammenzusetzen, die aus Graphitringen geschnitten werden, wobei sie in mindestens zwei, besonders bevorzugt in mindestens drei Segmenten auf den Träger aufgebracht wird. Dabei ist es günstig, den Stoß zwischen zwei aneinanderliegenden Gleitschicht-Segmenten nicht parallel zur Drehachse (d.h. senkrecht zur Tangente) auszuführen, sondern in einem Winkel zur Tangente von maximal 75°, bevorzugt maximal 60°, und besonders bevorzugt bis zu 45°. Es hat sich also besonders vorteilhaft erwiesen, falls die Gleitschicht einteilig in Form eines Ringes aufgebracht wird, diesen umlaufend zu schlitzen mit einem Winkel β gegenüber der Tangente, der bevorzugt so zu bemessen ist, daß der Schlitz mindestens einmal über den vollen Umfang der Gleitschicht verläuft. Wird die Gleitschicht in mehr als einem Segment aufgebracht, so ist es vorteilhaft, diese Segmente nicht mit gleicher Bogenlänge zu bemessen, sondern die Bogenlänge des längsten Segments sollte mindestens 110 % der Länge des anderen bzw. des zweitlängsten Segments betragen. Die Dicke der Gleitschicht beträgt bis zu 11 % des Außenradius des Schleifrings, bevorzugt maximal 5 mm, insbesondere 4 min und weniger.

Es zeigen
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Schleifringkörper
2 eine Detailvergrößerung gemäß dem Ausschnitt II in
1
3 eine Detailvergrößerung entsprechend dem Ausschnittvon 2 von einer alternativen Ausführung zu 1
4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV – IV in 1
5 eine seitliche Draufsicht auf einen Schleifring-Körper gemäß 4
6 eine Draufsicht auf einen Schleifring-Körper gemäß einer alternativen Ausführungsform zu 4
Einen Schleifringkörper 11 nach der Erfindung mit insgesamt drei Schleifringen 10, 10', 10'' ist in der 1 dargestellt, die ein Schnitt durch den Schleifringkörper 11 in einer Ebene parallel zur Drehachse ist. Auf einer Isolierschicht 12, die auf eine Nabe 1 aufgebracht ist, sind metallische Ringe 2, 2', 2'' befestigt. Auf der Mantelfläche dieser metallischen Ringe 2, 2', 2'' ist jeweils eine Gleitschicht 3, 3' und 3'' in Form eines zylindrischen Ringes aufgeklebt mit Hilfe eines elektrisch leitfähigen Klebers. Diese Konstruktion ist aus der 2 ersichtlich, die eine Ausschnittsvergrößerung der 1 ist. Hier ist ein metallischer Ring 2 dargestellt, auf dem die ringförmige Gleitschicht 3 durch den elektrisch leitfähigen Kleber 6 befestigt ist.
Die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform, bei der der metallische Ring 2 so ausgeführt wird, daß an den Rändern der äußeren Mantelfläche jeweils ein Überstand 4, 4' stehen bleibt, ist in der 3 zu sehen. Diese ist eine abgewandelte Ausführungsform gegenüber der in 2 bzw. 1 dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zur in der 1 dargestellten Konstruktion ist hier an beiden Rändern des äußeren Mantels des metallischen Ringes 2 jeweils ein Überstand 4 und 4' stehen geblieben, wodurch in der Mitte der äußeren Begrenzungsfläche des metallischen Ringes 2 eine Nut 5 gebildet wird, in die die Gleitschicht bündig eingebracht werden kann. Auf dem Grund der Nut 5 wird der elektrisch leitfähige Kleber 6 aufgestrichen, die Gleitschicht 3 wird aufgesetzt und mit dem metallischen Ring 2 verklebt.
Die 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV der 1. Auf der Isolierschicht 12 über der Nabe 1 ist der metallische Ring 2'' befestigt, auf dem die Gleitschicht 3'' aufgeklebt ist. In dieser 4 ist die mehrteilige Ausführungsform der Gleitschicht 3'' zu erkennen, wobei hier eine dreiteilige Ausführungsform dargestellt ist, mit den Gleitschicht-Segmenten 3'', 3'', und 3''; und den Stoßstellen 7, 7' und 7''.
In der 5 ist eine Draufsicht auf einen derartigen Schleifring dargestellt, wobei die Blickrichtung senkrecht zur Achse und senkrecht zum Durchmesser des Schleifrings ist. Auf den metallischen Ring 2 ist die Gleitschicht 3 in mehreren Segmenten aufgeklebt, wobei hier ein Stoß 8 zwischen zwei Segmenten der Gleitschicht zu sehen ist. Der Winkel α des Stoßes 8 gegen die Tangente beträgt 60°.
Die 6 schließlich zeigt in der Draufsicht wie 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform, wobei der die Gleitschicht bildende Ring 3 geschlitzt ist. Der Winkel ß des Schlitzes 9 gegenüber der Tangente wird bevorzugt so gewählt, daß der Schlitz entlang einer Spirallinie auf der Mantelfläche der zylindrischen Gleitschicht läuft und die Länge des Schlitzes größer als der Umfang der Mantelfläche ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß der Ring zum Aufbringen auf dem auf der Nabe 1 befestigten metallischen Ring 2 aufgeweitet werden kann, wobei er sogar gegebenenfalls über einen gemäß der Darstellung in 3 vorhandenen erhabenen Überstand 4 bzw. 4'' des metallischen Rings 2 ohne Bruchgefahr in die Nut 5 eingebracht werden kann. Die geschlitzte Gleitschicht 3 wird anschließend so auf dem metallischen Ring 2 festgeklebt, daß sie bündig anliegt und die Breite des Schlitzes 9 möglichst gering ist. Der spitze Winkel β des Schlitzes 9 gegenüber der Tangente minimiert weiter mögliche Unebenheiten oder Stöße und verringert dadurch den Abrieb.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele erläutert:
Vergleichsbeispiel
In einem Standard 6 kV-Elektromotor (Typ "1LS1 456-4HA60-Z" der Siemens AG, Nr. 904 068) mit Schleifringen gemäß dem Stand der Technik aus Stahl X10Cr13 und zugehörigen optimierten Bürsten, nämlich Metallgraphitbürsten "RC53" der Fa. SGL CARBON GmbH wurde während des Betriebs mit Nennlast die Temperatur der Zuluft, an der Wicklung, im Schleifringraum, an den Bürsten und an den Schleifringen bestimmt. Der Abrieb an Bürsten und Schleifringen wurde bestimmt.
Beispiel
Der Schleifring-Körper aus dem Vergleichsbeispiel (mit einem Durchmesser von 280 mm) wurde zentrisch auf einer Drehbank eingespannt und die Schleifringe aus Stahl auf einen Außendurchmesser von 270 mm abgedreht. Auf die durch das Abdrehen entstandene blanke Oberfläche wurden drei Ringsegmente aus einem isostatisch gepreßten Graphit der Marke 300 der Fa. SGL CARBON GmbH der Abmessungen: Innendurchmesser 270 mm, Außendurchmesser 282 mm, Breite 30 mm mit Hilfe eines Phenolharzes als Kleber, das mit Kupferpulver der Sorte FFL der Fa. Norddeutsche Affinerie gefüllt war (Zusammensetzung: 50 Gew.% Harz, 50 Gew.% Kupferpulver), aufgeklebt. Die Stoßstellen zwischen den Segmenten wurden mit einer Schräge von 60° ausgeführt. Der Schleifringkörper wurde abermals zentrisch eingespannt und auf 280 mm Außendurchmesser abgedreht. Der Schleifringkörper wurde wieder in den Motor eingebaut. Es wurden dieselben Messungen wie im Vergleichsbeispiel ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengestellt.
Umfangreiche Vergleiche zwischen den beiden Konfigurationen mit unterschiedlichen Betriebszeiten und unterschiedlicher Last ergaben, daß die Temperatur der Bürsten in der erfindungsgemäßen Ausführung im Mittel 13 bis 23°C niedriger als die des Vergleichs lag, die Temperatur der Schleifringe war im Mittel um 12 bis 18 °C geringer als beim Vergleich. Aufgrund der geringeren Temperaturbeanspruchung in der erfindungsgemäßen Schleifring-Anordnung kann die Lebensdauer der Komponenten der elektrischen Maschinen, wie z.B. der Lager, gesteigert werden.
Bei höherer Laufzeit (einige hundert Stunden) war im Vergleich ein deutlicher Abtrag der Bürsten der konventionellen Anordnung (Vergleich) festzustellen, während die erfindungsgemäße Anordnung keinen meßbaren Bürstenverschleiß der eingesetzten Bürsten erkennen ließ. Der Verschleiß an den Schleifringen war bei dieser kurzen Laufzeit nicht meßbar.
Weiterhin wurden Versuche mit der Vergleichschleifring- Anordnung und dem erfindungsgemäßen Schieifringkörper gemäß dem Beispiel auf Prüfständen durchgeführt, um die Systeme unter Extrembelastungen zu testen. Hierbei waren die Schleifring- Anordnungen auf einem 710 KW Motor angebracht und es wurden Einschaltversuche in Form von Hochläufen mit unterschiedlichen Läuferströmen durchgeführt, d. h. es wurde ihnen kurzfristig eine sehr große Leistung abverlangt. Bei der Vergleichschleifringanordnung gemäß dem bisherigen Stand der Technik konnten diese Versuche bis zu einer 3,2- fachen Belastung des Nennstroms durchgeführt werden, was einer Stromdichte je Bürste von ca. 32 A/cm² entspricht. Hierbei wiesen in der Standardausführung allerdings sowohl die Schleifringe als auch die Bürstenlaufflächen starke Schädigungen durch Anschmelzungen auf (Feuern der Bürsten wurde beobachtet). Der erfindungsgemäße Schleifringkörper gemäß dem Beispiel konnte sogar bis zu dem ca. 3,5-fachen Nennstrom belastet werden, was einer Stromdichte über dem erfindungsgemäßen Schleifringkörper von 40 A/cm² entspricht. Auch bei dieser noch höheren Belastung konnten keine Schädigungen an den Schleifringen und Bürsten ( Feuern der Bürsten) der erfindungsgemäßen Schleifringkörper beobachtet werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schleifringkörper besteht darin, daß die Schleifringe nahezu ohne Austausch verwendet werden können. Lediglich die Gleitschicht kann falls erforderlich erneuert werden, ohne jedoch den metallischen Ring nennenswert anzugreifen. Dagegen mußten die bisher benutzten metallischen Schleifringe mit der Zeit erneuert werden, weil sie bei jeder fristmäßigen Wartung der elektrischen Maschinen zum Austausch der Lager abgedreht werden mußten, um die Riefenbildung an der Schleifringoberfläche auszugleichen.

Claims

Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe (10, 10', 10'') des Schleifringkörpers (11) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe (10, 10', 10'') metallische Ringe (2, 2' und 2'') und eine elektrisch leitende Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus kreisbogenförmigen Segmenten besteht, deren Dicke maximal 11 % des Radius eines Schleifrings (10, 10', 10'') beträgt und die elektrisch leitend auf dem Umfang der metallischen Ringe (2, 2' und 2'') durch Verklebung befestigt sind.
Schleifringkörper nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stoßstellen (7, 7' und 7'') zwischen den Segmenten der Gleitschicht einen Winkel α von maximal 75 ° zu einer Tangente an die Mantelfläche eines Schleifrings (10, 10', 10'') aufweisen, wobei die Tangente senkrecht zur Mittelachse eines Schleifrings (10, 10', 10'') ausgerichtet ist.
Schleifringkörper nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente unterschedliche Bogenlängen aufweisen, wobei die Bogenlänge des längsten Segments mindestens 110 % der Bogenlänge des zweitlängsten Segmentes beträgt.
Schleifringkörper für eine Schleifringanordnung für elektrische Motoren und Generatoren, in der Bürsten aus Kohlenstoff-Werkstoffen und Schleifringe (10, 10', 10'') des Schleifringkörpers (11) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schleifringe (10, 10', 10'') metallische Ringe (2, 2' und 2'') und eine elektrisch leitende Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus einem Graphit-Werkstoff umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3'') aus einem Ring besteht, in dessen Mantelfläche ein Schlitz (9) spiralförmig umläuft und daß der Schlitz (9) mit einer zur Mittelachse des Ringes senkrechten Tangente an die Mantelfläche einen Winkel β einschließt.
Schleifringkörper nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß so bemessen ist, daß sich der Schlitz (9) mindestens einmal über den vollen Umfang des Ringes erstreckt.
Schleifringkörper nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung von Gleitschicht (3, 3' und 3'') und metallischen Schleifringen (2, 2' und 2'') mit einem temperaturbeständigen Klebstoff erfolgt, der eine feste Verbindung der Gleitschicht (3, 3' und 3'') mit den Schleifringen (2, 2' und 2'') ergibt.
Schleifringkörper nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung von Gleitschicht (3, 3' und 3'') und metallischen Schleifringen (2, 2' und 2'') mit einem Klebstoff erfolgt, dem ein Metallpulver zugesetzt ist.
Schleifringkörper nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Gleitschicht (3, 3' und 3'') eine Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa aufweist.
Schleifringkörper nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3, 3' und 3'' aus einem isostatisch gepreßten Graphit-Werkstoff besteht.
Schleifringkörper nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet_; daß die Schleifringe (2, 2', 2'') so ausgeführt sind, daß sie gegenüber der Gleitschicht (3) zumindestens an einer Seite einen Uberstand (4, 4') aufweisen.
Schleifringkörper nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (4, 4') eine Breite zwischen 0,5 mm und 5 mm und eine Höhe zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweist.
Verfahren zur Umrüstung von Schleifringkörpern, die metallische Ringe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Kontaktschicht an einer der äußeren Mantelflächen von mindestens einem der metallischen Schleifringe entsprechend der Dicke einer aufzubringenden Gleitschicht abgetragen wird und daß anschließend eine Gleitschicht (3, 3', 3'') unter Bildung eines Schleifringkörpers entsprechend einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 9 aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen der metallischen Kontaktschicht bei mindestens einem der metallischen Schleifringe so erfolgt, daß mindestens an einem Rand der äußeren Mantelfläche des metallischen Schleifrings (2, 2' und 2'') ein Uberstand (4, 4') erhalten bleibt und daß eine Gleitschicht (3, 3', 3'') unter Bildung eines Schleifringkörpers entsprechend einem oder mehreren Patentansprüche 1 bis 9 aufgebracht wird.