EP2426793A1 - Abrasive ring brush system for current controlled synchronous motor rotor - Google Patents
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- EP2426793A1 EP2426793A1 EP10174941A EP10174941A EP2426793A1 EP 2426793 A1 EP2426793 A1 EP 2426793A1 EP 10174941 A EP10174941 A EP 10174941A EP 10174941 A EP10174941 A EP 10174941A EP 2426793 A1 EP2426793 A1 EP 2426793A1
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schleifring-Bürsten-System, welches vorzugsweise für die Übertragung von Erregerstrom auf den Rotor eines stromerregten Synchronmotors für Hauptantriebe von Elektromobilen geeignet ist.The present invention relates to a slip ring brush system, which is preferably suitable for the transmission of exciting current to the rotor of a current-excited synchronous motor for main drives of electric vehicles.
Wie bekannt, spielt die Dimensionierung der Erregerstromübertragung vom stehenden Motorgehäuse auf die rotierende Welle bei stromerregten Elektromotoren, insbesondere bei stromerregten Synchronmotoren (SSM) eine wichtige Rolle. Ohne diese externe Stromzufuhr verhält sich dieser Motor - abgesehen von der geringfügigen Magnetisierung durch allfällige Dauermagnete - wie ein Reluktanzmotor. Die ununterbrochene Stromversorgung der Rotorwicklungen ist somit eine Grundvoraussetzung, um die Vorteile des stromerregten Synchronmotors praktisch nutzbar zu machen. Durch die Stromerregung kann auf die Verwendung hochwertiger Magnete aus seltenen Erden Verzichtet werden. Der weltweit steigende Bedarf an seltenen Erden, verbunden mit der beschränkten Förderkapazität erhöhen die Bedeutung der Entwicklung eines stromerregten Elektromotors und damit verbunden den Bedarf einer kostengünstigen, konduktiven Rotorstromübertragung mit Bürste und Schleifring.As is known, the dimensioning of the exciting current transmission from the stationary motor housing to the rotating shaft plays an important role in electrically excited electric motors, in particular in the case of current-excited synchronous motors (SSM). Without this external power supply, this motor behaves like a reluctance motor, apart from the slight magnetization of any permanent magnets. The uninterrupted power supply of the rotor windings is thus a basic prerequisite for making the advantages of the current-excited synchronous motor practically usable. Due to the current excitation can be waived on the use of high-quality magnets from rare earths. The increasing worldwide demand for rare earths, combined with the limited production capacity, increase the importance of the development of a current-excited electric motor and, consequently, the need for a cost-effective, conductive rotor current transfer with brush and slip ring.
Bei elektrischen Rotationsmaschinen mit einer hohen Leistungsabgabe und einem hohen Wirkungsgrad wird bevorzugt, den elektrischen Verlust der Bürsten soweit wie möglich zu verringern, da der elektrische Verlust in den Bürsten den Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Rotationsmaschine erheblich beeinträchtigt. Eine bekannte Möglichkeit zum Verringern des elektrischen Verlusts verwendet Bürsten, die aus Graphit und einem leitfähigen Metall, insbesondere aus Kupfer, hergestellt sind.In electric rotary machines with a high power output and a high efficiency is preferred, the electrical loss of To reduce brushing as much as possible, since the electrical loss in the brush significantly affects the overall efficiency of the rotary electric machine. One known way of reducing electrical loss uses brushes made of graphite and a conductive metal, particularly copper.
Das Anwendungsgebiet von Kohlebürste und Schleifring ist sehr groß und lässt sich in zwei Bereiche aufteilen:
- ■ Kohlebürsten für Gleichstrommotoren (Anlasser-, Lüfter-, Scheibenwischer- und Stellmotor, Motor der Benzinpumpe)
- ■ Kohlebürsten für Wechselstrommotoren (vorrangig in Haushaltsgeräten: Staubsauger, Quirl und Mixer)
- ■ Brushes for DC motors (starter, fan, windscreen wiper and servomotor, motor of the fuel pump)
- ■ Carbon brushes for AC motors (primarily in household appliances: vacuum cleaner, whisk and mixer)
Bei der Auslegung von Bürsten und Schleifringen beim stromerregten Synchronmotor kann jedoch nur bedingt auf den aktuellen Stand der Technik zurückgegriffen werden, da sich die Randbedingungen von den bisherigen Einsatzgebieten unterscheiden.In the design of brushes and slip rings in the current-excited synchronous motor, however, can be used only conditionally to the current state of the art, since the boundary conditions differ from the previous applications.
Bei stromerregten Synchronmotoren werden zurzeit ausschließlich radiale Bürstenanordnung zum Schleifring eingesetzt. Bei der radialen Bürstenanordnung herkömmlicher Generatoren oder Motoren wird in der Regel die gesamte Motorleistung über die Bürsten geführt, was eine besonders grosse Dimensionierung der Bürsten erfordert.In current-excited synchronous motors currently only radial brush arrangement are used for slip ring. In the case of the radial brush arrangement of conventional generators or motors, as a rule the entire motor power is conducted via the brushes, which requires a particularly large dimensioning of the brushes.
Selten werden axial angeordnete Kohlenbürsten in der Praxis, z.B. bei einer nasslaufenden Kraftstoffpumpe, oder als Erdungskontakt einer Eisenbahn sowie für den Blitzschutz bei Windkraftrotoren verwendet.Rarely, axially arranged carbon brushes are used in practice, e.g. used in a wet running fuel pump, or as grounding contact of a railway and for the lightning protection of wind power rotors.
Typischerweise werden Kohlebürsten radial auf die Welle angeordnet.Typically, carbon brushes are arranged radially on the shaft.
Aus der
Ein Nachteil des obigen Schleifring-Bürsten-Systems mit radialen Bürsten liegt darin, dass es einerseits einen großen Einbauraum im Maschinengehäuse zum Einsatz von Bürsten und Schleifring braucht, andererseits der Wechsel bzw. die Reparatur der Bürsten zu beschwerlich und arbeitsintensiv sind. Dies spielt allerdings bei einem Startermotor kaum eine Rolle, da seine Einschaltdauer gering ist und daher in der Regel die Lebensdauer ohne Bürstentausch der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs entspricht. Die Baugrösse wiederum ist akzeptiert, da der Startermotor im Vergleich zum übrigen Motor insgesamt nur relativ klein ist.A disadvantage of the above slip ring brush system with radial brushes is that on the one hand it requires a large installation space in the machine housing for the use of brushes and slip ring, on the other hand, the change or repair of the brushes are too cumbersome and labor intensive. However, this hardly plays a role in a starter motor, since its duty cycle is low and therefore usually corresponds to the life without brush replacement the life of the motor vehicle. The size in turn is accepted because the starter motor is relatively small in comparison to the rest of the engine.
Anders verhält sich die Situation aber bei Rotormaschinen für den Fahrantrieb von Elektrofahrzeugen. Dort sind diese beiden Nachteile nicht erwünscht. Insbesondere für den Einsatz von stromerregten Synchronmotoren in Elektromobilen, ist ein geringer Platzbedarf des elektrischen Übertragungssystems und ein geringer Servicebedarf bzw. eine gute Zugänglichkeit für einen evtl. anstehenden Bürstenwechsel gefordert.However, the situation is different for rotor machines for the propulsion of electric vehicles. There, these two disadvantages are not desirable. In particular, for the use of power-driven synchronous motors in electric vehicles, a small footprint of the electrical transmission system and a low service requirements or good accessibility for a possible upcoming brush change is required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schleifring-Bürsten-System zur Übertragung von elektrischem Erregerstrom auf einen Rotor elektrischer Rotationsmaschinen, z.B. Elektromotoren, insbesondere stromerregten Synchronmotoren für Elektromobile zu schaffen, durch welches die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik reduziert, bzw. eliminiert werden können. Zudem sollten spezielle Bedürfnisse des Elektromobilbaus optimiert wahrgenommen werden, ohne dabei den Aufwand für das Bürstensystem nennenswert zu erhöhen.The invention has for its object to provide an improved slip ring brush system for transmitting electrical excitation current to a rotor of rotary electric machines, such as electric motors, in particular electrically excited synchronous motors for electric vehicles, through which reduces the above-mentioned disadvantages of the prior art, or can be eliminated. In addition, special needs of the electromobility should be perceived optimized, without significantly increasing the cost of the brush system.
Durch das erfindungsgemäße System soll also verwirklicht werden:
- ■ Eine kontinuierliche und störungsfreie Stromübertragung zwischen relativ zueinander rotierenden Elementen elektrischer Rotationsmaschinen;
- ■ Eine kompakte Anordnung der Bürsten-Elemente mit leichter Zugänglichkeit der Bürsten, die als Verschleißteile einfach austauschbar sein sollten.
- ■ Eine geringe axiale Baulänge der Rotationsmaschine
- ■ A continuous and trouble-free power transmission between relatively rotating elements of rotary electric machines;
- ■ A compact arrangement of the brush elements with easy accessibility of the brushes, which should be easily replaceable as wear parts.
- ■ A small axial length of the rotary machine
Die gestellten Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The objects are achieved by the features of
Bei dem beispielhaft vorgeschlagenen Einsatzgebiet einer axialen Bürstenanordnung wird jedoch lediglich circa 2% der Nennleistung - als eine Erregerleistung - über die Bürsten geführt. Für einen sicheren Betrieb dieses Elektromotors ist bei dieser Lösung ein kontinuierlicher Bürstenkontakt zum Schleifring besonders wichtig.However, in the exemplary proposed field of application of an axial brush arrangement, only about 2% of the rated power - as an excitation power - is conducted via the brushes. For a safe operation of this electric motor, a continuous brush contact with the slip ring is particularly important in this solution.
Die nachfolgenden erfinderischen Erkenntnisse beeinflussten besonders das erfinderische Konzept und die darauf aufbauende Weiterentwicklung der Erfindung des erfindungsgemässen Schleifring-Bürsten-Systems, wie folgt:
- ■ Bauraumneutralität: Dies bedeutet eine Kompatibilität zu allen herkömmlichen Elektromotoren mit Permanentmagnetantrieb (z.B.: IPM), wobei die Außen-geometrie des Motors unverändert beibehalten aber die Innengeometrie der Lageschilde anpassbar ist;
- ■ Minimaler Bauraum für das Schleifring-Bürsten-Systems trotzt axialer Bürstenposition (Bisher wurde in der Fachwelt eher von einer Baulängenerhöhung durch axiale Bürsten ausgegangen);
- ■ Bürsten sollen möglichst einfach auszuwechseln sein: Die Erfindung sieht daher ein en bloc auswechselbares Bürstenpaket mit Steckverbindung vor, so dass bei guter Zugänglichkeit der Bürstenwechsel schnell erfolgen kann;
- ■ Wicklungsverschaltung ist mithilfe einer kunststoffumspritzten Leiterplatte bewerkstelligt. Daraus ergibt sich einerseits Variationsfreiheit in der Polverschaltung bei identischer Rotorbewicklung, andererseits jedoch auch eine bessere und wirtschaftlichere Basis für Schleifringe;
- ■ Schleifringe sind erfindungsgemäss einerseits integriert, andererseits aber voneinander hinreichend abgetrennt, um Luft- und Kriechstrecken einzuhalten;
- ■ Durch die Erfindung ergibt sich eine zuverlässige mitdrehbare Befestigungsmöglichkeit der Schleifringe stirnseitig am Rotor.
- ■ Durch die Erfindung wird vor allem bei den hohen Drehzahlen von Hauptantrieben (bis ca. 12000 U/min) ein Bürstenfeuer unterbunden. Ähnlich dem Überdrehen der Schleifringe bei radialer Anordnung bietet die Leiterplatte die Möglichkeit einer nachträglichen, spanabtragenden Bearbeitung um damit den notwendigen Planlauf zu erreichen. Andererseits sind die Leiterplatten problemlos plan herstellund montierbar, so dass sich diesbezüglich ein Vorteil gegenüber den hülsenförmig aufzuziehenden Schleifringen ergibt.
- ■ Die erfindungsgemässe Ausbildung der Schleifringe erhöht zwar die die Umfangsgeschwindigkeit wenigstens eines Schleifrings gegenüber einer radialen Anordnung auf der Welle, dies hat jedoch auch den positiven Nebeneffekt, dass durch die erhöhte Fliehkraft eine verbesserte Reinigung der Isolationsteile der Schleifringe von Kohlenstaub erfolgt.
- ■ Space neutrality: this means compatibility with all conventional permanent magnet electric motors (eg: IPM), maintaining the motor's outer geometry unchanged, but adapting the internal geometry of the bearing shields;
- ■ Minimum installation space for the slip ring brush system defies axial brush position (Up to now, it has been assumed in the professional world rather by an increase in length by axial brushes);
- ■ Brushes should be as simple as possible to replace: The invention therefore provides an en bloc interchangeable brush package with connector, so that with good accessibility, the brush replacement can be done quickly;
- ■ Winding connection is accomplished by means of a plastic-coated printed circuit board. This results on the one hand freedom of variation in the pole circuit with identical rotor winding, on the other hand, however, a better and more economical basis for slip rings;
- ■ Slip rings according to the invention on the one hand integrated, on the other hand, but sufficiently separated from each other to comply with air and creepage distances;
- ■ The invention results in a reliable mitdrehbare attachment possibility of the slip rings frontally on the rotor.
- ■ By the invention, a brush fire is suppressed, especially at the high speeds of main drives (up to 12000 U / min). Similar to the over-rotation of the slip rings in a radial arrangement, the circuit board offers the possibility of a subsequent, chip-removing machining in order to achieve the necessary axial runout. On the other hand, the circuit boards can be easily manufactured and assembled plan, so that there is an advantage in this respect over the sleeve-shaped slip rings to be created.
- Although the inventive design of the slip rings increases the peripheral speed of at least one slip ring relative to a radial arrangement on the shaft, this also has the positive side effect that the increased centrifugal force improves the cleaning of the insulating parts of the slip rings of pulverized coal.
Die erfindungsgemäße Weiterentwicklung ging also von dem oben erörterten bekannten Schleifring-Bürsten-System für Übertragung von elektrischen Signalen bzw. Erregerstrom auf einen Rotor von elektrischen Rotationsmaschinen, insbesondere stromerregten Synchronmotoren aus, welches mit am Rotor befestigten Schleifringen, und mit ortsfest angeordneten Bürsten versehen ist. Jede der Bürsten steht mit je einem der Schleifringe in einer stromübertragenden Reibverbindung.Thus, the invention has been based on the above-discussed known slip ring brush system for transmission of electrical signals or excitation current to a rotor of rotary electric machines, in particular current-excited synchronous motors, which is provided with attached to the rotor slip rings, and with fixedly arranged brushes. Each of the brushes is in each case one of the slip rings in a current-transmitting friction connection.
Das Wesen der Erfindung wird darin gesehen, dass die Schleifringe zusammen mit mindestens einer Leiterplatte und mindestens einer isolierende Umhüllung zu einer integrierten Schleifringeinheit vereinigt sind. In dieser integrierten Schleifringeinheit sind die Schleifringe koaxial und voneinander in einem radialen Abstand angeordnet und wirken mit den Bürsten zur elektrischen Stromübertragung zusammen. Die integrierte Schleifringeinheit ist stirnseitig am Rotor zentriert und mitdrehstarr befestigt. Die Bürsten sind in axialer Richtung des Rotors orientiert/angeordnet.The essence of the invention is seen in the fact that the slip rings are combined together with at least one printed circuit board and at least one insulating sheath to form an integrated slip ring unit. In this integrated slip ring unit, the slip rings are coaxial and spaced apart from each other at a radial distance and cooperate with the electrical power transmission brushes. The integrated slip ring unit is centered on the front side of the rotor and fixed in a torsionally rigid manner. The brushes are oriented / arranged in the axial direction of the rotor.
Da dieses System in gleicher Weise zur Übertragung von Signalströmen (z.B. zur Auswertung eines Temperatursensors auf dem Rotor verwendet werden kann, ist es nicht auf die Erregerstromübertragung eingeschränkt sondern ist allgemein auch für die Signalübertragung zwischen Rotor und den nichtrotierenden Teilen des Motors einsetzbar.Since this system can equally be used to transmit signal currents (e.g., to evaluate a temperature sensor on the rotor, it is not limited to excitation current transmission but is generally applicable to signal transmission between the rotor and non-rotating parts of the motor.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die integrierte und axial beaufschlagte Schleifringeinheit stirnseitig am Rotor durch einen, die Wicklungsköpfe des Rotors gegen axiale und radiale Belastungen abstützenden Stützring befestigt. Die integrierte Schleifringeinheit ist vorzugsweise ring-scheibenförmig ausgestaltet.In a preferred embodiment, the integrated and axially loaded slip ring unit is frontally on the rotor by one, the winding heads of the rotor against axial and radial loads supporting Attached support ring. The integrated slip ring unit is preferably designed annular disc-shaped.
Auch eine solche Ausführung der Erfindung ist denkbar, bei welcher in den radialen Abstand zwischen den koaxialen und im eingebautem Zustand vorzugsweise in der gleichen vertikalen Ebene liegenden Schleifringen der integrierten Schleifringeinheit eine zusätzliche elektrische Durchschlag-Isolierung eingebaut ist. Dadurch kann die Durchschlagsicherheit für höhere Spannungen weiter erhöht werden.Such an embodiment of the invention is conceivable in which in the radial distance between the coaxial and in the installed state preferably in the same vertical plane lying slip rings of the integrated slip ring unit an additional electrical breakdown insulation is installed. As a result, the breakdown resistance for higher voltages can be further increased.
Verfahrenstechnisch ist es vorteilhaft, wenn die isolierende Umhüllung der integrierten Schleifringeinheit als eine Kunststoffumspritzung ausgebildet ist.In terms of process technology, it is advantageous if the insulating sheathing of the integrated slip ring unit is designed as a plastic extrusion coating.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die axialen Bürsten in einem isolierenden Gehäuse zu einer integrierten Bürsteneinheit vereinigt. Dadurch kann die integrierte Bürsteneinheit als Ganzes einfach und schnell ausgewechselt werden. Dazu ist es auch zweckmäßig, wenn die integrierte Bürsteneinheit mit einer elektrischen Steckverbindung versehen ist, die sich vorzugsweise alleine durch Entfernen der Bürsteneinheit löst und durch Anbringen der Bürsteneinheit verbindet.In the preferred embodiment of the invention, the axial brushes are combined in an insulating housing to form an integrated brush unit. As a result, the integrated brush unit as a whole can be easily and quickly replaced. For this purpose, it is also expedient if the integrated brush unit is provided with an electrical plug connection, which preferably dissolves alone by removing the brush unit and connects by attaching the brush unit.
Vorzugsweise sind die Bürsten der integrierten Bürsteneinheit aus Elektrographit "E43", und die Schleifringe der integrierten Schleifringeinheit aus CuSn10 (Kupfer-Zinn) hergestellt, um den Verschleiß beim erfindungsgemäßen Schleifring-Bürsten-System möglichst ausschließlich auf den Bürstenverschleiß zu beschränken, den elektrischen Übergangswiderstand zu minimieren und den Bürstenverschleiss möglichst gering zu halten. Die Auswahl des Bürstenmaterials ist mit der Wahl des Werkstoffs für den Schleifring eng verknüpft. Insofern können gegebenenfalls auch andere Kombinationen gewählt werden.Preferably, the brushes of the integrated brush unit are made of electrographite "E43", and the slip rings of the integrated slip ring unit made of CuSn10 (copper-tin) to limit the wear in the slip ring brush system according to the invention exclusively to the brush wear, the electrical contact resistance Minimize and keep the brush wear as low as possible. The choice of brush material is closely linked to the choice of material for the slip ring. In this respect, if necessary, other combinations can be selected.
Das kompakte, erfindungsgemässe Schleifring-Bürsten-System kann vorzugsweise in einen relativ kleinen Einbauraum eines stromerregten Synchronmotors eingebaut werden, welcher axial von einem Stützring des Rotors und einem Lagerschild des Synchronmotors, sowie in radialer Richtung von Lagerschild und Statorwicklung begrenzt ist.The compact, inventive slip ring brush system can preferably be installed in a relatively small installation space of a current-excited synchronous motor which is axially bounded by a support ring of the rotor and a bearing plate of the synchronous motor, and in the radial direction of the bearing plate and stator winding.
Die Erfindung wird eingehender anhand der beiliegenden Figuren nachstehend erläutert, welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung illustrieren. Es zeigt:
-
eine Teilschnittansicht eines stromerregten Synchronmotors mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schleifring-Bürsten-Systems;Figur 1 -
Figuren 2A-2C Ansichten der Teile der erfindungsgemäßen integrierten Schleifringeinheit des Schleifring-Bürsten-Systems nachFig. 1 , im vergrößerten Maßstab; -
eine perspektivische Ansicht der integrierten Schleifringeinheit nachFigur 3Fig. 2C mit zwei axial angeordneten Bürsten; -
Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen integrierten Bürsteneinheit des Schleifring-Bürsten-Systems nachFig. 1 ; -
zerlegte perspektivische Darstellungen der integrierten Bürsteneinheit nachFiguren 5 und 6Fig. 4 ; -
eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen integrierten Bürsteneinheit nachFigur 7Figuren 5 und 6 in zusammengebautem Zustand; -
eine Schnittansicht der integrierten Schleifringeinheit entlang der Linien VIII-VIII inFigur 8 .Figur 3
-
FIG. 1 a partial sectional view of a current-excited synchronous motor with an embodiment of the slip ring brush system according to the invention; -
Figures 2A-2C Views of the parts of the integrated slip ring unit according to the slip ring brush system according to the inventionFig. 1 on an enlarged scale; -
FIG. 3 a perspective view of the integrated slip ring unit afterFig. 2C with two axially arranged brushes; -
FIG. 4 a perspective view of the embodiment of the integrated brush unit of the slip ring brush system according to the invention afterFig. 1 ; -
FIGS. 5 and 6 decomposed perspective views of the integrated brush unit afterFig. 4 ; -
FIG. 7 a perspective view of the embodiment of the integrated brush unit according to the invention afterFIGS. 5 and 6 in assembled condition; -
FIG. 8 a sectional view of the integrated slip ring unit along the lines VIII-VIII inFIG. 3 ,
Das erfindungsgemäße Schleifring-Bürsten-System 2 kann sinngemäß in allen anderen Anwendungsgebieten von elektrischen Drehvorrichtungen eingesetzt werden, bei welchen zwischen sich relativ zueinander rotierenden Einheiten elektrische Signale bzw. elektrischer Strom - insbesondere Erregerstrom - übertragen werden soll.The slip
Am Rotor 4 ist in dieser Ausführung (
Bei der Erregerstromübertragung mit Bürsten und Schleifring ist - ähnlich wie bei permanent erregten Motoren - die hohe Dynamik des Motos eine Grundanforderung an die Erregerstromübertragung. Bei Elektromotoren für Elektromobile kann die Drehzahl bis über 12000 U/min und die Leistung über 100 kW betragen.In the excitation current transmission with brushes and slip ring is - similar to permanently excited motors - the high dynamics of the Motos a basic requirement for the excitation current transmission. For electric motors for Electric vehicles can reach speeds in excess of 12000 rpm and power over 100 kW.
Damit werden - neben der Vermeidung der Nachteile teuren Magnetmaterials - zugunsten einer hohen Motordynamik die an sich bekannten Nachteile bekannter Schleifring-Bürsten-Systeme in Kauf genommen. Der Stand der Technik ist diesbezüglich jedoch noch nicht derart fortgeschritten, um die komplexen Anforderungen eines solchen stromerregten Synchronmotors gerecht zu werden. Daher war zusätzlicher elektrotechnischer Entwicklungsaufwand erforderlich, um eine Verbesserung der Erregerstromübertragung zwischen Bürsten und Schleifringen zu bewirken. Dies wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.Thus, in addition to avoiding the disadvantages of expensive magnetic material, the per se known disadvantages of known slip ring brush systems are accepted in favor of high engine dynamics. However, the state of the art in this regard has not yet progressed to meet the complex requirements of such a current-excited synchronous motor. Therefore, additional electrotechnical development effort has been required to effect an improvement in exciting current transfer between brushes and slip rings. This is solved by the present invention.
Was die mögliche Platzierung des Schleifring-Bürsten-Systems 2 im Synchronmotor 1 anbelangt, wurde zuerst gezielt die Anforderung definiert, welche an die Einbauposition und das Übertragungssystem gestellt werden. Die Anforderung an die Bauraumneutralität, welche eine Kompatibilität zu allen bisherigen Anwendungen und somit jederzeit einen Wechsel bereits eingebauter Elektromotore ermöglicht, ist seitens der Anmelderin als eine wichtige Voraussetzung anzusehen.Concerning the possible placement of the slip
Erfindungsgemäss wird das folgende Konzept der Erregerstromübertragung bewerkstelligt:
- ■ Möglichts minimaler Bauraum für das Schleifring-Bürsten-System; Das Schleifring Bürstensystem nutzt im Wesentlichen den Raum innerhalb der stehenden Statorwickelköpfe der Erregerwicklung und kann von axialer Seite gewartet/ausgetauscht werden. D.h. es kann von der Stirnseite her auf die Bürsten zugegriffen werden und benötigt das Maschinengehäuse von radial her keine Zugriffsmöglichkeit. Dies erleichtert die Wartung und kommt den als Mechaniker geschulten KfZ-Werkstätten-Personal entgegen.
- ■ Integrierte Schleifringeinheit - einfach zu montieren, geringes Gewicht, hohe Laufruhe; minimaler axialer Bauraum
- ■ Wechselbares integriertes Bürstenpaket mit Steckverbindung;
- ■ Variationsfreiheit für die Wicklungsverschaltung mithilfe einer kunststoffumspritzten Leiterplatte der integrierten Schleifringeinheit.
- ■ Possible minimal installation space for the slip ring brush system; The slip ring brush system essentially uses the space inside the stationary stator winding heads of the field winding and can be serviced / replaced from the axial side. That is, it can be accessed from the front side on the brushes and requires the machine housing from radially forth no access. This facilitates the maintenance and comes to meet trained as a mechanic automotive repair shop staff.
- ■ Integrated slip ring unit - easy to assemble, low weight, high smoothness; minimal axial space
- ■ Changeable integrated brush package with plug connection;
- ■ Freedom of variation for the winding connection with the aid of a plastic-coated printed circuit board of the integrated slip ring unit.
Ausgehend von der in
Sowohl die Schleifringkonstruktion als auch die Bürsten können in den zur Verfügung stehenden Bauraum des Motors eingebaut werden. Zusätzlich sind der Gleichstromanschluss von einem Rotorstromumrichter/regler zum Elektromotor und gegebenenfalls einige elektronische Bauteile (nicht dargestellt) zur verbesserten Betriebsweise im Bauraum integriert. Dies ist möglich, da die Bürsten einseitig der Motorwelle angeordnet sind.Both the slip ring design and the brushes can be installed in the available space of the engine. In addition, the DC connection from a rotor power converter / regulator to the electric motor and optionally some electronic components (not shown) for improved operation in the space are integrated. This is possible because the brushes are arranged on one side of the motor shaft.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung besteht das vorgeschlagene Schleifring-Bürsten-System 2 bei dem zweiten Detail-Ausführungsbeispiel (siehe
Die Bürsten 15 sind erfindungsgemäß vorzugsweise als eine komplett auswechselbare integrierte Bürsteneinheit 16 zusammengebaut (dies wird nachstehend in Zusammenhang mit
Die Einzelheiten der erfindungsgemäßen integrierten Schleifringeinheit 14 sind in
In
Die integrierte Schleifringeinheit 14 ist somit erfindungsgemäß zuverlässig, steif und mitdrehbar am Rotor 4 stirnseitig befestigt, um einen störungsfreien Reibkontakt mit den axialen Bürsten 15 jederzeit herzustellen bzw. aufrechtzuerhalten.The integrated
Diese integrierte Schleifringeinheit 14 wird beim Ausführungsbeispiel nach
Details des Aufbaus und der Montage des Stützrings 5 sind der Patentanmeldung
Durch diese verbesserte Befestigung der integrierten Schleifringeinheit 14 gibt es keine solche Störungsprobleme mit den Bürsten 15 beim Drehen des Rotors 4 - sogar bei höheren Drehzahlen um 12'000 1/min -, wie beim Stand der Technik. Durch die hohe Umdrehungszahl wirken auch Fliehkräfte auf die Schleifringe 18 und 19. Da diese radial weiter außerhalb der Rotorwelle 12 sind, werden sie aufgrund der höheren Fliehkräfte besser von allfälligem Abrieb oder Staub gereinigt.With this improved attachment of the integrated
Wie in
Im Sinne der Erfindung werden also in diesen Bauraum zielbewusst die folgenden Funktionen integriert:
- a) Integration der Schleifringe, d.h. die integrierte Schleifringeinheit 14; Diese Maßnahme ist mit dem Vorteil verbunden, dass jeder Schleifring als separates Bauelement hergestellt werden kann, welches abhängig von den jeweiligen Prüfstandversuchen in der Zukunft durch Veränderung des Material jederzeit einfach angepasst werden kann;
- b) Freiheit bei der Verschaltung der einzelnen Polwicklungen, d.h. Verbindung der Drahtenden:
- Bei einem sechspoligen (3 Polpaare) Blechschnitt ergeben sich damit folgende Möglichkeiten der Wicklungsverschaltung: 3 x 2 parallel oder 6 x seriell. Dies ist vorteilhaft, da gleicher Fertigungsprozess mit Variationsfreiheit der Wicklungsverschaltung eine Entkopplung von Wicklungsprozess und Verbindung der zwölf Drahtenden zueinander ermöglicht Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Konstruktionen mit mehr als zwei Erregerstrompolen verwendet werden, indem entsprechend mehr konzentrische Schleifringe an der Leiterplatte ausgebildet werden. Die erfindungsgemässe Ausführung der Schleifringeinheit ist hierbei auch exklusive der Wicklungsverschaltung denkbar. Die Wicklungsverschaltung kann dabei über die Drahtführung realisiert werden, wobei trotzdem die Funktionalität bzw. die Vorzüge der beschriebenen Schleifringeinheit erhalten bleiben. In diesem Fall würden minimal zwei Drahtenden mit der Schleifringeinheit kontaktiert werden.
- c) Isolations-
Trennwand 30der Schleifringe 18 und 19 voneinander in der integrierten Schleifringeinheit 14 zur Kooperationmit der Bürsteneinheit 16. Diese Maßnahme ist deshalb bevorzugt, da aufgrund der-für erhöhte Dynamikanforderungen - hohen Spannungen die Luft- und Kriechstrecken auf diese Weise einzuhalten sind, um damit sowohl einen Überschlag als auch einen Masseschluss unterbinden zu können.
- a) integration of the slip rings, ie the integrated
slip ring unit 14; This measure has the advantage that each slip ring can be manufactured as a separate component which, depending on the respective test bench tests, can be easily adapted at any time by changing the material at any time; - b) freedom in the interconnection of the individual pole windings, ie connection of the wire ends:
- In the case of a six-pole (3-pole pair) sheet metal section, this results in the following possibilities of winding connection: 3 x 2 parallel or 6 x serial. This is advantageous because the same manufacturing process with freedom of variation of the winding interconnection allows a decoupling of winding process and connection of the twelve wire ends to each other. However, the invention can also be used in other constructions with more than two exciter current poles by correspondingly more concentric slip rings are formed on the circuit board. The inventive embodiment of the slip ring unit is also conceivable exclusive of winding interconnection. The winding interconnection can be realized via the wire guide, while still maintaining the functionality or the advantages of the described slip ring unit. In this case, at least two wire ends would be contacted with the slip ring unit.
- c)
isolation partition wall 30 of the slip rings 18 and 19 from each other in the integratedslip ring unit 14 for cooperation with thebrush unit 16. This measure is preferred because of the - for increased dynamic requirements - high voltages creepage and clearance must be maintained in this way to do with it both to prevent a rollover and a ground fault.
Eine Basis zur Umsetzung der obigen drei Funktionen bildet erfindungsgemäss einerseits die Leiterplatte 17 der integrierten Schleifringeinheit 14 (
Da sich der radiale Bauraum und die einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken gegenläufig verhalten, wird die mit den Schleifringen 18 und 19 bestückten Leiterplatte 17 - wie schon erwähnt - mit einer Umhüllung 20 zur Erhöhung von Luft- und Kriechstrecken, als drittes Element der Schleifringeinheit 14 (
- ■ Einerseits als stoffschlüssige Verbindung zwischen den verwendeten Komponenten - namentlich der Leiterplatte 17 und
den Schleifringen 18 und 19 - da die Verbindung z.B. durch Einlöten physikalisch aufgrund der großen Fliehkraftbelastungen nicht immer ausreichend ist; - ■ Andererseits als elektrische Isolation der integrierten Schleifringeinheit 16, welche durch die freie geometrische Gestaltung den jeweiligen funktionalen Anforderungen einfach angepasst werden kann.
- ■ On the one hand as a material connection between the components used - namely the
circuit board 17 and the slip rings 18 and 19 - because the connection is not always sufficient, for example by soldering physically due to the large centrifugal loads; - On the other hand as electrical insulation of the integrated
slip ring unit 16, which can be easily adapted by the free geometric design of the respective functional requirements.
In
Ein in dieser Art ausgeführtes Isolationssystem hat eigentlich mindestens zwei Effekte: Erstens ermöglicht es eine verbesserte Isolation durch verlängerte Funken- bzw. Luft- und Kriechstrecken, und zweitens werden durch Bürsten in der Nut allfällige Kohlenstaubablagerungen jeweils "aufgelockert" und danach durch die Fliehkräfte vom Schleifring entfernt. Dadurch wird eine Langzeitstabilität des Isolierkörpers ermöglicht.An insulation system designed in this way actually has at least two effects: First, it allows for improved insulation through extended spark gaps or creepage distances, and secondly, brushing in the groove causes any carbon dust deposits to "loosen up" and then from the slip ring due to centrifugal forces away. As a result, a long-term stability of the insulating body is made possible.
Mit diesem Schleifring-Bürsten-Konzept werden alle notwendigen Funktionen im vorhandenen Bauraum realisiert und damit die Bauraumneutralität eingehalten. Darüber hinaus wird eine Flexibilität hinsichtlich der Motorauslegung und Anpassung z.B. in der Materialwahl der Schleifringe oder der Verschaltung der Motorwicklungen beibehalten. Diese Variationsfreiheit ermöglicht ein rasches Reagieren auf neue Erkenntnisse und ist daher durchaus als bedeutender Vorteil anzusehen.With this slip ring brush concept, all necessary functions are realized in the available installation space, thus maintaining the space neutrality. In addition, flexibility in engine design and adaptation, e.g. maintained in the choice of material of the slip rings or the interconnection of the motor windings. This freedom of variation allows a rapid response to new findings and is therefore considered to be a significant advantage.
Selbstverständlich können die Schleifringe bereits integriert mit der Leiterplatte ausgebildet sein, indem die Schleifringe selbst die Leiterbahnen der Leiterplatte bilden. Leiterplatte und Schleifringe sind jedenfalls integriert umspritzt mit elektrisch isolierendem Kunststoff, der zusätzlich die Funken- bzw. Luft- und Kriechstrecke erhöht und die Steifigkeit der Schleifringeinheit 14 verbessert.Of course, the slip rings can already be integrated with the circuit board formed by the slip rings themselves form the tracks of the circuit board. In any case, printed circuit board and slip rings are integrally molded with electrically insulating plastic, which additionally increases the spark gap or creepage distance and improves the rigidity of the
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Kunststoff-Trennwand 30 zwischen den Schleifringen 18 und 19 (
Das Funktionsprinzip von den axialen Bürsten 15 und den Schleifringen 18 und 19 beruht darauf, den Verschleiß durch hohe Gleiteigenschaften zu minimieren, und durch die Wahl einer geschickten Materialpaarung den Abrieb möglicherweise auf die Bürste 15 zu beschränken, da die Bürsten, im Gegensatz zur Schleifringeinheit, einfach austauschbar konzipiert sind und damit bewusst als Verschleisskomponente "geopfert" werden.The principle of operation of the
Nach der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine axiale Anordnung der Bürsten 15 vorgeschlagen (
Die Kohlebürsten sind zurzeit in sehr unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Durch die Verwendung einer standardisierten / industrialisierten Einheit ist die Bürste bereits samt Spannfeder und (Papier)Isolation (nicht bezeichnet) vordimensioniert und steht in zylindrischer Bauform zur Verfügung. Es ist notwendig, die einzelnen Bürsten am Schleifring in axialer Richtung richtig (tangential zum Schleifring) zu positionieren, sowie ihre elektrische Anbindung an eine Erreger-Spannungsquelle so einfach wie möglich durchzuführen. Andererseits ist es nach langem Betrieb eventuell notwendig, aufgrund der Abnutzung einen Bürstenwechsel vorzunehmen.The carbon brushes are currently available in very different designs. By using a standardized / industrialized unit, the brush is already pre-dimensioned with tension spring and (paper) insulation (not marked) and is available in a cylindrical design. It is necessary to properly position the individual brushes on the slip ring in the axial direction (tangential to the slip ring) and to perform their electrical connection to a field voltage source as simply as possible. On the other hand, it may be necessary after a long operation to make a brush change due to wear.
In
Zur Anbindung und Auswechselbarkeit der integrierten Bürsteneinheit 16 wird eine Steckverbindung vorgesehen, durch welche die integrierte Bürsteneinheit 16 elektrisch an die Erregerstromzufuhr einfach angeschlossen werden kann. Wie in
Für die verschiedenen Einsatzgebiete stehen unterschiedliche Bürstenwerkstoffe zur Verfügung. Die Bürsten 15 werden gegebenenfalls auch aus Edelmetallen (und deren Legierungen) nur bei erhöhter Anforderung an die Kontaktgüte eingesetzt. Sind jedoch hohe Temperaturen und erhöhte mechanische Belastungen hinsichtlich Bürstengeschwindigkeit zu erwarten, wie z.B. bei Elektromotoren für Hauptantriebe von Elektromobilen, dann werden Kohlenstoffwerkstoffe (z.B. Hartkohle, Kohlegraphit, Spezialgraphit, Elektrographit, Metallgraphit, usw.) verwendet.Different brush materials are available for the different fields of application. The
Die Auswahl des Bürstenmaterials ist jedoch mit der Werkstoffswahl für den Schleifring 18-19 eng verknüpft. Beispielsweise diffundiert der Kohlenstoff der Bürste 15 - bei einer Paarung Kupfer-Graphit - in die oxidierte Oberfläche des Kupfer-Schleifrings ein und wirkt dort sowohl härtend als auch schmierend, was ebenfalls in Betracht zu nehmen ist.However, the selection of brush material is closely related to the choice of material for slip ring 18-19. For example, the carbon of the
Um Verschleiß beim erfindungsgemäßen Schleifring-Bürsten-System 2 möglicherweise ausschließlich auf den Bürstenverschleiß zu beschränken, stehen Werkstoffe für die Schleifringe 18-19 zur Verfügung, so z.B. ein Schleifring aus Cu oder Cu-Legierungen, CuZn, CuSn, Ag oder Ag-Legierungen, Au oder Au-Legierungen, Stahl, bzw. ein Überzug aus Ni oder Co, oder aus galvanisierter Au-Schicht.In order to limit wear on the slip
Es wurde durch Prüfstand-Zyklusversuche bewiesen, dass die unsererseits vorgeschlagenen Materialpaarungen für die Rotorstromübertragung mit der axialen Bürste 15 und Schleifring 18-19 ausgezeichnet sind. Wir haben dabei zwei Materialpaarungen bevorzugt:
- Die bevorzugte elektrische Materialpaarung ist C72/CuAg0.1 (Bürste/Schleifring).
- Die bevorzugte mechanische Materialpaarung ist E43/CuSn10 anzusehen, d.h. die
Bürsten 15 sind aus Elektrographit "E43" und die Schleifringe 18-19 sind aus CuSn10 (Kupfer-Zinn) gefertigt.
- The preferred electrical material pairing is C72 / CuAg0.1 (brush / slip ring).
- The preferred mechanical material pairing is E43 / CuSn10, ie the
brushes 15 are made of electrographite "E43" and the slip rings 18-19 are made of CuSn10 (copper-tin).
Sowohl die Materialwahl als auch die Dimensionierung der Bürsten 15 und der Schleifringe 18-19 erfordert große Erfahrung auf diesem Gebiet. Aufgrund der sensiblen, meist gegensätzlichen Beeinflussung vieler Parameter ist in erster Linie oft nur eine Abschätzung möglich. Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung wurden jedoch einige Parameter zusammengestellt, mit deren Hilfe eine erfinderische Auslegung durchgeführt werden konnte.Both the choice of material and the dimensions of the
Einer dieser Parameter ist die Stromdichte in der Bürste 15. Bekannterweise ist neben der Limitierung durch die elektrische Überlastung auch ein unteres Limit der Stromdichte einzuhalten, um den Verschleiß der Bürste 15 minimal zu halten. Bei einer Elektrographit-Bürste war die Stromdichte bei unseren Versuchen zwischen 4,0-16,0 [A/cm2], bei kurzzeitiger Überlastung um 30,0 [A/cm2]. Diese Bürste 15 lieferte sehr gute Ergebnisse speziell bei hohen Schleifring-Geschwindigkeiten (um 88,0 - 96,0 m/s).One of these parameters is the current density in the
Ein zweites, aber ebenfalls wichtiges Dimensionierungskriterium ist die Temperatur. Aufgrund der mechanischen Reibung zwischen Bürste und Schleifring und der elektrischen Verlustleistung durch den Widerstand in der Bürste ergeben sich unmittelbar an der Bürste erhöhte Temperaturen. Die Auswirkungen der Temperatur auf das Verschleißverhalten sind sehr komplex. Es kann festgehalten werden, dass nach unseren Versuchen ein Temperaturbereich von 60-90°C einen bevorzugten Bereich darstellt. Damit ist eine geeignete Bildung der Oxidschicht gewährleistet, die wiederum unabdingbar für einen geringen Bürstenverschleiß anzusehen ist.A second but also important dimensioning criterion is the temperature. Due to the mechanical friction between the brush and the slip ring and the electrical power loss due to the resistance in the brush, increased temperatures occur directly at the brush. The effects of temperature on wear behavior are very complex. It can be stated that a temperature range of 60-90 ° C is a preferred range according to our experiments. This ensures a suitable formation of the oxide layer, which in turn is indispensable for a low brush wear.
Über die Bürstenfläche wird Wärme in den Schleifring eingebracht, welche über die restliche Ringfläche wieder abgegeben werden muss um im thermischen Gleichgewicht zu bleiben. Daher bestand unser Ziel auch darin, die Bürstenfläche im Verhältnis zur übrigen Schleifringfläche so klein wie möglich zu halten. Aufgrund der geringen Erregerleistung kann die Querschnittsfläche der axialen Bürsten 15 (siehe
In
Zusammenfassend ist zu bemerken, dass durch das erfindungsgemäße Schleifring-Bürsten-System 2 mindestens die folgenden Vorteile erreicht werden können:
- Kontinuierliche und störungsfreie Signal- oder Stromübertragung mit hoher Dynamik sogar bei stromerregten Synchronmotoren mit hoher Drehzahl;
- Bauraumneutralität, d.h. eine Kompatibilität hinsichtlich äusserer Motorgeometrie für verschiedene Elektromotortypen;
- Kompakte Konstruktion und minimale Baulänge bei axialer Bürstenposition (vgl. die Ausnutzung des Hohlraums unter bzw. innerhalb der Statorwickelköpfe 10 in
Fig.1 ); - Zuverlässige stirnseitige Befestigungsmöglichkeit der integrierten Schleifringeinheit 14 am Rotor;
- Kompakte und leicht auswechselbare integrierte Bürsteneinheit 16 mit elektrischer Steckverbindung;
- Flexibilität hinsichtlich der Motorauslegung und Anpassung in der Materialauswahl der Schleifringe 18 und 19 und der Bürsten 15, sowie der Verschaltung der Motorwicklungen;
- Kontinuierliche Gleichstromübertragung insbesondere bei Fahrzeugantrieben;
- Den Durchmesser des Motors, sowie die Bürstengeschwindigkeit zu reduzieren, was zu einem geringeren Verschleiß führt.
- Continuous and trouble-free signal or current transmission with high dynamics, even with high-speed synchronous motors with high power;
- Bauraumneutralität, ie a compatibility with respect to external motor geometry for different types of electric motors;
- Compact construction and minimum length at axial brush position (see the utilization of the cavity under or inside the
stator winding heads 10 in FIGFig.1 ); - Reliable end-face mounting possibility of the integrated
slip ring unit 14 on the rotor; - Compact and easily replaceable
integrated brush unit 16 with electrical plug connection; - Flexibility with regard to motor design and adaptation in the material selection of the slip rings 18 and 19 and the
brushes 15, as well as the interconnection of the motor windings; - Continuous direct current transmission, in particular for vehicle drives;
- To reduce the diameter of the motor, as well as the brush speed, resulting in less wear.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Auch weitere Ausführungsformen und Kombinationen sind denkbar innerhalb des beanspruchten Schutzumfanges aufgrund der obigen Offenbarung.The invention is of course not limited to the described embodiment. Also other embodiments and combinations are conceivable within the claimed scope of protection due to the above disclosure.
- 1 - Stromerregter Synchronmotor1 - Current-excited synchronous motor
- 2 - Schleifring-Bürsten-System2 - slip ring brush system
- 3 - Stator3 - stator
- 4 - Rotor4 - rotor
- 5 - Stützring5 - Support ring
- 6 - Rotorblechpaket6 - rotor laminated core
- 7 - Wickelkopf7 - winding head
- 8 - Statorblechpaket8 - stator laminated core
- 9 - Schraube9 - screw
- 10 - Statorwicklung10 - stator winding
- 11 - Lagerschild11 - end shield
- 12 - Rotorwelle12 - rotor shaft
- 13 - Rotationsachse13 - rotation axis
- 14 - Integrierte Schleifringeinheit14 - Integrated slip ring unit
- 15 - Bürste15 - brush
- 16 - Integrierte Bürsteneinheit16 - Integrated brush unit
- 17 - Leiterplatte17 - circuit board
- 18 - Schleifring18 - slip ring
- 19 - Schleifring19 - slip ring
- 20 - Umhüllung/Kunststoffumspritzung20 - wrapping / plastic coating
- 21 - Nut21 - groove
- 22 - Nut22 - groove
- 23 - Bohrung23 - hole
- 24 - Gehäuse24 - housing
- 25 - Deckel25 - cover
- 26 - Schraube26 - screw
- 27 - Schraube27 - screw
- 28 - Anschlussbox28 - Connection box
- 29 - Verbindungselement29 - connecting element
- 30 - Isolier-Trennwand30 - insulating partition
- 31 - Steckkontakt31 - Plug contact
- 32 - Kontaktierungselement32 - contacting element
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