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Title:
DIVERTING DEVICE FOR DIVERTING ELECTRICAL CURRENTS, AND MACHINE COMPRISING A DIVERTING DEVICE OF THIS TYPE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/247441
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a diverting device (1) for diverting electrical currents from a rotor part of a machine (100), formed with a shaft (5), comprising a moveable contact element (3), accommodated at least partially in a guide unit (2), for forming an electrically conductive sliding contact between a sliding contact surface (4) of the contact element provided for forming the sliding contact and a shaft contact surface (6) of the shaft, wherein the contact element is electrically conductively connected to the guide unit and/or a retaining element of the machine, and wherein the contact element is pretensioned by means of a spring element (7) in the direction of the shaft contact surface, wherein the contact element (3) is at least partially wetted with a lubricating and cooling fluid, in particular at least in the region of its sliding contact surface (4), wherein the guide unit (2) comprises a guide part (8, 8', 8 ' ', 8 ' ' ' ) for receiving the contact element (3) and a retaining part (9) for receiving the guide part, wherein the retaining part and the guide part form a line (15) for the lubricating and cooling fluid.

Inventors:
MATTHEY STEPHEN (AT)
Application Number:
PCT/EP2023/066464
Publication Date:
December 28, 2023
Filing Date:
June 19, 2023
Export Citation:
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Assignee:
SCHUNK CARBON TECHNOLOGY GMBH (AT)
International Classes:
H02K9/19; H02K9/28; H02K11/40
Domestic Patent References:
WO2022135715A12022-06-30
Foreign References:
EP1300927A12003-04-09
US3984716A1976-10-05
DE102010039847A12012-03-01
Attorney, Agent or Firm:
ADVOTEC. PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT TAPPE MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche Ableitvorrichtung ( 1 ) zur Ableitung elektri scher Ströme aus einem mit einer Welle (5) ausgebildeten Rotorteil einer Maschine ( 100), umfassend ein mindestens teilweise in einer Führungseinrichtung (2) aufgenommenes, verschiebbares Kontaktelement (3) zur Ausbildung eines elektrisch leitenden Schleifkontaktes zwischen einer zur Ausbildung des Schleifkontaktes vorgesehenen Schleifkontaktfläche (4) des Kontaktelements und einer Wellenkontaktfläche (6) der Welle, wobei das Kontaktelement mit der Führungseinrichtung und/oder einem Halteelement der Maschine elektrisch leitend verbunden ist und wobei das Kontaktelement mittels eines Federelements (7) in Richtung der Wellenkontaktfläche vorgespannt ist, wobei das Kontaktelement (3) mindestens teilweise, insbesondere zumindest im Bereich seiner Schleifkontaktfläche (4) mit einem schmierenden und kühlenden Fluid benetzt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Führungseinrichtung (2) ein Führungsteil (8, 8', 8", 8"') zur Aufnahme des Kontaktelements (3) sowie ein Halteteil (9) zur Aufnahme des Führungsteil s umfasst, wobei das Halteteil und das Füh- rungsteil eine Leitung (15) für das schmierende und kühlende Fluid ausbilden. Ableitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fluideitung (15) zumindest entlang des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') verlaufend ausgebildet ist, wobei sich die Fluidleitung (15) vorzugsweise über die gesamte Länge des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') erstreckt. Ableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fluidleitung (15) durch eine Längsausnehmung (14) in einer Außenwand (11) des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') und/oder eine Längsausnehmung in einer Innenwandung des Halteteils, welche die Außenwandung des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') kontaktiert, ausgebildet ist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Innenwandung (10) des Halteteils (9) zylinderförmig ausgebildet ist und die Außenwand (11) des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') eine von einer Zylinderform abweichende Form, vorzugsweise einen von einer runden Form abweichenden Querschnitt aufweist, wobei im Außenumfang des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') mindestens eine, vorzugsweise drei oder mehrere in Längsrichtung des Führungsteils verlaufende Nuten (14), insbesondere mit halbkreisförmigem Querschnitt vorgesehen sind. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Querschnitt des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') im Wesentli- chen dreieckig oder viereckig mit abgeflachten oder abgerundeten Ecken (12) ausgebildet ist, wobei die Seiten (13) des Dreiecks bzw. Vierecks vorzugsweise im Wesentlichen konkav ausgebildet sind. Ableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Außenwand des Führungsteils (8, 8', 8", 8"') einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist und vorzugsweise im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei die Innenwandung (10) des Halteteils (9) eine von einer Zylinderform abweichende Form, vorzugsweise einen von einer runden Form abweichenden Querschnitt aufweist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Führungsteil (8, 8', 8", 8"') ein Strangpressprofil, vorzugsweise ein Aluminiumstrangpressprofil oder ein Stranggussprofil ist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Führungsteil (8, 8", 8"') mindestens eine Fluidleitung (23, 23') in Form eines Kanals vorgesehen ist, welcher vorzugsweise in einer Stirnfläche (24) des Führungsteils mündet. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Führungsteil (8, 8', 8", 8"') im Wesentlichen vollständig im Halteteil (9) aufgenommen ist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Führungsteil (8, 8', 8", 8"') mit einem Statorteil der Maschine (100) elektrisch leitend verbindbar ist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kontaktelement eine stift- oder bolzenförmig ausgebildete Bürste (3) ist, wobei die Schleifkontaktfläche (4) vorzugsweise rechteckig, polygonal oder kreisförmig ausgebildet ist. Ableitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Federelement eine Schraubenfeder (7) ist, welche mit einem Ende vorzugsweise an der der Schleifkontaktfläche (4) gegenüberliegenden Stirnseite des Kontaktelements (3) anliegt. Maschine (100), insbesondere elektrischer Antriebsmotor oder Getriebe mit einem eine Welle (5) aufweisenden Rotorteil sowie einer Ableitvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (3) der Ableitvorrichtung (1) zur Ausbildung eines Schleifkontaktes die Welle (5) mit seiner Schleifkontaktfläche (4) kontaktiert. Maschine nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest in einem Raum zwischen der Welle (5) und der Führungseinrichtung (2), welcher durch das Kontaktelement (3) überbrückt wird, schmierendes und kühlendes Fluid, insbesondere Motoroder Getriebeöl, oder wasserbasiertes Kühlmedium vorgesehen ist. Maschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kontaktelement (3) eine Stirnfläche der Welle (5) kontaktiert, wobei das Kontaktelement vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zur Welle angeordnet ist. Maschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kontaktelement eine Mantelfläche der Welle kontaktiert.
Description:
Ableitvorrichtung zur Ableitung elektrischer Ströme sowie Maschine mit einer derartigen Ableitvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ableitvorrichtung zur Ableitung elektrischer Ströme mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.

Derartige Ableitvorrichtungen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist es bekannt, zur Ableitung niederfrequente Ströme Kohlebürsten einzusetzen, die in axialer oder radialer Verteilung um eine Welle angeordnet und über Anschlusslitzen mit einem Stator kontaktiert sind. Die dabei in einer Halteeinrichtung bzw. einem Bürstenhalter aufgenommenen Kohlebürsten ermöglichen aufgrund ihres geringen elektrischen Widerstands eine direkte Ableitung elektrischer Ströme und können somit eine unerwünschte Stromführung über Lagerstellen der Welle und/oder Getriebeverbindungen, wie z. B . Zahnräder oder dergleichenvermeiden, die aufgrund punktueller Verschweißung zu Oberflächenschäden der Lagerkörper oder Lagerringe führen könnte. Der Begriff „Welle“ wird vorliegend als ein Synonym für den Begriff „Rotorteil“ oder „Achse“ verwendet. Daher sind unter den Begriffen „Welle“ alle drehenden Maschinenteile zu verstehen, für die eine Ableitung von Strömen in ein feststehendes Statorteil bzw. Maschinenteil einer Maschine erfolgen kann.

Ableitvorrichtungen werden auch regelmäßig in der Bahntechnik eingesetzt, wo Wechselströme oder auch ein Arbeitsstrom über Radachsen abfließen kann. Derartige Ableitvorrichtungen sind beispielsweise in DE 10 2010 039 847 Al beschrieben.

Auch bei elektrischen Maschinen im Allgemeinen, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, sind Maßnahmen zur Ableitung von Strömen erforderlich. Bei Motorantrieb swellen oder daran angeschlossenen Getriebewellen bzw. anderen funktionalen Komponenten können kontinuierlich schwankende Wechselspannungen bzw. Ströme und hochfrequente Strompulse auftreten, die auch Lagerstellen einer Rotorwelle oder Getriebewelle schädigen können, weshalb hier regelmäßig Ableitvorrichtungen erforderlich sind.

Ein Problem bei den beschriebenen Ableitvorrichtungen und den solche Ableitvorrichtungen aufweisenden Maschinen besteht in der hohen Wärmeentwicklung bedingt durch elektrische und mechanische Verluste, die zu hohen thermischen Belastungen sowohl der Ableitvorrichtung als auch der Maschine (z. B : Motor, Getriebe) führt. Lim dieses Problem einigermaßen in den Griff zu bekommen, wurde bislang insbesondere über Lüftungseinrichtungen ein Abtransport der entstehenden Wärme bewerkstelligt. Allerdings kann über derartige Lüftungseinrichtungen nur teilweise eine Minimierung der thermischen Bauteilbelastung erreicht werden. Ein weiterer Nachteil derartiger Lüftungseinrichtungen besteht in der drastischen Erhöhung der Bauraumgröße, welche nötig i st, um derartige Lüftungseinrichtungen in die betreffenden Maschinen zu integrieren. Um die genannten Nachteile zu minimieren wird in der WO 2022/135715 Al vorgeschlagen, das Kontaktelement im Bereich seiner Schleifkontaktfläche mit einem schmierenden und kühlenden Fluid zu benetzen. Auf diese Weise wird erreicht, kapazitiv eingekoppelte hochfrequente Spannungen (sogenannte parasitäre Wechselspannungen), die von elektrischen Antrieben aufgrund der verwendeten Leistungselektronik (Pulsweitenmodulation) gebildet werden, abzuleiten und gleichzeitig die hierbei entstehende Wärme mit Hilfe des schmierenden und kühlenden Fluids einzudämmen bzw. abzuführen. Hierbei ist keine spezielle Kühlungsvorrichtung, wie beispielswei se eine Lüftungseinrichtung zur Minimierung der thermischen Belastung nötig. Dadurch kann die Konstruktion einer Maschine, wie beispielsweise eines Elektromotors einfacher und damit günstiger und die Kühlung des Motors effizienter gestaltet werden als bei den bislang bekannten Systemen. Zum Beispiel entfallen auch Reibungsverluste u. a. durch Radialwellendichtringe. Zudem kann - wie bereits oben ausgeführt - die gesamte Maschinendimensionierung kleiner ausfallen (Trägheitsmoment der rotierenden Teile wird geringer).

Diese bekannte Ableitvorrichtung weist eine axiale Fluidführung in Form eines axial verlaufenden Kanals auf, welcher in den Raum zwischen der Welle und der Führungseinrichtung mündet.

Diese Ableitvorrichtung mit axialer Fluidführung hat den Nachteil, dass bei einem gegebenen Volumenstrom der Output abhängig ist von der Querschnittsfläche und der Fließgeschwindigkeit des Fluids. Bei sehr hohen Volumenströmen können Querschnittsflächen zu gering bzw. die Fließgeschwindigkeit zu hoch sein. Der Nachteil besteht also darin, dass oftmals nicht genügend Fluid zur Kühlung in den Bereich zwischen der Welle und der Führungseinrichtung gelangt. Des Weiteren sind die bekannten Führungseinrichtungen etwas kompliziert und kostenintensiv in der Herstellung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ableitvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Führungseinrichtung ein Führungsteil zur Aufnahme des Kontaktelements sowie ein Halteteil zur Aufnahme des Führungsteils umfasst, wobei das Halteteil und das Führungsteil eine Leitung für das schmierende und kühlende Fluid ausbilden.

Mit der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung ist es in idealer Weise möglich, kapazitiv eingekoppelte hochfrequente Spannungen (sogenannte parasitäre Wechselspannungen), die von elektrischen Antrieben aufgrund der verwendeten Leistungselektronik (Pulsweitenmodulation) gebildet werden, abzuleiten und gleichzeitig die hierbei entstehende Wärme mit Hilfe des schmierenden und kühlenden Fluids einzudämmen bzw. abzuführen. Insbesondere ist bei der vorliegenden Erfindung keine spezielle Kühlungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Lüftungseinrichtung zur Minimierung der thermischen Belastung nötig. Dadurch kann die Konstruktion einer Maschine, wie beispielsweise eines Elektromotors einfacher und damit günstiger und die Kühlung des Motors effizienter gestaltet werden als bei den bislang bekannten Systemen. Zum Beispiel entfallen auch Reibungsverluste u. a. durch Radialwellendichtringe. Zudem kann - wie bereits oben ausgeführt - die gesamte Maschinendimensionierung kleiner ausfallen (Trägheitsmoment der rotierenden Teile wird geringer).

In aller Regel ist das schmierende und kühlende Fluid ein ölartiges Fluid, insbesondere Motor- und/oder Getriebeöl, welches meist ohnehin in dem Motor oder Getriebe, in welchem die erfindungsgemäße Ableitvorrichtung vorgesehen ist, vorhanden ist.

Durch die Tatsache, dass die Führungseinrichtung ein Führungsteil zur Aufnahme des Kontaktelements sowie ein Halteteil zur Aufnahme des Führungsteils umfasst und das Halteteil und das Führungsteil eine Leitung für das schmierende und kühlende Fluid ausbilden, ist es möglich, auf einfache Art und Weise Fluidleitungen in unterschiedlichsten Formen und Größen zu schaffen. So lässt sich ein Fluidleitungskanal beispielsweise äußerst einfach dadurch herstellen, dass in ein Halteteil mit zylinderförmiger Ausnehmung ein Führungsteil mit einem von einer Zylinderform abweichenden Außenumfang integriert wird. Dadurch ergeben sich zwangsläufig Kavitäten, deren Form und Größe durch entsprechende Anpassung des Außenumfangs des Führungsteils bestimmbar sind.

In der Regel ist die Fluidleitung zumindest entlang des Führungsteils verlaufend ausgebildet, wobei sich die Leitung vorzugsweise über die gesamte Länge des Führungsteils erstreckt. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise eine hervorragende Kühlung des Rotors erreicht. Bei dieser Ausführungsform kann das schmierende und kühlende Fluid über die gesamte Länge des Führungsteils bis in den Raum zwischen der Welle und dem Kontaktelement strömen.

Mit Vorteil ist die Leitung für das schmierende und kühlende Fluid durch eine Längsausnehmung in einer Außenwand des Führungsteils und/oder eine Längsausnehmung in einer Innenwandung des Halteteils, welche die Außenwandung des Führungsteils kontaktiert, ausgebildet. Mit derartigen Längsausnehmungen ist eine äußerst einfache Herstellung einer Fluidleitung möglich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung ist eine Innenwandung des Halteteils zylinderförmig ausgebildet und die Außenwand des Führungsteils weist eine von einer Zylinderform abweichende Form, vorzugsweise einen von einer runden Form abweichenden Querschnitt auf, wobei im Außenumfang des Führungsteils mindestens eine, vorzugsweise drei oder vier in Längsrichtung des Führungsteils verlaufende Nuten, insbesondere Nuten mit einem halbkreisförmigen Querschnitt vorgesehen sind. Diese Ausführungsform ist besonders einfach in der Herstellung und zeichnet sich durch einfache Flexibilität bei der Schaffung von Fluidleitungen unterschiedlicher Formen und Größen aus. So können Fluidleitunen hergestellt werden, mit denen große Ölmengen an die zu kühlenden Stellen transportiert werden können.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung ist der Querschnitt des Führungsteils im Wesentlichen dreieckig oder viereckig mit abgeflachten oder abgerundeten Ecken ausgebildet, wobei die Seiten des Dreiecks bzw. Vierecks vorzugsweise im Wesentlichen konkav ausgebildet sind. Die beschriebenen Ausführungsformen zeichnen sich also durch im Wesentlichen quaderförmige oder als dreieckige Prismen ausgebildete Führungsteile aus, deren Seitenflächen nach innen gewölbt, also konkav ausgebildet sind. Diese Führungsteile lassen sich besonders vorteilhaft im Strangpressverfahren oder Stranggussverfahren herstellen und bilden mit dem Halteteil optimale Fluidleitungen aus.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung weist die Außenwand des Führungsteils einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf und ist vorzugsweise im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei die Innenwandung des Halteteils eine von einer Zylinderform abweichende Form, vorzugsweise einen von einer runden Form abweichenden Querschnitt aufweist. Auch mit dieser Ausführungsform lassen sich auf einfache Art und Weise Fluidleitungen unterschiedlicher Formen und Größen schaffen.

Mit Vorteil ist das Führungsteil ein Strangpressprofil, vorzugsweise ein Aluminiumstrangpressprofil oder ein Stranggussprofil . Derartige Führungsteile lassen sich besonders einfach und kostengünstig herstellen.

Im Führungsteil kann mindestens eine Fluidleitung in Form eines Kanals vorgesehen sein, welcher vorzugsweise in einer Stirnfläche des Führungsteils mündet, welche den Raum zwischen der Welle und der Ableitvorrichtung definiert. Mit dieser Ausführungsform kann noch mehr schmierendes und kühlendes Fluid an die zu kühlende Stelle geleitet werden. Bei dieser Fluidleitung kann es sich beispielsweise um eine parallel zur Längsachse der Ableitvorrichtung verlaufende Leitung, bei spielsweise einen Fluidführungskanal handeln.

Mit Vorteil ist das Führungsteil im Wesentlichen vollständig im Halteteil aufgenommen. Dadurch kann ein sich über die gesamte Länge des Führungsteils erstreckender Leitungskanal für das schmierende und kühlende Fluid geschaffen werden. Dieses Fluid kann dann in den Raum zwischen der Welle und der Ableitvorrichtung einströmen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung ist die Führungseinrichtung mit einem Statorteil der Maschine elektrisch leitend verbindbar. Dieses Statorteil der Maschine kann beispielsweise als Halteeinrichtung für die Ableitvorrichtung dienen. Beim Ableiten des Stromes wird dieser von der betreffenden Welle in das Kontaktelement und die Führungseinrichtung der Ableitvorrichtung abgeleitet. Dann fließt der abgeleitete Strom bei der beschriebenen Ausführungsform in das genannte Statorteil der Maschine.

Mit Vorteil ist das Kontaktelement mit der Führungseinrichtung mittels einer, vorzugsweise niederohmigen Litze elektrisch leitend verbunden, wobei die Litze an einem Ende vorzugsweise in das Kontaktelement eingepresst oder eingestampft ist und am anderen Ende mit der Führungseinrichtung vorzugsweise verschweißt oder verlötet oder gecrimpt ist. Die Führungseinrichtung ist vorzugsweise mindestens teilweise aus einem niederohmigen Material, insbesondere aus Kunststoff oder Metall, vorzugsweise Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer und/oder Messing gefertigt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung ist das Kontaktelement im Wesentlichen aus einer Kohlenstoff-Metall-Mischung, insbesondere aus einer Mischung aus Grafit und einem elektrisch gut leitenden Metall gefertigt, wobei zumindest im Bereich der Schleifkontaktfläche des Kontaktelements vorzugsweise Silber als Metall vorgesehen ist und wobei in einem hinteren Bereich des Kontaktelements vorzugsweise Kupfer als Metall vorgesehen ist, wobei das Kontaktelement im Bereich der Schleifkontaktfläche vorzugsweise frei von Kupfer ist. Der Anteil des Metalls im Kontaktelement beträgt vorzugsweise mindestens 30 Vol. -%. Im Bereich der Schleifkontaktfläche ist das Kontaktelement deshalb vorzugsweise frei von Kupfer, da dieses Metall in Verbindung mit dem Stromdurchgang zu katalytischen Veränderungen des schmierenden und kühlenden Fluids führen kann, was in Konsequenz die physikalischen Eigenschaften dieses Fluids negativ verändern kann. Aus diesem Grunde ist auch die Welle der weiter unten näher beschriebenen erfindungsgemäßen Maschine ebenfalls zumindest in dem Bereich, an welchem die Welle das Kontaktelement kontaktiert, frei von Kupfer.

Um einen Systemwiderstand unter allen Betriebszuständen möglichst niedrig zu halten, sollte auch der Widerstand der erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung niedrig gewählt sein. Durch die oben beschriebenen Ausführungsformen mit niederohmigen Materialien und einem Kontaktelement aus einer Metall-Kohlenstoff-Mischung kann der Widerstand der gesamten Vorrichtung niedrig gehalten werden. Andererseits wird der Systemwiderstand maßgeblich durch den Spannungsabfall zwischen der Wellenoberfläche und der Schleifkontaktfläche des Kontaktelements beeinflusst. Dieser nimmt den größten Anteil im Gesamtsystem ein. Daher sollte dieser ebenfalls gering gehalten werden. Um dies unter der kontinuierlichen Beölung zu gewährleisten, ist einerseits eine hohe spezifische Anpressung des Kontaktelements an die Welle vorteilhaft. Dieser Wert sollte mindestens 10 N/cm 2 gewählt werden. Andererseits sollte es an dem Kontaktelement im Bereich der Schleifkontaktfläche zu keinen elektrochemischen Reaktionen in Verbindung mit dem schmierenden und kühlenden Fluid kommen. Dies wird besonders durch einen Silber-Grafit-Werkstoff in einem über die gesamte Lebensdauer verschleißenden Bereich des Kontaktelements gewährleistet. Mit Vorteil weist das Kontaktelement im Bereich der Schleifkontaktfläche eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung oder einen Schlitz auf. Dadurch kann ein Aufschwimmen des Kontaktes am Ölfilm unterbunden werden. Mit Vorteil ist das Kontaktelement im Bereich der Schleifkontaktfläche offenporig ausgebildet. Dies trägt zur Unterdrückung von elektrischen Kontaktverlusten zwischen der Welle und dem Kontaktelement bei und minimiert ein Aufschwimmen des Kontaktelements am Ölfilm.

In der Regel ist das Kontaktelement eine stift- oder bolzenförmig ausgebildete Bürste. Die Schleifkontaktfläche kann rechteckig, polygonal oder kreisförmig ausgebildet sein. Die genannte Bürste wird in der Regel durch Formpressen und anschließender thermischer Behandlung gefertigt.

Vorteilhaft kann das Federelement eine Schraubendruckfeder sein, welche mit einem Ende vorzugsweise an der der Schleifkontaktfläche gegenüberliegenden Stirnseite des Kontaktelements anliegt. Mit einer derartigen Schraubendruckfeder ist es auf einfache Art und Weise möglich, das Kontaktelement stets mit einem bestimmten gewünschten Anpressdruck an die Welle anzudrücken.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Maschine, insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor oder Getriebe, mit einem eine Welle aufweisenden Rotorteil sowie einer erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Kontaktelement der Ableitvorrichtung zur Ausbildung eines Schleifkontaktes die Welle mit seiner Schleifkontaktfläche kontaktiert. Mit der erfindungsgemäßen Maschine werden die bereits oben beschriebenen Vorteile einer drastisch reduzierten thermischen Belastung bei geringer Baugröße und unkompliziertem Aufbau erzielt.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine kann die Ableitvorrichtung komplett im schmierenden und kühlenden Fluid, insbesondere Motor- oder Getriebeöl gelagert sein. Vorzugsweise ist das schmierende und kühlende Fluid insbesondere in einem Raum zwischen der Welle und der Führungseinrichtung, welcher durch das Kontaktelement überbrückt wird, vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird insbesondere der Ort der größten Wärmeentwicklung, nämlich der Bereich zwischen der Welle und dem Kontaktelement durch das schmierende und kühlende Fluid gekühlt.

Mit Vorteil wird das Kontaktelement durch das Federelement stets mit einer Kraft von mindestens 10 N/cm 2 an die Welle gedrückt. Dadurch wird eine Minimierung des Spannungsabfalls zwischen der Wellenoberfläche und der Schleifkontaktfläche des Kontaktelements erzielt.

Wie bereits oben ausgeführt ist die Welle zumindest in dem Bereich, in welchem diese vom Kontaktelement kontaktiert wird, vorzugsweise im Wesentlichen frei von Kupfer.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine kontaktiert das Kontaktelement eine Stirnfläche der Welle, wobei das Kontaktelement vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zur Welle angeordnet ist. Eine derartige Wellenerdung bietet sich zur Vermeidung von Kontaktverlusten bevorzugt an, da der Planschlag der rotierenden Welle mei st gering ist. Durch die Positionierung des Kontaktelements nahe dem Rotationspunkt der Welle werden die Umfangsgeschwindigkeiten minimiert und dadurch auch die über die Lebensdauer des Kontaktelements tatsächlich gesehene Laufstrecke enorm reduziert. Davon direkt beeinflusst ist der Verschleiß des Kontaktelements, der meist proportional mit der Laufstrecke korreliert. Durch die Minimierung der Laufstrecke bleibt der Verschleiß des Kontaktelements gering, wodurch in Folge der Kraftverlust des Federelements über die Gesamtverschleißlänge des Kontaktelements ebenfalls nur minimal ausfällt. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz einer bereits oben genannten, kostengünstigen Schraubendruckfeder. Außerdem verringert die niedrige Umfangsgeschwindigkeit nahe der Rotationsachse der Welle die Gefahr der Bildung eines durchgehenden, elektrisch isolierenden Schmierfilms, wodurch die Anpress- kraft niedriger gehalten werden kann, als dies bei hohen Umfangsgeschwindigkeit erforderlich wäre. Ein weiterer Vorteil der stirnseitigen Kontaktierung der Welle nahe der Rotationsachse ist die Minimierung des Reibmoments durch den geringen radialen Abstand vom Rotationspunkt. Selb st bei einer sehr großen Reibkraft bleibt das Reibmoment als Produkt von Reibkraft x Laufradius klein. In weiterer Folge bleiben daher auch in Verbindung mit der Winkelgeschwindigkeit (äquivalent zu Drehzahl) die Reibleistungen niedrig und so die Systemverluste klein.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine kontaktiert das Kontaktelement die Mantelfläche der Fläche. Bei dieser Ausführungsform ist das Kontaktelement vorzugsweise gegen die Vorzugsrotationsrichtung der zu kontaktierenden Welle im Querschnitt geometrisch verj üngt, um eine Unterdrückung von elektrischen Kontaktverlusten durch ein Aufschwimmen zwischen der Welle und dem Kontaktelement zu erreichen.

In der Regel ist die Ableitvorrichtung in einem Ab schnitt der Maschine positioniert, in dem primär eine Betriebstemperatur von über 50 °C vorherrscht.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Figurenbeschreibungen in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale alleine oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : Eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ableitvorrichtung mit Führungsteil und Halteteil;

Fig. 2 - Fig. 5 : Führungsteile weiterer Ausführungsformen von erfin- dungsgemäßen Ableitvorrichtungen; Fig- 6 : eine perspektivische Darstellung des Führungsteils der Ableitvorrichtung von Fig. 1 ;

Fig. 7 : eine Vorderansicht der Ableitvorrichtung von Fig. 1 ;

Fig. 8 : einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine mit der Ableitvorrichtung gemäß Fig. 1.

Nachfolgend werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Die Fig. 1, 7 und 8 zeigen eine erfindungsgemäße Ableitvorrichtung 1 , wobei die Ableitvorrichtung 1 in der Fig. 8 integriert in einer erfindungsgemäßen Maschine 100 dargestellt ist. Die Ableitvorrichtung 1 dient zur Ableitung elektrischer Ströme aus einem mit einer Welle 5 ausgebildeten Rotorteil einer Maschine 100. Die Ableitvorrichtung 1 umfasst eine in einer Führungseinrichtung 2 aufgenommene, stiftförmige und verschiebbare Bürste 3 zur Ausbildung eines elektrisch leitenden Schleifkontaktes zwischen einer zur Ausbildung des Schleifkontaktes vorgesehenen Schleifkontaktfläche 4 der Bürste 3 und einer Wellenkontaktfläche 6 der Welle. Die Welle 5 ist in der Fig. 8 dargestellt. Die Bürste 3 ist mittels einer Schraubendruckfeder 7 in Richtung der Wellenkontaktfläche 6 vorgespannt. Auch dies ist in der Fig. 8 zu erkennen. Im Bereich der Schleifkontaktfläche 4 ist die Bürste 3 mit einem schmierenden und kühlenden Fluid benetzt.

Die Führungseinrichtung 2 umfasst ein Führungsteil 8 zur Aufnahme der Bürste 3 sowie ein Halteteil 9 zur Aufnahme des Führungsteils 8. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Innenwandung 10 des Halteteils 9 zylinderförmig ausgebildet. Die Außenwand 1 1 des Führungsteils 8 hingegen weist eine von einer Zylinderform abweichende Form auf. So ist das Führungsteil 8 al s eine Art dreieckiges Prisma ausgebildet, wobei der Querschnitt des Führungsteils 8 im Wesentlichen dreieckig mit abgeflachten Ecken 12 ausgebildet ist, wobei die Seiten des Dreiecks nach innen gewölbt, also konkav ausgebildet sind. Durch die somit ebenfalls konkav ausgebildeten Seitenflächen 13 des Führungsteils 8 weist das Führungsteil 8 drei in Längsrichtung des Führungsteils 8 verlaufende halbkreisförmige Nuten 14 auf. Diese Nuten 14 erstrecken sich über die gesamte Länge des Führungsteils 8.

Wie in den Fig. 1, 7 und 8 gut zu erkennen ist, ist das Führungsteil 8 im Halteteil 9 aufgenommen und kontaktiert mit seinen abgeflachten Ecken 12 die Innenwand 10 des Halteteil s 9. Dabei bilden die Nuten 14 im Außenumfang des Führungsteils 8 mit der Innenwand 10 des Halteteils 9 insgesamt drei Fluidleitungen 15. Diese Fluidleitungen 15 dienen als Strömungskanäle für das schmierende und kühlende Fluid, welches von einer Rückseite 16 der Ableitvorrichtung 1 in Richtung der Schleifkontaktfläche 4 der Bürste 3 strömt.

Im Führungsteil 8 ist ferner ein durchgehender Aufnahmekanal 17 für die Bürste 3 vorgesehen. Sowohl die Bürste 3 als auch der Aufnahmekanal 17 weisen im Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf.

Wie in der Fig. 8 zu erkennen ist, ragt an der der Welle 5 zugewandten Seite der Führungseinrichtung 2 die Bürste 3 ein Stück weit aus dem Führungsteil 8 heraus und kontaktiert die Welle 5 an ihrer Stirnseite 18. Dabei ist die Bürste 3 im Wesentlichen mittig zur Stirnseite 18 der Welle und somit koaxial zur Welle 5 angeordnet.

Am anderen Ende des Führungsteils 8 weist dieses einen Deckel 19 auf, an dem eine Litze 20 befestigt ist. Zwi schen dem Deckel 19 und der Bürste 3 ist die Feder 7 angeordnet, welche die Bürste 3 in Richtung der Welle 5 vorspannt. Die Litze 20 i st aus einem niederohmigen Material gefertigt und ist an einem Ende in die Bürste 3 eingepresst und an ihrem anderen Ende mit dem Deckel 19 verbunden.

Die Bürste ist aus einer Grafit-Metall-Mischung gefertigt. Die Fig. 2, 3 und 5 zeigen weitere mögliche Formen von Führungsteilen. Fig- 2 zeigt ein Führungsteil 8', welches einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, wodurch sich an eine gekrümmte Mantelfläche 21 eine ebene Fläche 22 anschließt. Aufgenommen in das Halteteil 9 mit zylinderförmiger Innenwand 10 aus Fig. 1 bildet die Innenwand 10 des Halteteils 9 mit der ebenen Fläche 22 des Führungsteils 2' eine Fluidleitung. Die in der Fig. 2 angedeuteten Linien sollen zeigen, dass in die gekrümmte Fläche 21 weitere längliche Nuten eingebracht sein können, welche mit der Innenwand 10 des Halteteils 9 weitere Fluidleitungen bilden können.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Führungsteils 8" mit rundem Querschnitt. Das Führungsteil 8" eignet sich insbesondere für Halteteile, welchen einen von einer runden Form abweichenden Innenwandquerschnitt aufweisen. So würde das Führungsteil 8" in einem Halteteil mit einem quaderförmigen Körper und einer Innenwand mit viereckigem Querschnitt vier Fluidleitungen bilden.

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Führungsteils 8"' . Das Führungsteil 8"' ist kombinierbar mit dem Halteteil 9 der Fig. 1. Das Führungsteil 8"' weist einen viereckigen Querschnitt mit abgeflachten Ecken 12 auf, wobei die Seiten des Vierecks konkav ausgebildet sind. Somit weist das Führungsteil 8"' eine im Wesentlichen quaderförmige Form auf, wobei die Seitenflächen 13 des Quaders konkav ausgebildet sind. Wird das Führungsteil 8"' in das Halteteil 9 integriert, so bilden die konkav ausgebildeten Seitenflächen 13 mit dem zylinderförmigen Innenumfang 10 des Halteteil s 9 insgesamt vier Fluidleitungen aus.

Fig. 4 zeigt ein bezüglich seiner Form dem Führungsteil 8 aus Fig. 1 entsprechendes Führungsteil, welches sich vom Führungsteil 8 der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass es drei durchgängige Fluidleitungen 23 mit rundem Querschnitt aufweist. Diese Fluidleitungen erstrecken sich über die gesamte Länge des Führungsteils 8 und dienen dazu, noch mehr schmierendes und kühlendes Fluid in den Raum zwischen der Welle 5 und dem Führungsteil 8 zu transportieren. Eine derartige Leitung weist auch das Führungsteil 8"' aus der Fig. 5 auf. Auch das Führungsteil 8" aus der Fig. 3 weist zwei solche Leitungen 23 ' auf, welche j eweils einen länglich, gebogenen Querschnitt aufweisen. Die Leitungen (23 , 23 ') münden j eweils in einer Stirnfläche (24) des j eweiligen Führungsteils.

Die gezeigten Führungsteile 8, 8', 8" und 8'" sind allesamt Aluminium- Strangpressprofile.