Schleifringanordnungen dienen der Stromübertragung zwischen feststehendem und rotierendem Teil einer rotierenden elektri- schen Maschine. Polräder und Turboläufer halten zur Gleich- stromübertragung zwei Schleifringe. Induktionsmaschinen mit Schleifringläufern erhalten je nach Stromart zwei oder drei Schleifringe. Jeder Ring wird mit einem sicheren elektrischen Anschluss für die Wicklung des Rotors versehen und gemeinsam mit den übrigen Ringen auf einen Tragkörper positioniert. In jedem Fall sind die Schleifringe gegeneinander und gegen den Tragkörper zu isolieren. Auch die Stromzuführungen müssen ei- ne sichere Isolation erhalten.

Die Stromübertragung erfolgt im wesentlichen über Bürsten.

Dies führt zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Motor- raum gelangen und damit zu Schäden führen können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist außerdem ein regelmäßiger Bürstenwechsel vorzusehen.

Aus der DE 1 613 118 ist eine dynamoelektrische Maschine mit einem aus flüssigen Metall bestehenden Stromkollektor bekannt wobei ein Rotor vorgesehen ist, der eine Umfangsstromübertra- gungsoberfläche aufweist, und ein Stator der eine stationäre Stromübertragungsoberfläche aufweist, die von der besagten Umfangsstromübertragungsoberfläche in einem vorbestimmten Ab- stand angeordnet ist, so dass ein Spalt gebildet wird, der

während des Betriebs mit einem leitenden flüssigen Metall be- schickt werden kann. Dabei sind Düsen vorgesehen, um einen Umlauf des flüssigen Metalls zu erreichen.

Aus der DE 24 16 765 ist eine elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine, insbesondere einer Unipolarmaschine bekannt mit konzentrisch zu einer Achse angeordnet relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, zwischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der in einer Kontaktzone eine Kon- taktflüssigkeit enthält, wobei über ein elektromagnetisches Wanderfeld Kontaktflüssigkeit in der Kontaktzone gehalten wird.

Nachteilig dabei ist der jeweilige konstruktive Aufwand der- artiger Führungseinrichtung für das flüssige Metall.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Schleifringanordnung zu schaffen, die weniger wartungsintensiv als auch einfach und damit kostengünstig herzustellen ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Flüssigmetalllegierung durch Kapillarwirkung in dem Spalt, der sich zwischen dem feststehenden Teil mit einer Stromüber- tragungsfläche und einem gegenüber diesem Teil rotierenden Teil mit einer weiteren Stromübertragungsfläche gehalten ist, und/oder sich mittels Kapillarwirkung durch einstellbare Oberflächenmodifikation der an die Stromübertragungsflächen angrenzenden Elemente ergibt, derart, dass die Flüssigmetall- legierung an ihrem ungewollten Austritt aus dem Spalt gehin- dert wird.

Es ist somit keine Förderung einer Flüssigmetalllegierung o- der eines Flüssigmetalls z. B. aus einem Vorratsbehälter in den Spalt vorzusehen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Abdich- tung wird ein ungewollter Austritt der Flüssigmetalllegierung

aus dem Spalt zwischen den jeweils korrespondierenden Strom- übertragungsflächen vermieden.

Einerseits werden die Oberflächen der an die Stromübertra- gungsflächen angrenzenden Elemente unter Glühen, z. B. in ei- nem Vakuumofen so modifiziert, dass daraus die erfindungsge- mäßen Benetzungseigenschaften der Flüssigmetalllegierung re- sultieren.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Abdichtung des Spaltes, der sich zwischen den jeweiligen Stromübertragungs- flächen ergibt auch erreicht werden, indem die Oberflächen im Bereich des Spaltes vor allem an den Endbereichen der Elemen- te am Übergang zu den jeweiligen Stromübertragungsflächen be- schichtet werden, um dort einen gegenüber der Flüssigmetall- legierung möglichst ungünstigen Kontaktwinkel zu erzielen.

Damit wird die Flüssigmetalllegierung gezielt am Austreten aus dem Spalt zwischen den jeweiligen korrespondierenden Stromübertragungsflächen gehindert. Die Oberflächen der be- schichteten Elemente erzielen somit ebenfalls eine Dichtwir- kung bzgl. des Spaltes.

Es können auch Beschichtungen dieser an die Stromübertra- gungsflächen angrenzenden Elemente durch weitere an sich be- kannte Beschichtungsverfahren wie z. B. Galvanisieren oder Ma- terialbehandlungsverfahren erfolgen. Gegenüber herkömmlichen Konstruktionen entfällt durch die erfindungsgemäße Ausführung der konstruktive Aufwand die Flüssigmetalllegierung im Be- reich der gegenüberliegenden Stromübertragungsflächen des feststehenden und rotierenden Teils in ihrem Spalt dauerhaft zu halten.

Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung bzw. die Benet- zung an den der Flüssigmetalllegierung zugewandten Seite der Elemente der Stromübertragungsflächen erreicht. Dabei werden insbesondere Materialien wie z. B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Benetzung auch durch Formgebung der Strom-

übertragungsflächen gezielt beeinflusst werden, indem insbe- sondere die jeweiligen Außenbereiche des Spaltes der Strom- übertragungsflächen in ihrer Weite verringert und/oder geeig- neten Materialbehandlungen unterzogen wird.

Die erforderliche Abdichtung gegenüber einem Austritt der Flüssigmetalllegierung wird somit durch die chemische Zusam- mensetzung der Flüssigmetalllegierung, der Geometrie des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen und der Be- schaffenheit des Oberflächenmaterials der Elemente die eben- falls einen Spalt bilden, beeinflusst. Des Weiteren kann auch durch die Summe oder eine beliebige Kombination dieser Maß- nahmen die Benetzung bzw. die erfindungsgemäße Kapillarwir- kung erzielt werden.

Insbesondere bei einer mehrphasigen Schleifringanordnung weist die Schleifringanordnung axial hintereinander angeord- nete, galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflä- chen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung je- weils einer Phase vorgesehen. Die den jeweiligen Phasen zuge- ordneten Stromübertragungsflächen sind dabei durch geeignete Mittel galvanisch voneinander zu trennen um Kurzschlüsse zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist eine derartige Schleifring- anordnung modulartig aufgebaut, wobei ein Modul eine Teilan- ordnung, eine Stromübertragungsfläche oder eine Isolations- scheibe darstellt, so dass um die gesamte Schleifringanord- nung zu erhalten, durch axiale Anordnung dieser Module auf einem Tragkörper eine erfindungsgemäße Schleifringanordnung geschaffen wird.

Vorteilhafterweise werden als Isolierung zwischen den einzel- nen Stromübertragungsflächen Isolierringe verwendet.

Insbesondere bei längerem Stillstand der Schleifringanordnung oder längerem Betrieb der Anordnung sind Mittel zur Heizung oder Kühlung der Flüssigkeitslegierung vorzusehen um damit einen optimalen Betrieb der Schleifringanordnung zu gewähr-

leisten. Als Heizung können dabei dementsprechend angepasste Heizschlangen oder Kühlschlangen in der Flüssigkeitslegierung oder in den angrenzenden Teilen vorgesehen werden. Ebenso ist auch ein lediglich zeitweises Aufheizen der Flüssigkeitsle- gierung möglich, und sobald der außergewöhnliche Betriebszu- stand nicht mehr vorliegt, kann diese Heizung und/oder Küh- lung abgeschaltet werden.

Gegebenenfalls kann dadurch ein gewollter kurzeitiger Aus- tritt zumindest von Teilen der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt erwünscht sein. Es kann auch ein Kreislauf der Flüssig- metalllegierung eingerichtet sein, der die Stromübertragungs- funktion unter der erfindungsgemäßen Dichtwirkung gewährleis- tet und dabei Kühl-oder Heizfunktionen erfüllt.

Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalllegierungen haben sich Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen herausge- stellt.

Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung er- gibt sich, wenn die Schleifringanordnung bei Umgebungsdruck eingesetzt werden kann. Die dabei auftretenden Oxidationsef- fekte des Flüssigkeitsmetalls können u. a. vermieden werden, indem die Schleifringanordnung in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet.

Eine weitere Möglichkeit die Schleifringanordnung zu betrei- ben ist bei Über-oder Unterdruck wodurch auch eventuelle Oxidation verringert werden kann. Die Abdichtung der Schleif- ringanordnung gegenüber der Atmosphäre geschieht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten wie z. B. Ferrofluiden. Zur Abdichtung eignen sich aber auch mechanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen oder Radialwellendichtringe.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Ausführungs- beispielen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt : FIG 1 erfindungsgemäße Schleifringanordnung, FIG 2 Detailansicht eines Spaltes, FIG 3-10 verschiedenen Schleifringanordnungen mit ihrer je- weiligen Positionierung an einer elektrischen Ma- schine.

FIG 1 zeigt eine schematisch dargestellte Schleifringanord- nung mit feststehenden, elektrisch und elektrisch isolieren- den Außenteilen. Die elektrisch leitenden Außenteile 1 sind dabei vorteilhafterweise durch Isolierscheiben 4 galvanisch voneinander getrennt, so dass Kurzschlüsse zwischen den Pha- sen der feststehenden Außenteile 1 vermieden werden. Rotie- rende Innenteile 2 und 5 korrespondieren zu den feststehenden Außenteilen 1 und 4, so dass eine Stromübertragung zwischen Außenteil 1 und Innenteil 2 über die Flüssigmetalllegierung 3 erfolgen kann. Der auf die rotierenden Innenteile 2 übertra- gene Strom wird, wie nicht näher dargestellt, über Zuleitun- gen den jeweiligen Wicklungen eines in FIG 3 bis 10 darge- stellten Rotors 7 einer nicht näher dargestellten elektri- schen Maschine weitergeleitet.

FIG 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spaltes mit den auftretenden Kräften auf die Flüssigmetalllegierung 3. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft FK resultie- rende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssig- metalls 3. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche der Flüs- sigmetalllegierung 3. Der Winkel a bezeichnet den Kontakt- winkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft F wirkt dem Bestreben der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt auszutre- ten entgegen.

Die Geometrie des Spaltes bestimmt unter anderem mit der Oberflächenspannung der Flüssigmetalllegierung und dem Mate-

rial der Oberfläche der Isolierscheiben 4,5 die Größe der Kraft F, die in das Innere der Flüssigmetalllegierung 3 ge- richtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Isolierscheiben 4 als auch der chemischen Zusammensetzung der Flüssigmetalllegie- rung 3 kann somit der Austritt der Flüssigmetalllegierung 3 aus dem Spalt verhindert werden. Dabei wird mit Adhäsions- kraft FA die Kraft bezeichnet, die von der Oberfläche der I- solierscheiben 4,5 auf die Flüssigmetalllegierung 3 wirkt.

Als Kohäsionskraft FK wird eine Zusammenhangskraft bezeich- net, die innerhalb der Flüssigmetalllegierung 3 zwischen den einzelnen Molekülen der Flüssigmetalllegierung 3 wirkt.

FIG 3 zeigt eine außerhalb eines Rotors 7 liegende Schleif- ringanordnung ohne eigene Lagerung unter Benutzung der Lager 6 der elektrischen Maschine. Bei dieser Anordnung erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils, also der Außenteile 1,4 zum rotierenden Teil, also der Innenteile 2,5 der Schleifringanordnung über die Toleranzkette der Welle 8 des Lagers 6 und anderer gegebenenfalls dazwischenliegender Bau- teile. Die Schleifringanordnung besitzt keine eigene Lage- rung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß FIG 4 befindet sich die Schleifringanordnung außerhalb des Rotors 7 mit ei- ner eigenen hydrodynamischen Lagerung 13. Bei dieser Schleif- ringanordnung erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über die hydrodynamische Lagerung 13. Die Flüssigmetalllegierung 3 ü- bernimmt hierbei Lagereigenschaften und überträgt gleichzei- tig den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhin- dert ein Mitrotieren der feststehenden Teile. Die Lagereigen- schaften werden durch geeignete Strukturen der Oberflächen der feststehenden Teile und rotierenden Teile erreicht.

Gemäß FIG 5 ist die Schleifringanordnung außerhalb des Rotors 7 liegend mit einer eigenen Wälzlagerung ausgeführt. Bei die-

ser Anordnung erfolgt die Positionierung der feststehenden Teile zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über Wälzlager 14. Die Flüssigmetalllegierung 3 überträgt den elektrischen Strom vom feststehenden Teil zum rotierenden Teil. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren der feststehenden Teile.

FIG 6 zeigt eine Schleifringanordnung die auf einem Rotor 7 innenliegend, d. h. innerhalb der Lagerstellen des Rotors 7 mit eigener Wälzlagerung 14 angeordnet ist. Dabei erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils 1 zum rotierenden Teil 2 der Schleifringanordnung über die Wälzlager 14. Die Flüs- sigmetalllegierung 3 überträgt den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren des festste- henden Teils. Durch diese Anordnung ist die axiale Längenaus- dehnung der elektrischen Maschine reduziert und es sind vor allem keine elektrischen Zuleitungen durch eine Hohlwelle o- der durch spezielle Buchsen der Lager 6 zu führen.

FIG 7 zeigt eine Schleifringanordnung die auf einem Rotor 7 innenliegend, d. h. innerhalb der Lagerstellen des Rotors 7 angeordnet ist,. ohne eine eigene Lagerung unter Benutzung der Lager 6 des Rotors 7. Dabei erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils zum rotierenden Teil der Schleifringan- ordnung über die Toleranzkette der Welle 8 des Lagers 6 und ev. anderer gegebenenfalls vorhandener Bauteile. Diese Schleifringanordnung besitzt keine eigene Lagerung.

FIG 8 zeigt eine Schleifringanordnung die innenliegend im Ro- tor 7 angeordnet ist und eine eigene hydrodynamische Lagerung aufweist. Die Flüssigmetalllegierung 3 übernimmt in einem Be- reich mit sehr engen Spalten Lagereigenschaften und überträgt gleichzeitig den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren des feststehenden Teils 1. Vor- teilhaft dabei ist, dass keine Leitung durch eine eventuelle Hohlwelle zum Rotor 7 geführt werden muss. Außerdem reduziert sich die axiale Länge gegenüber den bisherigen Anordnungen.

FIG 9 zeigt eine Schleifringanordnung mit einer Dichtung 15 gegen um atmosphärische Einflüsse abzuhalten, die auch ohne weiteres bei den bisherigen Ausführungsformen von erfindungs- gemäßen Schleifringanordnungen eingesetzt werden kann. Die Dichtung 15 kann dabei auf Basis von magnetischen Flüssigkei- ten oder sonstigen Gasen ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass kein Kontakt zwischen der Atmosphäre und der Flüssig- keitsmetalllegierung 3 vorhanden ist. Im Raum 16 zwischen Dichtung und Stromübertragung kann sich ein Gas oder eine Flüssigkeit unter Über-oder Unterdruck befinden, das che- misch nicht mit dem Flüssigmetalllegierung 3 reagiert. Eben- falls kein ein Vakuum sich in diesem Raum 16 befinden.

FIG 10 zeigt einen Flüssigmetallüberträger mit Dichtung 15 gegen Atmosphäre und einer Vorrichtung gegen Eindringen von Fremdkörper. Diese Anordnung, die auch bei den anderen vor- hergehenden Anordnungen eingesetzt werden kann, zeigt eine Dichtung 15 gemäß FIG 9 und des Weiteren eine zusätzliche Dichtung 18, die als Labyrinthdichtung, Bürstendichtung oder Radialwellendichtring ausgeführt werden kann.

Die bisher beschriebenen Schleifringanordnungen sind koaxial angeordnet ; sie können ebenfalls gemäß einem Scheibenläufer ausgeführt sein.

Derartige Schleifringanordnungen sind bei sämtlichen Anwen- dungen elektrischer Maschinen mit Schleifringanordnungen ins- besondere für Windkraftanlagen einsetzbar.