Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Klauenpol- generator, mit einem Stator und einem Rotor, wobei die Maschine zu motorischen oder generatorischen Zwecken dienen kann. Der Rotor trägt zumindest ei- ne Erregerspule, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring und einen auf den Schleifring gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist. Der Gleitkontakt ist eine sogenannte Bürste und besteht aus einem Pressmaterial, welches üblicherweise Elektrographit ist. Maschinen dieser Bauart werden seit vie- len Jahren weltweit verwendet.

Nachteilig ist bei derartigen Maschinen, dass die Schleifringanordnung aus der Kombination einer Bürste aus Elektrographit und einem Schleifring aus Kupfer den gestiegenen Lebensdaueranforderungen, insbesondere Nutzkraftfahrzeug- bereich, nicht mehr gewachsen ist.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor zumindest einen Erregerspule trägt, die mittels einer Schleifringanordnung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest einen Schleifring und einen auf dem Schleifring gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist und der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste ist, die aus dem Pressmaterial Elektrographit besteht, ist dann besonders vorteilhaft, wenn

der Schleifring aus Bronze besteht. Die Lebensdauer dieses Systems wird dadurch erheblich verbessert.

Eine weitere Verbesserung tritt dann ein, wenn die Bronze eine sogenannte Zinnbronze ist, deren Zinnanteil vorzugsweise zwischen 1% und 10% Massenanteil beträgt.

Eine Lebensdauererhöhung von beispielsweise 50% - 100% gegenüber herkömmlichen Systemen unter Verwendung von Kupferschleifringen ist dann ge- geben, wenn der Zinnanteil zwischen 3% und 5% beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine, ausgeführt als Generator.

Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 10, ausgeführt als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge. Diese elektrische Maschine 10 besteht aus einem Gehäuse 13, das zweiteilig ausgeführt ist. Dieses Gehäuse 13 weist als Gehäuseteile ein antriebsseitiges Lagerschild 16 und ein so genanntes bürstenseitiges Lagerschild

19 auf. Zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 16 und 19 ist mittels Gehäuseschrauben 22 ein Stator 25 gehalten. Dieser Stator 25 besteht aus einem Ständerblechpaket 28, in dessen hier nicht dargestellte Nuten eine Ständerwicklung 31 eingesetzt ist. Von dieser Ständerwicklung 31 sind ein antriebsseitiger Win- kelkopf 34 und ein bürstenseitiger Wickelkopf 37 zu erkennen. Innerhalb des

Ständerblechpakets 28 ist ein Rotor 40 angeordnet. Dieser Rotor 40 ist über eine Welle 43 sowohl im Antriebslagerschild 16 als auch im bürstenseitigen Lagerschild 19 mittels zweier Lager, nämlich einem antriebsseitigen Lager 46 und einem rückwärtigen Lager 49 gelagert. Zwischen den beiden Lagern 46 und 49 sind die magnetischen Teile des Rotors 40 positioniert. Zwischen einer ersten

Polradhälfte 52 und einer zweiten Polradhälfte 55 ist ein Polkern 58 angeordnet. Um den Polkern 58 herum ist eine Erregerwicklung 61 positioniert. Die Polradhälfte 52, der Polkern 58, die Erregerwicklung 61 und die Polradhälfte 55 sind von der Welle 43 getragen. Auf der Seite der Polradhälfte 52, die von der Erre- gerwicklung 61 abgewandt ist, ist ein erster Lüfter 64 und auf der entsprechen-

den Gegenseite an der anderen Polradhälfte 55 ein zweiter Lüfter 67 befestigt. Beide Lüfter dienen dazu, aus axialer Richtung Luft anzusaugen und diese durch öffnungen in den Wickelköpfen 34 bzw. 37 durchzublasen und durch hier nicht gezeigte radial außen angeordnete öffnungen nach der Erwärmung an die Um- gebung abzugeben.

An einem antriebsseitigen Ende 70 der Welle 43 ist mittels einer Schraubenmutter eine Riemenscheibe 73 befestigt. Diese Riemenscheibe dient dazu, den Rotor 40 mittels eines Riemens 74 zu drehen. Am bürstenseitigen Ende der Welle 43 ist eine Schleifringbaugruppe 76 befestigt. Diese Schleifringbaugruppe dient dazu, mittels zweier Schleifringe 79 (Minusschleifring) und 81 (Plusschleifring) die Erregerwicklung 61 zu bestromen. Dazu sind als weitere Verbindungselemente eine erste Verbindungsleitung 84 zwischen dem Minusschleifring 79 und eine zweite Verbindungsleitung 87 als Verbindung zwischen den Plusschleifring 81 und dem anderen Ende der Erregerwicklung 61 vorgesehen. Zur Bestromung der Erregerwicklung 61 gleiten auf den genannten Schleifringen 79 und 81 Bürsten 89, die durch einen Regler 90 mit Erregerstrom belastet werden. Des Weiteren ist ein üblicher Gleichrichter 93 vorhanden, der mittels einer Schutzkappe 96 bedeckt ist.

Figur 2 zeigt eine räumliche Darstellung einer Schleifringbaugruppe 76, wie sie bei dem zuvor beschriebenen Generator verwendet wird. Diese Schleifringbaugruppe trägt die bereits erwähnten Schleifringe 79 und 81. Beide Schleifringe 79 und 81 sind durch einen Halter 100 gehalten. Der Halter 100 ist ein komplexes Gebilde, das mittels eines Spritzgussverfahrens entstanden ist und ist aus einem

Isolierstoff 101 geformt. Dieser Halter 100 trägt verborgen in seinem Inneren zwei Verbindungsleiter 103 und 106. Der Verbindungsleiter 103 verbindet den ersten Schleifring 79 durch einen Steg 109 hindurch mit einer einstückig mit dem Verbindungsleiter 103 ausgeführten Kontaktfahne 112, die ein vom ersten Schleifring 79 abgewandtes Ende 115 darstellt. Der Verbindungsleiter 106 verbindet den zweiten Schleifring 81 durch den Steg 118 hindurch mit einer ebenso einstückig ausgeführten Kontaktfahne 121, die ebenfalls ein vom Schleifring 81 abgewandtes Ende 124 des Verbindungsleiters 106 darstellt. Der Verbindungsleiter 106 ist wie der Verbindungsleiter 103 auch, innerhalb des Halters 100 an- geordnet. Der Verbindungsleiter 106 tritt durch den Schleifring 79 hindurch. Die

Schleifringe 79 und 81 bilden eine äußere Begrenzung für den Halter 100. Radial innerhalb der Schleifringe 79 und 81 ist eine öffnung 127 vorgesehen, die hohl- zylindrisch ausgeführt ist. Diese öffnung 127 ist später im montierten Zustand durch einen wellenseitigen Zapfen besetzt. Dieser im Grunde genommen hohlzy- lindrische Abschnitt zwischen der endseitigen öffnung 127 und dem übergang des Halters 100 in die zwei Stege 109 und 118 wird durch einen Wulst 130 begrenzt, der in etwa ringförmig um die Drehachse 133 positioniert ist. Am von dem Wulst 130 abgewandten Ende der Stege 109 bzw. 118 schließt sich ein Ringbereich 136 an, der die Position der Enden 115 stabilisiert, indem diese Enden 115 bzw. 124 bzw. Abschnitte dieses Verbindungsleiters 103 bzw. 106 in diesem

Ringbereich 136 eingebettet sind.

Der Halter 100 umfasst sowohl den innerhalb der Schleifringe 79 und 81 angeordneten Anteil des Halterteils 100 als auch den Bereich rund um den Wulst 130, die Isolierung der Stege 109 und 118 sowie den Ringbereich 136.

Dieses hier gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt zwar zwei Schleifringe 79 und 81, dennoch sind Ausführungsbeispiele machbar, bei denen lediglich ein Schleifring 81 an der Schleifringanordnung vorgesehen ist. Die Aufgaben des Minusschleif- rings Schleifring 79 würden dann beispielsweise dadurch wahrgenommen werden, dass das minusseitige Ende der Erregerwicklung 61 mit einem Masseteil des Rotors 40 verbunden ist. Der Stromkreis würde dann beispielsweise über eines der beiden Kugellager - in diesem Fall das antriebsseitige Kugellager 46 - an Masse erfolgen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zumindest eine Bürste 89 und damit die im gezeichneten Ausführungsbeispiel dargestellten zwei Bürsten 89 aus einem Pressmaterial bestehen, welches Elektrographit ist und dass der zumindest eine Schleifring 81, hier im Ausführungsbeispiel beide Schleifringe 79 und 81, aus Bronze ist.

Dementsprechend ist eine elektrische Maschine 10, insbesondere Klauenpolge- nerator, vorgesehen, mit einem Stator 25 und einem Rotor 40, wobei der Rotor 40 zumindest eine Erregerwicklung 61 trägt, die mittels einer Schleifringanord- nung mit Erregerstrom versorgbar ist, wobei die Schleifringanordnung zumindest

einen Schleifring 81 und einen auf dem Schleifring 81 gleitfähig angeordneten Gleitkontakt aufweist, der Gleitkontakt eine sogenannte Bürste 89 ist und aus einem Pressmaterial besteht, wobei das Pressmaterial Elektrographit ist und der Schleifring 81 aus Bronze ist.

Es ist vorgesehen, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine Zinnbronze ist. Günstigerweise hat die Zinnbronze des Schleifrings 81 einen Zinnanteil zwischen 1% und 10% Masseanteil.

Besonders bevorzugt wird, dass die Bronze des Schleifrings 81 eine Zinnbronze mit einem Zinnanteil zwischen 3% und 5% Masseanteil ist.

Eine weitere Lebensdauer beeinflussende Größe liegt in der Gestaltung des Gleitkontakts und der Schleifringe. Nur eine optimale Kombination zwischen der Kontaktfläche des Gleitkontakts und des Schleifrings ergibt ein Minimum an Ab- brand. Einerseits sollte ein möglichst kleiner Schleifringdurchmesser gewählt werden, da der Umfangsweg pro Umdrehung direkt mit dem Verschleiß des Gleitkontakts in Verbindung steht. Anderseits darf der Schleifringdurchmesser auch nicht zu klein werden, um eine nicht zu starke Krümmung des Gleitkontakts festzulegen. Weiterhin muss die Kontaktfläche auch noch so groß sein, dass ein geringer Spannungsabfall zwischen Gleitkontakt und Schleifring auftritt und der Erregerstrom möglichst Verlustfrei übertragen wird. Besonders geeignete Geometrien liegen in Schleifringdurchmessern von typischerweise 12 - 20mm. Entsprechende geeignete Geometrien des Gleitkontakts liegen geeigneter Weise bei 3 - 5mm in Umfangsrichtung und 5 - 8 mm axialer Länge der Kontaktfläche des

Gleitkontakts bei 10 - 20 mm nutzbarer Länge des Gleitkontakts.

Der Verschleiß des Gleitkontakts ist mit abnehmender Kohlelänge typischerweise nicht linear. Im Anfangsstadium ist die zum Anpressdruck notwendige Feder stark komprimiert. Dies bewirkt zwar geringere elektrische aber stärkere mechanische Verluste. Nach Abnahme der Länge des Gleitkontakts reduziert sich der Anpressdruck und somit auch der Verschleiß des Gleitkontakts. Wird dagegen der Anpressdruck zu gering, besteht ein erhöhtes Risiko von Bürstenfeuer. Dies entsteht durch abhebende Gleitkontakte speziell bei höheren Schleifringdrehzah-

len. Teilweise kann dieser Effekt durch eine geringere Masse des Gleitkontakts kompensiert werden.