AT502814A4 - Gleitreibungsfreier, elektromechanisch- galvanischer strom- und spannungsübertrager - Google Patents

Description

  Gleitreibungsfreier elektromechanisch-galvanischer Strom- und Spannungsübertrager
Die Erfindung hat zum Ziel, mittels galvanischer Verbindung elektrische Signale oder Versorgungsströme von zwei gegeneinander in Bewegung befindlichen mechanischen Körpern zu übertragen. Ist diese Relativbewegung zwischen den beiden Körpern örtlich begrenzt, genügt ein flexibles Kabel zur Übertragung. Bei nicht begrenzter Bewegung kommen üblicherweise Schleifkontakte zum Einsatz.
Ein flexibles Kabel hat den Nachteil, eine Kabelführung zu benötigen, die ein Knicken, Einklemmen oder gar Abscheren des Kabels durch die bewegten Komponenten der Anordnung vermeidet. Ein typisches Anwendungsbeispiel dafür wäre ein Robotergelenk, das zwei gegeneinander rotierende Arme miteinander mechanisch und elektrisch verbindet. Eine andere Anwendung wären elektrische Maschinen mit Schleifringläufern.

   Aber auch die galvanische Übertragung zwischen 2 Systemen mit zueinander linearer Relativbewegung wäre verbesserungsbedürftig.
Der Einsatz von Schleifkontakten war bisher konstruktiv einfacher und in der Herstellung günstiger. Schleifkontakte unterliegen jedoch einer gewissen Abnutzung und sind (vor allem im gealterten Zustand) für eine Energieübertragung verlustbehaftet und für die Signalübertragung nicht verlässlich genug (Unterbrechungsgefahr).
Diese Nachteile vermeidet die vorliegende Erfindung.
Zwei elektrisch leitfahige und gegeneinander unbewegliche Kontaktflächen, die einander gegenüber liegen und die mit einem bestimmten Anpressdruck zusammen gedrückt werden, besitzen einen bestimmten Übergangswiderstand (Kontaktwiderstand), der vom berührenden Material, dessen Oberflächenbeschaffenheit,

   der Grösse der Kontaktfläche und dem Anpressdruck abhängig ist.
Für ein elektrisch leitfahiges Band, das ein elektrisch leitfähigen Rad über einen bestimmten Winkel umschlingt und das bei Drehung des Rades um seine Achse auf dem Rad schlupffrei abrollt - daher ebenfalls keine Relativbewegung gegen das Rad ausführt - gelten ähnlich günstige Kontakt-Bedingungen wie für zwei gegeneinander ruhende Kontaktflächen.
Figur 1 veranschaulicht zunächst die Kinematik der vorliegenden Erfindung. Ein festes Zahnrad (1, Figur 1) steht mit einem Zwischenrad (2, Figur 1), das an seiner Innenseite als verzahntes Hohlrad ausgeführt ist und an seiner Aussenseite als Zahnrad, permanent im Eingriff.

   Dieser permanente Eingriff wird dadurch erzwungen, dass das Zwischenrad (2) von einem Exzenter (4, Figur 1) in einer planetarischen Bewegung um das Zahnrad (1, Figur 1) geführt wird und um seine eigene Achse frei beweglich ist, so dass die Wälzkreise beider Verzahnungen einander ständig berühren. Die Aussenverzahnung des Zwischenrades greift auf der radial gegenüber liegenden Seite dieses Eingriffs überdies in die Hohlradverzahnung eines Hohlrades (3, Figur 1) ein, das konzentrisch zum Zahnrad (1, Figur 1) gelagert ist.
Versetzt man das Hohlrad (3) nun in Rotation, so wird das Zwischenrad gleichzeitig auf dem Zahnrad (1) und dem Hohlrad (3) in einer geometrisch definierten Weise abrollen.

   Nun "glättet" man alle bisher beschriebenen Verzahnungen, erhält dadurch zylindrische Flächen und sorgt durch Anpressdruck dafür, dass die einander berührenden Flächen bei sonst gleichem Szenario schlupf rei ebenfalls aufeinander abrollen. Formschluss wird dann zu Kraftschluss.
Das Zwischenrad - seiner Verzahnungen entledigt - wird als flexibles Band ausgeführt woraus die hier zu betrachtende Anordnung entsteht:
Ein elektrisch isolierender (Hohl-) Zylinder (5, Figur 2, 3, 4) ist an seiner äusseren Mantelfläche mit metallischen Bahnen (6, Figur 2, 3, 4) versehen, die voneinander elektrisch isoliert und mit Anschlusskontakten (7, Figur 2, 3, 4) an der Stirnseite des Zylinders leitfahig verbunden sind.

   Konzentrisch dazu ist ein elektrisch isolierender Hohlzylinder (8, Figur 2, 3, 4), der an seiner inneren Mantelfläche mit ebensolchen leitfähigen Bahnen (9, Figur 2, 4) versehen ist, die den Bahnen (6, Figur 2, 3, 4) radial gegenüber liegen und der ebenfalls mit Anschlusskontakten (10, Figur 2, 4) leitfähig verbunden ist.
Je 2 Bahnen beider Zylinder sind durch je ein elektrisch leitfähiges und biegungselastisches Band (11, Figur 2, 3, 4), ausgeführt als mehrlagiges Metallband, verbunden. Die Bänder (11, Figur 2, 3, 4) werden durch die Andruckrollen (12, Figur 2, 3) an die Kontaktbahnen (6, Figur 2, 3, 4) gedrückt, und durch die Andruckrollen (13, Figur 2, 3) an die Kontaktbahnen (9, Figur 2, 4).

   Damit wird eine leitfahige Verbindung zwischen den Bahnen des Aussenzylinders mit den gegenüberliegenden Bahnen des Innenzylinders hergestellt.
Alle 4 Andruckrollen sind der Anzahl der Leiterbahnen entsprechend mit Führungskragen ausgestattet, die ein axiales Verschieben der Bänder verhindern. Die Führungsrollen sind an beiden Stirnseiten der Anordnung in je einem Rollenträger (14, Figur 2, 3, 4) gelagert.
Die Bänder (11, Figur 2, 4) haben neben ihrer Funktion als elektrisches Bindeglied zwischen fester und beweglicher Kontaktbank noch die Aufgaben, den Anpressdruck an die Bahnen herzustellen und Toleranzen bei der Positionierung der Andruckrollen auszugleichen. Im entspannten Zustand nehmen die metallischen Bänder Kreisform an.

   Beim Andrücken an die innere Kontaktbank wird ein kleinerer Radius erzwungen als es dem entspannten Zustand entspricht, beim Andrücken an die äussere Kontaktbank ein grösserer. Damit das Band bei der Verformung immer im elastischen Bereich bleibt, darf seine Wandstärke ein bestimmtes Mass nicht übersteigen. Andererseits dient die Federkraft des Bandes der Erzeugung des notwendigen Kontaktdruckes. Damit der Bereich des Bandes auch zwischen den Andruckrollen mit Druck aufliegt (und nicht nur unter den Andruckrollen) muss das Band auch bei geringer Verformung eine deutliche Gegenkraft entwickeln.

   Dies ist es bei herkömmlichen (metallischen) Materialien nur mit mehrlagigen Bändern möglich (ähnlich wie bei den Blattfedern alter Eisenbahnwaggons).
Sicherer Kontakt wird dann auch hergestellt, wenn die Andruckrollen infolge von Fertigungstoleranzen oder Durchbiegung der Rollenachsen nicht dicht am Band liegen.
Die Resultierende der Federkraft aller Bänder drückt die 4 Andruckrollen in Richtung von der Hauptachse der Anordnung zum Kontaktbereich mit dem kleineren Radius. Die Andruckrollen werden in den Rollenträgern (14, Figur 2, 3, 4) gelagert. Um eine radiale Verschiebung dieser Rollenträger zu verhindern, und um die Rollenträger an der Hauptachse der Anordnung zu zentrieren, sind am Rollenträger Stützrollen (15, Figur 2, 3, 4) angebracht, die sich an der Innenseite des Hohlzylinders (8, Figur 2, 3, 4) abstützen.

   Das Umdrehungsverhältnis u von Aussenrad (8, Figur 2, 3, 4) zu der Baugruppe, die in Analogie zum Zwischenrad-Exzenter (4) in Figur 1 hier kurz Zwischenrad genannt wird, bestehend aus den Teilen 12 bis 15 in den Figuren 2, 3, 4, beträgt
= -*^ -l d> d2
mit
di Aussendurchmesser Kontaktbank 6, Figur 2, 3, 4 d2Innendurchmesser Kontaktbänder 11 , Figur 2, 3, 4 d3Aussendurchmesser Kontaktbänder 11 , Figur 2, 3, 4 d4Innendurchmesser Kontaktbank 9, Figur 2, 4.
(d - d2) / 2 ist die Dicke des Kontaktbandes.
Vernachlässigt man die Banddicke, indem man d2:= d3setzt, kommt man auf die vereinfachte Gleichung
w = - - 11. d<
Bei der vorliegenden Ausführung rotiert das Zwischenrad 8,35 mal so schnell wie das Aussenrad.

   Bei geringen Drehzahlen, wie sie bei einem Robotergelenk auftreten ist dieses Übersetzungsverhältnis tragbar, weil im Wesentlichen nur die innere Reibung der Kontaktbänder bei der Verformung zu überwinden ist. Eine "Hochgeschwindigkeits"Ausfuhrung dagegen verlangt, dass dj deutlich kleiner ist als cU - auch, damit die Andruckrollen (12, 13, Figur 2, 3) nicht zu rasch rotieren. Die Kompaktheit der Anordnung geht dabei ein wenig verloren.
Eine zweite Ausführung der Erfindung (Figur 5) zeigt die elektrisch leitenden Teile und die Andruckrollen eines Stromabnehmers, der ohne den Einsatz von Schleifkontakten eine galvanische Verbindung zwischen einem linear bewegten System und einer (festen) Stromschiene (16) herstellt. Die Andruckrollen (17) drücken das erste Kontaktband (18) an die Stromschiene, entlang der die gesamte Anordnung rollt.

   Die Andruckrollen (19) drücken das Kontaktband an die Rolle (17), die auch als Aussenkontaktzy linder der zweiten Stufe fungiert.
Die nicht rotierende, weil starr mit dem linear bewegten System verbundene Kontaktrolle (20) wird von dem zweiten Kontaktband (21) umschlungen, die Andruckrollen (22) erfüllen dieselbe Aufgabe wie schon in der ersten Ausführung der Erfindung.
Die Anordnung nach Figur 5 ist geeignet für eine verschleiss-, geräuscharme und energieeffiziente Stromversorgung von Aufzügen, U-Bahnen, Magnetschwebebahnen usw.

Claims (7)

Ansprüche

1. Gleitreibungsfreier elektromechanisch-galvanischer Strom- und Spannungsübertrager zwischen zwei Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein- oder mehrlagige zumindest an ihrer Oberfläche elektrisch leitende Blattfeder (11) oder ein ähnliches elastisches Gebilde als ein Kontaktelement an zwei oder mehreren unterschiedlichen Lagerstellen an eine geeignete Kontaktfläche (6, 9) als anderes Kontaktelement gedrückt wird, wobei die Geometrie der Feder im entspannten Zustand von der Geometrie im angedrückten Zustand abweicht und dadurch eine Kontaktkraft auch oder nur ausserhalb der Lagerstellen auf die Kontaktfläche ausübt, was den effektiven Stromflussquerschnitt im Kontaktbereich günstig beeinflusst.

2. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder als in sich geschlossene Schleife ausgeführt ist (11), dass das Andrücken der Feder an die Kontaktfläche mit Andruckrollen (12, 13) erfolgt und dass das Abrollen der Blattfeder auf der Kontaktfläche elektrischen Kontakt an mehreren Stellen ermöglicht.

3. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenförmige Blattfeder (11), auch Kontaktband genannt, sowohl an ihrer Innenseite wie auch an ihrer Aussenseite elektrischen Kontakt zu festen oder beweglichen, aber in sich nicht wesentlich verformbaren Kontaktflächen (6, 9) hat, wobei die Andruckrollen (12, 13) jeweils an der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Kontaktbandes angeordnet sind und dass auf diese Weise zwei zylindrisch ausgeführte und konzentrische Kontaktflächen (6, 9), die beiden gegeneinander rotieren, durch das dazwischen angeordnete Kontaktband (11) elektrisch verbunden werden, wobei das Kontaktband durch ausreichende Haftreibung an den zylindrischen Kontaktflächen gezwungen wird, seine Abroll- und Rotationsgeschwindigkeit um die gemeinsame Drehachse so einzustellen,

dass das Kontaktband an der inneren und an der äusseren Kontaktfläche (nahezu) gleitfrei abrollt.

4. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene Anordnung in einer weiteren Ausführung in Axialrichtung vervielfacht wird und dadurch mehrere getrennte elektrisch leitende Verbindungen zwischen zwei gegeneinander beweglichen Systemen entstehen.

5. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die bei Drehgeschwindigkeitsänderungen ggf. auftretende Gleitreibung reduziert werden kann, indem parallel zu den sich gegeneinander bewegenden Komponenten <EMI ID=5.1> der Anordnung eine auf Formschluss basierende Synchronisiereinrichtung (wie etwa Zahnräder) mit den gleichen Übersetzungsverhältnissen mechanisch starr angekoppelt wird.

6. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jene Andruckrollen (12) an der konvexen Seite des Kontaktbandes (11) weggelassen werden können, wenn das Band durch eine entsprechende Geometrie in der Weise unter Zugspannung gesetzt wird, dass bei der Umschlingung Kontaktdruck auf die konvexe Kontaktfläche zustande kommt.

7. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene Anordnung durch eine zweite Baustufe ähnlicher Art (17, 18, 19) so erweitert wird, dass auch eine galvanische Übertragung zwischen zwei linear gegeneinander bewegten Systemen ohne Schleifkontakte möglich ist, wobei die erweiterte Baustufe zunächst elektrischen Kontakt von dem linear bewegten System auf ein rotatorisch.es System - ebenso mit Andruckrollen und biegeelastisch verformbaren Kontaktbändern - herstellt und die Grundbaustufe der Beschreibung in den vorangegangenen Ansprüchen entspricht.