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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine
Drehstrommaschine mit einem Schleifringläufer, dessen Schleifringe
am hinteren Ende der Läuferwelle angeordnet sind, nach der
Gattung des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine
derartige elektrische Maschine ist bereits aus der Druckschrift
DE 199 50 126 A1 bekannt. Dort
werden die Schleifringe am hinteren Läuferwellenende von
einer nachrüstbaren Schleifringkapsel umgeben, die bei
ihrer Montage auf den Bürstenhalter der Maschine aufgeklipst
wird und stirnseitig verschlossen ist. Zur Beseitigung des Bürstenabriebes und
der dort entstehenden Wärme im Betrieb der Maschine wird
dort über ein Labyrinth zwischen Bürstenhalter
und Schutzkappe ein dosierter Luftstrom vom Ende der Läuferwelle
her axial durch die Schleifringkapsel hindurch geleitet, wobei diese
Luft sodann im Bereich des hinteren Maschinenlagers aus der Schutzkappe
austritt, um sie gemeinsam mit der von einem Lüfter angesaugten
Kühlluft zur Statorwicklung der Maschine zu befördern.
Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass der sehr kleine
Kühlluftstrom in der Schleifringkapsel des Schleifringsystems
bereits im Labyrinthsystem durch die Temperatur des Bürstenhalters
erwärmt wird und daher relativ trocken ist. Dies fuhrt
bei hohen Belastungen der Maschine, wie sie als Drehstromgenerator
in Kraftfahrzeugen häufig auftreten, zur Verringerung des Schmierfilmes
zwischen den Schleifringen und ihren Kohlebürsten (Rothmannhaut).
Damit steigt bei zunehmenden Temperaturen der Bürstenverschleiß. Nachteilig
ist ferner, dass im Bereich des Bürstenhalters und der
Schleifringkapsel die dort einströmende Kühlluft
verwirbelt wird, bevor sie durch Lufteinlassfenster des hinteren
Lagerschildes zum Lüfter gelangt, wodurch der Kühlluftdurchsatz
der Maschine beeinträchtigt wird.
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Diese
Nachteile ergeben sich mehr oder weniger auch bei einer weiteren,
aus der Druckschrift
US
6,664,699 B2 bekannten Ausführungsform einer Schleifringkapselung,
bei welcher das Zentrum einer Schutzkappe zusammen mit den Bürstenhalter
ein Labyrinth für die Zuführung eines sehr kleinen
Luftstromes zum Schleifringraum bildet. Die auf den Bürstenhalter
auf zu klipsende Schleifringkapsel für die Schleifringe
ist dadurch zwar einfacher gestaltet, dennoch wird die dort durchströmende
Luft zunächst im Labyrinth in nachteiliger Weise aufgewärmt.
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Da
in Abhängigkeit vom Einsatz und vom Einbauort der elektrischen
Maschine gegebenenfalls auf eine Kapselung der Schleifringe verzichtet
werden kann, ist es aus Kostengründen sinnvoll, wenn der
hintere Lagebereich der Maschine mit dem Bürstenhalter,
den Schleifringen und der Schutzkappe für eine Gleichrichter-Baueinheit,
derart konfiguriert ist, dass im Bedarfsfall eine Schleifringkapsel
für die Schleifringe nachrüstbar ist.
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Mit
der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die nachrüstbare
Kapselung der Schleifringe so zu gestalten, dass sie den Hauptkühlluftstrom nicht
behindert und dass der sehr kleine Kühlluftstrom direkt
und ohne Vorwärmung zur Schleifringkapsel der Schleifringe
gelangen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 hat den Vorteil, dass durch die Gestaltung und Anbringung der Schleifringkapsel
am hinteren Lagerschild der Maschine eine Verwirbelung der Kühlluft
an den Lufteinlassfenstern des Lagerschildes vermieden wird, so dass
sich dort ein Unterdruckgebiet ausbildet, durch das ohne Eingriff
in die bestehende Konfiguration des hinteren Lagerschildes durch
eine Saugwirkung vor der Lagerstelle das Schleifringsystem ausreichend belüftet
und befeuchtet wird. Durch die vordere Kapselöffnung kann
die Kühlluft nunmehr ohne Vorwärmung direkt zu
den Schleifringen gelangen und so eine ausreichende Befeuchtung
der Bürstenlauffläche gewährleisten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schleifringkapsel durch
ihre einfache Gestaltung kostengünstig herstellbar und
montierbar ist. Da die elektrische Maschine ohne die nachrüstbare Schleifringkapsel
die angesaugte Kühlluft im Bereich der Lufteinlassfenster
des Lagerschildes mehr oder weniger stark verwirbelt, lässt
sich mit Hilfe der Schleifringkapsel auch noch die Kühlluftführung
verbessern und so die Kühlluftmenge vergrößern.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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So
lässt sich die Kühlluftströmung an der
Außenwand der Schleifringkapsel dadurch optimieren, dass
die Außenwandung der Schleifringkapsel im Bereich der äußeren
Schutzkappe axial zylindrisch ausgebildet ist und in ihrem dem Lagerschild
zugewandten Bereich sich konkav konisch erweitert. Zur Ausbildung
einer strömungsgünstigen Luftführung am
Luftaustritt der Schleifringkapsel wird vorgeschlagen, dass der
Lagerschild an der Außenseite seiner Lagerbohrung eine
ringförmige Schulter aufweist, an der die Schleifringkapsel
stirnseitig anliegt und die mit mehreren über den Umfang
verteilten, mit dem Innenraum der Schleifringkapsel verbundenen
Durchbrüchen versehen ist. Dabei ist es für die
Luftführung besonders günstig, wenn die Durchbrüche
der Schulter über einen axialen Luftspalt zum hinteren
Lager der Läuferwelle mit dem Innenraum der Schleifringkapsel
verbunden sind. Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn die Durchbrüche
an der Außenseite der Schulter zumindest teilweise radial
nach außen über den Rand der Schleifringkapsel
hinaus reichen. Zur Verbesserung des Luftaustritts im Lagerbereich
ist es ferner vorteilhaft, wenn der konisch erweitere Endbereich
der Schleifringkapsel zur Schulter des Lagerschildes einen axialen
Abstand hat. Zur Erzielung eines solchen, ausreichend großen
axialen Abstandes ist vorgesehen, dass die Schleifringkapsel an
ihrem lagerschildseitigen Ende mit einem am Innenumfang axial vorstehenden
Kragen auf der Außenseite der ringförmigen Schulter
des Lagerschildes zentriert und aufgesetzt ist.
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Für
eine gute Kühlluftführung ist es ferner zweckmäßig,
wenn die Schleifringkapsel mit dem hinteren Rand ihrer Außenwandung
bis dicht unterhalb der Einlassfenster des Lagerschildes reicht.
Für eine einfache und zuverlässige Montage hat
die Schleifringkapsel eine vorn offene axiale Aussparung zur Aufnahme
des Bürstenhalters, wobei die Aussparung an ihrem hinteren
Ende mit einem Anschlag für den Bürstenhalter
versehen ist der am Umfang des am hinteren Ende der Schleifringkapsel
axial vorstehenden Kragen angeformt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
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1 den
hinteren Teil der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine bis zur Mittelachse im Längsschnitt ohne Schleifringkapselung,
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2 eine
nachrüstbare Schleifringkapsel für die Maschine
nach 1 in raumbildlicher Darstellung,
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3 die
vormontierte Einheit aus Bürstenhalter und Schleifringkapsel
aus 2 im Ausbruch und raumbildlicher Darstellung;
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4 zeigt
die elektrische Maschine nach 1 mit nachgerüsteter
Schleifringkapsel im Längsschnitt,
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5 zeigt
einen Ausbruch des Lagerschildes im Lagerbereich in raumbildlicher
Darstellung und
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6 zeigt
in vergrößerter Darstellung den Lagerbereich der
Maschine im Längsschnitt mit dem Verlauf der Luftströmung
an der Außen- und Innenseite der Schleifringkapsel.
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Ausführungsform der
Erfindung
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1 zeigt
in vereinfachter Form den hinteren Teil einer elektrischen Maschine 10 im
Längsschnitt bis zur Mittelachse. Die Maschine 10 ist
als Wechselstrom-Synchrongenerator mit einem Klauenpolläufer
und geregelter elektrischer Erregung des Läufers zum Einsatz
in Kraftfahrzeugen ausgebildet. Sie hat ein mehrteiliges Metallgehäuse,
bestehend aus je einem Lagerschild an beiden Stirnseiten, von denen
lediglich das hintere Lagerschild 11 dargestellt ist. Die
Lagerschilde sind topfförmig ausgebildet mit stirn- und
umfangseitgen Lufteinlass- und auslassfenstern 11c und 11d.
Zwischen den beiden Lagerschilden 11 ist ein Ständer
befestigt, der aus einem Bleckpaket 13 besteht, das in
bekannter Weise aus einer Vielzahl von Blechlamellen 12 hergestellt
ist. In dem Bleckpaket 13 ist eine dreiphasige Ständerwicklung 14 eingesetzt,
welche in axial zueinander parallel verlaufende, radial nach innen
offene Nuten des Bleckpaketes 13 untergebracht ist. Innerhalb
des zylindrischen Bleckpaketes 13 ist ein Klauenpolläufer 15 angeordnet
und mit seiner Läuferwelle 16 in den Lagerschilden 11 drehbar
gelagert. Der Klauenpolläufer 15 besteht aus zwei
auf der Läuferwelle 16 befestigten Klauenpolhälften 15a und 15b,
zwischen denen ein Polkern 17 eingespannt ist, der eine
ringförmige Erregerwicklung 18 trägt.
Jede der beiden topfförmigen Klauenpolhälften 15a und 15b ist
aus massivem Eisen hergestellt und weist entlang des Umfangs eine
Vielzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Klauen 15c auf,
die in Umfangsrichtung mit gleichmäßiger Winkelteilung
voneinander beabstandet ineinander greifen. Die Klauen 15c überdecken
dabei wechselseitig die Erregerwicklung 18 und bilden am
Läuferumfang abwechselnde Süd- und Nordpole aus.
An den außen liegenden Stirnseiten der beiden Klauenpolhälften 15a und 15b ist
jeweils ein Lüfter 19 befestigt, der im Betrieb
der Maschine die erforderliche Kühlluft über die
Einlassfenster 11c des Lagerschildes 11 ansaugt.
Der angesaugte Kühlluftstrom wird dabei vom Lüfter 19 radial
nach außen zur Ständerwicklung 14 transportiert,
deren stirnseitig am Bleckpaket 13 ausgebildeten ringförmigen
Wickelköpfe unmittelbar im radialen Kühlluftstrom
liegen. Die erwärmte Kühlluft tritt danach durch
die Auslassfenster 11d des Lagerschildes 11 wieder
aus. Am hinteren freien Wellenende 16a ist zur Stromversorgung
der Erregerwicklung 18 ein Schleifringpaar 20 angeordnet,
dass mit zwei in einem Bürstenhalter 21 geführten
Kohlebürsten zusammen wirkt. Die Schleifringe 20 sind
teilweise in einen zylindrischen Isolierkörper 22 eingebettet,
der auf das Wellenende 16a der Maschine 10 aufgesetzt
ist, wobei die Anschlussleiter der Schleifringe 20 in nicht
erkennbarer Weise im Isolierkörper 22 eingebettet
unter dem hinteren Kugellager 23 der Maschine hindurchgeführt
werden, wo sie mit den Enden de Erregerwicklung 18 kontaktiert
sind. Das Kugellager 23 ist dabei über eine Buchse 24 aus
Isolierstoff in einer Lagerbohrung 25 des Lagerschildes 11 fixiert.
Das Lagerschild 11 weist an der Außenseite seiner
Lagerbohrung 25 eine Ringschulter 26 auf, die
mit mehreren, über den Umfang verteilten Durchbrüchen 27 versehen
ist. Der von der Ständerwicklung 14 abgegebene
Drehstrom wird über eine Gleichrichtereinheit 28 dem
Bordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt, wobei die Gleichrichtereinheit
außen am hinteren Lagerschild 11 angeordnet ist.
Ferner befindet sich dort ein Regler, der die Stromversorgung der
Erregerwicklung 18 derart beeinflusst, dass die von der
Gleichrichtereinheit 28 dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs
zugeführte Spannung unabhängig von der Drehzahl
und Last der Maschine konstant gehalten wird. Dabei ist der Regler 29 gemäß 3 mit
dem Bürstenhalter 21 zu einer Baueinheit 30 zusammen
gefasst, die an der Rückseite des hinteren Lagerschildes 11 festgeschraubt ist.
Gleichrichtereinheit 28 sowie Bürstenhalter 21 und
Regler 29 sind von einer Schutzkappe 31 aus Isolierstoff
abgedeckt, die ihrerseits auf der Rückseite des hinteren
Lagerschildes 11 befestigt ist. Die Schutzkappe 31 hat über
ihren Umfang verteilt eine Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen 32,
durch die vom Lüfter 19 angesaugte Kühlluft
zur Kühlung der Gleichrichtereinheit 28 und des
Bürstenhalters 21 eintritt, bevor sie zu den Einlassfenstern 11c des
Lagerschildes 11 gelangt.
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Im
normalen Einsatz der elektrischen Maschine 10 wird diese
als Drehstromgenerator im Motorraum von Kraftfahrzeugen so angeordnet,
dass sie ohne besonderen Schutz der Schleifringe 20 und
der damit zusammen wirkenden Kohlebürsten betrieben wird.
Solche offenen Systeme benötigen daher keine besondere
Belüftung beziehungsweise Befeuchtung der Kohlebürsten.
Bei Einbauorten mit starker Belastung durch Schmutz, Wasser und Öl
besteht jedoch für offene Schleifringsysteme die Gefahr
von Einschleifungen mit starker Abrieb sowie die Gefahr klemmender
Bürsten. Da eine vollständige Kapselung der Schleifringe 20 wegen
zu starker Erwärmung und damit unzureichender Luftfeuchte
mit der Folge einer unzureichenden Schmierung der Kohlebürsten
nicht in Betracht kommt, ist für derartige Einsätze
der Maschine 10 eine nachrüstbare, belüftete Kapselung
der Schleifringe 20 erforderlich. Die Kapselung ist dabei
so auszubilden, dass sie ohne Eingriff in die bestehende Konfiguration
des hinteren Lagerschildes 11 und des Bürstenhalters 21 sowie
der äußeren Schutzkappe 31 im Bedarfsfalle
an der Maschine auf möglichst einfache Weise nachrüstbar
ist. Ferner ist durch eine ausreichende Belüftung des Schleifringraumes
zu gewährleisten, dass der Bürstenabrieb entfernt
sowie durch die Luftfeuchtigkeit ein als Rothmannhaut bezeichneter
Schmierfilm an der Lauffläche der Kohlebürsten
gebildet wird.
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Die 2 bis 6 zeigen
eine solche nachrüstbare Kapselung der Schleifringe sowie
die Funktion ihrer dosierten Belüftung. Dabei zeigt 2 eine
dafür benötigte, aus Kunststoff hergestellte Schleifringkapsel 40 in
raumbildlicher Darstellung. Sie hat eine vordere Kapselöffnung 41 sowie
eine axiale Aussparung 42 zur Aufnahme des Bürstenhalters 21.
Sie hat ferner eine glatte Außenwand 43, die an
ihrem vorderen, der Schutzkappe 31 der Maschine 10 zugewandten
Bereich 43a axial zylindrisch ausgebildet ist und die sich
in ihrem dem Lagerschild 11 zugewandten hinteren Bereich 43b konkav
konisch erweitert. Die Schleifringkapsel 40 hat ferner
an ihrem lagerschildseitigen Ende einen axial vorstehenden Kragen 44,
der sich im Bereich der Innenwandung 45 der Schleifringkapsel 40 befindet.
Am Kragen 44 ist ferner ein axialer Anschlag 46 für
den Bürstenhalter 21 ausgebildet.
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Zur
Nachrüstung der elektrischen Maschine 10 aus 1 mit
einer Kapselung der Schleifringe 20 wird zunächst
die Schleifringkapsel 40 aus 2 am Bürstenhalter 21 vormontiert. 3 zeigt
die Baueinheit 30 aus dem Bürstenhalter 21 und
dem Regler 29 mit der im Längsschnitt dargestellten
Schleifringkapsel 40. Dabei ist der Bürstenhalter 21 an
seinem unteren Ende beidseitig mit je einer Schulter 21a versehen,
so dass die Schleifringkapsel 40 mit ihrer axialen Aussparung 42 von
hinten bis zu ihrem Anschlag 46 auf den Bürstenhalter 21 aufgeschoben
wird. Dabei liegen die Schultern 21a des Bürstenhalters 21 an der
Innenwandung 45 der Schleifringkapsel 40 an. Die
Baueinheit 30 mit der Schleifringkapsel 40 kann nun
an der elektrischen Maschine 10 aus 1 montiert
werden, indem der Bürstenhalter 21 zusammen mit
dem Regler 29 an der Rückseite des hinteren Lagerschildes 11 angeschraubt
wird.
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4 zeigt
die elektrische Maschine 10 aus 1 mit der
nunmehr nachgerüsteten belüfteten Schleifringkapselung.
Die Schleifringkapsel 40 ist dabei im Bereich der Lagerbohrung 25 des
hinteren Lagerschildes 11 befestigt und dort nunmehr die Schleifringe 20 umgibt.
Ihre vordere, am Ende der Läuferwelle 16a befindliche
Kapselöffnung 41 liegt dort mit geringem Abstand 50 von
zum Beispiel 2 mm hinter der Schutzkappe 31 der Maschine.
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5 zeigt
in raumbildlicher Darstellung einen Ausbruch des Lagerschildes 11 im
Bereich ihrer Lagerstelle. Dort erkennt man die Einlassfenster 11c für
die Kühlluft sowie die Ringschulter 26 an der
Außenseite der Lagerbohrung 25 mit den über
den Umfang verteilten Durchbrüchen 27. Gemäß 4 ist die
Schleifringkapsel 40 an ihren hinteren, lagerschildseitigen
Ende mit ihrem axial vorstehenden Kragen 44 auf der Außenseite
der Ringschulter 26 des Lagerschildes 11 zentriert
aufgesetzt. Die Durchbrüche 27 sind dabei über
die Lagerbohrung 25 mit dem Innenraum der Schleifringkapsel 40 verbunden, indem
die Ringschulter 26 an der Außenseite der Lagerbohrung 25 zum
hinteren Kugellager 23 der Läuferwelle 16 einen
axialen Luftspalt 46 freilässt. Zur Erzielung
einer dosierten Belüftung des Schleifringraumes ist ferner
vorgesehen, dass der konisch erweiterte Endbereich 43b der
Schleifringkapsel 40 zur Schulter 26 der Lagerbohrung 25 am
Lagerschild 11 einen axialen Abstand hat, der einen Ringspalt 47 bildet.
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In 6 ist
ein Ausschnitt aus 4 mit der Kapselung der Schleifringe 20 in
vergrößertem Maßstab dargestellt. Dort
ist der bei laufender Maschine auftretende Kühlluftstrom
im Bereich der Schleifringkapsel 40 durch Pfeile dargestellt.
Die breiten Pfeile 48 bilden den Hauptkühlluftstrom,
der über die radial innen liegenden Lufteintrittsöffnungen 32 der
Schutzkappe 31 an der Rückseite der Maschine eintritt
und der ohne Verwirbelung entlang der glatten Außenwandung 43 der
Schleifringkapsel 40 zu den Einlassfenstern 11c des
Lagerschildes 11 strömt, wo die Kühlluft
sodann vom Lüfter 19 erfasst und radial nach außen
gedrückt wird. Dabei wird außen an der Schleifringkapsel 40 im
Bereich des Ringspaltes 47 zum Lagerschild 11 ein
Luftdruckgefälle im Innenraum der Schleifringkapsel 40 erzeugt,
durch das ein kleiner dosierten Luftstrom unmittelbar hinter der Schutzkappe 31 vom
Hauptluftstrom 48 abzweigt. Dieser durch schmale Pfeile 49 gekennzeichnete
Belüftungsstrom gelangt durch den geringen Abstand 50 der
Schleifringkapsel 40 zur Schutzkappe 31 in die
vordere Kapselöffnung 41. Über die Schleifringe 20 hinweg
gelangt dieser Belüftungsstrom 49 am hinteren
Ende der Schleifringkapsel 40 bis zum Kugellager 23.
Er gelangt von dort durch den Luftspalt 47 des Kugellagers 23 zur
Ringschulter 26 der Lagerbohrung 25 und durch
die Durchbrüche 27 in den Ringspalt 47 zwischen
der Ringschulter 26 und der Schleifringkapsel 40.
Da die Schleifringkapsel 40 mit dem hinteren Rand 43c ihrer
Außenwandung 43 bis dicht unterhalb der Einlassfenster 11c des
Lagerschildes 11 reicht, wird dort der Belüftungsstrom 49 der Schleifringkapsel 40 vom
Hauptluftstrom 48 ohne Verwirbelung mitgenommen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt, da die Dimensionierung der Schleifringkapsel 40 sowohl
von der Baugröße der Maschine als auch von deren
Einsatzbedingungen abhängig ist. Eine Dosierung des Belüftungsstromes 49 im
Innenraum der Schleifringkapsel 40 lässt sich
gegebenenfalls dadurch verändern, dass der Abstand 50 der
Schleifringkapsel 40 zur Schutzkappe 31 der Maschine
beziehungsweise der axiale Abstand 47 des hinteren Randes 43c der Schleifringkapsel 40 zum
Lagerschild 11 verändert wird. Des Weiteren kann
zur Dosierung des Belüftungsstromes 49 in der
Schleifringkapsel 40 auch das Luftdruckgefälle
entlang der Außenwandung 43 der Schleifringkapsel 40 beeinflusst
werden, indem beispielsweise der hintere konische Bereich 43b der
Außenwandung 43 der Schleifringkapsel 40 abgeflacht wird.
Sollten durch Fertigungstoleranzen an der Schleifringkapsel 40 Leckströme
auftreten, welche die Belüftung und Befeuchtung der Schleifringe
und Kohlebürsten beeinträchtigen könnten,
können diese durch eine Dichtung zwischen Bürstenhalter 21 und Schleifringkapsel 40 beziehungsweise
zwischen dem axialen Kragen 44 der Schleifringkapsel 40 und
der Ringschulter 26 an der Lagerbohrung 25 des
Lagerschildes 11 zuverlässig unterbunden werden.
Die erfindungsgemäße Schleifringkapselung ist
generell für elektrische Maschinen mit einem Schleifringläufer anwendbar
und somit nicht auf Maschinen mit Klauenpolläufer beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19950126
A1 [0002]
- - US 6664699 B2 [0003]