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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 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 führt bei hohen Belastungen der Maschine, wie sie bei Drehstromgeneratoren 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 dem Bürstenhalter ein Labyrinth für die Zuführung eines sehr kleinen Luftstromes zum Schleifringraum bildet. Die auf den Bürstenhalter zu klipsende Schleifringkapsel für die Schleifringe ist dadurch zwar einfacher gestaltet, dennoch wird die dort durchströmende Luft zunächst im Labyrinth in nachteiliger Weise aufgewärmt. Die
US 5 296 772 A offenbart eine Drehstrommaschine, bei der die Schleifringe von einem Teil der eingesaugten Kühlluft gekühlt werden. Der Hauptteil der angesaugten Kühlluft strömt durch die Öffnungen des Lagerschilds und wird zur Kühlung der Ständerwicklungen verwendet. Aus der nächstliegenden Druckschrift
JP H01-099 451 A ist eine elektrische Maschine bekannt, deren Schleifringe von einer am Bürstenhalter aufgesetzten Schleifringkapsel eingefasst sind und von einem Teil der eingesaugten Kühlluft belüftet werden. Die Schleifringkapsel ist so an der elektrischen Maschine befestigt, dass eine vordere, am Ende der Läuferwelle befindliche Kapselöffnung zum Lufteintritt mit geringem Abstand hinter der Schutzkappe liegt. Die Außenwandung der Schleifringkapsel ist glatt ausgebildet, so dass zur Erzeugung eines Luftdruckgefälles in der Schleifringkapsel die einströmende Kühlluft ohne Verwirbelung entlang der Außenwandung zu den Einlassfenstern des Lagerschildes zu strömen vermag. Die Schleifringkapsel erweitert zum Lagerschild hin konisch.
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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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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache konstruktive Lösung für eine elektrische Maschine zu finden, bei der die nachrüstbare Kapselung der Schleifringe so gestaltet ist, dass sie den Hauptkühlluftstrom nicht behindert und dass ein dosierter sehr kleiner Kühlluftstrom direkt und ohne Vorwärmung zur Schleifringkapsel der Schleifringe gelangen kann.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmales des Anspruchs 1 gelöst.
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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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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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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 Bereich 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 Blechpaket 13 besteht, das in bekannter Weise aus einer Vielzahl von Blechlamellen 12 hergestellt ist. In dem Blechpaket 13 ist eine dreiphasige Ständerwicklung 14 eingesetzt, welche in axial zueinander parallel verlaufende, radial nach innen offene Nuten des Blechpaketes 13 untergebracht ist. Innerhalb des zylindrischen Blechpaketes 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 Blechpaket 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, das 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 der 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 einem 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 starkem 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 umgibt dort nunmehr die Schleifringe 20. 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 Bereich 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.