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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Schleifringbürsten
gemäß dem Anspruch
1. Darüber
hinaus umfasst die Erfindung, gemäß dem Anspruch 8 eine Schleifringbürste selbst.
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Schleifringeinheiten bestehen häufig unter anderem
aus einer Schleifringbürste
und Schleifringen, wobei die Schleifringbürste im Betrieb gleitenden
Kontakt zu rotierenden Schleifringen hat. Derartige Schleifringeinheiten
werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt, um elektrische
Signale oder elektrische Leistung von einer ortsfesten auf eine
sich drehende elektrische Einheit zu übertragen. Dabei ist es wichtig,
dass beispielsweise durch federnde Bürstenelemente ein guter und
andauernder Kontakt zwischen der Schleifringbürste und den Schleifringen
gegeben ist, auch wenn zum Beispiel die gesamte Schleifringeinheit
Vibrationen ausgesetzt ist.
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In der Auslegeschrift
DE 1 275 672 ist eine Schleifringbürste gezeigt,
bei der U-förmige
Bürstendrähte an einem
Bürstenblock
befestigt sind. Die Bürstendrähte werden
im Zuge der Montage der Schleifringbürste durch den Bürstenblock
hindurch geführt
und durch eine Schraubverbindung am Bürstenblock festgeklemmt. Dieses
Herstellungsverfahren hat unter anderem den Nachteil, dass es vergleichsweise
aufwändig
und zeitraubend ist.
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In der Patentschrift
US 4 583 797 ist ein Schleifring beschrieben,
der ebenfalls im Wesentlichen U-förmige Bürstendrähte aufweist. Auch hier sind
die U-förmigen
Bürstendrähte durch
einen Bürstenblock,
der als Leiterplatte mit Leiterbahnen ausgebildet sein kann, hindurch
gesteckt. Die Bürstendrähte sind
mit der Leiterplatte so verlötet,
dass sich die Lötstelle
an der dem Rotor zugewandten Oberfläche der Leiterplatte befindet.
Diese Bauweise hat den Nachteil, dass die Montage der entsprechenden Schleifringbürste aufwändig ist.
Darüber
hinaus weisen derartig hergestellte Schleifringbürsten hinsichtlich ihrer Federeigenschaften
eine nicht optimale Qualität
auf.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Schleifringbürste zu
schaffen, welches einen minimalen Montageaufwand bedingt, und durch
welches qualitativ hochwertige Schleifringbürsten mit kleinem erforderlichen
Bauraum herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Darüber hinaus wird durch die Erfindung
eine neuartige Schleifringbürste
geschaffen, durch welche die Lebensdauer bzw. die Zuverlässigkeit
von Schleifringeinheiten signifikant erhöht wird. Dies wird durch die
Schleifringbürste
gemäß dem Anspruch
8 gelöst.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass
zumindest ein Bürstenelement
auf eine erste Oberfläche
einer Leiterplatte gelötet
wird, wobei der Lötvorgang
derart vorgenommen wird, dass Lot, von der zweiten Oberfläche der
Leiterplatte kommend, durch Bohrungen der Leiterplatte bis zum Bürstenelement
hindurchtritt. Durch dieses Verfahren werden die Leiterbahnen der
Leiterplatte mit dem Bürstenelement
elektrisch und mechanisch verbunden.
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Im Folgendem ist unter dem Begriff
Bohrung eine Öffnung
bzw. ein Loch zu verstehen, welches nicht unbedingt einen Kreisquerschnitt
aufweisen muss, vielmehr können
die Bohrungen etwa auch einen Vieleckquerschnitt aufweisen oder
beliebige sonstige Kurvengeometrien als Umfangsbegrenzung haben.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung werden an der zweiten Oberfläche der Leiterplatte Pads angeordnet,
an den die Enden eines Kabels, mit Vorteil eines Flachbandkabels,
elektrisch kontaktiert werden können.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung
entnimmt man den abhängigen
Ansprüchen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
des erfindungsgemäßen Schleifringes
und des entsprechenden Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles
anhand der beiliegenden Figuren.
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Es zeigen
die
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1 eine
Draufsicht auf eine erste Oberfläche
einer Leiterplatte, die als Bürstenblock
dient,
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2 eine
Draufsicht auf eine zweite, der ersten gegenüber liegenden, Oberfläche der
Leiterplatte,
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3 eine
schematische Darstellung von Verfahrensschritten zur Herstellung
einer erfindungsgemäßen Schleifringbürste,
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4 eine
Draufsicht der Schleifringbürste mit
einem Flachbandkabel,
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5 eine
Seitenansicht der Schleifringbürste
mit an der Leiterplatte befestigten Bürstenelementen und einem Flachbandkabel.
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In der 1 ist
eine Draufsicht auf eine erste Oberfläche A einer Leiterplatte 1 dargestellt.
Auf dieser Oberfläche
A der Leiterplatte 1 befinden sich Leiterbahnen 1.1, 1.11 im
gezeigten Beispiel aus Kupfer, die an Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 enden.
Diese Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22, welche
die Leiterplatte 1 vollständig durchdringen, sind metallisiert,
so dass sie an ihren Innenwandungen, sowie ringförmig an deren Rändern metallisch,
im gezeigten Bei spiel mit Zinn, beschichtet sind. Die Leiterplatte 1 besteht
aus Epoxydharz, welches mit Glasfasern gefüllt ist, und weist eine vergleichsweise
niedrige Wärmeleitfähigkeit
auf. Alternativ dazu können
auch andere Materialen für die
Leiterplatte 1 verwendet werden, wie zum Beispiel Werkstoffe,
die auf Polyamid- oder Keramikkomponenten basieren.
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In der 2 ist
eine Draufsicht auf die zweite Oberfläche B der Leiterplatte 1 gezeigt.
In dieser Ansicht sind neben den Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 und weiteren
Leiterbahnen 1.1, 1.12 auch Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a dargestellt.
Parallel zur Zeichenebene der 1 und 2 verläuft eine virtuelle geometrische
Ebene, nämlich
der Mittenlängsschnitt
C, welche in den 3 und 5 in den Seitenansichten
der Leiterplatte 1 dargestellt ist. Demnach befindet sich der
Mittenlängsschnitt
C mittig zwischen den beiden Oberflächen A und B.
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Gemäß den 1 und 2,
sind sowohl auf der Oberfläche
A, als auch auf der Oberfläche
B, die Leiterbahnen 1.1, 1.11, 1.12 als
auch die Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a punktsymmetrisch
bezüglich
des Flächenmittelpunktes
P angeordnet. Darüber
hinaus gilt diese Symmetriebetrachtung bezüglich des Flächenmittelpunktes
P auch für
die Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 und die
Außenkontur
der Leiterplatte 1.
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Gemäß den 3, 4 und 5 umfasst die erfindungsgemäße Schleifringbürste Bürstenelemente, die
im gezeigten Beispiel als Drahtbügel 2, 21 ausgeführt sind.
Die Drahtbügel 2, 21 ,
welche allesamt baugleich ausgeführt
sind, weisen drei Schenkel 2.1, 21.1; 2.2, 21.2; 2.3, 21.3 auf
und haben eine im Wesentliche U-förmige bzw. Ω-förmige Gestalt, so dass die
Drahtbügel 2, 21 jeweils
eine Öffnung 21.4 haben.
Die Drahtbügel 2, 21 bzw.
deren Schenkel 2.1, 21.1; 2.2, 21.2; 2.3, 21.3 haben
eine Innenseite I und eine Außenseite
O. Die Innenseite I ist derjenige geometrische Bereich der Schenkel 2.1, 21.1; 2.2, 21.2; 2.3, 21.3,
der zum Mittelpunkt bzw. zum Schwerpunkt des Drahtbügels 2, 21 weist.
Dagegen weist die Außenseite
O vom Mittelpunkt des U- bzw. Ω-förmigen Drahtbügels 2, 21 weg
nach außen.
Die Außenseite O
ist also am Außenumfang
des Drahtbügels 2, 21.
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Die Drahtbügel 2, 21 sind
im vorgestellten Ausführungsbeispiel
aus einem 20 mm langen Draht mit einem Durchmesser von 0,2 mm durch
ein Biegeverfahren hergestellt. Bedingt durch die Anforderungen
bezüglich
einer möglichst
miniaturisierten Bauweise der Schleifringeinheiten weisen die Drahtbügel 2, 21 einen
entsprechend geringen Durchmesser auf. Die derartig dünnen Drahtbügel 2, 21 haben
eine überaus
hohe volumenbezogene Oberfläche
(etwa 20 mm2/mm3),
wodurch sie binnen kürzester
Zeit in ihrem gesamten Volumen die Umgebungstemperatur annehmen.
Die Drahtbügel 2, 21 bestehen
im gezeigten Beispiel aus einer Edelmetalllegierung. Diese Edelmetalllegierung
weist als Hauptbestandteil das Edelmetall Palladium auf mit Anteilen
von Kupfer und Silber. Alternativ dazu kann beispielsweise als Edelmetalllegierung
auch eine Mischung aus Gold, Kupfer und Silber verwendet werden,
wobei hier Gold als Hauptkomponente verwendet werden kann. Die Komponenten
der Legierung weisen jedenfalls mit Vorteil ein in Bezug auf Wasserstoff
als Nullpotential positives elektrochemisches Potenzial auf.
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Anhand der Verbindung und Kontaktierung des
Drahtbügels 21 an
die Leiterplatte 1 soll das Verfahren zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Schleifringbürste erläutert werden.
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Zunächst werden in dem Verfahren
entsprechend der 3 in
den Schritten S1 und S2 die Leiterplatte 1 und ein Drahtbügel 21 bereitgestellt.
Sodann wird im Schritt S3 auf die Oberfläche A der Leiterplatte 1 die
Außenseite
O des Schenkels 21.1 des Drahtbügels 21 derart aufgesetzt,
dass die Außenseite
O des Schenkels 21.1 am Austritt der Bohrungen 1.21, 1.22 zu
liegen kommt. Dabei ist also der Drahtbügel 21 so ausgerichtet,
dass bezogen auf den Mittenquerschnitt C der Leiterplatte 1 sich
die Öffnung 21.4 auf
der gleichen Seite befindet wie die Oberfläche A, an welcher der Schenkel 21.1 aufgesetzt
ist. Mit anderen Worten sind ausgehend vom Mittenquerschnitt C die
jeweiligen Elemente in folgender Reihenfolge angeordnet: Oberfläche A, Schenkel 21.1, Öffnung 21.4,
so dass der Schenkel 21.1 zwischen der Leiterplatte 1 und
der Öffnung 21.4 liegt.
Im Idealfall wird der Schenkel 21.1 so auf die Oberfläche A der
Leiterplatte 1 aufgesetzt, dass dieser mittig über dem
jeweiligen Austritt der Bohrungen 1.21, 1.22 zu
liegen kommt. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass hier Abweichungen
von ± 0,4
mm von der Mitte der Bohrungen 1.21, 1.22 toleriert
werden können,
ohne dass nennenswerte Qualitätseinbußen der
Lötverbindung
festgestellt werden. Die Schenkel 21.1 werden jedenfalls
am Austritt der Bohrungen 1.21, 1.22 auf die Leiterplatte 1 aufgesetzt. Der
Begriff am Austritt der Bohrungen 1.21, 1.22 umfasst
also einen Flächenbereich,
innerhalb welchem ein aufgesetzter Schenkel 21.1 noch mittels
Lot 3, welches durch die Bohrungen 1.21, 1.22 hindurchtritt funktionsgemäß verlötet werden
kann.
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Nachdem der Drahtbügel 21 bzw.
dessen Schenkel 21.1 nunmehr derartig am Austritt der Bohrungen 1.21, 1.22 auf
die Leiterplatte 1 aufgesetzt wurde, wird dieser im gezeigten
Beispiel durch ein Handlötverfahren
an der Leiterplatte 1 dauerhaft befestigt. Dabei wird das
heiße
Lot, bzw. das heiße Lötzinn, von
der Oberfläche
B der Leiterplatte 1 her in die Bohrungen 1.21, 1.22 eingeführt, so
dass es infolge der Kapillarwirkung durch die Bohrungen 1.21, 1.22 und
durch den Spalt zwischen den Bohrungen 1.21, 1.22 und
dem Drahtbügel 21 steigt.
Die Wärmequelle
für den
Lötprozess
befindet sich also auf der dem Drahtbügel 21 gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte 1, so dass die Leiterplatte 1 eine
gegenüber
dem Wärmeeintrag
abschirmende Wirkung auf den Drahtbügel 21 ausübt.
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Wie bereits beschrieben, nehmen derartig
filigrane Drahtbügel 2, 21 sehr
rasch die Umgebungstemperatur an. Wenn nun ein Drahtbügel 2, 21 einer Temperatur,
wie sie bei einem herkömmlichen
Lötprozess
auftritt, unmittelbar ausgesetzt würde, würde dieser ohne nennenswerten
Zeitverzug vollständig durchwärmt. Eine
Durchwärmung
auf diesem Temperaturniveau führt
aber bei den Werkstoffen, wie sie üblicherweise für die Drahtbügel 2, 21 verwendet werden,
zu einer Veränderung
im Werkstoffgefüge, was
letztlich die elastische Verformbarkeit der Drahtbügel 2, 21 bzw.
deren Federkonstante verschlechtert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird also unter anderem eine temperaturschonende Behandlung der
Drahtbügel 2, 21 erreicht,
wenn diese an die Leiterplatte 1 gelötet werden.
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Mit dem Verfahren wird nunmehr vermieden, dass
die Drahtbügel 2, 21 hohen
Temperaturen ausgesetzt werden, so dass durch das Anlöten keine
Beeinträchtigungen
seiner Federeigenschaften, bzw. seiner Elastizität festzustellen sind, insbesondere
in den Bereichen welche im Betrieb eine hohe Elastizität aufweisen
müssen,
nämlich
die Schenkel 2.2, 21.2 und 2.3, 21.3,
sowie die Übergangsbereiche
von diesen Schenkeln 2.2, 21.2, 2.3, 21.3 in
den Schenkel 2.1, 21.1. Mit dem gleichen Verfahren
werden danach alle übrigen
Drahtbügel 2,
an der Leiterplatte 1 befestigt. Auf diese Weise wird durch
einen Arbeitsgang, nämlich
dem Lötprozess,
sowohl eine elektrische Kontaktierung zwischen den Drahtbügeln 2, 21 und
den Leiterbahnen 1.1, 1.11, 1.12 hergestellt,
als auch eine feste mechanische Verbindung zwischen den Drahtbügeln 2, 21 und
der Leiterplatte 1. Weitere Arbeitsgänge zum Befestigen der Drahtbügel 2, 21 auf
der Leiterplatte 1 sind nicht zwingend notwendig, so dass
mit diesem Verfahren eine überaus
wirtschaftliche Herstellung von Schleifringbürsten möglich ist. Die Leiterplatte 1 erfüllt nunmehr
auch die Funktion eines Bürstenblockes
einer Schleifringbürste.
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Alternativ zum Handlötverfahren
kann auch ein Schwalllötverfahren
angewendet werden, bei dem vor dem eigentlichen Löten die
Schenkel 2.1, 21.1 der Drahtbügel 2, 21 auf
die Oberfläche
A der Leiterplatte 1 aufgeklebt werden, wobei die Drahtbügel 2, 21
wiederum so ausgerichtet werden, dass sich die Öffnung 21.4 bezogen
auf den Mittenlängsschnitt C
der Leiterplatte 1 auf der gleichen Seite befindet, wie
die Oberfläche
A und die für
die Kontaktierung jeweils relevanten Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 von
den Schenkeln 2.1, 21.1 der Drahtbügel 2, 21 abgedeckt werden,
bzw. die Schenkel 2.1, 21.1 am Austritt der Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 liegen.
Danach wird die Leiterplatte 1 über ein Transportsystem mit
gleichmäßiger Geschwindigkeit
durch eine Lötmaschine
bewegt und einem Schwalllötverfahren
ausgesetzt.
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Um zu verhindern, dass die Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a Lot
annehmen, oder wenn bestimmte Bohrungen 1.2, 1.21,
1.22 auf der Leiterplatte 1 nicht mit Lot gefüllt werden
sollen, kann man diese Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a oder
die betreffende Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22 vor
dem Schwalllöten
mit hitzebeständigem
Klebestreifen abkleben.
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Alle Schenkel 2.1, 21.1, 2.2, 21.2, 2.3, 21.3 der
Drahtbügel 2, 21 befinden
sich also nach dem Schritt S4 auf einer Seite der Leiterplatte 2, 21 nämlich auf
der Seite der Oberfläche
A. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass somit an der Oberfläche B der Leiterplatte 1 für das Anlöten eines
Kabels, im gezeigten Beispiel eines Flachbandkabels 5,
keine Schenkel 2.1, 21.1, 2.2, 21.2, 2.3, 21.3 des
Drahtbügels 2, 21 angeordnet
sind, die als geometrische Hindernisse oder Störkonturen für den Anlötprozess wirken würden. Das
Flachbandkabel 5 weist gemäß der 5 sechs Einzeldrähte 5.1 bis 5.6 mit
zugehöriger Isolierung
auf, dabei ist jeder Einzeldraht 5.1 bis 5.6 zum
Zwecke seiner Kennzeichnung mit jeweils einer unterschiedlich eingefärbten Kunststoff-Isolierung umgeben.
Die Verwendung eines Flachbandkabels 5 hat unter anderem
den Vorteil, dass die Reihenfolge der Einzeldrähte 5.1 bis 5.6 durch
deren jeweils seitliche Verbindung der Kunststoff-Isolierung vorgegeben
ist, so dass ein Vertauschen der Einzeldrähte 5.1 bis 5.6 beim
Anlöten
an die jeweiligen Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a weitgehend
vermieden werden kann. Die abisolierten Enden der Einzeldrähte 5.1 bis 5.6 des
Flachbandkabels 5 werden also im Schritt S5 an die Pads 1.3, 1.31, 1.32 mit
einem Handlötverfahren
gelötet.
Dadurch, dass die Oberfläche
B der Leiterplatte 1 für
das Löten
keine geometrischen Hindernisse aufweist, kann das Löten sehr
rasch erfolgen und eine durchgehend hohe Qualität der Lötstellen zwischen den Enden
des Flachbandkabels 5 und den Pads 1.3, 1.31, 1.32 erreicht
werden.
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In der 4 ist
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schleifringbürste gezeigt.
Dabei ragen in der Darstellung die an die Leiterplatte 1 angelöteten Drahtbügel 2, 21 aus
der Zeichenebene heraus. In der 4 ist
der Rotor 4, bestehend aus sechs einzelnen axial aneinandergereihten
und gegeneinander elektrisch isolierten Schleifringen, wie er in
der fertig montierten Schleifringeinheit vorgesehen ist, durch gestrichelte
Linien angedeutet. Darüber
hinaus ist in dieser 4 auch
das Flachbandkabel 5, welches an der Oberfläche B der
Leiterplatte 1 befestigt ist gezeigt, wobei die von der
Leiterplatte 1 verdeckten Konturen des Flachbandkabels 5 gestrichelt
dargestellt sind.
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Die 5 zeigt
eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Schleifringbürste, bestehend
aus der Leiterplatte 1, welche als Bürstenblock dient und dem Drahtbügel 21,
der ein Bürstenelement
darstellt. An der Schleifringbürste,
bzw. an der Leiterplatte 1 ist ein Flachbandkabel 5 gemäß dem Schnitt
Z-Z (4) kontaktiert.
Die äußeren Einzeldrähte 5.1, 5.2 sind
im Bereich des Anschlussendes des Flachbandkabels 5 entsprechend
dem Muster der Pads 1.3, 1.31, 1.32 (2) divergierend gebogen.
Die Schenkel 21.2, 21.3 des Drahtbügels 21 liegen
gemäß der 4 an einem Schleifring des
Rotors 4 an. Für
eine einwandfreie Funktion der Schleifringeinheit ist es notwendig, dass
stets zumindest einer der Schenkel 21.2, 21.3 an
einem Schleifring anliegt. Eine entscheidende Größe für dieses Verhalten ist die
Federkonstante des Drahtbügels 21.
Diese Federkonstante wurde aufgrund des thermisch schonenden Herstellungsverfahrens
der Schleifringbürste
nicht nachteilig beeinflusst. Es werden also durch den schleifenden Kontakt
Ströme
vom Rotor beispielsweise auf den Drahtbügel 21 übertragen. Über die
mit Lot 3 aufgefüllten
Bohrungen 1.21, 1.22 wird der Strom zur Leiterbahn 1.11,
die sich auf der Oberfläche
A der Leiterplatte befindet, geleitet. Durch die Kontaktierung an
zwei Bohrungen 1.21, 1.22 wird einerseits sichergestellt,
dass eine ausreichende mechanische Festigkeit der Verbindung gegeben
ist, und andererseits wird auch eine redundante elektrische Verbindung erreicht,
weil die Bohrungen 1.21, 1.22 durch die Leiterbahn 1.11 miteinander
verbunden sind. Der zu übertragende
Strom gelangt dann über
die Leiterbahn 1.12 auf der Oberfläche B der Leiterplatte 1 zum
Pad 1.32. An diesem Pad 1.32 ist ein Einzeldraht 5.2 des
Flachbandkabels 5 angelötet,
so dass der zu übertragene
Strom in das Flachbandkabel 5 fließen kann.
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Durch die bezüglich des Punktes P symmetrische
Anordnung der Bohrungen 1.2, 1.21, 1.22,
Leiterbahnen 1.1, 1.11, 1.12 und Pads 1.3, 1.31, 1.31a, 1.32, 1.32a kann
die Ausschussrate bei der Herstellung der Schleifringbürste bzw.
die Bearbeitungszeit in der Fertigung erheblich reduziert werden.
Denn es muss aus diesem Grund beim Aufsetzten eines Drahtbügels 2, 21 lediglich
darauf geachtet werden, dass die richtige Seite, beispielsweise
die Oberfläche A,
der Leiterplatte 1 für
das Aufsetzen gewählt
wird. Dagegen spielt eine um den Punkt P um 180° verdrehte Lage der Leiterplatte 1 keine
Rolle für
die spätere
Funktionsfähigkeit
der Schleifringbürste.