DE1538798C

DE1538798C - Sliding contact arrangement for a unipolar motor

Info

Publication number: DE1538798C
Authority: DE
Inventors: Esko Ensio Helsinki Huhta Koivisto
Original assignee: Republik Finnland vertr d Vertei digungsmimster Helsinki
Publication date: 1972-02-24

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleifkontakt- entlang dem gesamten Umfang der Schleifringe eineThe invention relates to a sliding contact along the entire circumference of the slip rings

anordnung für einen Unipolarmotor hoher Umfangs- feste elektrisch leitende Verbindung besteht und daßarrangement for a unipolar motor high circumferential solid electrically conductive connection and that

geschwindigkeit, der einen wicklungslosen Stahlrotor der Stator unter Federkraft an den Schleifringen aufspeed of a winding-less steel rotor on the stator under spring force on the slip rings

mit Schleifringen und einen den Rotor umgebenden ihrem ganzen Umfang anliegende feststehende Stator aufweist. .5 Bürstenringe trägt und daß ferner jeder Bürstenringwith slip rings and a stationary one surrounding the rotor around its entire circumference Has stator. .5 brush rings and that each brush ring

Es ist wünschenswert, Unipolarmotoren derart mit Einrichtungen für die Zirkulation einer Kühlauszubilden, daß sie bei minimalein Gewicht und flüssigkeit in der Nähe seiner ringförmigen Schleifminimalen Gesamtabmessungen eiiÄrhohe Leistung kontaktfläche versehen ist.It is desirable to design unipolar motors with devices for the circulation of a cooling system in such a way that that it is at a minimum of weight and fluidity near its annular grinding minimum Overall dimensions a high performance contact surface is provided.

abgeben und mit großem Wirkungsgrad arbeiten. Bei dieser Schleifkontaktanordnung treten zwi-Diese Eigenschaften, sind von ausschlaggebender Be-ίο sehen Rotor bzw. Läufer und Bürsten wesentlich deutung für die Verwendung von Batterien oder geringere Vibrationen als bei radialer Anstellung ähnlichen elektrischen Zellen zum Antrieb von Fahr- auf, so daß man mit Anstellkräften auskommt, die zeugen, sich selbst antreibenden Vorrichtungen u. dgl. nur etwa ein Fünftel bis ein Zehntel so groß wie bei Um diese Eigenschaften zu erreichen, muß der Motor den bekannten Ausführungen sind, wodurch die mit genügend hoher Geschwindigkeit laufen. Daraus 15 Reibungsverluste wesentlich verringert werden. Es ergibt sich, daß auch eine hohe Geschwindigkeit an wird also eine ein geringes Gewicht aufweisende der Kontaktschleif fläche vorhanden sein muß. Weiter- flüssigkeitsgekühlte Schleifring- und Bürstenanordnung hin ist es wünschenswert, Schleifringe mit hoher Be- geschaffen, welche das Fahren des Motors bei hohen lastbarkeit zu schaffen und den Einfluß von Wirbel- Geschwindigkeiten und großen Belastungen ermögströmen und die Ankerrückwirkung so niedrig wie 20 licht. Gleichzeitig kann die Strom- und Kühlflüssigmöglich zu halten. keitszufuhr zu den feststehenden Bürsten in einfacherand work with great efficiency. In this sliding contact arrangement between these occur Properties that are of decisive importance are the rotor or rotor and brushes Meaning for the use of batteries or lower vibrations than with radial adjustment Similar electrical cells to drive the driving up, so that you can get by with setting forces that witness, self-propelling devices and the like. Only about a fifth to a tenth as large as with In order to achieve these properties, the motor must be of the known designs, whereby the run at a sufficiently high speed. From this 15 friction losses can be reduced considerably. It the result is that a high speed is also used, that is to say one that is light in weight the contact surface must be present. Further liquid-cooled slip ring and brush arrangement however, it is desirable to create slip rings with high quality, which allow the engine to run at high to create resilience and allow the influence of eddy speeds and large loads and the anchor feedback as low as 20 light. At the same time, the electricity and cooling liquid can be possible to keep. power supply to the fixed brushes in a simple way

Bekannte Unipolarmotoren arbeiten gewöhnlich und billiger Weise verbessert werden. Es ist bei nor- , Known unipolar motors usually work and are cheaper to improve. It is at nor- ,

mit niedriger Spannung, worauf anscheinend zurück- malen Elektromotoren zwar bekannt (deutsche Aus- (with low voltage, on which apparently electric motors paint back, although known (German education (

zuführen ist, daß Unipolarmotoren nur beschränkte legeschrift 1187 312), Bürsten gegen einen Schleif- v'It is to be added that unipolar motors are only limited by regulation 1187 312), brushing against a grinding v '

Anwendung gefunden haben. Um höhere Spannun- 35 ring axial anzustellen, jedoch ist hierbei keineHave found application. In order to set higher tension axially, however, there is no

gen zu erzielen, sind höhere Umfangsgeschwindig- Kühlung vorgesehen und die Bauweise im übrigenconditions to achieve higher circumferential speed cooling and the rest of the design

keiten erforderlich, wodurch die Stromzufuhr zum schwer und groß. _: required, which makes the power supply heavy and large. _:

Rotor schwierig wird: Hierbei ist es notwendig, eine In der Zeichnung ist zur weiteren Erläuterung derRotor becomes difficult: Here it is necessary to In the drawing is to further explain the

Kühlung für die aufeinander schleifenden Stromleiter Erfindung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs-Cooling for the conductor sliding one on top of the other Invention an embodiment of an invention

vorzusehen. . 30 gemäß ausgebildeten Unipolarmotors dargestellt, undto be provided. . 30 shown according to trained unipolar motor, and

Die Verwendung von »flüssigen Bürsten« ist bei zwar zeigtThe use of "liquid brushes" is shown at

Elektromotoren bekannt. Eine flüssige Bürste besitzt Fig. 1 einen Axialschnitt der oberen Hälfte desKnown electric motors. A liquid brush has Fig. 1 an axial section of the upper half of the

einen Schleifring, der in einer Nut umläuft, die mit Unipolarmotors und ·a slip ring that rotates in a groove with a unipolar motor and

einer leitfähigen Flüssigkeit, wie beispielsweise F i g. 2 eine Einzelheit, welche ein Schnitt durcha conductive liquid such as FIG. 2 a detail showing a section through

Natriumsulfatlösung oder metallischem Quecksilber, 35 einen Bürstenring des Motors aus F i g. 1 ist.Sodium sulfate solution or metallic mercury, 35 a brush ring of the motor from FIG. 1 is.

gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird in der Nut durch die Die allgemeine Konstruktion des vorgeschlagenenis filled. The liquid is in the groove by the The general construction of the proposed

Zentrifugalkraft gehalten. Derartige flüssige Bürsten Motors ist in F i g. 1 schematisch dargestellt. HierausCentrifugal force held. Such a liquid brush motor is shown in FIG. 1 shown schematically. From this

sind jedoch nicht bei kleinen transportierbaren ist ersichtlich, daß ein magnetisches Feld von einerare not, however, at small transportable it can be seen that a magnetic field of a

Motoren anwendbar. Magnetspule in einem sie umgebenden StahlkörperMotors applicable. Magnetic coil in a steel body surrounding it

Andererseits ist es bekannt (britische Patentschrift 40 16 erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird durch einen 442 169), die Bürsten bügelärtig auszubilden, damit Anker oder Rotor 2 geteilt und erstreckt sich somit dieselben die Läuferwelle möglichst weit umfassen. durch den Rotor. Über eine elektrische Leitung 17 Da die Bürsten aber radial gegen die Welle aufge- wird dem Rotor 2 an seinem einen Ende Strom zustellt sind, benötigt man eine hohe Anstellkraft, um geführt, der von diesem Ende entlang der Außendie auftretenden radialen Vibrationen auszugleichen. 45 sehe des Rotors durch" eine Hälfte desselben zuOn the other hand, it is known (British patent specification 4016 is generated. This magnetic field is generated by a 442 169) to design the brushes in a bow-like manner, so that the armature or rotor 2 is divided and thus extends the same encompass the rotor shaft as far as possible. through the rotor. Via an electrical line 17 However, since the brushes are raised radially against the shaft, current is supplied to the rotor 2 at one end a lot of force is required in order to run from this end along the outside of the die to compensate for any radial vibrations. 45 watch the rotor through "one half of it

Es ist außerdem bekannt, die Schleifringe über einem mittleren Raum fließt. Von hier wird derIt is also known that slip rings flow over a central space. From here the

den Anker oder Läufer zu kühlen. Die Zufuhr von Strom über Bürstenringe und Leitungsstifte od. dgl.to cool the anchor or runner. The supply of electricity via brush rings and line pins or the like.

Flüssigkeit zum mit hoher Geschwindigkeit um- an die Außenseite des Motors geleitet und von dortLiquid to circulate at high speed to the outside of the motor and from there

laufenden Läufer bereitet jedoch große Schwierig- mittels Bürstenkabeln, wieder zum entgegengesetztenHowever, running runners are very difficult - by means of brush cables, again to the opposite

keiten.'Da wegen Wirbelstromverlusten keine Bohrun- 50 Ende des Rotors und weiter durch die andere HälfteBecause of eddy current losses there is no drilling at the end of the rotor and further through the other half

gen oder anderen Unterbrechungen im Läufer vor- des Rotors zu einer oberen Bürste und von dortgen or other interruptions in the rotor in front of the rotor to an upper brush and from there

handen sein dürfen, ist die Kühlung der Schleifringe mittels Leitungsstiften aus dem Motor hinausgeführt,are allowed to be handled, the cooling of the slip rings is led out of the motor by means of line pins,

sehr kompliziert und ruft elektrische Störungen her- Die Rotorwelle 1 besteht aus einem Körper, dervery complicated and causes electrical interference. The rotor shaft 1 consists of a body which

vor. Eine weitere Kühlung der gegen den Läufer einen zylindrisch erweiterten mittleren Teil aufweist,before. A further cooling which has a cylindrically widened middle part against the rotor,

angestellten Bürsten ist daher erforderlich (deutsche 55 Auf diesem mittleren Teil sind zwei Rotorhälftenemployed brushes is therefore necessary (German 55 On this middle part are two rotor halves

Patentschrift 866 525). durch Aufschrumpfen befestigt. Diese Hälften sindPatent specification 866 525). attached by shrink fitting. These halves are

Die. Aufgabe der Erfindung besteht darin, die An- gegeneinander und gegenüber der Welle 1 durch Ordnung und Ausbildung der Bürsten und Schleif- Isoliereinlagen 15 elektrisch isoliert. Jede Rotorhälfte ringe eines Unipolarmotors derart zu verbessern, daß besitzt zwei Flansche, die an einem Verbindungsstück es möglich ist, die Schleifkontaktanordnung in ein- 60 angeordnet sind. Der Rotor ist aus Stahl hergestellt, fächer Weise wirkungsvoll zu kühlen und bei ge- so daß er das magnetische Feld nicht unterbricht ringen Anpreßdrücken einen guten Stromübergang und gleichzeitig allen durch die hohen Drehzwischen den gegeneinander bewegten Teilen zu er- geschwindigkeiten auftretenden Belastungen standzielen, hält. Die Rotorhälften dienen außerdem unmittelbarThe. The object of the invention is to make the abutments against one another and with respect to the shaft 1 through Order and training of the brushes and abrasive insulating inserts 15 electrically isolated. Each half of the rotor To improve rings of a unipolar motor in such a way that it has two flanges attached to a connecting piece it is possible for the sliding contact arrangement to be arranged in a 60. The rotor is made of steel, in a fan-like manner to cool effectively and at the same time so that it does not interrupt the magnetic field A good current transfer and at the same time all because of the high rotational speed between the contact pressures aim to withstand the loads that occur in relation to the parts moving against each other at speeds, holds. The rotor halves also serve directly

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß 65 als Ankerwicklungen und tragen demensprechendTo solve the problem, according to 65, as armature windings and wear accordingly

der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen jedem keine besonderen Spulen oder Kupferdrahtwicklun-the invention proposed that between each no special coils or copper wire windings

der mit ihrer Schleiffläche senkrecht zur Drehachse gen. Der Strom wird durch zwei Paare von Schleif-with its grinding surface perpendicular to the axis of rotation. The current is passed through two pairs of grinding

des Rotors angeordneten Schleifringe und dem Rotor ringen 3 und 4 den Rotorhälften zugeführt bzw. vonthe rotor arranged slip rings and the rotor rings 3 and 4 fed to the rotor halves or from

diesen abgenommen, die beispielsweise aus Bronze bestehen und an den Flanschen des Rotors durch Hartlötung befestigt sind. Die Rotorwelle 1 ist in zwei Kugellagern 13 drehbar gelagert, welche mit engem Laufsitz in Konsolen 14 gelagert sind. Diese Konsolen 14 müssen aus nichtmagnetische.m Material, wie Bronze oder rostfreiem Stahl, hejgestellt sein, damit der magnetische Fluß nicht durch die Lager hindurchgehen kann.these removed, which are made of bronze, for example, and through the flanges of the rotor Brazed attached. The rotor shaft 1 is rotatably mounted in two ball bearings 13, which with tight running fit in consoles 14 are stored. These consoles 14 must be made of non-magnetic material, such as bronze or stainless steel, so that the magnetic flux does not flow through the bearings can go through.

Der mittlere Teil des Rotors ist von einem freien Raum umgeben, der eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist. In diesem Raum sind eine Magnetspule 5 und zwei Bürstenringe 6 angeordnet. Die Magnetspule 5 besteht aus einem Kupferband, welches einen guten Füllkoeffizienten und vorteilhafte Wärmeleitbedingungen schafft.The central part of the rotor is surrounded by a free space which is essentially rectangular Has cross-sectional shape. A magnetic coil 5 and two brush rings 6 are arranged in this space. The magnetic coil 5 consists of a copper tape, which has a good filling coefficient and advantageous Creates heat conduction conditions.

Der Stator bildet den Hauptteil des die Magnetspule 5 umgebenden magnetischen Kreises, der schließlich über den mittleren Stahlrotor 2 geschlossen wird. Der Stator ist aus zwei oder mehr Stahlkörpern 16 zusammengesetzt. Im Hinblick auf die Magnetisierung und das gewünschte Gewicht sollte der magnetische Kreis vorzugsweise so kurz wie möglich sein. Deshalb soll der die Magnetspule und die oberen Bürsten enthaltende Raum eine rechteckige Querschnittsform besitzen und so klein wie möglich sein. Die vorteilhaftesten Bedingungen werden erzielt, wenn die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises konstant und im wesentlichen gleich der maximalen Querschnittsfläche des Rotors ist.The stator forms the main part of the magnetic circuit surrounding the magnetic coil 5, the is finally closed via the middle steel rotor 2. The stator is made up of two or more Steel bodies 16 composed. With regard to the magnetization and the desired weight the magnetic circuit should preferably be as short as possible. That's why he should use the solenoid and spaces containing the upper brushes have a rectangular cross-sectional shape and so are small be as possible. The most advantageous conditions are obtained when the cross-sectional area of the magnetic circuit constant and substantially equal to the maximum cross-sectional area of the Rotor is.

Die Bürstenringe sind gemäß, der Erfindung in folgender Weise ausgebildet:The brush rings are designed according to the invention in the following way:

Ein Bürstenring besteht aus einer Schleifkontaktfläche 7 (F i g. 2) aus Metallgraphit, welche an einem Metallring 8 angelötet ist, in dem sich ein Kühlmittelkanal befindet. Der Stromanschluß des Bürstenringes 6 besitzt vier Anschlußrohre 9 aus Kupfer, die gleichzeitig als Ein- und Auslaßrohre für Kühlflüssigkeit, wie Wasser, dienen. An die äußeren Enden der Anschlußrohre sind in der in F i g. 1 dargestellten Weise flexible Bürstenkabel als elektrische Verbindungselemente angeschlossen. Die Zu- und Abführrohre für die Kühlflüssigkeit sollten ebenfalls flexibel und elektrisch isoliert sein. Zu diesem Zweck kann ein Rohr vorzugsweise aus jedem geeigneten Kunststoffmaterial verwendet werden. Die Bürstenringe sind durch Federn 10 belastet, die mittels Kunststoffrohren 11 gegenüber den Bürsten isoliert sind. Außerdem sind die Anschlußrohre 9 gegenüber dem Stator mittels Kunststoffhülsen 12 isoliert. Die unteren Bürsten sind in ähnlicher Weise aufgebaut und ausgebildet und werden von den Lagerkonsolen 14 getragen.A brush ring consists of a sliding contact surface 7 (FIG. 2) made of metal graphite, which is attached to a Metal ring 8 is soldered, in which there is a coolant channel. The power connection of the brush ring 6 has four connection pipes 9 made of copper, which simultaneously act as inlet and outlet pipes for cooling liquid, like water, serve. At the outer ends of the connecting pipes are shown in FIG. 1 shown Way flexible brush cables connected as electrical connectors. The supply and discharge pipes for the coolant should also be flexible and electrically insulated. To this end For example, a tube made preferably of any suitable plastic material can be used. The brush rings are loaded by springs 10, which are isolated from the brushes by means of plastic tubes 11 are. In addition, the connecting pipes 9 are insulated from the stator by means of plastic sleeves 12. the Lower brushes are constructed and designed in a similar manner and are used by the bearing brackets 14 worn.

Die Ausbildung der Bürstenringe gemäß der Erfindung ist in folgender Hinsicht vorteilhaft:The design of the brush rings according to the invention is advantageous in the following respects:

Die maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit betrug bei bekannten einpoligen Elektromotoren etwa 40m/sec, während es durch die Erfindung möglich ist, wegen der vorteilhaften Flüssigkeitskühlung in unmittelbarer Nähe der Schleifkontaktflächen der Bürsten mit Geschwindigkeiten bis zu 200 m/sec zu arbeiten.The maximum possible circumferential speed was in known single-pole electric motors about 40m / sec, while it is possible by the invention, because of the advantageous liquid cooling in the immediate vicinity of the sliding contact surfaces of the brushes at speeds of up to To work 200 m / sec.

Gewöhnlich betrug die maximal zulässige Stromdichte etwa 20 A/cm², während bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktion eine Stromdichte von bis zu 60 A/cm² möglich ist.
ίο Die Bürstenringe sind sehr leicht ausgebildet, so daß sie den Schleifringen bei hohen Drehgeschwindigkeiten leicht folgen können und es leicht ist, die Bürstenringe auszuwechseln, welche die sich am schnellsten abnützenden Teile des Motors sind.The maximum permissible current density was usually about 20 A / cm ² , while a current density of up to 60 A / cm ^{2 is} possible with the construction proposed according to the invention.
ίο The brush rings are made very light so that they can easily follow the slip rings at high speeds and it is easy to change the brush rings, which are the parts of the motor that wear out the fastest.

Claims

Patent claims:

1. Sliding contact arrangement for a unipolar motor high peripheral speed, the one

ao has a winding-less steel rotor with slip rings and a stator surrounding the rotor, characterized in that between each of the with its grinding surface perpendicular to Axis of rotation of the rotor arranged slip rings (3, 4) and the rotor (2) along the entire The circumference of the slip rings is a solid electrically conductive connection and that the Stator under spring force on the slip rings resting on its entire circumference Brush rings (6) and that each brush ring with facilities for circulation a cooling liquid is provided in the vicinity of its annular sliding contact surface.

2. Sliding contact arrangement according to claim 1, characterized in that each brush ring (6) has an annular sliding contact surface (7) made of carbonaceous material and a metal ring (8) which is provided with a coolant channel, and that the sliding contact surface is soldered to the metal ring.

3. Sliding contact arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that springs (10) are provided to the brush rings (6) in the axial direction against the slip rings (3, 4) of the To press the rotor (2).

4. Sliding contact arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that on each brush ring (6) connecting pipes (9) made of conductive material are provided, that the connecting pipes are interconnected via electrical lines (17) and are connected to an electrical power source and that the connecting pipes open into the coolant channels of the metal rings.

5. Sliding contact arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the slip rings (3, 4) are made of a more noble metal than steel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings