用于传输电流的接触装置和包括这种接触装置的机器的制作方法

用于传输电流的接触装置和包括这种接触装置的机器
1.本发明涉及用于从配置有轴和/或滑环的机器的转子部件耗散电流的接触装置，该接触装置包括接触元件，该接触元件用于在接触元件的滑动接触表面与轴或滑环的转子接触表面之间形成导电滑动接触，滑动接触表面被设置用于形成滑动接触。本发明还涉及具有这种接触装置的机器及其使用。
2.这种接触装置在现有技术的各种实施方式中是已知的。特别地，已知使用碳刷来传导低频电流，这些碳刷以轴向或径向分布方式布置在轴周围，并且经由尾纤与定子接触。由于碳刷的低电阻，容纳在保持装置或刷架中的碳刷能够直接耗散或传输电流，并且因此可以避免经由轴的轴承点的不期望的电流传导，不期望的电流传导可能导致点焊对轴承体或轴承环的表面损坏。此外，碳刷也可以用于将电流从定子传输至转子，例如，在电动马达中。在这种情况下，轴上的一个或更多个滑环则与接触元件规律地接触。滑环在此也可以理解为换向器。
3.术语“轴”在本发明中用作术语“转子部件”或“轮轴”的同义词。因此，术语“轴”应理解为在机器的固定定子部件或机器部件中或之间可以实现电流耗散或传输的所有旋转机器部件。
4.接触装置也经常用于铁路技术中，其中，交变电流或工作电流可以经由轮轴流动。例如，在de 10 2010 039 847a1中描述了这种接触装置。
5.通常在例如用于机动车辆的电机中也需要用于耗散或传输电流的措施。在马达驱动轴或与马达驱动轴连接的齿轮轴或其他功能部件的情况下，会出现连续波动的交流(ac)电压或电流以及高频电流脉冲，这也会损坏转子轴或齿轮轴的轴承点，这就是在此通常需要接触装置的原因。
6.所描述的接触装置和具有这种接触装置的机器的问题是由电损失和机械损失引起的高发热性，高发热性导致接触装置和机器(例如：发动机、变速器)二者上的高热负荷。为了在一定程度上控制这一问题，目前产生的热量被去除，特别是经由通风装置被去除。然而，部件上的热负荷只能借助于这种通风装置被部分地最小化。这种通风装置的另一缺点是为了将这种通风装置集成在相关机器中，安装空间的尺寸急剧增加。
7.此外，已知的接触装置或与轴接触的接触元件在被安装在例如轴承附近时，由于安装空间的限制，可能容易与发动机油或齿轮油接触。正如已经发现的，特别是在接触元件径向布置在轴上的情况下，当与油接触时，滑动接触的电阻增大，这与接触装置的功能相冲突。
8.本发明的目的是克服上述现有技术的缺点。本发明的目的特别是确保电流的可靠传输。
9.该目的是通过具有权利要求1的特征的接触装置、具有权利要求14的特征的机器以及具有权利要求19的特征的接触装置的使用来实现的。
10.根据本发明的用于从配置有轴和/或滑环的机器的转子部件传输电流的接触装置包括接触元件，该接触元件用于在接触元件的滑动接触表面与轴或滑环的转子接触表面之间形成导电滑动接触，滑动接触表面被设置用于形成滑动接触，其中，在该滑动接触表面中
形成凹部，其中，该接触元件至少部分地被油性流体润湿，特别是至少在滑动接触表面的区域中被油性流体润湿。
11.利用根据本发明的接触装置，可以安全地耗散电容耦合的高频电压或所谓的寄生ac电压，这些是由于所使用的功率电子器件而导致的电驱动(脉冲宽度调制)而形成的，或者可以将电流传输至电驱动的转子。接触装置也可以布置在相关轴上或相关滑环上的比较小的安装空间内并且用油性流体润湿。由于用油性流体润湿，还可以借助于油性流体来容纳或耗散由与轴或滑环的摩擦接触产生的热量。特别地，在本发明中，需要特殊的冷却装置(如通风装置)来最小化热负荷。因此，机器(如电动马达)的构造可以变得更简单并且因此更有利，并且模块的冷却可以比目前已知的系统更有效。例如，不存在由于尤其是径向轴密封环引起的摩擦影响。此外，整个机器的尺寸可以更小。由于凹部是在接触元件的滑动接触表面的区域中形成的，因此可以防止在例如以期望或不期望的方式在轴上形成油膜的情况下接触元件在轴或滑环上的浮动。由于在接触元件与轴或滑环之间由油性流体形成膜而可能发生的任何流体动力学效应通过凹部被有效地避免。油性流体然后可以积聚在滑动接触表面中的凹部内或者被转移到凹部中，使得油性流体的任何膜被中断或者被构造成仅非常薄。因此可以形成滑动接触或者接触元件与轴或滑环之间的特别低的电阻。因此防止了接触元件的任何浮动，并且可以避免轴或滑环与接触元件之间的任何电接触损失。接触元件可以在接触元件的径向侧或轴向侧上与轴或滑环接触。
12.通常，油性流体可以是发动机油和/或齿轮油，发动机油和/或齿轮油在任何情况下通常可以存在于其中设置有根据本发明的接触装置的发动机或变速器中。
13.该凹部可以通过至少一个孔或槽形成在滑动接触表面内。接触元件中的孔可以以特别简单的方式形成。该孔可以是盲孔或者通孔。即使当接触元件磨损或者接触元件的材料被磨损地去除时，通过该孔，总是可以确保凹部存在于滑动接触表面内。
14.此外，两个或更多个凹部可以形成在滑动接触表面内。根据滑动接触表面的尺寸，在滑动接触表面内提供若干个小凹部而不是单个较大凹部是有用的。
15.凹部可以被配置为穿透接触元件并且在滑动接触表面中和在背离滑动接触表面的接触元件的侧表面中形成开口的至少一个通道。然后，该通道将滑动接触表面与相关侧表面连接起来。与盲孔相比，还可以穿过接触元件经由通道排出油性流体。然后，流体可以收集在通道中并且在侧表面中的开口处再次排出。因此，可以防止油性流体通过轴的连续输送或运动而在凹部中形成积聚。
16.滑动接触表面中的通道的截面或直径与接触元件的侧表面(lateral surface)(特别是侧面(side surface)或后表面)中的通道的截面或直径的比率可以≥1.1。因此，通道在滑动接触表面中的截面比通道在侧表面中的截面大至少10％。滑动接触表面中的截面和侧表面中的截面可以例如被构造为圆形或直径。通过钻孔可以特别容易地形成圆形。
17.在相对于接触元件的纵向截面中，通道可以被构造成具有阶梯直径的圆锥形，和/或具有相对于彼此纵向地和/或横向地延伸的通道部段。
18.因此，通道可以形成为从滑动接触表面延伸至后表面的通孔，或者具有从接触元件的侧表面的横向孔，该横向孔与位于滑动接触表面中的孔或者其中的开口交叉。
19.滑动接触表面内的凹部的面积与滑动接触表面的比率可以≥0.08。通过该比率，可以确保滑动接触表面仍然足够大以耗散电流。同时，经由凹部可以显著减少可能的油性
流体膜。
20.接触元件可以至少部分地容纳在接触装置的引导装置中并且可移位，其中，接触元件可以导电地连接至该引导装置和/或机器的保持元件，并且其中，接触元件借助于弹簧元件可以在转子接触表面的方向上被预张紧，其中，该引导装置能够以导电的方式连接至机器的定子部件。
21.接触元件可以借助于优选的低电阻股线导电地连接至引导装置或机器的保持元件，其中，该股线可以优选地在一端处被冲压或压印在接触元件中，并且可以优选地在另一端处与引导装置熔合或焊接或压接。引导装置优选地至少部分地由低电阻材料制成，特别是由金属制成，优选地由铝、铝合金、铜和/或黄铜制成。
22.在根据本发明的接触装置的特别优选的实施方式中，接触元件基本上由碳-金属混合物制成，特别是由石墨和具有良好导电性的金属的混合物制成，其中，至少在接触元件的滑动接触表面的区域中优选地提供银作为金属，并且其中，在接触元件后部区域中优选地提供铜作为金属，其中，接触元件优选地在滑动接触表面区域中不含铜。金属在接触元件中的比例优选地至少是30vol.％(体积百分比)。因此，在滑动接触表面的区域中，接触元件优选地不含铜，因为这种金属，与电流的通过有关，会导致油性流体中的催化改变，从而可能对该流体的物理性质产生负面影响。出于该原因，根据本发明的机器的轴或滑环(下面进一步详细描述)也不含铜或者仅添加少量铜，至少在轴或滑环与接触元件接触的区域中。
23.为了在所有操作条件下保持尽可能低的系统电阻，根据本发明的接触装置的电阻也应选择为低。由于具有低电阻材料和由金属-碳混合物制成的接触元件的上述实施方式，整个装置的电阻可以保持低。另一方面，系统电阻受轴表面与接触元件的滑动接触表面之间的电压下降的影响显著。这在整个系统中占最大比例。因此，这也应保持为低。为了在连续注油的情况下确保这一点，一方面轴上的接触元件的高比接触压力是有利的。该值应选择为至少10n/cm2。另一方面，在滑动接触表面的区域中的接触元件上不应该发生与油性流体有关的电化学反应。这尤其要通过在整个寿命中磨损的接触元件的区域中的银-石墨材料来确保。
24.接触元件可以是杆状刷，在这种情况下，滑动接触表面可以优选地被配置成矩形或正方形。所述刷可以通过模压和后续热处理来制造。
25.接触元件的截面可以至少部分地是圆锥形，特别是弓形。可以提供的是，该圆锥形或截头圆锥形的截面在与该轴或该滑环的旋转方向或优选旋转方向相反的方向上延伸。因此可以避免在接触元件上形成油性流体的上升边缘。然后，油性流体可以沿着接触元件的侧表面被转移，该侧表面则被设计成锥形，使得油性流体更加难以在滑动接触表面上形成膜。
26.根据本发明的机器(特别是电驱动马达或变速器)被配置有具有轴和/或滑环的转子部件和根据本发明的接触装置，其中，接触装置的接触元件通过接触元件的滑动接触表面接触轴或滑环，所述滑动接触表面用于形成滑动接触。当滑动接触表面的区域中存在油性流体时，改进的轴或滑环与接触元件的接触的上述优点是通过机器实现的。因此，接触装置可以完全存储在油性流体中，特别是发动机油或齿轮油中。油性流体特别优选地设置在轴或滑环与引导装置之间的空间中，该空间由接触元件桥接。因此，还可以想到的是，将油性流体以雾的形式喷射、滴落或施加到接触装置上，特别是接触装置的接触元件上。
27.根据机器的一个实施方式，接触元件可以接触轴或滑环的外围表面。在该实施方式中，接触元件可以优选地在相对于待接触的轴或滑环的优选旋转方向的截面上呈几何锥形，以便抑制由轴或滑环与接触元件之间的浮动引起的电接触损失。
28.此外，接触元件的纵向轴线可以被布置成在相对于轴的旋转轴线的距离处延伸。然后，接触元件的纵向轴线不与轴的旋转轴线对准，使得接触元件定位在轴或滑环上，从而相对于旋转轴线倾斜地或横向地延伸。然后，接触元件可以以与轴或滑环的旋转方向或优选旋转方向相反的钝角布置，使得位于轴或滑环上的油性流体可以通过由接触元件因此形成的切削刃从轴或滑环刮掉。通过刮掉流体，还可以抑制在滑动接触表面上形成任何润滑膜。
29.根据另一实施方式，接触元件可以接触轴或滑环的端面，其中，接触元件可以优选地被布置成基本上与轴同轴。这种轴接地对于避免接触损失是优选的，因为旋转轴的轴向跳动通常较低。通过将接触元件靠近轴的旋转点定位，使圆周速度最小化，并且在接触元件的使用寿命期间观察到的实际运行距离也大大减小。通常与运行距离成比例地关联的接触元件的磨损直接受此影响。通过使运行距离最小化，接触元件的磨损保持较低，结果是弹簧元件在接触元件的总磨损长度上的功率损失也仅为最小。这使得例如可以使用上面已经提到的具有成本效益的螺旋压缩弹簧。此外，轴或滑环的旋转轴线附近的低圆周速度降低了形成连续的电绝缘润滑膜的风险，结果是接触压力可以保持在低于高圆周速度下所需的压力。靠近旋转轴线的轴或滑环的前侧接触的另一优点是由于离旋转点较小的径向距离而使摩擦扭矩最小化。即使具有非常高的摩擦力，摩擦扭矩作为摩擦力x运行半径的乘积仍然保持很小。随后，结合角速度(相当于旋转速度)，摩擦功率保持较低，并且因此系统损失较小。
30.至少在轴或滑环和接触元件上围绕滑动接触的空间中，可以提供油性流体，特别是发动机油或齿轮油。
31.从与装置权利要求1相关的从属权利要求的特征的描述中获得机器的其他有利实施方式。
32.当使用根据本发明的用于从配置有轴和/或滑环的机器的转子部件传输电流的接触装置时，该接触装置包括接触元件，该接触元件用于在接触元件的滑动接触表面与轴或滑环的转子接触表面之间形成导电滑动接触，所述滑动接触表面被设置用于形成滑动接触，其中，在该滑动接触表面中形成凹部，其中，该接触元件至少部分地被油性流体润湿，特别是至少在滑动接触表面的区域中被油性流体润湿。
33.对于用途的优点，参考根据本发明的接触装置的优点的描述。从与装置权利要求1相关的从属权利要求的特征的描述中获得用途的其他有利实施方式。
34.从以下结合附图和从属权利要求对附图的描述中获得进一步的特征。此处，各个特征可以单独实现或彼此组合实现。
35.在以下附图中：
36.图1示出了根据第一实施方式的轴和接触元件；
37.图2示出了根据第二实施方式的轴和接触元件；
38.图3示出了根据第三实施方式的轴和接触元件；
39.图4示出了接触元件的侧视图；
40.图5示出了根据第一实施方式的接触元件的平面图；
41.图6示出了图5中的接触元件的纵向截面图；
42.图7示出了接触元件的第二实施方式的纵向截面图；
43.图8示出了接触元件的第三实施方式的纵向截面图；
44.图9示出了接触元件的第四实施方式的纵向截面图；
45.图10示出了接触元件的第五实施方式的纵向截面图；
46.图11示出了接触元件的第六实施方式的平面图；
47.图12示出了接触元件的第七实施方式的平面图。
48.图1示出了接触装置(此处未示出)的接触元件10在机器的轴11(也未详细示出)上的纯示意图。轴11被同样不可见的油性流体润湿，并且沿箭头12的方向旋转。接触元件10形成滑动接触表面13并且紧靠由轴11的圆周表面15形成的转子接触表面14。滑动接触表面13和转子接触表面14一起在轴11与接触元件10之间形成滑动接触16，通过该滑动接触16，电流可以从轴11耗散。在滑动接触表面13内形成此处看不到的凹部。
49.原则上，在所有描述的实施方式中，转子接触表面可以由滑环形成。
50.图2示出了紧靠轴11的接触元件17，其中，接触元件17的纵向轴线18被布置成在相对于轴11的旋转轴线19的距离a处延伸。特别地，切削刃20由此形成在接触元件17上，利用该切削刃20可以将油性流体从圆周表面15上刮掉。
51.图3示出了轴22上的接触元件21，其中，接触元件21在轴向侧23上接触轴22。此处，接触元件21在滑动接触表面24中具有凹部，其也未更详细地示出。
52.图4示出了基本上由碳-金属混合物(特别是石墨和金属的混合物)组成的接触元件25。在具有滑动接触表面26的接触元件25的前部区域27中，提供金属银，而在接触元件25的后部区域28中提供铜作为金属。股线30在接触元件25的后表面29上被附接至接触元件25。在滑动接触表面26内形成此处未详细地示出的凹部。
53.图5和图6的组合视图示出了具有滑动接触表面32的接触元件31，在该滑动接触表面32内形成孔33，该孔33形成穿过接触元件31的通道34。该孔33在滑动接触表面32中形成直径d1，直径d1对应于接触元件31的后表面35上的直径d2。因此，该孔33同轴地穿过接触元件31。
54.图7示出了接触元件36，其中通道37被构造成圆锥形。滑动接触表面38中的直径d1被构造成相对于接触元件36的后表面35中的直径d2更大。
55.图8示出了接触元件40，接触元件40具有由第一孔42和第二孔43形成的通道41。第一孔42的直径d2相对地小于第二孔43的直径d1。
56.图9示出了在滑动接触表面46中具有盲孔45的接触元件44。与盲孔45交叉的另一盲孔48形成在接触元件44的侧面47中。经由以这种方式配置的通道49可以将油性流体排放至侧表面47。当接触元件44的后面50由于结构原因而不能设置有开口时，这是特别有用的。
57.图10示出了具有通孔52的接触元件51，该通孔52连接接触元件51的两个侧表面53。在滑动接触表面54中形成两个盲孔55，这两个盲孔通向通孔52。因此形成两个通道56。
58.图11示出了在滑动接触表面59中具有孔58的接触元件57，其中，此处平行侧表面60被构造成相对于接触元件57的截面62具有斜度61的部分圆锥形。当油性流体紧靠滑动接触表面59流动时，油性流体可以至少部分地在斜度61的区域中沿着侧表面60被转移。
59.图12示出了接触元件63，其中两个孔65形成在滑动接触表面64中。该两个孔65位
于相对于此处未示出的轴的运动方向的滑动接触表面64的横向轴线66上。