EP2146403A1 - Drehübertrager - Google Patents

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EP2146403A1
EP2146403A1 EP08012676A EP08012676A EP2146403A1 EP 2146403 A1 EP2146403 A1 EP 2146403A1 EP 08012676 A EP08012676 A EP 08012676A EP 08012676 A EP08012676 A EP 08012676A EP 2146403 A1 EP2146403 A1 EP 2146403A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
rotary transformer
barrier
metal alloy
liquid metal
Prior art date
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Granted
Application number
EP08012676A
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English (en)
French (fr)
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EP2146403B1 (de
Inventor
Günter Schwesig
Ulrich Wetzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08012676A priority Critical patent/EP2146403B1/de
Publication of EP2146403A1 publication Critical patent/EP2146403A1/de
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Publication of EP2146403B1 publication Critical patent/EP2146403B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/30—Liquid contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid

Definitions

  • the invention relates to a rotary transformer, wherein the rotary transformer has an electrically conductive first element and an electrically conductive second element, wherein the second element is arranged rotatably relative to the first element, wherein the first and the second element are arranged separated by a gap, wherein in the gap, an electrically conductive liquid metal alloy is arranged, which causes an electrically conductive connection between the first and second element.
  • a rotary transformer which allows based on an electrically conductive liquid metal alloy transmission of electrical current between the dormant system and the rotating system.
  • Gallium or indium compounds or a eutectic of the metal components gallium, indium and tin are usually used as the liquid metal alloy.
  • Liquid metal alloys have the disadvantage that they react strongly with oxygen and thereby adversely affect their properties, for example, the liquid metal can change its viscosity and / or adhesion upon reaction with oxygen and it can lead to clumping of the liquid metal alloy, which makes the rotary transformer useless.
  • the rotary transformer If the rotary transformer is to be used under ambient air conditions, the rotary transformer or at least parts of the rotary transformer must therefore very well against the penetration be sealed gas-tight from gaseous oxygen from the ambient air.
  • the technical realization of a very good gas-tight seal of a rotating element against a dormant element is technically very difficult to achieve.
  • a magnetically conductive liquid such as a ferrofluid based seal.
  • Such based on magnetically conductive fluids seals generally have a preferably annular magnet, from which the liquid is attracted due to their magnetically conductive property.
  • the rotating shaft is passed and the magnetically conductive liquid is disposed in the gap between the shaft and the annular magnet and is held in the gap by the magnetic attraction of the magnet.
  • the magnetically conductive liquid seals the gap gas-tight with very good effect.
  • a disadvantage of the use of such based on a magnetically conductive liquid seal is that this is technically complex and expensive.
  • Another disadvantage is that while magnetically conductive metals have good gas barrier properties, on the other hand, they also react chemically with the liquid metal alloy which serves to transfer the electrical current, which in turn is the liquid metal alloy and gasket based on the magnetically conductive liquid makes us unusable.
  • the liquid metal alloy which serves to transfer the electrical current
  • the liquid metal alloy and gasket based on the magnetically conductive liquid makes us unusable.
  • any liquid that does not chemically react with the liquid metal alloy between the on the magnetically conductive Liquid-based seal and the liquid metal alloy to arrange.
  • the teaching is disclosed for the realization of a gas-tight seal to prevent the introduction of gaseous oxygen into the rotary transformer to use a based on a magnetically conductive liquid-based seal.
  • the liquid arranged behind it is in principle arbitrary and merely has to have the chemical property that it does not chemically react with the liquid metal alloy.
  • From the DE 10 2004 027 534 A1 is a wind turbine with a wind power generator having a stator and a rotor and with a current transfer device for temporarily feeding a winding of the rotor, wherein the current of the winding of the rotor is transferred via a liquid metal alloy from a fixed to the rotating part.
  • a rotary transformer wherein the rotary transformer has an electrically conductive first element and an electrically conductive second element, wherein the second element is arranged rotatably relative to the first element, wherein the first and the second element arranged by a gap separated from each other are, being in the Is disposed an electrically conductive liquid metal alloy, which causes an electrically conductive connection between the first and second element, wherein the rotary transformer for preventing contact of the liquid metal alloy with gaseous oxygen has a non-magnetic conductive and gas-impermeable barrier liquid, wherein the barrier liquid between the Liquid metal alloy and a liquid-sealing sealing element in contact with the barrier liquid is arranged.
  • the liquid metal alloy and the barrier liquid are arranged such that they have a contact with each other, wherein as a barrier liquid, a liquid is provided which does not react chemically with the liquid metal alloy and does not mix with the liquid metal alloy. This allows a particularly simple assembly.
  • the sealing element is designed as a sealing ring.
  • a design of the sealing element as a sealing ring, in particular in the form of a simmering, represents a common embodiment of the sealing element.
  • the rotary transformer has a pressure adjustment device for setting a barrier fluid pressure of the barrier fluid.
  • Commercially available liquid-sealing sealing elements can generally not completely prevent leakage of the barrier liquid from the rotary transformer, as often on the sealing element, although distributed only in very small quantities and over a longer period, sealing liquid can escape from the rotary transformer.
  • a pressure adjusting device for setting a barrier fluid pressure of the barrier liquid In order to prevent the occurrence of a vacuum in the rotary transformer due to the presence a pressure adjusting device for setting a barrier fluid pressure of the barrier liquid of advantage.
  • the barrier liquid is not electrically conductive, since then the rotary transformer can be particularly simple.
  • the first and the second element have a coating which repels the barrier liquid. As a result, penetration of the barrier liquid is prevented in the gap and thus prevents contact of the barrier liquid with the liquid metal alloy.
  • the barrier liquid is in the form of an oil.
  • Oils, especially paraffin oils, silicone oils or a mixture of paraffin oil and silicone oil are impermeable to gaseous oxygen as a result of their chemical composition and do not react chemically with the liquid metal alloy. Furthermore, they are neither magnetically conductive nor electrically conductive.
  • FIG. 1 is a rotary transformer 1 according to the invention shown in the form of a schematically illustrated sectional drawing.
  • the rotary transformer 1 is in the context of the embodiment, with the exception of the shaft 8 is substantially mirror-symmetrical constructed with respect to a symmetry line 3.
  • the shaft 8 is substantially mirror-symmetrical constructed with respect to a symmetry line 3.
  • essentially only the elements of the rotary transmitter 1 arranged to the left of the symmetry line 3 are provided with reference numerals.
  • the rotary transformer 1 has an electrically conductive, preferably stationary first element 6. Furthermore, the rotary transformer has a non-electrically conductive shaft 8 rotatably mounted by means of the bearings 12a and 12b. An electrically conductive second element 7 is rotatably connected to the shaft 8, so that the second element 7 rotates with the shaft. The second element 7 is thus arranged rotatably relative to the first element 6, wherein the first and the second element are arranged separated by a gap 9 from each other.
  • FIG. 2 is an in FIG. 1 provided with the reference numeral 19 area enlarged in detail.
  • the rotary transformer 1 has a gap 9 between the first element 6 and the second element 7.
  • an electrically conductive liquid metal alloy 21 is arranged, which produces an electrically conductive connection between the first element 6 and the rotatably arranged second element 7. If, then, a voltage U 1 generated by a voltage source 25 is applied via a resistor 27 between the first element 6 and the second element 7, which is shown in FIG FIG. 1 is shown schematically, so a current I 1 is transmitted from the stationary first element 6 via the liquid metal alloy 21 to the second element 7.
  • the rotary transformer thus serves to transmit an electrical current I 1 between the first element and the second element rotatably arranged with respect to the first element.
  • an electrical line 31 which is electrically conductively connected to the second element 7 and by the non-electrically conductive shaft 8 (shaft may consist of plastic) is guided, the current I 1 from the second element 7 to the outside.
  • the first element 6 and second element 7 each have a surface coating 22 which ensures good wetting of the first element 6 and the second element 7 with the liquid metal alloy 21, and respectively a further surface coating 23, which ensures poor wetting of the first element 6 and the second element 7 with the liquid metal alloy 21 in the region of the further surface coating 23.
  • the two surface coatings ensure that the liquid metal alloy 21 does not escape from the gap 9.
  • the rotary transformer 1 To prevent contact of the liquid metal alloy 21 with gaseous oxygen from the ambient air of the rotary transformer, the rotary transformer 1 according to the invention a non-magnetically conductive and impermeable to gaseous oxygen barrier liquid 10, wherein the barrier liquid 10 between the liquid metal alloy 21 and one with the barrier liquid 10 in contact liquid-tight sealing element 13 is arranged.
  • the liquid-tight sealing element 13 (see FIG. 1 ) is within the scope of the embodiment in the form of a sealing ring, such as a Simmerring and prevents leakage of the barrier liquid 10 from the rotary transformer 1.
  • the sealing element 13 has a sealing lip 29, due to the curved shape of the sealing element 13 against the rotatably mounted Shaft 8 is pressed and thus leakage of the barrier liquid 10 to the bearing 12 a back and out of the rotary transformer 1 also prevented. It is important that by means of the sealing element 13 according to the invention only a seal against a liquid, but not more than in the prior art, a very good seal against gaseous oxygen must be realized.
  • Liquid-sealing sealing elements, such as sealing rings are mass-produced and therefore correspondingly very favorable in contrast to the so-called ferrofluid seals based on magnetically conductive liquids which are used in the prior art.
  • the sealing of the rotary transformer 1 to gaseous oxygen from ambient air is thus achieved in two stages according to the invention.
  • a gas-tight barrier of the liquid metal alloy to gaseous oxygen is realized and in a further stage, the flow of the barrier liquid 10 is prevented by a fattykeitsabêtnde seal.
  • the barrier liquid 10 ensures a gas-tight seal of the gap 9.
  • the sealing element 13 is indeed liquid-sealing, but not gas-tight.
  • the barrier liquid 10 is impermeable to gaseous oxygen, i. the barrier liquid 10 must have the property that no gaseous oxygen can diffuse through it. Distilled water as the barrier liquid 10 would be e.g. completely unsuitable, since this is permeable to gaseous oxygen, since gaseous oxygen can diffuse through the water and thus could come into contact with the liquid metal alloy 21. Thus, it is only very specific liquids which are impermeable to gaseous oxygen because of their molecular and / or atomic binding properties as barrier liquid.
  • Particularly suitable as a barrier liquid are oils.
  • the oil may e.g. in the form of paraffin oil or silicone oil or a mixture of paraffin oil and silicone oil.
  • the liquid metal alloy 21 and the barrier liquid 10 are arranged so as to be in contact with each other, providing a barrier liquid of a liquid in addition to the above-mentioned characteristics does not chemically react with the liquid metal alloy and does not mix with the liquid metal alloy.
  • the barrier liquid may have a different density to prevent mixing with the liquid metal alloy or having a different from the liquid metal alloy substance pairing (polar or non-polar).
  • Suitable barrier fluids are, as stated above, oils such as paraffin oils, silicone oils or a mixture of both oils.
  • the first and the second element may have a coating which repels the barrier liquid.
  • the further coating 23 can thus be designed, for example, such that it also simultaneously repels the barrier liquid 10 in addition to the liquid metal alloy 21.
  • the coating for repelling the barrier liquid may also be present in addition to the coating 22 and the further coating 23. In this way, penetration of the barrier liquid 10 into the gap 9 is prevented, thus preventing contact of the barrier liquid 10 with the liquid metal alloy 21.
  • the barrier fluid is not electrically conductive, which is given when using an oil as a barrier fluid, since then the structure of the rotary transformer can be made particularly simple.
  • the rotary transformer has a pressure adjusting device 15, which consists of an adjusting screw 16, a spring element 17 and a plunger 18. By turning the screw 16, the force can be adjusted, the spring 17 on the plunger 18 and thus exerts on the barrier liquid 10.
  • the barrier liquid pressure of the barrier liquid can be adjusted so that it remains constant in the event of leakage of small amounts of the sealing liquid on the sealing element 13. If the screw 16 is completely unscrewed and the spring 17 and the plunger 18 are removed, the barrier liquid 10 can be refilled via the then resulting channel in a simple manner.
  • the rotary transformer still has some stationary housing parts 30.
  • the rotary transformer In the context of the embodiment of the rotary transformer is formed two channels, ie it can also transmit a further current I 2 , which in relation to the line of symmetry 3 in FIG. 1 is shown on the right side.
  • the two channels are galvanically separated from each other by the barrier liquid 11, which is identical to the barrier liquid 10.
  • a magnetically conductive substance is understood to be a ferromagnetic or ferrimagnetic material. Accordingly, for the purposes of the invention, a diamagnetic substance or a paramagnetic substance is regarded as a non-magnetically conductive substance, wherein in particular a substance which has a relative permeability of 1 or less than 1, in the sense of the invention, is regarded as a non-magnetically conductive substance.

Landscapes

  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager, wobei der Drehübertrager (1) ein elektrisch leitendes erstes Element (6) und ein elektrisch leitendes zweites Element (7) aufweist, wobei das zweite Element (7) gegenüber dem ersten Element (6) drehbar angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt (9) von einander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt (9) eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung (21) angeordnet ist, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Element bewirkt, wobei der Drehübertrager (1) zur Verhinderung eines Kontakts der Flüssigmetalllegierung (21) mit gasförmigen Sauerstoff eine nicht magnetisch leitende und für gasförmigen Sauerstoff undurchlässige Sperrflüssigkeit (10) aufweist, wobei die Sperrflüssigkeit (10) zwischen der Flüssigmetalllegierung (21) und einem mit der Sperrflüssigkeit (10) in Kontakt stehenden flüssigkeitsabdichtenden Dichtelement (13) angeordnet ist. Die Erfindung schafft einen Drehübertrager, der in Umgebungsluft einsetzbar ist und keine auf einer magnetisch leitenden Flüssigkeit beruhende Dichtung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager, wobei der Drehübertrager ein elektrisch leitendes erstes Element und ein elektrisch leitendes zweites Element aufweist, wobei das zweite Element gegenüber dem ersten Element drehbar angeordnet ist, wobei das erste und das zweiten Element durch einen Spalt voneinander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung angeordnet ist, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem erstem und zweitem Element bewirkt.
  • Insbesondere auf dem technischen Gebiet der Automatisierungstechnik muss häufig ein elektrischer Strom von einem ruhenden System auf ein rotierendes System oder umgekehrt übertragen werden. Hierzu werden Drehübertrager eingesetzt, die üblicherweise auf Basis von Schleifringen den elektrischen Strom übertragen.
  • Weiterhin ist aus der WO 2005/062432 A1 ein Drehübertrager bekannt, der auf Basis einer elektrisch leitenden Flüssigmetalllegierung eine Übertragung des elektrischen Stroms zwischen dem ruhenden System und dem drehenden System ermöglicht. Als Flüssigmetalllegierung werden dabei üblicherweise Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn verwendet. Flüssigmetalllegierungen weisen den Nachteil auf, dass diese stark mit Sauerstoff reagieren und dabei ihre Eigenschaften nachteilig verändern, so kann z.B. bei Reaktion mit Sauerstoff das Flüssigmetall seine Viskosität und/oder Adhäsion verändern und es kann zu Verklumpungen der Flüssigmetalllegierung kommen, was den Drehübertrager unbrauchbar macht.
  • Wenn der Drehübertrager unter Umgebungsluftbedingungen eingesetzt werden soll, muss der Drehübertrager oder zumindest Teile des Drehübertragers deshalb sehr gut gegen das Eindringen von gasförmigem Sauerstoff aus der Umgebungsluft gasdicht abgedichtet sein. Die technische Realisierung einer sehr guten gasdichten Abdichtung eines rotierenden Elementes gegenüber einem ruhenden Element ist technisch nur sehr schwer realisierbar.
  • Zur Realisierung der unbedingt notwendigen sehr guten gasdichten Abdichtung um ein in Kontakt treten der Flüssigmetalllegierung mit dem gasförmigen Sauerstoff der Umgebungsluft zu verhindern, wird in der WO 2005/062432 A1 gelehrt die Abdichtung gegenüber dem gasförmigen Sauerstoff mit Hilfe einer auf Basis einer magnetisch leitenden Flüssigkeit, wie z.B. einem Ferrofluid, beruhenden Dichtung zu realisieren. Solche auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten beruhenden Dichtungen weisen im Allgemeinen einen vorzugsweise ringförmigen Magneten auf, von dem die Flüssigkeit in Folge ihrer magnetisch leitenden Eigenschaft angezogen wird. Durch den ringförmigen Magneten ist die sich drehende Welle hindurchgeführt und die magnetisch leitende Flüssigkeit ist im Spalt zwischen der Welle und dem ringförmigen Magneten angeordnet und wird durch die magnetische Anziehungskraft des Magneten im Spalt gehalten. Die magnetisch leitende Flüssigkeit dichtet den Spalt mit sehr guter Wirkung gasdicht ab. Nachteilig beim Einsatz einer solchen auf einer magnetisch leitenden Flüssigkeit basierenden Dichtung ist, dass diese technisch aufwändig und teuer ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass magnetisch leitende Metalle zwar eine gute gasabdichtende Eigenschaften aufweisen, aber auf der anderen Seite auch mit der Flüssigmetalllegierung, die zur Übertragung des elektrischen Stromes dient chemisch reagieren, was wiederum die Flüssigmetalllegierung und die auf die magnetisch leitende Flüssigkeit beruhende Dichtung unbrauchbar macht. Zur Verhinderung eines Kontakts zwischen der magnetisch leitenden Flüssigkeit und der Flüssigmetalllegierung wird deshalb in der WO 2005/062432 A1 vorgeschlagen, eine beliebige Flüssigkeit, die chemisch nicht mit der Flüssigmetalllegierung reagiert zwischen der auf der magnetisch leitenden Flüssigkeit basierenden Dichtung und der Flüssigmetalllegierung anzuordnen.
  • In der WO 2005/062432 A1 wird somit zusammenfassende die Lehre offenbart, zur Realisierung einer gasdichten Abdichtung um das Einbringen von gasförmigen Sauerstoff in den Drehübertrager zu verhindern, eine auf Basis einer magnetisch leitenden Flüssigkeit basierenden Dichtung einzusetzen. Die dahinter angeordnete Flüssigkeit ist im Prinzip beliebig und muss lediglich die chemische Eigenschaft aufweisen, dass diese nicht mit der Flüssigmetalllegierung chemisch reagiert.
  • Aus der DE 10 2004 027 534 A1 ist eine Windkraftanlage mit einem Windkraftgenerator, der einen Stator und einen Rotor aufweist und mit einer Stromübertragungseinrichtung zur zeitweisen Speisung einer Wicklung des Rotors bekannt, wobei der Strom der Wicklung des Rotors über eine Flüssigmetalllegierung von einem feststehenden zum rotierenden Teil übertragen wird.
  • Weiterhin sind noch spezielle Lagersysteme bekannt, bei denen zur Übertragung von Strom eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung vorgesehen ist. Solche Lagersysteme werden z.B. bei Röntgenröhren eingesetzt. Dabei wird das gesamte Lagersystem in einem evakuierten oder mit einem Schutzgas gefüllten Raum, wie z.B. einer Glaskugel angeordnet, die das Lagersystem gasdicht gegenüber der Umgebungsluft abdichtet.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung einen Drehübertrager zu schaffen, der in Umgebungsluft einsetzbar ist und keine auf einer magnetisch leitenden Flüssigkeit beruhende Dichtung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehübertrager, wobei der Drehübertrager ein elektrisch leitendes erstes Element und ein elektrisch leitendes zweites Element aufweist, wobei das zweite Element gegenüber dem ersten Element drehbar angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt von einander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung angeordnet ist, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Element bewirkt, wobei der Drehübertrager zur Verhinderung eines Kontakts der Flüssigmetalllegierung mit gasförmigen Sauerstoff eine nicht magnetisch leitende und für gasförmigen Sauerstoff undurchlässige Sperrflüssigkeit aufweist, wobei die Sperrflüssigkeit zwischen der Flüssigmetalllegierung und einem mit der Sperrflüssigkeit in Kontakt stehenden flüssigkeitsabdichtenden Dichtelement angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Flüssigmetalllegierung und die Sperrflüssigkeit derart angeordnet sind, dass diese einen Kontakt zueinander aufweisen, wobei als Sperrflüssigkeit eine Flüssigkeit vorgesehen ist, die nicht chemisch mit der Flüssigmetalllegierung reagiert und sich nicht mit der Flüssigmetalllegierung vermischt. Hierdurch wird ein besonders einfacher Zusammenbau ermöglicht.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Dichtelement als Dichtring ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Dichtelements als Dichtring, insbesondere in Form eines Simmerings, stellt eine übliche Ausbildung des Dichtelements dar.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Drehübertrager eine Druckeinstelleinrichtung zur Einstellung eines Sperrflüssigkeitsdrucks der Sperrflüssigkeit aufweist. Handelsübliche flüssigkeitsabdichtende Dichtelemente können im Allgemeinen nicht vollständig ein Austreten der Sperrflüssigkeit aus dem Drehübertrager verhindern, da am Dichtelement oftmals, wenn auch nur in sehr geringen Mengen und über einen längeren Zeitraum verteilt, Sperrflüssigkeit aus dem Drehübertrager austreten kann. Um infolge das Auftreten eines Vakuums im Drehübertrager zu verhindern, ist das Vorhandensein einer Druckeinstelleinrichtung zur Einstellung eines Sperrflüssigkeitsdrucks der Sperrflüssigkeit von Vorteil.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sperrflüssigkeit nicht elektrisch leitend ist, da dann der Drehübertrager besonders einfach aufgebaut werden kann.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Element eine Beschichtung aufweisen, die die Sperrflüssigkeit abstößt. Hierdurch wird ein Eindringen der Sperrflüssigkeit in den Spalt verhindert und somit einen Kontakt der Sperrflüssigkeit mit der Flüssigmetalllegierung verhindert.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sperrflüssigkeit in Form eines Öls vorliegt. Öle, insbesondere Paraffinöle, Silikonöle oder ein Gemisch von Paraffinöl und Silikonöl sind in Folge ihrer chemischen Zusammensetzung für gasförmigen Sauerstoff undurchlässig und reagieren chemisch nicht mit der Flüssigmetalllegierung. Weiterhin sind sie weder magnetisch leitend noch elektrisch leitend.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit dem erfindungsgemäßen Drehübertrager auszubilden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    einen erfindungsgemäßen Drehübertrager und
    FIG 2
    eine Detailansicht eines Bereichs des erfindungsgemäßen Drehübertragers.
  • In FIG 1 ist in Form einer schematisiert dargestellten Schnittzeichnung ein erfindungsgemäßer Drehübertrager 1 dargestellt. Der Drehübertrager 1 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit Ausnahme der Welle 8 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch in Bezug zu einer Symmetrielinie 3 aufgebaut. Der Übersichtlichkeit halber sind deshalb im Wesentlichen nur die links von der Symmetrielinie 3 angeordneten Elemente des Drehübertragers 1 mit Bezugszeichen versehen.
  • Der Drehübertrager 1 weist ein elektrisch leitendes vorzugsweise ruhendes erstes Element 6 auf. Weiterhin weist der Drehübertrager eine mittels der Lager 12a und 12b drehbar gelagerte nicht elektrisch leitende Welle 8 auf. Ein elektrisch leitendes zweites Element 7 ist mit der Welle 8 drehfest verbunden, so dass sich das zweite Element 7 mit der Welle mitdreht. Das zweite Element 7 ist somit gegenüber dem ersten Element 6 drehbar angeordnet, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt 9 von einander getrennt angeordnet sind.
  • In FIG 2 ist ein in FIG 1 mit dem Bezugszeichen 19 versehener Bereich vergrößert im Detail dargestellt. Wie schon oben gesagt, weist der Drehübertrager 1 zwischen dem ersten Element 6 und dem zweiten Element 7 einen Spalt 9 auf. Im Spalt 9 ist eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung 21 angeordnet, welche eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Element 6 und dem drehbar angeordneten zweiten Element 7 herstellt. Wird nun, eine von einer Spannungsquelle 25 erzeugte Spannung U1 über einen Widerstand 27 zwischen erstem Element 6 und zweitem Element 7 angelegt, was in FIG 1 schematisiert dargestellt ist, so wird ein Strom I1 vom ruhenden ersten Element 6 über die Flüssigmetalllegierung 21 zum zweiten Element 7 übertragen. Der Drehübertrager dient somit zum Übertragen eines elektrischen Stroms I1 zwischen dem ersten Element und dem gegenüber dem ersten Element drehbar angeordneten zweiten Element. Über eine elektrische Leitung 31, die mit dem zweiten Element 7 elektrisch leitend verbunden ist und durch die nicht elektrisch leitende Welle 8 (Welle kann z.B. aus Plastik bestehen) geführt ist wird der Strom I1 vom zweiten Element 7 nach Außen geführt.
  • Um ein Austreten der Flüssigmetalllegierung 21 aus dem Spalt 9 zu verhindern, weist das erste Element 6 und zweite Element 7 jeweils eine Oberflächenbeschichtung 22 auf, die für eine gute Benetzung des ersten Elements 6 und des zweiten Elements 7 mit der Flüssigmetalllegierung 21 sorgt, sowie jeweilig eine weitere Oberflächenbeschichtung 23 auf, die für eine schlechte Benetzung des ersten Elements 6 und des zweiten Elements 7 mit der Flüssigmetalllegierung 21 im Bereich der weiteren Oberflächenbeschichtung 23 sorgt. Die beiden Oberflächenbeschichtungen sorgen dafür, dass die Flüssigmetalllegierung 21 nicht aus dem Spalt 9 austritt.
  • Zur Verhinderung eines Kontakts der Flüssigmetalllegierung 21 mit gasförmigen Sauerstoff aus der Umgebungsluft des Drehübertragers weist der Drehübertrager 1 erfindungsgemäß eine nicht magnetisch leitende und für gasförmigen Sauerstoff undurchlässige Sperrflüssigkeit 10 auf, wobei die Sperrflüssigkeit 10 zwischen der Flüssigmetalllegierung 21 und einem mit der Sperrflüssigkeit 10 in Kontakt stehenden flüssigkeitsabdichtenden Dichtelement 13 angeordnet ist.
  • Das flüssigkeitsabdichtende Dichtelement 13 (siehe FIG 1) liegt im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form eines Dichtrings, wie z.B. einem Simmerring vor und verhindert ein Austreten der Sperrflüssigkeit 10 aus dem Drehübertrager 1. Das Dichtelement 13 weist eine Dichtlippe 29 auf, die in Folge der gebogenen Form des Dichtelements 13 gegen die drehbar gelagerte Welle 8 gepresst wird und somit ein Auslaufen der Sperrflüssigkeit 10 zum Lager 12a hin und in Folge aus dem Drehübertrager 1 hinaus, verhindert. Wichtig ist, dass mittels des Dichtelements 13 erfindungsgemäß nur noch eine Abdichtung gegenüber einer Flüssigkeit, nicht aber mehr wie beim Stand der Technik eine sehr gute Abdichtung gegen gasförmigen Sauerstoff realisiert werden muss. Flüssigkeitsabdichtende Dichtelemente, wie z.B. Dichtringe, sind Massenware und deshalb entsprechend sehr günstig im Gegensatz zu den beim Stand der Technik verwendenden auf magnetisch leitende Flüssigkeiten basierende sogenannten Ferrofluiddichtungen.
  • Die Abdichtung des Drehübertragers 1 gegenüber gasförmigem Sauerstoff aus Umgebungsluft wird solchermaßen erfindungsgemäß zweistufig erzielt. Zunächst wird mittels der Sperrflüssigkeit 10 eine gasdichte Absperrung der Flüssigmetalllegierung gegenüber gasförmigen Sauerstoff realisiert und in einer weiteren Stufe wird durch eine flüssigkeitsabdichtende Dichtung das Ausfließen der Sperrflüssigkeit 10 verhindert.
  • Die Sperrflüssigkeit 10 gewährleistet eine gasdichte Abdichtung des Spalts 9. Wie schon gesagt, ist das Dichtelement 13 zwar flüssigkeitsabdichtend, aber nicht gasabdichtend. Durch den Dichtspalt zwischen der Dichtlippe 29 und der Welle 8 eindringender gasförmiger Sauerstoff wird durch die Sperrflüssigkeit 10 am Eindringen in den Spalt 9 gehindert und damit ein Kontakt zwischen gasförmiger Sauerstoff und der Flüssigmetalllegierung 21 verhindert.
  • Wichtig ist festzuhalten, dass die Sperrflüssigkeit 10 für gasförmigen Sauerstoff undurchlässig ist, d.h. die Sperrflüssigkeit 10 muss die Eigenschaft haben, dass kein gasförmiger Sauerstoff durch sie hindurch diffundieren kann. Destilliertes Wasser als Sperrflüssigkeit 10 wäre z.B. vollkommen ungeeignet, da dieses für gasförmigen Sauerstoff durchlässig ist, da gasförmiger Sauerstoff durch das Wasser hindurch diffundieren kann und somit in Kontakt der Flüssigmetalllegierung 21 treten könnte. Es sind somit nur ganz bestimmte Flüssigkeiten, welche von ihren molekularen und/oder atomaren Bindungseigenschaften undurchlässig für gasförmigen Sauerstoff sind als Sperrflüssigkeit geeignet. Besonders geeignet als Sperrflüssigkeit sind dabei Öle. Das Öl kann z.B. in Form von Paraffinöl oder Silikonöl oder einem Gemisch aus Paraffinöl und Silikonöl vorliegen.
  • Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist, wie in FIG 2 dargestellt, die Flüssigmetalllegierung 21 und die Sperrflüssigkeit 10 derart angeordnet, dass diese einen Kontakt zueinander aufweisen, wobei als Sperrflüssigkeit eines Flüssigkeit vorgesehen ist, die zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften nicht chemisch mit der Flüssigmetalllegierung reagiert und sich nicht mit der Flüssigmetalllegierung vermischt. Die Sperrflüssigkeit kann zur Verhinderung einer Vermischung mit der Flüssigmetalllegierung eine unterschiedliche Dichte aufweisen oder eine von der Flüssigmetalllegierung unterschiedlichen Stoffpaarung (polar oder unpolar) aufweisen. Als Sperrflüssigkeit eignen sich hierbei wie schon oben gesagt Öle, wie z.B. Paraffinöle, Silikonöle oder eine Mischung von beiden Ölen. Alternativ oder zusätzlich kann das erste und das zweite Element eine Beschichtung aufweisen, die die Sperrflüssigkeit abstößt. Die weitere Beschichtung 23 kann so z.B. derart ausgebildet sein, dass diese neben der Flüssigmetalllegierung 21 auch gleichzeitig die Sperrflüssigkeit 10 abstößt. Die Beschichtung zur Abstoßung der Sperrflüssigkeit kann jedoch auch zusätzlich zur Beschichtung 22 und der weiteren Beschichtung 23 vorhanden sein. Solchermaßen wird ein Eindringen der Sperrflüssigkeit 10 in den Spalt 9 verhindert und somit einen Kontakt der Sperrflüssigkeit 10 mit der Flüssigmetalllegierung 21 verhindert.
  • Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass vorzugsweise die Sperrflüssigkeit nicht elektrisch leitend ist, was bei der Verwendung eines Öls als Sperrflüssigkeit gegeben ist, da dann der Aufbau des Drehübertragers besonders einfach gestaltet werden kann.
  • In der Regel sind handelsübliche flüssigkeitsabdichtende Dichtelemente, wie z.B. Gleitring- oder Radialdichtungen nicht 100% flüssigkeitsdicht, sondern es tritt am Dichtungsspalt zwischen dem Dichtelement 13 und der Welle 8 eine kleine Leckage auf, über die in sehr geringen Mengen Sperrflüssigkeit am Dichtelement nach außen dringen kann. Um zu verhindern, dass sich in Folge im Drehübertrager 1 ein Vakuum bildet, dass das Eindringen von gasförmigem Sauerstoff begünstigen könnte, weist der Drehübertrager eine Druckeinstelleinrichtung 15, die aus einer Stellschraube 16, einem Federelement 17 und einem Stößel 18 besteht. Über ein Drehen der Stellschraube 16 kann die Kraft eingestellt werden, die die Feder 17 auf den Stößel 18 und somit auf die Sperrflüssigkeit 10 ausübt. Durch Hinein- und Hinausdrehen der Stellschraube 16 kann somit der Sperrflüssigkeitsdruck der Sperrflüssigkeit eingestellt werden, so dass dieser im Falle des Austretens von geringen Mengen der Sperrflüssigkeit am Dichtelement 13, konstant bleibt. Wenn die Stellschraube 16 komplett herausgedreht wird und die Feder 17 und der Stößel 18 entfernt werden, kann über den dann entstehenden Kanal die Sperrflüssigkeit 10 auf einfache Art und Weise nachgefüllt werden.
  • Weiterhin weist der Drehübertrager noch einige ruhende Gehäuseteile 30 auf.
  • Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist der Drehübertrager zweikanalig ausgebildet, d.h. er kann auch einen weiteren Strom I2 übertragen, was in Bezug auf die Symmetrielinie 3 in FIG 1 rechtsseitig dargestellt ist. Die beiden Kanäle sind durch die Sperrflüssigkeit 11, welche identisch mit der Sperrflüssigkeit 10 ist, galvanisch von einander getrennt.
  • Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter einem magnetisch leitenden Stoff ein ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Stoff verstanden wird. Entsprechend wird im Sinne der Erfindung ein diamagnetischer Stoff oder ein paramagnetischer Stoff als nicht magnetisch leitender Stoff angesehen, wobei insbesondere ein Stoff der eine relative Permeabilität um 1 oder kleiner als 1 aufweist, im Sinne der Erfindung, als nicht magnetisch leitender Stoff angesehen wird.

Claims (8)

  1. Drehübertrager, wobei der Drehübertrager (1) ein elektrisch leitendes erstes Element (6) und ein elektrisch leitendes zweites Element (7) aufweist, wobei das zweite Element (7) gegenüber dem ersten Element (6) drehbar angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Element durch einen Spalt (9) von einander getrennt angeordnet sind, wobei im Spalt (9) eine elektrisch leitende Flüssigmetalllegierung (21) angeordnet ist, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Element bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (1) zur Verhinderung eines Kontakts der Flüssigmetalllegierung (21) mit gasförmigen Sauerstoff eine nicht magnetisch leitende und für gasförmigen Sauerstoff undurchlässige Sperrflüssigkeit (10) aufweist, wobei die Sperrflüssigkeit (10) zwischen der Flüssigmetalllegierung (21) und einem mit der Sperrflüssigkeit (10) in Kontakt stehenden flüssigkeitsabdichtenden Dichtelement (13) angeordnet ist.
  2. Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetalllegierung (21) und die Sperrflüssigkeit (10) derart angeordnet sind, dass diese einen Kontakt zueinander aufweisen, wobei als Sperrflüssigkeit (10) eine Flüssigkeit vorgesehen ist, die nicht chemisch mit der Flüssigmetalllegierung (21) reagiert und sich nicht mit der Flüssigmetalllegierung (21) vermischt.
  3. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (13) als Dichtring ausgebildet ist.
  4. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (1) eine Druckeinstelleinrichtung (15) zur Einstellung eines Sperrflüssigkeitsdrucks der Sperrflüssigkeit (10) aufweist.
  5. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrflüssigkeit (10) nicht elektrisch leitend ist.
  6. Drehübertrager nach Anspruch 1, 3, 4, oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass das erste (6) und das zweite Element (7) eine Beschichtung (23) aufweisen, die die Sperrflüssigkeit (10) abstößt.
  7. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrflüssigkeit (10) in Form eines Öls vorliegt.
  8. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder Roboter mit einem Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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