Characterisation and modelling of brush contacts

Publication date
2005
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Fraile Gómez, Marcos
Advisor
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2005-06-14
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Electric Motor
Electric Contact
Simulation
Abstract
Das Ziel dieser Arbeit ist die theoretische und experimentelle Untersuchung eines Schleifringkontaktes innerhalb eines kommerziellen Systems unter Berücksichtigung des Einflusses unterschiedlicher Umgebungsparameter. Dazu wurden zunächst die Grundlagen der Kontakttheorie, die sich über die letzten 80 Jahre entwickelt hat, zusammengetragen und bewertet. Die unterschiedlichen Ansätze zur Berechnung des Übergangswiderstandes wurden herausgearbeitet und anhand von FEM-Simulationen numerisch untersucht. Die Ergebnisse der analytischen und numerischen Berechnungen wurden gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer Abweichungen diskutiert. Im Anschluss an die Theorie wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, den gesamten Übergangswiderstand zwischen Kohlebürste und Schleifring unter definierten Umgebungsbedingungen in Abhängigkeit der interessierenden Parameter zu messen. Dies wurde durch eine Schleifringanordnung realisiert, die sich innerhalb einer Klimakammer befindet. Die Schleifringe sind auf einer Welle aufgebracht, die von Außen durch einen extern gesteuerten Motor angetrieben wird. Der Ablauf des Experimentes erfolgt vollautomatisiert, wodurch ein hoher Grad an Reproduzierbarkeit und Effizienz erreicht wurde. Nach dem Aufbau und der Erprobung des Experimentes sowie einigen Voruntersuchungen zur Reproduzierbarkeit wurde eine Reihe von systematischen Messungen durchgeführt, in denen der Übergangswiderstand in Abhängigkeit von Temperatur, Feuchte und Drehzahl gemessen wurde. Die Messungen zeigen eindeutige und reproduzierbare Abhängigkeiten des Übergangswiderstandes von den betrachteten Parametern. Basierend auf den Ergebnissen aus Messungen und der Theorie wurde ein Netzwerk-Modell entwickelt, welches die Abhängigkeiten des Übergangswiderstandes abbildet. Der Übergangswiderstand wird mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes berechnet, welches aus verschiedensten ohmschen Widerständen besteht. Jeder dieser Widerstände bildet einen bestimmten physikalischen Effekt der Kontaktanordnung ab. Die meisten Widerstandswerte lassen sich als analytische Gleichungen gemäß der Kontakttheorie angeben, in die die entsprechenden Materialparameter eingehen. Für die Beschreibung der Stromleitung durch die Patina existiert dagegen nur ein empirischer Ansatz. Der Modellansatz besitzt dadurch noch einige Freiheitsgrade, mit deren Hilfe das Modell an die Messungen angepasst werden kann. Diese Anpassung wurde über einen schrittweise durchgeführten Optimierungsprozess vorgenommen. Auf diesem Weg konnte eine sehr gute Übereinstimmung von Modell und Messung erzielt werden. Damit hat diese Arbeit einen wesentlichen Grundstein zu weiteren Untersuchungen an bewegten Kontaktsystemen gelegt. Der entwickelte experimentelle Aufbau ist erweiterbar, so dass der Einfluss weiterer Parameter wie z.B. Anpresskraft und Bürstensorte untersucht werden können. Ein Umbau zur Untersuchung des Übergangswiderstandes am System Bürste-Kommutator wurde ebenfalls schon durchgeführt und wird Gegenstand weiterer Arbeiten sein. Die Ergebnisse der Modellierung gehen schon heute in Modelle ein, die das System Bürste-Kommutator in komplexerer Form beschreiben und die alle das Ziel haben, den Verschleiß der Bürsten durch gezielte Auslegung positiv zu beeinflussen.
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