CN107078594A - 用于调节滑环系统中的电刷架的方法和测试工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节滑环与电刷组件的电刷架(41)的方法，该滑环与电刷组件包括具有曲率半径R的至少一个滑环(50)。采用该方法，使用测试工具(80)模拟电刷架中的电刷，重要区别在于，该测试工具能够为操作者指示在滑环与测试工具的接触面之间是否获得了完全接触。

Description

用于调节滑环系统中的电刷架的方法和测试工具

技术领域

本发明涉及用于调节配有滑环系统的发电机或马达上的电刷架的测试工具。

背景技术

在刮风情况下，风轮机通过由风轮机叶片驱动的发电机将风力转换为电能。在一些风轮机中，发电机包括定子和转子，该定子和转子均具有多相绕组，诸如双馈感应发电机、级联可调发电机、感应或同步发电机或者甚至直流发电机。

当转子相对于发电机定子旋转时，必须将电力传输至转子或从转子传出。电力可以借助滑环组件传输，滑环组件又称旋转电接口、旋转电连接器、收集器或转环或电旋转接头，能够在相对于定子旋转的同时使转子接收或返回电力。在具有多相绕组的转子的情况下，风轮机内的控制系统能够调节定频率，使得风轮机以预定频率(例如，大约50Hz)发电。

典型地，滑环组件包括旋转滑环单元，该旋转滑环单元随着转子旋转并具有导电环或带。此外，滑环组件与电刷接触，电刷与环滑动接触，用于从转子传输电力。因此，电力从滑环单元传输至转子绕组，以便控制发电机中的电场。借助抵靠导电环(典型地，三个导电环，每个电相一个导电环)的电刷将电力传输至滑环单元。

一旦将电刷安装在电刷架中，重要的是，在一个或多个电刷与一个或多个导电环之间存在完全接触，以便避免导致电刷上过高电流密度的点接触。每个电刷的接触面成形为弓形面，通常大约为1cm×5cm，其中曲率半径与滑环的曲率半径匹配。实际上，由于对支撑面的视线通路受限，并且如应当在例如图2和图3中所看到的，难以可见地探明在滑环与电刷之间是否存在完全接触，并且可能涉及大量推测工作。后果就是不能可靠地实现电刷与导电环之间的完全初始接触。

本发明的目的是便于电刷的正确安装，以便建立与滑环的完全接触。

发明内容

本发明涉及一种调节滑环与电刷组件的电刷架的方法，该滑环与电刷组件包括具有曲率半径R的至少一个滑环。采用该方法，将测试工具插入到电刷架中以代替电刷位置，因为相关参数的所述测试工具被成形为类似电刷并且进一步如电刷一样包括具有凹面的接触面，所述凹面的曲率半径R对应于所述滑环的曲率半径R。进一步地，该方法包括：调节所述电刷架的可调节连接件，以便达到所述接触面与所述滑环之间的完全接触；以及最终将所述电刷架固定在所述测试工具指示完全接触的所述滑环与电刷组件上的该位置中。

本发明的一个方面涉及一种调节滑环与电刷组件的电刷架的方法，其中所述滑环与电刷组件包括具有曲率半径R的至少一个滑环并包括至少一个电刷架，所述至少一个电刷架用于将电刷保持在其中以抵接所述滑环并且可调节地安装至所述滑环；所述方法包括以下步骤：

-将测试工具插入到所述电刷架中；

-调节所述电刷架的可调节连接件，直至到达所述测试工具指示已实现所述电刷架的正确定位的位置；

-将所述电刷架固定在所述位置中。

本发明的另一方面涉及一种测试工具，所述测试工具用于指示配有滑环系统的发电机或马达上的电刷架的正确安装；

所述测试工具包括具有恒定横截面的细长形式，使得所述测试工具能够插入到滑环与电刷组件的电刷架中，并且所述测试工具沿具有曲率半径R的凹面进一步包括接触区域或接触点；

所述测试工具包括致动器，当所述接触区域或接触点与具有曲率半径R的对象到一起时，致动所述致动器；并且

所述测试工具包括指示器，所述指示器用于指示所述致动器的致动。

本发明进一步涉及上述方法中使用的滑环与电刷组件。

采用根据本发明的实施方式的工具和方法，获得了电刷的改进安装。采用该工具能够直接看到：所述电刷架是否被正确对准，使得随后的所述电刷插入会与所述滑环建立完全接触；或者所述电刷架是否必须进一步被重新对准，这是因为当所述电刷架被正确对准时，顶部的二极管将会亮起。

所述测试工具能够用于调节配有滑环系统的发电机或马达上的电刷架。一些有益效果为最小化了磨损并降低了劳务成本，并且提高了配有滑环系统的发电机和马达的性能可靠性。

附图说明

现在仅通过实例的方式并且参考附图来描述本发明的实施方式，其中：

图1是风轮机感应发电机和滑环与电刷组件的示意图；

图2是滑环与电刷组件的分解图；

图3是滑环电刷齿轮组件的立体图；

图4是图3的滑环电刷齿轮组件的端视图；

图5是滑环组件的立体图；

图6是一套电刷和电刷架的立体图；

图7是图6中的一套电刷和电刷架的分解图；

图8是根据本发明的一个实施方式的测试工具的立体图；以及

图9是图8沿A-A截取的横截面侧视图。

附图并非想要按照比例绘制。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或近似相同的部件可以由相同的附图标记表示。出于清楚的目的，并非每个部件均在每张附图中进行标示。

具体实施方式

图1示出了风轮机的示意图。风轮机叶片10由入射风驱动，并且经由传动系12致使三相感应发电机16的电转子14旋转。定子18具有直接连接至输电网的三相绕组，并且经由滑环与电刷组件20将三相转子绕组连接至转换器22的转子侧C_转子，转换器22的电网侧C_电网经由耦合电感器L耦接至电网。C_转子和C_电网是AC(交流)/DC(直流)转换器，布置在转换器之间的电容器24提供DC电压。控制系统26产生变桨角命令以便设置风轮机叶片的变桨角，并且分别为C_转了和C_电网提供电压控制Vr和Vgc以便控制电网端子处的风轮机功率、DC电压和无功功率。现代大型风轮机还具有复杂的控制系统，其能够感测并控制风轮机组件内以及风轮机与电网之间的连接中的各个参数。

图2示出了滑环与电刷组件的一个实施方式。在图3中更详细示出的电刷框架30具有三对滑环电刷和接地电刷，并且环绕滑环组件32布置，该滑环组件32在图5中更详细地示出。接地电刷装置36被容纳在滑环组件32的一个端部处。电刷框架30、滑环组件32、接地电刷装置36和编码器37被容纳在滑环外壳38中，该滑环外壳38在转子轴上方被安装在主发电机外壳上。该轴延伸穿过外壳中的孔，并且滑环组件被固定至该轴，以便随转子旋转。过滤器外壳42附接至滑环外壳的远离发电机外壳的端部，以便密封滑环组件。

图3和图4更详细地示出了滑环电刷齿轮组件。该组件包括4×3个双电刷架41，在图6和图7中能够更详细地看到该电刷架41，每个电刷架41均具有一对电刷43。电刷架41与接地电刷(未示出)一起安装在框架30上。为三相中的每一相提供一个滑环，第四滑环提供接地。因此，每相具有八个石墨电刷和与接地滑环接触的另一电刷。在示出的实施方式中，滑环与电刷组件总计包括带有总计24个电刷的12个电刷架。该数量可以改变，例如，至少6个或至少9个电刷架。根据本发明实施方式的电刷架的调节可在滑环与电刷组件的装设期间用全部的电刷架或仅仅用更少数量的电刷架来执行。

图5示出了滑环组件32，滑环组件32包括三个滑环50并包括驱动环51。这些环被安装在电刷54上，并且由肋状隔离环52隔开。滑环组件具有容纳转子的端部的中心孔56。滑环能够由另具有高导热性和硬度的任意种类的导电材料(诸如黄铜或铜)制成。

本发明的主要部分是使用测试工具，该测试工具用于模拟电刷架中的电刷，重要区别在于，该测试工具能够为操作者指示在滑环与测试工具的接触面之间是否获得了完全接触。测试工具可在滑环与电刷组件的装设期间供全部电刷架或仅仅供更少数量的电刷架使用。

图6和图7更详细地示出了电刷和电刷架。每个电刷架41均为两个电刷43提供支撑。相应地，电刷43两两组合，单独的电缆44组合成一个单个的电连接件45。进一步地，夹具46用于以抵住滑环的向下压力将电刷固定在电刷架中。电刷架固定至框架30，或通过可调节连接件47固定至滑环组件的另一部分，以便正确地装设电刷。在示出的实施方式中，可调节连接件47仅允许旋转移动；由此，当旋转该可调节连接件47时，该旋转移动与电刷/测试工具在电刷架中产生的径向移动组合，通过夹具46将电刷/测试工具推向滑环来辅助，而创建对电刷/测试工具与滑环之间的接触面的最终调节。由此，通过使用根据本发明实施方式的测试工具，可以获得电刷架的正确定位，由此导致每个电刷43与滑环50之间预期的完全接触；由此避免了导致电刷上过高电流密度的点接触。

典型地，如本文所描述的，在电刷架位置调节期间，测试工具保持在所述电刷架中。然而，测试工具还可以插入到电刷架中以便检查即时的正确对准，并且在执行可能的另外的调整之前移除。这可能适合于当测试工具插入时难于到达可调节连接件的一些滑环与电刷组件。

滑环电刷一般是碳基的，例如，石墨或碳银合金，但滑环电刷可以由任意种类的导电材料制成，诸如石墨、碳、不锈钢、银、铜或其混合物。尽管被称为电刷，滑环电刷通常是实体材料块，但还可以是例如线材、条带或网格。电刷的设计将常常被控制为避免过高的电流密度。一般，电刷的电流密度不应超过4A/mm²；然而，对于电刷材料的一些混合物来说，这个数字可以更高。从而，电刷(以及由此的测试工具)的尺寸可以变化很大；例如，可以(参考图8和图9)具有20至75mm之间的宽度(W)和5至30mm之间的厚度。电刷的高度(H)取决于电刷的预期寿命，但通常可介于100与300mm之间。

本发明的实施方式提供了为确保滑环与电刷之间的完全准确接触要使用的工具和方法。

图8和图9示出了根据本发明的一个实施方式的测试工具80。在顶部可以看到，接触面81的曲率半径R与所要装设的电刷和将电刷装设到其上的滑环的曲率半径相匹配。进一步地，测试工具80的尺寸对应于电刷的尺寸，这意味着，测试工具80能够插入并推装至电刷架41中的两个插槽中的任一个，这两个插槽终止于与插入到同一电刷架中的电刷43相同的位置。由此，如果电刷架被安装成使得测试工具80的接触面与滑环表面之间实现完全接触，则电刷架也被正确地安装，用于当电刷装配在其中时确保完全接触。

值得一提的是，电刷架限定了开口，电刷能够沿电刷架中预先限定的一维路径推装至该开口，当电刷接触滑环时，导引电刷进入电刷架中的唯一位置。测试工具类似于相关尺寸的电刷成形，使得测试工具一旦插入到电刷架中就将遵循电刷架中相同的预先限定的一维路径，并且停止在与电刷一旦插入就将停止的位置相同的电刷架中的唯一位置。因此，基于测试工具插入至理想位置来调节电刷架位置能够直接用于当后续插入电刷时确保正确的定位。采用术语“唯一位置”意味着滑环和电刷架保持固定，电刷或测试工具插入到电刷架中直至由滑环阻止将导致电刷或测试工具停止在完全相同的位置。

如在图8中清晰示出的，仅测试工具/电刷在电刷架中的插入角度的微小变化将导致侧面之一中的接触面的仅一部分与滑环建立接触。当滑环用于在电刷与滑环之间传输电力时，这可能是非常有问题的，因为应当使用完全的接触面来传输电力，以避免点接触高电流和因而产生的过热。

采用在电刷架41中引入测试工具80的步骤，确保完全接触的过程可以更加容易地施行。在测试工具80的接触面81的中心处，定位致动器(诸如，按钮致动器82)，使得当且仅当在接触面81与滑环50之间完全接触时，致动该致动器。这意味着，仅当接触面的两侧均接触滑环时才能够到达致动点。要牢记的是，测试工具80的接触面81的曲率半径R与所要装设的电刷还有将电刷装设到其上的滑环的曲率半径相匹配。因此，将电刷架固定在当插入测试工具时致动按钮致动器82的位置中的步骤确保了当一个或多个电刷随后安装在电刷架中时将呈现完全接触。也可以使用替代的致动器来观察完全接触，诸如，使用基于压电效应的接触传感器或本领域技术人员已知的任意其它致动器。

当测试工具80到达致动按钮致动器的位置时，将信号发送至测试工具80的定位有指示器83(诸如LED)的相对端部，用于供操作者容易而快速地识别已经实现正确的定位。电子电路被定位在测试工具80内部的空腔84内，用于从按钮致动器提供信号，该信号导致诸如LED被接通的信号。该空腔可以经由多种护盖而出入。怎样设计电子电路将属于本领域技术人员知识范围之内。也可使用替代指示器用于指示完全接触，诸如，发声器或本领域技术人员已知的任意其它指示器。

执行根据本发明的一个实施方式的方法的典型方式为：将测试工具80通过由电刷架41限定的单向路径插入到电刷架41中，直至测试工具到达其抵接滑环50时的唯一位置。在该首次插入中，由于电刷架的不太完美的取向使得测试工具未正确对齐，测试工具通常仅以接触面81的一侧接触滑环，或者而仅以一个接触点接触。因此，电刷架的可调节连接件47在示出的实施方式中是可旋转调节的，直至到达测试工具的接触面与滑环建立完全接触的位置，在这种情况下，测试工具的按钮致动器被下压至信号发送至LED的水平，该LED被接通以指示完全接触被建立，并且由此，电刷架41被正确定位并且应当正确地固定在该位置中。随后，可移除测试工具，并且可替代地插入电刷，电刷由此将正确安装并且接触面与滑环建立完全接触。

本发明可以与大量不同半径的滑环一起使用，因此还与测试工具的不同半径的接触面一起使用。因此，根据不同实施方式，曲率半径R可以介于50至500mm之间，诸如，介于55至400mm之间，介于60至300mm之间，介于65至200mm之间，或介于70至100mm之间。

最终，值得注意的是，测试工具80包括两个凹口85，用于当插入并固定在电刷架41中时容纳可释放夹具46的一部分。这些凹口与电刷上的凹口是类似的，由此确保了测试工具的安装与电刷的安装相类似。

测试工具可以由多种合适的材料制成，其接触面81足够抵抗变形。材料的一个实例可以是钢。

重要的是，注意到本发明涉及用于各种滑环与电刷组件的测试工具，因此示出的滑环与电刷组件的精确设计不应理解为以任何方式进行限制。

应当理解的是，本发明的各个方面已经在本文中参考附图进行了描述，附图示出了依照本发明各方面的说明性实施方式。本文描述的说明性实施方式不一定意在示出本发明的所有方面，而是用于描述若干说明性实施方式。因此，本发明的各方面并非想要鉴于说明性实施方式来狭义地解释。此外，应当理解的是，本发明的各方面可以单独使用，或者与本发明的其它方面以任意合适的组合使用。

因此，本发明不应限于供风轮机使用，因为工具可以在包括旋转定子和旋转转子两者的任意种类发电机中与滑环组件共同使用，诸如双馈感应发电机、级联可调发电机、交流发电机或同步发电机。该工具滑环组件还可以用于电动马达中。

因此，已经描述了本发明至少一个实施方式的几个方面，应理解的是，各种改变、修改和改进对于本领域技术人员来说是容易想到的。这样的改变、修改和改进意在属于本公开的一部分，并且意在落入由权利要求限定的本发明的范围内。据此，前述说明书和附图仅是作为实例。

Claims (21)

1.一种调节滑环与电刷组件的电刷架(41)的方法，其中所述滑环与电刷组件包括具有曲率半径R的至少一个滑环(50)并包括至少一个电刷架，所述至少一个电刷架用于将电刷保持在其中以抵接所述滑环并且所述至少一个电刷架以可调节的方式安装至所述滑环；所述方法包括以下步骤：

-将测试工具(80)插入到所述电刷架(41)中；

-调节所述电刷架(41)的可调节连接件(47)，直至到达所述测试工具指示已实现所述电刷架的正确定位的位置；

-将所述电刷架(41)固定在所述位置中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电刷架限定一开口，所述测试工具能够沿所述电刷架中的预先限定的一维路径被推装到所述开口中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述测试工具(80)包括沿着凹面的接触区域或接触点(81)，所述凹面的曲率半径R对应于所述滑环的曲率半径R；当所述接触区域或接触点抵接所述滑环时，所述测试工具指示所述测试工具的正确定位。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述插入测试工具(80)的步骤中，当所述测试工具接触所述滑环时，所述电刷架(41)导引所述测试工具进入所述电刷架中的唯一位置。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，获得所述电刷架的正确定位的指示通过以下步骤来建立：

-使所述测试工具(80)和所述滑环(50)到一起，由此致动所述测试工具的致动器(82)，并且由此致使指示器(83)指示完全接触。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述滑环与电刷组件包括至少6个电刷架，并且在所述滑环与电刷组件的装设期间，所述测试工具与全部这些电刷架一起使用。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述可调节连接件(47)允许所述电刷架执行所述电刷架的旋转移动；通过旋转调节来实现所述正确定位。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述固定所述电刷架的步骤包括拧紧所述可调节连接件(47)的一个或多个螺栓。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，所述电刷架包括可释放夹具(46)，所述可释放夹具(46)用于允许将所述测试工具(80)固定在所述电刷架中，并且进一步允许从所述电刷架移除所述测试工具。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，所述方法进一步包括移除所述测试工具(80)的步骤和将电刷插入到已固定的所述电刷架中的步骤。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述滑环与电刷组件被安装在风轮机中。

12.一种测试工具(80)，所述测试工具(80)用于指示配有滑环系统的发电机或马达上的电刷架的正确安装；

所述测试工具(80)包括具有恒定横截面的细长形式，使得所述测试工具(80)能够插入到滑环与电刷组件的电刷架(41)中，并且所述测试工具(80)沿具有曲率半径R的凹面进一步包括接触区域或接触点(81)；

所述测试工具(80)包括致动器(82)，当所述接触区域或接触点与具有曲率半径R的对象到一起时，致动所述致动器(82)；并且

所述测试工具(80)包括指示器(83)，所述指示器(83)用于指示所述致动器(82)的致动。

13.根据权利要求12所述的测试工具(80)，其中，所述接触点包括跨越曲率半径R的至少一个凹接触面(81)。

14.根据权利要求12或13所述的测试工具(80)，其中，所述测试工具(80)进一步包括至少一个凹口(85)，所述至少一个凹口(85)位于所述测试工具的与所述接触区域或接触点相对的端部，用于当插入到电刷架(41)中时容纳可释放夹具(46)的一部分。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的测试工具(80)，其中，所述测试工具(80)包括内部空腔(84)，所述内部空腔(84)包括电子电路，以便从所述致动器(82)向所述指示器(83)提供信号。

16.根据权利要求12至15中的任一项所述的测试工具(80)，其中，所述致动器是按钮致动器。

17.根据权利要求12至16中的任一项所述的测试工具(80)，其中，所述指示器是LED。

18.根据权利要求12至17中的任一项所述的测试工具(80)，其中，所述曲率半径R介于50mm至500mm之间。

19.一种包括电刷架和根据权利要求12至18中的任一项所述的测试工具(80)的电刷组件。

20.一种包括根据权利要求19所述的电刷组件的滑环与电刷组件。

21.一种采用根据权利要求12至18中的任一项所述的测试工具(80)来调节滑环与电刷组件的电刷架(41)的方法。