CN107534362A - 具有螺旋风扇的滑环装置 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转电机的滑环装置(1)具有转子(2)和设置在转子(2)上的滑动接触装置(3)，所述滑动接触装置具有滑环和可通过滑环电接触的滑动接触元件。此外，在转子(2)上设置有径流式风扇叶轮(4)，所述径流式风扇叶轮具有抽吸装置，其中抽吸装置构成为，使得在径流式风扇叶轮(4)运行期间，冷却流体能够沿着滑动接触装置(3)穿过抽吸装置抽吸到径流式风扇叶轮(4)中。此外，滑环装置(1)具有围绕径流式风扇叶轮(4)的径向环周的、螺旋形构成的螺旋壳体(10)。

Description

具有螺旋风扇的滑环装置

技术领域

本发明涉及具有滑环装置的旋转电机、例如发电机，尤其涡轮发电机，或马达。本发明还涉及一种用于这种旋转电机的改装套件。

背景技术

具有滑环和滑动接触元件、例如所谓的电刷的滑环装置形成滑动接触部或电刷桥，所述滑动接触部或电刷桥实现：在相互旋转的构件之间传输电功率或信号。特别地，能够将滑环装置应用在发电机、同步机或涡轮发电机中，用于借助于滑环装置的滑动接触部将所需要的励磁电压从固定式的励磁装置中馈送到转动件的或转子的励磁绕组中。

必须冷却这种滑环装置，以便导出通过摩擦和电流产生的温度。

此外，通过在滑动接触部处的机械摩擦形成摩擦尘，所述摩擦尘必须被导出，因为其通常会损害滑动接触装置的功能并且尤其能够损害其电接触特性。

发明内容

本发明的目的是：提出具有改进运行特性的、具有滑环装置的旋转电机，所述滑环装置尤其具有更低的故障性和提高的使用寿命。

所述目的通过具有用于旋转电机的滑环装置的、根据独立权利要求的旋转电机来实现。

具有滑环装置的旋转电机具有：转子；设置在转子上的滑动接触装置，所述滑动接触装置具有滑环和能够通过滑环电接触的滑动接触元件；和，设置在转子上的径流式风扇叶轮，所述径流式风扇叶轮具有抽吸装置，其中抽吸装置构成为，使得在径流式风扇叶轮运行期间，冷却流体能够沿着滑动接触装置穿过抽吸装置抽吸到径流式风扇叶轮中。此外，滑环装置具有围绕径流式风扇叶轮的径向环周的、螺旋形构成的螺旋壳体。

旋转电机能够是任意的电机，即例如马达或发电机，其中能够经由滑动接触装置例如将信号或电功率从定子传输到转子上。特别地，旋转电机能够是涡轮发电机。

滑动接触装置能够在滑环和滑动接触元件之间构成电的滑动触点，通过所述滑动触点能够在定子或转子之间传输电压或信号。

滑动接触元件也称作为电刷、碳刷、接触电刷或电机电刷。所述滑动接触元件的组成必须匹配于对接触和要传输的功率的要求并且能够变化。所述滑动接触元件能够具有石墨，该石墨富含金属成分、例如铜、银或钼，或也仅具有金属成分。

通过摩擦和强的热量形成，在滑动接触装置处和尤其在滑动接触元件处出现材料磨损，所述材料磨损在下面与材料组成无关地称作为碳尘。所述碳尘能够严重地损害滑动接触装置的电特性，使得尤其由于对在发电机中的励磁电流传输提出的高要求而能够损害滑环装置的功能和使用寿命，并且整体上损害其可用性。

为了产生冷却流体流和进一步为了导出碳尘，设置在转子上的径流式风扇叶轮设有抽吸装置。特别地，抽吸装置能够构成为，使得将在滑动接触装置处例如从冷却流体储备器中提供的冷却流体通过抽吸装置抽入，使得所述冷却流体沿着滑动接触装置引导，并且特别地，在所述冷却流体通过例如由转子驱动的径流式风扇叶轮吹出之前，在滑环和滑动接触元件之间的区域中流过。

特别地，抽吸装置能够具有抽吸接管，所述抽吸接管基本上围绕设置在转子上的滑动接触装置并且构成通到径流式风扇叶轮的通道。在径流式风扇叶轮例如通过转子而旋转时，位于径流式风扇叶轮的叶片之间的空气通过离心力向外运送，使得在抽吸装置的或抽吸接管的区域中形成抽吸，通过所述抽吸能够沿着滑动接触装置引导冷却流体。

为了能够将加热的且被碳尘污染的冷却流体有针对性地且有效地导出，该装置具有螺旋壳体，所述螺旋壳体在垂直于转子的旋转轴线的剖平面中具有螺旋形设置的内壁。

内壁的螺旋形的布置实现：被碳尘污染的冷却流体的流通过螺旋壳体基本上不受阻碍地导出，其中避免螺旋壳体之内的具有大的压力差的区域。由此能够避免涡流、回流区域和具有小的流动速度的死流区域，在所述回流区域中在小的空间上出现具有不同定向的颗粒运动。

已经表明：这尤其积极地影响摩擦尘的导出，因为所述摩擦尘由于其表面特性和电荷特性而容易在回流区域和死流区域中结块和/或积聚在内壁上。因此，通过壳体的螺旋形的设计引起掺有摩擦尘的冷却流体的均匀的流出，由此能够避免在螺旋壳体的区域中的积聚和结块。

由此，一方面改进经过螺旋壳体的质量流并且另一方面改进摩擦尘的排出。能够延长维护间隔并且改进整个滑环装置的使用寿命。同时，能够实现保持不变的电的接触特性，由此实现滑环装置对于在高功率发电机中使用的改进的适用性。

在一个实施方式中，螺旋壳体具有螺旋区域和设置在螺旋区域下游的流出区域，所述流出区域具有流出开口，其中在螺旋区域中，螺旋壳体的内壁以基本上对应于螺旋函数的方式与转子的旋转轴线间隔开。

在此，当螺旋壳体在垂直于转子的旋转轴线的平面中被切开时，尤其可见螺旋函数。在该剖平面中，螺旋壳体的内壁能够形成曲线，所述曲线围绕转子的旋转轴线伸展并且连续地远离旋转轴线。在此，螺旋函数能够仅理解为数学描述的螺旋函数的螺旋线，或者完全地或分段地对应于例如数学的螺旋函数。

螺旋函数例如能够根据阿基米德螺旋的类型构成，，通过所述螺旋函数，在内壁和旋转轴线之间的间距能够与转动角度进而与径流式风扇叶轮的环周部段基本上成比例地增长。由此，径流式风扇叶轮在环周上吹出的冷却流体能够通过以阿基米德方式加宽的壳体区域有效地输出，其中避免高压区域。

替选于此，螺旋函数能够通过近似地考虑流线和/或摩擦尘颗粒的位移来确定，由此根据微分几何考虑得到对数螺旋函数，，其中穿过旋转轴线的径向线以相同的切线角度与内壁相切。在内部的这种布置的情况下，流线进而还有掺有冷却流体的摩擦尘颗粒基本上不受阻碍地且在避免高压区域的情况下从螺旋区域中导出。这有助于摩擦尘颗粒的有效导出并且防止颗粒聚集在内壁上。

其他的螺旋设计方案也是可行的，即例如内壁作为双曲线螺旋或部分的螺旋定义的布置。

设置在螺旋区域下游的流出区域例如能根据流出接管的类型确保有针对性地导出冷却流体和进而导出掺有该冷却流体的摩擦尘。

在一个实施方式中，在流出区域中，横截面的大小在流动方向上是恒定的。特别地，侧向地对流出区域限界的内壁在垂直于转子的旋转轴线的剖平面中至少分段地或在整个流出区域中彼此平行地设置。

流出区域的在流动方向上恒定的横截面实现被摩擦尘污染的冷却流体以恒压通过流出区域流出，使得例如在流出区域中的内壁上避免较高压力的以及涡流的区域。同时穿流流出接管，这防止摩擦尘堆积的形成并且同时改进可能的堆积物的排出。螺旋壳体的污染因此被有效地预防或抑制。

在一个变型形式中，在螺旋区域和流出区域之间的过渡区域中，通过内壁构成舌状部，使得在舌状部处在垂直于旋转轴线的剖平面中，在径流式风扇叶轮的外环周和内壁之间存在舌状部间距，所述舌状部间距是在径流式风扇叶轮的外环周和内壁之间的最小间距。

因此，舌状部在螺旋区域和流出区域之间的对接区域中构成内壁的一种折弯部或折叠部。由此形成凸出部，在所述凸出部的尖部处存在径流式风扇叶轮的环周和内壁之间的最小间距的地点。舌状部间距对应于舌状部的尖部处的在内壁和径流式风扇叶轮的外环周之间的、径向地始于轴的旋转轴线测量的间距。

通过舌状部，在径流式风扇叶轮的环周和内壁之间构成细的间隙。由此能够避免：已经从径流式风扇叶轮中运送出的掺有摩擦尘的冷却流体通过其涡旋从流出区域中重新到达螺旋区域中。特别地，，已经从螺旋区域导入流出区域中的摩擦尘颗粒通过舌状部基本上被防止重新进入到螺旋区域中。

因为这种颗粒通过在螺旋区域中引导至流出区域的方式已经被延缓，那么其重新进入螺旋区域中在内壁附近可能引起堆积。因此，通过舌状部有效地预防在螺旋区域中的摩擦尘积聚。

在一个实施方式中，舌状部间距小于径流式风扇叶轮的叶片的径向延伸的一半。

由此，避免已经从螺旋区域排出到流出区域中的、掺有摩擦尘的冷却流体重新排入到螺旋区域中，使得抑制进一步积聚。

在另一实施方式中，在螺旋区域中，径向地始于转子的旋转轴线测量的、在径流式风扇叶轮的外环周和内壁之间的间距的最大值相当于舌状部间距的六倍至八倍。

通过螺旋区域的这种设计实现：沿着径流式风扇叶轮的叶片的运动方向实现充分地扩宽在内壁和径流式风扇叶轮的径向的流出棱边之间的区域。这实现：通过风扇叶轮的叶片在其始于舌状部的区域朝最大值的区域转动时，将掺有摩擦尘的冷却流体有效地运出。由此避免压力差，有助于污染的冷却流体均匀地流出并且抑制积聚。

在另一实施方式中，舌状部钝角地构成。特别地，，内壁在螺旋区域中的切面与内壁在流出区域中的切面在舌状部的或舌状部尖部的区域中围成相对于旋转轴线的钝外角。

通过舌状部的钝角的设计方案，还更好地避免具有大的压力差的区域，这抑制形成回流区域和构成具有高的摩擦尘积聚危险的死流区域。

在另一实施方式中，舌状部具有在110°和130°之间的角度。

这种角度在一系列实验中证实为是合适的，以便一方面抑制已经导入流出区域中的掺有摩擦尘的冷却流体重新进入到螺旋区域中，并且另一方面避免构成具有高的压力差的流动区域，所述高的压力差能够引起构成回流区域和/或死流区域。

用于具有上述特征的滑环装置的改装套件尤其具有螺旋壳体。

在此，螺旋壳体尤其具有上述的一些或全部特征。附加地，所述螺旋壳体能够设计成，使得其能够用仅小的安装耗费设置在现有的滑环装置上。

提供具有螺旋壳体的改装套件实现：例如在涡轮发电机中，对现有的滑环装置配设根据本发明的滑环装置。由此可仅用螺旋壳体更换同样位于滑环套件中的风扇壳体。螺旋壳体的尺寸必须适当地设计，以便能够安装在转子上并且能够设置在径流式风扇叶轮上或围绕径流式风扇叶轮设置。

借助改装套件，能够通过根据本发明的螺旋壳体更换较易堵塞的风扇壳体。由此避免摩擦尘积聚，能够有效地冷却滑动接触装置并且能够改进滑环装置的使用寿命或可靠性。

附图说明

本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法结合实施例的下面的示意描述在理解上更清晰和明确，所述实施例结合附图被详细阐明。

附图示出：

图1示出用于旋转电机的、具有示意示出的冷却流体流的滑环装置，

图2示出贯穿具有径流式风扇叶轮的螺旋壳体的半边示出的剖面图，

图3示出用于确定图2的螺旋壳体的参数的方法，，

图4示出贯穿具有径流式风扇叶轮的螺旋壳体的垂直于旋转轴线的剖面，和

图5示出贯穿具有径流式风扇叶轮的另一螺旋壳体的垂直于旋转轴线的剖面。

具体实施方式

图1示意地示出滑环装置1，所述滑环装置设置在旋转电机、例如发电机、涡轮发电机或马达的转子2上。在滑环装置的区域中波状构成的转子2上设置有两个滑动接触装置3，使得滑动接触装置3的滑环抗转动地与转子连接，而滑动接触元件、例如碳刷设置在旋转电机的定子上并且与其电耦联。滑环和滑动接触元件在此相互设置成，使得在滑环与转子旋转时，滑环能够周期地与滑动接触元件形成接触，使得能够根据电刷桥的方式构成电接触。

在滑动接触装置3之间设置有径流式风扇叶轮4，，所述径流式风扇叶轮能够抗转动地或经由传动装置与转子2连接。径流式风扇叶轮4例如能够具有中间盘5，在所述中间盘的两侧分别设置有叶片盘6，所述叶片盘具有较小的径向环周和具有在外部设置在环周上的叶片，在所述叶片的两侧又能够设置有覆盖盘7，所述覆盖盘具有基本上对应于中间盘5的半径。叶片能够具有对应于中间盘或覆盖盘5、7的半径的径向延伸。在覆盖盘7中，能够与旋转轴线同心地设有凹部，所述凹部径向地延伸直至叶片的区域中并且所述凹部因此形成到径流式风扇叶轮4的叶片区域中的侧向的入口。

在旋转电机运行时，将转子2置于旋转。由此，在滑动接触装置3处建立滑环和滑动接触元件之间的周期的滑动接触。同时，将径流式风扇叶轮4置于旋转，其中处于叶片空间中的流体径向地向外导出，如通过冷却流体流出8来示出。由此，形成到叶片空间中的抽吸，所述抽吸引起侧向地通过径流式风扇叶轮4的覆盖板7的凹部抽吸流体。

抽吸能够用于：借助于根据包围滑动接触装置3的、引导至径流式风扇叶轮4的覆盖板7的凹部的抽吸接管的类型构成的抽吸装置，将在滑动接触装置3的区域中提供的冷却流体通过滑动接触装置3和尤其沿着滑环和滑动接触元件抽吸到径流式风扇叶轮4中，如这通过冷却流体流9表明。这实现：一方面有效地冷却滑动接触装置3，并且另一方面将通过滑动接触从滑动接触元件和/或滑环中移出的摩擦尘从滑动接触装置3和整个滑环装置1中运出。

为了将掺有摩擦尘的和加热的冷却流体有针对性地且有效地从滑环装置1中移除，能够在外部在径流式风扇叶轮4的外部的径向环周上设置有包围径流式风扇叶轮4的壳体，所述壳体的构造能够根据图2和3构成。

图2示意地示出在径流式风扇叶轮4处的布置的螺旋壳体10的半边的剖视图。在径流式风扇叶轮4的侧向，抽吸接管11引起将冷却流体引入到径流式风扇叶轮4的内部中。

在设计螺旋壳体10时，其宽度12能够选择得比径流式风扇叶轮4在其外环周上的宽度13更宽。径向增长14如在图2和图3的总览中显而易见的那样根据圆周角15和尤其根据角增长16来确定。

在此，如果根据在假设冷却流体颗粒或摩擦尘颗粒的涡旋恒定的情况下计算的流线来力求构成螺旋壳体10，那么例如能够得到呈对数螺旋形式的螺旋壳体10的内壁的造型。

图4示出螺旋壳体10，其具有设置在其中的径流式风扇叶轮4，所述径流式风扇叶轮具有所表明的转动方向。螺旋壳体10具有螺旋区域17，在所述螺旋区域中，螺旋壳体10的内壁以基本上对应于螺旋函数的方式与转子2的旋转轴线间隔开，进而也与径流式风扇叶轮4的外环周间隔开。通过螺旋壳体10的内壁的螺旋形的布置，，在径流式风扇叶轮4的外环周和螺旋壳体10的内壁之间的自由空间朝下游扩宽，使得能够有效地将由径流式风扇叶轮4吹出的、掺有摩擦尘的冷却流体流有效地通过螺旋区域17导出到螺旋壳体10的流出区域18中。在径流式风扇叶轮4的外环周和螺旋壳体10的内壁之间的、沿流动方向增加的间距实现：导出具有摩擦尘颗粒的冷却流体，使得避免具有高压力的区域以及在螺旋区域17中避免大的压力差。回流或死流区域被尽可能地避免，其中在所述回流或死流区域中摩擦尘能够积聚在壳体上。

在螺旋区域17的下游，掺有摩擦尘的冷却流体通过流出区域18引导至流出开口19，在此处冷却流体从螺旋壳体10中导出。

在螺旋区域17和流出区域18之间的过渡区域中，螺旋壳体10的内壁构成舌状部20，使得在舌状部处，在径流式风扇叶轮4的外环周和螺旋壳体10的内壁之间的舌状部间距21是最小的，即在径流式风扇叶轮4的外环周和螺旋壳体10的内壁之间的最小的径向间距处于舌状部区域中。舌状部区域形成到螺旋壳体10的内部中的伸出部。特别地，在所示出的实例中，舌状部间距21小于径流式风扇叶轮4的叶片22的径向延伸的一半。

由此实现：流出区域18仅通过舌状部20之前的窄的间隙与螺旋区域连接。由此，能够将具有不同的流动方向的流动区域基本上彼此分开，其中例如所述流动区域一方面能够构成在螺旋区域中并且另一方面在其下游构成在流出区域中。因此，在螺旋壳体10的每个区域中确定主流动方向。

由此能够防止出现回流和死流区域，这改进流量并且同时防止在螺旋壳体10的内壁处积聚摩擦尘。

此外，在所示出的实施例中，舌状部20钝角地构成，因为内壁的在螺旋区域17中的、邻接于舌状部20的切面与内壁的在流出区域18中的、邻接于舌状部20的切面围成钝的外角23。特别地，舌状部20在所示出的实例中能够具有在110°和130°之间的外角23，因为所述区域证实为对于避免舌状部20处的摩擦尘积聚是尤其有利的。由此能够避免在舌状部20的区域中的压力峰值并且减少摩擦尘颗粒的积聚。

图5示出螺旋壳体10的另一实例，所述螺旋壳体具有设置在其中的径流式风扇叶轮4，其中在流出区域18中，横截面的大小沿流动方向是恒定的。这在流出区域18在径流式风扇叶轮的旋转轴线的方向上的高度保持不变的情况下能够通过基本上平行地引导螺旋壳体10的内壁的相对置的部段来实现。

通过在流动方向上恒定的横截面，在流出区域18中能够实现均匀的流动特性，其中能够避免或减小大的压力差进而避免涡流和回流和死流区域。由此基本上避免摩擦尘的积聚。

此外，径向地始于旋转轴线测量的、在径流式风扇叶轮4的外环周和螺旋壳体10的内壁之间的间距的最大值24对应于舌状部间距21的六倍至八倍。由此，实现螺旋区域17的设计方案，所述设计方案有助于掺有摩擦尘的冷却流体从径流式风扇叶轮4中均匀地流出到螺旋区域17中并且从那里起流入到流出区域18中。由此，避免在螺旋壳体10的内壁处的摩擦尘积聚。

因此，通过螺旋形的壳体几何形状改进摩擦尘的排出和避免摩擦尘的积聚，由此实现尤其在具有高功率要求的旋转电机处的整个滑环装置改进的可用性和延长的使用寿命。

尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，但是本发明不受所公开的实例限制并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有滑环装置(1)的旋转电机，所述旋转电机具有

转子(2)，

设置在所述转子(2)上的滑动接触装置(3)，所述滑动接触装置具有滑环和能够通过所述滑环电接触的滑动接触元件，

设置在所述转子(2)上的径流式风扇叶轮(4)，，所述径流式风扇叶轮具有抽吸装置，其中所述抽吸装置构成为，使得在所述径流式风扇叶轮(4)运行期间，冷却流体能够沿着所述滑动接触装置(3)穿过所述抽吸装置抽吸到所述径流式风扇叶轮(4)中，和

围绕所述径流式风扇叶轮(4)的径向环周的、螺旋形构成的螺旋壳体(10)，

其中所述螺旋壳体(10)具有螺旋区域(17)和设置在所述螺旋区域下游的流出区域(18)，所述流出区域具有流出开口(19)，

其中在所述螺旋区域(17)中，所述螺旋壳体(10)的内壁以基本上对应于螺旋函数的方式与所述转子(2)的旋转轴线间隔开，

其中在所述螺旋区域(17)和所述流出区域(18)之间的过渡区域中，通过所述内壁构成舌状部(20)，使得在所述舌状部(20)处在垂直于所述旋转轴线的剖平面中，存在所述径流式风扇叶轮(4)的外环周和所述内壁之间的舌状部间距(21)，所述舌状部间距是在所述径流式风扇叶轮(4)的外环周和所述内壁之间的最小间距，

其中在所述螺旋区域(17)中，径向地始于所述转子(2)的所述旋转轴线测量的、在所述内壁和所述径流式风扇叶轮(4)的外环周之间的间距的最大值(24)相当于所述舌状部间距(21)的六倍至八倍。

2.根据权利要求1所述的滑环装置(1)，其中在所述流出区域(18)中，横截面的大小沿流动方向是恒定的。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述舌状部间距(21)小于所述径流式风扇叶轮(4)的叶片(23)的径向延伸的一半。

4.根据权利要求1、2或3所述的旋转电机，其中所述舌状部(20)钝角地构成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机，其中所述舌状部(20)具有在110°和130°之间的角度。

6.一种改装套件，其用于具有螺旋壳体(10)的根据权利要求1所述的旋转电机。