CN111293556B

CN111293556B - 电刷组件

Info

Publication number: CN111293556B
Application number: CN201911242959.5A
Authority: CN
Inventors: C.米夏尔森; K.奥尔森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: US11187209B2; US20200182226A1; CN111293556A; EP3664229A1

Abstract

本发明描述了一种用于在第一结构（P）和第二结构（Q）之间传输雷电流（I_LPS）的电刷组件（1），所述电刷组件（1）包括：被实现成用于安装到两个结构（P、Q）中的一者的保持器（11）；形成在所述保持器（11）中的凹口（12），该凹口被成形为容纳电刷（10）并且暴露第一电刷面（101）；以及被布置成移动第一暴露电刷面（101）使其抵靠在第一结构（P）的表面（51）上的第一位移装置（S1）；并且其中凹口（12）被成形为还暴露第二电刷面（102），并且电刷组件（1）还包括被布置成移动第二暴露电刷面（102）使其抵靠在第二结构（Q）的表面（52）上的第二位移装置（S2）。本发明还描述了风力涡轮机（3）的防雷电路（2）以及风力涡轮机（3）。

Description

电刷组件

技术领域

本发明描述了一种电刷组件、一种防雷电路以及一种风力涡轮机。

背景技术

由于其高度和通常所暴露的位置，风力涡轮机可能受到频繁的雷击，并且必须配备有可靠的防雷系统（LPS）以防止对其转子叶片、其电气部件和其结构部件的损坏。风力涡轮机转子叶片通常在其外表面上设置有用于吸引雷击的一个或多个接受器。每一接受器连接到延伸穿过叶片内部的下载电缆或“引下线”。引下线通常从薄叶片尖端（在叶片的最外侧端部处）附近延伸到圆形根部（在叶片的最内侧端部处，在那里，其安装到轮毂）并且被定尺寸成安全地传输雷电流。

通常，风力涡轮机的旋转部分和风力涡轮机的静止部分之间的唯一物理连接是经由轴承。还必须保护其免受雷电流的影响。因此，风力涡轮机的LPS必须包括从风力涡轮机的旋转部分到其静止部分的某种雷电流桥。雷电流必须从每一叶片根部端部引导到风力涡轮机的静止区域，其可以从所述静止区域通过引下线布置结构传输通过塔架并且到达接地。

风力涡轮机的旋转部分通常包括具有其转子叶片的空气动力学转子和轮毂，以及通过空气动力学转子被直接或间接转动的任何部分（例如低速主轴、外部转子等等），连通任何轴承的旋转部分。风力涡轮机的静止部分可以包括任何非旋转部分，例如任何轴承的静止部分、短舱或机盖、塔架等等。因此，提供用于雷电流从风力涡轮机的旋转部分到达静止部分的路径的通常方式是借助于旋转部分的通向穿过静止部分到达接地的另一个LPS路径的任何引下线之间的界面处的滑动电刷连接。碳或石墨电刷通常呈块体形状，并且电流经由终止在电刷的主体中的电缆传输到电刷。电刷的一个面被压靠在旋转/静止界面的表面上。雷电流将在其通向接地的路径上通过电刷，并且电刷的载流能力在很大程度上由电刷电缆的容量和接触面的面积（即，由电刷的横截面积）确定。由于需要在非常短的时间内可靠且有效地传输极高的雷电流，因此用于风力涡轮机的常规LPS将通常在旋转部分和静止部分之间的界面处利用多个此类电刷。

然而，随着发电机设计变得更加紧凑，将常规电刷并入LPS中使得还可以通达电刷组件以进行定期维护变得越来越困难，这是因为碳/石墨电刷随时间磨损掉并且需要定期更换。需要包括多个电刷意味着发电机设计经受额外约束，并且这可能需要进行不期望的折衷。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种引导雷电流通过风力涡轮机的旋转/静止界面的经改善的方式。

此目的通过权利要求1所述的电刷组件、通过权利要求10所述的防雷电路、并且通过权利要求11所述的风力涡轮机来实现。

电刷组件通常被实现成用于在第一结构和第二结构之间传输电流。这些结构中的一者通常是静止的，而另一者是旋转的。电刷组件包括保持器，所述保持器具有被成形为容纳电刷的凹口。出于解释本发明的目的，应该假定保持器安装到第二结构。凹口被形成为使得暴露电刷面，并且电刷组件还包括确保所暴露的电刷面与第一结构的表面进行接触的装置。然后，传输到电刷的电流将能够在第一结构和第二结构之间通过。本发明的电刷组件的特征在于，凹口被成形为还暴露第二电刷面；并且电刷组件还包括确保此第二暴露电刷面与第二结构的表面进行接触的装置。

在常规电刷组件中，电流借助于终止在电刷的主体中的电刷电缆传输到电刷，并且电流然后通过单个电刷面在第一结构和第二结构之间传输。在本发明的电刷组件中，电流通过第二暴露电刷面传输到电刷。因此，与常规电刷组件相比，本发明的电刷组件的优点是显著更低的阻抗。显著更低的阻抗有利地减小第一结构和第二结构之间的界面处的电压降。替代将电流引导到电刷电缆以供传输到电刷，电流可以直接从一个结构穿过电刷主体到另一结构，从而通过所暴露的电刷面进入和离开电刷。

由于本发明的电刷组件的设计关于保持器和第一位移装置保持类似于常规电刷组件的设计，因此制造本发明的电刷组件的成本大致相同。然而，由于本发明的电刷组件在安全传输高瞬态电流方面相当地更加有效，因此可以在大型电气机械中使用减少数量的这些电刷组件，从而减少制造成本，并且还减少与定期维护程序相关联的成本。

根据本发明，风力涡轮机的防雷电路包括：第一电流路径布置结构，其被实现为提供用于雷电流朝向到风力涡轮机的静止部分的界面穿过风力涡轮机的旋转部分的路径；第二电流路径布置结构，其被实现为提供用于雷电流穿过风力涡轮机的静止部分到达接地的路径；以及用于将第一电流路径布置结构电气连接到第二电流路径布置结构的本发明的电刷组件的实施例。本发明的电刷组件确保任何雷电流在旋转部分和静止部分之间的界面处经受仅低的阻抗，并且可以安全且可靠地传输跨越此界面。

根据本发明，风力涡轮机可以包括多个此类防雷电路。例如，可以使用一个防雷电路来将雷电流从转子叶片传输到风力涡轮机的静止部分；可以使用另一防雷电路来将雷电流从发电机的外部转子传输到风力涡轮机的静止部分等等。任何此类防雷电路可以在旋转部分和静止部分之间的界面处实现本发明的电刷组件的实施例。

本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下描述中所揭示的。可以适当组合不同权利要求类别的特征以给出本文中未描述的其他实施例。

在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定电刷是碳或石墨材料的块体。还可以假定所暴露的第一面与所暴露的第二面相邻。所述碳/石墨块体可以具有大致矩形形状，即，砖块的形状。在该情况下，所暴露的第一电刷面和第二电刷面大致彼此正交，即，这些面垂直。电刷可以具有任何合适的尺寸，例如呈现约为10 mm – 30 mm的边长的第一暴露面，并且呈现具有约为30 – 50 mm的边长的第二暴露面。实际电刷尺寸可以变化并且可以根据各种因素加以选择，在所述各种因素中，载流能力是最相关的。

电刷组件布置在第一结构和第二结构之间的界面处。这些结构中的一者是静止的，而另一者是可旋转的。电刷组件可以固定到静止结构，使得其第一暴露面被压靠在旋转结构的表面上。在此类实施例中，静止结构可以视为电刷组件的支撑结构，而可旋转结构可以视为滑动结构，因为从电刷的角度来看，当可旋转结构旋转时，其似乎滑动超过所暴露的第一电刷面。

同样地，电刷组件可以固定到旋转结构，使得其第一暴露面被压靠在静止结构的表面上。在此类实施例中，旋转结构可以视为电刷组件的支撑结构，而静止结构可以视为滑动结构，因为从安装到旋转结构的电刷的角度来看，静止结构似乎滑动超过所暴露的第一电刷面。在下文中，术语“第一结构”和“滑动结构”可以视为同义词，除非另有说明。类似地，术语“第二结构”和“支撑结构”可以视为同义词，除非另有说明。

第一位移装置优选地被实现成压靠在平行于第一暴露面并且与第一暴露面相对的电刷面上。位移装置可以被理解成可以施加力以使电刷沿所期望的方向移动的任何设备或部件。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定位移装置被实现为沿所期望的方向按压电刷的弹簧加载机构。例如，第一位移装置可以是被布置成借助大致恒定的压力将第一暴露电刷面压靠在滑动结构的表面上的弹簧加载机构。此第一位移装置可以包括通常用于常规电刷组件中、并且即使当电刷因所暴露的第一电刷面与滑动结构的表面之间的摩擦而磨损掉时也能够维持所期望的压力的相同类型的弹簧。

第二位移装置优选地被实现成压靠在平行于第二暴露面并且与第二暴露面相对的电刷面上。第二位移装置还可以是弹簧加载机构，在此情况下，第二位移装置是将第二暴露电刷面压靠在支撑结构的表面上的机构。在本发明的特别优选的实施例中，第二位移装置包括被布置成压靠在与第二暴露面相对的电刷面上的板。当电刷是新的时（即，当其填充保持器中的凹口时），所述板可以具有与电刷相同的大小。作为扁平板的替代物，第二位移装置可以例如包括在合适的保持器中自由旋转的一个或多个球形或圆柱形辊。球形辊将仅与电刷的后表面进行点接触，并且圆柱形辊将仅与电刷的后表面进行线接触。

由于电刷组件安装到支撑结构，因此第二暴露电刷面将不经受磨损。第二位移装置无需与第一位移装置一样强。

如上文所示，所暴露的第一电刷面将经受磨损，因为其不断被压靠在滑动结构的表面上。这意味着，电刷的逐渐减小的剩余部分沿滑动结构的方向缓慢但稳定地移动。不阻挡此移动很重要。因此，在本发明的另一个优选实施例中，第二位移装置包括到电刷的低摩擦或无摩擦接触。例如，如果第二位移装置包括用于压靠在电刷上的板，则此板可以被给予低摩擦表面，使得电刷可以沿滑动结构的方向在所述板上方自由滑动。类似地，滚动元件和电刷之间的点接触或线接触将是固有地低摩擦的。

在本发明的另一个优选的实施例中，电刷组件还包括被布置成终止在电刷的主体中的电刷电缆、以及用于将所述电刷电缆电气连接到支撑结构的连接器。配备有电刷电缆的电刷可以部署在其中期望还将较小电流引导到接地（除大雷电流以外）的应用中。电刷电缆的固有较高阻抗并不对电流（诸如例如，来自变频器的电容性泄漏电流）造成障碍。

在本发明的优选实施例中，风力涡轮机包括防雷电路，其中电刷组件安装在在发电机转子和静止部分（例如静止发电机壳体、转子制动板、机盖或短舱等等）之间的界面处。在直驱式风力涡轮机中，例如，电刷组件可以安装在在外部转子与定子的前板之间的界面处。这些零件可以由钢制成，并且因此可以是固有地导电的，使得高雷电流跨越此界面的传输可以安全且可靠地进行。

在本发明的优选实施例中，防雷电路的电流路径布置结构包括支撑结构，电刷组件安装到所述支撑结构，即，支撑结构的主体是导电的并且是电路的一部分。所述电流路径布置结构和电刷之间的电气连接穿过电刷的第二暴露面。

在本发明的另一个优选的实施例中，防雷电路的电流路径布置结构包括滑动结构，电刷的第一暴露面被压靠在所述滑动结构上，即，滑动结构的主体是导电的并且是电路的一部分。

替代性地，滑动结构和/或支撑结构可以设置有合适的导电接触表面，使得雷电流可以在其到达接地的过程中经由电刷在滑动结构和支撑结构之间通过。

附图说明

根据结合附图考虑的以下具体实施方式，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应理解的是，附图仅出于说明目的被设计，而不作为对本发明的限制的定义。

图1是直驱式风力涡轮机及其防雷系统的简化图解；

图2示出了本发明的电刷组件的第一实施例；

图3示出了本发明的电刷组件的第二实施例；

图4示出了图3的实施例的局部截面；

图5示出了在第一环境的适当位置中的本发明的电刷组件的实施例；

图6示出了图5的实施例的截面；

图7示出了在第一环境的适当位置中的本发明的电刷组件的实施例；

图8示出了在第一环境的适当位置中的本发明的电刷组件的实施例。

在附图中，相似数字始终指代相似对象。附图中的对象未必按比例绘制。

具体实施方式

图1是直驱式风力涡轮机3及其LPS 2的简化图。风力涡轮机的空气动力学转子包括安装到轮毂31的转子叶片30。发电机的外部转子32可以封闭在与外部转子32一体旋转的壳体中。该图还示出了静止机盖34或短舱34。发电机的定子33以某种方式安装到基架或固定支架，并且借助于轴承布置结构连接到转子32。风力涡轮机3的静止部分借助于偏航接口安装在塔架35的顶部处。

为使雷电流安全传导到接地，每一转子叶片30配备有连接到电流路径布置结构21的引下线的多个接受器。转子叶片引下线布置在叶片30的内部中。此电流路径布置结构21的所有引下线可以聚集在轮毂31中，并且雷电流I_LPS通过本发明的电刷组件的实施例（此处未示出）传输到另一个电流路径布置结构22，所述电流路径布置结构22将雷电流I_LPS传输通过风力涡轮机3的静止部分并且安全到达接地GND。

图2示出了本发明的电刷组件1的第一实施例，其中在图3中给出了第二实施例的另一视图，并且图4给出了局部截面。电刷组件1包括保持器11，保持器11具有被成形为容纳具有大致矩形形式的碳或石墨电刷10的凹口12。该图还示出了可以用于将电刷组件1紧固到支撑结构（未示出）的通孔。电刷组件1被构造成暴露电刷10的两个面101、102。这两个面101、102大致正交，并且可以压靠在支撑结构和滑动结构（未示出）的正交接收表面上。为此目的，本发明的电刷组件1被构造成在电刷10上施加两个正交力F1、F2，使得当电刷组件1安装在在旋转主体和静止主体之间的界面处时，其将沿两个正交方向被推动。因此，旋转主体和静止主体之间的电气连接由这些正交电刷面101、102提供，使得此电气连接的特征在于有利地低的阻抗。当必须跨越旋转结构和静止结构之间的界面快速传输大雷电流时，此类有利地低的阻抗是优点。

为实现所期望的力F1、F2，提供第一弹簧加载装置S1以沿第一方向D1推动电刷10，并且提供第二（较弱）弹簧加载装置S2以沿第二方向D2推动电刷10。第一弹簧加载装置S1可以包括如从常规电刷组件已知的用于实现强大力F1的强力弹簧18，具有释放夹17以允许在必须用新电刷替换磨损电刷时移除弹簧18。在此示例性实施例中，第二弹簧加载装置S2设置有低摩擦板13以及相对弱的弹簧加载装置19，使得不阻止电刷10在响应于力F1沿第一方向D1被推动时相对于此板13移动。

在图2中所示的实施例中，电刷组件1仅部署块状电刷10，块状电刷10未附接到任何电刷电缆，并且通过电刷10的所暴露面101、102在支撑结构和滑动结构之间直接传输雷电流。在图3和图4中所示的实施例中，电刷组件1还包括电刷电缆14。此处，电刷电缆14被提供为电刷10的组成部分。电刷电缆14的一端有效终止在电刷10的主体中。电刷电缆14的另一端终止在连接器140中，借助连接器140，可以在电刷电缆14与电刷组件1所安装到的支撑结构之间进行电气连接。电刷电缆14可以例如用于将相对小涓流电流I_leak连续引导到接地。

图5示出了在第一环境的适当位置中的本发明的电刷组件1的实施例（仅非常示意性地示出）。此处，电刷组件1例如在包括定子Q和旋转主轴P的电气机械中布置在静止部件Q和旋转部件P之间的界面处。假定定子Q的主体和旋转主轴P的主体是导电的并且在电路路径中用于将雷电流引导到接地。在此示例性实施例中，保持器11例如通过螺栓或其他紧固件（未示出）固定到静止部件Q，使得电刷组件1也相对于旋转部件P静止。电刷10的第一面101被压靠在旋转部件P的表面51上，而电刷10的第二面102被推靠在静止部件Q的表面52上。以此方式，在静止部件Q和旋转部件P之间实现非常低阻抗的连接，并且大雷电流I_LPS可以在其到电接地的过程中在这些部件Q、P之间被安全传输。图6以截面示出了此实施例（为清楚起见，该图并不示出保持器11或弹簧加载装置S1、S2），并且示出了电刷10的第一暴露面101与旋转部件P的滑动表面51之间的表面接触，以及电刷10的第二暴露面102与静止部件Q的表面52之间的有利地大的表面接触。静止部件Q可以是定子前板，而旋转部件P可以是直驱式发电机的可旋转主轴。这些部件Q、P的接触表面51、52通常在其界面处彼此成直角，但是应理解的是，一些公差是可以接受的，使得可以假定接触表面51、52之间所成的角度为90°±某一公差。此截面还适用于以下两个实施例。

图7示出了在第二环境的适当位置中的本发明的电刷组件1的实施例。此处，第一结构P例如是空气动力学转子或直驱式风力涡轮机的外部转子的旋转部件。第二结构Q是静止部件，例如基架的结构部分。此处，还假定静止部件Q的主体和旋转部件P的主体是导电的并且在电路路径中用于将雷电流引导到接地。同样，电刷组件1布置在静止部件Q和旋转部件P之间的界面处。而且在此实施例中，保持器11例如通过螺栓或其他紧固件（未示出）固定到静止部件Q，使得电刷组件1相对于旋转部件P保持静止。电刷10的第一面101被推靠在旋转部件P的滑动表面51上，而电刷10的第二面102被压靠在静止部件Q的表面52上。此实施例在原则上与图6的实施例相同，不同之处在于旋转部件的滑动表面51与第一暴露电刷面101在同一平面中。

图8示出了在第三环境的适当位置中的本发明的电刷组件1的实施例。此处，第一结构P是静止的，并且第二结构Q是旋转的。而且在此情况下，假定旋转部件Q的主体和静止部件P的主体是导电的并且在电路路径中用于将雷电流引导到接地。电刷组件1布置在静止部件P和旋转部件Q之间的界面处。在此实施例中，保持器11例如通过螺栓或其他紧固件（未示出）固定到旋转部件Q，使得电刷组件1相对于静止部件P保持静止，并且旋转部件Q似乎滑动超过电刷10的第一暴露面101。因此，电刷10的第一面101被有效推靠在静止部件P的“滑动表面”51上，而电刷10的第二面102被压靠在第二结构Q的表面52上。图6的截面在此处也适用，差别在于第一暴露电刷面101“看到”的滑动表面51实际上是静止的，明显的旋转是由于电刷组件1附接到旋转部件Q而引起的。

虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对其作出许多额外修改和变型。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请使用的“一（a）”或“一（an）”并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。

Claims

1.一种用于在风力涡轮机（3）的第一结构（P）和第二结构（Q）之间传输雷电流（I_LPS）的电刷组件（1），所述电刷组件（1）包括：

- 被实现成用于安装到所述第一结构（P）和所述第二结构（Q）中的一者的保持器（11）；

- 形成在所述保持器（11）中的凹口（12），所述凹口（12）被成形为容纳电刷（10）并且暴露第一电刷面（101）；以及

- 被布置成使第一暴露电刷面（101）压靠在所述第一结构（P）的表面（51）上的第一位移装置（S1）；

并且其中所述凹口（12）被成形为还暴露第二电刷面（102），并且所述电刷组件（1）还包括被布置成使第二暴露电刷面（102）压靠在所述第二结构（Q）的表面（52）上的第二位移装置（S2）；

其中，所述第一结构（P）包括第一电流路径布置结构（21），所述第一电流路径布置结构被构造为提供用于雷电流朝向界面穿过所述风力涡轮机（3）的旋转部分（30、31、32）的路径；

其中，所述第二结构（Q）包括第二电流路径布置结构（22），所述第二电流路径布置结构被构造为提供用于雷电流穿过所述风力涡轮机（3）的静止部分（33、34、35）到达接地的路径；以及

其中，所述电刷组件（1）被构造成连接所述第一电流路径布置结构（21）和所述第二电流路径布置结构（22）。

2.根据权利要求1所述的电刷组件，其中所述电刷（10）具有块体形状，并且其中所述第一电刷面（101）垂直于所述第二电刷面（102）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的电刷组件，其中所述第一位移装置（S1）包括被实现成压靠在与所述第一暴露电刷面（101）相对的电刷面上的弹簧（18）。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其中所述第一位移装置（S1）包括释放装置（17），所述释放装置（17）被布置成有助于从所述保持器（11）移除磨损电刷并且允许将替换电刷插入到所述保持器（11）中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其中所述第二位移装置（S2）包括到与所述第二暴露电刷面（102）相对的电刷面的低摩擦接触。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其中所述第二位移装置（S2）包括被布置成靠在与所述第二暴露电刷面（102）相对的电刷面上的板（13）。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其中所述第二位移装置（S2）包括被实现成接触与所述第二暴露电刷面（102）相对的电刷面的多个滚动元件（18）。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其中所述第二位移装置（S2）是弹簧加载的。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的电刷组件，其包括被布置成终止在所述电刷（10）的主体中的电刷电缆（14），并且包括用于将所述电刷电缆（14）连接到所述第一结构（P）和所述第二结构（Q）中的一者的连接器（140）。

10.一种风力涡轮机（3）的防雷电路（2），其包括：

- 第一电流路径布置结构（21），其被实现为提供用于雷电流（I_LPS）朝向到所述风力涡轮机（3）的静止部分（33、34、35）的界面穿过所述风力涡轮机（3）的旋转部分（30、31、 32）的路径；

- 第二电流路径布置结构（22），其被实现为提供用于雷电流（I_LPS）穿过所述风力涡轮机（3）的所述静止部分（33、34、35）到达接地的路径；以及

- 用于将所述第一电流路径布置结构（21）电气连接到所述第二电流路径布置结构（22）的电刷组件（1）；

其中，所述电刷组件（1）包括：

- 被实现成用于安装到所述旋转部分（30、31、 32）和所述静止部分（33、34、35）中的一者的保持器（11）；

- 形成在所述保持器（11）中的凹口（12），所述凹口（12）被成形为容纳电刷（10）并且暴露第一电刷面（101）和第二电刷面（102）；以及

- 被布置成使第一暴露电刷面（101）压靠在第一结构（P）的表面（51）上的第一位移装置（S1）；

- 被布置成使第二暴露电刷面（102）压靠在第二结构（Q）的表面（52）上的第二位移装置（S2）。

11.一种包括根据权利要求10所述的防雷电路（2）的风力涡轮机（3），其中所述电刷组件（1）安装在发电机转子（32）和发电机定子（33）之间的界面处。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其包括根据权利要求10所述的防雷电路（2），其中所述电刷组件（1）安装在所述发电机转子（32）和静止壳体（34）之间的界面处。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的风力涡轮机，其中防雷电路（2）的电流路径布置结构（21、22）包括导电结构（32、33、 34），所述电刷组件（1）安装到所述导电结构（32、33、34）。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的风力涡轮机，其中防雷电路（2）的所述电刷组件（1）包括电刷电缆（14），并且其中所述电刷电缆（14）电气连接到结构（Q），所述电刷组件（1）安装到所述结构（Q）。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的风力涡轮机，其被实现为直驱式风力涡轮机（3）。