CN114696174B - 滑环装置、偏航系统及风力发电机组 - Google Patents

滑环装置、偏航系统及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种滑环装置、偏航系统及风力发电机组。所述滑环装置包括旋转部和固定部，旋转部能够相对于固定部旋转，旋转部上设置有导电环，固定部上设置有电刷，在所述导电环和所述电刷中的至少一个上设置有斜槽，使得所述导电环和所述电刷二者接触时，所述斜槽能够排放所述导电环和所述电刷接触时产生的磨屑。根据本发明的滑环装置实现了抑制滑环装置中的导电环和电刷之间的微动接触电阻的增加。

Description

滑环装置、偏航系统及风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电领域，更具体地，涉及一种滑环装置、偏航系统及风力发电机组。
背景技术
当前风力发电机组采用的发电机主要有直驱永磁发电机、中速永磁发电机、双馈异步发电机(电励磁)，这三种发电机机组在叶轮系统中均需要配置电变桨滑环或者电液滑环用来传输动力及信号，另外，在双馈异步发电机机组上还需要配置电机集电环用来电励磁及传输转子侧电能。电变桨滑环或者电液滑环或电机集电环具有类似的结构，包括导电环和电刷。变桨滑环工作在低速(平均转速10转/分至20转/分)滑动电接触状态，电机集电环工作在高速(平均转速1500转/分)电接触状态。而用在风力发电机组的偏航系统中的集电环则工作在低频超低速的电接触状态。上述每种不同应用场景的滑环或集电环中的导电环与对应接触的电刷之间的电接触均有其不同的设计特点及失效模式。
变桨滑环工作在中低速工况，主要用来传输高频通信信号，可靠的信号传输是其关注的重点；电机集电环工作在高速工况，主要用来传输转子侧电能，电刷的高速磨损、发热、机械跳动是其关注的重点；而用在偏航系统中的集电环处于长时间可能静止(少部分时间工作在滑动工况)、超低速且间歇性滑动工况，其发热、接触电阻增加是其关注研究的重点。
在研制偏航系统集电环的过程中，发现导电环和电刷接触对之间随着运行时间增加逐步附着黑色膜层，其接触电阻有增加过快的现象，而运行在高速工况下的电机集电环并没有出现这类现象。
偏航系统集电环转速约为0.05r/min，电刷线速度约1mm/s，且属于间歇性工作制，低转速的磨损规律符合微动磨损，微动磨损是一种典型的复合式磨损，由于两个接触物体进行振幅(1毫米以下)很小的相对运动而引起机械化学磨损，在两个接触物体摩擦时，在摩擦表面层产生了疲劳裂纹或粘着磨损使金属剥落形成磨屑或磨损颗粒，进而摩擦表面上的高温使磨屑氧化。
偏航系统集电环的导电环和电刷接触对在长期的低速、间歇性旋转过程中出现微动磨损，磨损颗粒附着在电刷与导电环的接触面之间，由于电刷接触面较大，且电刷接触面粗糙度较大，微动行程小，旋转过程中磨损颗粒很少被排出，磨损颗粒夹杂在接触对之间反复研磨，并随着杂质、氧气、高温环境而逐步氧化，最终形成阻碍电流通过的氧化膜层，造成微动接触电阻中的膜电阻增加，从而导致微动接触电阻过快增加。其中，微动接触电阻是指导电环和电刷接触对在低速、间歇性旋转过程中二者之间形成的电阻。
发明内容
鉴于上述问题而提出本发明。本发明的目的在于提供一种滑环装置，实现了抑制滑环装置中的导电环和电刷之间的微动接触电阻的增加。
为了实现上述目的，本发明提供一种滑环装置，所述滑环装置包括旋转部和固定部，所述旋转部能够相对于所述固定部旋转，所述旋转部上设置有导电环，所述固定部上设置有电刷，在所述导电环和所述电刷中的至少一个上设置有斜槽，使得所述导电环和所述电刷二者接触时，所述斜槽能够排放所述导电环和所述电刷接触时产生的磨屑。
进一步地，在所述导电环上设置斜槽，在所述电刷上设置斜槽，其中，当所述导电环和所述电刷彼此接触时，所述导电环上的斜槽和所述电刷上的斜槽彼此交叉。
进一步地，所述斜槽的倾斜角度的范围为45度至90度。
进一步地，所述斜槽的深度范围为1毫米至4毫米，所述导电环和所述电刷上形成的所有斜槽占据的面积是所述导电环和所述电刷的接触面的面积的1/5至1/6。
进一步地，所述滑环装置还包括设置在所述固定部上的散热装置，在工作状态下，通过所述散热装置对所述电刷进行散热，将所述电刷的温度控制为低于所述电刷的临界快速氧化温度。
进一步地，所述电刷的临界快速氧化温度是基于电刷温升以及所述导电环和所述电刷之间的微动接触电阻的增加速率计算得到的。
进一步地，所述滑环装置还包括设置在所述电刷上的温度传感器，用于检测所述电刷的温度，当所述电刷的温度高于阈值温度时，启用所述散热装置，当所述电刷的温度低于阈值温度时，停用所述散热装置，以将所述电刷的温度控制为低于所述电刷的临界快速氧化温度。
进一步地，通过散热装置将所述电刷控制为所述电刷的温升不高于20K，所述电刷的温度不高于85℃。
进一步地，所述导电环和所述电刷之间流过的电流大于电刷材料的软化电压与所述导电环和所述电刷之间的静态接触电阻的比值，并小于所述电刷材料的熔化电压与所述导电环和所述电刷之间的静态接触电阻的比值。
进一步地，所述导电环由铜镀银锑合金制成，所述电刷由铜碳复合材料制成。
进一步地，所述导电环和所述电刷彼此接触的表面的粗糙度均小于等于0.1μm。
本发明还提供一种偏航系统，所述偏航系统包括：如上所述的滑环装置，设置在塔筒与机舱的安装位置中间的偏航平台上；控制单元，设置在所述滑环装置的固定部上，用于根据温度传感器测量的温度信号，控制散热装置的启停。
本发明还提供一种风力发电机组，包括如上所述的偏航系统。
根据本发明的滑环装置通过相关部件的材料选择、对表面加工工艺以及结构的改进、对工作温度以及工作电流的控制优化，减少磨屑的形成、及时排出磨屑、进而减少磨屑形成的氧化膜、软化氧化膜，有效地实现了抑制滑环装置中的导电环和电刷之间的微动接触电阻的增加。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述和其他方面、特点及其他优点将会变得清楚和更加容易理解，在附图中：
图1是示出根据本发明的偏航系统的组成示图。
图2是示出根据本发明的滑环装置中的导电环与电刷的部分结构示图。
附图标号说明：
10-塔筒，20-机舱，30-偏航平台，40-滑环装置，41-旋转部，411-导电环，42-固定部，421-电刷，412、422-斜槽，43-散热装置，44-温度传感器，45-控制单元。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的优选实施例。应当清楚的是，在下面对实施例的说明和附图中，对相同部件标注相同符号，并省略重复的说明。
本发明提供一种滑环装置，实现对微动接触电阻增加的抑制，下文中将以偏航系统集电环为例描述该滑环装置，该滑环装置包括导电环和电刷，本发明不限于此，而是下文的描述也可以相应地适用于需要抑制接触对之间的微动接触电阻增加的其他类似装置中。
如图1所示，示出了用于风力发电机组的偏航系统，偏航系统包括位于塔筒10与机舱20之间的偏航平台30，偏航平台30中设置有滑环装置40(在本示例中为偏航系统集电环)。
滑环装置40包括旋转部41和固定部42，旋转部41和固定部42之间的连接类似于发电机中的转子和定子，固定部42类似于定子，具有圆筒形形状，内部为圆柱形空腔，旋转部41类似于转子，具有圆柱体形状，设置在固定部42内部的空腔中，旋转部41能够相对于固定部42旋转。图中示出的旋转部41和固定部42之间的运动关系可以互换，即旋转部41可以是固定的，固定部42可以相对于旋转部41旋转。此外，旋转部41和固定部42的具体结构仅是示例，还可以具有其他结构，只要二者能够进行相对运动即可，例如，旋转部41和固定部42可以类似于一对外啮合的齿轮进行相对旋转。
旋转部41的外周表面上设置有环形的导电环411，固定部42的内周表面上在与导电环411对应的位置设置有电刷421，导电环411和电刷421彼此接触并相对旋转，并分别与风力发电机组不同段的电缆(如图1中的粗实线所示)连接，使发电机产生的电流通过二者进行传递。图1中示出了3组导电环以及对应的电刷，但不限于此，可以根据实际工程应用设置更多或更少的导电环和电刷组。
滑环装置40还包括设置在固定部42外部的散热装置43，用于对滑环装置40进行散热，但不限于此，散热装置43还可以设置在固定部42的内部，以对导电环411和电刷421进行散热。
滑环装置40还包括设置在电刷421上的温度传感器44，用于检测电刷421的温度，但不限于此，温度传感器44还可以设置在导电环411上，例如埋设在导电环411中，用于检测导电环411和电刷421二者的温度。
偏航系统还包括设置在滑环装置40的固定部42上的控制单元45，用于根据温度传感器44测量的温度信号，控制散热装置43的启停，实现对滑环装置40的散热。
滑环装置40中导电环411和电刷421接触对之间的微动接触电阻主要是由于接触对之间的微动磨损产生磨屑，磨屑不能及时排出而积累在接触对的接触面之间，并随着氧气和高温等逐渐氧化成氧化膜层，而氧化膜层阻碍电流的通过。
因此，本发明的滑环装置40通过减少磨屑的生成、排出磨屑以减少磨屑的堆积、控制工作温度以减缓磨屑的氧化，以及控制优化工作电流以软化氧化膜来抑制接触对之间的微动接触电阻增加。
参见图2，示出了滑环装置40的导电环411以及电刷421的部分结构，导电环411以及电刷421未按照真实尺寸和比例示出，而是被夸大或缩小以示意性地示出特定细节。可以在导电环411和电刷421中的至少一个上设置斜槽，斜槽的目的在于将导电环411和电刷421接触时产生的磨屑及时排出，避免磨屑在二者之间的接触面上堆积。
如图1所示，导电环411和电刷421上分别设置有斜槽412、422，这些斜槽相对于导电环411和电刷421的周向延伸方向倾斜一定的角度，其中，导电环411上的斜槽412可以是螺旋槽的形式，斜槽的加工可以通过卧式铣床等实现，斜槽的倾斜角度大于电刷材料和导电环材料的安息角，使得形成在电刷421和导电环411上的磨屑在自身重力的作用下沿着斜槽顺利排出，减少磨屑在接触面上和斜槽中的积累。
其中，安息角是与材料的流动性相关的概念，在材料放置于斜面上时，当斜面相对于水平方向的倾斜角度小于安息角时，材料保持稳定状态，当斜面的倾斜角度大于安息角时，材料在自身重力的作用下克服其与斜面之间的摩擦力而沿着斜面流动。安息角与材料的密度以及分子结构等物理化学属性以及材料颗粒的种类、粒径、形状和含水率等因素有关，不同的材料具有不同的安息角并且可以通过工具书得到或者可以通过实验测量得到。通常电刷材料与导电环材料具有不同的属性，因此二者具有不同的安息角，在设置斜槽的倾斜角度时，以两种材料中的较大的安息角为准，本文以电刷材料为例进行描述，即，斜槽的倾斜角度大于电刷材料的安息角，例如斜槽的倾斜角度的范围可以是45度至90度，优选地为60度，但不限于此，在具体的工程实践中可以综合考虑电刷材料与导电环材料两者的安息角来设置斜槽的倾斜角度以有利于磨屑的排出。
导电环411和电刷421上的斜槽的方向可以相同，使得当导电环411和电刷421彼此接触并相对旋转时，导电环411上的斜槽412和电刷421上的斜槽422彼此交叉形成剪刀，以提供剪切作用，保证二者在微动接触时无论是正向旋转还是反向旋转，交叉的斜槽如同剪刀去除所产生的磨屑以及由其形成的氧化物以减少它们的粘着。其中，斜槽的深度范围可以为例如1mm至4mm，优选地为3mm以容纳所形成的磨屑；斜槽的宽度可以设置成使得导电环411和电刷421上形成的所有斜槽占据的面积是导电环411和电刷421的接触面的面积的一定比例，从而有利于通过剪切作用将所形成的磨屑驱赶到斜槽中。当在导电环411和电刷421上均设置斜槽时，斜槽可以分布得更均匀，而在导电环411和电刷421中的一个上设置斜槽时，斜槽分布得较密集，并且所有斜槽占据的面积可以是导电环411和电刷421的接触面的面积的例如1/5至1/6，但不限于此，斜槽的深度和宽度的上述数值仅为示例，具体数值可以根据工程实际进行相应地调整。这里提及的导电环411和电刷421的接触面的面积指的是在导电环411和电刷421上均不设置斜槽的情况下两者之间的接触面的面积。
此外，斜槽的设置还有利于电刷421和导电环411的散热，同时能大大减小磨屑从接触面的中心位置到边缘位置的行程，从而整体上减小磨屑堆积的概率。
另外，可以选择导电环411和电刷421的材料，使得在二者接触旋转时减少磨损。导电环411可以由硬度较大的材料制成，电刷421由硬度相对较小、摩擦系数较低的材料制成，例如，导电环411可以由铜镀银锑合金、采用铜镀银锑工艺制成，电刷421可以由铜碳复合材料制成，其中，铜碳复合材料中的铜含量为80％以上，但不限于此，这仅是示例，导电环411和电刷421可以由其他合适的材料制成。
此外，由于导电环411和电刷421接触对在旋转时，在接触面上可能产生疲劳裂纹或粘着磨损，因此，在制造导电环411和电刷421的工艺过程中，不使用粘结剂等粘性材料，以减少成品的导电环411和电刷421在接触旋转时发生的粘着磨损。
此外，可以减小导电环411和电刷421彼此接触的表面的粗糙度，使得二者在接触旋转过程中，减少磨屑的产生，例如，导电环411和电刷421彼此接触的表面的粗糙度均小于等于0.1μm，但不限于此，该数值仅为示例，可以根据具体的工程实际选择相应的粗糙度，其中，对导电环411和电刷421的表面进行加工可以通过车床和磨削装置实现。
本发明的滑环装置40还可以控制工作温度实现对微动接触电阻增加的抑制。通常电刷421由于其材料的原因在实际工作过程中温度升高相对于导电环411而言比较明显，因此下面以电刷421为例进行描述，但不限于此，类似的措施可以同样应用于导电环411。对电刷421的温度控制主要是通过散热设计实现的，例如采用散热装置43(例如，风扇)将电刷421的温度控制为低于电刷421的临界快速氧化温度，其中，电刷421的临界快速氧化温度是指高于该临界快速氧化温度时，导电环411和电刷421之间的微动接触电阻快速增加，该临界快速氧化温度通过实验测量得到。
具体地，在该实验中，使导电环411和电刷421旋转作业，二者处于微动接触状态，对导电环411和电刷421进行通流(即，使电流流过二者)，使得导电环411和电刷421的温度升高，通过温度传感器44实时测量温度，并同时分别通过电压计和电流计实时测量导电环411和电刷421之间的电压和电流进而计算得到二者之间的微动接触电阻，或者可以直接通过电阻测量装置(例如电阻计)测量二者之间的微动接触电阻，以温度为自变量、微动接触电阻为因变量绘制曲线，得到电阻与温度的关系(即电阻增加速率曲线)，从该曲线中可以看出随着电刷温度的升高(或电刷温升)电阻增加的速率，从中找到曲线拐点，小于该拐点(即低于该温度拐点)，电阻增加的较慢，大于该拐点(即高于该温度拐点)，电阻快速增加，该温度拐点称为电刷421的临界快速氧化温度，它表示高于该温度时，磨屑被快速氧化成氧化膜层，使得微动接触电阻快速增加，因此，应该将电刷的温度控制为低于该温度，避免微动接触电阻的快速增加。
相应地，在导电环411和电刷421实际工作中，通过温度传感器44实时测量二者的温度，并通过控制单元45对电刷421进行前馈控制，即，当电刷温度高于阈值温度(该阈值温度低于电刷的临界快速氧化温度)时，通过控制单元45启用散热装置43，对电刷421进行散热，当电刷温度低于该阈值温度时，可以停用散热装置43，中止对电刷进行散热，以将电刷421的温度始终控制为低于电刷421的临界快速氧化温度。例如，通过上述散热措施，可以控制电刷温升不高于20K，保证电刷温度长期不高于85℃，其中K表示开尔文温度，该电刷温升和电刷温度的具体数值仅为示例，不限于此，而是取决于所用电刷421和导电环411的临界快速氧化温度。通过利用低温减缓磨屑快速生成氧化物，使得磨屑在生成氧化物之前将其排出，减少磨屑在接触对之间的存在，同时降低氧化速率从而使得氧化膜具备软化条件，虽然磨屑颗粒在开放空间中的缓慢氧化不可避免，但上述措施能够控制其氧化更慢一些，氧化膜层更薄一些，能够使得其保持可控的电接触性能。
本发明的滑环装置40还可以通过将电流控制在最佳通流值范围内来实现对微动接触电阻增加的抑制。对于形成的氧化膜层而言，小电流不能击穿，而大电流对较薄的氧化膜具有软化作用，但过大的电流会造成导电环411和电刷421之间的接触面熔化。当微动接触电阻增大后，大电流叠加下的接触电压较高，能够利用大电流软化较薄的氧化膜层，加上前述的排放阻止多层氧化膜的生成，最终使得微动接触电阻稳定在较低的平衡状态。
由于电刷421的磨损比较明显，所形成的磨屑材料也多数为电刷材料，因此下面以电刷421为例进行描述。具体地，对于电刷材料形成的氧化膜，将电流大小控制为能够软化该氧化膜，但同时不会造成导电环411和电刷421之间的接触面熔化，即，使得导电环411和电刷421之间流过的电流I满足如下条件：Ua/Rs<I<Ub/Rs，其中，Ua为电刷材料的软化电压，Ub为电刷材料的熔化电压，Rs为导电环411和电刷421之间的静态接触电阻，静态接触电阻是指导电环411和电刷421在非工作状态(即静止状态)下二者之间的电阻，对于特定的电刷材料而言，Ua和Ub可以通过工具书得到，Rs可以通过实验测量得到，例如在导电环411和电刷421之间施加电压并进行测量，同时测量二者之间流过的电流，多次测量计算取平均值，最终得到导电环411和电刷421之间的静态接触电阻Rs。
在实际工程运转中，根据电刷421的数量以及测得的静态接触电阻Rs，控制施加在电刷421之间的电压，使得流过每个电刷421的电流I满足Ua/Rs<I<Ub/Rs。例如，当电刷材料为铜时，铜的软化电压为0.12V，熔化电压为0.43V，则通过电刷421的电流应该使得加载在电刷421两端的接触电压稍高于铜的软化电压而远小于铜的熔化电压。
通过以上描述清楚的是，根据本发明的滑环装置通过相关部件的材料选择、对表面加工工艺以及结构的改进、对工作温度以及工作电流的控制优化，减少磨屑的形成、及时排出磨屑、进而减少磨屑形成的氧化膜、软化氧化膜，有效地实现了抑制滑环装置中的导电环和电刷之间的微动接触电阻的增加。
本发明还提供一种偏航系统，所述偏航系统包括：如上所述的滑环装置40，设置在塔筒10与机舱20的安装位置中间的偏航平台30上；控制单元45，设置在滑环装置40的固定部42上，用于根据温度传感器44测量的温度信号，控制散热装置43的启停。
本发明还提供一种风力发电机组，包括如上所述的偏航系统。
上述实施例中的实施方案可以进一步相互组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行的描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种滑环装置，所述滑环装置(40)包括旋转部(41)和固定部(42)，所述旋转部(41)能够相对于所述固定部(42)旋转，所述旋转部(41)上设置有导电环(411)，所述固定部(42)上设置有电刷(421)，其特征在于，在所述导电环(411)和所述电刷(421)中的至少一个上设置有斜槽，使得所述导电环(411)和所述电刷(421)二者接触时，所述斜槽能够排放所述导电环(411)和所述电刷(421)接触时产生的磨屑；
所述滑环装置(40)还包括设置在所述固定部(42)上的散热装置(43)，在工作状态下，通过所述散热装置(43)对所述电刷(421)进行散热，将所述电刷(421)的温度控制为低于所述电刷(421)的临界快速氧化温度。
2.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，在所述导电环(411)上设置斜槽(412)，在所述电刷(421)上设置斜槽(422)，其中，当所述导电环(411)和所述电刷(421)彼此接触时，所述导电环(411)上的斜槽(412)和所述电刷(421)上的斜槽(422)彼此交叉。
3.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，所述斜槽的倾斜角度的范围为45度至90度。
4.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，所述斜槽的深度范围为1毫米至4毫米，所述导电环(411)和所述电刷(421)上形成的所有斜槽占据的面积是所述导电环(411)和所述电刷(421)的接触面的面积的1/5至1/6。
5.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，所述电刷(421)的临界快速氧化温度是基于电刷温升以及所述导电环(411)和所述电刷(421)之间的微动接触电阻的增加速率计算得到的。
6.如权利要求5所述的滑环装置，其特征在于，所述滑环装置(40)还包括设置在所述电刷(421)上的温度传感器(44)，用于检测所述电刷(421)的温度，当所述电刷(421)的温度高于阈值温度时，启用所述散热装置(43)，当所述电刷(421)的温度低于阈值温度时，停用所述散热装置(43)，以将所述电刷(421)的温度控制为低于所述电刷(421)的临界快速氧化温度。
7.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，通过散热装置(43)将所述电刷(421)控制为所述电刷(421)的温升不高于20K，所述电刷(421)的温度不高于85℃。
8.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，所述导电环(411)和所述电刷(421)之间流过的电流大于电刷材料的软化电压与所述导电环(411)和所述电刷(421)之间的静态接触电阻的比值，并小于所述电刷材料的熔化电压与所述导电环(411)和所述电刷(421)之间的静态接触电阻的比值。
9.如权利要求1所述的滑环装置，其特征在于，所述导电环(411)由铜镀银锑合金制成，所述电刷(421)由铜碳复合材料制成。
10.如权利要求9所述的滑环装置，其特征在于，所述导电环(411)和所述电刷(421)彼此接触的表面的粗糙度均小于等于0.1μm。
11.一种偏航系统，其特征在于，所述偏航系统包括：
如权利要求1至10中任一项所述的滑环装置(40)，设置在塔筒(10)与机舱(20)的安装位置中间的偏航平台(30)上；
控制单元(45)，设置在所述滑环装置(40)的固定部(42)上，用于根据温度传感器(44)测量的温度信号，控制散热装置(43)的启停。
12.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求11所述的偏航系统。
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