CN116783804A - 具有对于滑环系统的冷却的电动机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机器(24)，包括：‑定子(25)和转子(27)，定子和转子在每种情况下均具有绕组系统(26,28)，转子设置在轴(4)上以用于共同旋转，并且转子(27)的绕组系统(28)能够通过滑环系统(1)电接触，‑滑环本体(2)，其具有滑环(3)，滑环轴向彼此前后设置；其中，所述滑环系统(1)至少在所述滑环本体(2)的内侧和轴(4)之间的部分中形成腔体(11)，该腔体在两侧轴向开口。为了改进冷却，提出轴(4)至少在滑环系统(1)的区域内为中空轴，去往转子(27)的绕组系统(28)的馈线被引领在轴的中空轴部分中，该部分与滑环系统(1)相关联，并且，切口(孔口21)在轴向内侧设置于腔体(11)处且在轴向外侧设置于腔体处，冷却介质流通过切口轴向引入腔体(11)中并可被轴向引领至出口区域中。

Description

具有对于滑环系统的冷却的电动机器

技术领域

本发明涉及一种作为风力发电设备的发电机的电动机器，特别是具有滑环系统的双馈异步机器。

背景技术

在双馈异步机器的情况下，在转子中采用三相系统。在此，滑环系统用于电力传输。在这种类型的滑环系统的情况下，三相电力系统经由固定电刷传输到滑环并因此传输到机器的旋转部分，即转子。在此，三相系统经由对应导体传导至转子的转子绕组。

用于电动机器，特别是双馈异步机器的这种类型滑环系统例如用于风力发电设备。在此要求电动机器或发电机及其部件具有更为紧凑的设计。由于特备是滑环、滑环电刷和电刷保持器的温度大幅升高，导致在恒定总尺寸的情况下，滑环部件热负荷增加。

因此，需要尽可能有效地冷却电动机器的所有部件，特别是滑环，以因此避免超过允许的最高温度从而无法确保发电机的运行。

已经尝试借助增加面积(滑环、电刷、壳体)来补偿功率输出增加而导致的滑环系统温度升高从而结果使温度再次处于允许范围中。此外，滑环壳体中的风扇借助被从外部(机舱的内部空间)引导通过整个滑环系统且因此确保系统的必要冷却的空气而确保空气循环。

此外，EP3322047 A1公开了一种滑环装置，在这种滑环装置的情况下，滑环之间的绝缘部段具有用于冷却的形状。

EP2887 509A1公开了一种电动机器，特别是双馈异步机器(ASM)，其具有：定子以及固定设置轴上以用于共同旋转发转子，该定子和转子各自具有绕组系统，转子的绕组系统可以通过滑环系统电接触，

滑环系统的电能传输单元，特别是电刷单元，一个或多个电刷被分配到每电相的滑环，电刷设置在电刷保持器上；

滑环系统的滑环本体，其具有滑环，这些滑环轴向彼此前后设置、被分配到一个电相、并以绝缘的方式彼此间隔开，滑环本体固定连接到轴上以用于共同旋转并形成腔体，该腔体至少在滑环本体内侧和轴之间的部分中在两侧轴向开口。该设备形成权利要求1的前序部分。其已经提供了有效冷却。

从此出发，本发明因此基于冷却性能方面进一步改进电动机器，特别是双馈异步机器的滑环系统，电动机器，特别是双馈异步机器均属于风力发电设备。

发明内容

本发明的所述目的通过具有权利要求1所述特征的电动机器，特别是双馈异步机器(ASM)来实现。

本发明的特别特征在于，轴至少在滑环系统区域中为中空轴，去往转子的绕组系统的馈线布线于轴的中空轴部分中，该部分被分配至滑环系统，并且，凹部(孔口)在轴向内侧设置于腔体上且在轴向外侧设置于腔体上，冷却介质流(气体、液体或优选地冷却空气)可通过该凹部被轴向引导至腔体中并可排入出口区域中，特别是风扇的进气区域中。因此，由滑环系统形成的腔体首次用于去往转子绕组的高热负荷电流馈线的布线和冷却。

根据本发明，由于不仅电刷，而且去往转子的绕组系统的馈线也被冷却的事实，提高了冷却性能。为此，馈线至少在滑环系统的区域中布线在轴内，该轴为此当然必须是中空构造。然后(也就是说，在操作期间)，冷却介质(优选地冷却空气)被引导通过轴和滑环本体之间的腔体，也就是说，轴向扫过中空轴并对其进行冷却。为此，在腔体的轴向起点和轴向末端处设置有开口、凹部或孔口，冷却空气被轴向通过这些开口、凹部或孔口。冷却空气优选地被从滑环系统直接轴向引导至出口区域，即鼓风机或风扇的吸入区域。直接轴向流入或抽取增加了空气吞吐量并提高冷却性能。发明人认识到，除了对接触电刷的冷却之外，对馈线的精确冷却也很重要。

以这种方式，根据本发明，可以通过在两侧上借助轴向入口和排放开口而轴向开口的腔体提供内部冷却滑环本体。在此，不仅可以从内部径向冷却滑环本体，腔体还特别有助于冷却轴和位于轴的该区域中的馈线。因此，在滑环系统并因此电动机器的操作期间，腔体在其处形成散热器。

由于轴至少在滑环本体的轴向区域中为中空构造，因此，为了将激励电力经由电导体从滑环系统传导到转子或电枢中，可被冷却的轴部分也可用于冷却在其处延伸的电导体。

导体被构造为柔性导体，例如成股导体，或刚性导体，呈轨道系统的形式，并用于激励转子或电枢的绕组系统。

由于根据本发明的滑环本体的构造，滑环本体以及额外的下列部件现在可以冷却：轴，特别是轴向轴部分，以及在中空轴的情况下，在轴中延伸，特别是设置在轴中的成股导体。换句话说，滑环本体、轴和在轴中或轴向中空轴部分中延伸的用于激励电力的导体可以以目标方式进行冷却，也就是说，这些部件的热负荷可以通过冷却剂，特别是冷却空气流来吸收。

滑环为环形洗形状，即其在内侧上为中空的并有限定环宽度。其用于将静态供电系统的电能传输到双馈异步机器的旋转部分(电枢)。在此，传输通常是通过电刷(接触电刷)实现，电刷沿着滑环的表面进行引导并在此过程中将电能传输到滑环，该滑环然后通过电导体将电能传输到电枢的绕组系统。

每个电相的各个滑环在轴向方向在任何情况下均由绝缘部段环绕，这些绝缘部段将滑环本体彼此电绝缘。接地环同样关于相邻滑环绝缘。在滑环本体的另一轴向端部处设置有支撑环，该支撑环通过连接装置(例如螺栓)尤其连接至各个滑环和绝缘本体以赋予滑环本体必要的机器稳定性。

在待传输的三相系统的情况下，滑环本体具有三个滑环、电连接至支撑结构的接地环以及绝缘套筒，以便使滑环相对于接地环和/或相对于彼此绝缘。绝缘套筒安装在支撑结构的相应部分上。

三相系统的不同电相位通常通过每个滑环传导。接地环连接到接地系统，例如，电动机器和/或整个系统的接地系统。

在一个实施例中，腔体被构造为周向切口，结果，滑环本体至少在两个周向延伸端部部分或边界元件上固定连接至轴以用于共同旋转，这两个端部部分或边界元件轴向彼此间隔开并因此产生作为一个冷却部分的腔体。这些端部或边界元件尤其构造为环或腹板。其是支撑结构和/或轴的一部分。因此，其与一个或另一个部分构造为单件并通过滑环本体轴向插入轴或中空轴而形成冷却部分。在端部部分或边界元件，特别是环或腹板中存在轴向延伸凹部或孔口，其使得上述冷却成为可能。

在此，这些凹部或基本轴向延伸孔口在固定连接，例如收缩配合，以用于共同旋转的区域中被设置在支撑结构和/或轴的周向上。这些凹部或基本轴向延伸孔口设置在轴承侧(即面对电枢的一侧)和连接器侧(即远离电枢的一侧)两者上。

例如，冷却以这种方式发生使得冷却空气通过接地环上的另一凹部被吸入轴承侧上或通过鼓风机/风扇压入轴承侧。该冷却空气通过冷却部分，即通过端部部分的这些凹部或轴向延伸孔口，进入腔体，并吸收腔体处的热负荷。通过风扇，例如连接器侧上的风扇，加热空气通过滑环壳体上的开口向外输送。在那处，加热空气被喷出或再冷却。

在另一实施例中，上述冷却装置是对现有冷却回路的补充，在这种情况下，电刷和滑环表面已经通过径向风扇冷却。由于内部冷却滑环本体，因此对于轴、在轴中延伸的导体、以及滑环本体存在另一冷却回路。

通过该冷却回路，轴和滑环本体中的成股导体或导轨系统的温度通过额外提供的冷却回路显著降低。以这种方式，在滑环系统相同的安装空间内，利用相同部件可以实现更高电力输出，这具有极高成本效益效果。

由于这种构造，冷环境空气(或在封闭系统情况下的再冷却空气)被引导通过轴和滑环本体之间的显著加热区域，即腔体；并且导体，特别是中空轴部分的轴中的成股导体，也通过这种方式进行冷却。加热空气通过接地环上的开口以及提高滑环本体的在端部部分中的整个周向上轴承侧和连接器侧的凹部或孔口排放。冷却空气被引导通过这些开口和凹部或孔口进入轴和滑环本体之间的腔体中。

待产生的空气流通过滑环壳体中的专用或现有风扇进行辅助。因此，空气被直接引导至滑环本体、轴的加热点并间接引导至成股导体。因此，轴、滑环本体和股之间的区域保持在允许温度范围中，并因此防止滑环系统过热。因此，采用这种冷却概念的滑环本体可用于比目前显著更高的电力输出。

具体地，通过在预定轴向长度上具有减小直径部分的轴和/或在设想腔体的区域中具有加宽直径部分的滑环本体，可在滑环本体内径向产生腔体。以这种方式，滑环本体至少通过彼此间隔开的两个周向延伸边界元件(如环或腹板)固定连接至轴以用于共同旋转。以这种方式，构造了代表冷却部分的腔体。边界元件，即环或腹板，是滑环本本体和/或轴的支撑结构的一部分。因此，其与一个或另一个部分构造为单件并通过将滑环本体轴向插入轴或中空轴的方式形成冷却部分。在边界元件中，例如环或腹板中，存在轴向延伸凹部，这使得上述冷却成为可能。

为了提高冷却效率，腔体可以具有蜿蜒或迷宫式结构，器延长冷却气流在腔体中的停留时间并因此允许冷却气流在腔体中吸收更高热负荷。

这些结构可以是专用元件，器可以插入或已经加工到滑环本体和/或轴中。

基本上，通过对轴向承靠电动机器的滑环本体进行冷却，还可显著降低电动机器(例如轴和转子)的温度。

滑环本体的更低温度因此允许滑环本体或滑环系统的整体尺寸更小。因此，滑环系统每相可负载更多电刷，而在没有这种类型的冷却的情况下，这是不可能的。因此，利用滑环系统的相同总体积，可以实现比目前更高的电力水平。

此外，滑环系统的额外冷却通过对应设计的滑环来实现，例如，利用延伸表面中使径向空气流成为可能的凹槽以及还利用滑环中使轴向冷却空气流成为可能的轴向孔口。额外地或者替代地，滑环之间的绝缘部段同样可以采用风扇式设计，以在滑环本体旋转的情况下在滑环壳体中提供紊流。

另外，还可以通过使电刷轴被提供以增加表面面积的措施来冷却电刷装置。通过外部风扇和/或引导设备以目标方式定向的空气流同样有助于滑环壳体内的冷却。

由于这些措施，滑环、其延伸表面、电刷、电缆馈线和系统的其它部件保持在正确操作温度范围中。因此，保护电动机器的操作免受过热影响。以这种方式，总体上可以使用基本更小、成本更低的部件，并因此确保电动机器的无故障操作。除了用于发电机，例如风力发电站的情况，本发明还可用于电机的情况。

冷却回路可构造为封闭式冷却回路或开放式冷却回路。在封闭式冷却回路的情况下，冷却介质，例如空气，可以以目标方式进行再冷却，例如通过热交换器。在开放式冷却回路的情况下，冷却介质，例如空气，可以从周围区域使用并可以在加热状态下再次排放到周围区域。

附图说明

下文将基于示意性示出的示例实施例更详细地解释本发明和本发明的进一步有利改进，其中：

图1示出了图解机器的纵向截面图，

图2为滑环本体的纵向截面图，

图3为滑环本体的局部透视图，

图4为滑环本体的进一步透视图，

图5为滑环系统的纵向截面图，

图6示出了滑环系统的纵向截面图以及冷却空气流的示意图示，以及

图7示出了开放式滑环系统的透视图。

具体实施方式

图1示意性地显示了电动机器24和壳体29的纵向截面图。定子25被插入壳体29中，该定子25具有位于定子25的叠压芯的凹槽(未详细示出)中的绕组系统26。通过绕组系统26在定子25的端部侧上形成绕组头部。具有绕组系统28的可旋转安装转子27通过空气间隙43与定子25间隔开，该绕组系统28同样在转子27的端部侧上构造有绕组头部。转子27通过轴承30和轴承板支撑在机器24的壳体29上。

通过馈线35连接至转子27的绕组系统28的滑环系统1位于电动机器24的轴向延伸部中以用于对转子27的电激励。在此，馈线35优选地在轴4的中空轴部分中延伸。

如从下图中还可以获得，滑环系统1具有容纳在滑环壳体17中的滑环本体2和电刷单元14。在此，滑环本体2具有滑环3，这些滑环轴向彼此前后设置并且在每种情况下通过绝缘部段7轴向间隔开。接地环6位于滑环本体2的一个端部侧上，并且绝缘环5位于滑环本体2的另一端部侧上。在每种情况下均电接触至分别关联的滑环3的接触销8轴向形成在该绝缘环5上。

电刷单元14定位于滑环壳体17中并且每个电相(即每个滑环3)均具有一个或多个电刷15，这些电刷15被分配至相应滑环3或接地环6。电刷15在每种情况下都设置在电刷保持器22中，这些电刷保持器也提供相应电接触装置。在此，每个滑环3的电刷15彼此相邻和/或彼此前后设置。

在示意性纵向截面图中，图2示出了滑环本体2，滑环3轴向彼此前后并由相应绝缘部段7间隔开。滑环3设置在绝缘套筒16上，该绝缘套筒设置在支撑结构41或轮毂上。支撑结构41处于与接地环6的相同电位。每个滑环3均电连接至一个或多个接触销8，因此，提供在相应滑环3的延伸表面10上的电能可以馈送至接触销8，以便从那里通过导体，特别是通过中空轴或中空轴部分的成股导体传导到转子27的绕组系统28。

在其面向轴4的径向内侧上，滑环本体2具有相对于限定其的端部部分12凹入的轴向部分，也即具有更大内部半径。在这些端部部分12中存在用作通气孔口或通风孔口的开口21。滑环本体2一位于轴4或中空轴上，则该相对更大内部半径就在支撑结构41的两个端部部分12之间产生腔体11，也即腔体11的可以构造为环或腹板的轴向边界元件之间。

图3从一个端部侧，更准确地从机器侧或轴承侧39示出了滑环本体2的局部透视图。在此，可以在滑环本体2的端部侧上看到接地环6及其通过绝缘部段7与滑环3的间隔。在这种情况下，还可以看到滑环3的延伸表面10，凹槽9位于延伸表面10上，这也允许滑环3的径向通风。开口13设置于接地环6上，该开口13允许空气经由端部部分或边界元件的开口21流入轴4和滑环本体2之间形成的腔体11。

图4从其滑环本体的另一端部侧，即连接器侧40示出了滑环本体3的透视图。接触销8从绝缘环5轴向形成，在这种情况下，每个电相或每个滑环3均被分配两个接触销8。一系列安装部段7和滑环3轴向相邻。轴向顺序由接地环6终止。各个滑环3的延伸表面10具有径向连续的凹槽9并且因此可以进一步冷却滑环3。此外，这些滑环3具有轴向开口，其同样有助于滑环3的冷却。无论如何或除此之外，绝缘部段7在径向外缘上呈叶片状构造，结果，在滑环本体2旋转的情况下产生空气紊流。

滑环本体2具有中心开口31，轴4、用于轴向中空轴部分的轴4或中空轴插入其中。该轴4固定连接至滑环本体2以用于共同旋转。经由接触销8以及连接至其的电馈线，转子27的绕组系统28经由轴4的中空轴部分或中空轴进行供电。

图5示出了具有滑环本体2和电刷单元14的滑环系统1的纵向截面图。滑环本体2固定定位在具有中空轴部分或中空轴的轴4上以用于共同旋转。呈成股连接器形式的馈线35从绝缘环5和设置在绝缘环5处的接触销8通过轴4的中空轴或中空轴部分布线至转子27的绕组系统28(在本图中未详细示出)。这些馈线35或者自由地位于中空轴中或者嵌入一种导热膏中以获得轴4的令人满意热接触。

由于然后构造在中空轴的外周向表面和滑环本体2的内表面之间的腔体11，因此实现经由端部部分12中的孔口21对滑环本体2从内侧进行冷却且对轴4进行冷却，端部部分12位于中空轴部分上并且尤其被构造为腹板。

在此，冷却尤其通过空气流实现，空气流是通过位于连接器侧40上的风扇装置19设置的。在此，风扇20将冷却空气流吸入或压入滑环壳体17中，该滑环壳体通过导向和引导装置对应设计而导向冷却空气流并将其导引至滑环系统1的热源上。

在这种情况下，风扇20尤其负责使冷却空气33通过腔体11。在此，来自周围区域(在风力发电机的情况下来自机舱)的空气被吸入并通过滑环系统1处的空气出口38再次输出。

图6示出了根据图5的冷却空气流33设置的路线。从图中可以看出，尤其地，去往通过腔体11引导的冷却空气33中的热输出34来自滑环3且也来自轴4且因此也来自于馈线35(成股导线或轨道系统)。

图7是滑环系统1从轴承侧39的透视图。在此，滑环壳体17示出为具有其用于使冷却滑环系统1成为可能的进气口18和出气口38。电刷单元14支撑在滑环壳体17中。滑环本体2及其滑环3定位为径向更远离内侧并定位于轴4或中空轴或中空轴部分上。接地环6具有开口13，冷却空气33然后可通过开口13经由端部部分12的孔口21引导至或引导出腔体11。滑环壳体17通过风扇单元19轴向相邻，该风扇单元19调节风扇20且也调节其冷却空气流的分布。

借助风扇20，加热空气然后从腔体11吸入并通过风扇盖36从滑环壳体17排出到外部。在此过程中，接触销8也被算在内。

因此，滑环系统1和整个电动机器24的温度可以显著降低。这使得滑环系统1的更小整体设计或者在整体设计相同的情况下实现更高电力水平。

除了腔体11的该冷却之外，对滑环系统1的额外冷却还可以通过延伸表面10的凹槽9和滑环3的轴向开口以及风扇状结构的绝缘部段7中实现。绝缘部段7和可能多个绝缘部段7的形状在此理想地形成了风扇，其被提供为将冷却空气流朝电动机器24的待冷却部分的方向进行分配。

具有滑环系统1的这种类型的电动机器24尤其被构造为双馈异步机器(ASM)，其优选用作风力发电设备中的功率范围在0.5至8MW之间的发电机。风力发电设备可以搭建在岸上或离岸搭建。

Claims (6)

1.电动机器(24)，特别是双馈异步机器(ASM)，其具有：

-定子(25)和转子(27)，所述转子固定设置在轴(4)上以用于共同旋转，所述定子和所述转子在每种情况下均具有一个绕组系统(26,28)，所述转子(27)的所述绕组系统(28)能够通过滑环系统(1)电接触，

-所述滑环系统(1)的电能传输单元，特别是电刷单元(14)，一个或多个电刷(15)被分配到每电相的滑环(3)，所述电刷(15)设置在电刷保持器(22)上，

-所述滑环系统(1)的滑环本体(2)，其具有滑环(3)，所述滑环轴向彼此前后设置、被分配到一个电相上、并以绝缘的方式彼此间隔开，所述滑环本体(2)固定连接至所述轴(4)以用于共同旋转并形成腔体(11)，所述腔体至少在所述滑环本体(2)的内侧和所述轴(4)之间的部段中在两侧上轴向打开，其特征在于，所述轴(4)至少在所述滑环系统(1)的区域内为中空轴，去往所述转子(27)的绕组系统(28)的馈线被布线在所述轴的中空轴部分中，所述中空轴部分被分配给所述滑环系统(1)，并且，凹部(孔口21)在轴向内侧设置于所述腔体(11)上且在轴向外侧设置于所述腔体上，冷却介质流能够通过所述凹部轴向引入所述腔体(11)中并能够排出至出口区域中，特别是风扇(20)的进气区域中。

2.如权利要求1所述的电动机器(24)，特别是双馈异步机器(ASM)，其特征在于，所述腔体(11)被构造成周向切口，结果，所述滑环本体(2)至少位于两个周向延伸边界元件(12)上，特别是环或腹板上，该两个周向延伸边界元件彼此轴向间隔开并具有孔口(21)。

3.如权利要求1或2所述的电动机器(24)，特别是双馈异步机器(ASM)，其特征在于，在所述腔体(11)的区域中，所述轴(4)在预定轴向长度上具有减小直径部分和/或所述滑环本体(3)具有加宽直径部分。

4.如权利要求1、2或3所述的电动机器(24)，特别是双馈异步机器(ASM)，其特征在于，所述腔体(11)具有在所述腔体(11)中形成迷宫状和/或蜿蜒结构的装置以增加所述冷却介质流，特别是空气流的停留时间。

5.如前述权利要求中任一项所述的电动机器(24)，特别是双馈异步机器(ASM)，其特征在于，所述空气流可以通过至少一个外部风扇或集成风扇产生。

6.一种风力发电设备，其具有如前述权利要求中任一项所述的电动机器(24)。