DE102004005368B4

DE102004005368B4 - Anordnung zur Stromübertragung

Info

Publication number: DE102004005368B4
Application number: DE200410005368
Authority: DE
Inventors: Peter Zilch
Original assignee: Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH Germany
Current assignee: Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH Germany
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: DE102004005368A1

Abstract

Anordnung zur Stromübertragung zwischen von einer Hohlwelle (42) ausgehenden Schleifelementen (30, 32, 34) und Rotorwicklungen (14) einer elektrischen Maschine, insbesondere Generator z. B. einer Windkraftanlage, wobei Rotorwicklungen phasenmäßig mit Schleifelementen über innerhalb der Hohlwelle (42) verlaufenden elektrisch leitenden Verbindungen galvanisch verbunden sind, wobei die elektrisch leitende Verbindungen Profile (46, 48, 50) sind und die Hohlwelle (42) umfasst:
– einen Kern (60), von dem die Profile (46, 48, 50) aufgenommen und in dem die Profile vergossen sind,
– einen aus elektrisch isolierendem Material bestehenden ersten Hohlzylinder (62), der den Kern (60) umgibt, und
– einen aus Metall bestehenden zweiten Hohlzylinder (64), der den ersten Hohlzylinder (62) umgibt,
wobei der erste und der zweite Hohlzylinder (62, 64) von zu den Profilen (46, 48, 50) führenden Anschlussbolzen (16, 18, 19) durchsetzt sind, die ihrerseits von sich innerhalb des zweiten Hohlzylinders (64) erstreckenden Isolatoren (66, 68, 70) umgeben sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stromübertragung zwischen von einer Hohlwelle ausgehenden Schleifelementen und Rotorwicklungen einer elektrischen Maschine, insbesondere Generator z. B. einer Windkraftanlage, wobei Rotorwicklungen phasenmäßig mit Schleifelementen über innerhalb der Hohlwelle verlaufenden elektrisch leitenden Verbindungen galvanisch verbunden sind ( DE 43 33 094 A1 ).
Bekannte Asynchron-Generatoren, die insbesondere im Bereich der Windkraftgeneratoren zum Einsatz gelangen, werden als Schleifringgeneratoren ausgeführt. Dabei ist es erforderlich, dass die Rotorwicklungen mit den Schleifringen phasenmäßig galvanisch verbunden werden. Die Verbindung erfolgt vorwiegend über Kabel, die innerhalb der Generatorwelle, die als Hohlwelle ausgeführt ist, geführt und am Ende der Welle phasenmäßig an den jeweiligen Schleifringen kontaktiert werden. Motorraum und Schleifringraum sind durch ein Lager getrennt, das das rotierende Läuferpaket stützt. Somit sind die Ausleitungen unter dem Lager hindurchzuführen. Die Verwendung von Kabeln erfordert erheblichen Bauraum für den Schleifringraum, da diese am Ende der Welle noch genügend Platz für die erforderliche Spannungsfestigkeit benötigen. Auch sind die zur Einleitung in die Welle erforderlichen Nuten recht groß und schwachen die Stabilität der Welle.
Die Übertragung der Ströme von den Schleifelementen auf Kohlebürsten kann in einer Art erfolgen, wie diese der WO 02/063727 A3 zu entnehmen ist. Dabei sind die Schleifelemente als aus Kohlestoffmaterial bestehende oder dieses enthaltende Scheibenelemente ausgebildet.
Aus der DE 43 33 094 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer Hohlwelle bekannt, in der Rotorwicklungen und Schleifringe über in einer Hohlwelle verlaufende halbkreisförmige Kupferrohre verbunden sind, die von einem Kühlfluid durchströmt werden. Endseitig weisen die Kupferrohre Anschlussstücke auf, in die Zuleitungsbolzen einschraubbar sind, die mit den Schleifringen bzw. den Rotorwicklungen verbindbar sind. Die Kupferrohre sind von einem Rohr aus elektrisch isolierendem Material umgeben und gegeneinander über eine Isolierplatte elektrisch isoliert.
Bei einer Schleifringanordnung nach der US 5,327,037 A sind elektrische Anschlüsse mit eine Welle umgebenden die Schleifringe bildenden Metallringen verbunden, wobei der Zwischenraum zwischen den Metallringen und den elektrischen Anschlüssen mit einem isolierenden Kunststoff ausgefüllt wird.
Bei einer Schleifringanordnung nach dem DE 1 764 686 U verläuft innerhalb einer Bohrung einer Welle eine flexible Leitung. Um ein Einführen zu erleichtern, ist die Bohrung erheblich größer als der Querschnitt des Leiters. Der Zwischenraum wird nach Einführen des Leiters mit Gießharz ausgefüllt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ungeachtet des Erfordernisses zur Übertragung hoher Ströme der Durchmesser der die elektrisch leitenden Verbindungen aufnehmenden Hohlwelle verringert werden kann. Auch soll auf einfache Art eine sichere elektrische Isolierung gewährleistet sein.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Hohlwelle verwendet, innerhalb der die Profile wie Kupferprofile als die elektrisch leitenden Verbindungen verlaufen, um die Rotorwicklungen mit den Kohlenstoffscheiben bzw. -ringscheiben zu verbinden. Die Profile weisen einen hinreichenden Querschnitt zur Übertragung der Ströme auf. Die Profile selbst sind in der Welle eingegossen und von elektrisch isolierendem Material umgeben. Somit ergibt sich eine kompakte Baueinheit, wodurch bedingt der Wellendurchmesser reduziert werden kann.
Dies führt zu einer Lagerlebensdauererhöhung. Auch ergibt sich der Vorteil, dass die Baugröße des Raums, in dem die Schleifscheiben bzw. -ringe angeordnet sind, verringert wird, so dass insgesamt eine Gewichtsreduzierung des Generators gegeben ist.
Bevorzugterweise weist jedes Profil einen quaderförmigen Basisabschnitt und einen von diesem ausgehenden kernmittelachsennahen trapezoidförmigen Abschnitt auf, dessen kürzere Basis eine Breite aufweist, die in etwa Durchmesser des sich innerhalb des Kerns erstreckenden Abschnitts des Anschlussbolzens ist. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine optimale Stromübertragung bei kompaktem Aufbau, so dass in Folge dessen der Durchmesser der Welle im Vergleich zu bekannten Anordnungen reduziert werden kann. Hierdurch ist auch eine Lagerlebensdauererhöhung gegeben. Ferner kann die Baugröße des Schleifringraums verringert werden, wodurch wiederum eine Gewichtsreduzierung des Generators erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Generators, teilweise weggebrochen,
2 einen Querschnitt einer Generatorwelle mit Stromanschlussbolzen und
3 einen Abschnitt der Generatorwelle gemäß 1 im Längsschnitt.
Den Figuren sind rein prinzipiell Ausschnitte und Ausführungsformen von Windkraftgeneratoren zu entnehmen, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen soll. Hauptmerkmal sowohl bei den Darstellungen als auch den nachfolgenden Erläuterungen ist dabei die galvanische Verbindung von zwischen Rotorwicklungen und Schleifringen oder Schleifscheiben führenden Anschlüssen.
Wie der Prinzipdarstellung nach 1 zu entnehmen ist, umfasst der Generator 10 von Statorwicklungen 12 umgebene Rotorwicklungen 14, die über Stromanschlussbolzen 16, 18, 19 galvanisch mit Anschlüssen 20, 22 verbunden sind, die in einem Schleifringraum 24 enden und über Leitungsbolzen 26, 28 phasenmäßig mit Schleifringen 30, 32, 34 verbunden sind, auf denen sich zur Stromübertragung Kohlebürsten 36, 38, 40 abstützen.
Die galvanischen Verbindungen werden durch eine Rotorwelle 42 geführt, die zwischen dem Rotorraum 43 und dem Schleifringraum 24 über ein Lager 44 abgestützt ist. Die Verbindung verläuft über in der Welle 42 eingegossene Leiterprofile 46, 48, 50, die gegeneinander über aus elektrisch isolierendem Material bestehende Eingussmasse 52 galvanisch getrennt sind.
Die Profile 46, 48, 50, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, weisen entsprechend der Schnittdarstellung gemäß 2 einen quaderförmigen Basisabschnitt 54 mit sich anschließendem trapezoidförmigen Innenabschnitt 56 auf, dessen kürzere Basis der Wellenmittelachse zugewandt ist. Dabei weist die kürzere Basis des trapezoidfömigen Abschnitts 56 eine Breite auf, die gleich dem Durchmesser eines inneren Abschnittes 58 des Stromanschlussbolzens 16, 18, 19 ist.
Der die Profile 46, 48, 50 mit der Vergussmasse 52 aufnehmende Kern 60 der Welle 42 ist von einem aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Hohlzylinder 62 umgeben, der außenseitig seinerseits von einem aus Metall bestehenden Hohlzylinder 64 umschlossen ist, der gegenüber dem Lager 44 abgestützt ist.
Die Stromanschlussbolzen 16, 18, 19 sind in einen Isolierkörper 66, 68, 70 eingeschraubt und gegenüber diesen über nicht näher bezeichneten Tellerfedern abgestützt. Der jeweilige Isolierkörper 66, 68, 70 erstreckt sich seinerseits in dem äußeren Hohlzylinder 64 der Welle 42 und ist in diesem vorzugsweise eingeschraubt.
Schleifringraumseitig sind die die galvanischen Verbindungen herstellenden Profile 46, 48, 50 mit den Anschlussbolzen 20, 22 verbunden, die in gewohnter Weise über Stromverbindungsbolzen 26, 28 mit den Schleifringen 30, 32, 34 verbunden sind. Dabei kann eine Konstruktion gewählt werden, wie diese z. B. der DE 100 03 900 A1 oder der WO 02/063727 A3 zu entnehmen ist.
Das Profil 46, 48, 50 kann z. B. einen Querschnitt von in etwa 500 mm² aufweisen. Die Welle 42 selbst kann einen Durchmesser von 100 mm und der aus elektrisch isolierendem Material bestehende innere Hohlzylinder 62 einen Durchmesser von 65 mm aufweisen.

Claims

Anordnung zur Stromübertragung zwischen von einer Hohlwelle (42) ausgehenden Schleifelementen (30, 32, 34) und Rotorwicklungen (14) einer elektrischen Maschine, insbesondere Generator z. B. einer Windkraftanlage, wobei Rotorwicklungen phasenmäßig mit Schleifelementen über innerhalb der Hohlwelle (42) verlaufenden elektrisch leitenden Verbindungen galvanisch verbunden sind, wobei die elektrisch leitende Verbindungen Profile (46, 48, 50) sind und die Hohlwelle (42) umfasst: – einen Kern (60), von dem die Profile (46, 48, 50) aufgenommen und in dem die Profile vergossen sind, – einen aus elektrisch isolierendem Material bestehenden ersten Hohlzylinder (62), der den Kern (60) umgibt, und – einen aus Metall bestehenden zweiten Hohlzylinder (64), der den ersten Hohlzylinder (62) umgibt, wobei der erste und der zweite Hohlzylinder (62, 64) von zu den Profilen (46, 48, 50) führenden Anschlussbolzen (16, 18, 19) durchsetzt sind, die ihrerseits von sich innerhalb des zweiten Hohlzylinders (64) erstreckenden Isolatoren (66, 68, 70) umgeben sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile (46, 48, 50) Kupferprofile sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifelemente Schleifringe (30, 32, 34) sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile (46, 48, 50) jeweils aus einem quaderförmigen Basisabschnitt (54) und einem von diesem ausgehenden kernmittelachsennahen trapezoidförmigen Abschnitt (56) bestehen, dessen kürzere Basis eine Breite aufweist, die in etwa gleich dem Durchmesser eines sich innerhalb des Kerns (60) erstreckenden Abschnitts (58) des Anschlussbolzens (16, 18, 19) ist.