DE102006040262B3

DE102006040262B3 - Anordnung zur elektrischen Speisung mit parallel geschalteten Schleifkontaktelementen

Info

Publication number: DE102006040262B3
Application number: DE200610040262
Authority: DE
Inventors: Manfred Liebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-08-29

Abstract

Die Anordnung (1) dient zur elektrischen Speisung eines Läufers (2) einer elektrischen Maschine mittels mehrerer parallel geschalteter Schleifkontaktelemente (5, 6). Sie hat eine Anschlusseinheit (15), an die die Schleifkontaktelemente (5, 6) elektrisch angeschlossen sind, und voneinander getrennt ausgeführte Einzelstrompfade (13, 14), die zwischen der Anschlusseinheit (15) und jeweils einem der Schleifkontaktelemente (5, 6) verlaufen. Jeder Einzelstrompfad (13, 14) enthält einen dominanten ohmschen Vorwiderstand (RV1, RV2), dessen Widerstandswert größer ist als derjenige eines Übergangswiderstands (RÜ) des jeweils zugehörigen Schleifkontaktelements (5, 6). Dadurch werden eine Stabilisierung einer Gleichverteilung der Stromflüsse und als Folge davon höhere Standzeiten sowie niedrigere Ausfallwahrscheinlichkeiten erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Speisung eines Läufers einer elektrischen Maschine mittels mehrerer parallel geschalteter Schleifkontaktelemente.
Eine derartige Anordnung kommt beispielsweise bei einer als Schleifringläufermotor, als Gleichstrommotor, als Synchronmotor oder als Windkraftgenerator ausgebildeten elektrischen Maschine zum Einsatz. Bei den Schleifkontaktelementen kann es sich um Kohlebürsten handeln, die im Fall eines Gleichstrommotors am Läufer auf Kollektoren ansonsten auf Schleifringe aufgesetzt werden. Über die so gebildeten Schleifkontakte wird der für den Betrieb der jeweiligen elektrischen Maschine im Läufer benötigte Strom eingespeist.
Vor allem bei großen, leistungsstarken elektrischen Maschinen sind pro Läuferphase oft mehrere über den Umfang des Läufers verteilt angeordnete Schleifkontaktelemente vorgesehen, um dem Läufer genügend elektrische Energie zuzuführen. Diese Schleifkontaktelemente einer Läuferphase sind mittels mindestens einer Kontaktbrücke elektrisch parallel geschaltet und über elektrische Kabel an eine z. B. als Läufer-Klemmenkasten ausgebildete Anschlusseinheit angeschlossen.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine unterliegen die Schleifkontaktelemente einem mehr oder weniger starken Verschleiß. Außerdem kann es trotz einer sorgfältigen Material- und Komponentenauswahl immer wieder zu Fehlern oder sogar einem vorzeitigen Totalausfall eines oder mehrerer der Schleifkontaktelemente kommen, die kostenträchtige Stillstandzeiten und Service-Maßnahmen nach sich ziehen. Letztere können sehr aufwändig sein, insbesondere wenn es sich um einen vor der Küste („Off Shore") betriebenen und somit nur schwer zugänglichen Windkraftgenerator handelt.
In der CH 545 028 A , DE 933 041 A , DE 917 021 A , DE 1 463 972 A und der DE 25 45 983 A1 ist jeweils eine Anordnung zur elektrischen Speisung eines Läufers einer elektrischen Maschine mittels mehrerer parallel geschalteter Schleifkontakte beschrieben, wobei die Schleifkontakte mittels getrennt ausgeführter und Vorwiderstände umfassender Einzelstrompfade elektrisch angeschlossen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine niedrige Ausfallrate hat.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst eine Anschlusseinheit, an die die Schleifkontaktelemente elektrisch angeschlossen sind, und voneinander getrennt ausgeführte Einzelstrompfade, die zwischen der Anschlusseinheit und jeweils einem der Schleifkontaktelemente verlaufen, wobei jeder Einzelstrompfad einen dominanten ohmschen Vorwiderstand enthält, dessen Widerstandswert größer ist als derjenige eines Überganswiderstands des an den Einzelstrompfad angeschlossenen Schleifkontaktelements, und eine Schalteinheit vorgesehen ist, mittels derer die Einzelstrompfade und die daran angeschlossenen Schleifkontaktelemente elektrisch zu- und abschaltbar sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich zum einen durch die Einzeleinspeisung der Schleifkontaktelemente und zum anderen durch die in jedem Einzelstrompfad vorgesehenen vergleichsweise hochohmigen Vorwiderstände aus. Beim Stand der Technik wird dagegen anstelle der Einzelstrompfade eine gemeinsame Einspeisung mittels einer Bürstenbrücke verwendet.
Es wurde erkannt, dass die bei konventionellen Anordnungen immer wieder auftretenden Ausfälle der Schleifkontaktelemente maßgeblich auf eine ungleiche Stromverteilung in den parallel geschalteten Schleifkontaktelementen zurückzuführen ist.
Letztere stellt sich während des Betriebs auch dann ein, wenn die Schleifkontaktelemente nominell gleich dimensioniert sind. Die schädliche Strom-Ungleichverteilung wird durch zu große Komponenten-Streuungen und durch negative Temperaturkoeffizienten aufweisende Kontaktwiderstände zwischen Komponenten der Schleifkontaktelemente hervorgerufen. Der Überganswiderstand des Schleifkontaktelements wird entscheidend durch diese Kontaktwiderstände mit bestimmt.
Weitere Ursachen der Strom-Ungleichverteilung sind bei konventionellen Anordnungen die unterschiedlichen wirksamen Zuleitungswiderstände, die sich für die jeweiligen Schleifkon taktelemente aufgrund der gemeinsamen Einspeisung mittels der Bürstenbrücke ergeben. Deshalb liegt eine Strom-Ungleichverteilung entweder von Anfang vor oder sie kann sich ohne weiteres während des Betriebs einstellen. Dann führen einige der parallelen Schleifkontaktelemente mehr Strom als andere. Sie unterliegen somit einem stärkeren Verschleiß. Es resultieren eine ungleichmäßige Abnutzung und möglicherweise ein vorzeitiger Ausfall. Außerdem verstärkt sich die ungünstige Strom-Ungleichverteilung aufgrund der Kontaktwiderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten. Bei einem z. B. durch einen erhöhten Stromfluss hervorgerufenen Anstieg der Betriebstemperatur sinkt der Widerstandswert und der Stromfluss im ohnehin bereits überproportional belasteten Schleifkontaktelement steigt weiter an.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine derartige Strom-Ungleichverteilung (= Stromunsymmetrie) vermieden. Jedes Schleifkontaktelement wird gesondert mittels eines Einzelstrompfads gespeist, der jeweils einen dominanten Vorwiderstand umfasst. Die gesonderte Einspeisung gestattet eine sehr genaue Dimensionierung des jeweiligen Parallelzweigs von der Anschlusseinheit bis zum Läufer, so dass alle Parallelzweige untereinander möglichst gleich ausgelegt sind. Außerdem überdeckt der jeweilige Vorwiderstand die Einflüsse der zu ihm in Reihe liegenden Kontaktwiderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Der Vorwiderstand bestimmt den Stromfluss im jeweiligen Parallelzweig aus Einzelstrompfad und Schleifkontaktelement. So kann im Rahmen der anfänglichen Dimensionierung eine gleichmäßige Stromverteilung über alle Parallelzweige erreicht werden. Diese Gleichverteilung (= Stromsymmetrie) bleibt auch während des Betriebs erhalten, da die Vorwiderstände gegenüber den anderen Widerständen, vor allem den Kontaktwiderständen dominieren. Die Vorwiderstände haben insbesondere eine geringe Streuung und einen positiven Temperaturkoeffizienten. Sie stabilisieren die Stromsymmetrie. Insgesamt ergeben sich so ein niedriger Verschleiß und vor allem eine niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Überstrom bedingten Störungen wie z. B. Bürstenquellen. Die Betriebssicherheit steigt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der der Vorwiderstand jedes Einzelstrompfads durch den Innenwiderstand eines jeweils separaten Einzelkabels gebildet ist, das zugleich die elektrische Anschlussverbindung zwischen der Anschlusseinheit und dem jeweiligen Schleifkontaktelement herstellt. Dies ist eine besonders wirtschaftliche Realisierungsmöglichkeit für die Vorwiderstände. Die jeweils benötigten Widerstandswerte lassen sich sehr einfach über die Längen der Einzelkabel einstellen.
Vorzugsweise ist der Widerstandswert des Vorwiderstands weiterhin um einen Faktor von 8 bis 20 größer als der Widerstandswert des Überganswiderstands des jeweils zugehörigen Schleifkontaktelements. So ergibt sich eine besonders vorteilhafte Dominanz der Vorwiderstände. Der unerwünschte Einfluss der instabilen Überganswiderstände, eine Strom-Ungleichverteilung zu bewirken, wird so weitestgehend unterdrückt. Ein um den genannten Faktor größerer Widerstandswert des Vorwiderstands ist aber nur eine besonders günstige Variante. Grundsätzlich fördert nämlich jeder zusätzlich vorgesehene (ohmsche) Vorwiderstand die Stromsymmetrie. Insofern bietet auch ein Vorwiderstand, dessen Widerstandswert in etwa gleich groß ist wie der des Überganswiderstands, eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, der keine Strom symmetrierende Wirkung aufweist.
Gemäß einer anderen Variante weisen die Vorwiderstände der jeweiligen Einzelstrompfade zumindest teilweise voneinander abweichende Widerstandswerte auf. So können ansonsten z. B. konstruktions- oder betriebsbedingt auftretende Unterschiede in den Widerstandswerten der Parallelzweige weitestgehend ausgeglichen werden. Die unterschiedlichen Widerstandswerte der Vorwiderstände können z. B. durch unterschiedliche Leitungslängen eingestellt werden.
Insbesondere bei klimatisch exponierten elektrischen Maschinen, die auch im Teillastbereich betrieben werden, ist eine Schalteinheit vorgesehen mittels derer die Einzelstrompfade und die daran angeschlossenen Schleifkontaktelemente, insbesondere gruppenweise, elektrisch zu- und abschaltbar sind. Es wurde erkannt, dass bei kleinen Stromwerten, wie sie beispielsweise im Teillastbetrieb auftreten, die Neigung zu einer ungleichmäßigen Stromaufteilung auf die Parallelzweige steigt. Um dies zu vermeiden, kann mittels der Schalteinheit die Anzahl der zugeschalteten Einzelstrompfade (und damit der kompletten Parallelzweige) reduziert werden. Dann ist der Stromfluss in jedem aktiven Parallelzweig groß genug, um die Ausbildung von Stromunsymmetrien zu unterbinden. Um eine gleichmäßige Abnutzung der Schleifkontaktelemente sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Gruppen der zugeschalteten der Schleifkontaktelemente von Zeit zu Zeit zu variieren. Trotz des weiter bestehenden mechanischen Kontakts zum Läufer sinkt der Verschleiß erheblich, wenn das Schleifkontaktelement elektrisch abgeschaltet ist und kein Strom in diesem Parallelzweig fließt. Eine gezielte Zu- oder Abschaltung einzelner oder mehrerer der Schleifkontaktelemente ist beim Stand der Technik aufgrund der gemeinsamen elektrischen Zuführung mittels der Bürstenbrücke nicht möglich.
Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung ist eine Überwachungseinheit zur Erfassung von Betriebs- oder Umgebungsbedingungen vorgesehen, die mit der Schalteinheit in Verbindung steht, so dass die Einzelstrompfade in Abhängigkeit der erfassten Betriebs- oder Umgebungsbedingungen zu- und abschaltbar sind. Dann kann die Entscheidung, wie viele und welche der Einzelstrompfade betrieben werden, gezielt getroffen werden. Mögliche erfasste Größen sind neben dem Stromfluss die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit, die beide den Verschleiß mit bestimmen. Günstige Betriebswerte liegen für die Temperatur zwischen 60°C und 95°C, insbesondere bei etwa 70°C bis 80°C und für die absolute Luftfeuchte zwischen 8 g/m³ und 15 g/m³. Sollte die Überwachungseinheit eine sehr viel niedrigere Umgebungstemperatur detektieren, kann der Stromfluss durch Abschaltung einzelner Einzelstrompfade angehoben werden, um günstigere Betriebstemperaturen im Bereich des Übergangswiderstands zu erreichen.
Weiterhin können die Schleifkontaktelemente bevorzugt jeweils eine mehrteilige Schleifbürste, insbesondere eine Schichtbürste, mit einer in der Drehrichtung des Läufers vorgelagerten ersten Bürstenschicht und mit einer in der Drehrichtung des Läufers nachgelagerten zweiten Bürstenschicht umfassen, wobei die erste Bürstenschicht eine höhere Schmierfähigkeit aufweist als die zweite Bürstenschicht. Die erste Bürstenschicht kontaktiert den Schleifkörper des Läufers also vor der zweiten Bürstenschicht. Sie besteht insbesondere aus einem Material mit einem höheren Graphitanteil als die zweite Bürstenschicht, beispielsweise aus einem Elektro- oder Naturgraphit. Sie dient hauptsächlich zur Schmierung. Die zweite Bürstenschicht besteht dagegen aus einem Metallgraphit mit einem Metallanteil von vorzugsweise zwischen 20 % und 70 %. Sie ist zur eigentlichen Stromeinspeisung bestimmt. Der hohe Metallanteil führt zu einem hohen Reibkoeffizienten. Die mechanischen Abriebpartikel der in Drehrichtung voreilenden ersten Bürstenschicht bilden den Schmierstoff für die nachfolgende metallhaltigere zweite Bürstenschicht. Die zusätzlich vorgesehene schmierende erste Bürstenschicht erhöht die Laufruhe und trägt somit auch zur Stabilisierung der Stromsymmetrie bei.
Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der die Schleifkontaktelemente jeweils eine mehrteilige Schleifbürste mit mindestens zwei gegeneinander elektrisch isolierten Bürstenschichten umfassen. Die elektrische Isolation ist insbesondere senkrecht zur Stromflussrichtung vorgesehen. Das Schleif kontaktelement hat also voneinander getrennte Teilstrompfade, wodurch auch die interne Stromverteilung innerhalb eines Schleifkontaktelements vereinheitlicht wird. Es ergibt sich ein weitgehend homogen über den Querschnitt des Schleifkontaktelements verteilter Verschleiß. Dies steigert die Standzeit.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung haben die Schleifkontaktelemente jeweils eine in eine Halterung einsetzbare Schleifbürste, wobei aufgrund einer aufeinander abgestimmten Formgebung der Halterung und der Schleifbürste ein Einsetzen der Schleifbürste nur mit einer vorbestimmten Orientierung möglich ist. Die Verbindung zwischen der Halterung und der eingesetzten Schleifbürste ist insbesondere formschlüssig. Dadurch wird ein falsches Einsetzen verhindert. Insbesondere wird eine z. B. während einer Wartung neu eingesetzte Schleifbürste mit korrekter Orientierung in Bezug auf die Drehrichtung des Läufers eingesetzt. Dies ist insbesondere bei Schleifbürsten mit einer Vorzugsrichtung günstig. Eine mehrteilige Schleifbürste mit einer schmierenden erste Bürstenschicht und einer zweiten speisenden Bürstenschicht sollte insbesondere nur so in die Halterung eingesetzt werden können, dass die schmierenden erste Bürstenschicht vorgelagert ist, also den sich unter dem Kontaktelement hinweg bewegenden Schleifkörper des Läufers vor der zweiten Bürstenschicht kontaktiert.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur symmetrischen Stromeinspeisung in einen Läufer mittels parallel geschalteter Schleifkontaktelemente,
2 ein Ausführungsbeispiel einer als Teil eines der Schleifkontaktelemente gemäß 1 ausgebildeten und formschlüssig gehalterten Schleifbürste,
3 einen Querschnitt III–III durch die mehrteilige Schleifbürste gemäß 2, und
4 ein Ausführungsbeispiel einer Halterung zur formschlüssigen Aufnahme einer als Teil eines der Schleifkontaktelemente gemäß 1 ausgebildeten Schleifbürste in Draufsicht.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 1 zur symmetrischen Stromeinspeisung in einen Schleifkörper 2 eines Läufers einer nicht näher gezeigten elektrischen Maschine dargestellt. Die elektrische Maschine ist im Ausführungsbeispiel ein Windkraftgenerator für eine große Leistung von insbesondere mindestens 1 MW. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine auch als Antriebsmotor einer Zementmühle ausgebildet sein. Der Schleifkörper 2 des Läufers ist beispielsweise ein Schleifring/Kommutator. Der Läufer mit dem darauf angeordneten Schleifkörper 2 ist um eine Drehachse 3 drehbar gelagert. Während des Betriebs dreht er sich in eine Drehrichtung 4.
Zur Stromeinspeisung sind pro Läuferphase mehrere in Umfangsrichtung am Läufer verteilt angeordnete Schleifkontaktelemente vorgesehen, von denen in 1 exemplarisch zwei dargestellt sind. Sie sind mit den Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnet.
Die Schleifkontaktelemente 5 und 6 setzen sich im Ausführungsbeispiel aus mehreren Einzelkomponenten zusammen. Neben einer den Schleifkörper 2 des Läufers mechanisch und elektrisch kontaktierenden Schleifbürste 7 bzw. 8 sind eine an die Schleifbürste 7 bzw. 8 angeschlossene Bürstenlitze 9 bzw. 10 und am von der Schleifbürste 7 bzw. 8 abgewandten Ende der Bürstenlitze 9 bzw. 10 ein Kabelschuh 11 bzw. 12 vorhanden.
Die Schleifkontaktelemente 5 und 6 sind separat mittels Einzelkabeln 13 bzw. 14 an eine als Läufer-Klemmenkasten ausgeführte Anschlusseinheit 15 elektrisch angeschlossen. An ihrem von der Anschlusseinheit 15 abgewandten Ende sind die Einzelkabel 13 und 14 mechanisch und elektrisch mit den Kabelschuhen 11 bzw. 12 der Schleifkontaktelemente 5 bzw. 6 verbunden. Die Einzelkabel 13 und 14 bilden jeweils einen Einzelstrompfad, der zur Zuführung von elektrischem Strom in das jeweilige Schleifkontaktelement 5 bzw. 6 bestimmt ist.
Insgesamt sind also zwischen der Anschlusseinheit 15 und dem Schleifkörper 2 des Läufers mehrere Ströme einspeisende, elektrisch parallel zueinander geschaltete Zweige angeordnet. Hiervon sind im Ausführungsbeispiel nur zwei Parallelzweige 16 und 17 wiedergegeben. Sie umfassen jeweils eines der Einzelkabel 13 bzw. 14 und das zugehörige Schleifkontaktelement 5 bzw. 6.
Die Anschlusseinheit 15 umfasst eine Schalteinheit 18, mittels derer die Parallelzweige 16 und 17 einzeln oder in Gruppen zu- oder abgeschaltet werden können. Die Schalteinheit 18 steht in Verbindung mit einer Steuereinheit 19, die u.a. die entsprechenden Schaltbefehle generiert und an die Schalteinheit 18 weiter leitet. An die Steuereinheit 19 ist außerdem auch eine Überwachungseinheit 20 zur Erfassung von Betriebs- oder Umgebungsbedingungen angeschlossen. Die Überwachungseinheit 20 erfasst im Ausführungsbeispiel die Umgebungstemperatur und den Lastzustand der elektrischen Maschine. Dazu enthält sie mindestens einen nicht näher gezeigten Temperatursensor und eine Teileinheit zur Überwachung oder Erfassung eines Läuferstroms. Grundsätzlich kann die Überwachungseinheit 20 auch zur Erfassung weiterer Messgrößen, wie z. B. der Feuchtigkeit der Umgebungsluft, ausgelegt sein.
Die Schleifkontaktelemente 5 und 6 haben jeweils einen elektrischen Übergangswiderstand R_Ü, wobei deren Widerstandswerte von Schleifkontaktelement zu Schleifkontaktelement variieren können. In 1 ist der Übergangswiderstand R_Ü beispielhaft für das Schleifkontaktelement 5 eingetragen. Die Widerstände der Einzelkabel 13 und 14 sind in 1 ebenfalls mit eingetragen und als Vorwiderstände R_V1 bzw. R_V2 bezeichnet. In jedem der Parallelzweige 16 und 17 dominiert der jeweilige Vorwiderstand R_V1 bzw. R_V2, d.h. sein Wert ist jeweils deutlich größer als derjenige des Übergangswiderstands R_Ü des zugehörigen Schleifkontaktelements dieses Parallelzweigs.
Vorzugsweise haben die Vorwiderstände R_V1 und R_V2 ohmsches Verhalten mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und außerdem eine sehr geringe Streuung ihres jeweiligen Widerstandswerts. Die technisch wirksame Streuung resultiert dabei hauptsächlich aus der fertigungsbedingten Toleranz der Längen der Einzelkabel 13 und 14. Der positive Temperaturkoeffizient ist beim Ausführungsbeispiel der von Kupfer-Material, da die Einzelkabel 13 und 14 insbesondere aus diesem Material gefertigt sind.
Die dominanten Vorwiderstand R_V1 und R_V2 lassen sich besonders effizient als die Leitungswiderstände der Einzelkabel 13 und 14 realisieren. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Parallelzweige 16 und 17 könnten ebenso mit zusätzlichen gesonderten Widerstandsbauteilen versehen sein, um die gewünschten hohen Widerstandswerte zu realisieren.
Im Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der Anordnung 1 beschrieben.
Der Übergangswiderstand R_Ü setzt sich aus mehreren Teilwiderständen zusammen, die ebenfalls in 1 angegeben sind. Es handelt sich um einen Stromseilwiderstand R_S, einen Kontaktwiderstand R_F zwischen der jeweiligen Bürstenlitze 9 bzw. 10 und der jeweiligen Schleifbürste 7 bzw. 8, einen Bürstenwiderstand R_B der jeweiligen Schleifbürste 7 bzw. 8 und einen Kontaktwiderstand R_C zwischen der jeweiligen Schleifbürste 7 bzw. 8 und dem Schleifkörper 2 des Läufers. Diese Widerstände R_S, R_F, R_B und R_C sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Der Stromseilwiderstand R_S setzt sich seinerseits aus mehreren Teilwiderständen zusammen. Er beschreibt den Kontaktwiderstand zwischen dem jeweiligen Einzelkabel 13 bzw. 14 und dem jeweiligen Kabelschuh 11 bzw. 12, den Kabelschuhwiderstand des jeweiligen Kabelschuhs 11 bzw. 12, den Kontaktwiderstand zwischen dem jeweiligen Kabelschuh 11 bzw. 12 und der jeweiligen Bürstenlitze 9 bzw. 10 und den Litzenwiderstand der jeweiligen Bürstenlitze 9 bzw. 10.
Während einige der genannten Widerstände ohmsches Verhalten mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, zeigen andere ein hiervon deutlich abweichendes Verhalten. Insbesondere die aufgezählten Kontaktwiderstände sind keine ohmschen Außerdem haben sie einen negativen Temperaturkoeffizienten. Dies gilt vor allem für den Kontaktwiderstand R_C, der den insgesamt erfassbaren Übergangswiderstand R_Ü zu einem wesentlichen Anteil, nämlich zu etwa 80 % bis 85 %, bestimmt. Der Kontaktwiderstand R_C unterliegt konstruktiven, betrieblichen und klimatischen Störgrößen. Seine Streuung ist sehr groß und sein Temperaturkoeffizient stark negativ ausgeprägt.
Dadurch kann es während des Betriebs zu erheblichen Abweichungen zwischen den Übergangswiderstandswerten der einzelnen Schleifkontaktelemente kommen. In Verbindung mit der beim Stand der Technik zur Einspeisung anstelle der Einzelkabel verwendeten Bürstenbrücke, die weitere Widerstandsunterschiede in den Teileinspeisepfaden der Schleifkontaktelemente hervorruft, stellt sich somit eine ungleichmäßige Stromverteilung auf die verschiedenen Schleifkontaktelemente ein. Die negativen Temperaturkoeffizienten verstärken eine derartige Stromunsymmetrie, wenn sie sich erst einmal ausgebildet hat. Die Ungleichverteilung der Stromflüsse führt zu einer überproportionalen Belastung einzelner Schleifkontaktelemente und zumindest zu einem ungleichmäßigen Verschleiß, im Extremfall sogar zum Ausfall dieser Schleifkontaktelemente, z. B. durch Überstrom bedingtes Bürstenquellen.
Um dies zu vermeiden und insbesondere auch um eine Stabilisierung einer Stromgleichverteilung (= Stromsymmetrie) zu erreichen, sind bei der Anordnung 1 anstelle einer gemeinsamen Stromzuführung in Form einer Bürstenbrücke die Einzelkabel 13 und 14 mit den hohen Vorwiderständen R_V1 bzw. R_V2 vorgesehen. Dies ermöglicht eine sehr genaue und spezifische Anpassung an das jeweils angeschlossene Schleifkontaktelement 5 bzw. 6 und dessen Anschluss- und Einbaugegebenheiten. Insgesamt ergibt sich so eine deutliche Reduzierung der Streubreite. Dies stabilisiert die Stromgleichverteilung.
Außerdem bewirken die dominanten Vorwiderstände R_V1 und R_V2, dass etwaige Unterschiede in den Übergangswiderstandswerten der Schleifkontaktelemente 5 bzw. 6 keine maßgebliche Rolle mehr spielen. Das Widerstandsverhalten in den Parallelzweigen 13 und 14 wird jeweils praktisch ausschließlich durch die Vorwiderstände R_V1 und R_V2 bestimmt. Der Vorwiderstand R_V1 oder R_V2 und der im Widerstandwert sehr viel kleinere Übergangswiderstand R_Ü sind in Reihe geschaltet. Da die Vorwiderstände R_V1 und R_V2 als ohmsche Leitungswiderstände der Einzelkabel 13 bzw. 14 sehr genau und mit geringer Streuung ausgelegt werden können, stabilisiert dies die Stromgleichverteilung erheblich. So sinkt die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund eines ungleichmäßigen Verschleißes. Die Standzeiten steigen und die Wartungsintervalle können verlängert werden.
Die einzelne Einspeisung der Schleifkontaktelemente 5 und 6 ermöglicht aber auch erstmals ein gezieltes Zu- und Abschalten einzelner oder mehrerer der Schleifkontaktelemente 5 und 6. Dies erfolgt mittels der Schalteinheit 18. Dadurch kann der Betrieb der elektrische Maschine verbessert werden.
Gerade bei einem Windkraftgenerator kann es abhängig von den aktuell herrschenden Windverhältnissen des öfteren zu einem Teillastbetrieb mit niedrigen Läufereinspeiseströmen kommen. Bei diesen niedrigen Stromwerten steigt die Neigung zu einer ungleichmäßigen Stromaufteilung auf die Parallelzweige 16 und 17. Deshalb ist es günstiger, einige der Parallelzweige 16 und 17 mittels der Schalteinheit 18 abzuschalten, um die verbleibenden der Parallelzweige 16 und 17 bei höheren Stromstärken zu betreiben. Um eine ungleichmäßige Abnutzung zu vermeiden, können die Gruppen der zu- und abgeschalteten Parallelzweige 16 und 17 abgewechselt werden.
Außerdem kann die Zu- und Abschaltung einzelner der Parallelzweige 16 und 17 auch von weiteren mittels der Überwachungseinheit 20 erfassten Messgrößen, wie z. B. der Umgebungstemperatur, abhängig gemacht werden. Diese Einbindung erfolgt über die Steuereinheit 19, an die die Überwachungseinheit 20 die erfassten Messwerte überträgt und die diese Informationen bei den an die Schalteinheit 18 übermittelten Schaltentscheidungen mit berücksichtigt.
Neben dem Einzelanschluss der Schleifkontaktelemente 5 und 6 mittels der vergleichsweise hochohmigen Einzelkabel 13 bzw. 14 sind weitere optionale Maßnahmen zur Stabilisierung der Stromsymmetrie vorgesehen. Letztere wird nämlich durch eine Vielzahl verschiedener Einzelfaktoren beeinflusst.
In 2 und 3 sind weitere stabilisierende Maßnahmen dargestellt. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer als Teil eines der Schleifkontaktelemente 5 und 6 gemäß 1 ausgebildeten Schleifbürste 21, die in eine Halterung 22 eingesetzt ist. Die Schleifbürste 21 ist gegenüber der Oberflächennormalen 23 der lokalen Kontaktfläche 24 des Schleifkörpers 2 geneigt angeordnet. Dies erhöht die Laufruhe. Schwankungen einzelner Kontaktwiderstände R_C, die ansonsten durch ein unregelmäßiges Laufverhalten hervorgerufen werden könnten, und als Folge davon Verschiebungen der Stromsymmetrie werden so vermieden.
Wie anhand der Querschnittsdarstellung gemäß 3 ersichtlich, ist die Schleifbürste 21 mehrteilig und hat insbesondere in Bezug auf die Drehrichtung 4 des Läufers eine Vorzugsorientierung. Im hinsichtlich der Drehrichtung 4 vorderen oder vorgelagerten Bereich, der zuerst mit dem rotierenden Schleifkörper 2 des Läufers in Kontakt kommt und der in 3 links dargestellt ist, hat die Schleifbürste 21 eine schmierende Bürstenschicht 25 aus Elektrographit. Dem schließt sich ein zweiter nachgelagerter Bereich mit mehreren stromübertragenden Bürstenschichten 26 aus Metallgraphit an. Zwischen den Bürstenschichten 26 ist eine elektrische Isolierung 27 vorgesehen.
Der Abrieb der vorgelagerten Bürstenschicht 25 dient den nachgelagerten Bürstenschichten 26, die aufgrund des höheren Metallanteils einen größeren Reibkoeffizienten haben, als Schmiermittel. Dies erhöht die Laufruhe und stabilisiert auch die Stromsymmetrie.
Die Aufteilung des zweiten Bereichs in mehrere elektrisch voneinander isolierte Bürstenschichten 26 dient einer Vereinheitlichung des internen Stromflusses innerhalb der Schleifbürste 21. So wird erreicht, dass sich der Strom möglichst gleichmäßig auf die durch die Bürstenschichten 26 gebildeten Teilbereiche aufteilt. Auch dies ist also eine Maßnahme zur Stabilisierung der Stromsymmetrie.
Gemäß 2 hat die Schleifbürste 21 eine Längsnut 28, in die ein korrespondierender Längssteg 29 der Halterung 22 bei eingesetzter Schleifbürste 21 eingreift. Durch diese aufeinander abgestimmte Formgebung der Schleifbürste 21 und der Halterung 22 kann die Schleifbürste 21 nur mit korrekter Orientierung bezüglich der Drehrichtung 4 eingesetzt werden. Diese formschlüssige Verbindung gewährleistet, dass die Schleifbürste 21 nur entsprechend ihrer Vorzugsorientierung montiert werden kann. Grundsätzlich kann auch eine andere abgestimmte Formgebung als die in 2 gezeigte Nut-Steg-Kombination gewählt werden.
Ein derartiges weiteres Beispiel ist in 4 gezeigt, wobei lediglich eine über dem Schleifkörper 2 angeordnete unbestückte Halterung 30 in Draufsicht dargestellt ist. Die Halterung 30 hat einen zur formschlüssigen Aufnahme einer Schleifbürste bestimmten Bürstenschacht 31 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt. In Abweichung von der exakten Rechteckform weist das Querschnittsprofil an einer Ecke eine Abschrägung 32 auf, die mit einer entsprechenden Anfasung an der nicht gezeigten Schleifbürste korrespondiert. So wird auch bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass die Schleifbürste nur mit korrekter Orientierung in den Bürstenschacht 31 der Halterung 30 eingesetzt werden kann.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 4 ist die Bürstenschicht 25 aufgrund der speziell aufeinander abgestimmten Formgebung von Schleifbürste 21 und Halterung 22 bzw. 30 also tatsächlich immer vorgelagert und kontaktiert den Schleifkörper 2 des Läufers an der Kontaktfläche 24 wie beabsichtigt vor den Bürstenschichten 26. Ohne die günstige formschlüssige Verbindung könnte es zu Fehlmontagen kommen, so dass die Bürstenschichten 26 ohne Schmierung betrieben würden. Die Folge wären ein unruhigeres Laufverhalten mit einem höheren Verschleiß und eine Neigung zur Ausbildung von Stromunsymmetrien.

Claims

Anordnung zur elektrischen Speisung eines Läufers einer elektrischen Maschine mittels mehrerer parallel geschalteter Schleifkontaktelemente (5, 6) umfassend a) eine Anschlusseinheit (15), an die die Schleifkontaktelemente (5, 6) elektrisch angeschlossen sind, und b) voneinander getrennt ausgeführte Einzelstrompfade (13, 14), die zwischen der Anschlusseinheit (15) und jeweils einem der Schleifkontaktelemente (5, 6) verlaufen, wobei c) jeder Einzelstrompfad (13, 14) einen dominanten ohmschen Vorwiderstand (R_V1, R_V2) enthält, dessen Widerstandswert größer ist als derjenige eines Übergagswiderstands (R_Ü) des an den Einzelstrompfad (13, 14) angeschlossenen Schleifkontaktelements (5, 6), und d) eine Schalteinheit (18), mittels derer die Einzelstrompfade (13, 14) und die daran angeschlossenen Schleifkontaktelemente (5, 6) elektrisch zu- und abschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand (R_V1, R_V2) jedes Einzelstrompfads durch ein separates Einzelkabel (13, 14) gebildet ist, das zugleich die elektrische Anschlussverbindung zwischen der Anschlusseinheit (15) und dem jeweiligen Schleifkontaktelement (5, 6) herstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Vorwiderstands (R_V1, R_V2) um einen Faktor von 8 bis 20 größer ist als der Widerstandswert des Überganswiderstands (R_Ü) des jeweils zugehörigen Schleifkontaktelements (5, 6).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwiderstände (R_V1, R_V2) der jeweiligen Einzelstrompfade (13, 14) zum Ausgleich konstruktionsbedingter Asymmetrien zumindest teilweise voneinander abweichende Widerstandswerte aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schalteinheit (18) die Einzelstrompfade (13, 14) und die daran angeschlossenen Schleifkontaktelemente (5, 6) gruppenweise elektrisch zu- und abschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (20) zur Erfassung von Betriebs- oder Umgebungsbedingungen vorgesehen ist, die mit der Schalteinheit (18) in Verbindung steht, so dass die Einzelstrompfade (13, 14) in Abhängigkeit der erfassten Betriebs- oder Umgebungsbedingungen zu- und abschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkontaktelemente (5, 6) jeweils eine mehrteilige Schleifbürste (21) mit einer in einer Drehrichtung (4) des Läufers vorgelagerten ersten Bürstenschicht (25) und mit einer in der Drehrichtung des Läufers nachgelagerten zweiten Bürstenschicht (26) umfassen, wobei die erste Bürstenschicht (25) eine höhere Schmierfähigkeit aufweist als die zweite Bürstenschicht (26).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkontaktelemente (5, 6) jeweils eine mehrteilige Schleifbürste (21) mit mindestens zwei gegeneinander elektrisch isolierten Bürstenschichten (26) umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkontaktelemente (5, 6) jeweils eine in eine Halterung (22; 30) einsetzbare Schleifbürste (21) umfassen, wobei aufgrund einer aufeinander abgestimmten Formgebung der Halterung (22; 30) und der Schleifbürste (21) ein Einsetzen der Schleifbürste (21) nur mit einer vorbestimmten Orientierung möglich ist.