DE102006058911A1

DE102006058911A1 - Schleifringanordnung

Info

Publication number: DE102006058911A1
Application number: DE200610058911
Authority: DE
Inventors: Manfred Liebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: DE102006058911B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung (1) zur Übertragung elektrischer Energie auf ein Wicklungssystem eines Läufers einer elektrischen Maschine mit zumindest zwei voneinander isolierten Übertragungseinrichtungen, wobei die Übertragungseinrichtungen zumindest eine Bürste (2) und eine auf dieser schleifende Kontaktfläche (4) aufweist, wobei die Kontaktfläche (4) von zumindest zwei voneinander axial beabstandeten radialen Stegen gehalten ist und somit einen Hohlraum (6) bildet und diesen radial nach außen zur Bürst (2) abgrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Energie auf die Wicklung eines Läufers einer elektrischen Maschine.
Bei Schleifringläufermotoren und Läufer speisenden Generatoren für Windkraftanlagen werden zur Übertragung von elektrischer Energie auf den Rotor der elektrischen Maschine Schleifkontakte eingesetzt (Windkraft-Journal, Ausgabe 6/2001, 21. Jahrgang, Seite 43).
Diese Schleifkontakte werden durch Kohlebürsten, die auf Schleifringe aufgesetzt sind, gebildet. Die Bürsten einer solchen Schleifkontaktanordnung unterliegen einem ständigen Verschleiß, der sich in eine mechanische und eine elektrische Komponente aufteilt und von einer Vielzahl betrieblicher und klimatischer Parameter wesentlich beeinflusst wird. Durch die rotierenden Teile im Maschinenraum der Schleifringanordnung kommt es in diesem zu mehr oder weniger stark ausgeprägten Verwirbelungen, die dazu führen, dass sich der elektrisch leitende Bürstenstaub an vielen Stellen des Maschinenraums unerwünscht konzentriert ablagert.
Um u. a. zu verhindern, dass durch diese Ablagerungen die gegebenen Kriechstrecken zwischen Läuferkreis und Maschinenmasse in unzulässiger Weise unterschritten werden, müssen elektrische Maschinen mit Schleifringen in relativ kurzen Wartungsintervallen überprüft und gereinigt werden. Durch die so mit Kohlenstaub angereicherte Luft werden häufig die gegebenen Luftstrecken so stark beeinträchtigt, dass es zwischen den Phasen des Läuferkreises oder zwischen diesen und dem geerdeten Maschinengehäuse zu elektrischen Überschlägen kommt, die häufig Schäden u. a. an den Komponenten des Schleifringraums verursachen.
Aus diesem Grund und entsprechend der Schutzart der elektrischen Maschine wird bisher der Maschinenraum der Schleifringanordnung mit Durchzug belüftet oder durch gefilterte Umluft gekühlt. Daneben soll die Kühlung von Schleifringen und Kohlebürsten derart gestaltet sein, dass der Kühlluftstrom im Schleifringraum den Bürstenabrieb abführt, so dass sich lediglich ein Minimum an Ablagerungen an blanken Läuferpotential führenden Teilen ergibt,
Je vollständiger der leitfähige Bürstenabrieb entsorgt werden kann, desto höher ist die Betriebssicherheit der elektrischen Maschine bezüglich der Schleifringanordnung und desto länger kann das erforderliche Wartungsintervall angesetzt werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von mit Schleifring versehenen Generatoren in Windparks im Offshore-Bereich erforderlich.
Aus der DE 199 50 126 A1 ist eine Zuführeinrichtung für einen Fahrzeugwechselstromgenerator bekannt, bei dem Luft durch einen U-förmigen Luftkanal strömt und somit eine durch Abnutzung der Bürsten entstandenen Staub von den Schleifringen entfernt.
Aus der US 4,476,410 ist ebenfalls eine Schleifringanordnung bekannt, bei der der anfallende Staub von den Kontaktflächen abgesogen wird.
Nachteilig ist dabei jedoch, dass immer noch in einem hohen Maße Bürstenstaub in den Schleifringraum gelangt und zu Betriebsstörungen führt.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schleifringanordnung zu schaffen, die in effizienter Art und Weise eine Entsorgung des Abriebs schafft, und gleichzeitig eine erhöhter Betriebssicherheit aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Energie auf ein Wicklungssystem eines Läufers einer elektrischen Maschine mit zumindest zwei voneinander isolierten Übertragungseinrichtungen, wobei die Übertragungseinrichtungen zumindest eine Bürste und eine auf dieser schleifenden Kontaktfläche aufweist, wobei die Kontaktfläche von zumindest zwei voneinander axial beabstandeten radialen Stegen gehalten ist und somit einen Hohlraum bildet und diesen radial nach außen zur Bürste abgrenzt.
Erfindungsgemäß wird die Kontaktfläche von zwei im Wesentlichen scheibenförmigen Stegen getragen, die in ihrem Zwischenraum einen Hohlraum ausbilden. In diesen Hohlraum mündet zumindest eine durchgängige Nut bzw. ein Spalt der Kontaktfläche, so dass in Zusammenwirkung mit Luftleitelementen des Hohlraums ein Unterdruck im Bereich der Kontaktführung zwischen Bürste und Kontaktfläche entsteht, die gleichzeitig den anfallenden Abrieb absaugt, bevor dieser sich im Kontaktraum verteilen kann.
Vorteilhafterweise ist diese Nut in ihrem Verlauf über die Kontaktfläche wellenförmig geführt, so dass durch stetigen Wechsel des elektrischen Kontaktpunktes zwischen Kontaktfläche und Bürste ein Durchlegieren bevorzugter Strompfade vermieden wird.
Der in den Hohlraum abgesaugte Abrieb wird weiter in die Hohlwelle transportiert, wobei die Hohlwelle dabei über Segmentkanäle die Abriebablagerungen nach außen bzw. über einen Filter führt. Je nach Anzahl der dieser Schleifringanordnung angehörenden elektrischen Phasen münden mehr oder weniger voneinander isolierte Segmente in die Hohlwelle.
Vorteilhafterweise sind die Hohlräume mit Luftleitelementen versehen und des Weiteren befindet sich ein weiterer Lüfter auf der axial stirnseitigen von der elektrischen Maschine abgewandten Seite der Schleifringanordnung, um einen zusätzlichen Unterdruck aufzubauen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen; darin zeigen:
1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Schleifringanordnung,
2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schleifringanordnung,
3 eine Detaildarstellung der Kontaktflächen.
1 zeigt in einem Längsschnitt eine Schleifringanordnung 1 einer dreiphasigen Speisung einer nicht näher dargestellten Läuferwicklung einer elektrischen Maschine. Dabei erfolgt die Leistungsübertragung in die Läuferwicklung u. a. über die Bürsten 2 und die Kontaktfläche 4. Die Kontaktfläche 4 weist beispielhaft zwei Nuten 5 pro Phase auf, die in ihrem weiteren Verlauf in Umfangsrichtung wellenförmig ausgeführt sind, um somit einen stetigen Wechsel des elektrischen Kontaktpunktes zwischen Bürste 2 und Kontaktfläche 4 zu erhalten. Dabei wird das „Durchlegieren" bevorzugter Strompfade vermieden und die Bürsten 2 gleichmäßig abgenutzt. Diese Nuten 5 werden auch als Wendelnuten bezeichnet.
Die jeweiligen Kontaktflächen 4 werden von zwei stegförmig ausgebildeten elektrisch leitfähigen Elementen 10 gehalten, wobei sich zwischen diesen beiden stegförmigen Elementen 10 ein Hohlraum 6 ausbildet. Die stegförmigen Elemente 10 sind von den anderen stegförmigen Elementen der anderen Phasen durch Isolationselemente 3 voneinander beabstandet.
Erfindungsgemäß werden nunmehr in dem Hohlraum Leitelemente 7 vorgesehen, die in die Hohlwelle 11 münden. Durch die Leitelemente 7 entsteht in dem Hohlraum 6 ein Unterdruck, so dass der Abrieb zwischen Bürste 2 und Kontaktfläche 4 über die Nuten 5 sofort aus dem Schleifringraum abgezogen werden kann. Damit werden Ablagerungen im Schleifringraum vermieden, die eventuell zu Reduzierungen der Kriechstrecken zwischen Potential führenden Teilen führen könnten.
Bei mehreren Nuten pro Kontaktfläche 4 wird das mittlere Kontaktstück durch Stege an den anderen Kontaktstücken gehalten. Durch die nicht näher dargestellten Stege wir die Sogwirkung nicht beeinträchtigt.
Die Hohlwelle 11 ist durch einen vorzugsweise sternförmigen Einsatz 9 in einem Hohlzylinder 8 in Segmente 12 unterteilt, wobei die Segmente einer Phase von den anderen Segmenten und deren Phasen isoliert sind.
Bei dieser speziellen dreiphasigen Schleifringanordnung 1 weist nun jede Phase drei Segmente 12 auf, die um 120° versetzte Öffnungen 13 vorsehen. Somit kann der Abrieb zwischen Bürste und Kontaktfläche 4 ohne andere Phasen zu beeinträchtigen nach außen geführt werden.
Vorteilhafterweise befindet sich an der Stirnseite 14 der Schleifringanordnung 1 ein weiterer Lüfter, der den Unterdruck der Luftleitelemente 7 zusätzlich unterstützt. In einer weiteren Ausführungsform können die Luftleitelemente 7 komplett durch einen stirnseitig angeordneten Lüfter ersetzt werden.
2 zeigt in einem Querschnitt die Anordnung der Bürste 2 auf der Kontaktfläche 4 und die in dem gebildeten Hohlraum 6 angeordneten Luftleitelemente 7, die einen Unterdruck in dem Hohlraum 6 schaffen und so den Abrieb über die Öffnungen 13 des sternförmigen Einsatzes 9 abführen. Dabei reichen die Luftleitelemente 7 nicht bis zum Außendurchmesser der Hohlwelle 11. Lediglich das Luftleitelement 71 reicht bis zum Außendurchmesser der Hohlwelle 11, um somit die Staubförderung bis zur Öffnung 13 zu gewährleisten.
Die Segmente 12 einer Phase sind von anderen Segmenten der anderen Phasen vorzugsweise mechanisch und elektrisch isoliert aufgebaut, um so eine Diffusion von Abriebpartikeln in andere Phasen zu vermeiden.
3 zeigt in einer Detaildarstellung der 2 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schleifringanordnung 1. Dabei wird an den Bürstenhalterungen 16 eine isolierte Kammbürste 10 vorgesehen, die zum Abbremsen von tangential beschleunigten Verschleißpartikeln dient aufgrund der Bewegung der Kontaktflache 4 in Drehrichtung 15. Damit werden diese Verschleißpartikel in ihrer Bewegung gehemmt und es wird aufgrund der Nuten 5 und dem Unterdruck in dem Hohlraum 6 die Absaugung wesentlich erleichtert.
Derartige Schleifringanordnungen reduzieren die Wartungsintervalle und sind somit für Windenergieanlagen insbesondere im Offshore-Bereich einsetzbar.

Claims

Schleifringanordnung (1) zur Übertragung elektrischer Energie auf ein Wicklungssystem eines Läufers einer elektrischen Maschine mit zumindest zwei voneinander isolierten Übertragungseinrichtungen, wobei die Übertragungseinrichtungen zumindest eine Bürste (2) und eine auf dieser schleifenden Kontaktfläche (4) aufweist, wobei die Kontaktfläche (4) von zumindest zwei voneinander axial beabstandeten radialen Stegen gehalten ist und somit einen Hohlraum (6) bildet und diesen radial nach außen zur Bürste (2) abgrenzt.
Schleifringanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (4) zumindest eine radial durchgehende Nut (5) aufweist.
Schleifringanordnung (1) nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des gebildeten Hohlraums (6) Luftleitelemente (7, 71) vorhanden sind, die ein Absaugen von Bürsten- oder Kohlestaub durch die Nut (5) in den Hohlraum (6) gestatten.
Schleifringanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitelemente (7, 71) den Abrieb in eine Hohlwelle (11) weiterleiten.
Schleifringanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (11) pro Übertragungseinrichtung zumindest ein kanalförmiges Segments (12) aufweist.
Schleifringanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Bürstenhalterung (16) eine zusätzliche isolierte Kammbürste (10) angebracht ist, die dem Abbremsen der tangential beschleunigten Verschleißpartikel dient.
Elektrische Maschine mit einer Schleifringanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Maschine um einen Windkraftgenerator, insbesondere für Offshore-Windanlagen handelt.