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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Schleifring, der koaxial mit dem Rotor angeordnet und an diesem befestigt ist, einer Hülse oder einem Schleifringlüfter, die/der koaxial mit dem Schleifring angeordnet und an diesem befestigt ist, einer Anschlusseinrichtung, die mit dem Schleifring elektrisch und mechanisch verbunden ist und in axialer Richtung radial innerhalb der Hülse/des Schleifringlüfters aus dem Schleifring ragt, und einer Stromleiteinrichtung, mit der Strom von dem Rotor in den Schleifring leitbar und die an die Anschlusseinrichtung angeschlossen ist.
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Unter elektrischen Maschinen werden hier insbesondere Motoren und Generatoren verstanden. Speziell werden bei Windkraftanlagen Generatoren eingesetzt, bei denen hohe Fliehkräfte am Rotor auftreten. Diese Problematik ergibt sich aber auch bei anderen rotierenden elektrischen Maschinen großer Bauart und/oder hoher Drehzahl.
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Durch Kosten- und Bauraumoptimierung von Windkraftanlagen werden Generatoren und ihre Komponenten immer kompakter. Die Rotorströme der Generatoren müssen von der Rotorwicklung abgeleitet und an den Schleifring angeschlossen werden. Hierzu werden Litzen mit hohen Querschnitten (z.B. größer 90 mm2) verwendet. Bei der Drehung des Rotors entstehen dann entsprechend hohe Fliehkräfte. Diesen Kräften muss nicht nur bei Nenndrehzahl des Rotors, sondern auch bei etwaigen Überdrehzahlen entgegengewirkt werden. Bei hohen Drehzahlen besteht insbesondere die Gefahr, dass die Fliehkraft, hervorgerufen durch die freien Massen der „großen“ Litzen, die Anschlussbolzen an dem Schleifring des Rotors beschädigt. Die Folge wären hohe Schäden und hohe Reparaturkosten, welche es zu vermeiden gilt.
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Bisher wurden bis zu gewissen Stromstärken Litzen mit geringem Querschnitt verwendet. Hierbei sind die frei drehenden Massen gering und daher unbedenklich. Die Schleifring-Anschlussbolzen können diese Kräfte aufnehmen. Ab einer gewissen Stromstärke wurde bislang eine drehzahlfeste, kostenintensive Hochstromdurchführung verwendet.
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Aus der gattungemäßen Druckschrift
FR 2 969 839 A1 geht eine elektrische Maschine mit einem Rotor hervor, wobei der Rotor einen Schleifring, einen Lüfter, der koaxial mit dem Schleifring angeordnet ist und eine Anschlusseinrichtung aufweist, die mit dem Schleifring elektrisch und mechanisch verbunden ist.
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Aus der Druckschrift
CH 402 145 A ist eine elektrische Maschine mit einem Läufer bekannt, wobei der Läufer einen axialen Kanal aufweist, in dem ein elektrischer Leiter angeordnet ist. Zudem ist ein Querleiter vorgesehen, der sich diametral zu dem Läufer durch die Bohrung des Ansatzes erstreckt und mit einem oder mehreren zu der verjüngten Bohrung oder dem verjüngten Teil der Bohrung komplementären, verjüngten Teilen versehen ist. Die aus dem Ansatz und dem Querleiter bestehende Anordnung ist statisch und dynamisch ausgewuchtet, sodass im Betrieb die auf den Ansatz und den Querleiter wirkenden Fliehkräfte einander ausgleichen.
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Aus der Druckschrift
GB 594 866 A geht eine Schleifringanordnung einer elektrischen Maschine hervor. Dabei weist die Anordnung eine Vielzahl konzentrischer Rohre auf, welche aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Ein Ende der zylindrischen Oberfläche bildet dabei die Bürstenoberfläche.
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Die Druckschrift
EP 2 426 793 A1 beschreibt ein Schleifring-Bürsten-System für einen stromerregten Synchronmotor. Jede der Bürsten steht mit je einem der Schleifringe in einer signal- bzw. stromübertragenden Gleit-Reibverbindung. Die Schleifringe sind dabei mit einer zusätzlichen Leiterplatte und einer isolierenden Umhüllung zu einer integrierten Schleifringeinheit vereinigt, in welcher die Schleifringe koaxial und voneinander mit einem radialen, elektrisch isolierenden Abstand angeordnet sind.
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Aus der
DE 1 292 742 A ist eine Kurzschließeinrichtung für einen Drehstrommotor hoher Leistung bekannt. Bei dieser sind eine Vielzahl von ringförmig angeordneten, federnden Einzelkontakten und eine diesen koaxial zugeordnete, als zu den Schleifringen gleichachsiger Innenzylinder ausgebildete Kontaktbahn durch Axialverschiebung miteinander in kontaktgebenden Eingriff bringbar.
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In der
DE 694 10 200 T2 ist ein Kollektor für einen Wechselstromgenerator beschrieben. Der Wechselstromgenerator weist eine Welle, einen zylindrischen ersten Teil, der an seiner Außenfläche zwei Schleifringe umfasst, einen zweiten Teil, der zwei Anschlusselemente für die Drahtenden einer Wicklung umfasst und einen Zwischenteil für die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teil auf, der zwei Arme umfasst, die jeweils aus einem leitenden Teil für die Verbindung zwischen Ring und Anschlusselement bestehen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, deren Anschlüsse auch bei hohen Fliehkräften standhalten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Rotor, welcher Rotor aufweist:
- - einen Schleifring,
- - eine Hülse oder einen Schleifringlüfter, die/der koaxial mit dem Schleifring angeordnet und an diesem befestigt ist,
- - eine Anschlusseinrichtung, die mit dem Schleifring elektrisch und mechanisch verbunden ist und in axialer Richtung radial innerhalb der Hülse/des Schleifringlüfters aus dem Schleifring ragt, und
- - eine Stromleiteinrichtung, mit der Strom von einer Wicklung des Rotors in den Schleifring leitbar und die an die Anschlusseinrichtung angeschlossen ist,
sowie mit
- - einer Stützscheibe, die radial zwischen der Anschlusseinrichtung und/oder der Stromleiteinrichtung einerseits und der Hülse/dem Schleifringlüfter andererseits angeordnet ist, so dass die Anschlusseinrichtung durch die Stützscheibe in radialer Richtung an der Hülse/dem Schleifringlüfter abgestützt ist.
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In vorteilhafter Weise wird also die Anschlusseinrichtung des Rotors mithilfe einer Stützscheibe radial gegen Fliehkräfte an einem Schleifringlüfter oder einer Hülse des Rotors abgestützt. Dies hat den Vorteil, dass der Schleifringlüfter auf einfache Weise mit einer zusätzlichen Funktionalität, nämlich der des Abstützens, versehen werden kann. Das Mittel zum Abstützen ist eine einfache Stützscheibe, die sich in der Regel leicht in den Schleifringlüfter bzw. die Hülse einfügen lässt.
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Vorzugsweise besitzt die Anschlusseinrichtung einen elektrisch leitenden Bolzen, dessen Ende aus dem Schleifring ragt und an dem die Stromleiteinrichtung befestigt ist. Ein derartiger Bolzen kann entsprechend dimensioniert werden, sodass er sowohl die üblicherweise auftretenden mechanischen Kräfte im Wesentlichen aufnimmt als auch die ausreichende elektrische Qualität der Stromführung für den Rotor besitzt.
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Speziell kann der Schleifring an seiner Stirnseite einen elektrisch isolierenden Außenring aufweisen, durch den der Bolzen hindurchragt und der den Bolzen radial stützt. Ein derartiger Außenring kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen und den Bolzen gegebenenfalls auch vollumfänglich stützen. Er sorgt dabei gleichzeitig für eine entsprechende Isolierung gegenüber anderen Anschlusseinrichtungen bzw. Stromleitern.
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In einer Ausgestaltungsform weist der Rotor eine Welle auf, auf die der Schleifring montiert ist. Damit lässt sich der Schleifring verhältnismäßig einfach, z.B. durch Stecken, montieren.
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Speziell kann es sich bei der Welle um eine Hohlwelle handeln, durch die ein Kabel des Rotors zu der Anschlusseinrichtung geführt ist. Typischerweise sind auf diese Art für eine dreiphasige Maschine sechs Kabel durch die Welle gezogen, sodass der bzw. die Schleifringe an der Stirnseite der Welle angeschlossen werden können.
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Vorteilhafterweise ist die Stützscheibe ringförmig ausgebildet und sie stützt an ihrer Innenseite die Anschlusseinrichtung gegen Fliehkraft. Eine derartige ringförmige Stützscheibe ist einfach herstellbar, und sie kann vollumfänglich Stützwirkung entfalten.
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Ferner kann die Stützscheibe an ihrer Innenseite mehrere Zähne aufweisen, von denen einer die Anschlusseinrichtung und die anderen weitere gleichartige Anschlusseinrichtungen radial stützen. Die Zähne haben den Vorteil, dass die Kriechstrecken zwischen zwei am Umfang benachbarten Anschlusseinrichtungen vergrößert werden, sodass eine verbesserte Isolation gegeben ist.
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Der Schleifringlüfter kann einen hohlzylindrischen Innenmantel aufweisen, an dem die Stützscheibe direkt radial abgestützt ist. Dies hat den Vorteil, dass ein rohrförmiges Teil des Schleifringlüfters, das bei typischen Schleifringlüftern zur Luftführung ohnehin vorhanden ist, zusätzlich zum Abstützen der Schützscheibe bzw. der Anschlusseinrichtung genutzt werden kann.
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Die elektrische Maschine kann als Generator ausgebildet sein. Speziell bei großen Generatoren tritt die oben genannte Problematik der großen Fliehkräfte an den Schleifringanschlüssen auf. Bei den erfindungsgemäß gestalteten Generatoren tritt dann die Gefahr der Beschädigung an den Schleifringanschlüssen nicht mehr auf. Derartige Generatoren können insbesondere in Windkraftanlagen genutzt werden. Dabei lässt sich dann auch die Beschädigungsgefahr bei so genannten Überdrehzahlen eindämmen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 eine Ansicht eines Schleifringabschnitts einer elektrischen Maschine;
- 2 eine stirnseitige Ansicht der elektrischen Maschine von 1;
- 3 eine Detailansicht von 1 im Bereich des Schleifringlüfters und
- 4 eine dreidimensionale Ansicht der Abbildung von 3.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt ein axiales Ende einer beispielhaften elektrischen Maschine, z.B. eines Generators einer Windkraftanlage. An dem axialen Ende befindet sich ein Schleifring 1. Der Schleifring 1 stellt hier an sich eine Schleifringanordnung dar, die hier Einzelschleifringe 2 für drei Phasen und einen Einzelschleifring 3 für Potentialausgleich besitzt. Der Schleifring 1 wird von einer Bürstenanordnung 4 üblicher Bauart abgegriffen.
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Montiert ist der Schleifring 1 optional auf eine Hohlwelle 5 des nicht weiter in 1 sichtbaren Rotors der elektrischen Maschine. Hierzu ist der Schleifring 1 beispielsweise drehfest auf das Ende der Hohlwelle 5 aufgesteckt.
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An der Stirnseite des Schleifrings 1 befindet sich ein Außenring 6. Dieser Außenring 6 ist elektrisch isolierend und vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt. Aus ihm heraus ragen, am Umfang gleichmäßig verteilt, Schleifringanschlussbolzen 7, die jeweils eine Anschlusseinrichtung für den Schleifring 1 darstellen. Für jede Phase der elektrischen Maschine sind hier jeweils zwei derartige Schleifringanschlussbolzen 7 axial nach außen geführt, um die notwendigen elektrischen Anschlüsse herstellen zu können. Kabel 8 bzw. Litzen zur Stromableitung bzw. Stromzufuhr von/zu den Wicklungen des Rotors sind durch die Hohlwelle 5 geführt. An der Stirnseite der Hohlwelle 5 sind die Kabel jeweils radial zum korrespondierenden Schleifringanschlussbolzen 7 geführt. Jedes Kabel 8 besitzt an seinem Ende ein Kontaktierelement 9, mit dem es mechanisch und elektrisch mit dem jeweiligen Schleifringanschlussbolzen 7 verbunden werden kann, und das zusammen mit dem jeweiligen Kabel eine Stromleiteinrichtung bildet.
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An der Stirnseite des Schleifrings 1, beispielsweise radial über dem Außenring 6, ist ein Schleifringlüfter 10 befestigt.
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An der Innenseite eines rohrförmigen Abschnitts 11 des Schleifringlüfters 10 stützt sich eine hier ringförmige Stützscheibe 12 ab. Die Stützscheibe 12 hat damit die Funktion, die Anschlusseinrichtung, d.h. den Schleifringanschlussbolzen 7, zusammen mit einem Teil der Stromleiteinrichtung, d.h. dem Kontaktierelement 9 zusammen mit einem exemplarisch aus der Welle 5 ragenden Teil des jeweiligen Kabels 8, in radialer Richtung gegen die Fliehkraft zu stützen.
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Der Blick von 2 auf das Wellenende der elektrischen Maschine zeigt den in dieser Ansicht ringförmigen Schleifringlüfter 10. Unmittelbar radial innerhalb des Schleifringlüfters 10 befindet sich die Stützscheibe 12. Die Stützscheibe 12 besitzt einen ringförmigen Außenabschnitt 13 und Zähne 14, die von dem ringförmigen Außenabschnitt 13 radial nach innen stehen. Es sind sechs Zähne 14 am Innenumfang der Stützscheibe 12 verteilt angeordnet. Jeder dieser Zähne ist einem der Kontaktierelemente 9 bzw. Schleifringanschlussbolzen 7 zugeordnet und stützt dieses bzw. diesen radial nach außen ab. Die Stützscheibe 12 selbst wird von dem Schleifringlüfter 10 zentrisch gehalten bzw. gestützt.
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Die nach innen ragenden Zähne 14 an dem Außenabschnitt 13 der Stützscheibe 12 bewirken, dass die Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Kontaktierelementen 9 unterschiedlicher Phasen bzw. Schleifringanschlussbolzen 7 größer ist als in dem Fall, dass keine solchen Zähne vorhanden sind und der Innendurchmesser der Stützscheibe 12 durch den radialen Außenabstand der Kontaktierelemente 9 definiert wäre. Die Stützscheibe 12 muss diese Zähne 14 jedoch nicht aufweisen, sie kann vielmehr auch rein ringförmig sein.
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Die Anzahl der Kontaktierelemente 9 und damit der Kabel 8 sowie Zähne 14 ist jeweils auf den Bedarf abzustellen. Bei der dreiphasigen Maschine von 2 sind es sechs Anschlusseinrichtungen bzw. Kontaktierelemente 9, es kann aber auch eine andere Anzahl sein.
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Etwas abgedeckt durch den Stützring 12 ist hinter diesem in 2 der Außenring 6 des Schleifrings 1 zu erkennen. Wie dieser Schleifring 6 ist auch die Stützscheibe 12 aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt.
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Die 3 zeigt ein Detail der Darstellung von 1, nämlich einen Ausschnitt um den Schleifringlüfter 10, den Schleifringanschlussbolzen 7 und die Stützscheibe 12. Eine korrespondierende dreidimensionale Ansicht eines ähnlichen Ausschnitts ist in 4 dargestellt, wobei dort zusätzlich insbesondere die Kabel 8 in der Welle 5 angedeutet sind.
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3 zeigt insbesondere, dass der Schleifringanschlussbolzen 7 in axialer Richtung aus dem Außenring 6 herausragt. Der herausragende Abschnitt 15 des Schleifringanschlussbolzens 7 ist optional etwas abgeflacht bzw. verjüngt, um einen plattenförmigen Abschnitt 16 des Kontaktierelements 9 plan zu berühren. Auf den plattenförmigen Abschnitt 16 ist gegebenenfalls eine ebenfalls plane Druckplatte 17 aufgebracht. Mit zwei Schrauben 18 ist die Druckplatte 17 und der darunter liegende plättchenförmige Abschnitt 16 an den herausragenden Abschnitt 15 des Schleifringanschlussbolzens 7 geschraubt.
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Selbstverständlich kann der herausragende Abschnitt 15 eine andere Form als in dem gewählten Beispiel der 3 und 4 besitzen. Insbesondere kann er auch rein zylinderförmig sein. Ebenso kann der plättchenförmige Abschnitt 16 bei einer anderen Ausführungsform eine andere Gestalt besitzen, die vorzugsweise an die Form des herausragenden Abschnitts 15 angepasst ist. Darüber hinaus müssen auch nicht zwei Schrauben 18 zur Fixierung verwendet werden. Es können auch nur eine Schraube oder mehr als zwei Schrauben sein. Des Weiteren ist die Druckplatte 17 lediglich optional.
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Die ringförmige Stützscheibe 12 ist zwischen den Schleifringlüfter 10, insbesondere dessen rohrförmigen Abschnitt 11, und das Kontaktierelement 9, gegebenenfalls mit der darauf befindlichen Druckplatte 17, eingepasst. Aus thermischen Gründen kann ein gewisses Spiel bei dieser Passung vorgesehen sein. Die Befestigung des Stützrings 12 an dem Schleifring 1 kann unmittelbar an diesem durch Schrauben oder gegebenenfalls auch an dem rohrförmigen Abschnitt 11 des Schleifringlüfters 10 erfolgen.
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In den 3 und 4 ist weiterhin zu erkennen, dass der Schleifringanschlussbolzen 7 von einem Isolierrohr 19 unmittelbar umgeben ist. Außerhalb des Außenrings 6 ist das Isolierrohr 19 zu einer Halbschale abgetragen, die den herausragenden Abschnitt 15 des Schleifringanschlussbolzens 7 nur noch radial nach innen isoliert. Radial nach außen ist der herausragende Abschnitt 15 frei, damit das Kontaktierelement 9 aufgebracht werden kann.
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Die aus dem Ende der Welle 5 herausragenden Abschnitte der Kabel 8 einschließlich der Kontaktierelemente 9 müssen gegen die Fliehkraft gesichert werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Die Schleifringanschlussbolzen 7 sind unter Umständen nicht in der Lage, diese Fliehkräfte alleine aufzunehmen. Durch die Fliehkraftabstützung der Schleifringanschlussbolzen 7 mittels der mitdrehenden Stützscheibe 12 wird diese Problematik gelöst. Bei vielen Generatoren sind die angesprochenen Schleifringlüfter bereits vorhanden, sodass die Stützscheibe in den vorhandenen Lüfter montiert werden kann. Dabei kann der Lüfter direkt auf dem Schleifring passgenau montiert sein. Bei unbelüfteten oder fremdbelüfteten Schleifringanbauten kann anstatt des Lüfters auch eine zylindrische Hülse montiert werden. Die Stützscheibe 12 sitzt dann genau über den Anschlussbolzen des Schleifrings und stützt über eng tolerierte Passmaße die Anschlussbolzen in radialer Richtung ab. Sie nimmt die auf die Anschlussbolzen wirkende Zentrifugalkraft auf und entlastet somit die Anschlüsse des Schleifrings. Dadurch kann gewährleistet werden, dass kein Schaden am Anschluss des Schleifrings entsteht.
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In vorteilhafter Weise können somit für hohe Ströme Litzen anstatt der Hochstromdurchführung verwendet werden. Folglich können auch bei dieser Lösung hohe Ströme bei hohen Maschinendrehzahlen und günstiger Ausführung realisiert werden.
