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GEBIET DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit zum Übertragen eines elektrischen Stroms zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilgruppen, gemäß dem Anspruch 1 beziehungsweise dem Anspruch 13.
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Schleifringeinheiten bestehen üblicherweise aus zwei Bauteilgruppen, nämlich einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst häufig Schleifringbürsten, wogegen der Rotor meist eine Folge von Schleifringen aufweist. Im Betrieb haben die Bürsten gleitenden Kontakt zu rotierenden Schleifringen entlang so genannter Spuren. Derartige Schleifringeinheiten werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt, um elektrische Signale oder elektrische Leistung von einer ortsfesten auf eine sich drehende elektrische Einheit zu übertragen.
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Beispielsweise werden derartige Schleifringeinheiten in der Rotornabe oder der Gondel von Windkraftanlagen eingebaut, etwa zur Übertragung von Steuersignalen und / oder elektrischen Strömen für Antriebe zur Verstellung der Anstellwinkel der Rotorblätter.
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Gerade bei derart hochwertigen Anlagen oder Maschinen ist es wichtig, dass deren Verfügbarkeit nicht durch die Schleifringeinheit reduziert wird.
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STAND DER TECHNIK
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 496 A1 ist ein Kontaktelement zur Kontaktierung einer Schleifbahn offenbart, deren Bürste sich bei fortschreitendem Verschleiß entlang einer gebogenen Kurve verlagert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifringeinheit zu schaffen, deren Zustand auf einfache und wirtschaftliche Weise überwacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 beziehungsweise 13 gelöst.
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Die Schleifringeinheit umfasst eine erste Bauteilgruppe und eine zweite Bauteilgruppe, wobei die Bauteilgruppen um eine Achse relativ zueinander drehbar angeordnet sind. Die erste Bauteilgruppe weist eine Schleifringbürste, die einen Arm, einen Schleifkontakt und ein erstes Kontaktelement umfasst, auf. Außer der Schleifringbürste weist die erste Bauteilgruppe einen Halter und ein zweites Kontaktelement auf. Die Schleifringbürste beziehungsweise der Arm der Schleifringbürste ist am Halter befestigt und der Schleifkontakt ist unverschieblich am Arm festgelegt. Insbesondere ist auch das erste Kontaktelement unverschieblich am Arm festgelegt. Die zweite Bauteilgruppe weist einen Schleifring auf. Der Schleifkontakt liegt – insbesondere unter elastischer Vorspannung des Arms – am Schleifring an. Die erste Bauteilgruppe ist so konfiguriert, dass sich der Schleifkontakt bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie relativ zum Halter verlagert und ab einem vorbestimmten Verschleißgrad des Schleifkontakts ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement vorliegt beziehungsweise hergestellt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die erste Bauteilgruppe mehrere Schleifringbürsten aufweisen, die jeweils einen Arm, einen Schleifkontakt und ein erstes Kontaktelement umfassen. Weiterhin kann dann die erste Bauteilgruppe einen (insbesondere einen einzigen) Halter und ein zweites Kontaktelement aufweisen. Dabei sind die Schleifringbürsten am Halter befestigt und die Schleifkontakte jeweils unverschieblich am Arm festgelegt. Die zweite Bauteilgruppe weist mehrere Schleifringe auf. Die Schleifkontakte liegen an den Schleifringen an. Die erste Bauteilgruppe ist so konfiguriert, dass sich die Schleifkontakte bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie relativ zum Halter verlagern, wobei ab einem vorbestimmten Verschleißgrad des jeweiligen Schleifkontakts ein elektrischer Kontakt zwischen dem jeweiligen ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement vorliegt.
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Sofern die Schleifringeinheit mehrere Schleifringbürsten und mehrere Schleifringe aufweist, können die im Folgenenden beschriebenen Ausführungsformen der Schleifringbürste und des Schleifrings nicht nur auf eine Schleifringbürste und einen Schleifring zutreffen, sondern es können auch die mehreren Schleifringbürsten und die mehreren Schleifringe innerhalb der Schleifringeinheit gemäß den genannten Ausführungsformen ausgestaltet sein.
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Mit Vorteil kann der Arm entlang einer gekrümmten Linie entsprechend einer kreisform schwenkbar sein.
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Im Betrieb der Schleifringeinheit tritt ein fortschreitender Materialabtrag aus der Oberfläche des Schleifkontakts auf, verursacht durch die Relativbewegung zwischen dem Schleifkontakt und dem zugehörigen Schleifring. Unter dem Begriff Verschleißgrad kann insbesondere ein Maß für den in radialer Richtung vorliegenden Materialabtrag des Schleifkontakts verstanden werden. Dementsprechend kann der Verschleißgrad beispielsweise in Millimetern angegeben werden.
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Die Schleifringeinheit dient zum Übertragen von elektrischem Strom von einer Bauteilgruppe auf die andere Bauteilgruppe. Unter dem Begriff elektrischer Strom sind im Folgenden elektrische Signale (also Strom mit minimaler Stromstärke) oder auch Strom zur Übertragung von elektrischer Leistung zu verstehen.
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Häufig wird die erste Bauteilgruppe als Stator eingesetzt, während die zweite Bauteilgruppe als Rotor arbeitet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schleifringeinheit, insbesondere die erste Bauteilgruppe derart ausgebildet, dass sich bei gegebenem Verschleißgradfortschritt (zum Beispiel beginnend vom neuwertigen Schleifkontakt bis zum Erreichen des vorbestimmten Verschleißgrads) der Schleifkontakt um eine erste Weglänge entlang der gekrümmten Linie relativ zum Halter verlagert. Gleichzeitig verlagert sich das erste Kontaktelement um eine zweite Weglänge relativ zum Halter, wobei die erste Weglänge kleiner ist als die zweite Weglänge.
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Mit Vorteil ist der Schleifkontakt entlang des Arms der Erstreckungsrichtung der Schleifringbürste folgend zwischen dem Halter und dem ersten Kontaktelement angeordnet. Insbesondere kann die erste Bauteilgruppe so ausgestaltet sein, dass der Abstand zwischen dem Schleifkontakt und dem Bereich der Schleifringbürste, der am Halter befestigt ist, kleiner ist als der Abstand zwischen dem ersten Kontaktelement und dem Bereich der Schleifringbürste, der am Halter befestigt ist. Wobei hier der Kontaktpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktelement als maßgeblich zu sehen ist. Insbesondere kann der Arm entlang einer gekrümmten Linie entsprechend einer kreisform schwenkbar sein. Der Abstand beziehungsweise der Radius ausgehend von dem Mittelpunkt des zugehörigen Kreises (also desjenigen Kreises auf dem die gekrümmte Linie zu liegen kommt) zum Schleifkontakt ist kleiner als der Abstand beziehungsweise der Radius ausgehend von dem Mittelpunkt des zugehörigen Kreises zum ersten Kontaktelement.
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Die Schleifringeinheit kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die mehreren Schleifringe in Richtung der Achse zueinander versetzt angeordnet sind.
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Mit Vorteil sind der Arm und das erste Kontaktelement biegeelastisch ausgestaltet, wobei die Biegeelastizität des ersten Kontaktelements so bemessen ist, dass der Schleifkontakt auch nach Erreichen des vorbestimmten Verschleißgrads des Schleifkontakts am Schleifring anliegt. Insbesondere weist der Arm in Bezug auf eine radiale Kraft eine größere Federkonstante auf als das erste Kontaktelement.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der Arm und das zweite Kontaktelement biegeelastisch ausgestaltet sein, wobei die Biegeelastizität des zweiten Kontaktelements so bemessen ist, dass der Schleifkontakt auch nach Erreichen des vorbestimmten Verschleißgrads des Schleifkontakts am Schleifring anliegt. In diesem Fall weist in Bezug auf eine radiale Kraft der Arm eine größere Federkonstante auf als das zweite Kontaktelement.
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Mit Vorteil umfasst die Schleifringbürste einen Isolierkörper, an welchem das erste Kontaktelement befestigt ist. Insbesondere kann der Isolierkörper am Arm befestigt sein.
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Die Schleifringeinheit weist vorteilhafterweise eine elektronische Schaltung auf, die so konfiguriert ist, dass bei Vorliegen des elektrischen Kontakts zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement ein elektrisches Warnsignal erzeugbar ist. Die Schleifringeinheit mit mehreren Schleifringbürsten und Schleifringen kann eine elektronische Schaltung aufweisen, die so konfiguriert ist, dass bei Vorliegen eines elektrischen Kontakts zwischen nur einem der ersten Kontaktelemente und dem zweiten Kontaktelement ein elektrisches Warnsignal erzeugbar ist.
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Mit Vorteil ist das zweite Kontaktelement als eine in Axialrichtung verlaufende Strebe zur mechanischen Verstärkung der ersten Bauteilgruppe ausgebildet. Die Strebe kann elektrisch leitend ausgestaltet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Schleifringeinheit in einer Gondel einer Windkraftanlage verwendet werden, insbesondere zur Übertragung von Steuersignalen und / oder Strömen für Elektroantriebe einer Rotorblattverstellung.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Schleifringeinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen die
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1 eine Längsschnittdarstellung einer Schleifringeinheit,
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2 eine Querschnittdarstellung der Schleifringeinheit,
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3 eine Detaildarstellung mit einer Schleifringbürste, bevor ein vorbestimmter Verschleißgrad eines Schleifkontakts erreicht ist,
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4 eine Detaildarstellung mit der Schleifringbürste zu einem Zeitpunkt, an dem der vorbestimmte Verschleißgrad des Schleifkontakts erreicht ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß der 1 umfasst die Schleifringeinheit eine erste Bauteilgruppe 1, die als Stator bezeichnet werden kann und eine zweite Bauteilgruppe 2, die im Folgenden als Rotor fungiert. Die Schleifringeinheit dient zum mehrkanaligem Übertragen von elektrischen Strömen zwischen einem elektrischen Anschluss der ersten Bauteilgruppe 1 zu einem elektrischen Anschluss der zweiten Bauteilgruppe 2. Die beiden Bauteilgruppen 1, 2 sind relativ zueinander um eine Achse A drehbar angeordnet.
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Die zweite Bauteilgruppe 2 umfasst eine Welle 2.4, die im vorliegenden Beispiel als Hohlwelle ausgestaltet ist. Radial außerhalb der Welle 2.4 befindet sich ein Trägerrohr 2.5 das in Axialrichtung verlaufende Ausnehmungen 2.51 aufweist. Am elektrisch isolierenden Trägerrohr 2.5, das vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik hergestellt sein kann, sind konzentrisch zur Achse A verdrehsicher mehrere Schleifringe 2.1 befestigt, die durch elektrisch isolierende Ringe 2.2 mit axialem Abstand voneinander getrennt sind. Der Übersichtlichkeit halber wurde in den Figuren auf die Darstellung von elektrischen Leitungen verzichtet. Dessen ungeachtet ist im Ausführungsbeispiel jeder der mit axialem Abstand aneinandergereihten Schleifringe 2.1 an seiner Innenseite mit einer elektrischen Leitung verbunden, die jeweils längs einer Ausnehmung 2.51 in Axialrichtung in der zweiten Bauteilgruppe 2 verlegt ist.
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Die erste Bauteilgruppe 1 weist einen Halter 1.3 aus einem isolierenden Werkstoff, an dem mehrere Schleifringbürsten 1.1 mit den weiter unten beschriebenen Komponenten mit axialem Abstand aneinandergereiht und befestigt sind. Der Halter 1.3 weist elektrische Anschlüsse 1.31 beziehungsweise Terminals auf, an denen Kabel beziehungsweise Litzen kontaktiert werden, die mit den jeweiligen Schleifringbürsten 1.1 verbunden sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren die Kabel selbst nicht dargestellt. Die Kabel werden durch eine Bohrung ins Innere der ersten Bauteilgruppe 1 geführt und sind mit den Anschlüssen 1.31, die auf dem Halter 1.3 fixiert sind, elektrisch verbunden.
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Am Halter 1.3 sind die Schleifringbürsten 1.1 beispielsweise durch Schrauben befestigt. Dementsprechend weist jede der Schleifringbürsten 1.1 einen Bereich auf, der am Halter 1.3 befestigt ist. Die Schleifringbürsten 1.1 weisen jeweils zwei Arme 1.11 auf, wobei jeweils an einem der Arme 1.11 unverschieblich befestigt ein Schleifkontakt 1.12 angeordnet ist. Die Arme 1.11 sind als federnde Metallstreifen ausgestaltet. Die Schleifkontakte 1.12 sind aus Metall, insbesondere aus einer Silberlegierung, hergestellt. An einem der beiden Arme 1.11 einer Schleifringbürste 1.1 ist gemäß der 3 ein elektrisch leitender Bolzen 1.16 befestigt, beispielsweise angelötet. Auf diesen Bolzen 1.16 ist ein Isolator 1.15 gesteckt. Zur sicheren Verbindung des Isolators 1.15 mit dem Arm 1.11 ist der Isolator 1.15 durch eine Klemmschraube 1.17 am Bolzen 1.16 festgelegt. Zudem ist am Isolator 1.15 ein federndes erstes Kontaktelement 1.13 befestigt. Zu diesem Zweck sind Anschlussstücke 1.14 vorgesehen, die im vorgestellten Ausführungsbeispiel als hohle Nieten ausgestaltet sind. Zumindest eines der Anschlussstücke 1.14 ist elektrisch mit einem Kabel 1.4 sowie mit dem ersten Kontaktelement 1.13 verbunden. Die Schleifringbürste 1.1 ist so ausgestaltet, dass der Schleifkontakt 1.12 der Erstreckungsrichtung der Schleifringbürste 1.1 in der 2 nach rechts hin folgend, zwischen dem Halter 1.3 und dem ersten Kontaktelement 1.13 angeordnet ist.
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Weiterhin umfasst die erste Bauteilgruppe 1 ein Gehäuse 1.2, das unter anderem drei in axialer Richtung verlaufende Streben 1.21 aus Metall aufweist, wobei eine der Streben, wie unten erläutert, als zweites Kontaktelement 1.21a dient. Das zweite Kontaktelement 1.21a ist im vorgestellten Ausführungsbeispiel als eine in Axialrichtung verlaufende Strebe zur mechanischen Verstärkung der ersten Bauteilgruppe 1 ausgebildet. Im Gehäuse 1.2 sind unter anderem der Halter 1.3 und die Schleifringbürsten 1.1 angeordnet.
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Die erste Bauteilgruppe 1 und die zweite Bauteilgruppe 2 sind mit Hilfe von Wälzlagern 3 relativ zueinander drehbar angeordnet.
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Die Schleifringeinheit kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer Gondel einer Windkraftanlage montiert werden und zur Übertragung elektrischer Ströme im Sinne von Signalen verwendet werden. Die Signale werden etwa zur Ansteuerung von Elektroantrieben beziehungsweise Elektromotoren, die zur Verstellung der Anstellwinkel der Rotorblätter dienen, benötigt. Weiterhin kann ein elektrischer Strom zur Energieversorgung über die Schleifringeinheit zu Elektroantrieben beziehungsweise Elektromotoren, die zur Verstellung der Anstellwinkel der Rotorblätter dienen, übertragen werden. Derartige Antriebsmotoren sind in der Rotornabe der Windkraftanlage montiert und drehen sich folglich mit dem Windkraftanlagenrotor. Die erste Bauteilgruppe 1 der Schleifringeinheit ist also verdrehfest mit der Gondel verbunden.
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Da mit einem Ausfall der Schleifringeinheit ein Ausfall der gesamten Windkraftanlage einhergeht, ist es wichtig den Zustand der Schleifringeinheit zu überwachen, so dass diese im Bedarfsfall während eines planmäßigen Wartungsintervalls repariert beziehungsweise ausgetauscht werden kann.
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Im Betrieb der Schleifringeinheit liegen die Schleifkontakte 1.12 an der Oberfläche eines Schleifrings 2.1 an, wobei die Arme 1.11 elastisch verformt sind, so dass diese radial vorgespannt sind und eine Anpresskraft innerhalb definierter Grenzen gewährleisten. Demnach nehmen die beiden Schleifkontakte 1.12 ein und derselben Schleifringbürste 1.1 im entspannten Zustand einen kleineren Abstand zueinander ein als im Einbauzustand, wenn die Schleifkontakte 1.12 an ein und demselben Schleifring 2.1 anliegen.
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Im Laufe des Betriebs nimmt die Dicke des Schleifkontakts 1.12 in Folge des auftretenden Verschleißes ab. Gleichzeitig verlagern sich die Schleifkontakte 1.12 bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie L relativ zum Halter 1.3. Insbesondere führen im vorgestellten Ausführungsbeispiel die Schleifkontakte 1.12 langsam eine Bewegung entlang einer Kreislinie aus.
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Insbesondere kann die erste Bauteilgruppe 1 so ausgestaltet sein, dass der Abstand r zwischen dem Schleifkontakt 1.12 und dem Bereich der Schleifringbürste 1.1, der am Halter 1.3 befestigt ist, kleiner ist als der Abstand R zwischen dem ersten Kontaktelement 1.13 und dem Bereich der Schleifringbürste 1.1, der am Halter 1.3 befestigt ist. Wobei hier der Kontaktpunkt zwischen dem ersten Kontaktelement 1.13 und dem zweiten Kontaktelement 1.21a als maßgeblich zu sehen ist. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel ist also der Arm 1.11 entlang der gekrümmten Linie L, die eine Kreisform aufweist, schwenkbar. Der Abstand r beziehungsweise der erste Radius ausgehend von dem Mittelpunkt des zugehörigen Kreises zum Schleifkontakt 1.12 ist kleiner als der Abstand R beziehungsweise der zweite Radius zum ersten Kontaktelement 1.13.
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Die Konstruktion hat zur Folge, dass sich bei gegebenem Verschleißgradfortschritt, zum Beispiel vom Beginn des Einsatzes des Schleifkontakts 1.12 (Verschleißgrad = 0) bis hin zum Erreichen des vorgegebenen Verschleißgrades, der Schleifkontakt 1.12 um eine erste Weglänge b entlang der gekrümmten Linie L relativ zum Halter 1.3 verlagert. Während diese Betriebsphase verlagert sich das erste Kontaktelement 1.13 um eine zweite Weglänge B relativ zum Halter 1.3. Die erste Weglänge b ist kleiner als die zweite Weglänge B. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel weisen die Weglängen B, b Kreisbogensegment-Geometrien auf, wobei die beiden Kreisbogensegmente unterschiedlichen Radien entsprechend den Abständen r, R haben.
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Sobald der zuvor festgelegte, also vorbestimmte Verschleißgrad beziehungsweise Abrieb des Schleifkontakts 1.12 vorliegt, wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 1.13 und dem zweiten Kontaktelement 1.21a hergestellt. In der 3 ist mit der gestrichelten Linie auf dem Schleifkontakt 1.12 die Kontur dargestellt, ab der ein Kontakt eintreten wird.
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In der 4 ist die Schleifringbürste in einer Stellung gezeigt, ab der der vorbestimmte Verschleißgrad erreicht ist, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 1.13 und dem zweiten Kontaktelement 1.21a hergestellt ist. In dieser Stellung wird durch eine elektronische Schaltung 1.5 ein elektrisches Warnsignal erzeugt. Darauffolgend wird der Bediener auf den hohen Verschleißgrad beispielsweise durch eine an einer Außenseite des Gehäuses 1.2 angebrachten Anzeige oder durch ein Funksignal auf den Verschleißzustand aufmerksam gemacht.
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Das erste Kontaktelement 1.13 ist vergleichsweise biegeweich ausgestaltet, so dass auch während des Betriebszustands, in dem ein Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 1.13 und dem zweiten Kontaktelement 1.21a vorliegt, gewährleistet ist, dass die wesentlich größere Federkraft des Arms 1.11 weiterhin eine Anpresskraft des Schleifkontakts 1.12 innerhalb der definierten Grenzen bewirkt. Entsprechend kann die Schleifringeinheit auch nach erfolgter Warnung für eine gewisse Zeit sicher weiterbetrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224496 A1 [0005]
