DE10360548A1

DE10360548A1 - Schleifringanordnung

Info

Publication number: DE10360548A1
Application number: DE2003160548
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Lauer; Norman Perner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-21
Also published as: WO2005062432A1

Abstract

Schleifringanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (7), wobei ein feststehendes Teil (1) mit einer Stromübertragungsfläche und ein gegenüber diesem Teil rotierendes Teil (2) mit einer weiteren Stromübertragungsfläche getrennt durch einen Spalt vorgesehen ist, der eine Flüssigmetalllegierung (3) enthält und zur Stromübertragung zwischen dem feststehenden und dem mit dem Rotor (7) mitdrehenden Teil vorgesehen ist, wobei die Flüssigmetalllegierung (3) durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei ein feststehendes Teil mit einer Stromübertragungsfläche und ein gegenüber diesem Teil rotierendes Teil mit einer weiteren Stromübertragungsfläche getrennt durch einen Spalt vorgesehen ist.
Schleifringanordnungen dienen der Stromübertragung zwischen feststehendem und rotierendem Teil einer rotierenden elektrischen Maschine. Polräder und Turboläufer halten zur Gleichstromübertragung zwei Schleifringe. Induktionsmaschinen mit Schleifringläufern erhalten je nach Stromart zwei oder drei Schleifringe. Jeder Ring wird mit einem sicheren elektrischen Anschluss für die Wicklung des Rotors versehen und gemeinsam mit den übrigen Ringen auf einen Tragkörper positioniert. In jedem Fall sind die Schleifringe gegeneinander und gegen den Tragkörper zu isolieren. Auch die Stromzuführungen müssen eine sichere Isolation erhalten.
Die Stromübertragung erfolgt im wesentlichen über Bürsten. Dies führt zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Motorraum gelangen und damit zu Schäden führen können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist außerdem ein regelmäßiger Bürstenwechsel vorzusehen.

Aus der DE 1 613 118 ist eine dynamoelektrische Maschine mit einem aus flüssigen Metall bestehenden Stromkollektor bekannt wobei ein Rotor vorgesehen ist, der eine Umfangsstromübertragungsoberfläche aufweist, und ein Stator der eine stationäre Stromübertragungsoberfläche aufweist, die von der besagten Umfangsstromübertragungsoberfläche in einem vorbestimmten Abstand angeordnet ist, so dass ein Spalt gebildet wird, der während des Betriebs mit einem leitenden flüssigen Metall beschickt werden kann. Dabei sind Düsen vorgesehen, um einen Umlauf des flüssigen Metalls zu erreichen.

Aus der DE 24 16 765 ist eine elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine, insbesondere einer Unipolarmaschine bekannt mit konzentrisch zu einer Achse angeordnet relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, zwischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der in einer Kontaktzone eine Kontaktflüssigkeit enthält, wobei über ein elektromagnetisches Wanderfeld Kontaktflüssigkeit in der Kontaktzone gehalten wird.

Nachteilig dabei ist der jeweilige konstruktive Aufwand derartiger Führungseinrichtung für das flüssige Metall.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Schleifringanordnung zu schaffen, die weniger wartungsintensiv als auch einfach und damit kostengünstig herzustellen ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Flüssigmetalllegierung durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten ist.

Die Flüssigmetalllegierung wird damit am Austritt aus dem Spalt gehindert. Außerdem entfällt gegenüber herkömmlichen Konstruktionen der konstruktive Aufwand um die Flüssigmetalllegierung im Bereich der Stromübertragungsflächen des feststehenden und rotierenden Teils zu halten.

Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung durch Benetzung der der Flüssigmetalllegierung zugewandten Seite der Stromübertragungsflächen erreicht. Dabei werden insbesondere Materialien, wie z.B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Kapillarwirkung auch durch Formgebung der Stromübertragungsflächen erreicht werden, indem die Spaltweite in den jeweili gen Außenbereichen der Stromübertragungsflächen verringert wird. Die Kapillarwirkung wird somit durch die chemische Zusammensetzung der Flüssigmetalllegierung, der Geometrie des Spaltes und der Beschaffenheit des Oberflächenmaterials beeinflusst.

Insbesondere bei einer mehrphasigen Schleifringanordnung weist die Schleifringanordnung axial hintereinander angeordnete, galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflächen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung jeweils einer Phase vorgesehen. Die den jeweiligen Phasen zugeordneten Stromübertragungsflächen sind dabei durch geeignete Mittel galvanisch voneinander zu trennen um Kurzschlüsse zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist eine derartige Schleifringanordnung modulartig aufgebaut, wobei ein Modul eine Teilanordnung, eine Stromübertragungsfläche oder eine Isolationsscheibe darstellt, so dass um die gesamte Schleifringanordnung zu erhalten, durch axiale Anordnung dieser Module auf einem Tragkörper eine erfindungsgemäße Schleifringanordnung geschaffen wird.

Vorteilhafterweise werden als Isolierung zwischen den einzelnen Stromübertragungsflächen Isolierringe verwendet.

Insbesondere bei längerem Stillstand der Schleifringanordnung oder längerem Betrieb der Anordnung sind Mittel zur Heizung oder Kühlung der Flüssigkeitslegierung vorzusehen um damit einen optimalen Betrieb der Schleifringanordnung zu gewährleisten. Als Heizung können dabei dementsprechend angepasste Heizschlangen oder Kühlschlangen in der Flüssigkeitslegierung oder in den angrenzenden Teilen vorgesehen werden. Ebenso ist auch ein lediglich zeitweises Aufheizen der Flüssigkeitslegierung möglich, und sobald der außergewöhnliche Betriebszustand nicht mehr vorliegt, kann diese Heizung und/oder Kühlung abgeschaltet werden.

Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalllegierungen haben sich Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen herausgestellt.

Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung ergibt sich, wenn die Schleifringanordnung bei Umgebungsdruck eingesetzt werden kann. Die dabei auftretenden Oxidationseffekte des Flüssigkeitsmetalls können u.a. vermieden werden, indem die Schleifringanordnung in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet.

Eine weitere Möglichkeit die Schleifringanordnung zu betreiben ist bei Über- oder Unterdruck wodurch auch eventuelle Oxidation verringert werden kann. Die Abdichtung der Schleifringanordnung gegenüber der Atmosphäre geschieht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten wie z.B. Ferrofluiden. Zur Abdichtung eignen sich aber auch mechanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen oder Radialwellendichtringe.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 erfindungsgemäße Schleifringanordnung,
2 Detailansicht eines Spaltes,
3-10 verschiedenen Schleifringanordnungen mit ihrer jeweiligen Positionierung an einer elektrischen Maschine.
1 zeigt eine schematisch dargestellte Schleifringanordnung mit feststehenden, elektrisch und elektrisch isolierenden Außenteilen. Die elektrisch leitenden Außenteile 1 sind dabei vorteilhafterweise durch Isolierscheiben 4 galvanisch voneinander getrennt, so dass Kurzschlüsse zwischen den Phasen der feststehenden Außenteile 1 vermieden werden. Rotierende Innenteile 2 und 5 korrespondieren zu den feststehenden Außenteilen 1 und 4, so dass eine Stromübertragung zwischen Außenteil 1 und Innenteil 2 über die Flüssigmetalllegierung 3 erfolgen kann. Der auf die rotierenden Innenteile 2 übertragene Strom wird, wie nicht näher dargestellt, über Zuleitungen den jeweiligen Wicklungen eines in 3 bis 10 dargestellten Rotors 7 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine weitergeleitet.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spaltes mit den auftretenden Kräften auf die Flüssigmetalllegierung 3. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft FK resultierende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigmetalls 3. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche der Flüssigmetalllegierung 3. Der Winkel α bezeichnet den Kontaktwinkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft F wirkt dem Bestreben der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt auszutreten entgegen.
Die Geometrie des Spaltes bestimmt unter anderem mit der Oberflächenspannung der Flüssigmetalllegierung und dem Material der Oberfläche der Isolierscheiben 4,5 die Größe der Kraft F, die in das Innere der Flüssigmetalllegierung 3 gerichtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Isolierscheiben 4 als auch der chemischen Zusammensetzung der Flüssigmetalllegierung 3 kann somit der Austritt der Flüssigmetalllegierung 3 aus dem Spalt verhindert werden. Dabei wird mit Adhäsionskraft FA die Kraft bezeichnet, die von der Oberfläche der Isolierscheiben 4,5 auf die Flüssigmetalllegierung 3 wirkt. Als Kohäsionskraft FK wird eine Zusammenhangskraft bezeichnet, die innerhalb der Flüssigmetalllegierung 3 zwischen den einzelnen Molekülen der Flüssigmetalllegierung 3 wirkt.
3 zeigt eine außerhalb eines Rotors 7 liegende Schleifringanordnung ohne eigene Lagerung unter Benutzung der Lager 6 der elektrischen Maschine. Bei dieser Anordnung erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils, also der Außenteile 1,4 zum rotierenden Teil, also der Innenteile 2,5 der Schleifringanordnung über die Toleranzkette der Welle 8 des Lagers 6 und anderer gegebenenfalls dazwischenliegender Bauteile. Die Schleifringanordnung besitzt keine eigene Lagerung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß 4 befindet sich die Schleifringanordnung außerhalb des Rotors 7 mit einer eigenen hydrodynamischen Lagerung 13. Bei dieser Schleifringanordnung erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über die hydrodynamische Lagerung 13. Die Flüssigmetalllegierung 3 übernimmt hierbei Lagereigenschaften und überträgt gleichzeitig den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren der feststehenden Teile. Die Lagereigenschaften werden durch geeignete Strukturen der Oberflächen der feststehenden Teile und rotierenden Teile erreicht.
Gemäß 5 ist die Schleifringanordnung außerhalb des Rotors 7 liegend mit einer eigenen Wälzlagerung ausgeführt. Bei dieser Anordnung erfolgt die Positionierung der feststehenden Teile zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über Wälzlager 14. Die Flüssigmetalllegierung 3 überträgt den elektrischen Strom vom feststehenden Teil zum rotierenden Teil. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren der feststehenden Teile.
6 zeigt eine Schleifringanordnung die auf einem Rotor 7 innenliegend, d.h. innerhalb der Lagerstellen des Rotors 7 mit eigener Wälzlagerung 14 angeordnet ist. Dabei erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils 1 zum rotierenden Teil 2 der Schleifringanordnung über die Wälzlager 14. Die Flüssigmetalllegierung 3 überträgt den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren des feststehenden Teils. Durch diese Anordnung ist die axiale Längenausdehnung der elektrischen Maschine reduziert und es sind vor allem keine elektrischen Zuleitungen durch eine Hohlwelle oder durch spezielle Buchsen der Lager 6 zu führen.
7 zeigt eine Schleifringanordnung die auf einem Rotor 7 innenliegend, d.h. innerhalb der Lagerstellen des Rotors 7 angeordnet ist, ohne eine eigene Lagerung unter Benutzung der Lager 6 des Rotors 7. Dabei erfolgt die Positionierung des feststehenden Teils zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über die Toleranzkette der Welle 8 des Lagers 6 und ev. anderer gegebenenfalls vorhandener Bauteile. Diese Schleifringanordnung besitzt keine eigene Lagerung.
8 zeigt eine Schleifringanordnung die innenliegend im Rotor 7 angeordnet ist und eine eigene hydrodynamische Lagerung aufweist. Die Flüssigmetalllegierung 3 übernimmt in einem Bereich mit sehr engen Spalten Lagereigenschaften und überträgt gleichzeitig den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren des feststehenden Teils 1. Vorteilhaft dabei ist, dass keine Leitung durch eine eventuelle Hohlwelle zum Rotor 7 geführt werden muss. Außerdem reduziert sich die axiale Länge gegenüber den bisherigen Anordnungen.
9 zeigt eine Schleifringanordnung mit einer Dichtung 15 gegen um atmosphärische Einflüsse abzuhalten, die auch ohne weiteres bei den bisherigen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schleifringanordnungen eingesetzt werden kann. Die Dichtung 15 kann dabei auf Basis von magnetischen Flüssigkeiten oder sonstigen Gasen ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass kein Kontakt zwischen der Atmosphäre und der Flüssigkeitsmetalllegierung 3 vorhanden ist. Im Raum 16 zwischen Dichtung und Stromübertragung kann sich ein Gas oder eine Flüssigkeit unter Über- oder Unterdruck befinden, das chemisch nicht mit dem Flüssigmetalllegierung 3 reagiert. Ebenfalls kein ein Vakuum sich in diesem Raum 16 befinden.
10 zeigt einen Flüssigmetallüberträger mit Dichtung 15 gegen Atmosphäre und einer Vorrichtung gegen Eindringen von Fremdkörper. Diese Anordnung, die auch bei den anderen vorhergehenden Anordnungen eingesetzt werden kann, zeigt eine Dichtung 15 gemäß 9 und des Weiteren eine zusätzliche Dichtung 18, die als Labyrinthdichtung, Bürstendichtung oder Radialwellendichtring ausgeführt werden kann.
Die bisher beschriebenen Schleifringanordnungen sind koaxial angeordnet; sie können ebenfalls gemäß einem Scheibenläufer ausgeführt sein.
Derartige Schleifringanordnungen sind bei sämtlichen Anwendungen elektrischer Maschinen mit Schleifringanordnungen insbesondere für Windkraftanlagen einsetzbar.

Claims

Schleifringanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (7), wobei ein feststehendes Teil mit einer Stromübertragungsfläche und ein gegenüber diesem Teil rotierendes Teil mit einer weiteren Stromübertragungsfläche getrennt durch einen Spalt vorgesehen ist, der eine Flüssigmetalllegierung (3) enthält und zur Stromübertragung zwischen dem feststehenden und dem mit dem Rotor mitdrehenden Teil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetalllegierung (3) durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten ist.
Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kapillarwirkung durch zumindest teilweise Benetzung der der Flüssigmetalllegierung (3) zugewandten Seiten und/oder Gestaltung der Stromübertragungsfläche erreicht wird.
Schleifringanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die die jeweils korrespondierenden gegenüberliegenden Stromübertragungsflächen von anderen derartigen Stromübertragungsflächen galvanisch trennen.
Schleifringanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromübertragungsflächen der feststehenden und rotierenden Teile jeweils durch Isolierstoffringe (4,5) voneinander galvanisch getrennt sind.
Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Heizung und/oder Kühlung zumindest der Flüssigkeitslegierung vorhanden sind.
Schleifringanordnung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigmetalllegierung Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen sind.
Schleifringanordnung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schleifringanordnung Umgebungsdruck vorhanden ist.
Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schleifringanordnung Über- oder Unterdruck vorhanden ist.
Schleifringanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schleifringanordnung eine Schutzgasatmosphäre einstellbar ist.
Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Schleifringanordnung und Umgebungsatmosphäre zumindest eine Dichtung (15,17) auf Basis einer magnetischen Flüssigkeit befindet.
Schleifringanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flüssigkeit ein Ferrofluid ist.
Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Dichtung (17) als Bürstendichtung ausgeführt ist.
Anwendung einer Schleifringanordnungen nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche bei Windkraftgeneratoren.