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Technisches Gebiet
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Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf sich drehenden elektrischen Wellen und insbesondere auf eine Ladungsableitungsvorrichtung zum Entladen einer elektrisch aufgeladenen Welle, um eine schädigende Entladung durch die Wellenlager zu verhindern.
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Hintergrund
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Das Phänomen der elektrischen Induktion, d. h. die Gegenwirkung zwischen elektrischen Feldern und Magnetfeldern zur Erzeugung einer Kraft oder zur Erzeugung eines Stromflusses wird in einer großen Vielzahl von Anwendungen in einem weiten Bereich von industriellen Einsatzgebieten eingesetzt. Tatsächlich wird in fast allen Fällen, wo elektrische Energie erzeugt wird oder in physikalische Bewegung umgewandelt wird, die Leistung der elektrischen Induktivität eingesetzt.
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Beispielsweise erzeugt das Drehen einer magnetischen Anordnung innerhalb eines Netzwerkes von Leitern (oder das Drehen von leitenden Spulen in einer Anordnung von Magneten) einen Stromfluss, der als einsetzbare elektrische Leistung abgeleitet werden kann. Dieses Prinzip ist im Einsatz in Generatoren in industriellen Anwendungen, in Automobilanwendungen, in öffentlichen Leistungserzeugungsanwendungen usw. Folglich wirkt bei Motoranwendungen, wenn ein elektrischer Strom durch eine leitende Spule geleitet wird, das so induzierte Magnetfeld mit einem Permanentmagnetfeld zusammen, um eine Bewegung der Spulen (oder der Permanentmagneten) zu bewirken.
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Während die erwünschten Effekte des Induktionsphänomens, d. h. die Leistungserzeugung oder das Induzieren bzw. Hervorrufen einer physikalischen Bewegung, im Allgemeinen vorteilhaft sind, gibt es auch manchmal unbeabsichtigte Konsequenzen aufgrund von parasitärer Induktion. Ein übliches Beispiel dafür ist, dass, was manchmal als Wellenaufladung oder Wellenentladung bekannt ist. In dieser Situation wird eine sich drehende Welle, die bei der Leistungserzeugung oder in einer Motoranwendung verwendet wird, induktiv relativ zu einem nahebei stehenden geerdeten Körper aufgeladen, d. h. relativ zum Motorgehäuse oder dem Generatorgehäuse. Während die so erzeugte statische Aufladung nicht selbst schädlich ist, kann die Ladung plötzlich bei einem gewissen Spannungspegel dissipieren oder einen Lichtbogen werfen, und zwar über einen intermittierenden Pfad zur Erde. Der Spannungspegel, bei dem dies auftritt, ist von vielen Faktoren abhängig, wobei dies von der Luftfeuchtigkeit zur Leitfähigkeit der verschiedenen Komponenten der Maschine reicht. Jedoch kann in den meisten Fällen diese Entladung schädlich sein, und sie ist im Allgemeinen unerwünscht.
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Insbesondere ist die plötzliche Entladung oft auf einer beträchtlichen Spannungsamplitude, wenn auch von sehr kurzer Dauer. Während dieser kurzen Hochspannungsentladung können Komponenten, durch welche die Ladung läuft, geätzt werden, Grübchenbildung aufweisen und sie können sogar verbrannt werden. Dies kommt daher, dass die elektrische Entladung ein nicht lineares Schwellenphänomen ist. Anders gesagt, der erste verfügbare leitende Pfad wird das sofortige Einsetzen der Entladung gestatten, was weiter die Wahrscheinlichkeit verringern wird, dass die Entladung entlang eines anderen Pfades verläuft, auch wenn diese anderen Pfade fast identisch sind. Somit wird analog zum Punktschweißen der erste ansatzweise geeignete Entladungspfad gezwungen, die gesamte Entladung aufzunehmen, was eine schnelle Aufheizung und ein Schmelzen von auch den stärksten leitfähigen Materialien zur Folge hat. Tatsächlich können auch die härtesten Metalllager schnell durch dieses Phänomen geätzt werden und Grübchenbildung aufweisen.
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Die Möglichkeit einer destruktiven Wellenentladung ist seit langem bekannt, und viele Versuche sind über die Jahre unternommen worden, um dieses Problem zu eliminieren. Obwohl einige Lösungen in gewisser Weise effektiv waren, gab es noch keine Lösung, die vollständig effektiv, wirtschaftlich und vergleichsweise instandhaltungsfrei ist.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt der offenbarten Prinzipien wird eine Anordnung zum Ableiten einer elektrischen Ladung an einer sich drehenden Welle vorgesehen, welche von einem stationären Gehäuse umgeben ist. Die Anordnung weist eine ringförmige leitende Ladungsableitungskomponente auf, die in Verbindung mit einem Vorspannelement verwendet wird, welches orientiert ist, um eine axiale Kraft auf die ringförmige leitende Ladungsableitungskomponente aufzubringen, so dass die ringförmige leitende Ladungsableitungskomponente in Kontakt mit der Welle und mit dem Gehäuse gehalten wird, während sich die Welle dreht. In einem Ausführungsbeispiel ist das Vorspannelement eine Feder und ist weiter entweder eine Druckschraubenfeder oder eine Druckwellenfeder.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Erden einer Welle vorgesehen, welche drehbar in einem geerdeten Gehäuse getragen wird. Das Verfahren weist auf, einen leitenden Ring innerhalb des Gehäuses nahe einem freien Ende der Welle zu positionieren und ein Vorspannelement innerhalb des Gehäuses anzuordnen, so dass der leitende Ring zwischen dem Vorspannelement und dem freien Ende der Welle liegt, wobei das Vorspannelement koaxial mit dem leitenden Ring und der Welle ist. Das Zusammendrücken des Vorspannelementes gegen den leitenden Ring spannt den Ring gegen das freie Ende der Welle vor, so dass der leitende Ring in leitendem Kontakt mit dem Gehäuse ist, wodurch somit die Welle geerdet wird.
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Ein Wellenerdungsnachrüstungsbausatz ist in einem anderen Ausführungsbeispiel zum Anbringen an einem freien Ende einer sich drehenden Welle vorgesehen, um die Welle an einem umgebenden stationären Gehäuse zu erden. Der Bausatz weist ein leitendes Ringglied mit einem Durchmesser auf, der ungefähr der Gleiche ist, wie der Innendurchmesser des Gehäuseteils, der das freie Ende der Welle umgibt, und eine zylindrische Feder mit einem Durchmesser, der der Gleiche ist wie jener des leitenden Ringgliedes. Die Federkonstante der zylindrischen Feder wird so ausgewählt, dass das Zusammendrücken der Feder gegen das leitende Ringglied innerhalb des Gehäuses ausreicht, um den Ring in Kontakt mit der Welle und mit dem Gehäuse zu halten. Das leitende Ringglied bleibt in Drehrichtung stationär bezüglich des Gehäuses, während sich die Welle dreht. Das leitende Ringglied kann aus Grauguss aufgebaut sein und die zylindrische Feder kann eine Wellenfeder oder eine Schraubenfeder sein oder kann alternativ eine andere Art einer Vorspannvorrichtung aufweisen, wie oben besprochen.
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Weitere Aspekte und Merkmale der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine quergeschnittene Seitenansicht durch eine beispielhafte Generatorwelle, welche eine Umgebung einer sich drehenden Welle zeigt, innerhalb der eine Wellenentladung auftreten kann, und innerhalb der das offenbarte System und das offenbarte Verfahren eingesetzt werden können;
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2 ist eine Schaltungsansicht, die eine äquivalente Schaltungskonfiguration für das Auftreten einer Wellenaufladung und Wellenentladung in einer Umgebung, wie jener der 1, darstellt;
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3 ist eine quergeschnittene Seitenansicht durch eine beispielhafte Generatorwelle, die eine Umgebung einer sich drehenden Welle zeigt, innerhalb der das offenbarte System und das offenbarte Verfahren eingesetzt werden;
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4 ist eine Explosionsquerschnittsansicht einer Generatorwellenendanordnung 400, in der eine Ladungsableitungsvorrichtung und Ladungsableitungskonfiguration in Übereinstimmung mit dem offenbarten System angewendet werden; und
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5 ist eine schematische Frontansicht eines einteiligen diskontinuierlichen Endrings in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel des beschriebenen Wellenentladungssystems.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung bezieht sich auf die Verwendung und Erzeugung von elektrischer Leistung, und die offenbarten Prinzipien ermöglichen eine effektive und wirtschaftliche Lösung für Ladung/Entladung eines Lagers in einer einfach einzubauenden und einfach instand zu haltenden Form. Das beschriebene System und die Vorrichtung sind in einem weiten Bereich von Anwendungen ohne beträchtliche Versorgungs- oder Nachrüstungskosten anwendbar, was Automobiltechnik, Industrie und eine Anwendung bei der Verwendung und bei der Anwendung von Leistungserzeugungsvorrichtungen genauso wie andere Anwendungen mit einschließt. Spezielle nicht einschränkende Beispiele weisen elektrische Leistungsgeneratoren für industrielle und private Anwendungen auf, wie beispielsweise alleinstehende Generatoren und Generatoren, die ein Teil einer größeren Maschine oder einer größeren Struktur sind.
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Obwohl die offenbarten Prinzipien beispielsweise bezüglich einer leitenden Lagervorrichtung beschrieben werden, wird darüber hinaus klar sein, dass die offenbarten Prinzipien auch in anderen Umgebungen angewendet werden können, einschließlich Umgebungen, wo teure keramische Lager oder andere isolierte Lager verwendet werden. Auch wenn die Entladung durch die Lager der Vorrichtung durch die Verwendung von isolierenden Lagern verhindert wird, besteht insbesondere immer noch die Möglichkeit einer schädigenden Entladung durch andere Teile der Vorrichtung, und dies kann tatsächlich bei höheren Spannungen auftreten. Somit beruhen die beschriebenen Ausführungen nicht auf der Verwendung von isolierenden Materialien und sie erfordern auch nicht die Anwendung irgendeines speziellen Lager- oder Hülsenmaterials.
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In der Übersicht ist 1 eine teilweise quergeschnittene Seitenansicht durch eine beispielhafte grundlegende Generatorstruktur, welche eine Umgebung einer sich drehenden Welle zeigt, innerhalb der eine schädigende Entladung durch die Generatorlager auftreten kann, und innerhalb der das offenbarte System und das offenbarte Verfahren eingesetzt werden können. Genauer gesagt, weist der Generator 100 eine Welle 101 auf, wobei die Welle 101 an eine Rotor 103 befestigt ist.
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Die Welle 101, an der der Rotor 103 angebracht ist, wird um eine Achse A während des Betriebs des Generators 100 gedreht. Der Rotor 103 kann leitende Elemente oder Magnetelemente oder irgendeine Kombination der beiden Elemente aufweisen, und zwar zusätzlich zu irgendwelchen anderen Materialien, egal ob sie elektrisch isolieren oder nicht.
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Die Welle 101 ist von einem Generatorgehäuse 105 umgeben und wird innerhalb des Gehäuses 105 durch eine oder mehrere Lageranordnungen 109 getragen. Das Gehäuse 105 weist typischerweise eine nicht gezeigte dazu passende Anordnung auf oder umschließt diese, welche mit dem sich drehenden Rotor 103 zusammenwirkt, um elektrische Energie zu erzeugen oder elektrische Energie auszunutzen, um eine Drehbewegung zu erzeugen.
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Die Lageranordnung 109 ist in dem veranschaulichten Beispiel eine Kugellageranordnung. Es wird jedoch klar sein, dass irgendeine geeignete Lager- oder Hülsenanordnung verwendet werden kann, um die Welle 101 zu tragen, und dies wird typischerweise basierend auf den Lastniveaus und Lastrichtungen ausgewählt, denen die Anordnung 109 unterworfen wird. Beispielsweise wird das Aufbringen von beträchtlichen axialen Belastungen auf der Welle 101, obwohl dies für diese Umgebung nicht typisch ist, Axiallager erfordern, während typischere radiale Belastungen die Verwendung von üblichen Radiallagern ermöglichen werden.
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Es wird klar sein, dass die Lageranordnungen 109 typischerweise mit einem Fett oder einem anderen Schmiermittel imprägniert oder geschmiert sein werden, um eine vorzeitige Abnutzung zu vermeiden. Während ein isolierendes Schmierfett bei den Lageranordnungen 109 in Verbindung mit dem beschriebenen System und der beschriebenen Vorrichtung verwendet werden kann, ist es nicht notwendig, dass irgendeine spezielle Schmierung verwendet wird, oder dass überhaupt irgendeine zusätzliche Schmierung verwendet wird.
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Um das Innere des Gehäuses 105 von der Umgebung zu isolieren, ist eine Endkappe 107 am Gehäuse 105 an zumindest einem Ende der Welle 101 vorgesehen, wobei dieses Ende der Welle als ihr freies Ende bezeichnet wird. Die Verwendung einer Endkappe 107 verhindert, dass Schmierfett bzw. Schmiermittel und andere Materialien aus dem Gehäuse 105 während Betriebes austreten und verhindert auch das Eintreten von Verunreinigungen, wie beispielsweise Staub, Schmutz und Feuchtigkeit in das Innere des Gehäuses 105. Die Welle 101 hat ein gegenüberliegendes (nicht gezeigtes) Ende, welches in dem Gehäuse 105 durch eine geeignete Endkappe oder einen anderen Verschluss oder eine andere Oberfläche umschlossen sein kann, oder welches alternativ aus dem Gehäuse 105 vorstehen kann. Typischerweise weist das Ende der Welle 101 in dieser Situation ein angetriebenes Element oder ein Antriebselement auf, beispielsweise ein Zahnrad oder eine Scheibe, um die Welle 101 mit externen sich drehenden Elementen zu koppeln.
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Wenn sich die Welle 101 innerhalb des Gehäuses 105 dreht, kann sich eine positive oder negative Spannungsdifferenz ΔV mit der Zeit zwischen der Welle 101, welche zumindest intermittierend elektrisch isoliert ist, und dem Gehäuse 105 aufbauen, welches typischerweise permanent geerdet ist, d. h. auf einer Potentialdifferenz von Null relativ zu der Umgebung außerhalb des Generators 100 festgelegt ist. Während dieses angesammelte Potential ΔV nicht aus sich heraus und für sich eine schädigende Kraft ist, wird es im Allgemeinen eine Größe erreichen, bei der es sich entlädt und zur Erde ableitet, und zwar entweder über einen Lichtbogen oder über einen marginal leitenden Pfad. Wie oben erwähnt, können jegliche Vorrichtungskomponenten, die im Stromflusspfad sind, wenn eine solche Entladung auftritt, mit der Zeit beschädigt werden. Somit können beispielsweise die Lageranordnungen 109 immer mehr Pitting- bzw. Grübchenbildung aufweisen und eingeätzt werden, was schließlich zum Versagen des Lagers führt.
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2 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine äquivalente Lade- und Entladeschaltung 200 zeigt, die der physikalischen Struktur des Generators 100 der 1 entspricht. Insbesondere wird eine Wechselstromspannungsdifferenz durch eine induktive Koppelung zwischen der Welle 101 oder dem Rotor 103 und dem nicht gezeigten Gegenelement induziert. Diese Koppelung wird durch die gekoppelte Spulenstruktur 201 dargestellt. Wenn die Wechselstromspannungsdifferenz an der Welle 101 angelegt wird, dienen die Vorrichtungsstruktur und die Drehung dazu, vorzugsweise eine Ladung in einer Richtung zu gestatten. Dieser Effekt wird durch Dioden 203 veranschaulicht. Diese bevorzugte Aufladung führt zu der angesammelten Spannungsdifferenz ΔV am Kondensator 205, was die Kapazität zwischen der Welle 101 und dem Gehäuse 105 darstellt. Die Lageranordnung 109 ist als ein Entladungspfad über den Kondensator 205 veranschaulicht, um die intermittierende Entladung darzustellen, der die Lageranordnung 109 unterworfen ist.
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Wie oben erwähnt, beschädigt die intermittierende Hochspannungsentladung die Komponenten des Generators 100, und im Hinblick auf dieses Problem sehen das offenbarte System und die offenbarte Vorrichtung einen kompakten und einfach instand zu haltenden Mechanismus vor, wodurch die bevorzugte Ladungsspannungsdifferenz ΔV kontinuierlich abgeleitet wird, so dass nicht gestattet wird, dass die Spannungsdifferenz ΔV sich ansammelt. In dieser Hinsicht ist 3 eine quergeschnittene Seitenansicht durch einen beispielhaften Generator 300, welche eine Umgebung einer sich drehenden Welle zeigt, innerhalb der das offenbarte System und das offenbarte Verfahren eingesetzt werden.
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Genauer gesagt, weist der Generator 300 der 3 einige der gleichen Komponenten auf, wie der Generator 100 der 1, wie beispielsweise eine Welle 301, die an einem Rotor 303 befestigt ist, die konfiguriert ist, um sich um eine Achse A während des Betriebs des Generators 300 zu drehen. Wie beim Generator 100 ist die Welle 301 des Generators 300 von einem Generatorgehäuse 305 umgeben und ist innerhalb des Gehäuses 305 durch eine oder mehrere Lageranordnungen 309 gelagert. Schließlich weist das Gehäuse 305 typischerweise eine nicht gezeigte Gegenanordnung bzw. damit gekoppelte Anordnung auf oder umschließt diese, um mit dem sich drehenden Rotor 303 in Gegenwirkung zu treten, um elektrische Energie zu erzeugen oder auszunutzen bzw. umzuwandeln.
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Zusätzlich zu den Elementen, die auch bei dem Generator 100 auftreten, weist der Generator 300 auch eine Anordnung auf, um eine elektrische Ladung von der Welle (301) abzuleiten, um das allmähliche Ansammeln einer Ladung gefolgt von einer plötzlichen Entladung durch die Lageranordnung 309 oder durch eine andere Komponente zu verhindern. Insbesondere weist der Generator 300 ein leitendes Ladungsableitungselement, einen Endring 311 genauso wie ein Vorspannelement auf, eine Feder 313, welches orientiert und positioniert ist, um eine Axialkraft auf den Endring 311 relativ zur Welle aufzubringen. Auf diese Weise wird der Endring 311 im Wesentlichen in konstantem Kontakt mit der Welle 301 und mit dem Gehäuse 305 gehalten, während sich die Welle 301 dreht. Obwohl die Feder 313 in 3 als eine Schraubenfeder veranschaulicht ist, wird klar sein, dass andere geeignete Vorspannelemente stattdessen verwendet können und in einigen Fällen besser für eine spezielle Anwendung geeignet sein können. Verschiedene alternative Vorspannelemente werden in Verbindung mit einer detaillierteren Erklärung des Aufbaus und der Konfiguration der Welle 301, des Endrings 311 und des Gehäuses 305 beschrieben.
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4 ist eine Explosionsquerschnittsansicht einer Generatorwellenendanordnung 400, in der eine Ladungsableitungsvorrichtung und eine Ladungsableitungskonfiguration gemäß den offenbarten Prinzipien angewendet sind. Die Welle 401, der Endring 403 und die Feder 405 sind in dieser Ansicht sichtbar. Wie zu sehen ist, hat die Welle 401 einen teilweise verjüngten Teil 407 mit verringertem Durchmesser an ihrem freien Ende, d. h. an ihrem Ende am nächsten zum Endring 403. Der teilweise verjüngte Teil 407 mit verringertem Durchmesser dient dazu sicherzustellen, dass der Endring 403 und die Feder 405 auf der Achse bezüglich des freien Endes der Welle 401 zentriert bleiben. Eine Schulter 409 ist ausgeformt, wo die Welle 401 von ihrem normalen Durchmesser zu dem teilweise verjüngten Teil 407 mit verringertem Durchmesser am freien Ende übergeht.
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Obwohl die Welle 405 als eine Druckschraubenfeder veranschaulicht ist, wird klar sein, dass andere Federbauarten und Federkonfigurationen stattdessen verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Wellenfeder den gleichen Weg und die gleiche Federkonstante in kürzerer Form im Vergleich zu einer Schraubenfeder mit ähnlichen Eigenschaften bieten, was Einbauanordnungen gestattet, die kompakter sind. Alternativ können kleine Blattfederelemente oder Fingerfederelemente verwendet werden.
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Der Endring 403 ist aus einem leitenden Material gemacht, und er ist in verschiedenen Ausführungen aus einem leitenden Metallmaterial gemacht, welches eine gute Abnutzungsbeständigkeit und zumindest moderate Schmierfähigkeit aufweist. In einem Ausführungsbeispiel ist der Endring 403 aus Gusseisen oder bearbeitetem Graueisen bzw. Grauguss gemacht. Es wird klar sein, dass Grauguss typischerweise eine Legierung aus Kohlenstoff, Silizium und Eisen ist, wobei der Kohlenstoff in erster Linie in Graphitform vorliegt (d. h. zusätzlich zu der kleinen Menge an Kohlenstoff, die im Übrigen als Perlit in der Eisenmatrix vorhanden ist). Obwohl Grauguss eine niedrigere Zugfestigkeit und niedrigere Duktilität hat als viele andere Legierungen, und zwar aufgrund der Anwesenheit von Graphit-Mikrolamellen bzw. mikroskopisch kleinen Graphitflocken, bringt die Anwesenheit dieser Flocken gewisse Eigenschaften für die Legierung mit sich, die sie speziell für den Aufbau des Endrings 404 geeignet machen. Diese Eigenschaften weisen leichte Gießbarkeit, gute Bearbeitbarkeit für die Produktion und die Endbearbeitung (auch bei Härteniveaus, welche einer Abnutzung Widerstand bieten), Stabilität der Abmessungen bei einer Aufheizung durch Reibung, die möglicherweise vom Endring 403 erfahren wird, Schwingungsabsorption und moderate Schmierfähigkeit auf. Somit ist unter der Voraussetzung, dass der Endring 403 Wärme, Druck und Abrieb unterworfen sein kann, insbesondere wenn eine Schmierung von außen versagt, Grauguss ein gutes Material zum Ausgleichen von sowohl erwarteten als auch unerwarteten Belastungen bei einem Minimum an Verschlechterung oder Instabilität.
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In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Endring 403 so geformt, dass er eine radiale Druckreibungspassung in der Endkappe (in 4 nicht gezeigt) hat und gegen die Schulter 409 der Welle 401 durch die Feder 405 vorgespannt ist. Auf diese Weise ist der Endring 403 in Kontakt mit dem (in 4 nicht gezeigten) Gehäuse und wird auch in Kontakt mit der Welle 401 gehalten, um einen Leitungspfad zwischen den beiden Teilen zu formen, um zu ermöglichen, dass irgendeine angesammelte Ladung sich ausgleicht. Dies verhindert effektiv die Ansammlung und die plötzliche Entladung einer Spannung an den anderen Elementen der fraglichen Maschine.
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Bezüglich der Feder 405 sei bemerkt, dass die Feder 405 eine ausreichend hohe Konstante haben sollte und in einem ausreichend vorgespannten Zustand eingebaut werden sollte, um genügend Kraft zu liefern, um den Endring 403 in Kontakt mit der Welle 401 zu halten, und insbesondere mit der Wellenschulter 407. Wenn jedoch die Feder 405 in einer Weise konfiguriert und eingebaut ist, die bewirkt, dass eine übermäßig große Kraft auf den Endring 403 aufgebracht wird, könnte eine übermäßige Abnutzung am Endring 403 und/oder an der Schulter 407 auftreten, und es kann auch bewirkt werden, dass sich der Endring 403 im Gehäuse dreht. Dieses Phänomen wird eine übermäßige Abnutzung an der Außenumfangsfläche des Endrings 403 verursachen und kann schließlich zu einer intermittierenden Unterbrechung des Kontaktes zwischen dem Gehäuse und dem Endring 403 führen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Endring 403 kontinuierlich geschmiert, beispielsweise durch einen Fluss von Öl oder die Anwesenheit von Schmierfett, um Festklemmen, Fressen oder Abrieb zu verhindern. Die Schmiermittelquelle kann eine extra dafür vorgesehene Quelle sein oder kann gemeinsam mit anderen Komponenten verwendet werden, wie beispielweise mit nahe beiliegenden Hülsen oder Lagern.
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Obwohl der Endring 403 und die Feder 405 in der Explosionsansicht der 4 getrennt veranschaulicht sind, sind diese zwei Elemente in einem speziellen Ausführungsbeispiel aneinander befestigt, um einen einfachen Einbau und eine einfache Entfernung zu gestatten, genauso wie um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sich der Endring 403 während des Betriebs des Generators dreht. Obwohl der Endring 403 mit einem rechteckigen Querschnitt veranschaulicht ist, kann darüber hinaus die Querschnittsform des Endrings 403 basierend auf der Einfachheit der Herstellung, basierend auf der Form des Gehäuseinneren oder basierend auf irgendeiner anderen für die Ausführung spezifischen Überlegung variiert werden. Beispielsweise kann der Endring 403 so geformt sein, dass er einen kreisförmigen, einen eiförmigen, einen quadratischen oder einen anderen modifizierten Querschnitt hat. Darüber hinaus wird aus dem offenbarten Betrieb und der offenbarten Funktion des Endrings 403 klar sein, dass ein nicht durchgängiger und/oder mehrteiliger Ring ebenfalls verwendet werden kann, obwohl der Endring 403 als kontinuierlich verlaufendes einstückiges Teil veranschaulicht worden ist. Beispielsweise kann der Endring 403 aus einer Vielzahl von getrennten bogenförmigen Komponenten bestehen.
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Als Beispiel zeigt 5 eine schematische Frontansicht eines einteiligen nicht kontinuierlich verlaufenden Endrings 501. Wie zu sehen ist, verläuft der Endring 501 im Wesentlichen kontinuierlich, weist jedoch eine kleine Unterbrechung oder einen Spalt 503 an einem Punkt an seinem Umfang auf. Obwohl ein solcher Spalt 503 nicht eine spezielle Funktion haben muss, wird klar sein, dass der Spalt 503 verwendet werden kann, um einen größeren Toleranzbereich für den Endring 501 bezüglich des Innendurchmessers des dazu passenden Teils des Gehäuses vorzusehen. Darüber hinaus wird das größere Ausmaß an Komprimierbarkeit in Axialrichtung gestatten, dass der Endring 503 eine Abnutzung entlang seiner Außenumfangsfläche während des Betriebs kompensiert, ohne das Ersetzen erforderlich zu machen. In diesem Fall sollte der Innendurchmesser 505 des Endrings 501 so bemessen sein, dass er die (nicht in 5 gezeigte) Welle frei lässt, wenn der Endring 501 in seinem am weitesten zusammengedrückten Zustand ist.
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Das Material, welches in den vorangegangenen Beispielen für die leitende Komponente verwendet worden ist, ist als Grauguss beschrieben worden. Jedoch wird klar sein, dass es geeignete Alternativen gibt, die überlegene Eigenschaften in einer oder mehreren anderen Punkten haben können, obwohl sie in gewisser anderer Hinsicht schlechtere Qualitäten haben. Beispielsweise können verschiedene Arten von Stahl, sowohl rostfreie Stähle als auch andere Stähle, mit verschiedenen Zähigkeit und Härtewerten verwendet werden, genauso wie andere leitende Metalle verwendet werden können, wie beispielweise Kupfer, Messing, Aluminium usw. Kostengünstige leitende Nichtmetalle, wie beispielsweise Graphit, können ebenfalls verwendet werden, obwohl einige solcher Materialien unter übermäßig großer Abnutzung und anderen Problemen leiden können.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Nachrüstbausatz vorgesehen, um das beschriebene System und das beschriebene Verfahren bei einem Generator oder einem Motor anzuwenden, der zuvor nicht geerdet war, oder bei dem die Wellenerdung zuvor durch andere Mittel erreicht wurde. Der Nachrüstbausatz wird mit Bezug auf 3 besprochen. In einem Ausführungsbeispiel weist der Bausatz einen leitenden Endring 311, eine Endkappe 307 und eine zylindrische Feder 313 auf. Der Bausatz kann weiter einen Dichtungsring 315 aufweisen, beispielsweise aus einer Polymer- oder Metallkonstruktion, um die Endkappe 307 zum Gehäuse 305 hin abzudichten, wenn dieser eingebaut ist.
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Der Wellenerdungsnachrüstbausatz wird beim freien Ende der sich drehenden Welle 301 angewendet, um die Welle 301 zum umgebenden stationären Generatorgehäuse 305 hin zu erden. Der leitende Endring 311 ist mit einem Durchmesser ausgeformt, der ungefähr der Gleiche ist wie der Innendurchmesser der Endkappe 307. Die zylindrische Feder 313 hat einen Durchmesser, der im Wesentlichen der Gleiche ist wie der Durchmesser des Endrings 311, so dass die Feder 313 gleichförmig die Oberfläche des Endrings 311 berührt. Die Feder 313 hat eine Federkonstante, die so ausgewählt ist, dass das Zusammendrücken der Feder 313 gegen den Endring 311 innerhalb des Gehäuses 305 und/oder der Endkappe 307 (wenn der Endring 311, die Feder 313 und die Welle 301 koaxial angeordnet sind) den Ring 311 in Kontakt mit der Welle 301 und mit dem Gehäuse 305 halten wird, so dass der Endring 311 in Drehrichtung bezüglich des Gehäuses 305 stationär bleiben wird. Wenn diese Komponenten eingebaut sind, so dass die Feder 313 in geeigneter Weise zusammengedrückt wird, wird die Welle 301 am Gehäuse 305 geerdet, und eine schädigende Entladung wird eliminiert.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Bolzen, eine Passfeder oder eine Passfedernut am Endring 311 vorgesehen, um eine Drehung des Endrings 311 bezüglich des Gehäuses 305 oder bezüglich der Endkappe 307 zu verhindern. Der vorgesehene Bolzen, die Passfeder oder die Passfedernut sind so geformt, dass sie mit einer dazu passenden Struktur am Gehäuse 305 oder an der Endkappe 307 zusammenpassen oder in Gegenwirkung treten (beispielsweise mit einem Kanal, einer Passfeder oder einem Vorsprung), um den Endring 305 um seine Primärachse bzw. Drehachse festzulegen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das beschriebene System und das beschriebene Verfahren sind auf Maschinen und Vorrichtungen anwendbar, in denen eine sich drehende Welle potentiell im Verhältnis zu einem nahebei liegenden Element aufgeladen werden kann, wie beispielsweise relativ zu einem Gehäuse oder einer Umhüllung. Darüber hinaus wird die Möglichkeit einer Schaden verursachenden elektrischen Entladung auf der Spitze einer solchen Ladungsansammlung durch das veranschaulichte System in seinen verschiedenen Ausführungsbeispielen angesprochen, und zwar wie gezeigt als auch wie aus dieser Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich. Beispiele von Maschinen und Vorrichtungen, die das Risiko von schädigenden Aufladevorgängen und Entladungsvorgängen einer Welle mit sich bringen, weisen viele Arten von Elektromotoren und elektrischen Generatoren auf.
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In diesem Zusammenhang ermöglicht das offenbarte System einen Ausgleich der Ladung zwischen der Welle und dem Gehäuse oder einer Umhüllung, wobei somit eine allmähliche Ansammlung einer Ladung und eine plötzliche elektrische Entladung durch empfindliche Maschinenkomponenten verhindert werden. Darüber hinaus ist die Konfiguration des beschriebenen Systems derart, dass sie übermäßig großen Raumanforderungen und die hohe Komplexität von vielen existierenden Systemen verringern, eine wirtschaftliche Herstellung, Installation und Instandhaltung, oder einen wirtschaftlichen Ersatz des Systems gestatten.
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Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik darstellt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen auf das spezielle Beispiel Bezug nehmen, welches an diesem Punkt besprochen wird und sie sollen nicht irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen implizit darstellen. Jegliche Erwähnung, dass von gewissen Merkmalen Abstand genommen wird, oder dieses weniger gut sei, soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden und dies soll nicht solche Merkmale vollständig von der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise gezeigt wird.
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Die Erwähnung von Wertebereichen an dieser Stelle ist allein dafür vorgesehen, um als ein abgekürztes Verfahren zur Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert individuell zu dienen, der in diesen Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier gezeigt wird, und jeder separate Wert ist in der Beschreibung mit eingeschlossen, wie wenn er einzeln hier direkt erwähnt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner Reihenfolge ausgeführt werden, außer falls dies in anderer Weise hier angezeigt wird oder in anderer Weise klar aus dem Zusammenhang in Abrede gestellt wird.
