EP3193410A1 - Schleifringeinheit - Google Patents

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Publication number
EP3193410A1
EP3193410A1 EP16151196.9A EP16151196A EP3193410A1 EP 3193410 A1 EP3193410 A1 EP 3193410A1 EP 16151196 A EP16151196 A EP 16151196A EP 3193410 A1 EP3193410 A1 EP 3193410A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
slip ring
contact
contact element
holder
sliding contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP16151196.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas STEINIGANS
Florian KÖGLMEIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LTN Servotechnik GmbH
Original Assignee
LTN Servotechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LTN Servotechnik GmbH filed Critical LTN Servotechnik GmbH
Priority to EP16151196.9A priority Critical patent/EP3193410A1/de
Priority to DE102016222925.7A priority patent/DE102016222925A1/de
Publication of EP3193410A1 publication Critical patent/EP3193410A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/58—Means structurally associated with the current collector for indicating condition thereof, e.g. for indicating brush wear

Definitions

  • the invention relates to a slip ring unit for transmitting an electric current between two relatively rotatable component groups, according to claim 1 or claim 13.
  • Slip ring units usually consist of two component groups, namely a stator and a rotor.
  • the stator often includes slip ring brushes, whereas the rotor usually has a series of slip rings. In operation, the brushes have sliding contact with rotating slip rings along so-called tracks.
  • Such slip ring units are used in many technical fields to transmit electrical signals or electrical power from a stationary to a rotating electrical unit.
  • slip ring units are installed in the rotor hub or the nacelle of wind turbines, such as for transmitting control signals and / or electrical currents for drives to adjust the angle of attack of the rotor blades.
  • the invention has for its object to provide a slip ring unit whose condition can be monitored in a simple and economical manner.
  • the slip ring unit comprises a first group of components and a second group of components, wherein the groups of components are arranged rotatably about an axis relative to each other.
  • the first group of components comprises a slip ring brush comprising an arm, a sliding contact and a first contact element.
  • the first component group has a holder and a second contact element.
  • the slip ring brush or the arm of the slip ring brush is attached to the holder and the sliding contact is fixed immovably on the arm.
  • the first contact element is fixed immovably on the arm.
  • the second component group has a slip ring.
  • the sliding contact abuts the slip ring, in particular under elastic prestressing of the arm.
  • the first component group is configured such that the sliding contact displaces relative to the holder during wear along a curved line and, starting from a predetermined degree of wear of the sliding contact, an electrical contact is present between the first contact element and the second contact element.
  • the first group of components may comprise a plurality of slip ring brushes, each comprising an arm, a sliding contact and a first contact element. Furthermore, then, the first component group a (in particular a single) holder and a have second contact element.
  • the slip ring brushes are attached to the holder and the sliding contacts each fixed immovably on the arm.
  • the second group of components has a plurality of slip rings. The sliding contacts abut the slip rings.
  • the first group of components is configured so that the sliding contacts shift when worn along a curved line relative to the holder, wherein from a predetermined degree of wear of the respective sliding contact, there is an electrical contact between the respective first contact element and the second contact element.
  • the slip ring brush and slip ring embodiments described below may not only apply to one slip ring brush and one slip ring, but also the plurality of slip ring brushes and the plurality of slip rings may be configured within the slip ring assembly according to the aforementioned embodiments be.
  • the arm may be pivotable along a curved line corresponding to a circular shape.
  • the term degree of wear can be understood in particular to mean a measure of the material removal of the sliding contact present in the radial direction. Accordingly, the degree of wear can be given in millimeters, for example.
  • the slip ring unit is used to transfer electrical current from one group of components to the other group of components.
  • electrical current is to be understood as meaning electrical signals (that is, current with a minimum current intensity) or also current for transmitting electrical power.
  • the first group of components is used as a stator, while the second group of components operates as a rotor.
  • the slip ring unit in particular the first component group is designed such that at a given degree of wear progress (for example, starting from the new sliding contact until reaching the predetermined degree of wear) of the sliding contact displaced by a first path along the curved line relative to the holder.
  • the first contact element displaces by a second path length relative to the holder, wherein the first path length is smaller than the second path length.
  • the sliding contact along the arm of the extension direction of the slip ring brush is arranged between the holder and the first contact element.
  • the first component group may be configured such that the distance between the sliding contact and the region of the slip ring brush which is fastened to the holder is smaller than the distance between the first contact element and the region of the slip ring brush which is fastened to the holder.
  • the contact point between the first and the second contact element is to be seen as relevant.
  • the arm may be pivotable along a curved line corresponding to a circular shape. The distance or the radius, starting from the center of the associated circle (ie the circle on which the curved line comes to lie) to the sliding contact is smaller than the distance or the radius from the center of the associated circle to the first contact element.
  • the slip ring unit may in particular be designed such that the plurality of slip rings are arranged offset from each other in the direction of the axis.
  • the arm and the first contact element are flexurally elastic, wherein the bending elasticity of the first contact element is dimensioned such that the sliding contact rests on the slip ring even after reaching the predetermined degree of wear of the sliding contact.
  • the arm has a larger spring constant with respect to a radial force than the first contact element.
  • the arm and the second contact element can be configured flexurally elastic, wherein the bending elasticity of the second contact element is dimensioned so that the sliding contact rests even after reaching the predetermined degree of wear of the sliding contact on the slip ring.
  • the arm has a larger spring constant than the second contact element.
  • the slip ring brush comprises an insulating body to which the first contact element is attached.
  • the insulating body may be attached to the arm.
  • the slip ring unit advantageously has an electronic circuit which is configured such that an electrical warning signal can be generated when the electrical contact between the first contact element and the second contact element is present.
  • the slip ring assembly including a plurality of slip ring brushes and slip rings may include an electronic circuit configured to provide an electrical warning signal upon the presence of electrical contact between only one of the first contact elements and the second contact element.
  • the second contact element is designed as an axially extending strut for mechanical reinforcement of the first group of components.
  • the strut can be designed to be electrically conductive.
  • the slip ring unit can be used in a nacelle of a wind turbine, in particular for the transmission of control signals and / or currents for electric drives of a rotor blade adjustment.
  • the slip ring unit comprises a first component group 1, which may be referred to as a stator, and a second component group 2, which in the following acts as a rotor.
  • the slip ring unit is used for multi-channel transmission of electrical currents between an electrical connection of the first component group 1 to an electrical connection of the second component group 2.
  • the two component groups 1, 2 are arranged rotatable relative to each other about an axis A.
  • the second component group 2 comprises a shaft 2.4, which is configured in the present example as a hollow shaft. Radially outside the shaft 2.4 is a support tube 2.5 having extending in the axial direction recesses 2.51. On the electrically insulating support tube 2.5, which may preferably be made of plastic or ceramic, are concentric to the axis A secured against rotation a plurality of slip rings 2.1, which are separated by electrically insulating rings 2.2 with axial distance from each other.
  • each of the axially spaced-apart slip rings 2.1 is connected at its inner side to an electrical line which is laid along a recess 2.51 in the axial direction in the second component group 2.
  • the first component group 1 has a holder 1.3 made of an insulating material, on which a plurality of slip ring brushes 1.1 are lined up and secured with the components described below with axial spacing.
  • the holder 1.3 has electrical connections 1.31 or terminals on which cables or strands are contacted, which are connected to the respective slip ring brushes 1.1.
  • the cables themselves are not shown in the figures. The cables are led through a bore into the interior of the first component group 1 and are electrically connected to the terminals 1.31, which are fixed on the holder 1.3.
  • the slip ring brushes 1.1 are fixed for example by screws. Accordingly, each of the slip ring brushes 1.1 on an area which is attached to the holder 1.3.
  • the slip ring brushes 1.1 each have two arms 1.11, each fixed to one of the arms 1.11 immovably a sliding contact 1.12 is arranged.
  • the arms 1.11 are designed as resilient metal strips.
  • the sliding contacts 1.12 are made of metal, in particular of a silver alloy.
  • a slip ring brush 1.1 is according to the FIG. 3 attached an electrically conductive bolt 1.16, for example, soldered. On this bolt 1.16 an insulator 1.15 is inserted.
  • the insulator 1.15 is fixed by a clamping screw 1.17 on the bolt 1.16.
  • a resilient first contact element 1.13 is attached to the insulator 1.15.
  • fittings 1.14 are provided, which are configured in the illustrated embodiment as a hollow rivets. At least one of the connecting pieces 1.14 is electrically connected to a cable 1.4 and to the first contact element 1.13.
  • the slip ring brush 1.1 is designed so that the sliding contact 1.12 the extension direction of the slip ring brush 1.1 in the FIG. 2 following to the right, between the holder 1.3 and the first contact element 1.13 is arranged.
  • the first component group 1 comprises a housing 1.2, which has, inter alia, three metal struts extending in the axial direction 1.21, one of the struts, as explained below, serving as the second contact element 1.21a.
  • the second contact element 1.21 a is formed in the presented embodiment as an axially extending strut for mechanical reinforcement of the first group of components 1.
  • the housing 1.2 inter alia, the holder 1.3 and the slip ring brushes 1.1 are arranged.
  • the first component group 1 and the second component group 2 are arranged rotatably relative to each other by means of rolling bearings 3.
  • the slip ring unit can be mounted according to the embodiment in a nacelle of a wind turbine and used to transmit electrical currents in the sense of signals.
  • the signals are needed, for example, to control electric drives or electric motors which serve to adjust the angle of attack of the rotor blades.
  • an electric current for power supply via the slip ring unit to electric drives or electric motors, which serve to adjust the angle of attack of the rotor blades, are transmitted.
  • Such drive motors are mounted in the rotor hub of the wind turbine and thus rotate with the wind turbine rotor.
  • the first group of components 1 of the slip ring unit is thus rotationally connected to the nacelle.
  • the sliding contacts are 1.12 on the surface of a slip ring 2.1, wherein the arms are 1.11 elastically deformed so that they are radially biased and ensure a contact force within defined limits. Accordingly, take the two sliding contacts 1.12 one and the same slip ring brush 1.1 in the relaxed state a smaller distance from one another than in the installed state, when the sliding contact 1.12 abut one and the same slip ring 2.1.
  • the thickness of the sliding contact 1.12 decreases as a result of the wear occurring.
  • the sliding contacts 1.12 shift when worn along a curved line L relative to the holder 1.3.
  • the sliding contacts 1.12 slowly perform a movement along a circular line.
  • the first component group 1 can be designed so that the distance r between the sliding contact 1.12 and the region of the slip ring brush 1.1, which is fastened to the holder 1.3, is smaller than the distance R between the first contact element 1.13 and the region of the slip ring brush 1.1, which is attached to the holder 1.3.
  • the contact point between the first contact element 1.13 and the second contact element 1.21 a is considered to be relevant.
  • the arm 1.11 along the curved line L which has a circular shape, pivotally.
  • the distance r or the first radius starting from the center of the associated circle to the sliding contact 1.12 is smaller than the distance R or the second radius to the first contact element 1.13.
  • the first contact element 1.13 is displaced by a second path length B relative to the holder 1.3.
  • the first path length b is smaller than the second path length B.
  • the path lengths B, b have circular arc segment geometries, the two circular arc segments having different radii corresponding to the distances r, R.
  • the slip ring brush is shown in a position from which the predetermined degree of wear is reached, so that an electrical contact between the first contact element 1.13 and the second contact element 1.21a is made. In this position, an electrical warning signal is generated by an electronic circuit 1.5. Subsequently, the operator is made aware of the high degree of wear, for example, by a display attached to an outside of the housing 1.2 or by a radio signal on the state of wear.
  • the first contact element 1.13 is designed comparatively flexible, so that even during the operating state in which there is a contact between the first contact element 1.13 and the second contact element 1.21a, it is ensured that the much greater spring force of the arm 1.11 further a contact force of the sliding contact 1.12 within the defined limits. Accordingly, the slip ring unit can continue to operate safely even after the warning for a certain time.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit umfassend eine erste Bauteilgruppe (1) und eine zweite Bauteilgruppe (2). Die erste Bauteilgruppe (1) weist eine Schleifringbürste (1.1), die einen Arm (1.11), einen Schleifkontakt (1.12) und ein erstes Kontaktelement (1.13) umfasst, auf. Zudem weist die erste Bauteilgruppe (1) einen Halter (1.3) und ein zweites Kontaktelement (1.21 a) auf. Die Schleifringbürste (1.1) ist am Halter (1.3) befestigt und der Schleifkontakt (1.12) ist unverschieblich am Arm (1.11) festgelegt. Die zweite Bauteilgruppe (2) weist einen Schleifring (2.1) auf, wobei der Schleifkontakt (1.12) am Schleifring (2.1) anliegt und die erste Bauteilgruppe (1) so konfiguriert ist, dass sich der Schleifkontakt (1.12) bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie (L) relativ zum Halter (1.3) verlagert, wobei ab einem vorbestimmten Verschleißgrad des Schleifkontakts (1.12) ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement (1.13) und dem zweiten Kontaktelement (1.21 a) vorliegt. (Figur 2)

Description

    GEBIET DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit zum Übertragen eines elektrischen Stroms zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilgruppen, gemäß dem Anspruch 1 beziehungsweise dem Anspruch 13.
  • 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.
  • 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.
  • Gerade bei derart hochwertigen Anlagen oder Maschinen ist es wichtig, dass deren Verfügbarkeit nicht durch die Schleifringeinheit reduziert wird.
    • STAND DER TECHNIK
  • 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.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifringeinheit zu schaffen, deren Zustand auf einfache und wirtschaftliche Weise überwacht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 beziehungsweise 13 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Mit Vorteil kann der Arm entlang einer gekrümmten Linie entsprechend einer kreisform schwenkbar sein.
  • 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.
  • 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.
  • Häufig wird die erste Bauteilgruppe als Stator eingesetzt, während die zweite Bauteilgruppe als Rotor arbeitet.
  • 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.
  • 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.
  • Die Schleifringeinheit kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die mehreren Schleifringe in Richtung der Achse zueinander versetzt angeordnet sind.
  • 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.
  • 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.
  • Mit Vorteil umfasst die Schleifringbürste einen Isolierkörper, an welchem das erste Kontaktelement befestigt ist. Insbesondere kann der Isolierkörper am Arm befestigt sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Schleifringeinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen die
    • Figur 1
    eine Längsschnittdarstellung einer Schleifringeinheit,
    Figur 2
    eine Querschnittdarstellung der Schleifringeinheit,
    Figur 3
    eine Detaildarstellung mit einer Schleifringbürste, bevor ein vorbestimmter Verschleißgrad eines Schleifkontakts erreicht ist,
    Figur 4
    eine Detaildarstellung mit der Schleifringbürste, zu einem Zeitpunkt, an dem der vorbestimmte Verschleißgrad des Schleifkontakts erreicht ist.
    BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Gemäß der Figur 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Figur 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 Figur 2 nach rechts hin folgend, zwischen dem Halter 1.3 und dem ersten Kontaktelement 1.13 angeordnet ist.
  • 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 1.21 a dient. Das zweite Kontaktelement 1.21 a 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.
  • Die erste Bauteilgruppe 1 und die zweite Bauteilgruppe 2 sind mit Hilfe von Wälzlagern 3 relativ zueinander drehbar angeordnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Schleifkontakt 1.12 an ein und demselben Schleifring 2.1 anliegen.
  • 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.
  • 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 1.21 a 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.
  • 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.
  • 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 1.21 a hergestellt. In der Figur 3 ist mit der gestrichelten Linie auf dem Schleifkontakt 1.12 die Kontur dargestellt, ab der ein Kontakt eintreten wird.
  • In der Figur 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.
  • 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.

Claims (14)

  1. Schleifringeinheit umfassend eine erste Bauteilgruppe (1) und eine zweite Bauteilgruppe (2), wobei die Bauteilgruppen (1, 2) um eine Achse (A) relativ zueinander drehbar angeordnet sind, wobei
    - die erste Bauteilgruppe (1)
    ¬ eine Schleifringbürste (1.1), die einen Arm (1.11), einen Schleifkontakt (1.12) und ein erstes Kontaktelement (1.13) umfasst,
    ¬ einen Halter (1.3) und
    ¬ ein zweites Kontaktelement (1.21a) aufweist, wobei die Schleifringbürste (1.1) am Halter (1.3) befestigt ist und der Schleifkontakt (1.12) unverschieblich am Arm (1.11) festgelegt ist,
    - die zweite Bauteilgruppe (2) einen Schleifring (2.1) aufweist, wobei der Schleifkontakt (1.12) am Schleifring (2.1) anliegt und die erste Bauteilgruppe (1) so konfiguriert ist, dass sich der Schleifkontakt (1.12) bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie (L) relativ zum Halter (1.3) verlagert, wobei ab einem vorbestimmten Verschleißgrad des Schleifkontakts (1.12) ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement (1.13) und dem zweiten Kontaktelement (1.21a) vorliegt.
  2. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 1, wobei entlang des Arms (1.11) der Schleifkontakt (1.12) zwischen dem Halter (1.3) und dem ersten Kontaktelement (1.13) angeordnet ist.
  3. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich bei gegebenem Verschleißgradfortschritt der Schleifkontakt (1.12) um eine erste Weglänge (b) entlang der gekrümmten Linie (L) relativ zum Halter (1.3) verlagert und das erste Kontaktelement (1.13) sich um eine zweite Weglänge (B) relativ zum Halter (1.3) verlagert, wobei die erste Weglänge (b) kleiner ist als die zweite Weglänge (B).
  4. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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.
  5. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arm (1.11) und das erste Kontaktelement (1.13) biegeelastisch ausgestaltet sind, wobei der Schleifkontakt (1.12) vor Erreichen der des vorbestimmten Verschleißgrades unter elastischer Vorspannung des Arms (1.11) am Schleifring (2.1) anliegt und die die Biegeelastizität des ersten Kontaktelements (1.13) so bemessen ist, dass der Schleifkontakt (1.12) auch nach Erreichen des vorbestimmten Verschleißgrads des Schleifkontakts (1.12) am Schleifring (2.1) anliegt.
  6. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arm (1.11) und das zweite Kontaktelement (1.21 a) biegeelastisch ausgestaltet sind, wobei der Schleifkontakt (1.12) vor Erreichen der des vorbestimmten Verschleißgrades unter elastischer Vorspannung des Arms (1.11) am Schleifring (2.1) anliegt und die Biegeelastizität des zweiten Kontaktelements (1.21a) so bemessen ist, dass der Schleifkontakt (1.12) auch nach Erreichen des vorbestimmten Verschleißgrads des Schleifkontakts (1.12) am Schleifring (2.1) anliegt.
  7. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schleifringbürste (1.1) einen Isolierkörper (1.15) umfasst, an welchem das erste Kontaktelement (1.13) befestigt ist.
  8. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 6, wobei der Isolierkörper (1.15) am Arm (1.11) befestigt ist.
  9. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Kontaktelement (1.21a) als eine in Axialrichtung verlaufende Strebe zur mechanischen Verstärkung der ersten Bauteilgruppe (1) ausgebildet ist.
  10. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 8, wobei die Strebe elektrisch leitend ausgestaltet ist.
  11. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schleifringbürste (1.1) zwei Arme (1.11) und zwei Schleifkontakte (1.12) umfasst.
  12. Schleifringeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schleifringeinheit eine elektronische Schaltung aufweist, die so konfiguriert ist, dass bei Vorliegen des elektrischen Kontakts zwischen dem ersten Kontaktelement (1.13) und dem zweiten Kontaktelement (1.21a) ein elektrisches Warnsignal erzeugbar ist.
  13. Schleifringeinheit umfassend eine erste Bauteilgruppe (1) und eine zweite Bauteilgruppe (2), wobei die Bauteilgruppen (1, 2) um eine Achse (A) relativ zueinander drehbar angeordnet sind, wobei
    - die erste Bauteilgruppe (1)
    ¬ mehrere Schleifringbürsten (1.1), die jeweils einen Arm (1.11), einen Schleifkontakt (1.12) und ein erstes Kontaktelement (1.13) umfassen,
    ¬ einen Halter (1.3) und
    ¬ ein zweites Kontaktelement (1.21 a) aufweist, wobei
    ¬ die Schleifringbürsten (1.1) am Halter (1.3) befestigt sind und die Schleifkontakte (1.12) jeweils unverschieblich am Arm (1.11) festgelegt sind,
    - die zweite Bauteilgruppe (2) mehrere Schleifringe (2.1) aufweist, wobei
    die Schleifkontakte (1.12) an den Schleifringen (2.1) anliegen und die erste Bauteilgruppe (1) so konfiguriert ist, dass sich die Schleifkontakte (1.12) bei Verschleiß entlang einer gekrümmten Linie (L) relativ zum Halter (1.3) verlagern, wobei ab einem vorbestimmten Verschleißgrad des jeweiligen Schleifkontakts (1.12) ein elektrischer Kontakt zwischen dem jeweiligen ersten Kontaktelement (1.13) und dem zweiten Kontaktelement (1.21 a) vorliegt.
  14. Schleifringeinheit gemäß dem Anspruch 11, wobei die Schleifringeinheit eine elektronische Schaltung aufweist, die so konfiguriert ist, dass bei Vorliegen eines elektrischen Kontakts zwischen einem der ersten Kontaktelemente (1.13) und dem zweiten Kontaktelement (1.21a) ein elektrisches Warnsignal erzeugbar ist.
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