WO2005062432A1 - Slip-ring arrangement - Google Patents

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WO2005062432A1
WO2005062432A1 PCT/EP2004/053385 EP2004053385W WO2005062432A1 WO 2005062432 A1 WO2005062432 A1 WO 2005062432A1 EP 2004053385 W EP2004053385 W EP 2004053385W WO 2005062432 A1 WO2005062432 A1 WO 2005062432A1
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WO
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slip ring
ring arrangement
current transmission
arrangement according
liquid metal
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/053385
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German (de)
French (fr)
Inventor
Lars Lauer
Norman Perner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K31/00—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors
    • H02K31/04—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors with at least one liquid-contact collector
    • 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
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/30—Liquid contacts
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    • 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
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    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/003—Structural associations of slip-rings
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    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/08—Slip-rings
    • H01R39/12—Slip-rings using bearing or shaft surface as contact surface

Definitions

  • the invention relates to a slip ring arrangement for an electrical machine with a stator and a rotor, a fixed part with a current transmission surface and a part rotating with respect to this part being provided with a further current transmission surface separated by a gap
  • Slip arrangements serve for the current transmission between the fixed and rotating part of a rotating electrical machine.
  • the magnet wheels and turbo rotor hold two slip rings for direct current transmission.
  • Induction machines with slip ring rotors receive two or three slip rings depending on the type of current.
  • Each ring is provided with a secure electrical connection for the winding of the rotor and is positioned together with the other rings on a support body.
  • the slip rings must be insulated against each other and against the supporting body.
  • the power supply lines must also be securely insulated.
  • Power is essentially transferred via brushes. This leads to brush wear, which also results in electrically conductive dust deposits that get into the engine compartment and can therefore lead to damage. As a result of this brush wear, a regular brush change must also be provided.
  • DE 1 613 118 discloses a dynamoelectric machine with a current collector made of liquid metal, a rotor being provided which has a circumferential current transmission surface and a stator which has a stationary current transmission surface which is from said surface
  • Circumferential current transmission surface is arranged at a predetermined distance, so that a gap is formed, the can be charged with a conductive liquid metal during operation.
  • nozzles are provided in order to circulate the liquid metal.
  • an electrical contact device of a machine in particular a unipolar machine, is known with machine parts which are arranged concentrically to one axis and are movable relative to one another, between which an annular air gap is formed which contains a contact liquid in a contact zone, via an electromagnetic Wanderfeld contact liquid is kept in the contact zone.
  • a disadvantage here is the respective design effort of such a guide device for the liquid metal.
  • the object of the invention is to create a simplified slip ring arrangement which is less maintenance-intensive and also simple and therefore inexpensive to manufacture.
  • the problem is solved in that the liquid metal alloy by capillary action in the gap that rotates between the fixed part with a current transmission surface and a part that rotates relative to this part
  • Part is held with a further current transmission surface, and / or results by means of capillary action through adjustable surface modification of the elements adjacent to the current transmission surfaces, such that the liquid metal alloy is prevented from unintentionally escaping from the gap.
  • the surfaces of the elements adjacent to the current transmission surfaces are annealed, e.g. modified in a vacuum oven so that the wetting properties of the liquid metal alloy according to the invention result from this.
  • Gap that results between the respective current transmission surfaces can also be achieved by coating the surfaces in the region of the gap, especially at the end regions of the elements at the transition to the respective current transmission surfaces, in order to achieve a contact angle which is as unfavorable as possible with respect to the liquid metal alloy.
  • the liquid metal alloy is thus specifically prevented from emerging from the gap between the respective corresponding current transmission surfaces.
  • the surfaces of the coated elements thus also achieve a sealing effect with respect to the gap.
  • the design effort according to the invention eliminates the structural effort to keep the liquid metal alloy permanently in its gap in the area of the opposite current transmission surfaces of the fixed and rotating part.
  • the capillary action or the wetting is advantageously achieved on the side of the elements of the current transmission surfaces facing the liquid metal alloy.
  • materials such as molybdenum are used.
  • wetting can also be done by shaping the current Transmission surfaces can be influenced in a targeted manner, in particular by reducing the width of the respective outer regions of the gap of the current transmission surfaces and / or subjecting them to suitable material treatments.
  • the required seal against leakage of the liquid metal alloy is thus influenced by the chemical composition of the liquid metal alloy, the geometry of the gap between the current transmission surfaces and the nature of the surface material of the elements which also form a gap. Furthermore, the wetting or the capillary action according to the invention can also be achieved by the sum or any combination of these measures.
  • the slip ring arrangement has current transmission surfaces which are arranged axially one behind the other and are electrically isolated from one another. Each sub-arrangement is intended for the transmission of current in each case one phase.
  • the current transmission surfaces assigned to the respective phases are to be galvanically separated from one another by suitable means in order to avoid short circuits.
  • Such a slip ring arrangement is advantageously constructed in a modular manner, a module representing a partial arrangement, a current transmission area or an insulation washer, so that in order to obtain the entire slip ring arrangement, a slip ring arrangement according to the invention is created by axially arranging these modules on a support body.
  • Insulation rings are advantageously used as insulation between the individual current transmission surfaces.
  • heating or cooling the liquid alloy must be provided in order to ensure optimal operation of the slip ring arrangement Afford.
  • adapted heating coils or cooling coils in the liquid alloy or in the adjacent parts can be provided as heating. It is also possible to heat the liquid alloy only temporarily, and as soon as the unusual operating state is no longer present, this heating and / or cooling can be switched off.
  • a circuit of the liquid metal alloy can also be set up, which ensures the current transfer function under the sealing effect according to the invention and thereby fulfills cooling or heating functions.
  • Galium, indium, tin or selenium compounds have proven to be particularly advantageous liquid metal alloys.
  • a particularly simple and maintenance-friendly arrangement results if the slip ring arrangement can be used at ambient pressure.
  • the oxidation effects of the liquid metal that occur can include can be avoided by operating the slip ring arrangement in a protective gas atmosphere.
  • the slip ring arrangement is sealed off from the atmosphere on the basis of magnetically conductive liquids such as, for example, ferrofluids.
  • magnetically conductive liquids such as, for example, ferrofluids.
  • Mechanical seals such as brush seals or radial shaft seals are also suitable for sealing.
  • FIG 3-10 different slip ring arrangements with their respective positioning on an electrical machine.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated slip ring arrangement with fixed, electrically and electrically insulating outer parts.
  • the electrically conductive outer parts 1 are advantageously galvanically separated from one another by insulating washers 4, so that short circuits between the phases of the fixed outer parts 1 are avoided.
  • Rotating inner parts 2 and 5 correspond to the fixed outer parts 1 and 4, so that current can be transmitted between the outer part 1 and the inner part 2 via the liquid metal alloy 3.
  • the current transmitted to the rotating inner parts 2 is, as not shown in detail, passed on to the respective windings of a rotor 7 shown in FIGS. 3 to 10 of an electrical machine (not shown in more detail).
  • the geometry of the gap is determined, among other things, by the surface tension of the liquid metal alloy and the material rial of the surface of the insulating washers 4, 5 the magnitude of the force F which is directed into the interior of the liquid metal alloy 3.
  • Adhesive force FA is the force that acts on the liquid metal alloy 3 from the surface of the insulating discs 4, 5.
  • a cohesive force FK is a cohesive force that acts within the liquid metal alloy 3 between the individual molecules of the liquid metal alloy 3.
  • FIG 3 shows a slip ring arrangement lying outside a rotor 7 without its own bearing using the bearings 6 of the electrical machine.
  • the positioning of the fixed part, that is, the outer parts 1, 4 to the rotating part, that is to say the inner parts 2, 5 of the slip ring arrangement takes place via the tolerance chain of the shaft 8 of the bearing 6 and other components which may be located in between.
  • the slip ring arrangement does not have its own storage.
  • the slip ring arrangement is located outside the rotor 7 with its own hydrodynamic bearing 13.
  • the fixed part is positioned relative to the rotating part of the slip ring arrangement via the hydrodynamic bearing 13.
  • the liquid metal alloy 3 takes on bearing properties and at the same time transfers the electrical current.
  • a torque arm 12 prevents the stationary parts from rotating as well.
  • the storage properties are achieved by suitable structures of the surfaces of the fixed parts and rotating parts.
  • the slip ring arrangement is designed to lie outside the rotor 7 with its own rolling bearing.
  • the fixed parts are positioned relative to the rotating part of the slip ring arrangement via roller bearings 14.
  • the liquid metal alloy 3 transfers the electric current from the fixed part to the rotating part.
  • a torque arm 12 prevents the stationary parts from rotating as well.
  • FIG. 6 shows a slip ring arrangement which is located on the inside of a rotor 7, i.e. is arranged within the bearings of the rotor 7 with its own rolling bearing 14.
  • the fixed part 1 is positioned relative to the rotating part 2 of the slip ring arrangement via the roller bearings 14.
  • the liquid metal alloy 3 transmits the electrical current.
  • a torque arm 12 prevents the fixed part from rotating as well. With this arrangement, the axial length extension of the electrical machine is reduced and, above all, no electrical leads are to be led through a hollow shaft or through special bushings of the bearings 6.
  • 7 shows a slip ring arrangement which is located on the inside of a rotor 7, i.e. is arranged within the bearing points of the rotor 7, without its own bearing using the bearings 6 of the rotor 7. The positioning of the fixed part relative to the rotating part of the slip ring arrangement takes place via the tolerance chain of the shaft 8 of the bearing 6 and possibly other components which may be present , This slip ring arrangement does not have its own storage
  • FIG. 8 shows a slip ring arrangement which is arranged on the inside in the rotor 7 and has its own hydrodynamic bearing.
  • the liquid metal alloy 3 takes over storage properties in an area with very narrow gaps and at the same time transmits the electric current.
  • a torque arm 12 prevents the fixed part 1 from rotating as well. It is advantageous here that no line has to be led through a possible hollow shaft to the rotor 7. In addition, the axial length is reduced compared to the previous arrangements.
  • 9 shows a slip ring arrangement with a seal 15 against atmospheric influences, which can also be used without problems in the previous embodiments of slip ring arrangements according to the invention.
  • the seal 15 can be based on magnetic liquids or other gases. It is crucial that there is no contact between the atmosphere and the liquid metal alloy 3. In the space 16 between the seal and the power transmission there can be a gas or a liquid under excess or negative pressure which does not chemically react with the liquid metal alloy 3. There is also no vacuum in this space 16.
  • FIG. 10 shows a liquid metal transmitter with a seal 15 against the atmosphere and a device against the penetration of foreign bodies.
  • This arrangement which can also be used in the other previous arrangements, shows a seal 15 according to FIG. 9 and also an additional seal 18, which can be designed as a labyrinth seal, brush seal or radial shaft seal.
  • slip ring arrangements described so far are arranged coaxially; they can also be designed according to a disc rotor.
  • slip ring arrangements can be used in all applications of electrical machines with slip ring arrangements, in particular for wind turbines.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

The invention relates to a slip-ring arrangement for an electric machine comprising a stator and a rotor (7). According to the invention, a fixed part (1) comprising a current transmission surface and a part (2), which rotates in relation to said part and which comprises another current transmission surface, are separated by a gap which contains a liquid metal alloy (3) and which is used to transfer current between the fixed part and the part which rotates with the rotor (7). The liquid metal alloy (3) is maintained between the current transmission surfaces by means of capillary action of the gap.

Description

Beschreibungdescription
SchleifrmganordnungSchleifrmganordnung
Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei ein feststehendes Teil mit einer Stromubertragungsflache und ein gegenüber diesem Teil rotierendes Teil mit einer weiteren Stromubertragungsflache getrennt durch einen Spalt vorgesehenThe invention relates to a slip ring arrangement for an electrical machine with a stator and a rotor, a fixed part with a current transmission surface and a part rotating with respect to this part being provided with a further current transmission surface separated by a gap
Schleifπnganordnungen dienen der Stromübertragung zwischen feststehendem und rotierendem Teil einer rotierenden elektrischen Maschine. Polräder und Turboläufer halten zur Gleich- Stromübertragung 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 Tragkorper zu isolieren. Auch die Stromzuführungen müssen ei- ne sichere Isolation erhalten.Slip arrangements serve for the current transmission between the fixed and rotating part of a rotating electrical machine. The magnet wheels and turbo rotor hold two slip rings for direct current transmission. Induction machines with slip ring rotors receive two or three slip rings depending on the type of current. Each ring is provided with a secure electrical connection for the winding of the rotor and is positioned together with the other rings on a support body. In any case, the slip rings must be insulated against each other and against the supporting body. The power supply lines must also be securely insulated.
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.Power is essentially transferred via brushes. This leads to brush wear, which also results in electrically conductive dust deposits that get into the engine compartment and can therefore lead to damage. As a result of this brush wear, a regular brush change must also be provided.
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 Umfangsstromübertra- gungsoberflache aufweist, und ein Stator der eine stationäre Stromübertragungsoberfläche aufweist, die von der besagtenDE 1 613 118 discloses a dynamoelectric machine with a current collector made of liquid metal, a rotor being provided which has a circumferential current transmission surface and a stator which has a stationary current transmission surface which is from said surface
Umfangsstromübertragungsoberflache 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.Circumferential current transmission surface is arranged at a predetermined distance, so that a gap is formed, the can be charged with a conductive liquid metal during operation. In this case, nozzles are provided in order to circulate the liquid metal.
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 Kon- taktflüssigkeit enthält, wobei über ein elektromagnetisches Wanderfeld Kontaktflüssigkeit in der Kontaktzone gehalten wird.From DE 24 16 765 an electrical contact device of a machine, in particular a unipolar machine, is known with machine parts which are arranged concentrically to one axis and are movable relative to one another, between which an annular air gap is formed which contains a contact liquid in a contact zone, via an electromagnetic Wanderfeld contact liquid is kept in the contact zone.
Nachteilig dabei ist der jeweilige konstruktive Aufwand der- artiger Führungseinrichtung für das flüssige Metall.A disadvantage here is the respective design effort of such a guide device for the liquid metal.
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Schleifringanordnung zu schaffen, die weniger wartungsintensiv als auch einfach und damit kostengünstig herzustellen ist.Accordingly, the object of the invention is to create a simplified slip ring arrangement which is less maintenance-intensive and also simple and therefore inexpensive to manufacture.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die FlussigmetalUegierung durch Kapillarwirkung in dem Spalt, der sich zwischen dem feststehenden Teil mit einer Stromüber- tragungsfläche und einem gegenüber diesem Teil rotierendenThe problem is solved in that the liquid metal alloy by capillary action in the gap that rotates between the fixed part with a current transmission surface and a part that rotates relative to this part
Teil mit einer weiteren Stromubertragungsflache gehalten ist, und/oder sich mittels Kapillarwirkung durch einstellbare Oberflächenmodifikation der an die Stromübertragungsflächen angrenzenden Elemente ergibt, derart, dass die Flüssigmetalllegierung an ihrem ungewollten Austritt aus dem Spalt gehindert wird.Part is held with a further current transmission surface, and / or results by means of capillary action through adjustable surface modification of the elements adjacent to the current transmission surfaces, such that the liquid metal alloy is prevented from unintentionally escaping from the gap.
Es ist somit keine Förderung einer FlussigmetalUegierung o- der eines Flüssigmetalls z.B. aus einem Vorratsbehälter in den Spalt vorzusehen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Abdichtung wird ein ungewollter Austritt der FlussigmetalUegierung aus dem Spalt zwischen den jeweils korrespondierenden Stromübertragungsflächen vermieden.It is therefore not necessary to provide for a liquid metal alloy or a liquid metal, for example from a storage container into the gap. Due to the sealing according to the invention, an unwanted leakage of the liquid metal alloy occurs avoided from the gap between the corresponding current transmission surfaces.
Einerseits werden die Oberflächen der an die Stromübertra- gungsflachen angrenzenden Elemente unter Glühen, z.B. in einem Vakuumofen so modifiziert, dass daraus die erfindungsgemäßen Benetzungseigenschaften der FlussigmetalUegierung resultieren.On the one hand, the surfaces of the elements adjacent to the current transmission surfaces are annealed, e.g. modified in a vacuum oven so that the wetting properties of the liquid metal alloy according to the invention result from this.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Abdichtung desIn a further embodiment, the sealing of the
Spaltes, der sich zwischen den jeweiligen Stromübertragungsflächen ergibt auch erreicht werden, indem die Oberflächen im Bereich des Spaltes vor allem an den Endbereichen der Elemente am Übergang zu den jeweiligen Stromübertragungsflächen be- schichtet werden, um dort einen gegenüber der Flüssigmetalllegierung möglichst ungünstigen Kontaktwinkel zu erzielen. Damit wird die FlussigmetalUegierung gezielt am Austreten aus dem Spalt zwischen den jeweiligen korrespondierenden Stromübertragungsflächen gehindert. Die Oberflächen der be- schichteten Elemente erzielen somit ebenfalls eine Dichtwirkung bzgl. des Spaltes.Gap that results between the respective current transmission surfaces can also be achieved by coating the surfaces in the region of the gap, especially at the end regions of the elements at the transition to the respective current transmission surfaces, in order to achieve a contact angle which is as unfavorable as possible with respect to the liquid metal alloy. The liquid metal alloy is thus specifically prevented from emerging from the gap between the respective corresponding current transmission surfaces. The surfaces of the coated elements thus also achieve a sealing effect with respect to the gap.
Es können auch Beschichtungen dieser an die Stromübertragungsflächen angrenzenden Elemente durch weitere an sich be- kannte Beschichtungsverfahren wie z.B. Galvanisieren oder Materialbehandlungsverfahren erfolgen. Gegenüber herkömmlichen Konstruktionen entfällt durch die erfindungsgemäße Ausführung der konstruktive Aufwand die FlussigmetalUegierung im Bereich der gegenüberliegenden Stromübertragungsflächen des feststehenden und rotierenden Teils in ihrem Spalt dauerhaft zu halten.It is also possible to coat these elements adjoining the current transmission surfaces by means of further known coating processes, such as Electroplating or material treatment processes take place. Compared to conventional constructions, the design effort according to the invention eliminates the structural effort to keep the liquid metal alloy permanently in its gap in the area of the opposite current transmission surfaces of the fixed and rotating part.
Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung bzw. die Benetzung an den der FlussigmetalUegierung zugewandten Seite der Elemente der Stromübertragungsflächen erreicht. Dabei werden insbesondere Materialien wie z.B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Benetzung auch durch Formgebung der Strom- Übertragungsflächen gezielt beeinflusst werden, indem insbesondere die jeweiligen Außenbereiche des Spaltes der Stromübertragungsflächen in ihrer Weite verringert und/oder geeigneten Materialbehandlungen unterzogen wird.The capillary action or the wetting is advantageously achieved on the side of the elements of the current transmission surfaces facing the liquid metal alloy. In particular, materials such as molybdenum are used. Furthermore, wetting can also be done by shaping the current Transmission surfaces can be influenced in a targeted manner, in particular by reducing the width of the respective outer regions of the gap of the current transmission surfaces and / or subjecting them to suitable material treatments.
Die erforderliche Abdichtung gegenüber einem Austritt der FlussigmetalUegierung wird somit durch die chemische Zusammensetzung der FlussigmetalUegierung, der Geometrie des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen und der Be- schaffenheit des Oberflächenmaterials der Elemente die ebenfalls einen Spalt bilden, beeinflusst. Des Weiteren kann auch durch die Summe oder eine beliebige Kombination dieser Maßnahmen die Benetzung bzw. die erfindungsgemäße Kapillarwirkung erzielt werden.The required seal against leakage of the liquid metal alloy is thus influenced by the chemical composition of the liquid metal alloy, the geometry of the gap between the current transmission surfaces and the nature of the surface material of the elements which also form a gap. Furthermore, the wetting or the capillary action according to the invention can also be achieved by the sum or any combination of these measures.
Insbesondere bei einer mehrphasigen Schleifringanordnung weist die Schleifringanordnung axial hintereinander angeordnete, galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflächen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung je- weils 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 Teilan- Ordnung, eine Stromubertragungsflache 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.In particular in the case of a multiphase slip ring arrangement, the slip ring arrangement has current transmission surfaces which are arranged axially one behind the other and are electrically isolated from one another. Each sub-arrangement is intended for the transmission of current in each case one phase. The current transmission surfaces assigned to the respective phases are to be galvanically separated from one another by suitable means in order to avoid short circuits. Such a slip ring arrangement is advantageously constructed in a modular manner, a module representing a partial arrangement, a current transmission area or an insulation washer, so that in order to obtain the entire slip ring arrangement, a slip ring arrangement according to the invention is created by axially arranging these modules on a support body.
Vorteilhafterweise werden als Isolierung zwischen den einzelnen Stromübertragungsflächen Isolierringe verwendet.Insulation rings are advantageously used as insulation between the individual current transmission surfaces.
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 gewähr- leisten. 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 Flüssigkeitsle- gierung möglich, und sobald der außergewöhnliche Betriebszustand nicht mehr vorliegt, kann diese Heizung und/oder Kühlung abgeschaltet werden.Particularly when the slip ring arrangement is at a standstill or the arrangement is operated for a prolonged period, means for heating or cooling the liquid alloy must be provided in order to ensure optimal operation of the slip ring arrangement Afford. Correspondingly adapted heating coils or cooling coils in the liquid alloy or in the adjacent parts can be provided as heating. It is also possible to heat the liquid alloy only temporarily, and as soon as the unusual operating state is no longer present, this heating and / or cooling can be switched off.
Gegebenenfalls kann dadurch ein gewollter kurzeitiger Aus- tritt zumindest von Teilen der FlussigmetalUegierung aus dem Spalt erwünscht sein. Es kann auch ein Kreislauf der FlussigmetalUegierung eingerichtet sein, der die Stromübertragungsfunktion unter der erfindungsgemäßen Dichtwirkung gewährleistet und dabei Kühl- oder Heizfunktionen erfüllt.If necessary, an intentional short-term exit of at least parts of the liquid metal alloy from the gap may be desired. A circuit of the liquid metal alloy can also be set up, which ensures the current transfer function under the sealing effect according to the invention and thereby fulfills cooling or heating functions.
Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalllegierungen haben sich Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen herausgestellt .Galium, indium, tin or selenium compounds have proven to be particularly advantageous liquid metal alloys.
Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung ergibt sich, wenn die Schleifringanordnung bei Umgebungsdruck eingesetzt werden kann. Die dabei auftretenden Oxidationsef- fekte des Flüssigkeitsmetalls können u.a. vermieden werden, indem die Schleifringanordnung in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet.A particularly simple and maintenance-friendly arrangement results if the slip ring arrangement can be used at ambient pressure. The oxidation effects of the liquid metal that occur can include can be avoided by operating the slip ring arrangement in a protective gas atmosphere.
Eine weitere Möglichkeit die Schleifringanordnung zu betreiben ist bei Über- oder Unterdruck wodurch auch eventuelle Oxidation verringert werden kann. Die Abdichtung der Schleif- ringanordnung 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:Another possibility to operate the slip ring arrangement is with overpressure or underpressure, which can also reduce possible oxidation. In a further embodiment of the invention, the slip ring arrangement is sealed off from the atmosphere on the basis of magnetically conductive liquids such as, for example, ferrofluids. Mechanical seals such as brush seals or radial shaft seals are also suitable for sealing. The invention and further advantageous refinements of the invention are explained in more detail in the schematically illustrated exemplary embodiments in the drawing. It shows:
FIG 1 erfindungsgemäße Schleifringanordnung,1 slip ring arrangement according to the invention,
FIG 2 Detailansicht eines Spaltes,2 detailed view of a gap,
FIG 3-10 verschiedenen Schleifringanordnungen mit ihrer jeweiligen Positionierung an einer elektrischen Maschine.FIG 3-10 different slip ring arrangements with their respective positioning on an electrical machine.
FIG 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 FlussigmetalUegierung 3 erfolgen kann. Der auf die rotierenden Innenteile 2 übertragene Strom wird, wie nicht näher dargestellt, über Zuleitungen den jeweiligen Wicklungen eines in FIG 3 bis 10 dargestellten Rotors 7 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine weitergeleitet.1 shows a schematically illustrated slip ring arrangement with fixed, electrically and electrically insulating outer parts. The electrically conductive outer parts 1 are advantageously galvanically separated from one another by insulating washers 4, so that short circuits between the phases of the fixed outer parts 1 are avoided. Rotating inner parts 2 and 5 correspond to the fixed outer parts 1 and 4, so that current can be transmitted between the outer part 1 and the inner part 2 via the liquid metal alloy 3. The current transmitted to the rotating inner parts 2 is, as not shown in detail, passed on to the respective windings of a rotor 7 shown in FIGS. 3 to 10 of an electrical machine (not shown in more detail).
FIG 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spaltes mit den auftretenden Kräften auf die FlussigmetalUegierung 3. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft FK resultierende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssig- metalls 3. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche der FlussigmetalUegierung 3. Der Winkel α bezeichnet den Kontaktwinkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft F wirkt dem Bestreben der FlussigmetalUegierung aus dem Spalt auszutreten entgegen.2 shows an enlarged section of the gap with the forces acting on the liquid metal alloy 3. The force F resulting from the adhesive force FA and the cohesive force FK is perpendicular to the surface of the liquid metal 3. The force F thereby forms the surface of the liquid metal alloy 3 The angle α denotes the contact angle. The effect of the resulting force F counteracts the efforts of the liquid metal alloy to exit the gap.
Die Geometrie des Spaltes bestimmt unter anderem mit der Oberflächenspannung der FlussigmetalUegierung und dem Mate- rial der Oberfläche der Isolierscheiben 4,5 die Größe der Kraft F, die in das Innere der FlussigmetalUegierung 3 gerichtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Isolierscheiben 4 als auch der chemischen Zusammensetzung der FlussigmetalUegierung 3 kann somit der Austritt der FlussigmetalUegierung 3 aus dem Spalt verhindert werden. Dabei wird mit Adhäsionskraft FA die Kraft bezeichnet, die von der Oberfläche der I- solierscheiben 4,5 auf die FlussigmetalUegierung 3 wirkt. Als Kohäsionskraft FK wird eine Zusammenhangskraft bezeichnet, die innerhalb der FlussigmetalUegierung 3 zwischen den einzelnen Molekülen der FlussigmetalUegierung 3 wirkt.The geometry of the gap is determined, among other things, by the surface tension of the liquid metal alloy and the material rial of the surface of the insulating washers 4, 5 the magnitude of the force F which is directed into the interior of the liquid metal alloy 3. The design of the gap and the selection of the surface material of the insulating washers 4 and the chemical composition of the liquid metal alloy 3 can thus prevent the liquid metal alloy 3 from escaping from the gap. Adhesive force FA is the force that acts on the liquid metal alloy 3 from the surface of the insulating discs 4, 5. A cohesive force FK is a cohesive force that acts within the liquid metal alloy 3 between the individual molecules of the liquid metal alloy 3.
FIG 3 zeigt eine außerhalb eines Rotors 7 liegende Schleif- ringanordnung 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.3 shows a slip ring arrangement lying outside a rotor 7 without its own bearing using the bearings 6 of the electrical machine. In this arrangement, the positioning of the fixed part, that is, the outer parts 1, 4 to the rotating part, that is to say the inner parts 2, 5 of the slip ring arrangement, takes place via the tolerance chain of the shaft 8 of the bearing 6 and other components which may be located in between. The slip ring arrangement does not have its own storage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß FIG 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 FlussigmetalUegierung 3 ü- bernimmt 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.In an advantageous embodiment according to FIG. 4, the slip ring arrangement is located outside the rotor 7 with its own hydrodynamic bearing 13. In this slip ring arrangement, the fixed part is positioned relative to the rotating part of the slip ring arrangement via the hydrodynamic bearing 13. The liquid metal alloy 3 takes on bearing properties and at the same time transfers the electrical current. A torque arm 12 prevents the stationary parts from rotating as well. The storage properties are achieved by suitable structures of the surfaces of the fixed parts and rotating parts.
Gemäß FIG 5 ist die Schleifringanordnung außerhalb des Rotors 7 liegend mit einer eigenen Wälzlagerung ausgeführt. Bei die- ser Anordnung erfolgt die Positionierung der feststehenden Teile zum rotierenden Teil der Schleifringanordnung über Wälzlager 14. Die FlussigmetalUegierung 3 überträgt den elektrischen Strom vom feststehenden Teil zum rotierenden Teil. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren der feststehenden Teile.According to FIG. 5, the slip ring arrangement is designed to lie outside the rotor 7 with its own rolling bearing. With this- In this arrangement, the fixed parts are positioned relative to the rotating part of the slip ring arrangement via roller bearings 14. The liquid metal alloy 3 transfers the electric current from the fixed part to the rotating part. A torque arm 12 prevents the stationary parts from rotating as well.
FIG 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 FlussigmetalUegierung 3 überträgt den elektrischen Strom. Eine Drehmomentstütze 12 verhindert ein Mitrotieren des festste- henden Teils. Durch diese Anordnung ist die axiale Längenausdehnung der elektrischen Maschine reduziert und es sind vor allem keine elektrischen Zuleitungen durch eine Hohlwelle o- der durch spezielle Buchsen der Lager 6 zu führen. FIG 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.6 shows a slip ring arrangement which is located on the inside of a rotor 7, i.e. is arranged within the bearings of the rotor 7 with its own rolling bearing 14. The fixed part 1 is positioned relative to the rotating part 2 of the slip ring arrangement via the roller bearings 14. The liquid metal alloy 3 transmits the electrical current. A torque arm 12 prevents the fixed part from rotating as well. With this arrangement, the axial length extension of the electrical machine is reduced and, above all, no electrical leads are to be led through a hollow shaft or through special bushings of the bearings 6. 7 shows a slip ring arrangement which is located on the inside of a rotor 7, i.e. is arranged within the bearing points of the rotor 7, without its own bearing using the bearings 6 of the rotor 7. The positioning of the fixed part relative to the rotating part of the slip ring arrangement takes place via the tolerance chain of the shaft 8 of the bearing 6 and possibly other components which may be present , This slip ring arrangement does not have its own storage.
FIG 8 zeigt eine Schleifringanordnung die innenliegend im Rotor 7 angeordnet ist und eine eigene hydrodynamische Lagerung aufweist. Die FlussigmetalUegierung 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. FIG 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 FlussigmetalUegierung 3 reagiert. Ebenfalls kein ein Vakuum sich in diesem Raum 16 befinden.8 shows a slip ring arrangement which is arranged on the inside in the rotor 7 and has its own hydrodynamic bearing. The liquid metal alloy 3 takes over storage properties in an area with very narrow gaps and at the same time transmits the electric current. A torque arm 12 prevents the fixed part 1 from rotating as well. It is advantageous here that no line has to be led through a possible hollow shaft to the rotor 7. In addition, the axial length is reduced compared to the previous arrangements. 9 shows a slip ring arrangement with a seal 15 against atmospheric influences, which can also be used without problems in the previous embodiments of slip ring arrangements according to the invention. The seal 15 can be based on magnetic liquids or other gases. It is crucial that there is no contact between the atmosphere and the liquid metal alloy 3. In the space 16 between the seal and the power transmission there can be a gas or a liquid under excess or negative pressure which does not chemically react with the liquid metal alloy 3. There is also no vacuum in this space 16.
FIG 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 FIG 9 und des Weiteren eine zusätzliche Dichtung 18, die als Labyrinthdichtung, Bürstendichtung oder Radialwellendichtring ausgeführt werden kann.10 shows a liquid metal transmitter with a seal 15 against the atmosphere and a device against the penetration of foreign bodies. This arrangement, which can also be used in the other previous arrangements, shows a seal 15 according to FIG. 9 and also an additional seal 18, which can be designed as a labyrinth seal, brush seal or radial shaft seal.
Die bisher beschriebenen Schleifringanordnungen sind koaxial angeordnet; sie können ebenfalls gemäß einem Scheibenläufer ausgeführt sein.The slip ring arrangements described so far are arranged coaxially; they can also be designed according to a disc rotor.
Derartige Schleifringanordnungen sind bei sämtlichen Anwendungen elektrischer Maschinen mit Schleifringanordnungen insbesondere für Windkraftanlagen einsetzbar. Such slip ring arrangements can be used in all applications of electrical machines with slip ring arrangements, in particular for wind turbines.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schleifringanordnung für e ne elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (7) , wobei ein feststehendes Teil mit einer Stromubertragungsflache und ein gegenüber diesem Teil rotierendes Teil mit einer weiteren Stromubertragungsflache getrennt durch einen Spalt vorgesehen ist, der eine FlussigmetalUegierung (3) enthält und zur Stromübertragung zwischen dem feststehenden und dem mit dem Rotor mitdrehenden Teil vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die FlussigmetalUegierung (3) durch Kapillarwirkung in dem Spalt, der sich zwischen dem feststehenden Teil mit einer Stromubertragungsflache und einem gegenüber diesem Teil rotierenden Teil mit einer weiteren Stromübertra- gungsfläche gehalten ist, und/oder sich mittels Kapillarwirkung durch einstellbare Oberflächenmodifikation der an die Stromübertragungsflächen angrenzenden Elemente ergibt, derart, dass die FlussigmetalUegierung (3) an ihrem ungewollten Austritt aus dem Spalt gehindert ist.1. Slip ring arrangement for an electrical machine with a stator and a rotor (7), a fixed part with a current transmission surface and a part rotating relative to this part with a further current transmission surface being provided separated by a gap which contains a liquid metal alloy (3) and for the transmission of current between the fixed part and the part rotating with the rotor, characterized in that the liquid metal alloy (3) is caused by capillary action in the gap between the fixed part with a current transmission surface and a part rotating with respect to this part with a further current transmission - Is held surface, and / or results by means of capillary action through adjustable surface modification of the elements adjacent to the current transmission surfaces, such that the liquid metal alloy (3) is prevented from unintentionally escaping from the gap.
2. Schleifringanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese Kapillarwirkung durch zumindest teilweise Benetzung der der FlussigmetalUegierung (3) zugewandten Seiten und/oder Gestaltung der Strom- Übertragungsfläche erreicht wird.2. Slip ring arrangement according to claim 1, so that this capillary effect is achieved by at least partially wetting the sides facing the liquid metal alloy (3) and / or designing the current transmission surface.
3. Schleifringanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel vorhanden sind, die die jeweils korrespondierenden gegenüberliegenden Strom- Übertragungsflächen von anderen derartigen Stromübertragungsflächen galvanisch trennen.3. Slip ring arrangement according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that means are present that galvanically separate the corresponding opposite current transmission surfaces from other such current transmission surfaces.
4. Schleifringanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stromübertragungs- flächen der feststehenden und rotierenden Teile jeweils durch Isolierstoffringe (4,5) voneinander galvanisch getrennt sind. 4. slip ring arrangement according to claim 3, characterized in that the current transmission surfaces of the fixed and rotating parts are each electrically isolated from one another by insulating rings (4, 5).
5. Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel zur Heizung und/oder Kühlung zumindest der Flüssigkeitslegierung vorhanden sind.5. Slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims, that a means for heating and / or cooling of at least the liquid alloy are present.
6. Schleifringanordnung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als FlussigmetalUegierung Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen sind.6. Slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that gallium or indium compounds or a eutectic from the metal components gallium, indium and tin are provided as the liquid metal alloy.
7. Schleifringanordnung nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Schleifringanordnung Umgebungsdruck vorhanden ist.7. slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that ambient pressure is present in the slip ring arrangement.
8. Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Schleifringanordnung Über- oder Unterdruck vor- handen ist.8. slip ring arrangement according to one or more of claims 1 to 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that over or under pressure is present in the slip ring arrangement.
9. Schleif ringanordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Schleif ringanordnung eine Schutzgasatmosphäre einstellbar ist.9. slip ring arrangement according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a protective gas atmosphere is adjustable in the slip ring arrangement.
10. Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich zwischen Schleifringanordnung und Umgebungsatmosphäre zumindest eine Dichtung (15,17) auf Basis einer magnetischen Flüssigkeit befindet.10. Slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims 7 to 9, so that there is at least one seal (15, 17) based on a magnetic liquid between the slip ring arrangement and the ambient atmosphere.
11. Schleifringanordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die magnetische Flüssigkeit ein Ferrofluid ist.11. Slip ring arrangement according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the magnetic liquid is a ferrofluid.
12. Schleifringanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass zumindest eine Dichtung (17) als Bürstendichtung ausgeführt ist.12. Slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims 7 to 10, characterized in - shows that at least one seal (17) is designed as a brush seal.
13. Anwendung einer Schleifringanordnungen nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche bei Windkraftgeneratoren. 13. Application of a slip ring arrangement according to one or more of the preceding claims in wind power generators.
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