WO2010124796A2

WO2010124796A2 - Elektrische maschine mit einer bürsten-schleifring-einrichtung

Info

Publication number: WO2010124796A2
Application number: PCT/EP2010/002331
Authority: WO
Inventors: Alexander Kunz; Günter Zwarg
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-11-04
Also published as: WO2010124796A3; US20120098383A1; EP2425518A2; BRPI1014558A2; CN102414963A; DE102009019295A1; JP2012525811A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator; mit einem von einer Welle getragenen Rotor; mit einer Bürsten-Schleifring-Einrichtung, deren Schleifring die Welle umgibt und mit dieser drehfest verbunden ist; mit einem Kühlsystem zum Kühlen der Bürsten-Schleifring-Einrichtung. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: es sind Lüfterflügel vorgesehen, die mit der Welle drehfest verbunden sind und die einen Luftstrom zum Zuführen von Luft zur Bürsten-Schleifring- Einrichtung aufweisen.

Description

Elektrische Maschine mit einer Bürsten-Schleifring-Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Elektromotor oder ein Generator, und zwar mit einer Stromzuführungseinrichtung zum Läufer über Bürsten und Schleifringe.

Schleifringe für große, rotierende elektrische Maschinen werden heute durch Kühlluft gekühlt, die von außen zugeführt wird. Die Kühlluft kann axial oder radial zugeführt werden. Dabei wird die Kühlluft dem umgebenden Raum entnommen, gefiltert, der Bürsten-Schleifring-Einrichtung zugeführt, sodann durch ein Bürstenstaubfilter geleitet, und als warme Abluft wieder an die Umgebung abgeführt.

Solche Fremdlüfter im Schleifring-Kühlsystem sind stets ein Risiko. Bei Ausfall des Lüfters oder der diesen versorgenden Spannung fällt auch die elektrische Maschine selbst aus.

Werden Schleifringlüfter unmittelbar nach dem Maschinenstillstand nicht abgeschaltet oder werden sie bei stehender, warmer Maschine nicht wieder eingeschaltet, so kann es zu thermischen Verformungen an den Schleifringen und an den Bürstenträgern kommen. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn der kalte Kühlmittelstrom bei stehender Maschine, nicht gleichmäßig auf die warmen Schleifringe verteilt wird. Wird die Maschine wieder eingeschaltet, so kann dies zu thermischen Verformungen und damit zu unrund laufenden Schleifringen führen. Hierdurch wird das sogenannte Bürstenfeuer erzeugt mit einer hohen Abnutzung der Bürsten und mit Funkenerosion am Schleifring.

Ein weiteres Problem solcher Fremdbelüftung ist die Verschmutzung. Im Schleifring sind konstruktiv notwendige Dichtspalte vorhanden. Elektrisch leitender Bürstenstaub gelangt mit dem Kühlluftstrom zu elektrisch kritischen Bereichen und wird dort abgelagert. Daher sammeln sich im Laufe der Zeit im Schleifringraum Verschmutzungen an. Dies führt zu Kriechwegen, und zu einem verminderten Isolationswiderstand des Läufers.

Bei Belüftungssystemen mit Bürstenstaubfiltern vor dem Kühlluftaustritt der Maschine kommt es zu Staubablagerungen an den Bürsten im Bereich des

Bürstenstaubfilters, da dieser den Bürstenstaub nicht vollständig aufnehmen kann. Gerade in Wasserkraftwerken ist eine solche Verschmutzung störend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass die Bürsten-Schleifring- Einrichtung auf einwandfreie, zuverlässige und perfekte Weise gekühlt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß werden der Rotorwelle Lüfterflügel zugeordnet, die mit dem Umlauf des Rotors einen Luftstrom erzeugen, der gezielt der Bürsten-Schleifring- Einrichtung zugeführt wird.

Hieraus ergeben sich die folgenden Vorteile;

Das erfindungsgemäße Lüftungssystem ist konstruktiv äußerst einfach.

So genügen beispielsweise aus Blech gestanzte Flügel, die sich kostengünstig herstellen lassen.

Der Kühlluftstrom wird vom ersten Augenblick des Umlaufs des Rotors erzeugt. Er steht somit sofort beim Anfahren der Maschine zur

Verfügung. Nach dem Stillstand der Maschine hingegen ist auch der

Kühlluftstrom abgeschaltet. Thermische Verformungen und alle damit zusammenhängenden Probleme treten somit nicht auf.

Es gibt kein externes Kühlluft-Erzeugungssystem, und damit auch nicht eine Abhängigkeit von einem solchen. Es wird kein Bürstenstaub aus dem Schleifringraum herausgefördert. Der Schleifringraum bleibt sauber. Elektrische Probleme durch Bürstenstaubablagerungen sind wenig oder gar nicht zu erwarten. Der Kühlluftstrom wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt, und zwar auf einem relativ kurzen Luftführungsweg. Der Kreislauf ist geschlossen. Eine Verschmutzung der Maschinenumgebung mit Bürstenstaub ist damit ausgeschlossen.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt in einem Axialschnitt den Endbereich einer elektrischen

Maschine mit einer Bürsten-Schleifring-Einrichtung sowie mit einer hierzu gehörenden Kühleinrichtung.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Einrichtung eine Draufsicht auf den

Endbereich einer elektrischen Maschine mit einer Kühleinrichtung für eine Bürsten-Schleifring-Einrichtung.

Figur 3 zeigt in einem Axialschnitt Einzelheiten einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.

Figur 4 zeigt analog zu Figur 3 eine zweite Ausführungsform.

Figur 5 zeigt analog zu Figur 3 eine dritte Ausführungsform.

Figur 6 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht, teilweise weggeschnitten, wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.

In Figur 1 erkennt man im Einzelnen Folgendes: Die Drehachse 1 der Maschine ist umgeben von einem Verteilrohr 2. Dieses weist auf seinem Umfang Durchbrechungen 2.1 auf. An seinem stirnseitigen Ende trägt das Verteilrohr 2 eine Ringplatte 3. Diese trägt wiederum eine Mehrzahl von Schleifringen 4, die parallel zur Maschinenachse hintereinandergeschaltet sind und die mit dem Rotor der Maschine umlaufen.

Mit der festen Umgebung beziehungsweise dem Statorgehäuse sind Bürstenhalter 5 fest verbunden. Diese tragen Bürsten - hier nicht dargestellt. Der Schleifraum 10 ist der gesamte Raum, in dem sich die Schleifringe 4 und die Bürsten mit den Bürstenhaltern 5 befinden. Er ist durch eine untere Deckscheibe 6 abgegrenzt. Die Deckscheibe steht fest.

Entscheidend sind Lüfterflügel, von denen Flügel 7 hier gezeigt ist. Flügel 7 ist drehfest mit dem Verteilrohr 2 verbunden und läuft somit beim Betrieb der Maschine um.

Man erkennt weiterhin ein Filter 8 sowie einen Kühler 9.

Das erfindungsgemäße Kühlluftsystem wirkt auf die folgende Weise: Die Lüfterflügel 7 erzeugen einen Luftstrom. Dieser gelangt zunächst zum Filter 8, sodann zum Kühler 9, sodann in das Verteilrohr 2 und tritt durch die zahlreichen Durchbrechungen 2.1 in Gestalt von Einzelstrahlen aus. Es werden sowohl die Schleifringe 4 als auch Bürstenhalter 5 und die Bürsten selbst beaufschlagt und gekühlt.

In Figur 2 erkennt man wiederum die Drehachse 1 der Maschine. Entscheidend sind die Lüfterflügel 7. Man erkennt ferner wiederum die Filter 8 sowie die Kühler 9. Dabei handelt es sich um Luft-Wasser-Kühler. Von den Kühlern 9 am Austritt von Kühlerboxen 9.1 gelangt gekühlte und gefilterte Luft horizontal zum Zentrum, und weiterhin nach unten in das rotierende Verteilerrohr 2. Durch die genannten Durchbrechungen 2.1 strömt dann die Luft in den Schleifringraum 10. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 erkennt man wiederum einen Lüfterflügel 7, der mit dem Verteilerrohr 2 umläuft. Unterhalb des Lüfterflügels 7 (Radialwellenlüfter) befindet sich die untere, nicht umlaufende Deckscheibe 6 des Lüfterflügels 7. Durch eine offene Kreisringfläche, gebildet aus der unteren Deckscheibe 6 und dem Verteilrohr 2, gelangt mit Bürstenstaub beladene Kühlluft zum Lüfterflügel 7. Dieser fördert die staubhaltige, erwärmte Luft radial nach außen und weiter nach oben zu den Filtern 8. Siehe die ausgezogenen Pfeile. Die Luft ist noch mit einem geringen Anteil an Bürstenstaub beladen. Sie gelangt von den Filtern 8 zu den Kühlern 9, womit sich der Kreislauf schließt. Man beachte die beiden Kreise, die jeweils eine Spaltdichtung bezeichnen. Die Luft tritt durch die Dichtspalte im gefiltertem Zustand hindurch, mit einem geringen Anteil an Bürstenstaub beladen. Die untere Deckscheibe 6 bildet hierbei eine zusätzliche Dichtung gegen die äußere Wandung 11 des Schleifringraumes 10.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 finden sich die Lüfterflügel 7 an der Unterseite der unteren Deckscheibe 6.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform gemäß Figur 5. Die untere Deckscheibe 6 trägt dabei auf ihren beiden Seiten Lüfterflügel 7. Die untere Deckscheibe 6, die die Lüfterflügel 7 trägt, ist durchbrochen - siehe

Durchbrechung 6.1 , sodass der mit Bürstenstaub beladene Kühlmittelstrom aus dem Schleifringraum 10 unbehindert angesaugt werden kann. Unabhängig von der Art der berührungslosen Dichtung - siehe wiederum den gestrichelten Kreis - saugen die Lüfterflügel durch den Dichtspalt hindurch Luft an, die noch mit einem Restanteil an Bürstenstaub beladen ist. Diese Luft wird sodann zu den Filtern 8 gefördert. Damit ist jede Rückförderung von mit Bürstenstaub beladener und erwärmter Kühlluft in den Schleifringraum 10 ausgeschlossen.

Bei den Ausführungsformen gemäß der Figuren 3 und 5 weisen die Deckscheiben 6 Ausnehmungen 6.1 auf. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 erkennt man wiederum das Verteilrohr 2 mit seinen Durchbrechungen 2.1. Die untere Deckscheibe 6 ist mit dem Verteilrohr 2 drehfest verbunden. Sie trägt eine Vielzahl von Lüfterflügeln 7, und zwar auf ihren beiden Seiten.

Man erkennt ferner eine Anzahl von Filtern 8 und Kühlern 9, ferner die untere Deckscheibe 6.

Bezugszeichenliste

1 Drehachse

2 Verteiirohr

2.1 Durchbrechungen

3 Ringplatte

4 Schleifringe

5 Bürstenhalter

6^" untere Deckscheibe

7 Lüfterflügel

8 Filter

9 Kühler

9.1 Kühlerboxen

10 Schleifringraum

11 Wand des Schleifringraumes

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine 1.1 mit einem Stator; 1.2 mit einem von einer Welle getragenen Rotor;

1.3 mit einer Bürsten-Schleifring-Einrichtung, deren Schleifring (4) die Welle umgibt und mit dieser drehfest verbunden ist;

1.4 mit einem Kühlsystem zum Kühlen der Bürsten-Schleifring-Einrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 es sind Lüfterflügel (7) vorgesehen, die mit der Welle drehfest verbunden sind und die einen Luftstrom zum Zuführen von Luft zur Bürsten-Schleifring- Einrichtung aufweisen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

2.1 es ist ein Verteilrohr (Z) vorgesehen, das koaxial zur Drehachse (1) der Maschine angeordnet ist und eine Mehrzahl von Durchbrechungen (2.1 ) aufweist;

2.2 das Verteilrohr (2) ist von einer Anzahl von Schleifringen (4) unä diesen_ zugeordneten Bürstenhaltern (5) mit Bürsten umgeben;

2.3 die Durchbrechungen (2.1 ) befinden sich jeweils im Bereich eines Schleifring-Bürsten-Satzes.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilrohr 2 eine zur Drehachse 1 der Maschine rechtwinklig verlaufende

Deckscheibe 6 aufweist, die mit dem Verteilrohr 2 drehfest verbunden ist, und die Lüfterflügel 7 trägt.

4. Elektrische Maschinen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe 6 auf ihren beiden Seitenflächen Lüfterflügel 7 trägt.

Elektrische Maschine mit einer Bürsten-Schleifring-Einrichtung