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EP1358698B1 - Stromübertragungsanordnung - Google Patents

Stromübertragungsanordnung Download PDF

Info

Publication number
EP1358698B1
EP1358698B1 EP02702349A EP02702349A EP1358698B1 EP 1358698 B1 EP1358698 B1 EP 1358698B1 EP 02702349 A EP02702349 A EP 02702349A EP 02702349 A EP02702349 A EP 02702349A EP 1358698 B1 EP1358698 B1 EP 1358698B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
transfer assembly
assembly according
disc
elements
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02702349A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1358698A2 (de
Inventor
Peter Zilch
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.)
Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH
Original Assignee
Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH Germany
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 Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH Germany filed Critical Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH Germany
Publication of EP1358698A2 publication Critical patent/EP1358698A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1358698B1 publication Critical patent/EP1358698B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • H01R39/14—Fastenings of commutators or slip-rings to shafts
    • 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
    • H01R39/08—Slip-rings
    • H01R39/085—Slip-rings the slip-rings being made of carbon

Definitions

  • the invention relates to a power transmission arrangement for electrical machines, in particular generators of z.
  • electrical machines in particular generators of z.
  • wind turbines comprising a Wellemit outgoing therefrom and coaxially surrounding electrically conductive grinding elements and on these supporting contact elements such as carbon brushes, wherein various electrical phases with electrically mutually insulated grinding elements via windings of the electrical machine leading current paths such as conductor pins or rods are connected ,
  • the current can be transmitted via slip rings on carbon brushes, which are supported on the former.
  • slip rings usually those made of metal are used, which determines the abrasion of carbon brushes.
  • carbon brushes can be impregnated.
  • slip rings are applied to made of plastic molding compounds support body. From the support bodies go out sockets, which engage in holes in the coal grinding ring.
  • the present invention is based on the problem, a power transmission arrangement of the type mentioned in such a way that a secure power transmission is always guaranteed. According to another aspect, it should be ensured that the arrangement has a high vibration stability. Also to be created with structurally simple measures the possibility to make a change in the power transmission areas. Furthermore, it should be ensured that the resulting coal dust does not affect the electrical functionality.
  • the grinding elements are made of Koblenstoffmaterial or containing disc elements that the disc element has openings that inserted in at least one opening made of electrically conductive material with one of the current paths socket inserted snugly in that the bushing protrudes toward both side surfaces of the disk element with front wheel sections of dimension H, so that along each side surface of the disk element there is a contact plate of electrically conductive material which abuts flat against the side surface
  • Openings extending, which have a perforations of the disc element corresponding hole pattern, and that respective Stim edge portion of the socket is fitted in one of the openings of the respective contact plate.
  • a carbon loop is not used, which is applied to a carrier. Rather, one is made of uniform material existing disc element may be used, which may consist of conventional materials used for the transmission of currents such as carbon, graphite, carbon graphite or metal graphite. Since the disc element consists of a uniform material, no different coefficients of expansion can occur, which leads to an impairment of the current transmission.
  • the disc element is provided with openings, wherein in at least one socket is inserted in the fit, which protrudes to both side surfaces of the disc element.
  • the at least one bushing guides one of the power bolts or rods over which the current is to be dissipated via the carbon disk.
  • a contact surface consisting of electrically conductive material lying flat on the side surface extends with apertures, one of which is penetrated by the bush or by end edge portions projecting beyond the side surfaces.
  • the end edge portions of the socket are fitted in the openings of the contact plates as pressed.
  • the invention provides that in the existing carbon material disc element z. B. made of copper socket is fitted with a precisely defined fit.
  • the bush is on each side of the disc member by a degree that corresponds to the plate member - also called flanged wheel - in its thickness. Then turn on both sides of the protruding sections of the sleeve, the plate elements or flanged wheels with the same hole pattern and fit.
  • more than one bush can be fitted in particular in snug fit in a flanged wheel.
  • the contact plate has a circumferential angled edge which engages in a corresponding circumferential groove in the side surface of the disk element.
  • the sleeves or sockets and / or the contact plates should be made of or contain copper. Furthermore, it is provided that the disc element in the contact area to the socket or the sockets and / or contact plates provided with electrically conductive material as copper-plated, in particular is spray-coated. As a result, a secure power transmission is additionally ensured.
  • another proposal of the invention provides that the live conductor pins or rods are connected via lamellar contacts with the sockets, via which a power transmission to the disc elements he follows.
  • the intermediate space between the disk elements connected to different electrical phases is covered over the whole area.
  • the gap is covered by a circumferentially encircling ribs having insulating body.
  • the ribs may have different diameters, wherein in particular a rib extends in the central region of the insulating body, whose diameter is greater than the diameter of the remaining ribs.
  • a kind of partition is formed, which additionally ensures that coal dust can not lead to electrical interference.
  • the insulating body itself consists in particular of plastic material such as Glasmaschinebuchstöffisoliermaterial.
  • the shaft is mounted on two sides, in particular in its respective end region.
  • the shaft may be mounted in end walls of a housing which receives the power transmission arrangement.
  • a heat exchanger such as a surface cooler, can be provided in the housing.
  • leading to the heat exchanger lines can be connected to a cooling circuit of the electrical machine itself Alternatively, there is the possibility that the lines are connected to an internal cooling circuit. In that regard, however, reference is made to sufficient cooling systems.
  • a unit comprising the shaft, the disk elements and the conductor bolts or rods is modularly constructed.
  • a phase of the electric machine may be connected to a plurality of shingling elements arranged directly next to one another on the shaft.
  • a system is provided that can be used for multiple power transmission areas. So z. B. for power transmission of 500 A, one disk element per phase are used, whereas z. B. at a power transmission of 800 A each two disk elements per phase are arranged on the shaft.
  • a power transmission arrangement is provided in particular intended for wind generators available, the long service life and thus minimizing maintenance and service times.
  • the contact disk unit is completely interchangeable and regenerable. Due to the closed design, so the complete covering of the gap between the contact disks compactness of the arrangement is possible, which leads to a cost reduction, especially for the other necessary components such as cooling and housing.
  • a Stromübertragungsau instrument which comprises a grinding element body 10, is derived from the not shown carbon brushes in the usual way current.
  • a grinding element body 10 is derived from the not shown carbon brushes in the usual way current.
  • the phases T, S and R are each connected to a grinding element 12, 14, 16.
  • the remaining fourth grinding element 18 is the neutral, which is at ground potential, ie at the potential of a shaft 20, from which the grinding elements 12, 14, 16, 18 go out.
  • the grinding elements 12, 14, 16, 18 are disc elements made of carbon material such as graphite, carbon graphite, metal graphite or other carbon materials known in the field of power transmission.
  • a corresponding disc element - hereinafter simplified carbon disc called - is in the 4 to 6 shown.
  • the carbon disk 22 has a cylindrical shape, wherein the peripheral surface 24 is a contact or sliding surface for a carbon brush, not shown, is discharged via the current.
  • the coal disc can be peripherally slotted, as is known from conventional slip rings ago.
  • the carbon disk 22 has openings - hereinafter called holes - on, namely a central bore 26 for the shaft 20 and holes 28, 30, 32 of a first diameter and holes 34, 36, 38 of a preferably deviating diameter.
  • each side surface 40, 42 spaced from the sliding surface 24 a concentric with the coal disc longitudinal axis 44 circumferential groove 46, 48 is provided.
  • a bush made of electrically conductive material, in particular copper bushing is fitted with a precisely defined fit dimension as pressed.
  • a socket 50 is shown in dashed lines in FIG Fig. 5 located.
  • the corresponding bush 50 protrudes with a dimension H over the respective side surface 40, 42 of the carbon disk 22.
  • On the side surfaces 40, 42 of the full-carbon disk 22 is then arranged in each case a flange to be designated as a contact plate 52, which has the same hole pattern as the carbon disk 22 and with fit on the side surfaces 40, 42 superior edge portions 54, 56 of the sleeve or sleeve 50 are pressed.
  • the thickness of the contact plate 52 is the dimension H of the sleeve 50 by which it protrudes beyond the side surfaces 40, 42.
  • the contact plate 52 has a peripheral edge-side laterally projecting web 58, which is adapted to the groove 46 and 48 in the side surfaces 40, 42 of the carbon disk 22, so that when resting on the side surfaces 40, 42 contact plates 52, 54 the angled edges, so the web-shaped portions 58 engage in the grooves 46, 48.
  • the holes 34, 36, 38 are then penetrated by electrically insulated or made of electrically insulating material fastening or clamping bolt 60, via which the grinding wheels 12, 14, 16, 18 with extending therebetween insulating bodies 62, 64, 66, 68 between flange washers 70, 72 tightened and tightened.
  • a spring element such as disc spring assembly 82 is disposed between the screws 74, 76, 78 and bottom surface of a penetrated by the bolt 60 in the flange 74 recess 80.
  • bores 28, 30, 32 of larger diameter are penetrated by current paths in the form of conductor bolts 84, wherein in each case one to one of the phases T, S and R of the windings of the generator leading conductor bolt 84 with one of the carbon disks 12, 14, 16 electrically is conductively connected and electrically isolated from the remaining.
  • the conductor bolt 84 is electrically conductively connected to the carbon disk 14. Consequently, located in the corresponding bore the snug fit bushing 50, wherein the conductor bolt 84 is electrically conductively connected to the socket 50 via a known from the high-voltage technology fin contact 86.
  • phase T, S and R contact discs 12, 14, 16 are mutually, to the supporting shaft 20 and opposite the grounded carbon disk 18 and in the embodiment with respect to the flange 72 via the insulating body 62, 64, 66, 68 electrically isolated.
  • the basic structure of the insulating body 62, 64, 66, 68 is based on an insulating 88 in the FIGS. 9 and 10 explained in more detail.
  • the insulating body 88 in particular is made of plastic material such as Glasmaschinebuchstoffisoliermaterial, has a disc shape with openings 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, which extend in the mounted abrasive element body 10 in alignment with the holes 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, ie Both the shaft 20 and the fastening bolt 60 and the conductor bolt 84 are interspersed on the circumference, the insulating body 38 has ribs 106, 108 extending transversely to its longitudinal axis 104, wherein the rib 108 running in the center region has a larger outside diameter.
  • the middle rib 108 is thereby virtually a partition wall between the adjacent lying at different potential elements, ie on the one hand between the flange 72 and the carbon plate 12 and on the other hand between the carbon plates 12, 14 and 14, 16 and 16, 18.
  • the shaft 20 is mounted on two sides, d. H. on the one hand at its free outer end 110 and on the other hand via the flange 72. This results in a high vibration stability.
  • the shaft 22 or the flange disk 72 can be mounted in frontal housing walls 112, 114 of a housing 116, as is known from wind power machines.
  • heat exchangers 118, 120 may be arranged in the form of plate coolers, which may be arranged either in an internal cooling circuit or in a cooling circuit of the electrical machine itself.
  • a fan wheel 122 starts from the front flange disk 70.
  • the grinding wheel body 10 with the full carbon slices 12, 14, 16, 18 and extending therebetween insulating bodies 62, 64, 66, 68 and this unit Frontally limiting flange 70, 72 is recognizable modular, so there is the possibility réellestecken on the shaft 20 depending on the size of the current transmission a corresponding number of carbon disks, with several of the phases T, S and R associated carbon discs directly next to each other and are electrically conductive with each other on the shaft 20 are arranged.
  • the phases S, T and R are each associated with two carbon disks 124, 126 and 128, 130 and 132, 134, which have a structure, as this in connection with the Fig. 4 to 8 has been described in detail.

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Undergarments, Swaddling Clothes, Handkerchiefs Or Underwear Materials (AREA)
  • Color Image Communication Systems (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Vending Machines For Individual Products (AREA)
  • Input Circuits Of Receivers And Coupling Of Receivers And Audio Equipment (AREA)
  • Seal Device For Vehicle (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromübertragungsanordnung für elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren von z. B. Windkraftanlagen, umfassend eine Wellemit von dieser ausgehenden und diese koaxial umgebenden elektrisch leitenden Schleifelementen und auf diese sich abstützenden Kontaktelementen wie Kohlebürsten, wobei verschiedene elektrische Phasen mit elektrisch gegeneinander isolierten Schleifelementen über zu Wicklungen der elektrischen Maschine führende Strombahnen wie Leiterbolzen oder -stangen verbunden sind.
  • Bei elektrischen Maschinen wie Generatoren oder Elektromotoren kann der Strom über Schleifringe an Kohlebürsten übertragen werden, die sich auf erstere abstützen. Bei den Schleifringen werden üblicherweise solche aus Metall benutzt, das den Abrieb der Kohlebürsten bestimmt. Um den Abrieb zu reduzieren, können Kohlebürsten imprägniert werden.
  • Bekannte Schleifringanordnungen für elektrische Maschinen sind z. B. der DE 24 43 769 C2 , DE-PS 875 235 , DD 248 909 A1 , DE 32 30 298 A1 oder DE-AS 1 184 412 zu entnehmen.
  • Aus der DE-C 932 810 ist eine Schleifringanordnung mit Graphitringen bekannt. Die leicht auf einem isolierenden Nabenkörper aufsitzenden Graphitringe werden dabei zwischen Metallringen und Isolierringen gespannt. Die elektrischen Anschlüsse erfolgen über die Metallringe.
  • Bei dem in der DE 19 16 263 beschriebenen Schleifringkörper für elektrische Maschinen sind Schleifringe auf aus Kunststoffpressmassen hergestellte Tragkörper aufgebracht. Von den Tragkörpern gehen Buchsen aus, die in Bohrungen des Kohlesschleifrings eingreifen.
  • Bei großen elektrischen Maschinen wie Generatoren in Windkraftanlagen ist darauf zu achten, dass einerseits der Verschleiß so gering wie möglich gehalten wird und andererseits im Falle einer Wartung oder des Austausches von Elementen eine einfache Handhabung gegeben ist.
  • Bei den bekannten Systemen werden bei der Verwendung von Kohleschleifringen diese durch Kleben, durch Schrumpfen oder durch Klemmen auf einem Basisträger fixiert. Da die Kohle und der Träger unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten ausweisen, ist nicht in allen Fällen eine sichere Stromübertragung gewährleistet. Zudern garantieren geklebte und geschrumpfte Verbindungen keine Langlebigkeit. Außerdem fordern die bekannten Klemmverbindungen zusätzliche Verschraubungen, um eine gleichmäßige Flächenpressung zu erzielen. Dies ist insbesondere im Bereich der Kohleschleifringsysteme recht aufwendig.
  • Unabhängig hiervon muss sichergestellt werden, dass durch Abrieb entstehender Kohlestaub nicht zu Kurzschlüssen führt. Da bei der bekannten Anordnung die Welle an einem Ende gelagert ist, ist eine konstruktiv aufwendige Führung und Lagerung erforderlich, um eine gewünschte Schwingungsstabilität sicherzustellen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Stromübertragungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine sichere Stromübertragung stets gewährleistet ist. Nach einem weiteren Aspekt soll sichergestellt sein, dass die Anordnung eine hohe Schwingungsstabilität aufweist. Auch soll mit konstruktiv einfachen Maßnahmen die Möglichkeit geschaffen werden, eine Änderung der Stromübertragungsbereiche vorzunehmen. Ferner soll sichergestellt sein, dass anfallender Kohlestaub die elektrische Funktionstüchtigkeit nicht beeinträchtigt.
  • Zur Lösung des der Erfingung zu Grunde liegenden Hauptproblems ist vorgesehen, dass die Schleifelemente aus Koblenstoffmaterial bestehende oder dieses enthaltende Scheibenelemente sind, dass das Scheibenelement Durchbrechungen aufweist, dass in zumindest einer Durchbrechung eine aus elektrisch leitendem Material bestehende mit einer der Strombahnen verbundene Buchse im Passsitz eingefügt ist, dass die Buchse zu beiden Seitenflächen des Scheibenelementes mit Stimradabschnitten mit einem Maß H vorsteht, dass entlang jeder Seitenfläche des Scheibenelementes eine flächig an der Seitenfläche anliegende aus elektrisch leitendem Material bestehende Kontaktplatte mit
  • Durchbrechungen verläuft, die ein den Durchbrechungen des Scheibenelementes entsprechendes Bohrbild aufweisen, und dass jeweiliger Stimrandabschnitt der Buchse in einer der Durchbrechungen der jeweiligen Kontaktplatte eingepasst ist.
  • Abweichend von vorbekannten Konstruktionen wird nicht ein Kohleschleifring benutzt, der auf einem Träger aufgebracht wird. Vielmehr wird ein aus einheitlichem Material bestehendes Scheibenelement benutzt, das aus üblichen zur Übertragung von Strömen verwendeten Materialien wie Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffgraphit oder Metallgraphit bestehen kann. Da das Scheibenelement aus einem einheitlichen Material besteht, können keine unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftreten, die zu einer Beeinträchtigung der Stromübertragung führen.
  • Ferner ist vorgesehen, dass das Scheibenelement mit Durchbrechungen versehen ist, wobei in zumindest einer eine Buchse im Passsitz eingefügt ist, die zu beiden Seitenflächen des Scheibenelementes vorsteht. Durch die zumindest eine Buchse wird einer der Strombolzen oder -stangen geführt, über den bzw. die der Strom über die Kohlescheibe abgeleitet werden soll.
  • Des Weiteren ist vorgesehen, dass entlang jeder Seitenfläche des Scheibenelementes eine flächig an der Seitenfläche anliegende aus elektrisch leitendem Material bestehende Kontaktplatte mit Durchbrüchen verläuft, von denen eine von der Buchse bzw. von über die Seitenflächen vorstehenden Stirnrandabschnitten dieser durchsetzt sind. Dabei sind die Stirnrandabschnitte der Buchse in die Durchbrechungen der Kontaktplatten eingepasst wie eingepresst.
  • Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in das aus Kohlenstoffmaterial bestehende Scheibenelement die z. B. aus Kupfer bestehende Buchse mit genau definiertem Passmaß eingepasst ist. Die Buchse steht an jeder Seite des Scheibenelementes um ein Maß über, das dem Plattenelement - auch Bordscheibe genannt - in seiner Dicke entspricht. Auf die vorstehenden Abschnitte der Buchse wenden sodann beidseitig die Plattenelemente bzw. Bordscheiben mit gleichem Bohrbild und mit Passmaß gepresst.
  • Selbstverständlich können in einer Bordscheibe auch mehr als eine Buchse insbesondere im Passsitz eingepasst sein.
  • Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Kontaktplatte einen umlaufenden abgewinkelten Rand ausweist, der in eine entsprechende umlaufende Nut in der Seitenfläche des Scheibenelementes eingreift.
  • Die Hülsen bzw. Buchsen und/oder die Kontaktplatten sollten aus Kupfer bestehen oder dieses enthalten. Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Scheibenelement im Kontaktbereich zu der Buchse bzw. den Buchsen und/oder Kontaktplatten mit elektrisch leitendem Material versehen wie verkupfert, insbesondere spritzverkupfert ist. Hierdurch wird zusätzlich eine sichere Stromübertragung gewährleistet.
  • Damit ein hinreichender elektrisch leitender Kontakt zwischen den stromführenden Leiterbolzen bzw. -stangen und den Buchsen sichergestellt ist, sicht ein weiterer Vorschlag der Erfindung vor, dass die stromführenden Leiterbolzen oder -stangen über Lamellenkontakte mit den Buchsen verbunden sind, über die eine Stromübertragung zu den Scheibenelementen erfolgt.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre erfolgt ein definierter und temperaturunabhängiger Stromübergang bei geringsten Übergangswiderständen von der Kontakt- oder Kohlebürstenlauffläche über die vorzugsweise verkupferten Seitenflächen des Scheibenelementes wie der Kohlescheibe zu den Plattenelementen wie Bordscheiben, der eingepressten vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Buchse und über den Lamellenkontakt zu dem Stromübertragungsbolzen bzw. der Stromübertragungsstange. Somit ist bei stark schwankender Belastung und damit großen Temperaturschwankungen in der Kontaktscheibe gewährleistet, dass ständig ein definierter Stromübergang erfolgt.
  • Nach einem weiteren Vorschlag ist vorgesehen, dass der Zwischenraum zwischen den mit verschiedenen elektrischen Phasen verbundenen Scheibenelementen vollflächig abgedeckt ist. Insbesondere ist der Zwischenraum durch einen umfangsseitig umlaufende Rippen aufweisenden Isolierkörper abgedeckt.
  • Dabei können die Rippen unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wobei insbesondere eine Rippe im Mittenbereich des Isolierkörpers verläuft, deren Durchmesser größer als der Durchmesser übriger Rippen ist. Hierdurch wird eine Art Trennwand gebildet, durch die zusätzlich sichergestellt ist, dass Kohlestaub nicht zu elektrischen Störungen führen kann. Der Isolierkörper selbst besteht insbesondere aus Kunststoffmaterial wie Glasfaserkunststöffisoliermaterial.
  • Auch besteht die Möglichkeit, dass die Welle zweiseitig gelagert ist, insbesondere in ihrem jeweiligen Endbereich. Dabei kann die Welle in Stirnwänden eines Gehäuses gelagert sein, das die Stromübertragungsanordnung aufnimmt. In dem Gehäuse kann des Weiteren ein Wärmetauscher wie Flächenkühler vorgesehen sein. Dabei können zu dem Wärmetauscher führende Leitungen mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine selbst verbunden sein Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Leitungen mit einem internen Kühlkreislauf verbunden sind. Insoweit wird jedoch auf hinreichende Kühlsysteme verwiesen.
  • Bevorzugterweise ist eine die Welle, die Scheibenelemente und die Leiterbolzen oder -stangen umfassende Einheit modular aufgebaut. Dabei kann eine Phase der elektrischen Maschine mit mehreren unmittelbar nebeneinander auf der Welle angeordneten Scheilbenelementen verbunden sein. Somit wird ein System zur Verfügung gestellt, das für mehrere Stromübertragungsbereiche verwendet weiden kann. So kann z. B. zur Stromübertragung von 500 A jeweils ein Scheibenelement pro Phase benutzt werden, wohingegen z. B. bei einer Stromübertragung von 800 A jeweils zwei Scheibenelemente pro Phase auf der Welle angeordnet werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird eine Stromübertragungsanordnung insbesondere bestimmt für Windgeneratoren zur Verfügung gestellt, die hohe Standzeiten und damit eine Minimierung von Wartungs- und Servicezeiten bietet. Dabei ist die Kontaktscheibeneinheit komplett austauschbar und regenerierbar. Durch die geschlossene Bauweise, also das vollständige Abdecken des Zwischenraums zwischen den Kontaktscheiben wird eine Kompaktheit der Anordnung ermöglicht, die zu einer Kostenreduzierung insbesondere für die weiteren notwendigen Baugruppen wie Kühlung und Gehäuse führt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht durch eine Stromübertragungsanordnung einer elektrischen Maschine,
    Fig. 2
    die Stromübertragungsanordnung nach Fig. 1 im Längsschnitt,
    Fig. 3
    eine Prinzipdarstellung einer in einem Gehäuse angeordneten Stromübertragungsanordnung,
    Fig. 4
    eine Seitenansicht eines Schleifelementes,
    Fig. 5
    einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 4,
    Fig. 6
    eine Draufsicht auf das Schleifelement gemäß Fig. 4,
    Fig. 7
    eine Seitenansicht eines Plattenelementes,
    Fig. 8
    einen Querschnitt durch das Plattenelement gemäß Fig. 7,
    Fig. 9
    eine Seitenansicht eines Isolierkörpers und
    Fig. 10
    einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 9.
  • In den Figuren werden Elemente einer Stromübertragungsanordnung für einen Generator einer Windkraftmaschine beschrieben, ohne dass hierdurch die Erfindung eingeschränkt werden soll. Vielmehr gilt die erfindungsgemäße Lehre auch für sonstige Stromübertragungsanordnungen, die für elektrische Maschinen bestimmt sind.
  • Um die in der Wicklung eines Generators erzeugte Spannung bzw. den Strom abzuleiten, ist eine Stromübertragungsauordnung vorgesehen, die einen Schleifelementkörper 10 umfasst, von dem über nicht dargestellte Kohlebürsten in gewohnter Weise Strom abgeleitet wird. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Drehstromgenerator, bei dem die Phasen T, S und R jeweils mit einem Schleifelement 12, 14, 16 verbunden sind. Das verbleibende vierte Schleifelement 18 ist der Nullleiter, der auf Massepotential liegt, also auf dem Potential einer Welle 20, von dem die Schleifelemente 12, 14, 16, 18 ausgehen.
  • Erfindungsgemäß sind die Schleifelemente 12, 14, 16, 18 Scheibenelemente aus Kohlenstoffmaterial wie Graphit, Kohlenstoffgraphit, Metallgraphit oder sonstigen im Bereich der Stromübertragung bekannten Kohlenstoffmaterialien.
  • Ein entsprechendes Scheibenelement - nachstehend vereinfacht Kohlescheibe genannt - ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt. Die Kohlescheibe 22 weist eine Zylinderform auf, wobei dessen Umfangsfläche 24 Kontakt- oder Gleitfläche für eine nicht dargestellte Kohlebürste ist, über die Strom abgeführt wird. Dabei kann die Kohlescheibe peripher geschlitzt sein, wie dies auch von üblichen Schleifringen her bekannt ist.
  • Die Kohlescheibe 22 weist Durchbrechungen - nachstehend Bohrungen genannt - auf, und zwar eine zentrale Bohrung 26 für die Welle 20 sowie Bohrungen 28, 30, 32 eines ersten Durchmessers und Bohrungen 34, 36, 38 eines vorzugsweise hiervon abweichenden Durchmessers.
  • Des Weiteren ist in jeder Seitenfläche 40, 42 beabstandet zur Gleitfläche 24 eine konzentrisch zur Kohlescheibenlängsachse 44 umlaufende Nut 46, 48 vorgesehen.
  • In zumindest eine der Bohrungen 28, 30, 32 insbesondere größeren Durchmessers wird mit genau definiertem Passmaß eine Buchse aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Kupferbuchse eingepasst wie eingepresst. Eine Buchse 50 ist gestrichelt in Fig. 5 eingezeichnet. Die entsprechende Buchse 50 steht mit einem Maß H über die jeweilige Seitenfläche 40, 42 der Kohlescheibe 22 vor. Auf den Seitenflächen 40, 42 der Vollkohlescheibe 22 wird sodann jeweils flächig eine als Bordscheibe zu bezeichnende Kontaktplatte 52 angeordnet, die das gleiche Bohrbild wie die Kohlescheibe 22 aufweist und mit Passmaß auf die die Seitenflächen 40, 42 überragenden Randabschnitte 54, 56 der Buchse oder Hülse 50 aufgepresst werden. Dabei beträgt die Dicke der Kontaktplatte 52 dem Maß H der Hülse 50, um das diese über die Seitenflächen 40, 42 vorsteht.
  • Da die Bohrungen der Kontaktplatte 52 mit denen der Kohlescheibe 22 übereinstimmen, werden entsprechende Bezugszeichen benutzt.
  • Des Weiteren weist die Kontaktplatte 52 einen umlaufenden randseitigen seitlich abragenden Steg 58 auf, der an die Nut 46 bzw. 48 in den Seitenflächen 40, 42 der Kohlescheibe 22 angepasst ist, so dass bei auf den Seitenflächen 40, 42 anliegenden Kontaktplatten 52, 54 die abgewinkelten Ränder, also die stegförmigen Abschnitte 58 in die Nuten 46, 48 eingreifen.
  • Die Bohrungen 34, 36, 38 werden sodann von elektrisch isolierten bzw. aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Befestigungs- bzw. Spannbolzen 60 durchsetzt, über die die Schleifscheiben 12, 14, 16, 18 mit zwischen diesen verlaufenden Isolierkörpern 62, 64, 66, 68 zwischen Flanschscheiben 70, 72 festgezogen und gespannt werden. Hierzu geht der zumindest endseitig ein Gewinde aufweisende Befestigungsbolzen 60 von einem der Flanschscheiben - im Ausführungsbeispiel von der Flanschscheibe 72 - aus und ist in dieser z. B. festgeschraubt, um auf gegenüberliegender Seite über Schrauben 74, 76, 78 angezogen zu werden. Um die erforderliche Vorspannung zu erhalten, ist zwischen den Schrauben 74, 76, 78 und Bodenfläche eines von dem Bolzen 60 durchsetzten in der Flanschscheibe 74 vorhandenen Aussparung 80 ein Federelement wie Tellerfederpaket 82 angeordnet.
  • Im Ausführungsbeispiel werden Bohrungen 28, 30, 32 größeren Durchmessers von Strombahnen in Form von Leiterbolzen 84 durchsetzt, wobei jeweils ein zu einer der Phasen T, S bzw. R der Wicklungen des Generators führender Leiterbolzen 84 mit einer der Kohlescheiben 12, 14, 16 elektrisch leitend verbunden und gegenüber den verbleibenden elektrisch isoliert ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Leiterbolzen 84 mit der Kohlescheibe 14 elektrisch leitend verbunden. Folglich befindet sich in der entsprechenden Bohrung die im Passsitz eingepasste Buchse 50, wobei der Leiterbolzen 84 mit der Buchse 50 über einen aus der Hochspannungstechnik bekannten Lamellenkontakt 86 elektrisch leitend verbunden ist.
  • Die mit den Phasen T, S bzw. R verbundenen Kontaktscheiben 12, 14, 16 sind untereinander, zur tragenden Welle 20 sowie gegenüber der an Masse liegenden Kohlescheibe 18 sowie im Ausführungsbeispiel gegenüber der Flanschscheibe 72 über die Isolierkörper 62, 64, 66, 68 elektrisch isoliert.
  • Der grundsätzliche Aufbau der Isolierkörper 62, 64, 66, 68 wird anhand eines Isolierkörper 88 in den Fig. 9 und 10 näher erläutert. Der Isolierkörper 88, der insbesondere aus Kunststoffmaterial wie Glasfaserkunststoffisoliermaterial besteht, weist eine Scheibenform mit Durchbrechungen 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102 auf, die beim montierten Schleifelementenkörper 10 fluchtend zu den Bohrungen 26, 28, 30, 32, 34 36, 38 verlaufen, also sowohl von der Welle 20 als auch von den Befestigungsbolzen 60 als auch den Leiterbolzen 84 durchsetzt sind Umfangsseitig weist der Isolierkörper 38 quer zu dessen Längsachse 104 verlaufende Rippen 106, 108 auf, wobei die im Mittenbereich verlaufende Rippe 108 einen größeren Außendurchmesser aufweist. Die mittlere Rippe 108 stellt dabei quasi eine Trennwand zwischen den angrenzenden auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Elementen dar, d. h. einerseits zwischen der Flanschscheibe 72 und der Kohleplatte 12 und andererseits zwischen den Kohleplatten 12, 14 bzw. 14, 16 bzw. 16, 18. Über die Isolierkörper 62, 64, 66, 68 werden sowohl die Spannbolzen 60 als auch die Leiterbolzen 84 als auch die Welle 20 gegenüber den freien Flächen der Kohleplatten 12, 14, 16, 18, also insbesondere deren Gleit- oder Kontaktflächen 24 zusätzlich abgeschirmt, so dass weitere Maßnahmen nicht erforderlich sind, um auftretenden Kohlenstaub fernzuhalten. Hierdurch bedingt ist eine überaus kompakte Baueinheit möglich.
  • Die Welle 20 ist zweiseitig gelagert, d. h. einerseits an ihrem freien äußeren Ende 110 und andererseits über die Flanschscheibe 72. Hierdurch ergibt sich eine hohe Schwingungsstabilität. Dabei kann die Welle 22 bzw. die Flanschscheibe 72 in stirnseitigen Gehäusewandungen 112, 114 eines Gehäuses 116 gelagert sein, wie ein solches von Windkraftmaschinen bekannt ist. Innerhalb des Gehäuses 116 können Wärmetauscher 118, 120 in Form von Plattenkühlern angeordnet sein, die entweder in einem internen Kühlkreis oder in einem Kühlkreis der elektrischen Maschine selbst angeordnet sein können. Zur besseren Kühlung geht des Weiteren von der vorderen Flanschscheibe 70 ein Lüfterrad 122 aus.
  • Der Schleifscheibenkörper 10 mit den Vollkohlescheiben 12, 14, 16, 18 und den zwischen diesen verlaufenden Isolierkörpern 62, 64, 66, 68 und den diese Einheit stirnseitig begrenzenden Flanschscheiben 70, 72 ist erkennbar modular aufgebaut, so dass die Möglichkeit besteht, auf die Welle 20 in Abhängigkeit von der Größe der Stromübertragung eine entsprechende Anzahl von Kohlescheiben aufzustecken, wobei mehrere einer der Phasen T, S und R zugeordnete Kohlescheiben unmittelbar nebeneinander und elektrisch leitend untereinander auf der Welle 20 angeordnet sind. So sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 den Phasen S, T und R jeweils zwei Kohlescheiben 124, 126 und 128, 130 und 132, 134 zugeordnet, die einen Aufbau aufweisen, wie dieser im Zusammenhang mit den Fig. 4 bis 8 ausführlich beschrieben worden ist. Zwischen den Paaren von Vollkohlescheiben 124, 126 bzw. 128, 130 bzw. 132, 134 und der angrenzenden Flanschscheibe 72 bzw. der mit dem Nullleiter verbundenen Kohlescheibe 18 sind sodann die Isolierkörper 62, 64, 66, 68 ähnlich der Fig. 2 mit einem Aufbau gemäß der Fig. 9 und 10 angeordnet.

Claims (19)

  1. Stromübertragungsanordnung für elektrische Maschinen, inbesondere Generatoren von z.B. Windkraftanlagen, umfassend eine Welle (20) mit von dieser ausgehenden und diese koaxial umgebenden elektrisch leitenden Schleifelementen (12, 14, 16, 18, 22, 124, 126, 128, 130, 132, 134) und auf diese sich abstützenden Kontaktelementen wie Kohlebürsten, wobei verschiedene elektrische Phasen mit elektrisch gegeneinander isolierten Schleifelementen über zu Wicklungen der elektrischen Maschine führende Strombahnen wie Leiterbolzen oder -stangen (84) verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schleifelemente (12, 14, 16, 18, 22, 124, 126, 128, 130, 132, 134) aus Kohlenstoffmaterial bestehende oder dieses enthaltende Scheibenelemente sind,
    dass das Scheibenelement (52) Durchbrechungen (26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) aufweist, dass in zumindest einer Durchbrechung eine aus elektrisch leitendem Material bestehende mit einer der Strombahnen (84) verbundene Buchse (50) im Passsitz eingefügt ist, dass die Buchse (50) zu beiden Seitenflächen (40, 42) des Scheibenelementes (22) mit Stirnrandabschnitten (54, 56) mit einem Maß H vorsteht, dass entlang jeder Seitenfläche (40, 42) des Schcibenelementes (22) eine flächig an der Seitenfläche anliegende aus elektrisch leitendem Material bestehende Kontaktplatte (52) mit Durchbrechungen (26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verläuft, die ein den Durchbrechungen des Scheibenelementes entsprechendes Bohrbild aufweisen, und dass jeweiliger Stirnrandabschnitt (54, 56) der Buchse (50) in einer der Durchbrechungen (28, 30, 32) der jeweiligen Kontaktplatte eingepasst ist.
  2. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stimrandabschnitt (54, 56) in die Durchbrechung (28, 30, 32) der Kontaktplatte (52) eingepresst ist.
  3. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1, oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kontakplatte (52) eine Dicke aufweist, die dem Maß H des jeweiligen über die Seitenfläche (40, 42) des Scheibenelementes (22) vorstehenden Stirnrandabschnittes (54, 56) der Buchse (50) entspricht, und insbesondere bündig in Stirnfläche der Buchse (50) übergeht.
  4. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichet,
    dass die Buchse (50) und/oder die Kontaktplatte (52) aus Kupfer bestehen und/oder dieses enthalten.
  5. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kontaktplatte (52) einen umlaufenden abgewinkelten Rand (58) aufweist, der in eine entsprechende umlaufende Nut (46, 48) in der Seitenfläche (40, 42) des Scheibenelements (22) eingreift.
  6. Stromübenragungsanordnung Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der stromführende Leiterbolzen bzw. die Leiterstange (84) über einen insbesondere Lamellenkontakt mit der Buchse (50) verbunden ist, über die eine Stromübertragung zu dem Scheibenelement (14) erfolgt.
  7. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Scheibenelement (22) im Kontaktbereich zu den Kontaktplatten (52) und/oder der Buchse (50) mit elektrisch leitendern Material versehen wie verkupfert, insbesondere spritzverkupfert ist.
  8. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zwischenraum zwischen mit verschiedenen elektrischen Polen verbundenen Scheibenelementen (22) vollflächig abgedeckt ist.
  9. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zwischenraum zwischen den Scheibenelementen (12, 14, 16, 18) unterschiedlichen elektrischen Potenzials bzw. zu angrenzendern Element wie Flanschscheibe (72) durch einen umfangseitig umlaufende Rippen (106, 108) aufweisenden Isolierkörper (62, 64, 66, 68 88) abgedeckt ist.
  10. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die quer zur Längsachse des Isolierkörpers (88) verlaufenden Rippen (106 108) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
  11. Stromübertragungsanordnung nach nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Mittenbereich des Isolierkörpers (88) eine Rippe eines Durchmessers (108) verläuft, der größer als Durchmesser verbleibender Rippen (106) ist.
  12. Stromübertragungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Isolierkörper (88) insbesondere aus Kunststoffmaterial wie Glasfaserkunststoffisoliermaterial besteht.
  13. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Welle (20) in ihren jeweiligen Endbereichen (110) gelagert ist.
  14. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die auf der Welle (20) angeordneten Scheibenelemente (12, 14, 16, 18) und Isolierkörper (62, 64, 66, 68) eine modular aufgebaute Einheit bilden.
  15. Stromübertragungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Phase der elektrischen Maschine mehreren unmittelbar nebeneinander auf der Welle (20) angeordneten Scheibenelementen (124, 126; 128, 130; 132, 134) zuordnungsbar ist.
  16. Kombination aus einem Gehäuse mit der Stromübertragungsanordnung nach zumindest Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Welle (20) und die Scheibenelemente (12, 14, 16, 18, 124, 126, 128, 130, 132, 134) sowie die Isolierkörper (62, 64, 66, 68) eine Einheit bilden, die in dem Gehäuse (116) angeordnet ist, in dessen Stirnwänden (112, 114) die Welle (20) gelagert ist.
  17. Kombination nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass innerhalb des Gehäuses (116) ein Wärmetauscher (118, 120) angeordnet ist.
  18. Kombination nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wännetauscher (118, 120) ein Flächenkühler ist.
  19. Kombination nach Anspruch 17 oder 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmetauscher (118, 120) mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine verbunden ist.
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