Beschreibung

Abgreifeinrichtung zum Abgreifen einer elektrischen Spannung von einer Welle einer elektrischen Maschine, entsprechender Montagesatz und entsprechende elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgreifeinrichtung zum Abgreifen einer elektrischen Spannung von einer Welle einer elektrischen Maschine, - wobei die Abgreifeinrichtung einen Bürstenhalter aufweist, der aus elektrisch leitendem Material besteht und mit einem Grundkörper der elektrischen Maschine verbindbar ist,

- wobei die Abgreifeinrichtung eine Bürste aufweist, die aus elektrisch leitendem Material besteht, - wobei der Bürstenhalter eine Bürstenführung aufweist, in der die Bürste verschieblich geführt ist, so dass die Bürste über eine Federkraft an die Welle andrückbar ist,

- wobei die Bürste mit dem Bürstenhalter elektrisch leitend verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Montagesatz, der aus einer Abgreifeinrichtung der obenstehend beschriebenen Art besteht,

- wobei der Bürstenhalter eine Anzahl von Durchgangsbohrungen zum Einsetzen von Haltebolzen aufweist,

- wobei der Montagesatz eine Anzahl von Haltebolzen aufweist,

- wobei die Haltebolzen in die Durchgangsbohrungen einsetzbar und mit dem Grundkörper der elektrischen Maschine ver- schraubbar sind, so dass der Bürstenhalter mittels der HaI- tebolzen am Grundkörper befestigbar ist,

- wobei die Haltebolzen aus elektrisch leitendem Material bestehen und dann, wenn der Bürstenhalter mittels der Haltebolzen am Grundkörper befestigt ist, mit dem Bürstenhalter und dem Grundkörper elektrisch leitend verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich eine elektrische Maschine,

- wobei die elektrische Maschine einen Grundkörper aufweist, in dem ein Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist,

- wobei die elektrische Maschine eine Welle aufweist, die in Lagern drehbar im Grundkörper gelagert ist und auf der drehfest ein Läufer der elektrischen Maschine angeordnet ist,

- wobei die elektrische Maschine eine Abgreifeinrichtung der obenstehend beschriebenen Art aufweist,

- wobei die Bürste der Abgreifeinrichtung an die Welle oder einen auf der Welle drehfest angeordneten Schleifring angedrückt ist und der Bürstenhalter der Abgreifeinrichtung mit dem Grundkörper elektrisch leitend verbunden ist, so dass eine in der Welle auftretende elektrische Spannung auf den Grundkörper abgeleitet wird.

Derartige Gegenstände sind allgemein bekannt.

Bei elektrischen Maschinen - insbesondere bei Generatoren - treten unter bestimmten Voraussetzungen unerwünschte elektri- sehe Wellenspannungen auf. Diese Wellenspannungen verursachen Wellenströme, die als Zirkularströme über die Lager in das Maschinengehäuse (= den Grundkörper) oder zu einem die elektrische Maschine speisenden Umrichter fließen können. Die Wellenspannungen können hierbei verschiedene Ursachen aufweisen und bezüglich ihrer Größe und ihrer Frequenz unterschiedliche Werte aufweisen. Beispielsweise können die Wellenspannungen einen relativ niederfrequenten Anteil aufweisen, der meist in der Größenordnung von wenigen Volt liegt. Sie können jedoch auch einen relativ hochfrequenten Anteil aufweisen, der in der Größenordnung bis zu 100 Volt liegt. Wenn über den bereits erwähnten Umrichter ein Läufer gespeist wird, können die hochfrequenten Wellenspannungen sogar über 1000 Volt liegen. Wenn über die Lager Lagerströme fließen, können die Wellenspannungen eine deutliche Reduzierung der Lebensdauer der Lager bewirken. Aus diesem Grund ist es erforderlich, Lagerströme zu vermeiden.

Im Stand der Technik ist bekannt, zum Schutz der Lager vor schädlichen Lagerströmen isolierte Lager zu verwenden. Weiterhin ist bekannt, eine lagerstromgerechte Installation und Erdung durchzuführen. Eine dritte bekannte Maßnahme ist die Wellenerdung. Bei der Wellenerdung wird mittels einer Abgreifeinrichtung der obenstehend beschriebenen Art die Wellenspannung abgegriffen und auf das Motorgehäuse geführt.

Die Bürste kann direkt auf der Welle laufen. Alternativ kann sie auf einen auf der Welle drehfest angeordneten Schleifring laufen. In beiden Fällen bewirkt die Abgreifeinrichtung einen Kurzschluss zwischen der Welle und dem Grundkörper der elektrischen Maschine. Die Bürsten werden in den Bürstenführungen über eine Federkraft an die vorgesehene Lauffläche ange- drückt.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass es im Betrieb der Abgreifeinrichtung zu Materialwanderungen im Bereich der Bürstenführungen kommt, die das Nachführen der Bürsten ver- hindern (Klemmen) . Wenn es zu einem derart bewirkten Klemmen der Bürsten kommt, bildet sich durch den weiteren Verschleiß der Bürsten ein Luftspalt zwischen Welle und Bürsten aus, so dass die elektrische Energie der Wellenspannung nur noch über die Lager oder mittels elektrischer überschläge zum Gehäuse abgebaut werden kann. Solchermaßen nicht mehr funktionsfähige Abgreifeinrichtungen können schwere Lagerschäden zur Folge haben. Vor allem bei läufergespeisten Maschinen, bei denen große Spannungsspitzen auftreten können, besteht sogar die Gefahr einer Personengefährdung.

Im Stand der Technik ist bekannt, das Klemmen der Bürsten in den Bürstenführungen dadurch zu vermeiden, dass die Haltebolzen, mittels derer der Bürstenhalter mit dem Grundkörper verbunden wird, mit einer elektrisch isolierenden Ummantelung versehen werden und die Bürsten über Litzen direkt an die

Haltebolzen angeschlossen werden. In diesem Fall fließt der Strom direkt über die Bürstenlitzen. Querströme in den Bürstenführungen treten praktisch nicht auf. Diese Vorgehensweise

erhöht jedoch die Impedanz der Abgreifeinrichtung insgesamt, so dass in der Folge eine höhere Restwellenspannung verbleibt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Abgreifeinrichtung der eingangs beschriebenen Art und die hiermit korrespondierenden Gegenstände derart weiter zu entwickeln, dass die Probleme des Standes der Technik vermieden werden .

Die Aufgabe wird für eine Abgreifeinrichtung der obenstehend beschriebenen Art dadurch gelöst, dass zwischen der Bürste und der Bürstenführung ein elektrisch isolierendes Zwischenelement angeordnet ist, so dass kein unmittelbarer elektri- scher Kontakt zwischen der Bürste und der Bürstenführung besteht. Dadurch wird erreicht, dass der Strom nicht mehr direkt von der Bürste in die Bürstenführung fließen kann.

Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Montagesatz der oben- stehend beschriebenen Art gelöst, wobei die Abgreifeinrichtung wie obenstehend beschrieben ausgebildet ist, also zwischen der Bürste und der Bürstenführung das elektrisch isolierende Zwischenelement angeordnet ist.

Die Aufgabe wird schließlich durch eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art gelöst, wobei bei der Abgreifeinrichtung zwischen der Bürste und der Bürstenführung ein elektrisch isolierendes Zwischenelement der obenstehend beschriebenen Art angeordnet ist.

Das Zwischenelement stellt vorzugsweise einen Abstand der Bürste von der Bürstenführung derart ein, dass die Bürste bei Frequenzen deutlich oberhalb der Netzfrequenz mit der Bürstenführung kapazitiv gekoppelt ist. Denn dadurch werden die negativen Auswirkungen auf die Impedanz auf ein Minimum reduziert. Insbesondere können (nicht störende) kapazitive Ströme weiterhin zwischen der Bürste und der Bürstenführung oszillieren .

Das Zwischenelement ist vorzugsweise als Formteil ausgebildet. Dadurch ist es leicht montierbar und fixierbar.

Das Zwischenelement kann mit der Bürste mechanisch fest ver- bunden sein. Vorzugsweise ist es jedoch mit der Bürstenführung mechanisch fest verbunden.

Wie bereits erwähnt, weist der Bürstenhalter in der Regel eine Anzahl von Durchgangsbohrungen zum Einsetzen der bereits erwähnten Haltebolzen auf.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der elektrischen Maschine besteht darin, dass sie eine Umrichtereinheit aufweist, mittels derer in die elektrische Maschine eine Spannung einspeisbar ist. Die Spannung kann hierbei insbesondere in den Läufer einspeisbar sein.

Die elektrische Maschine kann als Elektromotor ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie jedoch als Generator ausgebildet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

FIG 1 schematisch eine elektrische Maschine,

FIG 2 ein Detail von FIG 1,

FIG 3 schematisch eine Abgreifeinrichtung,

FIG 4 und 5 einen Schnitt durch die Abgreifeinrichtung von

FIG 3 längs einer Linie IV-IV bzw. längs einer

Linie V-V und

FIG 6 ein Zwischenelement.

Gemäß FIG 1 weist eine elektrische Maschine einen Grundkörper 1 auf. Im Grundkörper 1 ist ein Stator 2 der elektrischen Ma- schine angeordnet. Der Stator 2 wirkt mit einem Läufer 3 der elektrischen Maschine zusammen, der drehfest auf einer Welle 4 angeordnet ist. Die Welle 4 ist in Lagern 5 gelagert, so dass die Welle 4 um eine Drehachse 6 drehbar ist.

In der Welle 4 der elektrischen Maschine können im Betrieb Wellenspannungen auftreten. Eine mögliche Ursache für das Auftreten von Wellenspannungen besteht darin, dass mittels einer Umrichtereinheit 7 der elektrischen Maschine in die elektrische Maschine eine Spannung Ul eingespeist wird. Besonders hohe Wellenspannung können hierbei auftreten, wenn die Spannung Ul in den Läufer 3 eingespeist wird.

Die elektrische Maschine von FIG 1 ist im Regelfall als Gene- rator ausgebildet. In Einzelfällen kann sie jedoch auch als Elektromotor ausgebildet sein. Besonders hohe Wellenspannungen können auftreten, wenn die elektrische Maschine als läufergespeister Generator ausgebildet ist, wenn also die Spannung Ul in den Läufer 3 eingespeist wird und über den Ständer 2 eine Nutzspannung U2 abgegriffen wird.

Wenn die Wellenspannungen Ströme verursachen, die über die Lager 5 fließen, können die Ströme die Lebensdauer der Lager 5 deutlich verringern. Aus diesem Grund weist die elektrische Maschine mindestens eine Abgreifeinrichtung 8 auf. Gemäß FIG 1 ist sogar jedem Lager 5 eine eigene Abgreifeinrichtung 8 zugeordnet .

Jede Abgreifeinrichtung 8 greift lokal die an der jeweiligen Stelle auftretende Wellenspannung ab und führt die Wellenspannung auf den Grundkörper 1 ab. Der Grundkörper 1 ist seinerseits in der Regel mit Masse verbunden. Die Ausgestaltung der Abgreifeinrichtung 8 ist der wesentliche Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Gemäß den FIG 2 und 3 weist die Abgreifeinrichtung 8 einen Bürstenhalter 9 auf. der Bürstenhalter 9 weist eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 10 auf. In die Durchgangsbohrungen 10 können Haltebolzen 11 eingesetzt werden. Die Haltebolzen 11 können in korrespondierende Gewindebohrungen 12 des Grundkörpers 1 eingeschraubt werden. Dadurch kann der Bürstenhalter 9 am Grundkörper 1 befestigt werden.

Der Grundkörper 1 besteht in der Regel aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall, insbesondere aus Gusseisen. Auch der Bürstenhalter 9 besteht in der Regel aus einem elektrisch leitenden Material, beispiels- weise aus Metall, insbesondere aus Gusseisen. Die Haltebolzen 11 bestehen in der Regel ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Stahl. über die Haltebolzen 11 besteht somit eine elektrisch leitende Verbindung des Bürstenhalters 9 mit dem Grundkörper 1. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein direkter elektrischer Kontakt des Bürstenhalters 9 mit dem Grundkörper 1 bestehen. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Es könnte vielmehr sogar eine Isolierschicht 13 zwischen dem Bürstenhalter 9 und dem Grundkörper 1 angeordnet sein .

Der Bürstenhalter 9 weist mindestens eine Bürstenführung 14 auf. Gemäß FIG 3 sind sogar mindestens zwei Bürstenführungen 14 vorhanden. In jeder Bürstenführung 14 ist jeweils eine Bürste 15 angeordnet, die in einer Verschieberichtung 16 ver- schieblich geführt ist. Jede Bürste 15 ist über eine Andruckfeder 17 mit einer Federkraft F beaufschlagt. Mittels der Federkräfte F werden die Bürsten 15 an die Welle 4 angedrückt. Die Bürsten 15 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material. Beispielsweise können sie aus einer Kohle-Metall-Mi- schung bestehen. Sie sind mit dem Bürstenhalter 9 elektrisch leitend verbunden. Wenn die Andruckfedern 17 aus Metall bestehen, ist es beispielsweise möglich, dass die elektrisch leitende Verbindung der Bürsten 15 mit dem Bürstenhalter 9 über die Andruckfedern 17 bewirkt wird. Vorzugsweise gehen jedoch von den von der Welle 4 abgewandten Enden 18 der Bürsten 15 Litzenleiter 19 aus, die mit dem Bürstenhalter 9 an geeigneter Stelle verbunden sind.

Durch die Ausgestaltung der Bürsten 15, des Bürstenhalters 9 und der Haltebolzen 11 als elektrisch leitende Elemente und durch deren elektrisch leitende Verbindung miteinander besteht somit eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung von der Welle 4 über die Bürsten 16, den Bürstenhalter 9 und

die Halteelemente 11 zum Grundkörper 1. Dadurch werden die in der Welle 4 auftretenden Wellenspannungen auf den Grundkörper 1 abgeleitet.

Zwischen den Bürsten 1 und den Bürstenführungen 14 ist jeweils ein elektrisch isolierendes Zwischenelement 20 angeordnet. Dadurch besteht kein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen der jeweiligen Bürste 15 und der jeweiligen Bürstenführung 14. Der guten Ordnung halber wird in diesem Zusammen- hang darauf hingewiesen, dass die Bürstenführungen 14 nur diejenigen Teile des Bürstehalters 9 sind, die sich (bezogen auf die jeweilige Verschieberichtung 16 der jeweiligen Bürste 15) tangential um die jeweilige Verschieberichtung 16 herum erstrecken .

Die Zwischenelemente 20 können mit den Bürstenführungen 14 mechanisch fest verbunden sein. Dies ist in der linken Hälfte von FIG 3 und in FIG 4 dargestellt. In dieser Ausgestaltung ist die Bürste 15 relativ zum Zwischenelement 20 verschieb- bar. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt. Alternativ können jedoch die Zwischenelemente 20 mit den Bürsten 15 mechanisch fest verbunden sein. Dies ist in der rechten Hälfte der FIG 3 und in FIG 5 dargestellt. In diesem Fall bewegen sich die Zwischenelemente 20 zusammen mit der jeweiligen Bürste 15.

Das Zwischenelement 20 ist - siehe FIG 6 - vorzugsweise als Formteil ausgebildet. Es kann beispielsweise den in FIG 6 dargestellten rechteckigen (Spezialfall : quadratischen) Querschnitt aufweisen. Es kann beispielsweise aus Papier oder aus Kunststoff bestehen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Zwischenelement 20 eine Dicke d auf, die unter 1 mm liegt. Vorzugsweise liegt die Dicke d zwischen 20 μm und 500 μm. Insbesondere liegt die Dicke d besonders bevorzugt zwischen 50 μm und 200 μm, beispielsweise bei 100 μm. Weiterhin weist das Zwischenelement 20 vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante ε auf, die zwischen 1,5 und 10 liegt. Beispielsweise kann die Dielektrizi-

tätskonstante ε zwischen 2 und 5 liegen, insbesondere zwischen 3 und 3,5. Durch eine derartige Ausgestaltung stellt das Zwischenelement 20 einen Abstand (der in der Regel der Dicke d des Zwischenelementes 20 entspricht) der jeweiligen Bürste 15 von der jeweiligen Bürstenführung 14 derart ein, dass die Bürste 15 bei Frequenzen deutlich oberhalb der Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) mit der Bürstenführung 14 kapazitiv gekoppelt ist. Denn kapazitive Ströme, die im zweistelligen kHz-Bereich, insbesondere zwischen 20 kHz und 50 kHz, zwischen den Bürsten 15 einerseits und den Bürstenführungen 14 andererseits oszillieren, sind für die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Abgreifeinrichtung 8 unschädlich.

Obenstehend wurde beschrieben, dass die Bürsten 15 direkt an die Welle 4 angedrückt sind. Es ist selbstverständlich jedoch ebenfalls möglich, auf der Welle 4 einen Schleifring 21 drehfest anzuordnen und die Bürsten 15 an den Schleifring 21 anzudrücken .

Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.