Anordnung zur Führung und/oder Halterung von elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung und/oder Halterung von elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen, eine kontaktierende Drehübertragung mit einer derartigen Anordnung als auch eine dynamoelektrische Maschine mit einer kontaktierenden Drehübertragung.

Bei dynamoelektrischen Maschinen, beispielsweise Generatoren oder Antriebsmotoren, kann ein Strom einem Läufer der dynamoelektrischen Maschine über eine Schleifringeinheit entnommen bzw. zugeführt werden. Bei größeren dynamoelektrischen Maschinen, wie Generatoren von Windkraftanlagen, werden nunmehr durch Kosten- und Bauraumoptimierung dieser Windkraftanlagen Generatoren und deren Komponenten immer kompakter ausgestaltet. Dies führt dazu, dass bei gleichbleibender Baugröße die Schleifringeinheit , also einzelne Komponenten der Schleif ^¬ ringeinheit, mit immer höheren Strömen belastet werden. Aus diesem Grund steigen dort die Temperaturen, insbesondere an den leitfähigen Schleifkontaktelementen, also den Schleifringbürsten und deren Haltern, also den Bürstenhaltern, er- heblich an.

Außerdem wird die Kontaktbahn der Schleifringoberfläche, bei ansteigenden Leistungen aus Kostengründen nicht vergrößert, was zu einer weiteren Erwärmung u.a. der Schleifringbürste führt. Die zunehmende thermische Belastung dieser Komponenten führt somit dazu, dass auch die Temperaturen der gesamten Schleifringeinheit auf einen kritischen Temperaturwert an ^¬ steigt und somit Schäden an Schleifringen, an den Schleifringbürsten und letztlich an der gesamten Anlage entstehen können.

Des Weiteren werden ab einer gewissen Baugröße und Leistung dynamoelektrischer Maschinen Schleifringkörper mit größeren Außendurchmessern eingesetzt. Entsprechend größer wird da ^¬ durch auch die verwendete Halteeinheit der leitfähigen

Schleifkontaktelemente . So werden zwar hohe Temperaturen ver ^¬ mieden, da u.a. die Arbeitsfläche des Schleifringkörpers we- sentlich vergrößert ist. Das gesamte Bauvolumen wird dadurch aber ebenfalls dementsprechend vergrößert.

Dies führt letztendlich dazu, dass nunmehr aufgrund der groß ^¬ zügigeren Dimensionierung der einzelnen Komponenten ein höhe- rer Materialaufwand und Materialkosten entstehen und zum anderen die Außenabmessungen eines Generators ebenfalls in un ^¬ zulässiger Weise ansteigen.

Eine bekannte Stromübertragungsanordnung über elektrische Ma- schinen ist aus der DE 100 03 900 AI bekannt, wobei dort um eine ausreichende Kühlung zu erhalten Schleifringe von Trag ^¬ ringen ausgehen, die axial hintereinander und gegeneinander elektrisch isoliert und luftumspült angeordnet sind. Schleifringanordnungen sind auch aus der DE 32 30 298 AI, der DE 103 19 248 AI und der US 4 329 611 A bekannt.

Nachteilig dabei ist, dass besonders Einzelkomponenten der bekannten Schleifringanordnungen vergleichsweise schnell thermisch überlastet werden.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei ^¬ ne kontaktierende Drehübertragung, insbesondere eine Schleif ^¬ ringanordnung zu schaffen, die einen vergleichsweise kompak- ten Aufbau aufweist und eine ausreichende Kühlung ihrer Ein ^¬ zelkomponenten, z.B. der elektrisch leitfähigen Schleifringkontaktelementen gewährleistet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Anord- nung zur Führung und/oder Halterung von elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen, insbesondere Bürsten, einer kontaktierenden Drehübertragung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen wenigstens zwei gegeneinander beweglichen Einheiten, mit wenigstens einer entlang einer Bahnbewegung verlaufenden Kontaktbahn aus elektrisch leitfähigem Material und zumindest einem stationären Aufnahmeschacht , der jeweils durch Wandungen gebildet ist, wobei zumindest eine Wandung Führungselemente aufweist, die derart gestaltet sind, dass sich zwischen Schleifkontaktelement und Wandungen des jewei ^¬ ligen Aufnahmeschachtes Spalten einstellen, wobei zumindest eine Wandung zumindest eine Öffnung aufweist, derart, dass dadurch das Schleifkontaktelement im Aufnahmeschacht kühlbar ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenfalls durch ei ^¬ ne kontaktierende Drehübertragung, insbesondere Schleifring ^¬ einheit mit zumindest einer derartigen Anordnung.

Ebenfalls gelingt die Lösung der gestellten Aufgabe durch ei ^¬ ne dynamoelektrische Maschine mit zumindest einer derartigen kontaktierenden Drehübertragung, insbesondere Schleifringein- heit, wobei ein axialer und/oder radialer Kühlluftstrom im Bauraum der kontaktierenden Drehübertragung vorgesehen ist, der u.a. die Schleifkontaktelemente kühlt.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Führung und/oder Halterung von elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen, insbesondere Bürsten, ist eine ausreichende Kühlung dieser Schleifringkontaktelemente im Betrieb einer dynamoelektri ^¬ schen Maschine gewährleistet. Die Aufnahmeschächte in denen sich die Schleifringkontaktelemente jeweils befinden, werden durch Wandungen gebildet, wobei zumindest eine Wandung eines Aufnahmeschachtes zumindest eine Öffnung aufweist, um das im Aufnahmeschacht befindliche Schleifringkontaktelement zu küh ^¬ len. Damit wird nunmehr die kontaktierende Drehübertragung, die mehrere derartige Aufnahmeschächte aufweist, einem axia ^¬ len und/oder radialen Kühlluftstrom oder einer Konvektion ausgesetzt, der bzw. die somit u.a. die Schleifringkontakt ^¬ elemente, insbesondere über diese Öffnungen der jeweiligen Aufnahmeschächte kühlt. Eine Bürste ist dabei ein Schleifringkontaktelement, das über einen Gleitkontakt einen elektrischen Kontakt zu einem rotie ^¬ renden Teil herstellt, und somit zumindest einen Teil einer Schleifringeinheit bildet. Diese Bürsten weisen beispielswei- se Graphit und ggf. ergänzend metallische Komponenten auf.

Die Schleifringeinheit weist insbesondere für größere zu übertragende Erregerleistungen eine oder mehrere der folgenden Komponenten wie Meldeeinrichtungen, wie z.B. eine Ver- Schleißüberwachung der Bürsten, eine Temperaturüberwachung,

Bürstenabhebevorrichtungen für eine oder mehrere Bürsten, einen von der dynamoelektrischen Maschine unabhängigen bzw. getrennten Kühlkreislauf auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Führung und/oder

Halterung von elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen, insbesondere Bürsten werden die Temperaturen der einzelnen Komponenten, besonders der Bürsten, deutlich reduziert. Dies führt zu kleineren Baugrößen der gesamten kontaktierenden Drehübertragung, also der Schleifringeinheit und der daran angrenzenden Komponenten.

Außerdem kann nunmehr die kontaktierende Drehübertragung mit vergleichsweise mehr Bürsten pro Phase betrieben werden, was ohne ausreichende Kühlung nur sehr schwer möglich ist.

Es sind somit auch weitere und höhere Leistungsstufen dieser gesamten kontaktierenden Drehübertragung und somit der gesamten dynamoelektrischen Maschine möglich, ohne das Bauvolumen insbesondere der Schleifringeinheit zu vergrößern. Dies ist vor allem in Gondeln von Windkraftanlagen vorteilhaft, da die Windkraftgeneratoren mit einer erfindungsgemäßen ausgestatteten Schleifringeinheit sehr kompakt ausgeführt werden kann. Außerdem ist eine zusätzliche Kühlung, eine Fremdbelüftung dieser kontaktierenden Drehübertragung nicht zwangsläufig notwendig, sondern der durch einen vorhandenen Lüfter auf der verlängerten Welle in der kontaktierenden Drehübertragung vorhandene Volumenstrom reicht zur Kühlung der Komponenten, insbesondere der Schleifringkontaktelemente der kontaktieren ^¬ den Drehübertragung aus . In vorteilhafter Weise weisen die Aufnahmeschächte an zumindest zwei gegenüberliegenden Ecken - bei einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt des Aufnahmeschachtes - Füh ^¬ rungselemente auf, die direkt an den Wandungen bzw. Holmen eines Haltgerüstes anliegen. Die Schleifringkontaktelemente weisen letztendlich zu den vorhandenen Wandungen außerhalb dieser Führungselemente also zwischen Schleifringkontaktele ^¬ ment und Wandung einen Abstand bzw. Spalt auf, der u.a. auch zur Kühlung beiträgt. Durch die Führungselemente wird u.a. ein Verkanten der Schleifringkontaktelemente bei Bewegungen innerhalb des Aufnahmeschachtes an Öffnungen der Wandungen vermieden .

Das Schleifringkontaktelement, also insbesondere die Bürste wird somit im Aufnahmeschacht durch Auflage bzw. Anlage an den Führungselementen sauber und exakt geführt und kann somit über die restliche Fläche des Schleifringkontaktelements als auch des offenen Schachtes im Bereich der Wandungen bzw. zwischen den Holmen außerhalb der Führungselemente über einen Kühlluftstrom gekühlt werden.

Die kontaktierende Drehübertragung saugt für ihre gesamte Einheit nunmehr Kühlluft über eigene Kühlluftöffnungen an ihrem Gehäuse an und aufgrund der nunmehr erfindungsgemäß aus ^¬ gebildeten Aufnahmeschächte der Schleifkontaktelemente, also der Anordnung zur Führung und/oder Halterung der elektrisch leitfähigen Schleifkontaktelementen, insbesondere der Bürsten, ist nunmehr auch eine gezielte Kühlluftführung direkt an die Schleifkontaktelementen bzw. der Bürsten möglich und effektiv. Dies ist besonders vorteilhaft, da dort die kriti- sehen Temperaturen aufgrund der Stromübertragung des Schleifkontaktelementes auf die Kontaktbahn des rotierenden Teils des Schleifringkörpers herrschen. Deshalb ist es sinnvoll diese Öffnungen aus Gründen der Kühleffizienz besonders an den großflächigen Wandungen der Aufnahmeschächte vorzusehen.

Die Oberflächen dieser Schleifkontaktelemente, insbesondere der Bürsten sind nunmehr also direkt einem Kühlluftstrom ausgesetzt. Durch die Kühlung sind nunmehr die verlaufenden Kontaktbahnen auf der Schleifringoberfläche als auch die Bürs ^¬ tentemperaturen, die aufgrund des Stromflusses als besonders kritisch anzusehen sind, in einem betriebsgerechten Tempera- turbereich und der Betrieb der kontaktierenden Drehübertragung als auch der dynamoelektrischen Maschine ist dadurch gewährleistet .

Erfindungsgemäß sind also nunmehr vergleichsweise kleinere günstigere Bauteile zu verwenden und es kann gleichzeitig ein problemloser Betrieb des Generators und damit der Windkraft ^¬ anlage gewährleistet werden.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben; darin zeigen:

FIG 1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer dynamo ^¬ elektrischen Maschine,

FIG 2 ein Trägersegment eines Schleifringsystems ,

FIG 3 bis 10 Bürstenaufnahmen mit unterschiedlichen Ausführungselementen .

FIG 1 zeigt in einen prinzipiellen Längsschnitt eine dynamo- elektrische Maschine 1, die in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse 10 befindet sich ein geblecht ausgeführ ^¬ ter Stator 2, der im Betrieb über einen Luftspalt 26 durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Rotor 3 eine Dre ^¬ hung einer Welle 7 um eine Achse 27 herbeiführt. Der eben- falls geblecht ausgeführte Rotor 3 ist mit der Welle 7 drehfest verbunden. Das Gehäuse 10 ist über Lagerschilde 9 und Lager 8 auf der Welle 7 abgestützt. Das Wicklungssystem 4 des Stators 2 weist an den Stirnseiten des Stators 2 Wickel- köpfe auf. Im Stator 2 und/oder Rotor 3 sind im Wesentlichen axial verlaufende Kühlkanäle vorgesehen.

Ebenfalls weist der Rotor 3 an seinen Stirnseiten Wickelköpfe seines Wickelsystems 5 auf, das mit einer Schleifringeinheit 6 über dementsprechende Drähte/Leiter 29 elektrisch leitend in Verbindung steht. Über die Schleifringeinheit 6 wird das Wicklungssystem 5 des Rotors 3 bestromt. Die Schleifringeinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem Trägersystem, das aus Trägersegmenten 11 aufgebaut ist, und Kontaktbahnen 28, die mit dem Wicklungssystem 5 des Rotors 3 elektrisch leitend in Verbindung stehen. Die zu einer Phase des Wicklungssystems 5 des Rotors 3 zugewiesenen Kontaktbahnen 28, sind dabei über elektrische Leiter 29 mit dem entsprechenden Abschnitt des Wicklungssystems 5 des Rotors 3 verbunden. Diese elektrischen Leiter 29 verlaufen dabei in Ausnehmungen der Welle 7 oder parallel zur Achse 27 an der Oberfläche der Welle 7.

Die Kontaktbahnen 28 sind dabei von geerdeten Bauteilen der Schleifringeinheit 6, als auch voneinander isolierend ange ^¬ ordnet .

Alternativ dazu ist die Schleifringeinheit 6 axial näher also unmittelbar am Rotor 3 angeordnet, wobei dabei dann die Lager 8 mit ihrem Lagerschild 9 zusätzlich weiter rechts anzuordnen sind. Das Gehäuse 9 der dynamoelektrischen Maschine 1 umfasst dann ebenfalls die Schleifringeinheit 6.

Die Schleifringeinheit 6 weist mehrere axial hintereinander angeordnete Trägersegmente 11 innerhalb dieser Schleifring ^¬ einheit 6 auf. Jedes Trägersegment 11 weist eine oder mehrere Bürstenaufnahmen 13 auf. Jede Bürstenaufnahme 13 hat einen oder mehrere Aufnahmeschächte 25. Die einzelnen Trägersegmente 11 sind insbesondere bei hori ^¬ zontaler Ausrichtung der Achse 27 oberhalb der Welle 7 angeordnet, um allein durch die Gewichtskraft der Bürsten 22 ei ^¬ nen gewissen Kontaktdruck auf den Kontaktbahnen 28 zu erhal- ten. Die Trägersegmente 11 sind in axialer Richtung durch Ab ^¬ standshalter 12 voneinander beabstandet, die gleichzeitig die Trägersegmente 11 voneinander elektrisch isolieren. Durch die zwischen den Trägersegmenten 11 verbleibenden Zwischenräumen ist Kühlluft durchführbar.

Neben den Trägersegmenten 11 für die Leistungszuführung eines Dreiphasensystems sind optional auch weitere Trägersegmente 11 vorhanden, die z.B. zur Erdung der Welle 7 vorgesehen oder zur Übertragung von Meldesignalen, wie z.B. Temperaturen aus oder zum Rotor 3 vorgesehen sind.

Elektrische Zuführungen 33 zu den einzelnen Bürstenaufnahmen 13 sind in dieser Darstellung nur beispielshaft dargestellt.

An den Bürstenaufnahmen 13 sind Verschleißüberwachungen 14 als auch ein Federstempel 16 vorgesehen, die im weiteren Verlauf noch näher beschrieben und dargestellt werden. FIG 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Bürstenaufnahme 3 mit zwei Aufnahmeschächten 25, in die Bürsten 22 eingesetzt werden und im Betrieb im Wesentlichen senkrecht zur Achse 27 auf den Kontaktbahnen 28 aufliegen. Die Aufnahme- schächte 25 weisen im Wesentlichen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, und sind insofern durch jeweils vier Wandun ^¬ gen begrenzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Bürstenaufnahme 13 zwei benachbarte Schächte mit einer ge ^¬ meinsamen Wandung 19 auf, wobei zwei außenliegende Wandungen dieser Bürstenaufnahme 13 vorgesehene Öffnungen 18 aufweisen. Aufgrund dieser Öffnung 18 wird es nunmehr einer in der

Schleifringeinheit 6 zirkulierenden Kühlluft ermöglicht die jeweiligen Bürsten 22 in ihrem Aufnahmeschacht 25 zu kühlen.

Die Verschleißüberwachung 14 greift an Schmalseiten des je- weiligen Aufnahmeschachtes 25 über Nuten 23 in diese Aufnah ^¬ meschächte 25 ein und meldet je nach Verschleiß der Bürste 22 einer übergeordneten Meldestelle direkt an der Maschine und/oder in einer Warte, z.B. dass und ggf. wann ein Kohle ^¬ bürstenwechsel stattzufinden hat.

FIG 4 zeigt in einer Draufsicht auf die Bürstenaufnahme 13 die Aufnahmeschächte 25 als auch die Verschleißüberwachung 14 ebenso wie einen Federstempel 16. Der Federstempel 16 bewirkt eine radiale Kraft auf die, in diesem Fall nicht dargestell ^¬ ten Bürsten 22, und übt somit einen Druck auf die Bürsten 22 aus, der für einen entsprechende Kontaktdruck und damit eine ausreichende elektrische Kontaktierung der Bürste 22 auf der jeweiligen Kontaktbahn 28 bewirkt.

Um nunmehr neben den Öffnungen 18 in den Wandungen 19 eine Kühlung zu erhalten, ist insbesondere auf der Seite der Bürs- tenaufnahme 13 die dem Trägersegment 11 zugewandt ist, ein

Spalt 20 zwischen Trägersegment 11 und der Bürstenaufnahme 13 vorgesehen, die es insbesondere einem radialen Kühlluftstrom innerhalb der Schleifringeinheit 6 ermöglicht, ebenfalls über die Öffnung 18 die Bürste 22 zu kühlen. Die Kühlung der

Schleifringkontakte, also der Bürsten 22 wird mittels des durchgehenden Spaltes 20 entlang der Wandung 19 und eines eben verlaufenden Teils der kontaktierenden Drehübertragung, insbesondere des Trägersegments 11 zusätzlich verbessert. Bei Betrachtung des gesamten Schleifringkörpers 6 und dessen Trägersegmenten 11 ist der Spalt 20 im wesentlichen radial angeordnet und kann somit von einem radialen Kühlluftstrom innerhalb der Schleifringeinheit 6 durchströmt werden. Der Aufnahmeschacht der Bürste 22 wird um eine leichtgängige radiale Beweglichkeit dieser Bürste zu erhalten, mit Füh ^¬ rungselemente 17 versehen, die in dieser Ausführung als Eckprofile ausgeführt sind. Diese Eckprofile ermöglichen, dass die Bürste 22 nunmehr über diesen vergleichsweise geringen Wandkontakt geführt wird. Damit bilden sich Bürste 22 und den Wandungen 19 ebenfalls Abstände aus, in die Kohlestaub abge ^¬ führt und/oder Kühlluft dringen kann und somit zum ordnungs ^¬ gemäßen Betrieb der Maschine beiträgt. FIG 5 zeigt in einer Seitenansicht die Bürstenaufnahme 13 mit der Verschleißüberwachung 14, die mehrere Elemente aufweist. Eine Meldelasche 24, die direkt an der Bürste 22 befestigt ist, drückt an ein hakenförmiges Element 30 der Verschleiß- Überwachung 14 und setzt somit eine Meldung über Mikroschal- ter ab.

Über Laschen 15, die direkt an der Bürstenaufnahme 13 ange ^¬ gossen sind, wird die Bürstenaufnahme 13 an dem Trägersegment 11 befestigt. Je nach Ausprägung des Trägersegments 11 können dabei die Laschen 15 unterschiedlich räumlich ausgerichtet sein .

Die Auflagefläche 34 der Bürste 22 ist dem Radius der Kon- taktbahn 28 angepasst um einem zu übertragenden Strom eine möglichst große Übergangsfläche bereitzustellen.

FIG 6 zeigt in einer weiteren perspektivischen Darstellung die Bürstenaufnahme 13 mit zwei parallelen Aufnahmeschächten 25 mit ihren Führungselementen 17. Ebenfalls ist die Nut 23 zu sehen, über die die Meldelasche zum Haken 30 der Verschleißüberwachung 14 geführt wird. Die vorliegende Bürstenaufnahme mit zwei parallelen Aufnahmeschächten 25 kann ebenso je nach Anwendungsfall und zu übertragender Stromstärke auch mit drei oder vier parallelen Aufnahmeschächten ausgeführt sein .

Ebenso kann jedes Trägersegment 11, das für eine elektrische Phase vorgesehen ist, mehrere in Umfangsrichtung betrachtet hintereinander angeordnete Bürstenaufnahmen aufweisen, so dass sich die gesamt zu übertragende Leistung auf mehrere Kontaktstellen 28 verteilt.

FIG 7 zeigt eine Bürstenaufnahme 13, in der in einem Aufnah- meschacht 25 eine Bürste 22 vorgesehen ist, die an ihrem ra ^¬ dial oberen Ende die angebrachte Meldelasche 24 aufweist. Ebenso ist die Lasche 15 der Bürstenaufnahme 13 zu sehen, an die beispielsweise die Verschleißüberwachung 14 angebracht sein kann. Die Auflagefläche 34 der Bürste 22 ist geriffelt ausgeführt um den Stromtransport zu verbessern.

Ebenso zeigen FIG 8 und 9 weitere perspektivische Darstellun- gen der eben genannten Ausführung.

FIG 10 zeigt in einer weiteren Ausführung eine zusätzliche Optimierung der Kühlung einer Bürstenaufnahme 13 dahingehend, dass nahezu jede Wandung 19 Kühlöffnungen 18 aufweist, ohne die mechanische Stabilität der gesamten Bürstenaufnahme 13 zu gefährden. In dieser Darstellung ist auch der Federstempel 16 gezeigt, durch den die Bürsten 22 in beiden parallelen Aufnahmeschächten über eine Lasche mit einer radialen Kraft beaufschlagbar sind.

Bei der Fortführung des erfinderischen Gedankens sind letztlich lediglich nur noch Führungselemente 17 vorhanden, die innerhalb eines Haltegerüstes angeordnet sind, das den Auf ^¬ nahmeschacht 25 oder die Aufnahmeschächte 25 bildet. Die Bürstenaufnahme 13 ist letztlich nunmehr ein Haltegerüst, das mittels Führungselementen 17 die Bürsten 22 jeweils in ihrem Aufnahmeschacht 25 hält bzw. führt und soweit vorgesehen Nu ^¬ ten 23 zum Eingriff der Verschleißüberwachung 14 aufweist. Entscheidend ist nunmehr, dass an der Bürstenaufnahme 13 mög- liehst viele „Freiflächen", also Öffnungen 18 vorgesehen sind, um eine ausreichende Kühlung der Bürsten 22 zu gewährleisten .

Die Führungselemente 17 gewährleisten in jeder Ausführungs- form einen reibungsoptimierten radialen Transport der Bürste 22 innerhalb ihres Aufnahmeschachtes 25, ohne ein Verkanten innerhalb des Haltegerüstes bzw. Aufnahmeschachtes 25.

Die Aufnahmeschächte 25 der Bürstenaufnahme 13 sind entweder einstückig ausgebildet oder mit zumindest einer separaten

Wandung versehen, die in Aufnahmeschlitze der Bürstenaufnahme 13 einsetzbar ist. Die Anwendung einer derartigen kontaktierenden Drehübertragung, insbesondere Schleifringeinheit 6 ist vor allem bei Windkraftgeneratoren vorgesehen.