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Title:
SLIP RING UNIT WITH COOLING FAN INSULATING SEGMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/091215
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a slip ring unit (1) for an electrical machine, wherein the slip ring unit (1) is provided for accommodating a carbon brush system, and the slip ring unit 1 comprises at least one insulating segment (2,3). For effective cooling of the electrical machine, the invention proposes that at least one insulating segment (2,3) comprises configurations for cooling parts of the electrical machine, wherein the insulating segment (2,3) comprising the configurations is configured from the insulating segment (2,3) as a fan impeller, and the insulating segment (2,3) comprising the configurations forms a cooling fan, which is provided for distributing a cooling air flow to the parts of the electrical machine to be cooled and, laterally on the supports of the slip rings (7,8,9), the slip ring unit comprises bores (4,5,6) for conducting cooling air.

Inventors:
BINDER HERBERT (DE)
MEMMINGER OLIVER (DE)
RASKOPF ANDREJ (DE)
SCHIFFERER KLAUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/076537
Publication Date:
May 24, 2018
Filing Date:
October 18, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H01R39/08; H02K9/28; H02K13/00
Foreign References:
DE504351C1930-08-02
GB191012889A1911-02-16
EP2961009A12015-12-30
DE102009048265A12011-04-07
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Claims:
Patentansprüche

1. Schleifringeinheit (1) für eine elektrische Maschine, wo¬ bei der Schleifringeinheit (1) zur Aufnahme eines Kohlebürs- tensystems vorgesehen ist,

wobei die Schleifringeinheit (1) mindestens ein Isolierseg¬ ment (2,3,10) aufweist,

wobei mindestens ein Isoliersegment (2,3) Ausprägungen zur Kühlung von Teilen der elektrischen Maschine aufweist, wobei das die Ausprägungen aufweisende Isoliersegment (2,3) als Lüfterrad aus dem Isoliersegment (2,3) ausgeprägt ist, wobei das die Ausprägungen aufweisende Isoliersegment (2,3) einen Lüfter bildet, der zur Verteilung eines Kühlluftstroms zu den zu kühlenden Teilen der elektrischen Maschine vorgese- hen ist, und

wobei die Schleifringeinheit (1) seitlich an den Trägern der Schleifringe (7,8,9) Bohrungen (4,5,6) zur Durchführung von Kühlluft aufweist. 2. Schleifringeinheit (1) nach Anspruch 1,

wobei die Bohrungen (4,5,6) zur gezielten Durchleitung von Kühlluft zu mit einer mit der Schleifringeinheit (1) zusam¬ menwirkenden Kohlebürsteneinheit vorgesehen sind. 3. Schleifringeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Bohrungen (4,5,6) seitlich an den Trägern der

Schleifringe (7,8,9) und die Ausprägungen des Isoliersegments (2,3) derart angeordnet sind, dass das aus den Ausprägungen des Isoliersegments (2,3) gebildete Lüfterrad mit den Bohrun- gen (4,5,6) der Schleifringe (7,8,9) zusammenwirkt.

4. Schleifringeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bohrungen (4,5,6) zur Vergrößerung der Kühlfläche der Schleifringeinheit (1) vorgesehen sind.

5. Schleifringeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schleifringeinheit (1) als doppelflutig gekühlte Schleifringeinheit (1) ausgebildet ist, bei der zumindest die außen liegenden Isoliersegmente (2,3) als Lüfter ausgeprägt sind .

6. Elektrische Maschine mit einer Schleifringeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

Description:
Beschreibung

Schleifringeinheit mit Lüfter-Isoliersegment Die Erfindung betrifft eine Schleifringeinheit für eine elektrische Maschine, wobei die Schleifringeinheit zur Auf ¬ nahme eines Kohlebürstensystems vorgesehen ist und wobei die Schleifringeinheit mindestens ein Isoliersegment aufweist. Die Erfindung betrifft weiter eine elektrische Maschine mit einer derartigen Schleifringeinheit .

Eine derartige Schleifringeinheit für eine elektrische Ma ¬ schine kommt beispielsweise bei Windkraftanlagen zum Einsatz. Hier besteht der Bedarf, dass die elektrischen Maschinen in Form der Generatoren und ihrer Komponenten immer kompakter werden. Dies führt dazu, dass bei gleichbleibender Baugröße die Schleifringkomponenten immer höher belastet werden, da die Temperaturen, insbesondere von Schleifringen, Schleif- ringbürsten und Kohlebürstenhalter häufig stark ansteigen.

Somit besteht ein Bedarf, sämtliche Komponenten der elektrischen Maschine, insbesondere auch die Schleifringeinheit mög ¬ lichst effizient zu kühlen. Die EP 2 961 009 AI betrifft eine Schleifringanordnung, ins ¬ besondere für einen Windkraftgenerator, aufweisend zumindest einen Rotationskörper, welcher drehbar um eine Rotationsachse lagerbar ist, und zumindest zwei Schleifringe, welche jeweils an einer Mantelfläche des zumindest einen Rotationskörpers angeordnet sind. Um die Kühlung von Schleifringanordnungen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Rotationskörper aus der Mantelfläche herausragende Vorsprünge (5) zur Erzeugung eines Kühlluftstroms aufweist. Die DE 10 2009 048 265 AI betrifft eine Schleifringanordnung für eine rotierende elektrische Maschine, welche Schleifring ¬ anordnung eine Mehrzahl von konzentrisch zur Maschinenachse und in axialer Richtung hintereinander angeordneter Schleif- ringe umfasst. Ein vereinfachender, Gewicht sparender und für eine besonders effektive Kühlung geeigneter Aufbau wird da ¬ durch erreicht, dass die Schleifringanordnung selbsttragend ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schleifring ¬ einheit der eingangs genannten Art anzugeben, die auf einfa ¬ che und kostengünstige Weise eine gleichmäßige Temperaturver ¬ teilung der Schleifringeinheit und somit eine möglichst ef- fektive Kühlung der elektrischen Maschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Schleifringeinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein Isolierseg ¬ ment Ausprägungen zur Kühlung von Teilen der elektrischen Ma- schine aufweist, wobei das die Ausprägungen aufweisende Iso ¬ liersegment als Lüfterrad aus dem Isoliersegment ausgeprägt ist, wobei das die Ausprägungen aufweisende Isoliersegment einen Lüfter bildet, der zur Verteilung eines Kühlluftstroms zu den zu kühlenden Teilen der elektrischen Maschine vorgese- hen ist, und wobei die Schleifringeinheit seitlich an den Trägern der Schleifringe Bohrungen zur Durchführung von

Kühlluft aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Schleifringoberfläche bei größeren Leistungen aus Kostengrün ¬ den nicht vergrößern lässt, was dazu führt, dass sich der Schleifringkörper stärker erwärmt. Hierdurch würde ohne weitere Maßnahmen die Temperatur der einzelnen Komponenten einer Schleifringeinheit auf einen kritischen Wert ansteigen, und es könnten Schäden am Schleifring sowie an den Schleifringbürsten entstehen.

Die Erfindung löst auf überraschend einfache Weise dieses Temperaturproblem dadurch, dass mindestens ein Isoliersegment der Schleifringeinheit Ausprägungen zur Kühlung von Teilen der elektrischen Maschine aufweist. Somit wird mindestens ein ohnehin vorhandenes Isoliersegment zwischen den einzelnen Schleifringen der elektrischen Maschine derart gestaltet, dass es als Lüfter wirkt. Hierdurch können die Temperaturen der Schleifringeinheit sowie der gesamten elektrischen Ma ¬ schine deutlich reduziert werden. Dies führt dazu, dass klei ¬ nere Baugrößen der Schleifringeinheit möglich werden und bei gleicher Baugröße somit auch höhere Leistungsstufen. Die Ausprägungen des Isoliersegments bzw. gegebenenfalls mehrere Isoliersegmente bilden idealerweise dabei einen Lüfter, der zur Verteilung eines Kühlluftstroms zu den zu kühlenden Tei ¬ len der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Es ist sogar möglich, dass mit Hilfe derartig gestalteter Schleifringein- heiten auch Nachrüstungen von bereits bestehenden elektrischen Maschinen ermöglicht werden, die dann sogar idealerweise eine höhere Lebensdauer bzw. eine höhere Belastbarkeit ge ¬ genüber normalen Schleifringeinheiten aufweisen.

Eine gezielte Kühlung der Schleifringeinheit sowie einer in der Schleifringeinheit angeordneten Kohlebürsteneinheit wird auf einfach Weise dadurch erzielt, dass das die Ausprägungen aufweisende Isoliersegment einen Lüfter bildet, der zur Ver- teilung eines Kühlluftstroms zu den zu kühlenden Teilen der elektrischen Maschine vorgesehen ist.

Konstruktiv gelingt dies aufwandsarm dadurch, dass das die Ausprägungen aufweisende Isoliersegment als Lüfterrad aus dem Isoliersegment ausgeprägt ist.

Eine gezielte Kühlluftverteilung auch hin zu Komponenten einer Kohlebürsteneinheit wird dadurch sichergestellt, dass die Schleifringeinheit Bohrungen zur Durchführung von Kühlluft aufweist. Im Zusammenspiel der Ausprägungen des Isolierseg ¬ ments und der Bohrungen seitlich an den Trägern der Schleifringe kommt es zu einer synergetischen Verteilung der

Kühlluft der elektrischen Maschine. Hierzu sind die Bohrungen seitlich an den Trägern der Schleifringe und die Ausprägungen des Isoliersegments derart angeordnet, dass das aus den Aus ¬ prägungen des Isoliersegments gebildete Lüfterrad mit den Bohrungen der Schleifringe zusammenwirkt. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten .

Die Bohrungen sind vorteilhafter Weise zur gezielten Durch- leitung von Kühlluft zu einer mit der Schleifringeinheit zu ¬ sammenwirkenden Kohlebürsteneinheit vorgesehen.

Ein weiterer Effekt besteht darin, dass die Bohrungen zur Vergrößerung der Kühlfläche der Schleifringeinheit vorgesehen sind.

Eine zuverlässige konstruktive Ausgestaltung, die eine gute Mischung aus Aufwand und Nutzen beinhaltet, ist dadurch ge ¬ bildet, dass die Schleifringeinheit als doppelflutig gekühlte Schleifringeinheit ausgebildet ist, bei der zumindest die au ¬ ßen liegenden Isoliersegmente als Lüfter ausgeprägt sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert.

Es zeigen:

FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer doppelflutig gekühlten

Schleifringeinheit mit jeweils außen liegenden Lüf ¬ ter-Isoliersegmenten und

FIG 2 eine Seitenansicht der in FIG 1 gezeigten Schleif ¬ ringeinheit .

FIG 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer doppelflutig ge ¬ kühlten Schleifringeinheit 1 mit jeweils außenliegenden Lüf ¬ ter-Isoliersegmenten 2,3. Der in FIG 1 dargestellt Schleif ¬ ringkörper 1 besteht im Wesentlichen aus den Schleifringen 7,8,9, also aus einen dreiphasigen Schleifringsystem sowie einem Erdungsring 11. Zwischen den Schleifringen 7,8,9 sind Isoliersegmente 2,3 angeordnet. Die jeweils außenliegenden Isoliersegmente 2,3,10 des Schleifringkörpers 1 weisen Aus- Prägungen zur Kühlung von Teilen der elektrischen Maschine auf. Somit bilden die Isoliersegmente 2,3 jeweils eine Art Lüftereinheit, die zur Verteilung eines Kühlluftstromes zu den zu kühlenden Teilen der elektrischen Maschine vorgesehen sind. Hierdurch kann Frischluft aus der Umgebung gezielt zu einzelnen Komponenten der elektrischen Maschine gelenkt werden. Hierzu weist die Schleifringeinheit seitlich an den Trä ¬ gern der Schleifringe 7,8,9 Schleifringbohrungen 4,5,6 auf. Diese Schleifringbohrungen 4,5,6 dienen der Durchführung, beispielsweise von Kühlluft zu einer mit der Schleifringein ¬ heit zusammenwirkenden Kohlebürsteneinheit. Diese ist in FIG 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt.

Der in FIG 1 dargestellte Schleifringkörper, der aus der Schleifringeinheit 1 gebildet wird, bildet somit eine doppel- flutig gekühlte Schleifringeinheit 1, die in der Lage ist, durch Ausnutzung der Umgebungsluft des ohnehin vorhandenen Kühlkreislaufs der Schleifringeinheit 1 die direkt bean ¬ spruchten Komponenten wie Schleifringbürsten, Bürstenhalter und den Schleifringkörper selbst zu kühlen. Hierdurch werden die Temperaturen der elektrischen Maschine deutlich reduziert. Die dadurch niedrigere Temperatur erlaubt kleinere Baugrößen der Schleifringkörper bzw. der Schleifringeinheit 1. Die Schleifringeinheit 1 kann hierdurch mit mehr Bürsten- pro Phase belastet werden, was ohne eine derartige Kühlung nicht möglich wäre. Somit sind höhere Leistungsstufen als bisher realisierbar. Zudem ist bei dieser Art von Kühlung eine Fremdbelüftung zur Erzeugung von Volumenstrom nicht weiter notwendig, denn der Volumenstrom wird durch den ohnehin vor- handenen Lüfter der Schleifringeinheit 1 und mit dem erfin ¬ dungsgemäßen Schleifringkörper, der als doppelflutiges Kühlsystem durch die beiden im Schleifring integrierten Lüfter mit den entsprechend ausgeprägten Isoliersegmenten 2,3 gebildet wird, miterzeugt.

Zusätzliche Kosten entstehen bei einer derartigen Ausführung der Schleifringeinheit 1 nicht, da die Isoliersegmente 2,3 ohnehin systembedingt vorgesehen sind. Eine derartige Schleifringeinheit 1 kann auch bei der Nachrüstung von elekt ¬ rischen Maschinen, beispielsweise insbesondere auch bei Wind ¬ kraftanlagen erfolgen, da die Schleifringeinheit 1 entspre ¬ chend kompatibel zu bestehenden elektrischen Maschinen und Generatoren gestaltet werden kann. Dies führt zu einer Vermeidung von zusätzlichen Kosten auch für Lagerhaltung, Einkauf, etc ..

Das Besondere der in FIG 1 dargestellten Schleifringeinheit 1 besteht insbesondere darin, dass die kühle Umgebungsluft prä ¬ zise an die benötigten Stellen, also direkt an und durch den Schleifring geführt werden kann. Dies geschieht einerseits durch eine direkte Luftführung zu der Lauffläche, an der die Wärme entsteht. Durch eine entsprechende Gestaltung der Iso- liersegmente 2,3 des Schleifringkörpers 1 entsteht somit ein doppelflutig belüfteter Schleifringkörper, der eine deutlich erhöhte Kühlfläche aufweist, wobei genau diese Fläche mit Kühlluft versorgt wird. Die Kühlluft wird mit den entspre ¬ chenden Isoliersegmenten 2,3, die als Lüfter ausgeprägt sind, durch den sich drehenden Schleifringkörper 1 aus den ohnehin vorhandenen Kühlluftstrom entnommen und direkt an die gefährdeten Bereiche gefördert. Die Luftführung kann dabei durch ein bestimmtes Luftleitsystem noch weiter unterstützt werden. Das Kühlsystem kann dabei noch unterstützt werden durch einen in der Schleifringeinheit 1 in der Regel standardmäßig vorge ¬ sehenen Radiallüfter, der in FIG 1 nicht näher dargestellt ist. Somit wird die erwärmte Kühlluft von dem Schleifringlüf- ter angesaugt und über den Luftstrom durch das Lüftergehäuse aus dem Schleifringraum in die Umgebung abgeführt. Hierdurch werden also direkt die Laufflächen der Schleifringeinheit ge ¬ kühlt .

Die Schleifringlaufflächen und die Bürstentemperaturen bleiben durch diese Maßnahmen somit in einen betriebsgerechten Temperaturbereich und der Betrieb ist gegen Überhitzung geschützt. Damit können insgesamt wesentlich kleinere, günsti ¬ gere Bauteile verwendet werden, und somit ein problemloser Betrieb der elektrischen Maschine sichergestellt. Neben einer Anwendung bei Generatoren, beispielsweise für Windkraftanla ¬ gen, kann die Erfindung auch bei Motoren zum Einsatz kommen.

FIG 2 zeigt eine Seitenansicht der in FIG 1 gezeigten

Schleifringeinheit 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich der Funktion sowie der Bezugszeichen auf die Ausführungen zu FIG 1 verwiesen.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit eine Schleif- ringeinheit 1 für eine elektrische Maschine, wobei der

Schleifringeinheit 1 zur Aufnahme eines Kohlebürstensystems vorgesehen ist und wobei der Schleifringeinheit 1 mindestens ein Isoliersegment 2,3,10 aufweist. Für eine effektive Küh ¬ lung der elektrischen Maschine wird vorgeschlagen, dass min- destens ein Isoliersegment 2,3 Ausprägungen zur Kühlung von

Teilen der elektrischen Maschine aufweist, wobei das die Aus ¬ prägungen aufweisende Isoliersegment 2,3 als Lüfterrad aus dem Isoliersegment 2,3 ausgeprägt ist, wobei das die Ausprä ¬ gungen aufweisende Isoliersegment 2,3 einen Lüfter bildet, der zur Verteilung eines Kühlluftstroms zu den zu kühlenden Teilen der elektrischen Maschine vorgesehen ist, und wobei die Schleifringeinheit 1 seitlich an den Trägern der Schleif ¬ ringe 7,8,9 Bohrungen 4,5,6 zur Durchführung von Kühlluft aufweist .