УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ, ОПЕРТОЕ НА ВРАЩАЮЩУЮСЯ ОПОРУ
DEVICE FOR ELECTROTRANSMISSION TO ROTARY BODY, SUPPORTED AT ROTATING SUPPORT

Изобретение касается устройства для передачи электрического тока на тело вращения, опертое на вращающуюся опору, которое включает в себя по меньшей мере два контактных кольца, имеющего траверсу контактных элементов и по меньшей мере два контактных элемента, при этом траверса контактных элементов механически соединена с каждым контактным элементом, при этом каждый контактный элемент может располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, каждый контактный элемент находился в контакте с соответствующим контактным кольцом, при этом между траверсой контактных элементов и каждым контактным элементом был расположен электрически изолирующий слой. Кроме того, изобретение касается электрической машины, имеющей такое устройство и такое тело вращения.
Такое устройство применяется, например, в области синхронных машин с посторонним возбуждением. Как известно, рынок требует медленно работающих синхронных машин с высоким вращающим моментом, напр., для дробилок или компрессоров. Этот вид машин отличается, в частности, большим диаметром ротора. Ротор при этих решениях состоит из собственно приводимого в движение вала и электрически активных частей ротора. Электрическое возбуждение таких машин осуществляется, в частности, с помощью контактных колец с большим диаметром. Контактное кольцо обычно расположено в машине, чтобы выполнить как можно более короткую проводку контактного кольца между обмоткой полюса и контактным кольцом.
Изготовление и монтаж требуемых контактных колец является трудоемким и ставит максимальные требования к точности формы, в частности к точности по радиальному биению и по торцевому биению, монтируемых сегментов контактных колец.
Для возбуждения электрических машин необходимы, в частности, щеточные траверсы. Эти щеточные траверсы до сих пор изготавливались в зависимости от токовой нагрузки и давления прижатия щеткодержателей и конструктивных требований для каждого диаметра контактных колец.
В настоящее время щеточные траверсы крепятся к несущей структуре, и крепление и установка щеток осуществляется посредством щеткодержателей, которые устанавливаются радиально к рабочей поверхности контактного кольца. Для этого требуется высокая точность формы и хода контактного кольца.
Из GB 697 637 A известно устройство для передачи электрического тока на тело вращения, опертое на вращающуюся опору, причем это тело вращения имеет два электрически соединенных друг с другом контактных кольца. Это устройство имеет при этом раму, которая посредством тросов удерживается в своем положении в осевом направлении и окружном направлении. Рама имеет при этом две щетки, соединенные с рамой каждая посредством одной пружины, при этом каждая щетка должна прилегать к контактному кольцу. Кроме того, рама имеет два колеса, которые движутся каждое по соответствующему контактному кольцу.
Из EP 1 273 087 B1 известен конструктивный узел щеткодержателя, при этом щетки находятся в контакте со скользящим контактом коммутатора.
Из DE 10 2004 007 702 A1 известно устройство скользящего контакта, которое имеет на поверхности изоляторов структурированное покрытие, имеющее комбинированную микроструктуру и наноструктуру.
В основе изобретения лежит задача усовершенствовать вышеназванное устройство в том отношении, чтобы на тело вращения с высокой надежностью могли передаваться по меньшей мере две электрические фазы.
Эта задача решается с помощью устройства вышеназванного рода таким образом, что устройство имеет по меньшей мере один направляющий элемент, при этом данный направляющий элемент может располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, данный направляющий элемент находился в контакте с по меньшей мере одной поверхностью тела вращения, опертого на вращающуюся опору, причем данные два направляющих элемента могут при этом располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, соответствующая поверхность была расположена между этими двумя направляющими элементами.
Кроме того, эта задача решается с помощью электрической машины, имеющей предлагаемое изобретением устройство и тело вращения, опертое на вращающуюся опору, включающее в себя по меньшей мере два контактных кольца.
С помощью электрически изолирующего слоя траверса контактных элементов электрически изолирована от указанных по меньшей мере двух контактных элементов, при этом, тем не менее, обеспечивается возможность механического соединения. Благодаря этому траверса контактных элементов может выполнять свою несущую функцию в отношении указанных по меньшей мере двух контактных элементов. Это позволяет также передавать несколько электрических фаз, например, трех фаз для передачи трехфазного тока, на тело вращения, с помощью нескольких контактных колец, и при этом применять предлагаемое изобретением устройство с очень компактной траверсой контактных элементов. При этом электрическая энергия от каждого контактного элемента может передаваться на соответствующее контактное кольцо, при этом для каждой электрической фазы может быть предусмотрена отдельная подводящая проводка, которая всегда электрически изолирована от траверсы контактных элементов.
В частности, каждый контактный элемент может иметь пружинный элемент и электропроводящую щетку, причем эта электропроводящая щетка посредством пружинного элемента механически соединена с траверсой контактных элементов. Благодаря этому дополнительно повышается надежность электрического контакта между каждым контактным элементом и соответствующим контактным кольцом. Можно также предусмотреть для каждого контактного элемента две или больше электропроводящих щеток, имеющих надлежащие пружинные элементы, для повышения надежности электрического контакта каждого контактного элемента с соответствующим контактным кольцом.
Благодаря расположению свободно движущейся щеточной траверсы могут компенсироваться ошибки формы и точности по радиальному биению тела вращения, и, в частности, соответствующего контактного кольца. Таким образом, траверса контактных элементов движется электрически изолированно от поверхности контактного кольца и позволяет корректировать ошибки формы и точности по радиальному биению, а также бочкообразность рабочей поверхности контактных колец.
Идея настоящего изобретения заключается в расположении траверсы контактных элементов относительно соответствующего контактного кольца, причем это расположение осуществляется таким образом, что возможна корректировка относительных движений по возможности во всех направлениях, например, эксцентриситетов и перекосов, и обеспечивается надежная эксплуатация машины. Благодаря опоре щеточной траверсы на контактное кольцо могут снижаться расходы на изготовление контактного кольца и щеточной траверсы. Кроме того, значительно упрощается монтаж щеточных траверс и контактных колец с большими диаметрами.
Указанный по меньшей мере один направляющий элемент улучшает надежность электрического контакта между данным контактным элементом с соответствующим контактным кольцом, при этом он, в частности, служит базовой точкой для данного контактного элемента.
Например, посредством указанного по меньшей мере одного направляющего элемента может предотвращаться слишком большая сила прижатия данного контактного элемента к соответствующему контактному кольцу. Это может достигаться за счет того, что указанный по меньшей мере один направляющий элемент действует на соответствующую поверхность с силой, которая направлена в том же направлении, что и та сила, с которой этот контактный элемент давит на соответствующее контактное кольцо. Так как, в частности при неудовлетворительной точности по радиальному биению, слишком большая сила прижатия контактного элемента к соответствующему контактному кольцу может приводить к «соскакиванию» контактного элемента с соответствующего контактного кольца и вместе с тем к прерванному контакту, указанный по меньшей мере один направляющий элемент оказывает предпочтительное действие на надежность устройства.
«Соскакивание» контактного элемента с соответствующего контактного кольца может также предотвращаться таким образом, чтобы указанная по меньшей мере одна поверхность на виде контактного кольца сверху была расположена позади поверхности контактного кольца. Так посредством указанного по меньшей мере одного направляющего элемента может надежно достигаться повышенная сила прижатия контактного элемента к соответствующему контактному кольцу.
Указанная по меньшей мере одна поверхность тела вращения может при этом, например, представлять собой поверхность соответствующего контактного кольца, так чтобы данный направляющий элемент находился в контакте с соответствующим контактным кольцом. При этом может быть предусмотрено, чтобы данный направляющий элемент был непосредственно закреплен на контактном элементе, благодаря чему достигается, с одной стороны, особенно хорошее ведение контактного элемента по соответствующему контактному кольцу, а с другой стороны, данный направляющий элемент изолирован относительно траверсы контактных элементов.
Данный направляющий элемент может быть при этом выполнен, например, в виде элемента направляющей скольжения, в частности рельсовой направляющей, или в виде элемента направляющей качения, в частности в виде обкатывающегося по телу вращения направляющего ролика. Благодаря обкатыванию контактного элемента или, соответственно, траверсы контактных элементов по соответствующему контактному кольцу корректируются ошибки точности по торцевому биению данного контактного кольца или, соответственно, несущей структуры. Кроме того, при этом расположении возможно применение для контактного кольца не только радиальных, но и осевых контактных поверхностей.
Это означает, что данные два направляющих элемента расположены по одной линии, при этом соответствующие поверхности находятся на этой линии и обрамляются данными двумя направляющими элементами. С помощью одного из двух направляющих элементов может, например, предотвращаться слишком большая сила прижатия данного контактного элемента к соответствующему контактному кольцу, причем этот один направляющий элемент действует на надлежащую поверхность с силой, направленной в том же направлении, что и та сила, с которой контактный элемент давит на соответствующее контактное кольцо. Один направляющий элемент предотвращает, таким образом, «соскакивание» контактного элемента с соответствующего контактного кольца, как уже пояснялось выше. Другой из этих двух направляющих элементов расположен соответственно противоположно, так что надлежащая поверхность на виде контактного кольца сверху расположена позади поверхности контактного кольца. С помощью другого из этих двух направляющих элементов может, таким образом, надежно достигаться повышенная сила прижатия контактного элемента к соответствующему контактному кольцу.
Поэтому данные два направляющих элемента обеспечивают высокую надежность электрического контакта между данным контактным элементом и соответствующим контактным кольцом.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения траверса контактных элементов соединена с каждым контактным элементом посредством соответствующего упругого элемента.
При этом соединение посредством данного упругого элемента может обеспечивать возможность смещения и соответствующей возвратной силы в радиальном направлении, в осевом направлении и/или в окружном направлении. Данный упругий элемент может быть, например, выполнен в виде пружины или в виде шарнирной навески. Например, при данном упругом элементе с радиальным смещением обеспечивается особая толерантность устройства в отношении к эксцентриситетам тела вращения или, соответственно, соответствующего контактного кольца, то есть отклонениям в отношении точности по радиальному биению. Данный упругий элемент со смещением в осевом направлении или, соответственно, в окружном направлении обеспечивает возможность некоторого перекоса указанных по меньшей мере двух контактных элементов друг относительно друга, при этом такой перекос может возникать, например, при отклонениях в отношении точности по торцевому биению. При этом перекос должен пониматься так, что один из контактных элементов отстает от другого контактного элемента в окружном направлении.
Такие отклонения могут принимать значительные размеры, в частности, у тел вращения для электрических машин большой мощности, например, имеющих мощности больше 1 МВ, потому что такие машины или, соответственно, их контактные кольца часто имеют диаметры намного больше 1 м, в частности больше 3 м. Поэтому отклонения реального тела вращения от номинальной формы, находящиеся в пределах тысячных частей, уже приводят к отклонениям в несколько миллиметров, которые могут сильно ухудшать надежность электрического контакта данного контактного элемента с соответствующим контактным кольцом. Это объясняется также тем, что у таких больших машин каждое контактное кольцо собирается из сегментов контактного кольца, и при сборке не всегда может обеспечиваться желаемая точность. Поэтому повышенная, благодаря соответствующему упругому элементу, толерантность в отношении отклонений тела вращения от его номинальной формы значительно способствует повышению надежности устройства.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство имеет удерживающий элемент и другой упругий элемент, при этом удерживающий элемент через другой упругий элемент механически соединен с траверсой контактного элемента.
Таким образом, траверса контактных элементов, имеющая по меньшей мере два контактных элемента, удерживается удерживающим элементом, для чего удерживающий элемент, например, закрепляется в жесткой исходной точке электрической машины. Так как траверса контактных элементов при этом сама оперта упруго, могут особенно хорошо корректироваться ошибки формы и точности по радиальному биению, а также бочкообразность рабочей поверхности контактного кольца. Это достигается с помощью другого упругого элемента, который, например, допускает смещение в том же направлении, что и пружинный элемент данного контактного элемента, что позволяет получить особенно большое смещение данного контактного элемента. Благодаря упругому соединению удерживающего элемента с траверсой контактных элементов может обеспечиваться надежный контакт даже при возможном перекосе указанных по меньшей мере двух контактных элементов.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один из контактных элементов может располагаться со сдвигом в радиальном направлении относительно соответствующего контактного кольца.
Это может достигаться за счет того, что данное контактное кольцо имеет контактную поверхность, направленную радиально наружу или внутрь, и соответствующий контактный элемент касается контактного кольца в радиальном направлении по его контактной поверхности. Возможно также, чтобы несколько или все контактные элементы устройства были расположены со сдвигом в радиальном направлении относительно соответствующего контактного кольца.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один из контактных элементов может располагаться со сдвигом в осевом направлении относительно соответствующего контактного кольца.
Это может достигаться за счет того, что данное контактное кольцо имеет контактную поверхность, направленную в осевом направлении, и соответствующий контактный элемент касается контактного кольца в осевом направлении по его контактной поверхности. Возможно также, чтобы несколько или все контактные элементы устройства были расположены со сдвигом в осевом направлении относительно соответствующего контактного кольца.
Дополнительно возможна комбинация контактных элементов, расположенных со сдвигом относительно соответствующего контактного кольца в радиальном направлении и в осевом направлении.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения между соответствующей поверхностью и указанными по меньшей мере двумя контактными кольцами расположен другой электрически изолирующий слой.
Благодаря тому, что данный направляющий элемент не прилегает непосредственно к соответствующему контактному кольцу, предотвращается повреждение или, соответственно, чрезмерный износ соответствующего контактного кольца, что повышает срок службы соответствующего контактного кольца. В частности, когда данный направляющий элемент закреплен непосредственно на траверсе контактных элементов, с помощью указанного по меньшей мере одного другого изолирующего слоя обеспечивается передача электрического напряжения соответствующего контактного кольца только на наименьшее возможное количество частей. В частности, для устройства не нужна никакая дополнительная электрическая изоляция между данным направляющим элементом и траверсой контактных элементов.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения электрическая машина выполнена в виде ветроэлектрического генератора, кольцевого двигателя, привода дробилки или привода компрессора. Предпочтительно электрическая машина имеет при этом мощность больше 1 МВ, в частности больше 15 МВ.
Настоящее изобретение может особенно предпочтительно применяться у электрических машин с электрическим возбуждением посредством контактных колец, низкой частотой вращения и большими диаметрами, в частности больше 1 м или больше 3 м, таких как, напр., приводы ветроэнергетических установок, барабанные дробилки или компрессоры.
Ниже изобретение описывается и поясняется подробнее на примерах осуществления, изображенных на чертежах.
Показано:
фиг.1-4: первый-четвертый пример устройства, не включенного в изобретение, а также соответствующее тело вращения, опертое на вращающуюся опору;
фиг.5: один из примеров осуществления предлагаемого изобретением устройства, а также тело вращения, опертое на вращающуюся опору;
фиг.6: пятый пример устройства, не включенного в изобретение, а также тело вращения, опертое на вращающуюся опору.
На фиг.1 показан первый пример устройства, не включенного в изобретение, а также тело 10 вращения, опертое на вращающуюся опору. Устройство имеет траверсу 1 контактных элементов, имеющую два контактных элемента 2, при этом между траверсой 1 контактных элементов и каждым контактным элементом 2 расположен электрически изолирующий слой 3. Тело 10 вращения имеет два контактных кольца 11, при этом устройство обеспечивает надежный электрический контакт каждого контактного элемента 2 с соответствующим контактным кольцом 11.
Тело 10 вращения может при этом обладать возможностью вращения вокруг оси 20 вращения, так чтобы контактные элементы 2 были расположены со сдвигом в радиальном направлении относительно соответствующего контактного кольца 11. Альтернативно тело 10 вращения может обладать возможностью вращения вокруг оси 21 вращения, при этом оба контактных элемента 2 расположены, таким образом, со сдвигом в осевом направлении относительно соответствующего контактного кольца 11.
Обе альтернативные оси 20 или 21 вращения также обозначены на чертежах в других примерах осуществления, для пояснения, что каждый контактный элемент 2 может быть расположен со сдвигом в радиальном или, соответственно, осевом направлении относительно соответствующего контактного кольца 11. В принципе, можно также расположить один контактный элемент 2 со сдвигом в радиальном направлении, а другой контактный элемент 2 со сдвигом в осевом направлении относительно соответствующего контактного кольца 11.
На фиг.2 показан второй пример устройства, не включенного в изобретение. В дополнение к первому примеру оба контактных элемента 2 устройства по второму примеру осуществления имеют по две щетки 9, которые упруго удерживаются каждая посредством пружинных элементов 8.
Кроме того, устройство имеет два направляющих элемента 5, которые закреплены каждый на одном из контактных элементов 2 и находятся в контакте с соответствующей поверхностью 12. При этом соответствующая поверхность 12 представляет собой поверхность соответствующего контактного кольца 11, которое является частью тела 10 вращения. При этом оба направляющих элемента 5 могут быть выполнены в виде направляющих роликов, которые обкатываются по соответствующей поверхности 12.
Тело 10 вращения имеет также изолирующий слой 23, который электрически изолирует два контактных кольца 11 друг от друга.
На фиг.3 показан третий пример устройства, не включенного в изобретение. Третий пример, аналогично второму примеру, имеет щетки 9, которые каждая посредством одного пружинного элемента 8 упруго соединены с соответствующим контактным элементом 2 и в итоге с траверсой 1 контактных элементов. При этом в контексте этого примера осуществления предусмотрена одна щетка 9 для каждого контактного элемента 2.
Кроме того, устройство имеет два направляющих элемента 5, которые соединены каждый с одним из контактных элементов 2 и касаются поверхности 12 тела 10 вращения. При этом между соответствующей поверхностью 12 и двумя контактными кольцами 11 расположен другой электрически изолирующий слой 13.
На фиг.4 показан четвертый пример устройства, не включенного в изобретение. Четвертый пример аналогичен третьему примеру, однако отличается исполнением направляющего элемента 5. Теперь уже предусмотрен направляющий элемент 5, который соединен с траверсой 1 контактных элементов и прилегает к поверхности 12 тела 10 вращения. Снова между поверхностью 12 и двумя контактными кольцами 11 расположен другой электрически изолирующий слой 13.
На фиг.5 показан один из примеров осуществления устройства, предлагаемого изобретением. Устройство имеет траверсу 1 контактных элементов, на которой находятся три контактных элемента 2. Каждый контактный элемент 2 с помощью соответствующего электрически изолирующего слоя 3 электрически изолирован от траверсы 1 контактных элементов и при этом в каждом случае посредством одного упругого элемента 4 упруго соединен с траверсой 1 контактных элементов. При этом упругий элемент 4 может быть выполнен, например, в виде пружины или шарнирной навески.
Изображенные на фиг.5 справа и слева упругие элементы 4 могут, в частности, обеспечивать возможность радиального и осевого смещения надлежащего контактного элемента 2, что обеспечивает хороший электрический контакт между данным контактным элементом 2 и соответствующим контактным кольцом 11 даже при больших эксцентриситетах надлежащего контактного кольца 11. При этом изображенный на фиг.5 в середине упругий элемент 4 может обеспечивать возможность радиального смещения надлежащего контактного элемента 2 для вращения тела 10 вращения вокруг оси 20 вращения. Для альтернативного вращения тела 10 вращения вокруг оси 21 вращения с помощью этого упругого элемента 4 соответственно обеспечивается возможность осевого смещения надлежащего контактного элемента 2.
Устройство имеет также четыре направляющих элемента 5, которые расположены попарно и соединены с траверсой 1 контактных элементов. В каждую пару направляющих элементов 5 вставляется по одному креплению 24, которое является частью тела 10 вращения и удерживает в каждом случае одно из контактных колец 11. При этом каждый направляющий элемент 5 прилегает к поверхности 12 крепления 24. Пара направляющих элементов 5 расположена по одной линии, причем между этой парой направляющих элементов 5 расположены надлежащие поверхности 12. Причем эта линия параллельна силе прижатия надлежащих щеток 9 к надлежащему контактному кольцу 11, так что каждой парой направляющих элементов 5 гарантируется особенно надежный контакт щеток 9 с контактным кольцом 11.
На фиг.6 показан пятый пример устройства, не включенного в изобретение. Пятый пример аналогичен второму примеру, однако дополнительно имеет удерживающий элемент 6, с которым через другой упругий элемент 7 упруго соединена траверса 1 контактных элементов. С помощью этой навески траверсы 1 контактных элементов и вместе с тем соответствующих контактных элементов 2 могут корректироваться даже большие эксцентриситеты соответствующих контактных колец 11 и перекос контактных элементов 2.
Обобщенно, изобретение касается устройства для передачи электрического тока на тело вращения, опертое на вращающуюся опору, которое включает в себя по меньшей мере два контактных кольца, имеющего траверсу контактных элементов и по меньшей мере два контактных элемента, при этом траверса контактных элементов механически соединена с каждым контактным элементом, при этом каждый контактный элемент может располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, каждый контактный элемент находился в контакте с соответствующим контактным кольцом, при этом между траверсой контактных элементов и каждым контактным элементом был расположен электрически изолирующий слой. Кроме того, изобретение касается электрической машины, имеющей такое устройство и такое тело вращения. Чтобы усовершенствовать устройство в том отношении, чтобы на тело вращения с высокой надежностью могли передаваться по меньшей мере две электрические фазы, предлагается, чтобы устройство имело по меньшей мере один направляющий элемент, при этом данный направляющий элемент может располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, данный направляющий элемент находился в контакте с по меньшей мере одной поверхностью тела вращения, опертого на вращающуюся опору, причем данные два направляющих элемента могут при этом располагаться таким образом, чтобы при встраивании в электрическую машину, имеющую тело вращения, опертое на вращающуюся опору, соответствующая поверхность была расположена между этими двумя направляющими элементами.