БЛОК КОНТАКТНЫХ КОЛЕЦ
BLOCK OF SLIP RINGS

Настоящее изобретение касается блока контактных колец, а также способа ремонта блока контактных колец. Кроме того, настоящее изобретение касается ветровой энергетической установки, снабженной блоком контактных колец.
Ветровые энергетические установки общеизвестны и характерная установка показана на фиг. 1. На данной фигуре надлежащим образом приводимый в движение ветром аэродинамический ротор вращается относительно неподвижной части гондолы. Для обмена электрической энергией или электрическими сигналами неподвижной части с вращающейся частью, то есть с ротором, как правило, предусмотрен блок контактных колец. В частности, энергия может передаваться к так называемым двигателям для установки угла наклона лопастей, которые могут переставлять лопасти ротора по углу их установки. Кроме того, например, может передаваться энергия для электрического устройства обогрева лопастей, если оно имеется.
У безредукторных ветровых энергетических установок, в которых применяется синхронный генератор с посторонним возбуждением, имеется одна особенность. В таких ветровых энергетических установках также посредством блока контактных колец или посредством отдельного блока контактных колец ток возбуждения для создания электромагнитного поля в рабочем колесе передается через блок контактных колец. При этом должен передаваться ток с высокой мощностью, которая может составлять несколько сотен кВт.
В частности, известны следующие три типа блоков контактных колец. Одна из, пожалуй, более ранее известных возможностей заключается в том, чтобы заставлять угольную щетку скользить по соответствующему контактному кольцу для передачи электрического сигнала, будь то только информационный или энергетический сигнал, от угольной щетки на контактное кольцо или наоборот. Такие угольные щетки хорошо зарекомендовали себя и их свойства общеизвестны. Они относительно недороги, но создают необходимость регулярной замены угольных щеток.
Для усовершенствования применяется так называемый «блок контактных колец с золотой проволокой». При этом печатная плата, включающая в себя множество золотых проволок, выступающих по существу как у гвоздевой терки, устанавливается на соответствующем контактном кольце, которое электрически и механически согласовано с этими золотыми проволоками. При этом в частности, предпочтительно, что за счет выбора материала благодаря применению золота достигается хорошее контактное свойство с низким истиранием. Тем не менее, при этом со временем в местах расположения соответствующих золотых проволок на соответствующем контактном кольце возникают отложения в образовавшихся на нем канавках, в которых также могут возникать места повреждений, в частности в золотом слое. Контактное кольцо обычно состоит из латуни или аналогичного металлического сплава, который снабжен золотым слоем в области контакта. В канавках для охлаждения и для улучшения контактирования может быть предусмотрено масло. При недостатке масла и/или высоком износе или, соответственно, сильно изношенном состоянии золотая проволока трется о контактное кольцо и изменяет его поверхность, что, однако, трудноразличимо. В результате также повреждается золотая проволока и быстрее изнашивается.
В качестве другого усовершенствованного варианта предлагается так называемый «многощеточный блок контактных колец». При этом по меньшей мере один пучок многих тонких как волос проволочек движется по соответствующему контактному кольцу. Такие пучки или кисти этих многих тонких как волос проволочек обычно расположены, закреплены и законтактированы на печатной плате, и поэтому в данном случае обычно речь идет только о печатной плате, которая включает в себя упомянутые пучки или, соответственно, кисти. Эта печатная плата образует, таким образом, печатную плату и является при этом ответной частью контактному кольцу, по которому она скользит. Печатная плата может также называться щеткой. Эти термины справедливы по существу независимо от конкретно применяемой технологии. По существу контактирование происходит в данном случае по тому принципу, что проволочки с небольшим усилием могут прилегать к соответствующему контактному кольцу, и хорошее контактирование осуществляется просто благодаря большому количеству проволочек. Этот пучок похож на щетку, так что термин «многощеточный» ("multi-brush") употребляется также в немецкой терминологии в соответствующих профессиональных кругах. Такая многощеточная технология при использовании является относительно устойчивой к механическим повреждениям и предотвращает описанные отложения технологии золотой проволоки и истирание угля в угольных щетках.
Проблематичным в технологии золотой проволоки является, в частности, что наряду с золотыми проволоками изнашивается также соответствующее контактное кольцо. Возникают отложения и места повреждений на контактном конце, которые, в свою очередь, приводят к сильному износу золотых проволок. Таким образом, после соответствующего износа дополнительно к печатной плате с золотыми проволоками вместе с золотыми проволоками должно также заменяться контактное кольцо, что является сложным, дорогостоящим и поэтому нежелательным.
Немецкое ведомство по патентам и торговым маркам в приоритетной заявке к данной заявке произвело поиск следующего уровня техники: DE 2458991 B2, DE 102007060985 A1, DE 69414687 T2, US 4398113 A, а также JP 2009-225578A.
Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит задача решить по меньшей мере одну из вышеназванных проблем. В частности, должно быть создано решение, в котором блок контактных колец типа «золотая проволока», то есть блоки контактных колец, которые выполнены в соответствии с описанной технологией золотой проволоки, могли ремонтироваться как можно более простым и недорогим образом, когда они соответственно сильно изношены. Должен быть предложен по меньшей мере один альтернативный вариант осуществления.
В соответствии с изобретением предлагается способ по п. 1 формулы изобретения. При этом также рассматривается замена только одной из нескольких печатных плат. В одном блоке контактных колец могут быть также предусмотрены несколько различных технологий, такие как, например, технология золотой проволоки для передачи сигналов с низким током, например от 0,5 до 3 A, и технология угольной щетки для передачи сигналов с высокими токами, например до 500 А. В соответствии с изобретением таким образом ремонтируется блок контактных колец типа золотая проволока. Этот блок контактных колец включает в себя, во всяком случае, до ремонта по меньшей мере одно контактное кольцо, в частности золотое кольцо, с одной стороны, и печатную плату с золотыми проволоками, которая снабжена золотыми проволоками в виде щетки из золотой проволоки, скользящей по контактному кольцу, с другой стороны. Для ремонта блока контактных колец, например, в частности после того, как возник износ, который приводит к необходимости ремонта, печатная плата с золотыми проволоками демонтируется из блока контактных колец и взамен этой печатной платы с золотыми проволоками устанавливается многощеточная печатная плата.
Было, в частности, обнаружено, что печатная плата по многощеточной технологии может применяться вместе с контактным кольцом, выполненным по технологии золотой проволоки. Таким образом, изношенная печатная плата с золотыми проволоками может заменяться на многощеточную печатную плату, благодаря чему можно избежать замены контактного кольца типа золотая проволока. Благодаря этой замене печатной платы с золотыми проволоками на многощеточную печатную плату блок контактных колец, который по меньшей мере первоначально полностью представлял собой блок типа золотая проволока, может ремонтироваться простым и недорогим образом.
Предпочтительно осуществляется ремонт блока контактных колец, в котором золотое кольцо уже имеет бороздки, возникшие вследствие применения с печатной платой с золотыми проволоками. При этом было обнаружено, что многощеточная печатная плата пригодна для применения с контактным кольцом даже в том случае, когда это контактное кольцо имеет бороздки. Как выяснилось, печатная плата по многощеточной технологии может быть согласована с контактной поверхностью контактного кольца. В частности, печатная плата по многощеточной технологии может также входить в зацепление в бороздки контактного кольца. При этом контактное кольцо, которое вследствие износа уже имеет бороздки, не должно заменяться и может оставаться в блоке контактных колец. До сих пор в случае изношенного блока контактных колец, выполненных по технологии золотой проволоки, чаще всего должны были заменяться печатная плата с золотыми проволоками и контактное кольцо, потому что новая печатная плата с золотыми проволоками, то есть золотые проволоки, из-за описанных мест повреждения быстро изнашиваются, и за счет этого предполагаемый срок службы ощутимо сокращается.
Предпочтительно многощеточная печатная плата при замене устанавливается так, чтобы она скользила по контактному кольцу и входила в зацепление в бороздки и создавала в бороздках и вне бороздок электрические контакты между многощеточной печатной платой и контактным кольцом, выполненным по технологии золотой проволоки. Таким образом, возможно дальнейшее использование контактного кольца типа золотая проволока, которое уже имеет значительные бороздки.
Кроме того, предлагается блок контактных колец, который включает в себя контактное кольцо, выполненное по технологии золотой проволоки, в частности золотое кольцо. Такое золотое кольцо имеет соответственно золотые компоненты для повышения проводимости, в частности в переходе к печатной плате. Таким образом, это контактное кольцо подготовлено к применению с печатной платой с золотыми проволоками. Кроме того, блок контактных колец включает в себя многощеточную печатную плату, которая скользящим образом контактирует с контактным кольцом, выполненным по технологии золотой проволоки. Таким образом, предлагается блок контактных колец, который по существу состоит из комбинации контактного кольца, выполненного по технологии золотой проволоки, и печатной платы, выполненной по многощеточной технологии или, соответственно, по существу имеет эти элементы.
Предпочтительно контактное кольцо имеет по меньшей мере одну бороздку, созданную печатной платой с золотыми проволоками. Предлагаемый блок контактных колец представляет собой, таким образом, решение, в котором продолжают использоваться части блока контактных колец, которые в ином случае вследствие их изношенного состояния должны были бы заменяться. В частности, можно избежать или по меньшей мере отсрочить замену контактного кольца с золотыми проволоками.
Кроме того, предлагается ветровая энергетическая установка, снабженная блоком контактных колец по меньшей мере по одному из описанных вариантов осуществления. Посредством этого блока контактных колец могут передаваться электрические сигналы от неподвижной части гондолы к вращающейся части гондолы, то есть аэродинамическому ротору. Соответственно предлагается, чтобы блок контактных колец применялся так, чтобы он передавал электрические сигналы, будь то информационные сигналы и/или сигналы мощности, от неподвижной части к аэродинамическому ротору. Посредством такого блока контактных колец, в зависимости от ветровой энергетической установки, должны передаваться множество различных электрических сигналов. Соответственно такой блок контактных колец может быть сложным и дорогим. К этому надо добавить, что его расположение в области перехода от неподвижной части к вращающейся части гондолы ветровой энергетической установки, что является предпочтительным местом расположения блока контактных колец, делает его труднодоступным, и предлагаемое решение, в котором предотвращается замена контактного кольца типа золотая проволока или по меньшей мере переносится на более поздний срок, является при этом особенно предпочтительным.
Согласно другому варианту осуществления предлагается применять блок контактных колец в ветровой энергетической установке, в которой отсутствует редуктор. Отсутствие редуктора ветровой энергетической установки сказывается на ее конструкции в целом, а также на необходимых токах генератора в целом. При этом возникают соответствующие требования к блоку контактных колец и вышеназванные преимущества могут проявляться в особой мере.
Предпочтительно в качестве генератора применяется синхронная машина с внешним возбуждением. В этом случае также ток возбуждения должен передаваться к рабочему колесу синхронной машины и при этом через блок контактных колец. Особенно для этого предпочтительным образом предусмотрен блок контактных колец согласно по меньшей мере одному из описанных вариантов осуществления. В частности, этот блок контактных колец должен быть подготовлен для передачи соответствующих токов и соответствующих мощностей. При этом предпочтительный блок контактных колец и вместе с тем ветровая энергетическая установка, снабженная таким предпочтительным блоком контактных колец, в состоянии передавать токи в пределах нескольких сотен Ампер через многощеточную печатную плату на контактное кольцо, выполненное по технологии золотой проволоки, в частности на поврежденное бороздками контактное кольцо, выполненное по технологии золотой проволоки. Могут применяться, например, от 5 A до 500 А. Предпочтительно блок контактных колец установлен на осевой цапфе, на которой полностью или частично установлен аэродинамический ротор. В частности, эта осевая цапфа передним острием, при надлежащем применении согласно назначению, указывает в направлении ветра, и в этом острие осевой цапфы или на нем предпочтительно установлен блок контактных колец. При этом сигналы от неподвижной части гондолы через осевую цапфу могут передаваться к блоку контактных колец, а от него -  вращающуюся часть, то есть аэродинамический ротор.
Такой блок контактных колец, в зависимости от конкретного исполнения и размера ветровой энергетической установки, труднодоступен и во время описанного ремонта блока контактных колец одного из описанных выше вариантов осуществления и/или за счет применения блока контактных колец согласно одному из соответственно описанных вариантов осуществления в данном случае может достигаться снижение затрат на техническое обслуживание. Кроме того, замена элементов блока контактных колец, расположенного в острие осевой цапфы, в зависимости от конкретного исполнения ветровой энергетической установки, также может представлять риск безопасности для выполняющего работы производственного персонала. Такие риски безопасности благодаря предлагаемым решениям предотвращаются, по меньшей мере снижаются.
Ниже изобретение поясняется более подробно на основе вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых показано:
фиг. 1 - ветровая энергетическая установка;
фиг. 2 - схематично блок контактных колец типа золотая проволока;
фиг. 3 - схематично блок контактных колец многощеточного типа;
фиг. 4 - блок контактных колец, включающий в себя контактное кольцо типа золотая проволока и печатную плату многощеточного типа;
фиг. 5 - в увеличенном и схематичном виде переходная область между печатной платой с золотыми проволоками и контактным кольцом блока контактных колец типа золотая проволока;
фиг. 6 - в увеличенном и схематичном виде переход от печатной платы, выполненной по многощеточной технологии, к контактному кольцу с бороздками, выполненному по технологии золотой проволоки.
Ниже одинаковые ссылочные обозначения могут обозначать похожие, но не идентичные элементы, чтобы подчеркнуть функциональную взаимосвязь этих элементов.
На фиг. 1 показана ветровая энергетическая установка 100, имеющая башню 102 и гондолу 104. На гондоле 104 расположен ротор 106, снабженный тремя лопастями 108 ротора и обтекателем 110. Ротор 106 при эксплуатации приводится ветром во вращательное движение и при этом также осуществляет привод генератора в гондоле 104.
На фиг. 1 показана безредукторная ветровая энергетическая установка 100, в которой применяется блок контактных колец, чтобы передавать электрические сигналы от неподвижной части гондолы 104 на ротор 106, то есть, в частности, на обтекатель 110. В показанной ветровой энергетической установке применяется синхронный генератор с посторонним возбуждением, для которого ток возбудителя передается от неподвижной части гондолы 104 через блок контактных колец к обтекателю 110. Показанная ветровая энергетическая установка 100 имеет, кроме того, переставляемые по своему углу установки лопасти 108 ротора. Для перестановки угла установки этих лопастей 108 ротора через блок контактных колец от неподвижной части гондолы 104 к обтекателю 110 передается как информация для перестановки, так и энергия, необходимая для перестановки. Отмечается, что под неподвижной частью гондолы 104 понимается, что она неподвижна относительно оси ротора. Разумеется, для всей гондолы 104 может производиться установка с ориентацией по ветру, так называемая установка по азимуту, то есть вращение вокруг вертикальной оси. Ротор 106 вращается относительно неподвижной части гондолы 104 вокруг по существу горизонтальной оси. Поэтому ветровая энергетическая установка 100 относится к типу ветровых энергетических установок с горизонтальной осью.
На фиг. 2 наглядно показан блок 200 контактных колец, выполненный по технологии золотой проволоки или, соответственно, типа золотая проволока, включающий в себя контактное кольцо 202 с золотыми проволоками и печатную плату 204 с золотыми проволоками. Печатная плата 204 с золотыми проволоками имеет разные золотые проволоки 206, из которых на фиг. 2 изображены два раза по четыре. Золотые проволоки 206 также электрически соединены с печатной платой 204, что осуществляется посредством точек пайки. Золотые проволоки 206 прижимаются печатной платой 204 с золотыми проволоками к контактному кольцу 202 с золотыми проволоками и за счет этого создают электрический контакт.
На фиг. 2 показан блок 200 контактных колец в состоянии после продолжительного использования и вместе с тем в состоянии, имеющем определенный износ. По этой причине уже имеются бороздки 212, к возникновению которых привели некоторые из золотых проволок 206. Для наглядного пояснения на данной фигуре изображены три бороздки 212, соответственно чему известным образом в соответствии с фиг. 2 при рассмотрении слева направо вторая, четвертая и пятая золотая проволока привела к возникновению в каждом случае достаточно глубокой бороздки. Первая и третья золотая проволоки 206 соответственно этому не привели к возникновению бороздки. Фактически обычно все золотые проволоки, которые создают электрический контакт с контактным кольцом с золотыми проволоками, после определенного срока службы могли бы оставить бороздку. Впрочем, эти бороздки, как правило, имеют различную глубину, и при этом золотые проволоки 206 оставляют на контактном кольце 202 с золотыми проволоками профиль неправильной формы, который на данной фигуре наглядно поясняется посредством только трех бороздок 212.
Если печатная плата 204 с золотыми проволоками заменяется на новую, все золотые проволоки 206 имеют снова одинаковую длину, так что такие золотые проволоки 206, которые расположены в области бороздки 212, не осуществляют электрический контакт с контактным кольцом 202 с золотыми проволоками. Избирательная замена печатной платы 204 с золотыми проволоками, таким образом, по меньшей мере непредпочтительна или же невозможна.
На фиг. 3 наглядно поясняется блок 300 контактных колец, выполненный по многощеточной технологии. Этот блок 300 контактных колец включает в себя многощеточное контактное кольцо 302, по которому движется многощеточная печатная плата 304. Печатная плата 304 имеет очень много отдельных проволочек или волосков 306, которые, подобно щетке, установлены на контактное кольцо 302 и при этом создают бесчисленное количество мелких точек контакта, так что в целом по многим мелким проволочкам или, соответственно, волоскам 306 может передаваться ток от контактного кольца 302 или к нему. Волоски 306 собраны в кисти 308.
Из-за множества мелких, расположенных в виде щетки проволочек или волосков 306 по существу не возникает точно определяемой точки контакта для каждой проволочки 306, потому что для этого они расположены недостаточно жестко. Соответственно даже в течение продолжительного срока службы не происходит образования бороздок, как это происходило в случае блока контактных колец, выполненного по технологии золотой проволоки и наглядно показанного на фиг. 2. Фактически в настоящее время блоки контактных колец, выполненные по многощеточной технологии, являются предпочтительными по сравнению с блоками контактных колец, выполненными по технологии золотой проволоки.
На фиг. 4 показан комбинированный блок 400 контактных колец, который предлагается в качестве решения. Этот комбинированный блок 400 контактных колец в наглядном пояснении имеет контактное кольцо 202 с золотыми проволоками, которое показано на фиг. 2, и взаимодействует с печатной платой 304, выполненной по многощеточной технологии, которая показана на фиг. 3. Множество проволочек или, соответственно, волосков 306 по существу мягко прижимаются к контактному кольцу 202 с золотыми проволоками и индивидуально согласуются с поверхностью и вместе с тем также к бороздкам 212. Таким образом, оказалось предпочтительным заменять печатную плату 204 с золотыми проволоками после износа на многощеточную печатную плату 304 с фиг. 3. Но, в частности, щетка специально согласуется с контактным кольцом, выполненным по технологии золотой проволоки, согласно которой для каждой канавки или для нескольких канавок контактного кольца может быть предусмотрена кисть из проволок.
Для наглядного пояснения образования контакта между золотыми проволоками 206 и контактным кольцом 202 с золотыми проволоками на фиг. 5 показан схематичный увеличенный вид. Соответственно этому наглядно поясняется, что, если в соответствии с фиг. 5 при рассмотрении слева направо, вторая, четвертая и пятая золотая проволока 206 длиннее, чем первая и третья золотая проволока 206. Первая и третья золотая проволока 206 могут быть соответственно этому изношены сильнее, в отличие от чего другие три золотые проволоки (вторая, четвертая и пятая) приводят к образованию бороздок в контактном кольце с золотыми проволоками. Эти бороздки 212 образовались постепенно, и одновременно произошел износ золотых проволок 206, так что одно соотносится с другим. Поэтому непредпочтительно в состоянии, показанном на фиг. 5, заменять только золотые проволоки 206, то есть печатную плату с золотыми проволоками, на новую, имеющую золотые проволоки соответственно равной длины.
Таким образом, было обнаружено, что печатная плата 304, выполненная по многощеточной технологии в соответствии с фиг. 3, которая первоначально была согласована с соответствующим контактным кольцом 302, пригодна к тому, чтобы быть согласованной с созданным профилем, в частности с бороздками 212 контактного кольца с золотыми проволоками. Это изображено на увеличенном и упрощенном виде на фиг. 6. Соответственно этому печатная плата 304, которая на фиг. 6 показана только частично, своим множеством проволочек или, соответственно, волосков согласовывается, в частности, с бороздками 212. Это согласование осуществляется за счет того, что эти волоски 306 сгибаются в различной степени, что, однако, из-за перспективы, использованной на фиг. 6, нельзя различить. В остальном как на фиг. 5, так и на фиг. 6 принципиально показан вид сечения контактного кольца 202 с золотыми проволоками, причем в целях наглядности штриховка сечения на чертеже отсутствует.