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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator mit einem Rotor einschließlich einer Welle, einem Stator, einem Gleitlager, durch das die Welle des Rotors mit einem radialen Spiel drehbar in oder an dem Stator gelagert ist, und einer Schleifringvorrichtung, die an dem Rotor angebracht ist, die mindestens einen mit dem Rotor drehfest verbundenen Schleifring aufweist und die mindestens eine mit dem Schleifring in Kontakt stehende Bürste zur Stromübertragung besitzt.
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Aus der Druckschrift
DE 100 03 900 A1 ist eine Stromübertragungsanordnung für elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren von zum Beispiel Windkraftanlagen, bekannt. Die Stromübertragungsanordnung weist Schleifringe und auf diese sich abstützende, von Halterungen ausgehende Kohlebürsten auf. Die Schleifringe sind koaxial von Halteringen umgeben, die Führungen für Kohlebürsten aufweisen, welche über Rollbandfedern in Richtung des jeweiligen Schleifrings kraftbeaufschlagt werden.
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Ferner offenbart die Patentschrift
DE 638 949 A eine Stromabnahme- beziehungsweise Stromzuführungsvorrichtung für elektrische Maschinen. Die für die Vorrichtung verwendeten Bürsten sind als Ringe ausgebildet, die gleichachsig mit den Schleifringen angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass die Bürsten auf der vollen Seitenfläche der Schleifringe aufliegen und daher eine große Kontaktfläche zwischen Schleifring und Bürste besteht.
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Ferner ist in der Druckschrift
DE 307 106 A eine Bürstenanordnung für einen mit einem Scheibenkollektor ausgerüsteten und kardanisch aufgehängten Kreiselmotor beschrieben. Die Bürsten der Bürstenanordnung üben einen praktisch gleichstarken und gleichmäßig angreifenden Druck auf den Scheibenkollektor aus, sodass ein Zittern der durch den Kreisel zu stabilisierenden Richtung verhütet wird.
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Um bei Windkraftgeneratoren eine längere Lebensdauer und damit eine höhere Verfügbarkeit von Windkraftanlagen zu erreichen, entsteht unter Umständen die Notwendigkeit, Windkraftgeneratoren mit Gleitlagerung auszuführen. Da sich bei gleitgelagerten Maschinen der Rotor in Abhängigkeit von der Drehrichtung, der äußeren Last und der Drehzahl um eine gedachte Mittelachse bewegt, kann es zu dem Problem kommen, dass die zur Stromübertragung radial aufgesetzten Bürsten dieser Bewegung nicht mehr folgen können und trotz Federvorspannung abheben. Beim Abheben wird ein Funke gezogen und die Oberfläche des Schleifringkörpers beschädigt. Damit einher geht eine Reduktion des Wirkungsgrads des Windkraftgenerators bis hin zu einem Totalausfall.
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Bislang wurden die Bürsten bei Windkraftgeneratoren mit Wälzlagerung radial auf einen Schleifringkörper angeordnet. Bei Wälzlagerung entstehen die oben genannten Probleme wegen des reduzierten radialen Spiels nicht. Wälzlager besitzen jedoch insbesondere bei hohen Drehzahlen nicht unbedeutende Verluste.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Windkraftgenerator bereitzustellen, der geringe Verluste und eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Windkraftgenerator mit
- – einem Rotor einschließlich einer Welle,
- – einem Stator,
- – einem Gleitlager, durch das die Welle des Rotors mit einem radialen Spiel drehbar in oder an dem Stator gelagert ist, und
- – einer Schleifringvorrichtung, die an dem Rotor angebracht ist, die mindestens einen mit dem Rotor drehfest verbundenen Schleifring aufweist und die mindestens eine mit dem Schleifring in Kontakt stehende Bürste zur Stromübertragung besitzt, wobei
- – die mindestens eine Bürste in, bezogen auf die Welle, axialer Richtung auf den mindestens einen Schleifring drückt und
- – die mindestens eine Bürste in radialer Richtung gegenüber dem mindestens einen Schleifring entsprechend dem radialen Spiel des Gleitlagers unter Beibehaltung des elektrischen Kontakts verschiebbar ist.
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In vorteilhafter Weise ist es mit dem Gleitlager möglich, eine sehr verlustarme Lagerung auch bei höheren Drehzahlen zu erreichen. Das mit einer Gleitlagerung typischerweise verbundene radiale Spiel würde bei üblichen radial ausgerichteten Bürsten zu der genannten Abhebe-Problematik einschließlich der Funkenschläge führen. Die lange Lebensdauer des verlustarmen Gleitlagers wäre damit wieder zunichte gemacht. Daher ist erfindungsgemäß im Zusammenhang mit dem Gleitlager eine axiale Ausrichtung der Bürste beziehungsweise der Bürsten der Schleifringvorrichtung im Windkraftgenerator vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Bürste beziehungsweise die Bürsten axial auf den jeweiligen Schleifring drücken. Damit ist das radiale Spiel des Gleitlagers unschädlich und die Lebensdauer der Schleifringvorrichtung kann deutlich erhöht werden, da die Bürsten bei einem radialen Spiel des Schleifringkörpers beziehungsweise der Schleifringe nicht abheben, und es daher zu deutlich weniger Lichtbögen kommt.
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Vorzugsweise ist der Windkraftgenerator als Drehstrommaschine ausgelegt, wobei die Schleifringvorrichtung für jede Strom-Phase jeweils ein Schleifring-Bürsten-Paar besitzt, die axial hintereinander angeordnet sind. Damit kann der Vorteil der erhöhten Lebensdauer der Schleifringvorrichtung auch für Drehstrommaschinen genutzt werden.
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Weiterhin kann ein zusätzliches Schleifring-Bürsten-Paar der genannten Art axial zu den anderen angeordnet sein, um einen Potentialausgleich zwischen Rotor und Stator zu realisieren.
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Es drückt also auch bei diesem Schleifring-Bürsten-Paar die Bürste axial gegen den zugehörigen Schleifring, sodass trotz des radialen Lagerspiels des Gleitlagers ein zuverlässiger Potentialausgleich möglich ist. Dadurch werden Überschläge im Lager vermieden, sodass die Lagerlebensdauer weiter steigt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die mindestens eine Bürste ringsegmentförmig ausgebildet ist. Damit kann einerseits ein zuverlässiger Kontakt mit dem Schleifring hergestellt werden, und es besteht andererseits nicht so leicht die Gefahr, dass die Bürste aufgrund der Fertigungstoleranzen nicht eben an dem Schleifring anliegt, wie dies bei Bürstenringen der Fall sein kann.
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Darüber hinaus kann die Schleifringvorrichtung für jede der Bürsten je einen Bürstenhalter aufweisen, der zwei Arme besitzt, mit denen er axial beweglich an zwei Bolzen befestigt ist. Durch die Arme ist eine stabile Halterung und Führung der Bürsten an den Bolzen möglich.
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Des Weiteren kann die mindestens eine Bürste eine Kontaktfläche besitzen, an der sie betriebsmäßig an dem mindestens einen Schleifring anliegt, und die Bürste berührt dann in jeder radialen Lage relativ zu dem Schleifring, die das radiale Spiel des Gleitlagers zulässt, mit ihrer vollständigen Kontaktfläche den mindestens einen Schleifring. Dadurch lässt sich vermeiden, dass der Strom nicht über die gesamte Kontaktfläche der Bürste übertragen wird, wenn die radiale Auslenkung des Schleifrings gegenüber der Bürste einen Extremwert annimmt.
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Außerdem kann die Schleifringvorrichtung einen zylinderförmigen Schleifringkörper aufweisen, an den der mindestens eine Schleifring radial abstehend befestigt ist. Eine derartige Schleifringvorrichtung lässt sich aufwandgünstig herstellen und am Rotor beziehungsweise auf der Welle montieren.
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Die Schleifringvorrichtung kann zudem an einer Stirnseite mindestens einen Anschlussbolzen aufweisen, über den der mindestens eine Schleifring mit einer Wicklung des Rotors verbunden ist. Damit ist eine einfache Montage der Schleifringvorrichtung an den Rotor möglich.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Längsschnitts durch einen Windkraftgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Seitenansicht einer Schleifringvorrichtung des Windkraftgenerators von 1 und
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3 eine Schrägansicht der Schleifringvorrichtung von 2.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt skizzenhaft einen Windkraftgenerator 1. Er besitzt ein Gehäuse 2, in dem auf übliche Weise ein Stator 3 eingebaut ist. Radial innerhalb des Stators 3 ist ein Rotor 4 gelagert. Der Rotor 4 besitzt eine Welle 5, mit der er im Gehäuse 2 und damit in beziehungsweise an dem Stator 3 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt über Gleitlager 6. Die Gleitlager haben gegenüber Wälzlagern den Vorteil, dass sie insbesondere bei höheren Drehzahlen verlustärmer sind. Dies führt zu entsprechend höheren Lebensdauern.
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Symbolisch ist in 1 eine Schleifringvorrichtung 7 angedeutet, mit der Strom von dem bzw. auf den Rotor 4 übertragen werden kann. Der genaue Aufbau der Schleifringvorrichtung wird im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläutert. Die Schleifringvorrichtung 7 kann sich auch innerhalb des Gehäuses 2 befinden. Eine etwaige mechanische Verbindung zwischen der Schleifringvorrichtung 7 und dem Gehäuse 2 ist der Übersicht halber in 1 nicht angedeutet. Teile der Schleifringvorrichtung 7 sind jedenfalls mit der Welle 5 beziehungsweise dem Rotor 4 verbunden. Wesentlicher Aspekt der Schleifringvorrichtung 7 ist, dass die Bürsten an die Schleifringe axial angestellt werden.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Schleifringvorrichtung 7, wie sie für die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Die beispielhafte Schleifringvorrichtung 7 besitzt einen zylinderförmigen Schleifringkörper 8, der entlang seiner Längsachse eine Bohrung 9 aufweist. Durch die Bohrung 9 verläuft typischerweise die Welle 5 des Rotors 4 des Windkraftgenerators 1.
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Der Schleifringkörper 8 besitzt ringförmige Trägerscheiben 10, die von dem Schleifringkörper 8 radial nach außen stehen. Im vorliegenden Beispiel besitzt der Schleifringkörper 8 vier derartige Trägerscheiben 10. Diese sind etwa gleich beabstandet. An den drei linken Trägerscheiben 10 sind koaxial jeweils ein Schleifring 11 befestigt. Der Außendurchmesser jedes Schleifrings 11 ist etwas geringer als der Außendurchmesser der Trägerscheiben 10. Der Innendurchmesser jedes Schleifrings 11 entspricht etwa dem Außendurchmesser des zylinderförmigen Grundkörpers des Schleifringkörpers 8.
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An jedem der Schleifringe 11 liegt axial je eine Bürste 12 an, die auch aus mehreren Bürstenelementen bestehen kann. Jede Bürste 12 besitzt die Form eines Kreisringsegments.
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Die Bürsten 12 werden durch Bürstenhalter 13 in Position gehalten. Jeder Bürstenhalter 13 besitzt eine Tasche, in der die jeweilige Bürste 12 untergebracht ist. Darüber hinaus besitzt jeder Bürstenhalter 13 zwei Arme 131, die die jeweilige Bürstentasche 130 mit einem von zwei Bürstenhalterbolzen 14 verbindet. Die beiden Arme 131 nehmen zueinander einen spitzen Winkel von weniger als 90°, z. B. 40° ein. Da die Arme 131 am Rand der Bürstentasche 130 angeordnet sind, überstreicht die Bürstentasche beziehungsweise die ringsegmentförmige Bürste 12 in etwa dem gleichen Winkelbereich beispielsweise unter 90°, insbesondere z. B. 40°.
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Die Bürstenhalter 13 sind axial verschiebbar an den Bürstenhalterbolzen 14 gelagert. Ein Federmechanismus, der der Übersicht halber weder in 2 noch in 3 dargestellt ist, drückt jeden der Bürstenhalter 13 und damit jede Bürste 12 in axialer Richtung auf den dazugehörigen Schleifring 11.
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Jeder der Schleifringe 11 ist im folgenden Beispiel mit jeweils zwei Anschlussbolzen 15 elektrisch verbunden. Die Anschlussbolzen 5 befinden sich auf derjenigen Stirnseite des Schleifringkörpers 8, die dem Rotor 4 zugewandt ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Schleifringen 11 und den Anschlussbolzen 15 verläuft im Inneren des Schleifringkörpers 8.
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Auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Schleifringkörpers 8 befindet sich ein zusätzlicher Schleifring 16, der in der Schrägansicht von 3 besser zu erkennen ist. Diesem Schleifring 16 ist auch ein eigener Bürstenhalter 17 und eine darin gehaltene Bürste 18 zugeordnet. Der Bürstenhalter 17 ist ebenfalls axial beweglich. Er beziehungsweise die darin gehaltene Bürste 18 wird ebenfalls durch den Federmechanismus gegen den Schleifring 16 gedrückt. Die Bürste 18 beziehungsweise der Bürstenhalter 17 sind hier kleiner ausgebildet als die übrigen Bürsten 12 beziehungsweise Bürstenhalter 13. Sie können aber auch größer oder gleich groß ausgebildet sein.
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Im montierten Zustand ist der Schleifringkörper 8 zusammen mit den Schleifringen 11, 16 an die Welle 5 beziehungsweise den Rotor 4 montiert, während die Bürstenhalterbolzen 14 zusammen mit den Bürsten 12, 18 und den Bürstenhaltern 13, 17 an dem Stator 3 beziehungsweise dem Gehäuse 2 des Windkraftgenerators 1 befestigt sind. Wegen der Gleitlagerung durch die Gleitlager 6 führen die Bürsten 12, 18 relativ zu den Schleifringen 11, 16 radiale Bewegungen durch. Dies ist insofern unproblematisch, da die Kontaktflächen zwischen den Bürsten 12, 18 und den Schleifringen 11, 16 ebenfalls in radialer Richtung verlaufen. Vorzugsweise ist die radiale Höhe beziehungsweise Tiefe jedes Schleifrings 11, 16 so groß, dass die jeweilige Bürste 12, 18 bei jeder radialen Extremposition gegenüber dem Schleifring 11, 16, die sich aus dem radialen Spiel des Gleitlagers 6 ergibt, mit der gesamten nominellen Kontaktfläche am jeweiligen Schleifring 11, 16 anliegt. Dies bedeutet, dass eine Bürste aufgrund des Spiels des Gleitlagers nicht radial über den dazugehörigen Schleifring hinauswandern kann. Die radiale Minimalhöhe eines Schleifrings beträgt also die radiale Höhe der zugehörigen Bürste plus dem Spiel des Gleitlagers.
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Da die Bürsten 12, 18 an die Schleifringe 11, 16 axial angestellt werden ist die Kontaktierung der Bürsten 12, 18 also unabhängig von der radialen Bewegung des gleitgelagerten Rotors 4. Ein Abheben der Bürsten und eine dadurch hervorgerufene Schädigung des Schleifringkörpers 8 kann somit verhindert werden.
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Eine axiale Bewegung des Rotors 4 bedingt durch Kupplungskräfte (z. B. eine Axiallast auf den Rotor) oder durch die thermische Wellendehnung hat eine entsprechende axiale Bewegung der Schleifringe und der daran angestellten Bürsten zufolge, die ja axial verschiebbar gelagert sind. Die axiale Bewegung der Schleifringe kann somit problemlos von den axial angestellten Bürsten aufgenommen werden.
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Der Axial-Schleifringanbau des Windkraftgenerators mit Gleitlager hat somit den Vorteil, dass eine ständige elektrische Kontaktierung der Stromübertragungsbürsten zu erreichen ist. Diese ständige Kontaktierung ist auch unabhängig davon, welche Bewegung die Welle in Bezug auf die Maschinenachse ausführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10003900 A1 [0002]
- DE 638949 A [0003]
- DE 307106 A [0004]
