具有主动式冷却的滑环的制作方法

本发明涉及一种如滑环或者旋转接头的电力传输装置。滑环用于在如风力发电机、CT扫描仪或者发电机的机器的旋转部件之间传输电力。主要由如金属或碳的导电材料构成的刷在由导电材料构成的旋转圆柱形轨道上滑动，所述旋转圆柱形轨道被称作滑动轨道。用于这种轨道的常用材料为钢、青铜或者黄铜，有时镀金或者镀银。滑动轨道中的至少一条或者多条由绝缘材料保持，从而形成模块。模块可以具有盘状或者圆柱状的形状。

背景技术：

在欧洲专利申请EP 0 662 736A1中公开了一种滑环，所述滑环由多根导电材料丝构成，所述导电材料丝在由其它导电材料制成的滑动轨道的V形槽中滑动。由于丝和滑动轨道之间的电流接触，因此可在彼此抵靠旋转的两个部件之间传输电流。

国际专利申请公报WO 2012/028992公开了因在滑环旋转且同时传输高电流的条件下产生的高热而引发的问题。其还公开了通过选择特定材料来处理滑环内的高温的解决方案。

美国专利US4,849,586公开了一种基于平面导电板的滑环，所述滑环具有位于这种平面导电板附近的加热器，以防止冷凝水冰冻。

GB 2 461 533A公开了一种用于通过测量滑环温度以及风力涡轮机机舱湿度来消除和控制风力涡轮机滑环刷的磨损的方法。

在EP 2 696 449A1中公开了一种加热的滑环模块，所述加热的滑环模块防止滑动轨道在表面上结冰和变潮，这将降低绝缘性。

JP S49 105106A公开了一种滑环，所述滑环具有滑动轨道，所述滑动轨道具有一体的冷却管道。

US 2013/147310A1公开了一种旋转接头，在所述旋转接头处，由液体金属形成旋转部件和静止部件之间的连接。加热/冷却单元设置成用于将液体金属的温度保持在预定温度范围内。

US 4,410,821A公开了一种滑环，其中，滑动轨道在表面中具有槽或者槽口，所述槽或者槽口还连接到管，以用于保持强制空气流动。

EP 269-6449A1公开了一种滑环，所述滑环具有一体的加热元件，以允许滑环在低环境温度下运转以及去除表面湿度，所述表面湿度可降低绝缘性。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种滑环，所述滑环在增大的温度范围内具有增强的电流传输能力，尤其是在可用空间有限的情况下。

在独立权利要求中描述了这种问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的其它改进。

根据第一实施例，冷却元件集成到滑环模块中。优选地，滑环模块具有用于保持滑动轨道的绝缘本体。最优选地，这种冷却元件嵌入到滑环模块中或者附接到滑环模块。还优选的是冷却元件附接到滑环模块的表面，优选地附接到与滑环轨道相对的侧部，最优选地附接到滑环模块的内表面。

在一个优选实施例中，冷却元件与滑动轨道隔离开。因此，优选的是在冷却元件和滑动轨道之间设置绝缘材料层。这种绝缘层优选地是滑环本体绝缘材料的一部分。优选地，冷却元件与滑动轨道隔离开,并且最优选地嵌入到滑环模块的绝缘本体中。

由于冷却，可降低模块和/或绝缘本体和/或滑动轨道的温度，这导致模块和整个滑环具有更高的电流能力。这还导致绝缘本体的更好的绝缘，原因在于绝缘性随着温度升高而下降。当冷却绝缘本体时，附接到绝缘本体或者由绝缘本体保持的滑动轨道的温度也降低。

测试已经表明：滑动轨道的系统磨损在高温(尤其是100℃以上的条件下运转的情况中)条件下增大。任何液体润滑剂(如果使用的话)会经受显著蒸发(因为蒸汽压力升高)。另外，如果温度太高，则处于应力作用下的设计元件会发生故障或者蠕变和/或会因不同的热膨胀而发生不可接受的形状改变。

冷却元件优选地是帕尔贴元件或者热管。冷却元件还可以是散热器或者包含液体或者冷却剂的管。冷却元件将热量从滑环模块传递到环境。冷却元件还可以连接到散热器，以用于将热量更好地消散到环境中。这种散热器可以是大型金属部件，优选地具有翅片。

在一个优选实施例中，冷却元件包括液体冷却系统。其可以被供应冷却液，所述冷却液可以是水或者任何冷却剂。有时，在复杂的滑环系统中，滑环与至少一个液体介质旋转接头组合，以用于在旋转部件之间输送液体。经常地，在此使用的被输送的液体是水或者任何其它冷却剂。这种液体还可以应用在冷却元件中，用于冷却所述模块。因此，液体介质旋转接头的旋转部件可以连接到冷却元件。还可以有换热器，所述换热器还可以是热管并且将供应给冷却元件的局部冷却液连通到被输送的液体。

流动通过管的冷却液的流动可以是主动(通过泵)或者通过液体或者在管的热侧上蒸发并且在管的冷侧上凝结的液体的对流而是被动的。

优选地，由温度控制器或者冷却控制器控制滑环模块的冷却。最优选地，温度控制器在温度超过阈值时启动冷却。温度控制器可以控制冷却泵或者通过帕尔贴元件的电流。冷却滑环模块的主要优势在于：因为仅仅将冷却施加给滑环的需要冷却的部分，所以动力消耗大大降低。冷却控制器可以将冷却液供给到冷却管中，以冷却模块。控制器可以包括帕尔贴元件、热泵、散热器或者用于冷却液的任何其它设施。如果控制器包括用于产生流动通过管的冷却液的泵，则更优选。

在另一实施例中，存在嵌入到滑环模块中的温度传感器。

另一方面是热管理系统，所述热管理系统包括冷却元件和加热元件。在EP 2 696 449A1中公开了一种示例性加热元件，所述专利的全部内容在此通过引用并入本发明。这种热管理系统可以在其温度处于下限以下时加热滑环模块，而在其温度处于上限以上时可以冷却滑环模块。

另一个实施例涉及一种滑环组件，所述滑环组件包括滑环模块和至少一个刷，所述滑环模块具有绝缘本体，所述绝缘本体具有至少一条滑环轨道，所述至少一个刷与所述至少一条滑环轨道电接触。

关于大量滑环的测试表明：可通过降低温度来增大滑环轨道的电流能力。这还降低了接触噪音和滑动刷的磨损。具体地，表明碳刷对于极度干燥环境敏感。由于冷却，因此温度会升高并且相对湿度会增加，这显著延长了使用寿命。而且，高温导致刷和模块的电绝缘退化，这可能致使部件发出火星以及损坏。

而且，刷块体的热容量显著高于刷的热容量。因此，冷却刷块体通常导致冷却刷。

本发明方法包括通过冷却元件从滑环模块传输热量来冷却滑环模块的步骤。

附图说明

在下文中，参照附图就实施例的各示例，通过举例而不限制本发明的总体发明构思的方式描述本发明。

图1示出了一个优选实施例；

图2示出了一个优选实施例的另一视图；

图3示出了连接到滑环模块的控制器；

图4示出了另一实施例；

图5以截面图示出了另一实施例；

图6以截面图示出了又一个实施例；

图7示出了直接轨道冷却；

图8示出了整体滑环组件的侧视图；

图9示出了整体滑环组件的俯视图；

图10示出了滑环壳体。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的一个优选实施例的截面图。滑环模块10具有至少一条滑环轨道17，所述滑环轨道17由绝缘本体13保持，所述绝缘本体13可以围绕旋转轴线14旋转。优选地，滑环轨道17被嵌入或者模制到绝缘本体13中。而且，冷却元件60集成到绝缘本体13中。优选地，冷却元件是管，冷却液流动通过所述管。所述冷却元件可以具有入口61和出口62。优选地，冷却元件60与滑环轨道17隔离开。最优选地，管具有塑料材料。进一步优选的是冷却元件60布置成紧密靠近滑环轨道17，最为优选地与滑环轨道17良好热接触。在另一优选实施例中，绝缘本体13包括导热材料，以提高从冷却元件60至滑环轨道17的热传递。冷却元件60可以是单根管或者多根管。

在图2中，示出了一个优选实施例的另一视图。在此，平行于旋转轴线14剖开滑环模块。除了第一轨道17之外，还存在第二轨道18和第三轨道19。在这个实施例中，冷却元件是形成螺旋的管，所述管嵌入到三条滑环轨道下方的绝缘本体13中。替代螺旋状管的是，还可以使用多根管。而且，可以使用管或者任何其它类型的腔(例如钻孔或者模制孔)。

在图3中，示出了冷却控制器80。这种控制器连接到冷却元件60，以控制冷却元件和/或滑环轨道17的温度。控制器将冷却液供给到冷却管60中，以冷却模块。控制器可以包括帕尔贴元件、热泵、散热器或者冷却液的其它器件。进一步优选的是控制器包括泵，用于产生流动通过管的冷却液。可以通过使用至少一个传感器或者通过外部控制信号来控制冷却液的流动和/或温度。还可以设置温度传感器81，以将关于滑环模块和/或滑环轨道的温度信息提供给控制器80。优选地，温度传感器被嵌入到滑环模块的绝缘本体13中。温度传感器还可以热连接到至少一条滑环轨道，以提供精确温度测量。而且，还可以设置多个温度传感器，以提供不同位置的温度信息。还可以设置湿度传感器82，所述湿度传感器向控制器80提供湿度信息。优选地，该湿度传感器位于滑环模块10的表面处。湿度传感器可以是标准电容湿度传感器或者其可以是导电性传感器，所述导电性传感器测量滑环模块10的表面上的导电性。为了测量导电性，还可以在滑环模块10的表面内设置一些电极。在一个可替代实施例中，可以测量滑环轨道之间的导电性和/或绝缘性、最为优选地相邻滑环轨道之间的导电性和/绝缘性。基于来自湿度传感器的信息，可以减少或者暂停冷却，以防止在模块表面处发生冷凝，这将降低绝缘。冷却控制器还可以使得滑环模块的温度降低到温度下限以下时将热量输送到滑环模块。

图4以俯视图示出了另一实施例。第一滑环模块100包括至少第一滑环轨道110。滑环轨道由绝缘本体120保持。至少一个冷却元件101、102、103位于绝缘本体120的多个孔内。优选地，冷却元件等距地间隔开。优选地，设置一根、两根、三根或者四根冷却元件棒。这种冷却元件可以包括热管的一部分，优选地热管的“热”端。

图5以截面图示出了前一幅图的实施例。盲孔109可以设置在绝缘本体120内。其可以保持冷却元件101，以用于冷却滑环轨道110、111、112、113和114。优选地，冷却元件是热管的一部分。热管的另一个端部可以热连接到模块外部的散热器。冷却元件101可以具有管连接件108，用于便于组装和拆卸。

图6以截面图示出了另一个实施例。存在位于在绝缘本体120内的至少一个通孔130。在通孔130内，可以设置冷却元件，所述冷却元件优选地由连接管131、132连接起来。

图7示出了直接轨道冷却。在此，冷却元件(优选地热管的一部分)可以直接连接到滑环轨道141。优选地，其由螺纹142连接。这允许实心机械和导热连接。

在图8中，示出了整个滑环组件的侧视图。示例性地设置了三个滑环模块10、15和安装到轴12的液体介质旋转接头16。液体介质旋转接头的旋转部件可以连接到冷却元件，以将冷却液输送到冷却元件。

在图9中，示出了整个滑环组件的俯视图。滑环模块10由模块支撑件11保持并且安装到轴12。设置了多个接触刷，如第一接触刷21和第二接触刷22，所述第一接触刷和所述第二接触刷由刷保持件20保持并且电接触。在此示出的优选的接触刷是由金属丝形成的金属丝刷。替代地，可以使用碳刷。滑环组件由滑环壳体30包封，所述滑环壳体30具有多个侧壁40。可以设置用于电连接滑环刷的连接空间50，该连接空间可以具有第一盖51。而且，壳体的内部空间70具有第二盖71。

在图10中，示出了滑环壳体。第一盖51可以由多个螺钉52锁定。还可以设置轴承90的壳体，以包封轴承，这允许模块和刷以及模块连接外壳91之间旋转，用于电连接和接触模块。这种外壳还可以容纳控制器80。

附图标记列表

10 滑环模块

11 模块支撑件

12 轴

13 绝缘本体

14 旋转轴线

15 第二滑环模块

16 液体介质旋转接头

17 第一轨道

18 第二轨道

19 第三轨道

20 刷保持件

21 第一刷

22 第二刷

30 滑环壳体

31 顶板

40 侧壁

50 连接空间

51 第一盖

52 螺钉

60 冷却元件

61 冷却元件入口

62 冷却元件出口

63 冷却管

70 壳体的内部空间

71 第二盖

80 控制器

81 温度传感器

82 湿度传感器

90 轴承的壳体

91 模块连接外壳

100 第三滑环模块

101 第一冷却元件

102 第二冷却元件

103 第三冷却元件

108 管连接件

109 孔

110 第一轨道

111 第二轨道

112 第三轨道

113 第二轨道

114 第三轨道

120 绝缘本体

130 通孔

131、132 连接管

140 冷却元件

141 滑环轨道

142 螺纹