用于滑环转子的轴的制作方法

1.本发明涉及一种轴，其具有用于电流导体的套管。此类轴尤其存在于具有滑环转子的电机中。此类电机还特别具有滑环系统的刷架。电机尤其是电动激励的机器。本发明还涉及一种模拟轴操作的方法和相应的计算机程序产品。


背景技术：

2.滑环系统用于将电激励引入电动电机的旋转部分，即转子。由于诸如风力发电厂的发电机等电动电机的性能越来越高，因此在这方面所需的可传输电力越来越高。这导致电流强度越来越高和/或电压越来越高。这进一步导致电流导体的横截面更大和/或绝缘性更强。
3.由于成本和安装空间的优化以及性能要求的不断提高，特别是在风力发电厂，发电机或电动机及其部件变得越来越紧凑，负载电流也越来越大。在这种情况下，载流导体(尤其是绞合线)及其横截面也需要确定尺寸或相应地增大。转子和滑环之间的电气连接例如通过每相两根240mm2(或更大)的绞合控制线实现，并通过相应的孔布线到轴中。电机(即，特别是电动电机)特别涉及用于旋转电流应用的三相电机。绞合线重量增加，即电流导体(由于用于更高电流强度的直径更大)可能导致灌装材料出现裂纹，其中灌装材料包围电流导体。本发明的目的是改进电流导体穿过轴的布线。


技术实现要素：

4.在具有权利要求1特征的轴的情况下，实现了该问题的解决方案。进一步的构造例如根据权利要求2至11实现。在滑环转子(特别是异步电机的滑环转子)具有根据权利要求之一或根据下述构造之一的轴的情况下，也实现了该问题的解决方案。根据权利要求12所述的方法和在计算机程序产品的情况下根据权利要求13，进一步实现了该问题的解决方案。
5.轴具有用于电流导体的套管。该轴还具有用于定位电流导体的保持架。该轴尤其是部分中空的，其中一个或多个电流导体在该轴的中空部分中延伸。因此，该轴尤其部分或整体构造为空心轴。特别是，旋转电流系统的电流导体在轴中延伸。该轴特别为滑环转子提供，或者该轴是滑环转子的一部分。滑环转子特别为异步电机提供。例如，异步电机是双馈异步电机。例如，异步电机是发电机和/或电动机。因此，该异步电机尤其是电激励的电动电机。
6.滑环转子尤其具有滑环系统。滑环可经由电刷接触。
7.由于用于定位电流导体的保持架，电流导体可以保持在特定位置。在这种情况下，保持架可设计为保持一个或多个电流导体。这里的例子是两个、三个或四个电流导体。通过保持架保持的电流导体尤其与旋转电流的相位有关。例如，电流导体为实心或构造为绞合线。例如，铜或铝可以用作电流导体的材料。由于保持架，电流导体(或多个电流导体
–
即，即使下文仅提及了一个被保持的电流导体，这也适用于保持架保持的多个电流导体)可以在
灌装前保持在预定位置。例如，树脂或树脂化合物可用于灌装。可选地或组合地，保持架可将电流导体(或多个电流导体)保持在预定位置以进行约束。由于保持架将一个或多个电流导体保持在预定位置，例如可以实现电流导体的弯曲半径(特别是在保持架的区域内)不小于最小值。
8.在轴的一种构造中，保持架将至少一个电流导体固定在至少一个电流导体曲线的拐点内或拐点之上。如果存在拐点，则电流导体(即一个或多个电流导体)可以定义的弯曲半径从轴中引出，或引入轴中。这些弯曲半径大于相应导体的最小允许弯曲半径。最小弯曲半径取决于材料、横截面形状和/或性质(例如实心材料或绞合线)。如果电流导体通过保持架固定在至少一个电流导体曲线的拐点内或拐点之上，则保持架位于拐点区域内，即，尤其是至少位于拐点处。
9.在轴的一种构造中，保持架具有底座和盖。底座可以用作一类上面放置电流导体的床。然后，盖将电流导体包裹起来。因此，电流导体位于底座和盖之间。例如，保持架可以保持两根绞合线。在一种构造中，还可能通过至少一个塑料电缆保持架相对于轴固定或保持所述保持架。
10.在轴的一种构造中，轴具有用于接收电流导体的狭槽。狭槽尤其是在以圆形为主的轴上的开口。例如，可以通过铣削工艺实现这样的开口。例如，开口是轴上的凹槽。该狭槽尤其具有纵向取向。纵向取向平行于或基本平行于轴的轴线。在轴的一种构造中，为了便于放置电流导体，尤其是绞合线，并确保观察到最小弯曲半径，在轴中铣削三个狭槽，每个相位一个。
11.在轴的一种构造中，有三个或更多个狭槽。狭槽尤其均匀地分布在轴的圆周上。在轴的一种构造中，狭槽在纵向取向方面相互偏移。在轴的进一步构造中(如上和如下所述，也可在此与进一步构造组合)，在每种情况下为一个相位提供一个狭槽，其中尤其是，在每种情况下，一个狭槽接收两个或更多个电流导体，其中电流导体尤其是绞合线。举例来说，在每个狭槽中放置两条绞合线，然后用塑料电缆保持架固定。绞合线是一种电导体，包括尤其是细的各根导线。由于各个导体，绞合线比包含实心材料的电流导体更容易弯曲。绞合线的各根导线可以有共同的绝缘护套。
12.在轴的一种构造中，所述狭槽至少部分地接收所述保持架。因此，保持架可以相对于轴进行定位。
13.在轴的一种构造中，保持架具有与电流导体的形状相对应的形状。例如，形状可以是凹槽状。该凹槽尤其具有半圆形横截面。这用于通过保持架更好地定位电流导体。因此，保持架(电缆保持架，即电流导体保持架)就其形状而言可与电流导体的直径(尤其是绞合线直径)相适应。特别地，保持架也适合于轴中狭槽的形状。因此，保持架可确保电流导体(尤其是绞合线)的最佳且优选无应力的范围。这尤其是不仅涉及一个电流导体，还涉及多个电流导体，尤其是通过狭槽从轴中引出或引入轴中的所有电流导体。
14.在轴的一种构造中，保持架通过螺纹连接紧固。紧固发生在轴的芯(轴芯)处。通过使用一个或多个螺钉，可以快速固定保持架，例如在制造轴时，无需等待粘合剂硬化。举例来说，保持架(尤其是由塑料材料制成(塑料电缆保持架))每个都通过2xm8螺钉紧固在轴上，从而将绞合线保持到位。
15.在轴的一种构造中，保持架是灌装的。这有助于增加安全性。保持架灌装后，轴、保
持架(电缆保持架)和电流导体(绞合线)之间的剩余间隙可以例如用灌装化合物填充。在轴的一种构造中，电流导体因此被灌装。
16.在轴的一种构造中，在保持架区域中具有约束件。因此，电流导体可与其一个或多个保持架或在其一个或多个保持架中进行额外固定。例如，在灌装化合物已经硬化后，因此可以将轴的区域约束，然后用完全组装的转子充满。
17.在轴的一种构造中，套管与轴的轴线成20度至30度角。因此，电流导体可以较大的最小弯曲半径插入。
18.在操作上述类型或下述类型的轴的方法中揭示了该问题的解决方案，其中模拟了轴的操作。该方法涉及轴或具有该轴的机器的模拟操作。电机尤其具有滑环转子。通过模拟机器或轴的操作，可以计算例如离心力和/或还有热负荷。这使得能够得出有关额定速度、最大速度和/或使用寿命的结论。动态行为的模拟也可以连同实际操作数据一起进行。因此，为此，例如可在转子轴处测量扭矩、速度和/或随时间的相应变化。这些变量可用作模拟的输入变量。例如，如果使用进一步的信息，则可以更精确地创建模拟模型。这尤其涉及诸如电压或电流之类的变量。作为模拟的结果，开发数字孪生也是可能的。因此，例如可以与机器运行并行地进行监测，以便例如迅速检测磨损或潜在故障。
19.可以提供一种计算机程序产品，其具有计算机可执行程序装置，并且当在具有处理器装置和数据存储装置的计算机设备上执行时，该计算机程序产品适合于执行根据所述类型之一的方法。因此，可以通过设计用于模拟电机运行行为的计算机程序产品来实现底层目的。计算机程序产品还可以具有数据接口，通过该接口可以指定操作参数，例如速度和/或机器电流。计算机程序产品同样也可以具有用于输出模拟结果的数据接口。例如，计算机程序产品可以开发为所谓的数字孪生。
附图说明
20.借助于原则上所示的示例性实施例，更详细地解释了本发明和本发明的进一步有利构造，其中：
21.图1显示了原则上的双馈异步电机，
22.图2显示了双馈异步电机的部分纵截面，
23.图3显示了穿过轴的部分纵截面，
24.图4显示了轴中狭槽的透视图，
25.图5显示了轴中狭槽的放大透视图，
26.图6显示了穿过狭槽的纵截面，
27.图7显示了电流导体穿过狭槽的布线的透视图，
28.图8显示了穿过轴的透视纵截面，
29.图9显示了用于在狭槽中布线电流导体的保持架，
30.图10显示了电流导体在紧固环上的紧固，
31.图11在平面图中显示了保持架的盖，
32.图12显示了保持架的盖朝向面对电流导体的一侧，以及
33.图13示出了后视图中的盖。
具体实施方式
34.在下图中，类似的元件由相同的附图标记表示。
35.图1显示了具有定子2和滑环转子3的双馈异步电机1，其中定子2具有绕组系统4，其在定子2的端面处具有端部绕组5。滑环转子3也具有绕组系统6，其同样形成端部绕组7。滑环转子3以抗扭方式连接到具有轴线23的轴8，该轴在轴端特别是os侧(os：操作侧)上同样具有滑环系统9。在这种情况下，滑环系统9具有与轴8一起旋转的滑环18(见图2)，在每种情况下，滑环18经由一个或多个电刷19(见图2)向滑环转子3经由供电线13和14提供电力，电刷19以固定方式安装在电刷架20(见图2)上。供电线13和14是电流导体。在三相旋转电流系统中，至少有三个电流导体，仅有两个电流导体13和14显示在根据图1的图中。电流导体13和14从套管12引出，其中套管12可实现为轴8中的孔，其中套管12示出在图2中。所述孔在轴8的中空轴部分11(见图2)处结束。如果使用150mm2的绞合线，例如由于相对较低的电流，轴孔可以以45
°
的角度钻孔。由于由此产生的出口角度更陡且绞合线的弯曲半径更小，紧固在转子上的电缆夹足以固定绞合线。如果由于电流较大而需要横截面大于150mm2的绞合线，则弯曲半径可能会出现问题。
36.图2以更详细的图示显示了滑环系统9，带有滑环转子3的一部分。在这种情况下，供电线13和14从滑环系统9上的触点21和22经由插入中空轴部分11的供电线13和14而引入中空轴部分11端部的孔12，从而可以向滑环转子3的绕组系统6供电。孔12是穿过轴芯28的套管，用于布线电流导体13和14。轴芯28尤其是固体材料，尤其包括钢。构成轴8的中空轴部分11的轴向部分的滑环系统9安装在轴部10上。此类滑环转子3例如用于风力发电厂，其具有双馈异步电机作为发电机。
37.图3显示了穿过轴8的部分纵截面。在放大图中显示了电流导体14穿过具有轴线23的轴芯28。在这种情况下，电流导体14布线穿过套管12中的衬套17。电流导体14也位于轴8中的中空轴部分11中。转子和滑环(图3中未示出)之间的电连接通过每相两根240mm2绞合线实现，并穿过相应的孔12布线到轴8中。电机(尤其是电动电机)尤其是旋转电流应用的三相电机，如风力发电机中的情况。对于机械固定，在放置一个或多个电流导体后，轴孔(即中空轴部分11)然后可以至少部分填充灌装化合物41。
38.图4显示了轴8或轴芯28中狭槽29和30的透视图。轴芯28在这里有三个狭槽，它们均匀分布在轴芯28的圆周上，其中根据图4仅示出了两个狭槽29和30。由于电流相对较低，风力发电机中迄今为止使用了150mm2的绞合线，因此图4中未显示的套管(轴孔)可以以约45
°
的角度钻孔。由于由此产生的出口角度更陡且绞合线的弯曲半径更小，迄今为止，紧固在转子上的电缆夹足以固定绞合线。由于功率更大的风力发电机中更高电流强度的绞合线直径更大，绞合线的重量增加，以及作为电流导体套管的孔的几何形状发生变化，特别是对于一条或多条绞合线，在轴8中例如约为25
°
角处可能导致出现裂纹，尤其是当存在灌装材料时。由此可以假设，绞合线将发生变形。这又会损坏绞合线，从而导致机器故障。由于使用狭槽29、30，绞合线或电流导体的几何范围可以改变，尤其是得到改善。电流导体的直径越小，最小弯曲半径越小。对于小的弯曲半径，可以在轴中选择大的角度例如40
°
到50
°
用于套管。电流导体的直径越大(例如》＝240mm2)，最小弯曲半径越大。对于大的最小弯曲半径，有必要在轴中选择较大的角度例如20
°
到30
°
用于套管。该角度与套管相对于轴线23的纵向取向有关。使用与相应套管相邻的狭槽29、30会影响电流导体的应用弯曲半径。因此，由于例
如大直径绞合线的较大的弯曲半径，可以防止出现在没有狭槽的实施例中预期出现的裂纹。可以根据裂纹即假设绞合线的变形。这又会损坏导线，从而导致机器故障。为了便于放置电流导体特别是绞合线，和/或确保观察到最小弯曲半径，在轴8(即轴芯28)中铣削至少三个狭槽。图4中仅显示了两个狭槽29、30，其中第三个狭槽位于透视图中所示的轴的后侧。在轴8的一种构造中，为每个电相位(u、v、w)提供一个狭槽。
39.图5显示了轴8中狭槽29的放大透视图。从稍微改变的角度来看，两个套管12(电流导体可从中布线通过)现在可以在图5中看到。套管12直接与狭槽29相邻。还显示了槽口33、33'，其中保持架24的突起32、32'可以与其接合。
40.图6显示了穿过轴8和狭槽29的纵截面，带有与狭槽29相邻的槽口33和套管12。还显示了另外两个套管12，尽管它们与图6中未显示的不同狭槽相邻。
41.图7显示了电流导体13、13'、14、14'、15、15'的布线透视图。电流导体13、13'的布线显示在仍然打开的狭槽29中。狭槽29具有槽口33、33'。电流导体14、14'布线在狭槽30中。电流导体15，15'布线在狭槽31中，其中图7中的狭槽31由于透视图示而位于该视图的后侧，因此未进行图示。电流导体13、13'、14、14'、15、15'紧固在腹板37上。腹板37设计为环形，并具有辐条42。在每个狭槽中放置两根绞合线，然后由电缆保持架43固定，电缆保持架43尤其包括塑料材料。
42.图8显示了穿过轴8的透视纵截面。显示了保持架24如何将电流导体13保持在狭槽29中。此外，还显示了导体13、15、15’如何布线到中空轴部分11中。尽管图8中未显示，电流导体还可以完全或部分灌装在其中。在根据图8的示例中，两根绞合线举例来说放置在每个狭槽中，然后用塑料电缆保持架固定。保持架24的形状适合于绞合线直径和轴8中的狭槽29，从而确保绞合线(例如绞合线13)的最佳且优选无应力的范围。一个或多个电流导体的保持架可以由塑料材料制成。每个保持架(如保持架29)都可通过2xm8螺钉(图8中未示出)紧固在轴8上，即轴芯28上。保持架将电流导体(例如绞合线)保持到位。轴8、保持架和绞合线之间的间隙可以用灌装化合物(图8中未示出)填充。灌装化合物硬化后，轴的区域进行(特别是)约束，然后用完全组装的转子填满。
43.图9显示了用于在狭槽中布置电流导体的保持架24。保持架24具有底座25和盖26。电流导体13在底座25和盖26之间布线。电流导体13具有曲线35，其在底座25和盖26之间的区域中具有拐点40。拐点是一个数学术语。该术语从曲线绘制中得知。在拐点处，所考虑的图形函数的二阶导数为零。在拐点处，图形(即此处的曲线)改变其曲率方向。如图9所示，保持架24可通过约束件16固定。通过使用保持架24，在观察弯曲半径的同时，可以清楚地限定电流导体(例如，作为绞合线或固体材料)的放置。电流导体沉入轴中，由旋转引起的主动离心力被保持架尤其是盖26和/或约束件吸收。电流导体上的负载尤其是降低到最小，并且可以防止或减少裂纹的形成。这又会确保机器的功能，尤其是发电机的功能。
44.图10示出了类似于图7的图示，其中从不同的角度示出了电流导体在紧固环38上的紧固。图10示出了穿过保持架24的狭槽尤其是闭合的，使得它们与轴8的另一表面齐平。在这种情况下，保持架24的盖从外部可见。在轴的一种构造中，为了便于放置电流导体，特别是绞合线，并且为了确保观察到最小弯曲半径，将三个槽(每个相位一个槽)合并(特别是铣削)到轴中。
45.图11在平面图中示出了保持架的盖26。盖26具有叉齿36、36’、36”。用于布线电流
导体的空间位于叉齿36和36'之间。这同样适用于叉齿36'和36”之间的空间。盖26具有突起32和32'。可以引导紧固螺钉(未示出)穿过的孔位于这些突起中。由于保持架(其也可以称为电缆保持架)的形状，可以使电流导体的出口角最小化。该实现特别是因为可以在两个单独的通道中实现对绞合线几何形状的最佳适应。通道特别地构造为凹槽，例如也在图12和图13中示出的。通过使出口角最小化，可以防止由于弯曲半径小于最小值而产生的附加应力。还可以防止与轴8的尖锐边缘表面的接触。保持架24的使用还减少了可能对离心力具有负面影响的所需灌装化合物的量。
46.图12示出了从面向电流导体的一侧看去的保持架的盖26(根据图11)。示出了叉齿36'如何合并到腹板37中，其中腹板37定位并分离待接收的电流导体。图12示出了从后面对盖26的观察39，其合并在下面的图13中。
47.图13在后视图中示出了盖，其中凹槽34、34'和腹板37的位置是清楚可见的。