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Präzisions-Drehkondensator
Die Erfindung betrifft einen Präzisions-Drehkondensator mit geringer Selbstinduktivität sowie mit geringem Reihenverlustwiderstand, bei dem für jede Rotorplatte eigene ortsfeste Stromzuführungen mit mehreren Kontakten vorgesehen sind, insbesondere zur Anwendung bei Hochfrequenzgeräten.
Die elektrischen Eigenschaften der für Hochfrequenzzwecke angewendeten Drehkondensatoren werden durch zwei durch ihren Aufbau gegebene Faktoren unvorteilhaft beeinflusst, in erster Annäherung nämlich durch den Verlustwiderstand und die Selbstinduktivität, welche beide mit der reinen Kapazität in Reihe geschaltet sind.
Die Wirkung dieser sogenannten Restparameter ist insbesondere dann unvorteilhaft, wenn der Dreh-
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ist. In den meisten Fällen wird die absolute Genauigkeit und die Betriebsgrenzfrequenz der Messgeräte eben durch die Messfehler, die durch die genannten Nachteile der bekannten Drehkondensatoren gegeben sind, begrenzt.
Beim Ermitteln der Teilinduktivitäten und Teilwiderstände der bekannten Kondensatoren stellt es sich heraus, dass der grösste Teil der Induktivität und des Verlustwiderstandes an der Rotorwelle, an den Kontaktplatten, an den Kontaktstellen sowie an den Rotor- und Statorzuleitungen entsteht, wobei die Stator- und Rotorplatten vernachlässigt werden können.
Die Bestrebungen zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften der Drehkondensatoren entwickelten sich in zwei Hauptrichtungen.
Nach einer dieser Entwicklungsrichtungen wurde zur Herabsetzung der hohen lokalen Stromdichten eine steigende Anzahl von Stromzuführungen, im extremen Fall je eine Zuführung für jede einzelne Rotorplatte vorgeschlagen. (Siehe z. B. die deutsche Patentschrift 1, ir. 857520.) Diese bekannten Lösungen zeigen infolge der verhältnismässig geringen Anzahl der Kontaktpunkte sowie der Anordnung und Ausbildung der Stromzuführungen noch immer bedeutende Fehler auf. Insbesondere ist die Instabilität des Durchgangswiderstandes der Kontakte bedeutend.
Gemäss der andern Entwicklungsrichtung erfolgte die Kapazitätsänderung ohne Schleifkontakte derart, dass die an einer gemeinsamen Welle angeordneten Rotorplatten zwischen die Statorplatten, welche beide Beläge des Kondensators bilden, eintauchen. Der wesentliche Nachteil dieser Lösung liegt in der bedeutenden Verlängerung der Stromwege sowie in der Ausbildung von Teilen mit hoher Stromdichte, wodurch die absoluten Werte der Selbstinduktivität und des Reihenverlustwiderstandes erhöht werden.
Wenn man alle bezüglichen Tatsachen in Rechnung stellt, kann man diejenigen Forderungen, denen ein Hochfrequenz-Drehkondensator entsprechen muss, um die Selbstinduktivität und den Reihenverlustwiderstand bei geringster Anfangskapazität so niedrig wie nur möglich halten zu können, in folgenden
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Punkten zusammenfassen :
1. Die Kontaktflächen der Statorplatten untereinander und gegenüber den Statoranschlüssen sollen gross, die Übergangswiderstände und Induktivitäten so gering sein wie nur möglich.
2. Die Statoranschlüsse sollen kurz sein und eine grosse Fläche haben.
3. Die Stromverteilung des Rotors und des Stators soll möglichst gleichmässig sein.
4. Die Flächen der Rotoranschlussglieder sollen ebenso wie jene des Stators gross sein und niedrige In- duktivitätswerte und Widerstandswerte aufweisen, wobei die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen möglichst gering sein sollen.
5. Das Kondensatorvolumen soll so klein gehalten werden, dass der Luftspalt eben noch die nötige
Wärmeabgabe gewährleistet.
6. Der Aufbau soll eine Wärmekompensation ermöglichen.
7. Die Verminderung der Induktivität und des Reihenverlustwiderstandes soll die Anfangskapazität nicht erhöhen.
8. Die Stromwege über die Stator- und Rotoranschlüsse sollen kurz sein, damit die Selbstinduktivität möglichst niedrig bleibt.
9. Es soll dafür gesorgt sein, dass äussere Einwirkungen (Korrosion usw.) keine störende Änderungen in den unerwünschten, zusätzlichen Induktivitäts- und Widerstandsverlusten verursachen.
10. Die infolge des Isoliermittels entstehenden Verluste sollen möglichst klein sein.
Die Erfindung erfüllt alle diese Forderungen in einem bedeutend höheren Grade und wesentlich einfacher, als dies bei den bisherigen Konstruktionen der Fall war.
Bei dem erfindungsgemässen Drehkondensator werden die erwähnten Vorteile dadurch erreicht, dass jede Rotorplatten-Stromzuführung je eine am Gehäuse des Drehkondensators elektrisch leitend befestigte Stromzuführungsplatte enthält und zwischen der Rotorplatte und der zugehörigen Stromzuführungsplatte mehrere, vorzugsweise acht bis zehn, die Rotorwelle mindestens teilweise umgebende, mit beiden Platten elektrisch leitend verbundene Kontakte vorgesehen sind, welche zu einer Kontaktplatte vereinigt sind, die als mit der einen Platte fest verbundene Kontaktscheibe ausgebildet ist, an deren Rand die Kontakte liegen, die auf der Oberfläche der zugeordneten Platte gleitbar angeordnet sind.
Demgemäss ist bei dem erfindungsgemässen Kondensator für jede Rotorplatte mindestens eine Kontaktscheibe, die als Zuführungsglied für den Strom zu dem Rotor dient, vorgesehen. Die Kontaktscheiben mit einer beliebigen Anzahl von Kontakten rings um ihre Ränder sind bei einer Ausführung der Erfindung mit der Rotorwelle fest verbunden und geben einen festen Kontakt mit den Rotorplatten. Dadurch wird erreicht, dass die Kontaktanschlüsse der Kontaktscheiben, die sich mit den Rotorplatten zusammen verdrehen, einen vorzüglichen Kontakt mit den Stromzuführungsplatten, welche an dem Kondensatorgehäuse fixiert und je einer Rotorplatte zugeordnet sind, ergeben. In diesem Fall gleiten die Kontakte der Kontaktscheiben auf den Stromzuführungsplatten.
Die mit Kontakten ausgerüstete Kontaktscheibe des Drehkondensators kann mit gleicher Wirkung selbstverständlich auch mit der an dem Gehäuse fixierten Stromzuführungsplatte fest verbunden oder aus derselben ausgebildet werden, wobei diese Kontakte auf den Rotorplatten gleiten.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungs- beispiel eines erfindungsgemässen Präzisions-Drehkondensators dargestellt ist.
Fig. 1 und 2 zeigen eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Kondensators, wobei Fig. 1 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 2 und Fig. 2 eine Ansicht des Kondensators. von oben zeigt. Die Fig. 3 und 4 zeigen verschiedene Details des Kondensators und die Fig. 5 und 6 in Vorderansicht und Seitenansicht den beispielsweisen Zusammenbau des Drehkondensators mit einem Trimmerkondensator.
Die Bezugszeichen beziehen sich in sämtlichen Figuren auf die gleichen Bestandteile. Hiebei be-
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halten gleichmässiger Abstände zwischen den Rotorplatten, 4 die Stromzuführungsplatten des Rotors, 5 die Rotorwelle, 6 die Achse der Rotorwelle, 7 die Statorisolation, die zugleich der mechanischen Halterung des Stators dient, 8 den Stator und 9 das Gehäuse und denRahmen des Drehkonden- sators.
Um die Zeichnungen leichter zu verstehen, sind nur die wesentlichen Bestandteile dargestellt.
Wie aus den Fig. 1. und 2 ersichtlich ist, sind die Stromzuführungsplatten 4 mit grossen Oberflächen ausgebildet. Je eine Stromzuführungsplatte 4 liegt zwischen zwei Rotorplatten 1. Zwischen jeder Rotorplatte 1 und der zugehörigen Stromzuführungsplatte 4 sind mehrere, vorzugsweise acht bis zehn,
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die Rotorwelle 5 umgebende, mit beiden Platten elektrisch leitend verbundene Kontakte vorgesehen, welche zu Kontaktplatten 2 vereinigt sind. Die Stromzuführungsplatten 4 sind mit dem Kondensatorgehäuse 9 stromleitend, z. B. durch Löten, verbunden.
Vorausgesetzt, dass das Gehäuse 9 zufolge seiner grossen Fläche und des demzufolge auftretenden geringen Verlustwiderstandes als idealer Stromleiter angenommen wird, können die Stromzuführungsplatten 4 mit geringer Vernachlässigung
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-tenlichen Wertes herab.
Die Verminderung des Verlustfaktors des Kondensators hängt aber mehr von der richtigen Art der
Stromverteilung in den Stromzuführungen und innerhalb des Kondensators ab, als von der Wahl einer günstigen geometrischen Form.
Mit der erfindungsgemässen Lösung ergeben sich folgende Vorteile : a) Durch Verwendung von gesonderten Stromzuführungen für jede Rotorplatte werden die von der
Rotorwelle herrührenden Verluste praktisch beseitigt ; alle Teile der Welle liegen auf gleichem Potential und die Welle führt keinen Strom. b) Da auch die Stromzuführungen, ähnlich wie die Rotorplatten, als Stromzuführungsplatten grosse
Oberflächen aufweisen und durch jede von ihnen lediglich der Teilstrom einer einzigen Platte hindurch- fliesst, werden die durch sie verursachten Verluste auf die Grössenordnung derPlattenverlusteherabgesetzt.
Infolgedessen rühren die schädlichen Induktivitäten und Widerstände bei der erfindungsgemässen Aus- führung fast gänzlich von der Statorzuführungsklemme Kl her. Durch entsprechende Gestaltung der- selben kann man diese schädlichen Werte im Vergleich zu ähnlichen Kondensatoren beinahe um eine volle Grössenordnung verringern.
Für die Erzielung einer Wärmekompensation können bei dem erfindungsgemässen Kondensator alle bekannten Möglichkeiten herangezogen werden.
Bei dem erfindungsgemässen Drehkondensator nach der Fig. 1 und 2 ist der Stator 8 aus einem hochleitfähigen Metallblock ausgearbeitet. Die Platten des Stators weisen eine geringe Induktivität und einen geringen Widerstand auf. Die Zuführung zwischen dem Stator und der Klemme K 1 ist als kurzer Metallblock mit grossen Seitenoberflächen ausgebildet, der, um Gewicht zu sparen, auch hohl sein kann. Die Stäbe der Statorisolation 7 sind aus keramischem Isolierstoff oder aus Quarz gefertigt und halten den Stator genau in der erforderlichen Lage.
Der Statoranschluss K liegt in nächster Nähe der RotorStromzuführungsplatten 4, um die Stromwege bei Wechselstromspeisung möglichst kurz zu halten und die Oberflächen der stromdurchflossenen Leiterschleifen zu verringern, d. h. die Selbstinduktivität niedrig zu halten.
Besonders hervorzuheben sind die spezielle Ausbildung des aufgefederten Rotors und die Rotorstromzuführungen.
Die dünnen Stromzuführungsplatten 4 mit grosser Oberfläche weisen Öffnungen auf, durch die die Rotorwelle 5 hindurchgeführt ist. Auf die Rotorwelle sind nacheinander die Rotorplatten l, die Kontaktplatten 2 und die Abstandringe 3 aufgereiht. In jeder Öffnung jeder Stromzuführungsplatte 4 ist je ein Abstandring 3 vorgesehen (Fig. 3 und 4). Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnungen ist grösser als der äussere Durchmesser der Abstandringe 3. Diefedernden Kontaktplatten 2 mit Gleitkontakten und geschlitzten Rändern schmiegen sich von beiden Seiten an die Stromzuführungsplatten 4 und sind zwischen den Abstandringen 3 und den Rotorplatten 1 festgehalten.
Die Anzahl der Schlitze am Rand der federnden Kontaktscheibe 2 hängt davon ab, wieviel Kontaktpunkte rings um den Kontaktscheibenumfang von einer Seite aus mit der Stromzuführungsplatte 4 in Berührung kommen sollen. Ist p die Zahl der Schlitze, so gehören 2p Kontaktpunkte zu jeder Rotorplatte 1. Wie erwähnt, ist es vorteilhaft, mindestens acht bis zehn Kontaktpunkte an jeder Kontaktplatte vorzusehen.
Beim Zusammenbau des Rotors werden die Stromzuführungsplatten 4 samt den federnden Kontaktplatten 2, den Rotorplatten 1 und den Abstandringen 3 auf die Rotorwelle aufgefädelt, wobei die Kontaktplatten, die Rotorplatten und die Abstandringe nach Zusammenpressen auf der Rotorwelle 1 festgehalten werden. Demzufolge entstehen metallische Kontakte zwischen den Abstandringen 3, den federnden Kontaktplatten 2 und den Rotorplatten l, wobei sich die Rotorplatten 1 zufolge der federnden Kontaktplatten 2 gegenüber den Stromzuführungsplatten 4 frei herumdrehen lassen. Die Stromzuführungsplatten 4 werden an das Gehäuse 9 des Drehkondensators gelötet oder auf irgendeine andere Art fixiert.
Die in Fig. 1 ersichtlichen Bohrungen 10 sind Hilfsöffnungen für das Einlöten
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der Stromzuführungsplatten 4. Die auf einen Draht aufgefädelten Stromzuführungsplatten können auf diese Weise gegenüber der Rotorwelle genau eingestellt und fixiert werden. Entsprechende Öffnungen sind in den Rotorplatten vorgesehen, welche bei völlig ausgeschwenkten Rotorplatten mit den Öffnun - gen 10 fluchten, so dass ein Stäbchen oder ein Draht hindurchgezogen werden kann, wodurch ihre gegenseitige Lage gesichert wird. Das Stäbchen oder der Draht wird nach dem Löten entfernt. Durch dieseMassnahme wird eine Reibung zwischen den Öffnungen der Stromzuführungsplatten 4 und den Ab- standringen 3 der Rotorplatten 1 vermieden und die genaue Einstellung der Bauteile erreicht.
Wie erwähnt, ist in Fig. 2 der erfindungsgemässe Drehkondensator in Oberansicht dargestellt. Es ist . ersichtlich, dass die dargestellte Ausführung die Zielsetzungen der guten Stromverteilung der guten Kontakt- gabe weitgehend erfüllt.
Aus Fig. 1 ist auch der grosse Vorteil dieser Anordnung hinsichtlich der Anfangskapazität ersichtlich.
DieStromzuführungsplatten 4 sind ausserhalb des von den Statorplatten 8 umschlossenen Raumes der- art angeordnet, dass ihre geringste Entfernung von den Statorplatten 8 grösser ist als die Mindestent- fernung derRotorplatten 1 von den Statorplatten 8 im ausgeschwenkten Zustand der Rotorplatten 1.
Dementsprechend weicht die Anfangskapazität des Drehkondensators nur wenig von dem Wert, der zwi- schen dem Rotor und dem Stator ohne Stromzuführungsplatten gemessen werden kann, ab.
Die geringen Anfangskapazitätswerte stehen im allgemeinen mit dem Eintauchen der Rotorplatten zwischen die Statorplatten in demselben Zusammenhang wie die höheren Kapazitätswerte. Beim Ein- dringen der einen Seite des Rotors in den Stator entfernt sich nämlich die entgegengesetzte Seite des Ro- tors vom Stator. Das Eindringen der einen Seite des Rotors hat eine Steigerung, das Entfernen der andern
Seite eine Minderung der Kapazität zur Folge. Diese zwei entgegengesetzten Wirkungen können in einem
Abschnitt unter Umständen gleich stark sein, so dass der Kapazitätswert ungeachtet der Verdrehung kon- stant bleibt. Liegen Rotor und Stator hinreichend nahe beieinander und sind die Statorausschnitte gegen die eine Seite grösser als gegen die andere, so kann sogar ein Kapazitätsabfall erfolgen.
Diese Erscheinung wird beim erfindungsgemässen Drehkondensator durch die Stromzuführungsplatten 4, die an beiden
Seiten'des Stators in einem im voraus bestimmten Abstand von demselben angeordnet sind, beseitigt. Die
Spaltgrösse zwischen dem Stator und dem Rotor bleibt auch dann nahezu konstant, wenn infolge einer
Verdrehung der näheren Seite die entlegene Seite des Rotors sich vom Stator entfernt.
Die Stromzuführungsplatten sind so gestaltet, dass man den Rotor, falls notwendig, um mehr als
3600 verdrehen kann. Diese Tatsache ist von grossem Vorteil bei Spezialverwendungen, z. B. bei motorisch betätigten Kippgeneratoren oder wenn eine grössere Verdrehung des Rotors als 1800 notwendig ist.
Darüber hinaus ergibt sich durch diese Gestaltung keinerlei Einschränkung in der Wahl der Charakteristik des Drehkondensators. Die Form der Stator, und Rotorschnitte kann innerhalb weiter Grenzen ge- ändert werden, ohne dass die Vorteile der neuen Konstruktion dadurch beeinträchtigt würden.
Durch die Verwendung von gesonderten Stromzuführungsplatten für jede Rotorplatte und infolge der Tatsache, dass die Abstandringe zwischen den einzelnen Platten praktisch keinen Strom zu leiten haben, wird es ermöglicht, dass einige Abstandringe aus Isolierstoff, z. B. aus keramischem Material, hergestellt werden können. Auf diese Weise kann der Rotor in mehrere Plattengruppen, die in verschiedene Winkellagen zueinander versetzt sind, geteilt werden. Entsprechend der Auffädelung und dem Ausschnitt der einzelnen Rotorplatten bzw. Plattengruppen kann sich die Kapazität beim wiederholten Drehen des Rotors in einer voraus bestimmten Art ändern.
Die Erfindung gestattet ausserdem den Gebrauch einer oder mehrerer Rotorplatten, die als Präzisionstrimmer dem Hauptrotor beigeordnet und mit diesem koaxial angeordnet sind. Der Trimmerkondensator kann separat eingestellt werden. Hier stellt die Stromzuführungsplatte die Verbindung von einem Rotor zum andern mit der niedrigsten Induktivität und dem niedrigsten Widerstand her. Diese Bauart des Präzisionstrimmers, die die gewöhnlichen Verluste der Verbindungsleitung beseitigt, ist hinsichtlich der Induktivität und des Verlustes den bekannten Ausführungen mit getrennter Anordnung der beiden Rotoren, welche durch Drähte verbunden sind, weitaus überlegen. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Trimmers in Verbindung mit einem in Fig. 2 beispielsweise dargestellten Drehkondensator.
Er besteht aus einer einzigen Rotorplatte 11, die symmetrisch um die Achse. 6 des Hauptkondensators gebaut ist, aber unabhängig von diesem auf einer Rohrwelle 12 läuft. Der Antrieb erfolgt von einer aussen gelagerten Drehplatte 13 durch einen Zughebel 14, der im Rotorgehäuse innerhalb eines halbkreisförmigen Ausschnittes 15 genügenden Bewegungsraum hat und eine Verdrehung um 1800 gestattet, wobei die Rotorplatte vom völlig ausgedrehten bis völlig eingedrehten Zustand alle Lagen einnehmen kann. Die wichtigeren, entlang der Achse 6 angeordneten Bauelemente sind in Fig. 6 vergrössert im Schnitt dargestellt, wohingegen Fig. 5 eine Seitenansicht in verkleinertem Massstab veranschaulicht.
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