Kontaktgerät mit periodiseh betätigten Kontakten. Es ist bereits vorgeschlagen worden, für Kontaktgeräte, die mit periodisch betätigten Kontakten arbeiten, als kontaktgebendes Ele ment eine Taumelscheibe oder achsenparallel kreisenden Kontaktteil zu benutzen. Dieser bewegte Kontaktteil wälzt sich auf im Kreis angeordneten Kontaktsegmenten ab und kommt dabei periodisch nacheinander mit .den verschiedenen. Segmenten zur Berührung.
Diesen Geräten haftet der Mangel an, dass für die Lagerung und,- den Antrieb des be- weggten Kontaktteils eine Anzahl von Gleit oder Wälzlagern erforderlich ist, die der Schmierung und Wartung bedürfen. Diesen Mangel hat man bereits dadurch zu beseitigen versucht, dass der bewegte Kontaktteil un mittelbar magnetisch durch ein Drehfeld- system in Bewegung gesetzt wird.
Diese Aus führung hat jedoch noch den Mangel, dass für die Lagerung des bewegten Kontaktteils und für die Stromableitung elastische Konstruk- tionsglieder erforderlich sind, die insbeson- fiere bei ,grossen Strömen Schwierigkeiten be züglich Dauerfestigkeit und Erwärmung er geben.
Die Erfindung stellt sich demgegenüber .die Aufgabe, elastische Stromzuführungen möglichst vollständig zu vermeiden. Sie be steht darin, d,ass der bewegte Kontaktteil die Kontaktbrücke zwischen einem festen Kon taktpol und mindestens einem im greise an geordneten leitenden Kontaktsegment bildet.
Diese Anordnung entspricht bei Abhebekon- takten, wie sie für gontaktstromrichter üblich geworden. sind, der Ausführung mit zwei festen Kontaktstücken und einer beweg lichen Kontaktbrücke.
Die Vermeidung jeg licher Reibung und elastischer Zuleitung kann man dadurch erreichen, dass man bei Verwendung einer Taumelscheibe als beweg tem Kontaktteil direkt durch ein magnetisches Drehfeld in Bewegung versetzt, wobei die Taumelscheibe gleichzeitig elektrisch und magnetisch zur Leitung des elektrischen bezw. magnetischen Stromflusses herangezo gen werden kann.
Die Taumelscheibe kann aber auch .durch Motorantrieb betätigt wer den.
In der Zeichnung ist die Erfindung bei spielsweise dargestellt: In Fig. 1 ist 1 ein zentraler Magnetpol. der an seinem obern Ende 2 eine Auflage von geeignetem Kontaktmaterial, z. B. Silber oder Wolframkupfer, besitzt, welche durch eine Bohrung mit dem An.schluss 3 verbunden ist. 2 dient gleichzeitig als Magnet- und Kon taktpol. Auf dem Umfang angeordnet sind, entsprechend der Phasenzahl des Wechsel stromes, Magnetpole, von denen 4 und 5 in der Zeichnung zu erkennen sind. Diese tragen an ihrem obern Ende ebenfalls Auflagen 6 und 7 aus Kontaktmaterial, die mit den An schlüssen 8 und 9 verbunden sind.
Damit kein Kurzschluss zwischen 2, 6 und 7 auftritt, ist ,der Magnetpol 1 von den Aussenpolen 4 und 5 usw. zu isolieren, was z. B. durch Luft- spaIte 10 und 11 geschehen kann. Man kann auch die Kontaktseb-mente 6, 7 usw. von den Magnetpolen 4, 5 usw. isolieren. Der Magnet pol 1 wird durch eine Gleichstromwicklung 12 erregt, die Magnetpole 4, 5 usw. durch Wechselstromwicklungen 1.3, 14 usw.
Auf diese Weise entsteht zwischen dem Pol 1 und .den auf dem Umfang angeordneten Polen 4, 5 usw. ein, umlaufendes mag netisehes Dreh feld, das sich über eine Taumelscheibe 15 schliesst und diese Scheibe im Takt der 'Wechselspannung in taumelnde Bewegung versetzt, so dass sie nacheinander 2 mit 6, 7 usw. elektrisch verbindet. Wie bei Vielpol maschinen kann die Zahl der Wechselstrom pole ein beliebiges Vielfaches der Phasenzahl sein, die Taumelscheibe bewegt sieh dann ent sprechend langsamer.
Die Taumelscheibe 15 beisteht aus m:agnetisehem Material, z. B. Eisen; sie trägt an den Kontaktstellen 16, 17 und 18 Auflagen aus Kontaktmaterial. Die Taumelscheibe 15 wird durch hie Magnet kraft selbst gehalten und zentriert, so dass für sie keinerlei Befestigungselemente wie Gleit- oder Wälzlager oder Federn erforder lich sind.
Dies gibt dem Kontaktgerät eine grosse Einfachheit, Zuverlässigkeit und Dauer- festigkeit. Die Scheibe 15 lässt sich im strom losen Zustand einfach abheben und durch eine neue ersetzen. Ebenso kann man die Kontakt stücke 2, 6 und 7 usw. auswechselbar ein richten.
Bei vollkommen starrer Konstruktion wird die elektrische Verbindung zwischen der Taiamelscheibe 15 und einem der am Um fang ar:geordneten Kontaktsegmente geöffnet, bevor die Verbindung zum nächsten geschlos sen wird. Dies ist für viele Umformer- bezw. Stromrichterzweeke unerwünscht.
Vielmehr braucht man hier eine gewisse 1Jfiberlappung der Kontalztzeiten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass man entweder die Kontakt.- segmente oder die Taumelscheibe mit ein r gewissen Elastizität versieht, indem man z. B. die Kontakte auf Blattfedern lagert, so dass unter dem Einfluss der 3lagnetkraft z.
B. das e- ent <B>6</B> etwas nach -Linien gedriiekt wird S<B>1</B> m <B>?n</B> und beim Anlaufen der Taumelscheibe auf das nächstfolgende Segment so lange mit die sem und gleichzeitig mit der Taumelscheibe in Berührung ist, bis die elastische Form änderung von 6 rückgängig gemacht und auf das folgende Segment übergegangen ist.
Im Gegensatz zu der Anordnung gemäss der Zeichnung kann man die Stromzuführun gen 8 und 9 so anordnen, dass bei etwa ent stehenden Lichlbögen an der Kontaktstelle diese durch das Magnetfeld des Stromes .selbst nach aussen geblasen wird. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Stromzuführun gen R und 9 von innen her, nämlich entlang dem Mittelpol 1, zuführen (vergl. Fig. 2).
Man erhält dadurch gleichzeitig den Vorteil 0.eringer Induktivität der Leitungen, der bei rosser Stromstärken wesentliche Bedeutung besitzt.
Für gewisse Schaltungen, z. B. Brücken- sehaltungen, sind zwei Taumelscheiben erfor derlich, die mit je einem Satz Kontakt segmenten zusammen arbeiten. 3lan kann dies konstruktiv dadurch in einem Gerät ver wirklichen. indem z. B. in der Zeichnung auch auf der Unterseite, wo die Luftspalte 10 und 11 gezeichnet sind, eine Taumelscheibe, wie die Scheibe 15, anordnet. Die Stromzu führung 3 ist in diesem Falle seitlich anzu ordnen, und die Luftspalte 10 und 11 sind an :eine andere Stelle des Magnetkreises zu verlegen.
Ebenso sind in diesem Falle die obern und untern Hälften des Magnetpols 1 bezw. seine Kontaktauflagen voneinander zu isolieren.
Die Taumelscheibe kann statt durch einen Magnetantrieb auch durch einen Motorantrieb betätigt werden. Dies kommt unter Umstän den bei grösseren Leistungen in Frage. Der Anpressdruck der Taumelscheibe gegen die festen Kontakte kann durch eine Feder ver stärkt werden.
Bei solchen Konstruktionen ist jedoch darauf zu achten, dass die Bewe gung der Taumelscheibe durch keinen mecha nischen Zwang gehemmt wird, der statt der reinen Wälzbewegung, wie sie durch den 1G'Lagnetantrieb sichergestellt ist, eine zusätz liche :reibende Bewegung bewirkt.
Zur Vermeidung oder Verminderung von Massenkräften kann man die Taumelscheibe so ausbilden, @dass ihr Schwerpunkt in der Kontaktebene liegt. Ist dies nicht möglich, so kann man durch besondere Zusatzmassen das Gerät ganz oder teilweise auswuchten.
Werden zur Erzielung einer Überlappung der Kontaktzeit die Kontaktsegmente oder die Taumelscheibe elastisch ausgeführt, so kann man,den durch die Zuleitung 3 fliessen den Belastungsstrom mittels einiger um den Magnetpol 1 gelegter Windungen zur zusätz lichen Erregung des Magnetpols 1 benutzen und auf diese Weise erreichen,
.dass mit zii.- nehmender Stromstärke der Anpressdruck und damit die elastische Durchbiegung der Kon taktsegmente und die Überlappungszeit der Kontaktzeiten vergrössert werden, wie dies mit Rücksicht auf die bei grösserem Strom vergrösserte Kommutierungszeit erforderlich ist.
Den Hub der Taumelscheibe macht man beispielsweise einige wenige Millimeter. Bei kleinen Spannungen, insbesondere Spannun gen unter 10 V, kann man auch mit sehr viel kleineren Hüben von 0,1 und 0,01 mm arbei ten.
Es ist sogar bei Verwendung geeigneter Materialien an der Berührungsstelle möglich, auf eine Kontakttrennung ganz zu verzich ten und nur durch Veränderung des Druckes ausreichende Widerstandsänderungen hervor- zurufen. Es sei hierzu erwähnt, dass zwischen zwei Leitern oder Halbleitern bereits dann ein Stromdurchgang unmöglich wird, wenn der Abstand zwischen ihnen grösser als 10-$ bis 10-7 cm wird, nämlich so gross,
dass keine Elektronen durch den "Tunneleffekt" über gehen können. Unter Umständen ist es zweckmässig, in diesem Falle als Kontakt material Kohle zu wählen oder auch Metalle mit Fremdschichten. Es kann zweckmässig sein, das ganze Gerät in diesem Falle unter Vakuum oder in ein Schutzgas zu bringen.
Zweckmässigerweise führt man in der Zeichnung die Kontaktstellen 2, 6, 7, 16, 17 und 18 etwas ballig aus, jedoch nicht so viel, dass die Elastizitätsgrenze der Materialien im normalen Betrieb überschritten werden. Man kann jedoch nahe an diese El.astizitätsgrenze herangehen, damit bei Beschädigungen durch etwaige Lichtböb n jegliche Rauhigkeiten wieder glatt gewälzt werden.
Führt man die Kontaktsegmente elastisch aus, so sind sie an ihren Enden so viel abzurunden, dass auch hier beim Aufsetzen auf das Folgesegment keine Verformungen auftreten. Der Stoss, der bei elastischer Ausführung der Kontaktseg mente auftritt, ist mechanisch und, was die Lärmerzeugung anbetrifft, unerwünscht. Er ist jedoch mit Rücksicht auf die Vermeidung von Einschaltentladungen vorteilhaft,
da er die Schliessgeschwindigkeit auf grössere Werte bringt. Ist die Schliessgeschwindigkeit trotz elastischer Ausführung .der Kontaktsegmente noch zu klein, so sind besondere Mittel vor zusehen, um die Kontakte vor Einschaltfeuer zu schützen. Diese Mittel können bestelhen in Einschaltdrosseln oder auch in Vorkontakten und gittergesteuerten Dampf- oder Gasent- ladungsstreeken usw.
Mit Vorteil wendet man das Kontakt gerät an in Verbindung mit- Mitteln, wie Schaltdrosseln, saugdrosselähnliclhen Trans formatoren oder Primärventilen, die die Kon takte von- Scbaltfeüer entlasten. Selbstver- ständlich macht man dabei von allen Hilfs mitteln CTebrauch, die für Kontaktumformer mit andern Kontaktgeräten bekannt geworden sind, so z. B. Parallelkondensatoren zu den Kontakten. oder zu den Drosseln, Vorerregun- gen der Schaltdrosseln usw.
Führt man den Mittelpol 1 axial ver schiebbar aus, so kann man auch durch solche Verschiebung bei elastischer Ausführung der Kontaktsegmente 6, 7 usw. .oder der Taumel scheibe die Kontaktüberlappung verändern. Durch starkes Absenken des Mittelpols 1 kann man, besonders bei Verwendung einer zusätzlichen Anpressfeder, die Taumelseheibe 15 gleichzeitig auf allen: Kontaktsegmenten zur Berührung gelangen lassen, wie dies z. B. in Störungsfällen zum Schutze des Kontakt gerätes zweckmässig sein kann.
Man kann 1 elastisch lagern und in Kurzschluss- oder andern Störungsfällen durch einen zusätz lichen Druck auf die Taumelscheibo diese mit allen Kontaktpolen zur Berührung bringen. Dieser Zusatzdruck kann vom Strom selbst magnetisch hervorgerufen werden. Bei dieser Anordnung ist es erforderlich, dass die Kon taktfläche 18 schwach ballig ausgeführt wird.
Mit Rücksicht auf ruhigen Lauf, auf die Vermeidung von Massenkräften und auf leichtes Anlaufen ist es zweckmässig, die An- presskräfte so mit der Masse des bewegten Kontaktstückes abzustimmen, da.ss seine Eigenfrequenz mit der Antriebsfrequenz übereinstimmt, so dass die Be-,veb ing in Reso nanz oder angenähert in Resonanz erfolgt.
Die in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiele der Erfindung beziehen ich auf eine Anordnung, bei der der feste Kontaktpol zentral liegt. Man kann aber auch den festen Kontaktpol als Kreisring ausbil den, der entweder innerhalb oder ausserhalb des Kontaktsegmentringes konzentrisch liegt.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, dass die Kontakt- segmente die Mantelfläche eines Hohlzylin ders bilden und der feste Kontaktpol eben falls als koaxiale Mautelfläche ausgebildet ist, wobei der bewegte Kontaktteil achsen- parallel kreist und sich auf beiden Mantel- flächen abwälzt.
Contact device with periodically actuated contacts. It has already been proposed to use a swash plate or axially parallel rotating contact part for contact devices that work with periodically operated contacts as a contact-making element. This moving contact part rolls on contact segments arranged in a circle and comes periodically one after the other with the different ones. Segments to touch.
These devices are due to the fact that a number of slide or roller bearings are required for the bearing and - the drive of the moving contact part, which require lubrication and maintenance. Attempts have already been made to eliminate this deficiency by setting the moving contact part in motion directly magnetically by a rotating field system.
However, this embodiment still has the shortcoming that elastic structural members are required for the mounting of the moving contact part and for the current dissipation, which in particular give rise to difficulties with regard to fatigue strength and heating in the case of large currents.
In contrast, the invention addresses the problem of avoiding elastic power supplies as completely as possible. It consists in the fact that the moving contact part forms the contact bridge between a fixed contact pole and at least one old-fashioned conductive contact segment.
With lifting contacts, this arrangement corresponds to the one that has become common for contact converters. are, the version with two fixed contact pieces and a movable union contact bridge.
The avoidance of any Licher friction and elastic supply line can be achieved in that when using a swash plate as a moving system contact part directly set in motion by a rotating magnetic field, the swash plate simultaneously electrically and magnetically to conduct the electrical BEZW. magnetic current flow can be used.
The swash plate can also be operated by a motor drive.
In the drawing, the invention is shown for example: In Fig. 1, 1 is a central magnetic pole. at its upper end 2 a support of suitable contact material, for. B. silver or tungsten copper, which is connected to the connection 3 through a hole. 2 also serves as a magnet and contact pole. Are arranged on the circumference, according to the phase number of the alternating current, magnetic poles, of which 4 and 5 can be seen in the drawing. These also wear pads 6 and 7 made of contact material at their upper end, which are connected to the connections 8 and 9.
So that no short circuit occurs between 2, 6 and 7, the magnetic pole 1 is to be isolated from the outer poles 4 and 5, etc., which z. B. by air gap 10 and 11 can be done. The contact segments 6, 7 etc. can also be isolated from the magnetic poles 4, 5 etc. The magnet pole 1 is excited by a direct current winding 12, the magnetic poles 4, 5 etc. by alternating current windings 1.3, 14 etc.
In this way, between the pole 1 and the poles 4, 5, etc. arranged on the circumference, a rotating magnetic rotating field is created, which closes via a swash plate 15 and sets this disc in a tumbling motion in time with the alternating voltage, so that it successively connects 2 with 6, 7 etc. electrically. As with multi-pole machines, the number of alternating current poles can be any multiple of the number of phases; the swash plate then moves correspondingly more slowly.
The swash plate 15 is made of m: agnetisehem material, for. B. iron; it has pads made of contact material at the contact points 16, 17 and 18. The swash plate 15 is held and centered by the magnetic force itself, so that no fastening elements such as sliding or roller bearings or springs are required for it.
This gives the contact device great simplicity, reliability and durability. The disk 15 can simply be lifted off in the currentless state and replaced with a new one. You can also set up the contact pieces 2, 6 and 7, etc. interchangeable.
In the case of a completely rigid construction, the electrical connection between the Taiamel disc 15 and one of the contact segments arranged on the order ar: opened before the connection to the next is closed. For many converters, this is Converter purposes undesirable.
Rather, one needs a certain overlap of the Kontalzt times. This can be achieved by providing either the contact segments or the swash plate with a certain degree of elasticity. B. stores the contacts on leaf springs so that under the influence of the 3lagnetkraft z.
For example, the e- ent <B> 6 </B> is pressed a little after the lines S <B> 1 </B> m <B>? N </B> and so long when the swash plate starts up on the next segment is in contact with the sem and at the same time with the swash plate until the elastic shape change of 6 is reversed and has passed on to the following segment.
In contrast to the arrangement according to the drawing, the power supply lines 8 and 9 can be arranged in such a way that if there are any arcs of light at the contact point, this is blown outward by the magnetic field of the current. For this purpose, for example, the Stromzuführun gene R and 9 from the inside, namely along the center pole 1, feed (see. Fig. 2).
This also gives you the advantage of low inductance of the lines, which is of great importance with high currents.
For certain circuits, e.g. B. bridges, two swash plates are required, each working with a set of contact segments. 3lan can constructively implement this in one device. by z. B. in the drawing also on the underside, where the air gaps 10 and 11 are drawn, a swash plate, such as the disc 15, is arranged. The Stromzu guide 3 is to be arranged laterally in this case, and the air gaps 10 and 11 are to: relocate another point of the magnetic circuit.
Likewise, in this case the upper and lower halves of the magnetic pole 1 respectively. to isolate its contact pads from each other.
The swash plate can also be operated by a motor drive instead of a magnetic drive. This may be an option for higher performance. The contact pressure of the swash plate against the fixed contacts can be strengthened by a spring.
With such constructions, however, it must be ensured that the movement of the swash plate is not inhibited by any mechanical constraint which, instead of the pure rolling movement, as ensured by the 1G magnet drive, causes an additional: frictional movement.
To avoid or reduce inertia forces, the swash plate can be designed so that its center of gravity lies in the contact plane. If this is not possible, the device can be balanced in whole or in part with special additional weights.
If the contact segments or the swash plate are designed to be elastic in order to achieve an overlap of the contact time, the load current flowing through the supply line 3 can be used for additional excitation of the magnetic pole 1 by means of a few turns around the magnetic pole 1 and in this way
.that with increasing current strength, the contact pressure and thus the elastic deflection of the contact segments and the overlapping time of the contact times are increased, as is necessary with regard to the increased commutation time with a higher current.
The stroke of the swash plate is made, for example, a few millimeters. With low voltages, especially voltages below 10 V, you can work with much smaller strokes of 0.1 and 0.01 mm.
It is even possible, when using suitable materials at the point of contact, to completely dispense with a contact separation and to produce sufficient changes in resistance only by changing the pressure. It should be mentioned that between two conductors or semiconductors a passage of current is already impossible if the distance between them is greater than 10- $ to 10-7 cm, namely so large that
that no electrons can pass through the "tunnel effect". In certain circumstances it is advisable to choose carbon as the contact material or metals with foreign layers. In this case, it can be useful to place the entire device under vacuum or in a protective gas.
The contact points 2, 6, 7, 16, 17 and 18 in the drawing are expediently made somewhat spherical, but not so much that the elastic limit of the materials is exceeded in normal operation. However, you can approach this elastic limit so that any roughness can be rolled smoothly again in the event of damage caused by any light gusts.
If the contact segments are designed to be elastic, they are to be rounded off at their ends so that no deformations occur here either when they are placed on the following segment. The shock that occurs when the contact segments are made elastic is mechanical and, as far as noise is concerned, undesirable. However, it is advantageous with a view to avoiding switch-on discharges,
because it brings the closing speed to greater values. If the closing speed is still too low, despite the elastic design of the contact segments, special measures must be taken to protect the contacts from switching on lights. These means can be in the form of switch-on chokes or also in pre-contacts and grid-controlled vapor or gas discharge lines, etc.
It is advantageous to use the contact device in connection with means, such as switching throttles, suction throttle-like transformers or primary valves, which relieve the contacts from switching fire. It goes without saying that all aids C use that have become known for contact converters with other contact devices, such as B. parallel capacitors to the contacts. or to the chokes, pre-excitation of the switching chokes etc.
If the center pole 1 is axially displaceable, it is also possible to change the contact overlap by such a displacement with the contact segments 6, 7 etc. or the swashplate being elastic. By sharply lowering the center pole 1 you can, especially when using an additional pressure spring, the swash plate 15 at the same time on all: let contact segments come into contact, as z. B. can be useful in the event of a fault to protect the contact device.
You can store 1 elastically and, in the event of a short circuit or other faults, apply additional pressure to the swashplate and bring it into contact with all contact poles. This additional pressure can be generated magnetically by the current itself. In this arrangement, it is necessary that the contact surface 18 is made slightly convex.
With regard to smooth running, the avoidance of inertia forces and easy starting, it is advisable to coordinate the contact forces with the mass of the moving contact piece so that its natural frequency matches the drive frequency, so that the movement takes place in resonance or approximately in resonance.
The exemplary embodiments of the invention shown in the drawing I refer to an arrangement in which the fixed contact pole is centrally located. But you can also ausbil the fixed contact pole as a circular ring, which is either inside or outside the contact segment ring concentrically.
Another possible embodiment of the invention is that the contact segments form the outer surface of a hollow cylinder and the fixed contact pole is also designed as a coaxial coupling surface, the moving contact part circling axially parallel and rolling on both outer surfaces.