DE1806422C3 - Vorrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elektroden, von denen die eine zu rotieren vermag, wobei ein Stromübergang von der einen Elektrode zu der anderen Elektrode mittels eines Plasmas herbeiführbar ist.

Eine Vorrichtung der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (DT-AS I 082 661). Bei dieser bekannten Vorrichtung erfolgt bereits mit Beginn der jeweiligen Relativbewegung der beiden Elektroden zueinander deren Trennung, da die eine Elektrode gegenüber der anderen Elektrode stets reibungsfrei /1 bewegen ist. Dies bedeutet aber, daß es bei niedriger Relativgeschwindigkeit der beiden Elektroden zueinander zu einem Abbrennen zumindest der einen Elektrode kommen kann, was unerwünscht ist.

Es ist ferner eine Vorrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elektroden, von denen die eine zu rotieren vermag, bekannt (L)S-PS 2 978 600), wobei eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden mittels eines gasförmigen Mediums herstellbar ist. Die elektrische Verbindung zwischen den genannten Elektroden erfolgt dabei mit Hilfe von im Abstand einander gegenüberliegenden konzentrischen Ringen, welche die betreffenden Elektroden darstellen und welche eine thermoionische Emission ermöglichen, also Elektronen abzugeben vermögen. Mit Rücksicht darauf, daß die betreffenden Elektroden stets in Abstand voneinander gehalten sind, treten auch bei dieser bekannten Vorrichtung die im Zusammenhang mit der eingangs betrachtetet! bekannten Vorrichtung aufgezeigten Probleme auf.

Es sind ferner Anordnungen bekannt (US-PS 3 341 726), bei denen Elektroden relativ zueinander bewegt werden, ohne daß jedoch zwischen diesen Elektroden ein Luftspalt auftritt. Die betreffenden Elektroden sind dabei als Lager des Rotors einer Maschine gebildet. Obwohl die betreffenden Elektroden eine relativ gute elektrische Verbindung herzustellen gestatten, treten jedoch bei hohen Relativgeschwindigkeiten der Elektroden zueinander Probleme bei den als Lager ausgebildeten Elektroden auf. Außerdem kann es schwierig sein, die Anlage der Elektroden auch bei besonders hohen Relativgeschwindigkeiten noch zu gewährleisten.

Es sind ferner bereits Scherenstromabnehmer bekannt (US-PS 1 760 020.1 532 224), bei denen drehoare, walzenförmige Elektroden zur Stromabnahme vom Fahrdraht vorgesehen sind. Die betreffenden walzenförmigen Elektroden befinden sich dabei in dauerndem Kontakt mit dem Fahrdraht Dies kann jedoch bei relativ hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Scherenstromabnehmer und Fahrdraht zu unkontrollierten Lichtbogenbildungen zwischen dem Fahrdraht und den Scherenstromabnehmern bzw. den walzenförmigen Elektroden führen, was eine starke Abnutzung der betreffenden Elektroden zur Folge hat. Dies führt wiederum zu einem hohen Wartungsaufwand zumindest der walzenförmigen Elektroden.

Es ist schließlich auch schon ein Hochgeschwindigkeitsstromabnehmer bekannt (US-PS 1 003 862), bei dem eine durch einen gesonderten Motor angetriebene Laufanordnung vorgesehen ist, die aus zwei im Abstand voneinander vorgesehenen ringförmigen Platten besteht, zwischen denen schwenkbar flache Platten gelagert sind, die bei einer Drehung der genannten Seitenplatten mit einem Fahrdraht in Berührung kommen. Die Anordnung ist dabei jedoch so getroffen, daß die erwähnten flachen Platten stets, d. h. bei jeder Relativgeschwindigkeit zu dem Fahrdraht, mit diesem Fahrdraht in Berührung gelangen. Damit treten jedoch auch bei dieser bekannten Anordnung die Nachteile auf, die oben im Zusammenhang mit Vorrichtungen aufgezeigt worden sind, bei denen zwei relativ zueinander bewegbare Elektroden in dauerndem Kontakt miteinander sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu /eigen, wie bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art Probleme einer unkontrollierten Lichtbogenbildung, einer übermäßigen Abnutzung, einer mechanischen Ausrichtung und Schmierung zumindesi weitgehend überwunden werden können, ohne daß Beschränkungen hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit der beiden Elektroden zueinander in Kauf genommen werden müssen.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch ein Stellglied, welches die sich berührenden Elektroden mit steigender Relativgeschwindigkeit voneinander trennt. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten der beiden Elektroden eine gegebenenfalls zum Abbrennen zumindest der einen Elektrode führende Lichtbogenbildung vermieden ist und daß bei hohen Relativgeschwindigkeiten der beiden Elektroden zueinander jegliche mechanischen Probleme, wie Reibungsprobleme, vermieden sind, so daß also insgesamt bei jeder Relativgeschwindigkeit der beiden Elektroden zueinander eine gute elektrische Verbindung zwischen diesen gewährleistet ist.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführiingsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht eine Ausführungsform einer elektrischen Antriebs- oder Generatormaschine, bei der die Vorrichtung gemäß der Erfindung angewendet ist;

F i g. 2 zeigt eine Ansicht längs der in F i g. 1 einge-

iragenen Linie 2-2;

F i g. 3 zeigt die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, das sich mit einer relativ hohen Geschwindigkeit bewegt;

Fig.4 zeigt in einem Ausschnitt das Fahrzeug gemäß F i g. 3 bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit:

F i g. 5 zeigt in einer Teilschniv.ansicht eine Elektrode, die bei dem Fahrzeug gemäß F i g. 3 und 4 verwendbar ist;

Fig. 6 zeigt eine Teilschnittansicht läng, der in F i g. 5 eingetragenen Linie 6-6;

F i g. 7 und 8 zeigen eine Modifikation der in F i g. 1 und 2 dargestellten Antriebs- oder Generatormaschine.

In F i g. I ist eine normale elektrische Antriebs- oder Generatormaschine gezeigt, die hier durch einen Gleichstrommotor 10 gebildet sein mag. Dieser Gleichstrommotor 10 enthält einen Anker 12 und zwei Feldwicklungen 14, 16. Ein eine Elektrode 18 im hier gebrauchten Sinn darstellender Kommutator oder Schleifring des Gleichstrommotors 10 ist zwischen zwei drehbaren Elektroden 20 und 22 angeordnet. Der Schleifring ist mit den Elektroden 20 und 22 in Bereichen verbunden, in denen sich gegebenenfalls ein Piasrna 24 ausbildet. Im Unterschied zu dem betrachteten Fall können die Elektroden 20, 22 auch auf parallel zur Achse des Gleichstrommotors 10 verlaufenden Achsen angeordnet sein, wie dies in F i g. 7 und 8 veranschau licht ist. Dabei können die betreffenden Elektroden, die hier mit 20' und 22' bezeichnet sind, den Gleichstrommotor 10 berühren, während dieser zu laufen beginnt. Sodann können die betreffenden Elektroden die auf Wellen 26' bzw. 28' gelagert sind, von dem Gleichstrommotor 10 weggeführt werden, so daß ein Lichtbogen entsteht, mit dessen Vorhandensein die Plasmastromführung beginnt, da die Achsen parallel verlaufen. Die betreffenden Elektroden drehen sich bei laufender Elektrode bzw. bei laufendem Kommutator bis zu dem Zeitpunkt, -u dem sie von diesem weggeführt werden und sich ein Lichtbogen ausbildet. Danach drehen sich die von dem Kommutator weggeführten Elektroden, die scheibenförmig ausgebildet sind, unter dem Einfluß von Wirbelsti omkräften weiter. Die Elektroden 20', 22' können durch ein normales Zentrifugalregelsystem (nicht gezeigt) über ein Betätigungselemente 80a, 82,; umfassendes Stellglied (F i g. 7 und 8) mit dem Anker 12 des Gleichstrommotors 10 in oder außer Kontakt gebracht werden. Im Hinblick auf die in F i g. 2 dargestellten Elekiroden 20 und 22 und im Hinblick auf die in F i g. 7 und 8 dargestellten Elektroden 20' und 22' sei noch bemerkt, daß auf diese Magnetfelder in Richtung der Pfeile 27 bzw. 27' wirksam gemacht sein können, um sie in Verbindung mit den genannten Wirbelstromkräften während des Laufs des Gleichst "ommotors 10 lu drehen.

Die Elektroden 20, 22 sind in geeigneten, elektrisch kitenden Lagern auf Weilen 26 bzw. 28 gelagert. Ein Beispiel für derartige Lager wird ir Verbindung mit F i g. 5 noch erläutert werden. Als Lager können abgedichtete Lager verwendet werden, die mit Quecksilber gefüllt sind, so daß eine elektrische Verbindung nicht nur im Bereich von Berührungspunkten zwischen den Lagern und Lagerkäfigen erfolgt, sondern auf räumlich gleichmäßigen Grundflächen. Dadurch besteht eine elektrisch leitende metallische Verbindung zwischen den sich nicht drehenden, die Elektroden 20, 22 tragen den Wellen 2h und 28 i'nd den Elekiroden 20. 22 (und damit zu dem Gleichstrommotor 10 selbst). Die für die Aufnahme der Wellen vorzusehenden Trageinrichtungen sind in F i g. 1 und 2 der Einfachheit halber nichtdargestellt. Wie in F i g. 2 lediglich angedeutet ist, kann eine steuerbare Gasatmosphäre über dem Lichtbogen benutzt werden. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, kann an e^:n stark ionisierbares Gas 30, ein elektrisch negatives Gas 32 und ein normales Kühlgas 34 abgebenden Gasquellen ein Steuerventil 36 angeschlossen sein, das, wie dies

ίο auf dem Gebiet der Fluiddynamik an sich bekannt ist, durch eine Steuereinrichtung 38 einstellbar ist Wenn der Gleichstrommotor 10 in Betrieb gesetzt ist, kann das Sieuerventil 36 durch die Steuereinrichtung 38 so eingestellt werden, daß das stark ionisierbare Gas 30 in eine Kammer 40 eintritt. Dies fördert die Ausbildung einer Plasmaentladung zwischen den Elektroden 20, 22 und der durch einen Kommutator oder durch einen Schleifring gebildeten Elektrode 18. Danach kann die Steuereinrichtung 38 das Steuerventil 36 in eine solche

ao Stellung bringen, in der das normale Kühlgas 34 in die Kammer 40 einströmt. Damit kann der Gleichstrommoior 10 in einer gesteuerten Umgebungsatmosphäre laufen. SoK der Gleichstrommotor 10 angehalten werden, und zwar ohne daß komplizierte und teure Schalter hierfür zu verwenden sind, so kann das Plasma 24, das zwischen den genannten Elektroden vorhanden ist, gelöscht werden, indem das elektrisch negative Gas 32 durch das Steuerventil 36 in die Kammer 40 eingeführt wird. Dadurch wird das Bertehen des Plasmas 24 nicht mehr unterstützt, so daß der Gleichstrommotor 10 abgeschaltet wird.

In F i g. 3 bis 6 ist an einem Ausführungsbeispiel die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug dargestellt.

Das Fahrzeug, z. B. ein Zug 50, weist einen hier durch einen Scherenstromabnehmer 52 gebildeten Stromabnehmer auf, der einen an sich bekannlen Servomechanismus 54 umfaßt. Der Scherenstromabnehmer 52 und der Servomechanismus 54 bilden ein Stellglied; der Servomechanismus 54 dient dabei dazu, den Scherenstromabnehmer 52 auf die jeweils geeignete Höhe einzustellen, wie dies z. B. beim Einfahren des Zuges 50 in einen Tunnel erforderlich ist. Ferner bewirkt der Servomechanismus 54 des Stellgliedes entsprechende Ein-Stellungen bei unterschiedlich hohen Fahrgeschwindigkeiten cits Zuges, wie dies noch erläutert werden wird. Der Servomechanismus 54 des erwähnten Stellgliedes kann durch geeignete und an sich bekannte Einrichtungen gesteuert werden, um in Abhängigkeit von einer Nachstell- und Auslösesteuereinrichtung 56 den Stromabnehmer anzuheben bzw. abzusenken. Diese Steuereinrichtung 56 enthält an sich bekannte Laufeinstellsteuereinrichtungen, die von einer Einstellabtast?inrichtung 57 her steuerbar sind. Ferner umfaßt die Steuereinrichtung 56 Einrichtungen, die eine das normale Anheben und Absenken um einen geringen Betrag übersteigende Bewegung ausführen. Der betreffende Betrag ist gleich der Länge des Plasmas, wie es im jeweiligen Anwendungsfall erwünscht ist. Die Ein-Stellabtasteinrichtung 57 kann durch einen einfachen Arm 61 gebildet sein, der durch zwei gegenüberliegende Rollen 59 an einer Fahrleitung 60 geführt wird, so daß der betreffende Arm 61 sich dreht, wenn sich der Abstand zwischen dem Scherenstromabnehmer 52 und der Fahrleitung 60 ändert. Der Arm 61 kann irgendein bekanntes Übertragungsglied, wie z. B. ein Potentiometer, betätigen. Wenn der Zug 50 sich in der Ruhestellung befindet und gerade in Betrieb gesetzt wird oder

seine Fahrt verlangsamt, um anzuhalten, kann das den Scherenstromabnehmer 52 umfassende Stellglied nach oben bewegt werden, so daß eine rotierende Elektrode 58 mit der Fahrleitung 60 in Kontakt gelangt und mehr oder weniger Strom in derselben Weise übertragen wird wie bei Verwendung eines gleitenden Stromabnehmers. Sofern erwünscht, kann zur Erzielung einer größeren stromführenden Kontaktfläche ein Hilfsschleifstück verwendet werden, welches die rotierende Elektrode 58 bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten des Zuges 50 unterstützt. Die Fahrleitung 60 kann in an sich bekannter Weise von einem Tragseil 62 getragen werden.

Im Hinblick auf die zuvor betrachtete Vorrichtung sei bemerkt, daß die rotierende Elektrode 58 in dem Fall, daß der Zug 50 mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit fährt (unter etwa 100 km/h), mit der Fahrleitung 60 in Kontakt sein kann, während in dem Fall, daß der Zug 50 eine Geschwindigkeit von etwa 100 km/h überschreitet, die Steuereinrichtung 56 bewirkt, daß der zu dem oben betrachteten Stellglied gehörende Scherenstromabnehmer 52 von seiner Normalstellung aus abgesenkt wird, und zwar um einen Betrag, der gleich der Länge des erforderlichen Plasmas 64 ist, das sich zwischen der rotierenden Elektiode 58 und der Fahrleitung 60 ausbildet und das den Strom von der Fahrleitung 60 zu der rotierenden Elektrode 58 hinleitet. Sinkt die Fahrgeschwindigkeit des Zuges 50 wieder unter einen Wert von etwa 100 km/h, so '-ann die Steuereinrichtung 56 den zu dem betrachteten Stellglied gehörenden Scherenstromabnehmer 52 wieder nach oben bewegen, so daß die rotierende Elektrode 58 wieder die Fahrleitung 60 berührt. Der bei der hergestellten elektrischen Verbindung zwischen der eine Elektrode darstellenden Fahrleitung 60 und der rotierenden Elektrode 58 fließende Strom wird von einer Stromquelle 68 geliefert, die zwischen der Fahrleitung 60 und den Schienen 66, auf denen der Zug 50 fährt, angeschlossen ist. Im Hinblick auf die Stromübertragung von der Fahrleitung 60 zu den in dem Zug 50 enthaltenen Motoren hin sei bemerkt, daß dies über den Scherenstromabnehmer 52 in an sich bekannter Weise erfolgen kann. Die Stromübertragung von der rotierenden Elektrode 58 zu dem Scherenstromabnehmer 52 hin kann über geeignete Lager erfolgen, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 5 nachstehend erläutert werden.

Gemäß F i g. 5 und 6 kann die rotierende Elektrode 58 eine Walze 70 umfassen, deren Außenteil mit Hilfe von Versteifungsanordnungen 74 auf einer Welle 72 gelagert ist Die Versteifungsanordnungen 74 sind hier auf der Welle 72 fest angeordnet, so daß sich die Welle 72 mit der Walze 70 dreht. Die Welle 72 kann von Lagerblöcken 76 aufgenommen sein, die ein Rahmen 78 trägt, der über Drehlager 86 mit dem zu dem Stellglied gehörenden Scherenstromabnehmer 52 verbunden ist. In den Lagerblöcken sind Kugellager 82 abgediente! untergebracht, die durch einen Nippel 80 mit Quecksilber ausgefüllt werden können. Der erwähnte Rahmen 78 ist mit dem Scherenstromabnehmer 52 in an sich bekannter Weise über ein zur Stromführung dienendes, elektrisch leitendes Band 84 verbunden.

An jedem Ende der Walze 70 ist eine Vielzahl von Windflügeln 88 vorgesehen. Diese Windflügel 88 bewirken, daß sich die Walze 70 als Folge der Relativbewegung zwischen der rotierenden Elektrode 58 und der Fahrleitung 60 dreht. Dies bedeutet, daß ein Stiftradcffekt ausgenutzt wird, durch den die Walze 70 bei Vorhandensein eines Plasmas 64, also bei fahrendem Zug,

'5 kontinuierlich gedreht wird. Dies führt dazu, daß jeweils eine neue kühle Metallfläche der Walze 70 in demjenigen Bereich zur Verfügung steht, in dem das Plasma 64 auf die Walze 70 unterhalb der Fahrleitung 60 auftrifft. Auf diese Weise wird die Ausbildung heißer Metallfunken vermieden und damit ein Erodieren des Metalls der Walze 70.

Im Unterschied zu den zuvor betrachteten Verhältnissen kann die Walze 70 auch mit Hilfe von Elektromotoren oder in anderer Weise angetrieben werden.

^a5 Die Länge der Walze 70 kann mehrere Dezimeter betragen, so daß beim Entlangfahren eines die Walze 70 enthaltenden Stromabnehmers eines Zuges bzw. eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs unter einer Fahrleitung 60 Abweichungen zwischen der Mittellinie des betreffenden Fahrzeugs und der Lage der Fahrleitung 60 nicht verhindern, daß die Walze 70 an der Fahrleitung 60 anliegt. Auch wenn sich das betreffende Fahrzeug auf einem Gleis vorwärts oder rückwärts bewegt, wird ein Teil der Walze 70 unmittelbar an der Fahrleitung 60 anliegen und bei niedriger Fahrgcschwindigkeil einen Kontakt mit der Fahrleitung herstellen, während bei hoher Fahrgeschwindigkeit zwischen der Fahrleitung 60 und der Walze 70 eine Plasmaströmung vorhanden ist. Die Größe und Form der rotierenden Elek· trode 58 kann im übrigen dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend angepaßt werden.

Im Hinblick auf die Walze 70 sei noch bemerkt, daC in deren Oberfläche irgendein Metall aus einer Vielzah von schwach ionisierenden Metallen enthalten seir kann; dies ist in F i g. 5 durch Punkte 90 angedeutet.

Abschließend sei noch bemerkt, daß die Erfindung vorstehend zwar im Zusammenhang mit einem elek trisch angetriebenen Fahrzeug erläutert worden ist welches den für seinen Antrieb erforderlichen Slrorr mit einem Stromabnehmer von einer Fahrleitung hei erhält, daß die Erfindung aber in gleicher Weise auch bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug anwend bar ist, das auf einem Dreischienensystem betriebet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elektroden, von denen die eine zu rotieren vermag, wobei ein Stromübergang von der einen Elektrode zu der anderen Elektrode mittels eines Plasmas herbeifiihrbar ist, gekennzeichnet durch ein Stellglied, welches die sich beruhrenden Elektroden mit steigender Relativgeschwindigkeit voneinander trennt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied aus Betätigungselementen (80a, 82a) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied einen Stromabnehmer (52) und einen Servomechanismus (54) umfaßt, der von einer Steuereinrichtung (56) steuerbar ist, welche über einen Arm (61) mit Rollen (59), die zusam- ao men mit dem Arm eine Abtasteinrichtung (57) bilden, verbunden ist und auf die durch die Abtasteinrichtung (57) festgestellte relative Stellung der Elektroden anspricht.

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