DE19642963A1 - Schleifende Kontaktanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine schleifende Kon­ taktanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Kontaktanordnungen mit mechanischen, gegeneinander beweglichen Schleifkontakten, kann durch Abbrand die Lebensdauer wesentlich reduziert werden. Abbrand tritt bereits bei minimalen Kontaktunterbrechungen auf. Ist eine Kontaktunterbrechung im Entstehen, so verringert sich die wirksame Querschnittsfläche des Kontaktpunk­ tes. Dies führt neben einer Erhöhung des Kontaktüber­ gangswiderstandes zu einer Erhöhung der Stromdichte. Somit entsteht auf einer immer kleiner werdenden Kon­ taktfläche eine steigende Verlustleistung. Unter be­ stimmten Bedingungen kann sich an dieser Stelle nun ein Lichtbogen ausbilden. Ein solcher Lichtbogen kann zur verstärkten Korrosion der Kontaktoberfläche oder auch zu einer Materialabtragung führen. Auch wenn der Korro­ sions- oder Materialabtragungseffekt einer einzelnen lokalen Oberhitzung oder eines einzelnen Lichtbogens nur gering ist, so kann doch eine Vielzahl solcher Ereignisse, wie sie im laufenden Betrieb auftreten, zu einer wesentlichen Verringerung des Kontaktmaterials und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer der gesamten Kontaktanordnung führen.

Es sind Anordnungen bekannt, bei denen Schleifringe, insbesondere aber auch die Kollektoren von Elektromoto­ ren, mit Kapazitäten zur Funkentstörung beschaltet sind. Diese besitzen in der Regel niedrige Werte von einigen 100 pF bis nF und dienen lediglich dazu, bei Schleifringen mit Unterbrechungen, in dem Moment, in dem die Kohle die Unterbrechung überfährt, die hoch­ frequenten Anteile der Schaltflanke zu reduzieren.

Das Prinzip einer solchen Anordnung zur Funkentstörung ist in Fig. 2 dargestellt:
Eine Rotorwicklung 11 wird über einen Schleifring oder Kollektor 12 aus einer Stromversorgungseinheit, bei­ spielsweise dem Netz 13 mit Strom versorgt. Zur Funk­ entstörung ist netzseitig eine kleine Kapazität 14 parallel geschaltet.

Das Ersatzschaltbild dieser Anordnung zeigt Fig. 3. Die Impedanz der Rotorwicklung läßt sich durch einen ohm­ schen Anteil 21 und einen induktiven Anteil 22 darstel­ len. Die Speisung erfolgt über den als Schleifkontakt ausgeführten Kollektor, bestehend aus einem ersten Schleifkontakt 23 und einem zweiten Schleifkontakt 24. Das Netz läßt sich durch eine Spannungsquelle 28 mit ohmschem Innenwiderstand 27 und einer induktiven Kompo­ nente 26 darstellen. Parallel zum Netz befindet sich der Entstörkondensator 25, der dem Kondensator 14 in Fig. 2 entspricht. Im Falle einer Kontaktunterbrechung wird auf der netzseitigen Seite der Kontakte die Span­ nung aufgrund der Kapazität des Entstörkondensators 25 nur langsamer ansteigen, während auf der Seite der Rotorwicklung die Wicklungsinduktivität, durch die im Magnetfeld gespeicherte Energie, einen schnellen Span­ nungsanstieg in den Schleifkontakten 23 und (24 verur­ sacht. Die Spannung kann hier schnell derart hohe Werte annehmen, daß es zur Ausbildung eines Lichtbogens kommt. Solche Lichtbogen sind auch regelmäßig als soge­ nanntes Bürstenfeuer beim Betrieb dieser Motoren zu beobachten.

Der beim Stand der Technik vorgesehene Entstörkondensa­ tor kann keinesfalls die Ausbildung der Lichtbogen verhindern. Er dämpft nur die hochfrequenten Spektral­ anteile der in das Netz abgegebenen Störungen.

Derartige dem Stand der Technik entsprechende Anord­ nungen zur Funkentstörung verringern damit zwar den Anteil der abgegebenen hochfrequenten Energie, sie haben aber keinerlei Einfluß auf die Ausbildung des Lichtbogens selbst und damit auch auf den Materialab­ trag und den Verschleiß der Kontaktanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontakt­ anordnung mit wenigstens zwei gegeneinander bzw. rela­ tiv zueinander beweglichen mechanischen Kontakten zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie der­ art weiterzubilden, daß sich die Lebensdauer von schleifenden Kontakten wesentlich verlängern läßt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Er­ findung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die im Falle einer Kontaktunterbrechung auftretenden lokalen Überhitzungen bzw. Lichtbogen zu reduzieren oder zu­ mindest die in diesen freigesetzte Energie zu minimie­ ren.

Erfindungsgemäß wird deshalb der bewegliche und/oder feststehende Teil der Kontaktanordnung mit einem Filter beschaltet. Dieses Filter ist so bemessen, daß es die durch die Kontaktanordnung und ihre Verkabelung vorge­ gebenen parasitären Induktivitäten zumindest in dem Frequenzband, in dem bevorzugt Kontaktunterbrechungen bzw. Kontaktrauschen auftritt, in Impedanzen mit einem kleineren Imaginärteil transformiert.

Die Erfindung läßt sich grundsätzlich bei allen Arten von beweglichen mechanischen Kontakten anwenden:
Die Kontakte können beispielsweise lineare Schleifbah­ nen, runde Schleifringe oder auch Kollektoren sein. Dabei ist es nebensächlich, ob der elektrische Kontakt auf direktem oder auf indirektem Wege, z. B. über ein weiteres Medium, zustande kommt. Ebenso eingeschlossen sind alle anderen zur Kontaktierung verwendeten Vor­ richtungen, wie z. B. Kugellager.

Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß die Kontakt­ unterbrechungen bei Schleifkontakten meist nur einige ps bis maximal ms andauern. Diese Unterbrechungszeiten sind - bezogen auf die Bandbreiten der üblicherweise übertragenen Signale (Gleichstrom, 50 Hz) - von relativ kurzer Dauer. Damit liegen die spektralen Anteile der Kontaktunterbrechungen in der Regel in einem Frequenz­ band oberhalb der zu übertragenden Signale. Weiterhin treten die lokalen Oberhitzungen an den Kontaktstellen nur dann auf, wenn trotz des erhöhten Übergangswider­ standes der Kontaktstelle der Stromfluß aufrecht erhal­ ten bleibt.

Ein Lichtbogen kann sich nur dann ausbilden, wenn die zum Zünden des Lichtbogens erforderliche Spannung (ca. 60 V) zumindest kurzzeitig an der Stelle der Kontakt­ unterbrechung auftritt. Danach genügt zur Aufrechter­ haltung des Lichtbogens eine wesentlich niedrigere Brennspannung.

Befindet sich ein solcher mechanischer Schleifkontakt nun in einer Schaltung, deren Charakteristik einer Stromquelle entspricht, so wird auch bei zunehmendem Obergangswiderstand der Stromfluß aufrecht erhalten. Entspricht die Beschaltung eher einer Spannungsquelle, so verringert sich mit zunehmendem Übergangswiderstand der Strom und damit auch die Verlustleistung. Besitzt diese Schaltung induktive Charakteristik, so wird auch über die Kontaktunterbrechung hinweg durch die im mag­ netischen Feld gespeicherte Energie der Stromfluß kon­ stant gehalten. An der Induktivität kann sich so eine nahezu beliebig hohe Spannung aufbauen. Diese führt dann zum Oberschlag und zur Ausbildung eines Licht­ bogens. Erfindungsgemäß wird die Kontaktanordnung mit Impedanzen derart beschaltet, daß während kurzer Kon­ taktunterbrechungen keine hohen Spannungsdifferenzen an der Kontaktanordnung auftreten können. Die Gestaltung und Dimensionierung des Filters zur Transformation der Impedanzen, kann mit dem Stand der Technik entsprechen­ den Methoden und Werkzeugen vorgenommen werden.

Grundsätzlich bringt bereits jede Verringerung der in den Lichtbogen eingebrachten Energie eine Erhöhung der Lebensdauer der Kontaktanordnung. Somit ist bereits eine Transformation, die den positiven Imaginärteil der Impedanz auf kleinere positive Werte verringert - also zu einer geringeren Induktivität mit weniger ge­ speicherter Energie führt - von Vorteil.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läßt sich mit kapazitivem Verhalten des Fil­ ters - mit einem negativen Imaginärteil der Impedanz - eine deutliche Verbesserung erreichen. Hier verringern die Kapazitäten zu beiden Seiten der Kontaktanordnung die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs. Fig. 4 ver­ deutlicht diesen Zusammenhang. Die zweite Kapazität (29) dient während einer kurzfristigen Kontaktunterbre­ chung der Schleifkontakte (23) und (24) als Spannungs­ quelle für die Last, bestehend aus der Induktivität (22) und dem Widerstand (21). Die erste Kapazität (25) wird über den Widerstand (27) und die Induktivität (26) von der Spannungsquelle (28) langsam aufgeladen. Da­ durch ergibt sich im Laufe der Zeit eine Spannungsdif­ ferenz zwischen der Spannung des ersten Kondensators (25) und des zweiten Kondensators (29). Die Dimensio­ nierung dieser Kapazitäten kann nun so erfolgen, daß die während der maximalen Dauer einer Kontaktunterbre­ chung auftretende Spannungsdifferenz kleiner als die Lichtbogenzündspannung ist. Damit kann sich kein Licht­ bogen mehr ausbilden. Das Prinzip der Erfindung wurde hier anhand eines besonders einfachen Beispiels veran­ schaulicht.

Wie aus dieser Erklärung leicht zu erkennen ist, muß eine Beschaltung nur an denjenigen Seiten der Kontakt­ anordnung vorgenommen werden, an denen auch Induktivi­ täten bzw. induktive Lasten vorhanden sind. Ist eine schleifende Kontaktanordnung mit einer überwiegend kapazitiven Last beschattet, so muß lediglich auf der Quellenseite zur Kompensation der Zuleitungsinduktivi­ täten ein Filter vorgesehen werden. An der kapazitiven Last kann sich, auch während kurzzeitiger Kontaktunter­ brechungen, die Spannung nicht wesentlich erhöhen, so daß es zur Ausbildung eines Lichtbogens kommen kann. Ein Filter muß also nur in den Fällen eingesetzt wer­ den, in denen sich die Spannung über den Schleifkontakt während Kontaktunterbrechungen so erhöhen kann, daß ein Lichtbogen gezündet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, durch die Transformation der Filter den Betrag des positiven Imaginärteils der Impedanz zu verringern. Damit verringert sich auch die in Induktivitäten ge­ speicherte Energie, die im Falle einer Unterbrechung an den Kontakt abgegeben werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfin­ dung werden die Filter durch Kapazitäten, welche paral­ lel zur Quelle und Senke geschaltet sind, realisiert. Die Funktionsweise wurde in einem vorhergehenden Absatz als Erläuterung zu Fig. 4 bereits beschrieben.

Im allgemeinen Fall sollte die Dimensionierung des Filters aber aus einer spektralen Betrachtung heraus erfolgen. Fig. 5 zeigt die Vorgehensweise im allgemei­ nen Fall. Die Kurve (30) zeigt die typische Verteilung der Kontaktunterbrechungen einer schleifenden Kontakt­ anordnung, aufgetragen über der Frequenz. Die An­ passungsfilter sollten nun so dimensioniert werden, daß einerseits in dem gewünschten Frequenzbereich - der in der Regel unter dem Frequenzbereich der Kontaktunter­ brechung liegt - eine optimale Signalübertragung ge­ währleistet ist und gleichzeitig im Frequenzbereich der Kontaktunterbrechungen die Impedanz an der Kontaktan­ ordnung kapazitives Verhalten aufweist. Einen typischen Impedanzverlauf zeigt hier die Kurve (31).

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführung­ sbeispielen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung exem­ plarisch beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße schleifende Kontakt­ anordnung mit Filtern,

Fig. 2 eine bekannte schleifende Kontaktanordnung mit Entstörkondensatoren,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 2 gezeigten schleifenden Kontaktanordnung mit Entstörkon­ densator,

Fig. 4 ein beispielhafte Ausführung der schleifenden Kontaktanordnung mit Filtern, und

Fig. 5 die Frequenzverteilung einer typischen Kontakt­ unterbrechung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, in der eine Quelle 1 Signale und/oder Energie mittels einer schleifenden Kontaktanordnung 4 an eine Senke 7 über­ trägt. Die unidirektionale Signalübertragung, bestehend aus Quelle und Senke, soll in diesem Beispiel nur zur vereinfachten Darstellung dienen. Selbstverständlich ist die Erfindung auch bei einer bidirektionalen Sig­ nalübertragung anwendbar, bei der Signale und/oder Energie in beide Richtungen übertragen werden können.

Wie bei jeder technisch realisierten Anordnung, sind im Signalpfad auch parasitäre Elemente vorhanden:
Dies sind insbesondere Induktivitäten der Zuleitungen. Die parasitären Elemente werden im Ersatzschaltbild jeweils zu einer ersten parasitären Impedanz 2, die der Quelle folgt sowie einer zweiten parasitären Impedanz 6, die vor die Senke geschaltet ist, zusammengefaßt.

Um erfindungsgemäß eine optimale Impedanz für die Kon­ taktanordnung zur Verfügung zu stellen, sind jeweils zwischen die erste parasitäre Impedanz und die Kontakt­ anordnung ein erstes Filter 3 sowie zwischen der Kon­ taktanordnung und der zweiten parasitären Impedanz ein zweites Filter 5 geschaltet.

Fig. 2 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Anordnung zur Funkentstörung von Schleifkontakten oder auch Kollektoren, wie sie insbesondere bei Universal­ motoren eingesetzt werden. Die Rotorwicklung 11 ist mittels eines Schleifkontakts oder Kollektors 12 mit der Netzspannung 13 verbunden. Ein zusätzlicher kleiner Entstörkondensator 14 zwischen Netz und Kollektor ver­ ringert den Anteil hochfrequenter Störsignale. Er kann aber nicht die Entstehung von materialabtragenden Lichtbogen am Kollektor verhindern.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer üblichen Schleifkontaktanordnung. Die Last, bestehend aus einer resistiven Komponente 21 sowie einer induktiven Kompo­ nente 22, wird gespeist aus einer Quelle 28 mit einem Innenwiderstand 27 sowie einer induktiven Komponente 26. Die elektrische Verbindung zwischen Last und Quelle erfolgt mittels der beiden Schleifkontakte 23 und 24. Die hier dargestellte Ersatzschaltung aus resistiven und induktiven Anteilen entspricht den meisten Schal­ tungsanordnungen mit Verkabelungen (Leitungsinduktivi­ täten) sowie Elektromotoren.

Tritt nun eine kurzfristige Kontaktunterbrechung bei einem der beiden Schleifkontakte 23 oder 24 auf, so verhindert die in der Induktivität 22 gespeicherte magnetische Energie eine abrupte Änderung des Strom­ flusses. Damit entsteht eine hohe Spannung, die ohne weiteres auch zur Ausbildung eines Lichtbogens über den Schleifkontakt ausreicht. Die Entstehung eines solchen Lichtbogens kann durch den Entstörkondensator 25 nicht verhindert werden, da er sich auf der falschen Seite der Kontaktanordnung befindet. Außerdem ist in der Regel die Kapazität dieses Kondensators nur zur Unter­ drückung hochfrequenter Störsignale ausgelegt und daher zu gering bemessen, um die Energie der induktiven Kom­ ponente der Quelle 26 aufzunehmen. Daher kann sich auch an dieser Induktivität eine hohe Spannung ausbilden.

Fig. 4 zeigt an einem besonders einfachen Ausführungs­ beispiel eine erfindungsgemäße Anordnung. Erfindungs­ gemäß wird zusätzlich zu der aus Fig. 3 bekannten An­ ordnung die erste Kapazität 25 so erhöht, daß sie zu­ mindest kurzfristig die Energie der ersten induktiven Komponente der Quelle 26 aufnehmen kann; weiterhin wird eine zweite Kapazität 29 auf der Lastseite der Kontakt­ anordnung so angebracht, daß auch diese in der Lage ist, während der Dauer einer Kontaktunterbrechung, den Strom aus der Induktivität 22 aufzunehmen. Dadurch, daß beide Kapazitäten in der Lage sind die Ströme aus den Induktivitäten aufzunehmen, ergibt sich an diesen nur eine geringfügige Spannungsänderung. Sind die Kapazitä­ ten ausreichend groß dimensioniert, so kann die Span­ nungsänderung so klein gehalten werden, daß es nicht zur Ausbildung eines Lichtbogens an den Kontakten 23 und 24 kommen kann.

Fig. 5 zeigt nun schematisch die Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Kurve 30 zeigt, über die Frequenz aufgetragen, die Wahrscheinlichkeitsdichte von Kontaktunterbrechungen. Der bevorzugt zur Signal­ übertragung verwendete Frequenzbereich sollte weit unterhalb dieses Frequenzbereiches liegen. Entsprechend der Erfindung sind die Filter zur Transformation der Impedanz nun so zu dimensionieren, daß sie im Frequenz­ bereich der Signalübertragung eine minimale Durchgangs­ dämpfung gewährleisten und gleichzeitig im Frequenzbe­ reich der höchsten Wahrscheinlichkeit von Kontaktunter­ brechungen, eine möglichst niedrige kapazitive Impedanz (Impedanz mit negativem Imaginärteil) darstellen. Ein möglicher Impedanzverlauf (Imaginärteil) ist in der Kurve (31) dargestellt.

Claims (6)

1. Kontaktanordnung mit wenigstens zwei gegeneinander bzw. relativ zueinander beweglichen mechanischen Kon­ takten zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Filter vor­ gesehen ist, das mit einem Kontakt derart verbunden ist, daß es die durch die Kontaktanordnung und ihre Verkabelung vorgegebenen parasitären Induktivitäten zumindest in dem Frequenzband, in dem bevorzugt Kon­ taktunterbrechungen bzw. Kontaktrauschen auftritt, in Impedanzen mit einem kleineren Imaginärteil als ohne Filter transformiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit dem bewegli­ chen oder mit dem feststehenden Teil der Kontaktanord­ nung verschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Kontakten der Kon­ taktanordnung ein Filter zugeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation durch das oder die Filter im bevorzugten Frequenzbereich der Kontaktunterbrechungen zu Impedanzen mit negativen Imaginärteilen hin erfolgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation durch die Filter im bevorzugten Frequenzbereich der Kontakt­ unterbrechungen zu Impedanzen mit kleinen Beträgen hin erfolgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation durch Parallelschaltung von Kapazitäten an beiden Seiten der Kontaktanordnung erfolgt.