DE2116164A1

DE2116164A1 - Kollektor für eine dynamoelektrische Maschine

Info

Publication number: DE2116164A1
Application number: DE19712116164
Authority: DE
Inventors: Gerd Edward; Booser Earl Richard; Scotia N.Y. Krulls (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-04-10
Filing date: 1971-04-02
Publication date: 1971-10-28
Also published as: FR2089462A5; US3604967A

Description

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DIPL.-PHYS. F. ENDLICH so₃a unterpfaffenhofen 2. April 1971

BLUMENSTRASSE S E/Ei

PATENTANWALT

TELEFON; (MÜNCHEN! 84 36 38

TELEGRAMMADRESSE: PATENDLICH MÜNCHEN

CABLE ADDRESS: • PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: G-2794

Anmelder: General Electric Company, 159 Madison Ave., New York, N.Y. 1ΟΟ16, USA

Kollektor für eine dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für eine dynamoelektrische Maschine, mit einem stationären Kontaktglied, das in eine leitende Flüssigkeit in einem rotierenden schalenförmigen Glied eingetaucht ist*

Derartige Quecksilber-Kollektoren finden gewöhnlich in großen dynamoelektrischen Maschinen Verwendung. Bei höheren Leistungen großer dynamoelektrischer Maschinen sind gewöhnlich auch höhere Feldströme in großen Maschinen mit einem Drehfeld erforderlich. Zur Übertragung des Feldstroms auf das rotierende Glied war bisher die Verwendung von Bürsten aus Kohlenstoff gewöhnlich ausreichend. Bei sehr hohen Feldströmen sind jedoch Quecksilber-Kollektoren vorzuziehen, weil damit im Vergleich zu üblichen Bürsten höhere Stromstärken übertragen werden können.

Bei Quecksilberkollektoren, bei denen das Quecksilber relativ zu einem stationären Kontaktglied rotiert, ergeben sich zwei hauptsächliche Schwierigkeiten. Die erste Schwierigkeit bei bekannten Einrichtungen dieser Art besteht darin, daß das stationäre Element eine Erosion erfährt. Da Quecksilber eine hohe Dichte hat und weil das stationäre Element gewöhiich aus rostfreiem

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Stahl besteht, resultiert eine Erosion aus der Strömung von Quecksilber über irgendwelche Diskontinuitäten, welche in dem stationären Element vorhanden sind, wie beispielsweise Zuführöffnungen für das flüssige Metall oder Öffnungen für einen Drucknachweis. Zwar könnte die Erosion vermieden werden, indem irgendwelche Diskontinuitäten an dem stationären Element vermieden werden, aber dies ist im allgemeinen nicht nötig, weil die beiden genannten Öffnungen zur Steuerung der Arbeitsweise des Quecksilbers in dem rotierenden schalenförmigen Glied erforderlich sind. Eine andere Lösung dieses Problems würde darin bestehen, die Geschwindigkeit des Quecksilbers zu verringern, wenn dieses über die Oberfläche des stationären Kontaktglieds strömt, um den Aufprall des flüssi-™ gen Metalls auf irgendwelche Diskontinuitäten abauschwächen.

Die andere Schwierigkeit bei Quecksilber-Kollektoren besteht darin, daß gewisse Reibungsverluste auftreten, welche der dritten Potenz der Drehzahl· direkt proportional sind. Die Gleichung hierfür lautet: P = Kcö , wobei P den Leistungsverlust, K eine Konstante und Oj die Winkelgeschwindigkeit bedeuten. Bei dieser Gleichung ist ersichtlich, daß bei Verringerung der Drehzahl des schalenförmigen Glieds und damit der Winkelgeschwindigkeit des Quecksilbers, der Leistungsverlust mit der dritten Potenzabnimmt. Es ist offensichtlich wünschenswert, den Leistungsverlust so klein wie möglich zu halten, um die Temperatur möglichst niedrig zu halten und größere Stromstärken zu ermöglichen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die durch das rotierende flüssige Metall an irgendwelchen Diskontinuitäten an dem stationären Kontaktglied verursachte Erosion zu verringern, und ebenso die Reibungsverluste zu verringern, welche der dritten Potenz der Drehzahl des rotierenden schalenförmigen Glieds direkt proportional sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Kollektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein schwimmend gelagertes Glied zwischen dem Kontaktglied und dem rotierenden schalenförmigen Glied angeordnet und derart ausgebildet ist. daß dieses Glied bei höheren Drehzahlen des schalenförmigen Glieds in der rotierenden Flüssigkeit frei schwimmt, um die Geschwindigkeit der leitenden Flüssigkeit über dem Kontaktglied zu verringern.

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Vorzugsweise ist das in dem flüssigen Metall schwimmend gelagerte Glied ein Ringglied. Durch Verwendung eines derartigen Ringglieds, welches in dem flüssigen Metallschwimmt und mit der Hälfte der Drehzahl des schalenförmigen Glieds rotiert, wird die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls über der Oberfläche des Kontaktglieds im Vergleich zu der Geschwindigkeit halbiert, die in unmittelbarer Nähe des rotierenden schalenförmigen Glieds vorhanden ist. Dieses Ringglied ist dynamisch stabil und selbstzentrierend, so daß der Geschwindigkeitsgradient über der Oberfläche des Kontaktglieds im wesentlichen gleichmäßig ist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist deshalb auch darin zu sehen, daß höhere Stromstärken erzielbar sind.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kollektors gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein elektrisch leitendes rotierendes schalenförmiges Glied 1 und ein ringförmiges stationäres Glied 2 vorgesehen. Das schalenförmige Glied 1 ist mit seinem Basisteil 3 an der Welle 4 der dynamoelektrischen Maschine befestigt. Leitende Bolzen 5 verbinden den Basisteil 3 des schalenförmigen Glieds 1 mit den Feld-Lamellen 6, die sich in axialer Richtung durch den zentralen Teil der Welle 4 erstrecken. Die Bolzen 5 sind gegenüber der Welle 4 elektrisch isoliert, so daß der Feldstrom zu den Lamellen 6 geleitet wird.

Entlang dem -Umfang des stationären Glieds 2 ist der ringförmige Kontakt 7 mit einem Stützglied 8 befestigt. Der Kontakt 7 ist so entlang dem ringförmigen stationären Glied 2 angeordnet, daß er axial innerhalb des Bereichs 9 liegt, der mit flüssigem Metall ausgefüllt ist. Während des Betriebs ist das flüssige Metall in dem Bereich 9 enthalten und durch die Seitenwände 10, 11 begrenzt, die sich radial nach innen von dem schalenförmigen Glied 1 erstrecken.

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Der Feldstrom fließt durch das stationäre- Glied 2 in das Stützglied 8, durch den Kontakt 7, durch das flüssige Metall in dem Bereich 9 in das schalenförmige Glied 1 und dann durch die ' Bolzen 5 zu den Feld-Lamellen 6.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das schwimmend gelagerte Glied ein sich in axialer Richtung erstreckender Ring 12, der sich in dem Bereich 9 befindet, der durch das flüssige Metall ausgefüllt ist, und diesen in einen äußeren Teilbereich und einen inneren Teilbereich 14 unterteilt; Der schwimmend gelagerte Ring 12 ist dynamisch stabil und selbstzentrierend, weil er bei hinreichender Drehzahl des schalenförmigen Glieds 1 selbständig in die geeignete Lage gelangt und etwa mit der halben ψ Drehzahl des schalenförmigen Glieds 1 rotiert. Beispielsweise bei einer Maschine mit 3.600 Umdrehungen pro Minute rotiert der Ring mit etwa 1.800 Umdrehungen pro Minute. Deshalb rotiert der äußere Teilbereich 13 des flüssigen Metalls mit einer Drehzahl, die zwischen der Drehzahl des schalenförmigen Glieds 1 und der Drehzahl des Rings 12 liegt, während der innere Teilbereich 14 aus flüssigem Metall mit etwa der Hälfte der Drehzahl des äußeren Bereichs 13 rotiert. Dies ist der Fall, weil die auf die Oberfläche des Rings 12 wirkende Reibungskraft der Reibungskraft entgegengesetzt gerichtet ist, die auf der Unterseite des Rings verzögernd angreift.

Daraus ist ersichtlich, daß der innere Teilbereich 14 des flüssigen Metalls, der über die Oberfläche des Kontakts 7 fließt, sich beträchtlich langsamer bewegt, als dies der Fall wäre, wenn in dem mit dem flüssigen Metall ausgefüllten Bereich der Ring 12 nicht vorhanden ware. Durch diesen schwimmend gelagerten Ring wird deshalb die Erosion beträchtlich verringert. Wenn der Feldstrom den Kontakt 7 verläßt, fließt er um den schwimmend gelagerten Ring 12, wodurch ein zusätzliches Spannungsgefälle und dadurch bedingte elektrische Verluste vermieden werden, obwohl dies kein notwendiges Merkmal der Erfindung ist, weil der Ring 12 entweder aus einem Leiter oder einem Nichtleiter bestehen kann.

Weil der innere Teilbereich 14 des flüssigen Metalls mit etwa der halben Geschwindigkeit strömt, verglichen mit der Geschwindigkeit ohne den schwimmend gelagerten Ring, werden die Leistungs-

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verluste in der folgenden Weise verringert. Wenn sich der Ring 12 in der dargestellten Lage befindet, lautet die Beziehung für

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den Leistungsverlust: P = 2K (1/2 to) = 1/4Ku) , wobei K eine Systemkonstante, u)die Winkelgeschwindigkeit des schalenförmigen Glieds und P der Energieverlust ist. Daraus geht hervor, daß ohne den schwimmend gelagerten Ring ein Leistungsverlust von KtO vorhanden ist, welcher theoretisch vier Mal größer ist als bei einem Kollektor, bei welchem ein einzelner schwimmend gelagerter Ring Verwendung findet.

Gemäß der Erfindung können jedoch auch mehrere schwimmend gelagerte Ringe vorgesehen werden. Durch Verwendung weiterer in radialer Richtung getrennter schwimmend gelagerter Ringe, beispielsweise wenn zwei Ringe so angeordnet werden, daß sie rotieren und die relative Geschwindigkeit des flüssigen Metalls über der Oberfläche des Kontakts 7 verringern, entspricht die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls dem vierten Teil der Drehzahl des schalenförmigen Glieds. Der Energieverlust würde entsprechend verringert, ebenso die Erosion des Kontakts auf Grund der zusätzlichen Verringerung der Geschwindigkeit. Auch in diesem Falle sind die beiden Ringe dynamisch stabil und selbstzentrierend. Sie können so angeordnet werden, daß auch der Feldstrom um die Ringe durch das rotierende 'flüssige Metall zu dem rotierenden schalenförmigen Glied 1 fließt.

Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einem einzigen schwimmend gelagerten Ring 15, welcher einen gewölbten Querschnitt hat. Die Wirkungsweise entspricht derjenigen, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 erläutert wurde, abgesehen von der gewölbten Ausbildung des Rings 15. Der Ring 15 hat einen Querschnitt, welcher etwa dem Umriß des Kontakts 7 entspricht, wodurch die Selbstzentrierung des Rings 15 begünstigt wird, wenn das schalenförmige Glied auf die Betriebsdrehzahl gebracht wird. Wenn der Kollektor sich im Ruhezustand befindet, liegt der gewölbte Ring 15 auf dem Umfang des Kontaktrings 7 auf, wodurch der gewölbte Ring beim Anlaufen in eine geeignete Lage gebracht wird.

Daraus ist ersichtlich, daß ein Kollektor mit flüssigem Me tall angegeben wurde, der Erosionseffekte und LeistungsVerluste

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verringert. Die verbesserten Eigenschaften ergeben sich durch einen schwimmend gelagerten Ring, welcher die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Metalls über der Oberfläche des Kontaktrings verringert.

Patentansprüche

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Claims

-7-Patentansprüche

1.!Kollektor für eine dynamoelektrische Maschine, mit einem stationären Kontaktring, der in eine leitende Flüssigkeit wie Quecksilber eintaucht, die in einem rotierenden schalenförmigen Glied enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein schwimmend gelagertes Ringglied (12; 15) zwischen dem Kontaktring und dem schalenförmigen Glied angeordnet und so ausgebildet ist, daß das Ringglied bei der Betriebsdrehzahl des schalenförmigen Glieds frei in der leitenden Flüssigkeit schwimmt und die Geschwindigkeit der leitenden Fläche über der Oberfläche des Kontaktrings (7) verringert ist.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein schwimmend gelagertes Ringglied (15) einen gewölbten Querschnitt hat, so daß dessen Unterseite entsprechend dem Umriß der gegenüberliegenden Oberfläche des Kontaktrings (7) ausgebildet ist.

3. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwimmend gelagerte Ring so ausgebildet ist, daß der Leitungsweg durch die leitende Flüssigkeit um den Ring nicht unterbrochen ist.

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