DE2341500A1

DE2341500A1 - Elektrische kontaktanordnung mit einer kontaktfluessigkeit

Info

Publication number: DE2341500A1
Application number: DE19732341500
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Henninger; Dieter Dipl Ing Kullmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1975-03-13
Also published as: CH573669A5; JPS5049603A; SE7410188L; US3984715A; FR2241151A1; DE2341500B2; DE2341500C3; FR2241151B1; GB1475877A

Description

SIEUEiTS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den H.8.1973 Berlin und München. Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen:

VPA 73/7592 Slm/Koe

Elektrische Kontaktanordnung mit einer Kontaktflüssigkeit

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktanordnung mit konzentrisch zu einer horizontalen Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere .mit einem Läufer und einem Ständer einer Unipolarmaschine, die einen ringförmigen Luftspalt bilden, der eine Kontaktflüssigkeit enthält.

Starke Ströme auf schnell rotierende Maschinenteile zu übertragen oder von ihnen abzuführen, setzt geeignete Hochstromkontakte für hohe Kontaktgeschwindigkeiten voraus. Solche Hochstromkontakte werden beispielsweise für Hochleistungsturbogeneratoren, insbesondere auch für Unipolarmaschinen, benötigt. Die Verwendung von Kohlebürstenschleifkontakten für Unipolarmascünen ist aber mit Schwierigkeiten verbunden, weil diese Kontakte eine verhältnismäßig geringe Strombelastbarkeit von beispielsweise nur etwa 50 A/cm haben. Bei hohen Strömen ist somit für die Bürsten und deren Halterungen ein großer Platzbedarf erforderlich.

Günstigere Verhältnisse liegen bei !Flüssigkeitskontakten vor, d.h. bei elektrischen Kontakten, die aus metallischen Kontaktgliedern und dazwischengeschalteter, gut leitender Kontaktflüssigkeit bestehen. Wegen der verhältnismäßig großen wirklichen Berührungsflächen von im allgemeinen zylindrischen Kontaktgliedern mit der Kontaktflüssigkeit, die schon bei geringen Kontaktspannungen eine gute Stromleitung und damit geringe elektrische Verluste bewirken, können auch bei hohen Kontaktgeschwindigkeiten größere Stromstärken als mit den'

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"bekannten G-leitkontakten übertragen werden. Derm, bei den bekannten Bürsten- oder Rollenkontakten treten aufgrund ihrer lokal begrenzten Kontaktzonen Stromkonzentrationen auf, die hohe ohmsche Verluste erzeugen und zusätzlich noch mit Feldverzerrungen verbunden sind und deshalb im allgemeinen zu höheren elektrischen Verlusten als bei einer gleichmäßigen, mittels !Flüssigkeitskontakten zu erreichenden Stromverteilung führen.

Nach einem früheren Vorschlag (Patentanmeldung P ,

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Höhe des Flüssigkeitsringes von 2 cm etwa 8,5 atm betragen kann. Die Flüssigkeit versucht deshalb in immer stärkerem Maße nach den Seiten hin abzufließen, d.h. der Gegendruck der seitlichen Gasdichtungen muß dann mittels einer weiteren verhältnismäßig komplizierten Steuereinrichtung entsprechend zunehmen. Die Folge ist eine Vermischung des Gases mit der Kontaktflüssigkeit und eine entsprechend verminderte Leitfähigkeit des Flüssigkeitspolsters in dem Luftspalt. Ferner sind Separatoren zur Trennung von Flüssigkeit und Gas notwendig.

Aufgabe der Erfinjiung ist es, die vorgeschlagene elektrische Kontaktanordnung mit Flüssigkeitskontakten zu verbessern, insbesondere die Fixierung der Flüssigkeit im Kontaktbereich zu vereinfachen. Diese Aufgabe' wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktflüssigkeit ferromagnetisch und in einem Hagnetfeld angeordnet ist, das in dem Luftspalt wenigstens annähernd radial bezüglich der Rotationsachse gerichtet ist. Die Vorteile dieser Ausbildung der Erfindung bestehen darin, daß Verluste an Kontaktflüssigkeit sowohl bei ruhendem als auch bei rotierendem Läufer der eingangs genannten Maschinen weitgehend vermieden v/erden. Der bei einer Rotation durch die ferromagnetische Flüssigkeit fließende Strom bewirkt ein zusätzliches Zusammenziehen der Flüssigkeit, womit einem seitlichen Abfließen infolge der dann auftretenden zentrifugalen Kräfte entgegengewirkt wird. Eine solche Kontaktanordnung ist somit weitgehend selbststabilisierend bezüglich der Fixierung der Kontaktflüssigkeit im Kontaktbereich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht die ferromagnetische Flüssigkeit aus einer nichtmagnetischen Metallflüssigkeit, die ferromagnetische Partikel in wenigstens annähernd homogener Verteilung enthält. .

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Darüber hinaus ist das spezifische Gewicht dieser ferromagnetischen Partikel vorzugsweise wenigstens annähernd gleich dem der nichtmagnetischen Metallflüasigkeit. Bei hohen Umdrehungszahlen und einer entsprechend großen Zentrifugalkraft auf die Kontaktflüssigkeit wird eine Abscheidung der ferromagnetischen Partikel aus der nichtmagnetischen Metallflüssigkeit vermieden, und die Kontaktflüssigkeit wird an einem Abfließen aus dem Kontaktbereich gehindert, weil die fixierenden Kräfte erhalten bleiben.

Diese Fixierung der Kontaktflüssigkeit läßt sich, gemäß weiterer Ausbildung der Kontaktanordnung so vornehmen, daß für das die ferromagnetische Flüssigkeit durchsetzende Magnetfeld ein Elektromagnet vorgesehen ist, dessen Spulen im Ständer der Maschine eingebettet und etwa ringförmig um die äußere Mantelfläche des Läufers der Maschine angeordnet sind. So kann vorteilhaft eine zur Mitte des Luftspaltes wirkende Kraft wenigstens auf die Randzonen der Kontaktflüssigkeit wirksam sein, die mit Hilfe des Magnetfeldes steuerbar ist. Die Stärke des Magnetfeldes kann dann so eingestellt werden, daß eine der Umlaufgeschwindigkeit des rotierenden Läufers angepaßte Einschlußkraft an der ferromagnetischen Flüssigkeit angreift. Das mit wachsender Drehzahl zunehmende Bestreben der Flüssigkeit, seitlich abzufließen, läßt sich durch entsprechende Erhöhung des Stromes durch die Spulen der Magnetanordnung kompensieren.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Unipolarmaschine mit einer Kontaktanordnung gemäß der Erfindung und die
Figuren 2 und 3 schematisch im Querschnitt zwei weitere Aus-

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bildungsmöglichkeiten der Polschuhe einer Magnetanordnung in einer Kontaktanordnung gemäß der Erfindung.

In Pig. 1 ist die obere Hälfte eines um eine horizontale Achse A rotierenden Teiles dargestellt, der beispielsweise ein mit 2 bezeichneter Läufer einer Maschine, vorzugsweise einer Unipolarmaschine, sein kann. Die äußere horizontale Mantelfläche 3 des zylinderförmig ausgebildeten Läufers 2 ist von einer hohlzylinderförmigen Magne.tanordnung 4 konzen-' trisch derart umschlossen, daß ein ringförmiger Luftspalt 5 zwischen den dem' Läufer 2 zugewandten inneren Flächen 6 der Magnetanordnung 4 und der äußeren Mantelfläche 3 des Läufers 2 gebildet wird.

Die Magnetanordnung 4 enthält vier ringförmige, in parallelen vertikalen Ebenen in Achsrichtung hintereinanderliegende Spulen 10 bis 13 mit in Achsrichtung jeweils ab- · wechselnd entgegengesetzter Stromrichtung. Die Spulen 10 bis 13 sind über einen U-förmigen, sich zur äußeren Mantelfläche 3 des rotierenden Läufers 2 hin öffnenden Profilkörpers 15 aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Eisen, magnetisch gekoppelt und mechanisch verbunden. Die vertikalen Seitenteile 16 und 17 dieses Profilkörpers 15 sind jeweils mit zwei Spulen 10 und 11 bzw. 12 und 13 versehen.

Das in der Figur gestrichelt angedeutete und mit 20 bezeichnete Magnetfeld schließt sich über den Luftspalt 5 und den Läufer 2, dessen zumindest äußerer Teil 18 ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen besteht. Dieses Feld durchsetzt' auch eine in den Luftspalt eingebrachte elektrisch leitende, ferromagnetische Kontaktflüssigkeit F. Diese Kontaktflüssigkeit F dient als Kontakt zwischen dem rotierenden Läufer 2 und den ihn umschließenden feststehenden Maschinenteilen zur Übertragung eines Stromes I. In der Figur ist der in radialer Richtung nach außen

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abfließende Strom I durch vertikale parallele Pfeile veranschaulicht.

Bei ruhendem läufer 2 kann die Kontaktflüssigkeit P von dem mittels der Spulen 10 bis 13 erzeugten Magnetfeld in einer stabilen lage im Kontaktbereioh innerhalb des Luftspaltes 5 gehalten werden. Neben dieser Einschließungskraft bei ruhendem Läufer 2 entstehen durch das radial gerichtete Magnetfeld bei rotierendem Läufer zusätzliche Kräfte auf die Kontaktflüssigkeit P, die aufgrund _:Ύοη Reibungskräften von der äußeren Mantelfläche 3 des Läufers 2 mitgerissen wird und deshalb ebenfalls mit'diesem mitrotiert. Diese auf die mitrotierenden Ladungsträger der Kontaktflüssigkeit P einwirkenden Kräfte sind je nach Laufrichtung des Läufers 2 bei konstanter Magnetfeldrichtung axial nach innen oder außen gerichtet. Deshalb kann vorteilhaft das von den Spulen 10 bis 13 erzeugte Magnetfeld so gepolt werden, daß stets auf die mitrotierende Kontaktflüssigkeit P zusätzliche einschließende Kräfte einwirken, die in der Pigur durch zwei entgegengerichtete, an den seitlichen Außenflächen der Kontaktflüssigkeit P horizontal auf die Mitte des Luftspaltes 5 weisende Pfeile 21 und 22 veranschaulicht sind. Eine solche Umpolung des Magnetfeldes ist.ferner bei wechselnder Drehrichtung des Läufers 2 erforderlich.

Diese seitlichen Einschlußkräfte können demnach ein Abfließen der Kontaktflüssigkeit P nach außen bei entsprechend gewählter Beziehung von Magnetfeldpolung und Umlaufrichtung des Läufers 2 verhindern. Sie sind um so stärker, je höher der Pluß längs der Linie 20 ist. Dies kann vorzugsweise bei hohen Drehzahlen des"Läufers 2 ausgenützt werden. Dann wirken besonders auf die achefernen, äußeren Teile des Läufers 2 große zentrifugale Kräfte ein, die zu einer leichten Ausdehnung des Läufers 2 und somit zu einer Verengung des Luftspaltes 5 führen können.

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Dadurch steigt der Druck in der mitgerissenen Kontaktflüssigkeit F an, und sie versucht in erhöhtem Maße, sich nach den Seiten hin auszudehnen und dort abzufließen. Dies kann durch die Einwirkung der Kräfte in Richtung der Pfeile 21 und 22 verhindert werden. Das System aus mitrotierender, ferromagnetischer Kontaktflüssigkeit- F, Läufer 2 und Magnetanordnung 4 ist somit weitgehend selbststabilisierend. Darüber hinaus kann die Erregung der Spulen 10 bis 13, insbesondere der Spulen 10 und 13» vorzugsweise so gesteuert werden, daß die einschließenden Kräfte stets größer als die erwähnten seitlich nach außen wirkenden Kräfte sind. Insbesondere bei hohen Drehzahlen des Läufers 2 kann dies vorteilhaft durch eine stärkere Erregung der Spulen 10 bis 13 gewährleistet werden.

Über Zu- und Abführleitungen für die Kontaktflüssigkeit F, die in der Figur nicht dargestellt sind, kann zusätzlich deren Plüssigkeitsvolumen und deren hydrostatischer Druck von außen gesteuert werden.

Der Profilkörper 15 aus ferromagnetischem Material umschließt von drei Seiten einen ringförmigen Kern 24 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Kupfer oder nichtmagnetischem Stahl.Dessen freie, der äußeren Mantelfläche 3 des Läufers 2 zugewandte Fläche bildet beispielsweise eine Ebene mit den Flächen 6 des Profilkörpers 15 der Magnetanordnung 4. Der Kern 24 kann beispielsweise mit Kühlkanälen 25 versehen sein, um mit einem Kühlmedium die in der Kontaktflüssigkeit F auftretende Reibungswärme abzuführen. Kühlkanäle können aber auch an anderen Stellen in Luftspaltnähe, beispielsweise in den Seitenteilen 16 und 17 des Profilkörpers 15 oder im äußeren Teil 18 des Läufers 2 angeordnet sein.

Als ferromagnetische Kontaktflüssigkeit F kann eine nichtmagnetische Metallflüssigkeit vorgesehen sein, der ferromagnetische Partikel wenigstens annähernd homogen beigemischt sind.

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.Diese f err omagne ti sehen Partikel der Kontaktflüssigkeit F und die nichtmagnetische Metallflüssigkeit können vorteilhaft wenigstens annähernd gleiches spezifisches Gewicht haben. Somit kann ein Abscheiden der ferromagnetisehen Partikel aus der Kontaktflüssigkeit F sowohl bei ruhendem Läufer 2 aufgrund der Schwerkraft wie auch bei rotierendem läufer 2 aufgrund der dann auftretenden Fliehkräfte verhindert werden. Als Flüssigmetall kann beispielsweise Natrium-Kalium, Gallium oder auch Gallium-Indium verwendet werden, während als ferromagnetische Partikel beispielsweise Eisen oder bestimmte Eisenlegierungen geeignet sind.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in Pig. 2 abweichend von der Darstellung nach Fig. 1 die der äußeren Mantelfläche 3 des rotierenden Läufers 2 zugewandten Flachseiten 29 eines Profilkörpers 30 so ausgebildet, daß die Weite des Spaltes 31 zwischen der Mantelfläche 3 und den ihr zugewandten Flachseiten 29 des Profilkörpers 30 in Richtung auf den seitlichen Rand des Läufers 2 bzw. des Profilkörpers 30 hin abnimmt. Die magnetische Feldstärke in dem sich verjüngenden Spalt 31 nimmt dann nach den Seiten hin zu, und die die Kontaktflüssigkeit F einschließenden Kräfte lassen sich somit weiter erhöhen. Die mechanischen Reibungsverluste, die bekanntlich mit zunehmender Verengung des Spaltes 31 zunehmen, bleiben auf diese kleinen Außenbereiche im wesentlichen beschränkt.

In Fig. 3 ist eine besondere Gestaltungsform der äußeren Mantelfläche 3 des rotierenden Läufers 2 und der ihr gegenüberliegenden Flachseiten 6 des Profilkörpers 15 gemäß Fig. 1 wiedergegeben. Diese Flachseiten sind mit Fortsätzen 33 und 34 versehen, die im Querschnitt etwa dreiecksfärmig Bind und in den Luftspalt 5 hineinragen, wobei jeweils zwei der ringförmig um die Mantelfläche 3 bzw. die Flachseiten 6 angeordneten Fortsätze 33 und 34 mit ihren Spitzen gegenein-

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ander gerichtet sind. Sie bewirken somit eine Verengung des Luftspaltes 5 und werden deshalb zweckmäßig nahe der Seitenteile des rotierenden Läufers 2 bzw. des Profilkörpers 15 angebracht. Ein seitliches Abfließen der Kontaktflüssigkeit F aus dem Luftspalt 5 kann somit zusätzlich erschwert werden. Gleichzeitig treten zwischen den Spitzen höhere Induktionen und damit höhere Einschlußkräfte auf.

Auch weitere, die Einschließung der Kontaktflüssigkeit F unterstützende Ausbildungen der Magnetanordnung 4 lassen sich vornehmen. Sie müssen stets gewährleisten, daß bei ruhendem Läufer 2 die Kontaktflüssigkeit F an einem seitlichen Wegfließen unter Einwirkung der Schwerkraft gehindert wird und daß bei rotierendem Läufer 2 der radiale Druck in der Flüssigkeit, der zu einem seitlichen, horizontalen Ausbreiten der Kontaktflüssigkeit F führt, kompensiert wird. Gegebenenfalls kann dies durch ein zusätzliches Erregen der Magnetanordnung 4 erreicht werden. Die Steuerung dieser Magnetanordnung 4 kann beispielsweise durch die Drehzahl des Läufers 2 erfolgen. Dabei läßt sich die selbststabilisierende Wirkung der in der Kontaktflüssigkeit F auftretenden Stromkräfte ausnützen, die darüber hinaus durch die in die Kontaktflüssigkeit eingebrachten ferromagnetisehen Partikel wesentlich erhöht werden können.

Die in den Figuren angedeutete Maschine kann selbstverständlich auch unter vermindertem Außendruck oder unter einem Schutzgas betrieben werden, um gegebenenfalls eine Oxidationseinwirkung oder Feuchtigkeitseinwirkung auf die Kontaktflüesigkeit zu vermeiden.

10 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Pat entans prüche

1/ Elektrische Kontaktanordnung mit konzentrisch zu einer horizontalen Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere mit einem Läufer und einem Ständer einer Unipolarmaschine, die einen ringförmigen Luftspalt bilden, der eine Kontaktflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflüssigkeit (P) ferromagnetisch und in' einem Magnetfeld angeordnet ist, das in dem Luftspalt (5) wenigstens annähernd radial bezüglich der Achse (A) gerichtet ist.
2. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Kontaktflüssigkeit (F) aus einer nichtmagnetischen Metallffiissigkeit besteht, die ferromagnetische Partikel in wenigstens annähernd homogener Verteilung enthält.
3. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das spezifische Gewicht der ferromagnetischen Partikel wenigstens annähernd gleich dem der nichtmagnetischen Metallflüssigkeit ist.
4. Elektrische Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das die ferromagnetische Kontaktflüssigkeit (P) durchsetzende Magnetfeld ein Elektromagnet vorgesehen ist, desäen Spulen im feststehenden Teil eingebettet und etwa ringförmig um die äußere Mantelfläche (3) des Läufers (2) angeordnet sind.
5. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spulen (10 bis 1.3) vorgesehen sind, die in Richtung der Achse (A) hintereinander und parallel.zueinander angeordnet sind.

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6. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichtung in den Spulen (10 bis 15) umpolbar ist.
7. Elektrische Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Luftspaltes (31) in Achsrichtung an seinen horizontalen Rändern geringer ist als in seinem mittleren Teil (Pig. 2).
8. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rändern des luftspaltes (5) die Oberfläche (3 bzw. 6) wenigstens eines der beiden Teile mit Fortsätzen (33 bzw. 34) versehen ist.
9· Elektrische Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld steuerbar ist.
10. Elektrische Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zurItLtte des Luftspaltes (5 bzw. 31) wirkende Kraft, die mit Hilfe des Magnetfeldes steuerbar ist, wenigstens auf die Randzonen der Kontaktflüssigkeit (P) wirksam ist.

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