DE2341500C3 - Elektrische Kontaktanordnung mit einer Kontaktflüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktanordnung einer Maschine mit konzentrisch zu einer horizontalen Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere einer Unipolarmaschine mit einem Läufer und einem Ständer, /wischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der einen zumindest annähernd horizontal verlaufenden Teil enthält, in dem ein Kontaklbereich mit einer Kontaktflüssigkeit vorgesehen ist, welchem Kontaktbereich eine Magnetanordnung zugeordnet ist, deren Magnetfeld mindestens im Bereich der seitlichen Randzonen dieses Kontaktbereichs wenigstens annähernd radial bezüglich der Achse der Maschine gerichtet ist. Eine derartige elektrische Kontaktanordnung ist aus der Veröffentlichung »Electrical Review«, 19. lanuar 1973, Seiten 96 bis 99 bekannt.

Starke Ströme auf schnell rotierende Maschinenteile zu übertragen oder von ihnen abzuführen, setzt geeignete Hochstromkontakte für hohe Kontaktgeschwindigkeiten voraus. Solche Hochstromkontakte werden beispielsweise für Hochlcistungsturbogeneratoren, insbesondere auch für Unipolarmaschinen, benötigt. Die Verwendung von Kohlebürstenschleifkontakten für Unipolarmaschine^ ist aber mit Schwierigkeiten verbunden, weil diese Kontakte eine verhältnismäßig geringe Strombelasibarkeit von beispielsweise nur etwa 50 A/cm² 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 Stromstärs ken als mit den bekannten Gleitkontakten übertragen werden. Denn bei den bekannten Bürsten- oder Rollenkontakten treten aufgrund ihrer lokal begrenzten Kontaktzonen Stromkonzentrationen auf, die hohe ohmsche Verluste erzeugen und zusätzlich noch mit

ίο Feldverzerrungen verbunden sind und deshalb im allgemeinen zu höheren elektrischen Verlusten als bei einer gleichmäßigen, mittels Flüssigkeitskontakten zu erreichenden Stromverteilung führen.

Aus der DE-PS 3 83 555 ist zwar eine Vorrichtung zur

Übertragung von elektrischen Strömen zwischen gegeneinander beweglichen Stromleitern mittels flüssiger Leiter bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist jedoch keine Magnetanoidncng vorgesehen, mit der ein Magnetfeld hervorgerufen wird, das die flüssigen Leiter durchsetzt.

Der FR-PS 21 14 250 ist eine Unipolarmaschine mit einem flüssigen Kontaktmedium zu entnehmen, deren Rotorwelle mit in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Ringscheiben versehen ist. Um eine Potentialdifferenz zwischen dem äußeren Rand und dem an der Rotorwelle befestigten inneren Teil der Scheiben zu erzeugen, müssen die Scheiben von einem starken, im wesentlichen achsenparallel verlaufenden Magnetfeld durchsetzt werden. Ein im Bereich der Kontaktzonen im wesentlichen radial gerichtetes Magnetfeld ist nicht vorgesehen.

Ein derartiges, radial gerichtetes Magnetfeld in einem von einer Kontaktflüssigkeit ausgefüllten Kontaktbereich ist hingegen bei der elektrischen Kontaktanordnung hervorgerufen, die aus der bereits genannten Veröffentlichung »Electrical Review«, 1973, Seiten 96 bis 99 bekannt ist. Bei dieser Kontaktanordnung sind jedoch aufwendige Maßnahmen erforderlich, um die Kontaktflüssigkeit in dem Kontaktbereich zu halten. So kann beispielsweise die Kontaktflüssigkeit unter Druck in den Kontaktbereich zwischen der äußeren Mantelfläche des rotierenden Läufers und dem konzentrisch sie umschließenden feststehenden Maschinenteil eingepreßt werden. Durch den rotierenden Läufer wird infolge der Wandreibung die Kontaktflüssigkeit in unmittelbarer Nähe von der rotierenden Mantelfläche mitgerissen. Der Einspritzdruck der Kontaktflüssigkeit wird dabei so geregelt, daß er die auftretenden Zentrifugalkräfte kompensieren kann. Hierbei läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß das Flüssigmetall der Kontaktflüssigkeit axial nach außen abfließt, wo es gesammelt und abgepumpt werden muß. Bei höheren Drehzahlen des rotierenden Läufers und damit hohen Zentrifogalkräften stellt sich jedoch in der Kontaktflüssigkeit ein verhältnismäßig hoher Innendruck ein, der beispielsweise bei Verwendung von Natrium-Kalium als Flüssigmetall und einem Läuferdurchmesser von einem Meter und einer Läuferdrehzahl von 3000 U/min sowie einer 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 Gasdientungen muß dann mittels einer weiteren, verhältnismäßig komplizierten Steuereinrichtung entsprechend zunehmen. Die Fel|/c ist eine Vermischung des Gases mit der K iitaktflüssigkeit und eine entsprechend verminderte Leitfähigkeit des Flüssigkeitspolslers in dem Luftspalt. Ferner sind Separatoren zur Trennung von Flüssigkeit

und Gas notwendig.

Diese Schwierigkeiten treten auch bei den aus der US-PS 28 32 910 und der GB-PS 10 32 237 bekannten Kontaktancrdnungen mit einer Kontaktflüs..igkeit auf.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte elektrische Kontaktanordnung mit Flüssigkeitskontakten dahingehend zu verbessern, daß eine einfache Fixierung der Flüssigkeit im Kontaktbereich möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktflüssigkeit ferromagnetisch 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 werden. 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.

Darüber hinaus ist das spezifische Gewicht dieser ferromagnetischen Partikel vorzugsweise wenigstens annähernd gleich dem der nichtmagnetischen Metailflüssigkeit. 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.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Unipolarmaschine mit einer Kontaktanordnung gemäß der Erfindung und die

F i g. 2 und 3 schematisch im Querschnitt zwei weitere Ausbildungsmöglichkeiten der Polschuhe einer Magnetanordnung in einer Kontaktanordnung gemäß der Erfindung.

In Fig. I ist die obere Hälfte eines um eine horizontale Achse A rotierenden Teiles dargestellt, der so beispielsweise ein mit 2 bezeichneter Läufer einer Maschine, vorzugsweise einer Unipolarmaschine, sein kann. Die äußere horizontale Mantelfläche 3 des zylinderförniig ausgebildeten Läufers 2 ist vo;i einer hohlzylinderförmigen Magnetanordnung 4 konzentrisch 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 enthalt vier ringförmige, in parallelen vertikalen Ebenen !.i Achsrichtung hintereinanderliegende Spulen 10 bis 13 mit in Achsrichtung jeweils abwechselnd entgegengesetzter Stromrichtung. Die Spulen 10 bis 13 sind über einen U-förmigen, sich zur äußeren Mantelfläche 3 des rotierenden Läufers 2 hin öffnenden Profilkörper 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 5 eingebrarhte elektrisch bitende, ferromagnetische Kontaktflüssigkeit F. Diese Kontaktflüssigkeit F dient als Kontakt zwischen dem rotierenden Läufer 2 und den ihn umschließenden feststehenden Maschinenteilen zur Übertragung eines Stromes /. In der Figur ist der in radialer Richtung nach außen abfließende Strom / durch vertikale parallele Pfeile veranschaulicht.

Bei ruhendem Läufer 2 kann die Kontaktflüssigkeit F von dem mittels der Spulen 10 bis 13 erzeugten Magnetfeld in einer stabilen Lage im Kontaktbereich 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 F, die aufgrund von Reibungskräften von der äußeren Mantelfläche 3 des Läufers 2 mitgerissen wirtl und deshalb ebenfalls mit diesem mitrotiert. Diese auf die mitrotierenden Ladungsträger der Kontaktflüssigkeit F 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 F zusätzliche einschließende Kräfte einwirken, die in der Figur durch zwei entgegengerichtete, an den seitlichen Außenflächen der Kontaktflüssigkeit /'horizontal auf die Mitte des Luftspalts 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 könncii demnach ein Abfließen der Kontaktflüssigkeit F nach außen bei entsprechend gewählter Beziehung von Magnetfeldpolung und Umlaufrichtung des Läufers 2 verhindern. Sie sind um so stärker, je höher der Fluß längs der Linie 20 ist. Dies kann vorzugsweise bei hohen Drehzahlen des Läufers 2 ausgenützt werden. Dann wirken besonders auf die achsfernen, 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.

Dadurch steigt der Druck in der mitgerissenen Kontaktflüssigkeit Fan, 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 Flüssigkeitsvolunien und deren hydro-

statischer 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 Mantc iiche 3 des Läufers 2 zugewandte Fläche bildet beispielsweise eine Ebene mil 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 Fauftretende 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 Fkann eine nichtmagnetische Metallflüssigkeit vorgesehen sein, der ferromagnetische Partikel wenigstens annähernd homogen beigemischt sind.

Diese ferromagnetischen Partikel der Kontaktflüssigkeit F und die nichtmagnetische Metallflüssigkeit können vorteilhaft wenigstens annähernd gleiches spezifisches Gewicht haben. Somit kann ein Abscheiden der ferromagnetischen Partikel aus der Kontaktflüssigkeit F s(jwohl 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 F i g. 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 Spalts 31 zunehmen, bleiben auf diese kleinen Außenbereichc im wesentlichen beschränkt.

In Fig. 3 ist eine besondere Gestallungsform der äußeren Mantelfläche 3 des rotierenden Läufers 2 und der ihr gegenüberliegenden Flachseiten 6 des Profilkörpers 15 gemäß F i g. 1 wiedergegeben. Diese Flachseiten sind mit Fortsätzen 33 und 34 versehen, die im Querschnitt etwa dieiecksförmig sind und in den Luftspalt 5 hineinragen, wobei jeweils zwei der ringförmig um die Mantelfläche 3 bzw. die Flachseilen 6 angeordneten Fortsätze 33 und 34 mit ihren Spitzen gegeneinander gerichtet sind. Sie bewirken somit eine Verengung des Luftspaltes 5 und werden deshalb

is 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 Fführt, 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 Kontaktfiüssigkeit F auftretenden Stromkräfte ausnützen, die darüber hinaus durch die in die Kontaktflüssigkeit eingebrachten ferromagnetischen 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 Oxydationseinwirkung oder Feuchtigkeitseinwirkung auf die Kontaktfiüssigkeit zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kontaktanordnung einer Maschine mit konzentrisch zu einer horizontalen Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere einer Unipolarmaschine mit einem Läufer und einem Ständer, zwischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der einen zumindest annähernd horizontal verlaufenden Teil enthält, in dem ein Kontaktbereich mit einer Kontaktflüssigkeit vorgesehen ist, welchem Kontaktbereich eine Magnetanordnung zugeordnet ist, deren Magnetfeld mindestens im Bereich der seitlichen Randzonen dieses Kontaktbereiches wenigstens annähernd radial bezüglich der Achse der Maschine gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflüssigkeit (F) ferromagnetisch ist.

2. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Kontaktflüssigkeit (F) aus einer nichtmagnetischen Metallflüssigkeit besteht, die ferromagnetische Partikel in wenigstens annähernd homogener Verteilung enthält.

3. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß das spezifische Gewicht der ferroniagnetischen Partikel wenigstens annähernd gleich dem der nichtmagnetischen Metallflüssigkeit ist.