DE2416765C3 - Elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine mit einer Kontaktflüssigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine, insbesondere einer Unipolarmaschine, mit konzentrisch zu einer Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, zwischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der in einer Kontaktzone 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 Bürstenschleifkontakten für derartige Maschinen ist aber mit Schwierigkeiten verbunden, weil diese Kontakte nur eine verhältnismäßig geringe Strombelastbarkeit haben. So hat beispielsweise eine in der Zeitschrift »Electronics and Power«, Vol. 18 (1972), S. 8 bis 10 beschriebene Unipolarmaschine Bürsten, die aus Kohlefasern mit Metallplattierung bestehen. Solche Bürsten sind für eine Stromdichte von 47 A/cm² bei einem Spannungsabfall von 2 V und einer Geschwindigkeit von 90 m/sec geeignet und haben zusammen mit ihren Halterungen bei hohen Strömen somit einen entsprechend großen Platzbedarf.

Ferner treten bei den bekannten Bürsten- oder Rollenkontakten aufgrund ihrer lokal begrenzten Kontaktzonen Stromkonzentrationen auf, die zusätzlich noch mit Feldvei Zerrungen verbunden sind. Diese ungleichmäßige Stromverteilung bewirkt deshalb im allgemeinen höhere elektrische Verluste.

Die Verwendung von Flüssigkeitskontakten hingegen erlaubt bekanntlich eine gleichmäßige Stromverteilung und eine wesentliche Steigerung der Stromdichten sowie der Relativgeschwindigkeit der als Elektroden dienenden Maschinenteile. Solche elektrische Kontakteinrichtungen bestehen im allgemeinen aus metallischen Kontaktgliedern als Elektroden mit dazwischengeschalteter, gut leitender Kontaktflüssigkeit. Wegen der verhältnismäßig großen wirklichen Berührungsflächen zwischen den im allgemeinen zylindrisch ausgebildeten Kontaklgliedern und der Kontaktflüssigkeit, die schon bei geringen Kontaktspannungen eine gute Stromleitung und damit geringe elektrische Verluste bewirken, können mit Flüssigkeitskontakten auch bei hohen Kontaktgeschwindigkeiten größere Stromstärken als mit den bekannten Gleitkontakten übertragen werden.

Aus der Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau«, 1974, Seite 104, ist ein Unipolarmotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung und mit Flüssigkeitskontakten bekannt, dessen Motorwelle mit in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Ringscheiben versehen ist. Diese mit dem Rotor umlaufenden Ringscheiben sind jeweils kammartig zwischen in gleicher Weise gestalteten Ringscheiben angeordnet, die am Ständer des Motors befestigt sind. Eine flüssige Legierung von Quecksilber und Indium füllt vollständig die Luftspalte zwischen den feststehenden und den umlaufenden Scheiben aus. Die Spaltweite zwischen einander parallelen benachbarten Seitenflächen der feststehenden und rotierenden Scheiben ist jedoch verhältnismäßig gering. Je enger aber ein solcher Spalt ist, desto höher werden die Reibungsverluste in der Kontaktflüssigkeit. Sie können so hoch werden, daß die Abführung dieser Verluste nur schwer möglich ist und der Wirkungsgrad der Maschine unzulässig gesenkt wird. Dieser Unipolarmotor ist deswegen für eine verhältnismäßig geringe Drehzahl ausgelegt und für direkt durch Turbinen angetriebene Unipolarmaschinen hoher Leistung mit beispielsweise drei- bis viertausend Umdrehungen pro Minute nicht geeignet.

Zur Stromabnahme besser geeignet sind elektrisch gute leitende Kontaktflüssigkeiten, die durch Fliehkraftwirkung in halboffenen, rotierenden Rinnen gehalten werden. In die Kontaktflüssigkeit taucht bei diesen bekannten Kontakteinrichtungen längs des ganzen Umfanges ein feststehendes Kontaktglied ein. Bei solchen Kontakteinrichtungen ist jedoch die Reibung zwischen dem feststehenden Kontaktglied und der Kontaktflüssigkeit proportional zur eingetauchten

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Oberfläche des feststehenden Kontaktgliedes und nimmt stärker als quadratisch mit der Gleitgeschwindigkeit zu. Aus technologischen Gründen läßt sich aber die Berührungsfläche zwischen dem feststehenden Kontaktglied und der Kontaktflüssigkeit nicht beliebig klein halten, da die Eintauchtiefe im Hinblick auf das Lagerspiel sowie auf auftretende Wärmeausdehnungen praktisch nicht kleiner als 0,2 bis 0,3 mm gehalten werden kann. Flüssigkeitskontakte solcher Bauart si ad deshalb nur his zu Gleitgeschwindigkeiten von etwa 50 m/sec verwendbar. Im Stillstand der Maschine kann die Kontaktflüssigkeit zwar mit Berührungsdichtungen in der Kontaktzone gehalten werden. Solche Dichtungen haben aber nur eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer, und ihr Dichtungsmaterial, beispielsweise Gummi, kann mit der Kontaktflüssigkeit reagieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine für hohe Ströme und große Stromabnahmegeschwindigkeite.i zu schaffen, die zugleich einen verhältnismäßig geringen Kontaktwiderstand und kleine Reibungsverluste hat Darüber hinaus soll die Kontaktflüssigkeit in einfacher Weise in der Kontaktzone gehalten werden.

Diese Aufgabe wird für eine Kontakteinrichtung einer Maschine mit einer Kontaktflüssigkeit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest in den seitlichen Randbereichen der Kontaktzone an dem feststehenden Maschinenteil und/oder an dem umlaufenden Maschinenteil jeweils mindestens eine elektrische Magneteinheit angeordnet ist, deren Wicklungen konzentrisch um den Luftspalt angeordnet sind und die ein elektromagnetisches Wanderfeld erzeugen, das eine die Kontaktflüssigkeit in der Kontaktzone einschließende Kraftkomponente hervorruft. Die Vorteile dieser Ausbildung der Kontakteinrichtung nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die Kontaktflüssigkeit sowohl bei ruhendem als auch bei rotierendem Läufer der eingangs genannten Maschinen ohne Berührungsdichtungen und ohne Flüssigkeitsverluste in der Kontaktzone eingeschlossen wird. Denn in den beiden seitlichen Randbereichen der Kontaktzone können vorzugsweise durch ein Wanderfeld nach dem Asynchron-Linearmotor-Prinzip Wirbelströme in dem Flüssigmetall der Kontaktflüssigkeit in Umfangsrichtung des rotierenden Maschinenteiles hervorgerufen werden, so daß nach dem Lorentzschen Kraftgesetz eine Kraft senkrecht zu der Richtung der magnetischen Flu'Jdichte im Luftspalt und senkrecht zu der Wirbelstromrichtung auf die Kontaktflüssigkeit einwirkt. Damit wird ein seitliches Abfließen der Kontaktflüssigkeit verhindert. Da die einschließenden Kräfte von der Relativbewegung der beiden Maschinenteile unabhängig sind, kann die Kontakteinrichtung somit vorteilhaft auch für reversierbare Antriebe, beispielsweise Schiffsantriebe, sowie auch für Antriebe mit hohen Drehzahlen eingesetzt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kontakteinrichtung ist vorgesehen, daß der Luftspalt in einem Querschnitt längs der Achse wenigstens etwa U-förmig ausgebildet ist und zur Achse hin geöffnet ist und die Magneteinheiten in Ebenen senkrecht zur Achse angeordnet sind. Ist der umlaufende Maschinenteil von dem feststehenden Maschinenteil umgeben, so kann der umlaufende Maschinenteil in axialer Richtung kleinere Abmessungen haben, weil die Magneteinheiten, die einen gewissen Raumbedarf erfordern, radial an den Seitenteilen des feststehenden Maschinenteils angebracht sein können. Mit dieser Gestaltung läßt sich auch die Schwungmasse des umlaufenden Maschinenteils entsprechend klein halten. Ferner können die von den Magneteinheiten erzeugten einschließenden Kräfte kleiner gehalten werden als bei einem Luftspalt mit geradem, achsenparallelen Querschnitt Denn mit dieser U-förmigen Ausbildung der Kontaktzone im Luftspalt wird die Kontaktflüssigkeit oberhalb einer vorbestimmten Mindestdrehzahl von den auf die Koi.taktflüssigkeit einwirkenden Zentrifugalkräften mindestens teilweise in der Kontaktzone gehalten. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Kontakteinrichtung kann deshalb die Erregerspannung oder der Erregerstrom in den Magneteinheiten gesteuert oder sogar geregelt werden. Der geringere Energieverbrauch in den Magneteinheiten führt dann zu einer verminderten Erwärmung der Kontaktflüssigkeit im Kontaktbereich und damit zu einer entsprechenden Verbesserung der Stromtragfähigkeil der Kontaktflüssigkeit, insbesondere bei hohen Drehzahlen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in den F i g. 1 bis 3 schematisch im Querschnitt Teile von Unipolarmschinen mit Kontakteinrichtungen gemäß der Erfindung veranschaulicht sind.

In F i g. 1 ist der obere Teil eines um eine horizontale Achse 2 drehbar gelagerten Maschinenteils 3, der beispielsweise der Läufer einer Unipolarmsschine sein kann, dargestellt. Die äußere Mantelfläche 4 dieses zylinderförmig ausgebildeten, rotierenden Maschinenteils 3 ist von einem feststehenden, hohlzylinderförmigen Maschinenteil 5 derart konzentrisch umgeben, daß ein ringförmiger Luftspalt 7 zwischen der dem rotierenden Maschinenteil 3_ zugewandten inneren Fläche 8 des feststehenden Maschinenteils 5 und der äußeren Mantelfläche 4 des rotierenden Maschinenteils 3 gebildet wird. Der horizontale Luftspalt 7 hat in einem achsenparallelen Querschnitt eine etwa rechteckige Gestalt. Er ist teilweise mit einer Kontaktflüssigkeit F, beispielsweise einem Flüssigmetall, vorzugsweise Natrium-Kalium, Gallium oder Gallium-Indium, derart ausgefüllt, daß von dem rotierenden Maschinenteil 3_ über die Fläche 4 durch die Kontaktflüssigkeit F und über die Fläche 8 in den feststehenden Maschinenteil 5 oder in umgekehrter Richtung ein Nutzstrom / fließen kann. Dieser Nutzstrom / ist in der Zeichnung durch einzelne Pfeile veranschaulicht.

Die Kontaktflüssigkeit F wird in einer Kontaktzone zwischen den beiden Flächen 4 und 8 mit zwei Magneteinheiten 10 und Π gehalten. Diese Magneteinheiten 10 und Π sind in den seitlichen Randbereichen 12 bzw. 13 der Kontaktzone derart in dem feststehenden Maschinenteil 5 angebracht, daß sie etwa ringförmig den Luftspalt 7 umschließen. Jede der Magneteinheiten 10 und 11 enthält eine Vielzahl in Achsrichtung hintereinander angeordneter Wicklungen, von denen in der Figur jeweils 6 dargestellt und mit 15 bzw. 20 bezeichnet sind. Dieses Erregersystem ist zur besseren Führung des magnetischen Flusses jeweils in einem lamellierten Weicheisenkörper 30 bzw. 31 eingebettet. Zu jedem dieser Weicheisenkörper 30 und 31 ist konzentrisch ein entsprechender Weicheisenkörper 32 und 33 in dem rotierenden Maschinenteil 3 angebracht. Die >Veicheisenkörper 30 bis 33 grenzen mittels der Fläche 8 bzw. 4 an den Luftspalt 7 an. Mit den Wicklungen 15 und 20 der Magneteinheiten 10_ bzw. Π kann in den beiden Randbereichen 12 und 13 auf die Kontaktflüssigkeit F eine Kraft ausgeübt werden, die

eine Kraftkomponente besitzt, die in achsenparalleler Richtung von außen auf die Kontaktflüssigkeit einwirkt und die Kontaktflüssigkeit in die Luftspaltmitte zu drängen versucht. Diese einschließenden Kraftkomponenten sind in der Figur durch jeweils drei parallele Pfeile 35 bzw. 36 angedeutet und werden vorzugsweise durch elektromagnetische Wanderfelder der Wicklungen 15 bzw. 20 der Magneteinheiten 10. bzw. H nach dem Asynchron-Linearmotor-Prinzip hervorgerufen. Die Wirkungsweise des Einschlusses der Kontaktflüs- ι ο sigkeit Fin der Kontaktzone entspricht im wesentlichen der eines asynchronen Linearmotors mit einseitiger Kurzständerausführung. Ein derartiger Motor hat im allgemeinen eine langgestreckte Reaktionsschiene, die auf einer Seite mit einem magnetischen Rückschlußkörper versehen ist. An ihrer gegenüberliegenden Seite wird der Ständer mit der Erregerwicklung in einem vorbestimmten Abstand entlanggeführt.

Bei der Kontakteinrichtung gemäß der Erfindung stellt die Kontaktflüssigkeit Fdie Reaktionsschiene dar. Die Weicheisenkörper 32 und 33 stellen jeweils den magnetischen Rückschlußkörper und die Wicklungen 15 bzw. 20 mit den Weicheisenkörpern 30 und 31 den Ständer dar. Diese Wicklungen können beispielsweise mit Drehstrom gespeist werden. Mit den Magneteinheiten 10 und 1| läßt sich so in dem Luftspalt 7 jeweils ein magnetisches Wanderfeld erzeugen, das sich parallel zur Rotationsachse 2 von außen auf das Zentrum der Kontaktzone zu bewegt. In der leitfähigen, nichtmagnetischen Kontaktflüssigkeit Fwerden dann Wirbelströme in Umfangsrichtung des rotierenden Maschinenteils 3 induziert, die nach dem Lorentzschen Kraftgesetz jeweils eine Kraftkomponente 35 bzw. 36 senkrecht zur Richtung der magnetischen Flußdichte im Luftspalt 7 und senkrecht zur Wirbelstromrichtung hervorrufen.

Die seitlichen Einschlußkräfte können somit ein Abfließen der Kontaktflüssigkeit F nach außen aus dem Luftspalt 7 verhindern. Die abdichtbare Druckdifferenz zwischen der Kontaktflüssigkeit Fund der Atmosphäre am Spaltrand hängt von der magnetischen Flußdichte in den Randbereichen 12 und 13 und der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Wanderfeldes ab. Die Druckdifferenz kann deshalb beispielsweise über den Strom oder die Spannung in den Wicklungen 15 und 20 oder über die Frequenz des mehrphasigen Wechselstromes beeinflußt werden. Dies kann vorzugsweise bei hohen Drehzahlen des rotierenden Maschinenteils 3 ausgenützt werden. Dann wirken nämlich besonders auf die von der Achse entfernt liegenden äußeren Teile des rotierenden Maschinenteils 3 große zentrifugale Kräfte ein, die zu einer geringen radialen Ausdehnung des umlaufenden Maschinenteils und somit zu einer entsprechenden Verengung des Luftspaltes 7 führen können. Durch diese Komprimierung wird die mitgerissene Kontaktflüssigkeit F nach den Seiten hin ausgedehnt und versucht dort abzufließen, was durch die einschließenden Kraftkomponenten 35 und 36 verhindert wird.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Unipolarmotors dargestellt Mit F i g. 1 übereinstimmende Teile sind in dieser Figur mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein feststehender Maschinenteil 41 mit U-förmigem Profil umgibt einen umlaufenden Maschinenteil 42, so daß zwischen diesen beiden Maschinenteilen 4J. und 42 ein etwa U-förmiger Luftspalt 43 gebildet wird, der teilweise mit der Kontaktflüssigkeit Fausgefüllt ist. Die Randbereiche 12 und 13 der Kontaktzone liegen jeweils im radialen Teil des Luftspaltes 43, so daß zur Erzeugung der einschließenden Kraftkomponenten 35 und 36 die Magneteinheiten 10 und IJ. jeweils in radialen Ebenen angeordnet sind. Da die beiden Magneteinheiten 10 und J_l in parallelen vertikalen Ebenen liegen, kann die Breite des umlaufenden Maschinenteils 42 bei dieser Ausführungsform einer Maschine verhältnismäßig klein gehalten sein, so daß auch die auf den rotierenden Teil der Maschine einwirkenden zentrifugalen Kräfte begrenzt werden können. Darüber hinaus ist für den Einschluß der Kontaktflüssigkeit Firn Kontaktbereich eine geringere Energie erforderlich, sobald der Maschinenteil 42 rotiert. Mit steigender Drehzahl werden nämlich durch die Oberflächenreibung zunächst die benachbarten Teilchen der Kontaktflüssigkeit F mitgerissen, so daß bei höherer Drehzahl auch die Kontaktflüssigkeit rotiert. Die dadurch entstehenden zentrifugalen Kräfte nehmen mit der Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Maschinenteils 42 zu, so daß dann die von den Magneteinheiten 10 und 11 erzeugten einschnürenden Kräfte 35 und 36 reduziert werden können. Durch diese Reduktion des Energieverbrauchs in den beiden Magneteinheiten wird auch die Erwärmung der Kontaktflüssigkeit F, die zu einer Beeinträchtigung der Stromtragfähigkeit der Kontaktflüssigkeit führen kann, entsprechend begrenzt.

Die in F i g. 3 teilweise dargestellte Unipolarmaschine weist im Gegensalz zu der Ausführungsform der F i g. 2 einen feststehenden Maschinenteil 51 auf, der von einem rotierenden Maschinenteil 52 mit U-förmigem Profil umschlossen wird. Der zwischen beiden Maschinenteilen ausgebildete Luftspalt 53 ist wiederum teilweise mit einer Kontaktflüssigkeit Fangefüllt. Die Kontaktzone umfaßt dabei einen horizontalen Bereich und sich daran anschließende vertikale Randbereiche 12 und 13. Im übrigen sind in dieser Figur die mit F i g. 1 übereinstimmenden Teile der Maschine mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Bei dieser Ausführungsform einer Maschine können die auf die Kontaktflüssigkeit F einwirkenden zentrifugalen Kräfte so groß werden, daß bei großen Umdrehungszahlen eine zusätzliche Einschnürung seitens der Kräfte 35 und 36, die von den an die Randbereiche 12 und 13 angrenzenden Magneteinheiten 10 bzw. Π hervorgerufen werden können, überflüssig wird. Die Kontaktflüssigkeit kann dann selbststabi! in der Kontaktzone gehalten werden. Vorteilhaft kann deshalb die Größe der Kraftkomponenten 35 und 36 Steuer- oder regelbar, beispielsweise nach der Umdrehungszahl des rotierenden Maschinenteils 52, vorgesehen sein.

Die in den Figuren angedeuteten Maschinen können selbstverständlich auch unter vermindertem Außendruck oder unter einem Schutzgas betrieben werden, um gegebenenfalls eine Oxydationseinwirkung oder Feuchtigkeitseinwirkung auf die Kontaktflüssigkeit zu vermeiden. Darüber hinaus können zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise eine Verengung des Luftspaltes an den Randbereichen zu einer Unterstützung der einschließenden Kräfte in der Kontaktzone vorgesehen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kontakteinrichtung einer Maschine, insbesondere einer Unipolarmaschine, mit konzentrisch zu einer Achse angeordneten und relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, zwischen denen ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet ist, der in einer Kontaktzone eine Kontaktflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den seitlichen Randbereichen (12, 13) der Kontaktzone an dem feststehenden Maschinenteil (5,41,51) und/oder an dem umlaufenden Maschinenteil (3, 42, 52) jeweils mindestens eine elektrische Magneteinheit (10 bzw. 11) angeordnet ist, deren Wicklungen (15 bzw. 20) konzentrisch um den Luftspalt (7, 43, 53) angeordnet sind und die ein elektromagnetisches Wanderfeld erzeugen, das eine die Kontaktflüssigkeit (F) in der Kontaktzone einschließende Kraftkomponente (35 bzw. 36) hervorruft.

2. Elektrische Kontakteinrichtung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspannung und/oder der Erregerstrom in den Wicklungen (15 bzw. 20) der Magneteinheiten (10 bzw. 11) steuerbar ist.

3. Elektrische Kontakteinrichtung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Erregerstromes in den Wicklungen (15 bzw. 20) steuerbar ist

4. Elektrische Kontakteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (15 bzw. 20) an dem feststehenden Maschinenteil (5 oder 41 oder 51) angeordnet sind.

5. Elektrische Kontakteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung der Größe der Kraftkomponenten (35,36) vorgesehen ist und die Umlaufgeschwindigkeit des umlaufenden Maschinenteils (3, 42, 52) als Ist-Wert für die Regelung dient.

6. Elektrische Kontakteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lu.'tspalt (43 oder 53) in einem Querschnitt längs der Achse (2) wenigstens etwa U-förmig ausgebildet und zur Achse (2) hin geöffnet ist und die Magneteinheiten (10 bzw. 11) in Ebenen senkrecht zur Achse (2) angeordnet sind.

7. Elektrische Kontakteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Magneteinheiten (10 bzw. 11) erzeugten Wanderfelder nach dem Asynchron-Linearmotor-Prinzip hervorgerufen sind.