DE2534937A1

DE2534937A1 - Kraftausgleichssystem

Info

Publication number: DE2534937A1
Application number: DE19752534937
Authority: DE
Inventors: Richard A Gronholm
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-05
Publication date: 1976-03-04
Also published as: FR2282555A1; BE832554A; BR7505225A; JPS5620786B2; GB1526413A; IT1041961B; JPS5149414A; ES440380A1; CH601940A5; FR2282555B1; CA1042050A; US3902774A; IN146070B

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 MÖNCHEN 71, den 8. 8. 75

Melchloretraße 42

Westinghouse Electric Corp. Westinghouse Building Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA

WS30P-1316

Kraftausgleichssystem

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum mechanischen Verbinden von im Abstand voneinander angeordneten Elementen miteinander und insbesondere zum Verbinden von Druckkontaktdioden mittels Leiterbändern in einer rotierenden Gleichrichteranordnung untereinander oder mit anderen Elementen derartiger Anordnungen, die in bürstenlosen Erregungssystemen für Wechselstromgeneratoren verwendet werden.

Elektrische Generatoren müssen mit Gleichstrom erregt werden. In Wechselstromgeneratoren wird der Erregergleichstrom einer Feldwicklung zugeführt, die von einem Läufer getragen wird. Man kann diesen Strom von einer unabhängigen Gleichstromquelle über Kohlebürsten zuführen, die auf Schleifringen schleifen, oder über ein bürstenloses Erregersystem.

Der bürstenlose Wechselstromerreger wird auch als Hilfsgenerator bezeichnei und besitzt eine ortsfeste Feldmagnetenanordnung und einen rotierenden Anker. Von einer unabhängigen Gleichstromquelle wird die ortsfeste Feldmagnetenanordnung gespeist, die ein konstantes magnetisches Kraftfeld

Fs/mü - er-

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erzeugt, welches in dem rotierenden Anker einen Wechselstrom induziert. Mit der Ankerwelle des Erregers ist eine rotierende Gleichrichteranordnung drehfest verbunden, die Gleichstrom an die Feldwicklung des Hauptgenerators abgibt. Diese Feldwicklung ist mit dem Erregeranker und dem Gleichrichter drehfest verbunden. Man erhält auf diese Weise ein Erregersystem, in dem keine Schleifringe und keine Bürsten erforderlich sind.

In der Gleichrichteranordnung eines derartigen Erregersystems sind zahlreiche Bestandteile erforderlich, u. a. Halbleiterdioden, Wärmeableiter, Kondensatoren, Widerstände, Sicherungen und die erforderlichen Verbindungs- und Tragelemente. Alle diese Teile müssen so montiert sein, daß sie genügend gegen die starken Drehkräfte abgestützt sind, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind. Sie müssen ferner möglichst dicht beieinander angeordnet sein, damit der Gesamtraumbedarf möglichst klein ist. Bisher hat man zu diesem Zweck die Bestandteile der Gleichrichteranordnung auf den zylindrischen Innenwandungen der Felgen von Rändern montiert, die auf der Läuferwelle angeordnet waren. Diese Anordnung war für auf Befestigungsstiften montierte Dioden bestimmt und hat sich im Betrieb als brauchbar erwiesen.

Neuerdings sind jedoch scheibenförmige oder Druckkontakt-Halbleiterdioden erhältlich, die für die Verwendung in rotierenden Gleichrichteranordnungen geeignet sind, weil sie eine relativ hohe Strombelastbarkeit besitzen und außerdem infolge ihrer Scheibenform auf beiden Seiten gekühlt werden können. Man kann mit diesen Dioden bei gegebenem Volumen eine viel höhere Ausgangsleistung erzielen als mit den vorher erhältlichen Dioden.

Scheibenförmige Dioden haben zwar den Vorteil der hohen Strombelastbarkeit, doch ist es schwierig, sie so zu montieren, daß der erforderliche Kontaktdruck erzielt wird. Der Kontaktdruck muß hoch sein, damit der Grenz- flächenwiderstand zwischen der Diode und dem Kontakt möglichst klein ist.

- 2 - Dieser

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Dieser X3renzflächenwiderstand nimmt mit zunehmendem Kontaktdruck ab. Ein niedriger Widerstand ist erwünscht, damit einerseits starke Ströme fließen, andererseits diese starken Ströme aber nur möglichst wenig Wärme erzeugen. Ferner muß die Berührungsdruckkraft über die Grenzfläche zwischen dem Kontakt und der Diode gleichmäßig verteilt sein, damit eine gleichmäßige Wärmeübertragung gewährleistet ist. Bei ungleichmäßigen mechanischen Belastungen treten auf der Diodenfläche heiße Stellen auf, welche die Lebensdauer der Diode herabsetzen.

Eine zum Montieren von Druckkontaktdioden dienende Anordnung ist in der US-PS 3 721 843 beschrieben. In dieser bekannten Anordnung sind die scheibenförmigen Dioden und andere erforderliche Schaltungselemente zu Gleichrichtermodulen zusammengefaßt. Jeder Modul hat einen Träger, der vorzugsweise aus einem Metallbehälter besteht und auf dem eine oder mehrere Diodenanordnungen montiert sind. Jede Diodenanordnung besitzt eine scheibenförmige Diode, die zwischen zwei Wärmeableitern eingespannt ist. Es sind Federvorrichtungen vorgesehen, welche auf die Diodenanordnung die Kraft ausüben, die erforderlich ist, um bei nicht rotierendem Erreger den erforderlichen Kontaktdruck zwischen den Wärmeableitern und der Diode aufrechtzuerhalten. Der Modul ist ferner mit den erforderlichen Kondensatoren, Sicherungen, Spannungsteilerwiderständen und anderen Bestandteilen versehen.

In der vorstehend beschriebenen, bekannten Anordnung sind die Diodenanordnungen mit den anderen Bestandteilen des Moduls durch im wesentlichen geradlinige Kupferleiter verbunden. Diese Leiter werden im normalen Betrieb durch die starken Fliehkräfte hoch beansprucht, so daß die nicht abgestützten Teile der geradlinigen Leiter brechen. Damit die mechanischen Spannungen in dem nicht abgestützten Teil des Leiterbandes innerhalb vorherbestimmter Grenzen gehalten werden, die dem Entwurf zugrunde- gelegt sind, und damit die erforderliche Biegsamkeit erzielt wird, hat man ein Band als einstückiges, gekrümmtes Element auegebildet. Bei einem

- 3 - der-

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derartigen Band werden jedoch die axialen Rückwirkungskräfte an den Enden des gekrümmten Teils des Leiterbandes nicht ausgeglichen, so daß diese Rückwirkungekräfte zu einer ungleichmäßigen Belastung der druckempfindlichen Diodenanordnungen und anderer Elemente führen, mit denen die Bänder verbunden sind.

Bei zunehmender Leistungskapazität dieser Erregersysteme muß man zur Aufnahme stärkerer Ströme größere Leiterbänder verwenden, so daß auch die Fliehkräfte größer werden und daher die Leiter und die Diodenanordnungen stärkeren axialen und radialen Rückwirkungskräften ausgesetzt sind,

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Anordnung, welche gewährleistet, daß die auf die Leiterbänder wirkenden, axialen und radialen Rückwirkungskräfte innerhalb vorherbestimmter, dem Entwurf zugrundeliegender Grenzen bleiben, und daß die Modulelemente, mit denen diese Leiterbänder verbunden sind, im wesentlichen gleichmäßig belastet werden.

In einer Einrichtung zum mechanischen Verbinden von zwei oder mehreren im Abstand voneinander angeordneten und auf einem um eine Achse drehbaren Rad befestigten Elementen miteinander wird diese Aufgabe erfindungs· gemäß gelöst durch ein elastisches Glied, das mehrere zum Angriff an den im Abstand voneinander angeordneten Elementen geeignete Endteile und zwei einander gegenüberliegende bogenförmige Halbteile besitzt, wobei der eine Halbteil relativ zum anderen konkav ist und jeder Halbteil einen vorherbestimmten Querschnitt, eine vorherbestimmte Länge, eine vorherbestimmte Masse und einen vorherbestimmten Krümmungsradius hat.

Zweckmäßigerweise ist eine Leiterbandanordnung vorgesehen, die für die Herstellung einer mechaniechen Verbindung mit druckempfindlichen

- 4 - Bestand-

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• r

Bestandteilen geeignet sind, beispielsweise mit einer scheibenförmige Dioden aufweisenden Anordnung, die in einem rotierenden Gleichrichter der vorstehend beschriebenen Art enthalten i st. Die Leiterbandanordnung ist nur an ihren Endteilen an den mit ihr verbundenen Elementen abgestützt und ist so zusammengesetzt und angeordnet, daß die auf ihre Endteile wirkenden, axialen Rückwirkungskräfte im wesentlichen aufgehoben werden, so daß eine Axialbelastung der Elemente, mit denen die Anordnung verbunden ist, vermieden wird. Zu diesem Zweck werden zwei elektrische Leiter verwendet, die einen vorherbestimmten Querschnitt, eine vorherbestimmte Länge und eine vorherbestimmte Masse besitzen, und werden diese Leiter zu gekrümmten Gliedern verformt und einander gegenüberliegend konkav bzw. konvex angeordnet.

Die Endteile dieser Leiter sind für die Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung mit Modulelementen geeignet, die beispielsweise aus der eine scheibenförmige Druckkontaktdiode besitzenden Anordnung und der Sicherung bestehen und zu dem vorstehend beschriebenen, rotierenden Gleichrichter gehören.

Im Betrieb des Generators läuft die Leiterbandanordnung um die Mittelachse der Hauptwelle um. Der Radius der Umlaufbahn der Bandanordnung ist so gewählt, daß bei einer gegebenen Betriebsdrehzahl die Bandanordnung einer Fliehkraft ausgesetzt ist, die der Masse der Bandanordnung direkt proportional ist. Da sich das Leiterband gegenüber den Elementen, mit denen es verbunden ist, hinsichtlich der Translationskräfte im Gleichgewicht befindet, wird die Fliehkraft durch nichtparallele, koplanare, radiale und axiale Rückwirkungskräfte ausgeglichen. Eine elementare Vektoranalyse ergibt, daß die auf die Endteile der einzelnen Leiterbänder wirkenden, axialen Rückwirkungskräfte stark herabgesetzt werden, wenn man anstelle von im wesentlichen geraden Leiterbändern bogenförmige Leiterbänder verwendet. Bei der Verwendung eines einzigen gekrümmten Bandes werden die Rückwirkungs-

- 5 - kräfte

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kräfte zwar herabgesetzt, doch können selbst diese herabgesetzten axialen Rückwirkungskräfte noch unzulässig stark sein, wenn sie auf druckempfindliche Elemente einwirken, die gleichmäßig belastet werden müssen. Infolgedessen verwendet man zwei Leiterbänder, von denen das eine konkav und das andere konvex gekrümmt ist, so daß die auf die beiden Leiterbänder einwirkenden, axialen Rückwirkungskräfte einander aufheben. Die gekrümmten Leiterbänder sind vorzugsweise identisch, können aber auch verschiedene Bogenlängen oder verschiedene Krümmungsradien haben, wenn dadurch der Zusammenbau erleichtert wird. In diesem Fall müssen jedoch die Massen der beiden Bänder so verändert werden, daß an der Verbindungsstelle zwischen den Endteilen der Leiterbänder gegengleiche axiale Rückwirkungskräfte erzeugt werden.

Die Verwendung von gekrümmten Bändern hat den Vorteil, daß die Anordnung mit viel schwächeren Rückwirkungskräften hinsichtlich der Translationskräfte im Gleichgewicht gehalten werden kann. Man kann nachweisen, daß die Größe der Rückwirkungekraft F_R, die am Endpunkt eines gekrümmten Teils auftritt, auf den eine Kraft F. einwirkt, durch folgende Beziehung angegeben werden kann

sin β

Dabei ist ο der Neigungswinkel des Teils an der betrachteten Stelle. Bei dem Grenzwert β ^s γ beträgt d
die Hälfte der ausgeübten Kraft.

dem Grenzwert β = ττ beträgt die Rückwirkungekraft F_ daher annähernd

^Λ it

Zur Bestimmung der optimalen Krümmung des bogenförmigen Teils kann man von einer Beanspruchung ausgehen, die bei einer vorherbestimmten Drehzahl erreicht werden soll und bei der die auf das rotierende Leiterband ausgeübte Spannung innerhalb der dem Entwurf zugrundeliegenden Grenzen gehalten wird. Wenn der bogenförmige Leiterteil in bezug auf die Drehachse konvex angeordnet ist, besteht eine Tendenz zum Zusammenziehen der

- β - Leiter -

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Leiter enden und sind die axialen Komponenten der Rückwirkungskräfte einwärts zum Mittelpunkt des Leiters hin gerichtet. Zur Aufhebung dieser axialen Rückwirkungskräfte wird nun ein zweites bogenförmiges Leiterband verwendet, das in bezug auf die Drehachse konkav angeordnet ist, so daß zwei einander gegenüberliegende Leiter vorhanden sind, von denen der eine konkav und der andere konvex ist. Beim Umlauf des konkaven Leiters besteht eine Tendenz, dessen Enden auseinanderzudrücken, so daß eine axiale Rückwirkungskraft auftritt, die von dem Mittelpunkt des Leiters weg auswärts gerichtet ist. Die Masse jedes Leiterbandes wird so gewählt, daß gegengleiche Rückwirkungskräfte erzeugt werden. Diese Leiterbandanordnung ist daher fliehkraftbedingten Beanspruchungen gewachsen und übt auf die mit ihr verbundenen Elemente keine axiale Belastung aus.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt;

Fig. 1 als teilweise geschnittene Teilansicht einen Gleichrichtermodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 als Teilansicht einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. Ij

Fig. 3 in einer isometrischen Darstellung zwei einander gegenüberliegende Leiter, von denen der eine konkav und der andere konvex angeordnet ist;

Fig. 4 im Vertikalschnitt zwei einander gegenüberliegende Leiter, von denen der eine konkav und der andere konvex angeordnet ist, mit einer Darstellung der axialen und radialen Belastungen.

- 7 - In allen

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In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Be züge zeichen versehen.

Wie vorausstehend angedeutet wurde, wird die Erfindung anhand eines Gleichrichtermoduls erläutert. Mehrere dieser Module bilden einen rotierenden Gleichrichter. Ein Gleichrichtermodul 30 gemäß dem bevorzugten AusfÜhrungsbeispiel ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.

Mit der Welle 10 sind ein nicht gezeigter Anker und ein in Fig. 1 dargestelltes Gleichrichterrad 20 drehfest verbunden.

An dem Gleichrichterrad 20 sind mehrere Gleichrichtermodule 30 befestigt. Jeder Gleichrichtermodul 30 besitzt einen leitenden Träger 31^ der vorzugsweise von einem hohlen Behälter, beispielsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einem rechteckigen Kasten, gebildet wird und vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen Leitermaterial von geeigneter Festigkeit besteht. In dem leitenden Träger 31 kann eine nicht dargestellte Kondensatoranordnung vergossen sein.

Auf jedem Träger 31 sind eine oder mehrere Diodenanordnungen angeordnet. In dem dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Diodenanordnungen vorgesehen. Jede Diodenanordnung besitzt eine scheibenförmige Druckkontakt-Gleichrichterdiode 33 und zwei Wärmeableiter 32 und 34. Die Wärmeableiter können aus je einem Block aus Aluminium oder Kupfer oder aus einem anderen geeigneten elektrisch und wärmeleitenden Material bestehen, das für die Verwendung als Wärmeableiter geeignet ist. Jeder Wärmeableiter ist an seinem Umfang vorzugsweise mit den dargestellten Rippen versehen, welche die Abstrahlfläche und die Wärmeableitleistung vergrößern. Die Masse der Wärmeableiter ist so gewählt, daß bei der normalen Betriebsdrehzahl der rotierenden Gleichrichteranordnung die auf eine Diode 33 einwirkende Kraft so groß ist, daß der erforderliche elektrische Kontaktdruck und die erforderliche Strombelastbarkeit erhalten werden, aber nicht größer als die kleinste Kraft, die zu einer mechanischen Beschädigung der Diode führen

- 8 - würde.

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würde. Der obere Wärmeableiter 34 steht mit dem leitenden Träger 31 direkt in Berührung. Die Diode 33 steht mit den Wärmeableitern 32 und 34 elektrisch in Kontakt.

Jeder Gleichrichtermodul kann auch mit einer Sicherung 36 versehen sein. Dabei kann jede Sicherung verwendet werden, die bei hoher Drehzahl einwandfrei arbeitet. Die Sicherung 36 ist an dem Träger 31 mit Hilfe einer Schelle 37 befestigt und hat einen oberen Anschlußteil 39, der mit dem Gleichrichterrad 20 verbunden werden kann und zu diesem Zweck eine Bohrung zur Aufnahme einer Schraube 40 besitzt, die vorzugsweise in einem Felgenteil 22 des Gleichrichterrades 20 festgelegt ist.

Die Elemente des Gleichrichtermoduls 30 sind elektrisch miteinander durch einen Kupferbandverbinder 50 verbunden, der sich quer über die Anordnung erstreckt. Der Verbinder 50 ist zwischen den Modulelementen allgemein bogenförmig ausgebildet und besitzt dort einen bogenförmigen Teil 52, der in bezug auf die Drehachse konvex angeordnet ist. Ein zweiter bogenförmiger Teil 51 ist in bezug auf die Drehachse konkav angeordnet. Die beiden bogenförmigen Teile bilden daher zwei einander gegenüberliegende Leiter, von denen der eine konvex und der andere konkav ist und die die aus der Druckkontaktdiode und den Wärmeableitern bestehende Anordnung mit dem unteren Anschlußteil 38 der Sicherung 36 verbinden.

Aus den Figuren 1 und 3 geht hervor, daß die beiden einander gegenüberliegenden Leiter, von denen der eine konkav und der andere konvex angeordnet ist, bewirken, daß die radialen und axialen Rückwirkungskräfte, die auf die nicht abgestützten Leiterbandteile 51, 52 wirken, innerhalb vorherbestimmter, dem Entwurf zugrundeliegenden Grenzen bleiben und daß im wesentlichen keine axialen Rückwirkungskräfte auftreten, welche zu einer ungleichmäßigen Belastung der Diode 33 führen würden. Die Endteile des Verbinders 50 liegen satt an der Fläche des Wärmeabieiters 32 und des unteren Anschlußteils 38 der Sicherung 36. Beide Endteile haben kreisförmige öffnungen 53, durch die sich eine Schraube 35 erstreckt, welche die End-

- 9 - teile

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teile des Verbinders 50 in elektrischer und mechanischer Verbindung mit den Modulelementen hält.

In den Zeichnungen ist nur der Modul 30 gezeigt. Es versteht sich, daß um den ganzen Innenumfang des Diodenrads 20 herum ebenso ausgebildete Module symmetrisch angeordnet sind.

- 10 - Patentansprüche

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Claims

WS30P-1316 Patentansprüche

Iy Einrichtung zum mechanischen Verbinden von zwei oder mehreren im Abstand voneinander angeordneten und auf einem um eine Achse drehbaren Rad befestigten Elementen miteinander, gekennzeichnet durch ein elastisches Glied, das zum Angriff an den im Abstand voneinander angeordneten Elementen geeignete Endteile und zwei einander gegenüberliegende, bogenförmige Halbteile (51, 52) besitzt, wobei der eine Halbteil relativ zum anderen konkav ist und jeder Halbteil einen vorherbestimmten Querschnitt, eine vorherbestimmte Länge, eine vorherbestimmte Masse und einen vorherbestimmten Krümmungsradius hat.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Masse des ersten Halbteils ausgeübte, axiale Rückwirkungskraft einer von der Masse des zweiten Halbteils ausgeübte, axiale Rückwirkungskraft entgegenwirkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied ein Leiter für elektrischen Strom ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile des elastischen Gliedes elektrisch mit einer scheibenförmigen Diode und einer Sicherung verbunden sind, und daß die Diode und die Sicherung im Abstand voneinander angeordnet und an einem Gleichrichterrad einer rotierenden Gleichrichteranordnung eines bürstenlosen Erregersystems befestigt sind.

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