DE3006330A1

DE3006330A1 - Elektrische hochstrommaschine

Info

Publication number: DE3006330A1
Application number: DE19803006330
Authority: DE
Inventors: Ian R Mcnab; Philip Reichner
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1981-01-29
Also published as: IT8041530A0; IT1154173B; US4277708A; GB2052880A; JPS638593B2; CH653491A5; GB2052880B; JPS566390A; FR2460053B1; FR2460053A1; DE3006330C2

Description

Bei vielen elektrischen Maschinen ist es notwendig, zwischen zwei relativ zueinander sich bewegenden Teilen einen elektrisch leitenden Weg zu schaffen. Beispielsweise ist es bei dynamoelektrischen Maschinen üblich, eine Bürste oder ein elektrisch leitendes Material zu benutzen, das auf der Oberfläche eines Schleifrings oder Kommutators gleitet, tun einen Stromweg zwischen dem Motor und einem externen Anschluß zu schaffen. Ein prinzipielles Erfordernis einer derartigen Bürste ist das, daß sie in der Lage sein muß, einen hohen Strom pro Flächeneinheit der Zwischenfläche zwischen der Bürste und der Oberfläche, die sie berührt, zu ermöglichen, außerdem sollte hohe Abriebfestigkeit und niedrige Reibung vorhanden sein.

Kohlenstoff, Graphit oder Kohlenstoff-Metall-Blöcke wurden für Bürsten bisher benutzt. Diese Blöcke waren begrenzt auf Strom-

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dichten von etwa 100 A/Zoll oder 15,5 A/cm , und zwar für zufriedenstellenden Betrieb in Luft. Mit derartigen Bürsten steht jedoch typischerweise nur etwa 1/10.000 der Bürstenstirnoberflache als tatsächliche Kontaktzwischenfläche für den Strom-

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Übergang zur Verfügung. Dies beruht auf Oxidfilmen, die im Bereich des Zwischenflächenkontaktes vorhanden sind, auf irregulärer Bürsten- und Schleifringoberflächentopographie sowie der Ansammlung von Oberflächenschmutz. Hohe Andruckkräfte zur Verbesserung des Bürstenkontaktes führten zu hohem Abrieb und zu hoher Reibung.

In der US-PS 3 668 451 sowie der US-PS 3 886 386 sollen Kontaktprobleme dadurch gelöst werden, daß aus mehreren Elementen bestehende Bürsten benutzt werden, die aus umschlossenen und mit Metall beschichteten, eng gepackten, selbst nicht leitenden Fasern aus Aluminiumoxid oder Bornitrit bestehen, oder aus langgestreckten, plattierten oder nichtplattierten leitfähigen Kohlenstofffasern. Diese Bürsten lieferten ein gutes Kontaktflächengebiet zusammen mit hoher Festigkeit und Flexibilität. Sie konn-

2 ten für Stromdichten in der Größenordnung von etwa 1000 A/Zoll

C155 A/cm ) benutzt werden bei ununterbrochenen Gleitgeschwindigkeiten von bis zu etwa 18.000 Fuß/min (91,5 m/s).

Es wurden auch Versuche unternommen, den hohen Abrieb sowie den Spannungsabfall zu beseitigen, der durch Oxidfilme entsteht, wobei z. B. als Kühlmedium Wasserstoffgas in Verbindung mit der Einführung einer kleinen Menge von Quecksilberdampf in das nicht oxidierende Kühlgas angewendet wurde, siehe die US-PS 1 922 191. In jüngerer Zeit wurde Luft - konditioniert mit Alkoholen, Äthern, Estern oder Ketonen - zur Kühlung und zur Schmierung von Bürsten von Gleichstromgeneratoren und -motoren bei hochfliegenden Flugzeugen und beim Betrieb in getrockneter Luft angewendet, wie durch die US-PSen 2 662 195 und 2 703 372 gelehrt wird.

Innerhalb der letzten 15 Jahre richtete sich viel Interesse auf die Entwicklung von homopolaren Maschinen für den Schiffsantrieb oder für Impulsbetriebschweißleistungsanlagen. Im allgemeinen sind dies Maschinen, bei denen das Magnetfeld und der in den aktiven Leitern fließende Strom bezüglich dieser Leiter die Richtung beibehalten, während sich die Maschine in stetigem

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Betrieb befindet.

Um hohen Wirkungsgrad und annehmbare Maschinengröße zu erhalten, müssen die Stromkollektorsysteme für diese hohen Strom führenden Rotormaschinen unter sehr schweren Bedingungen arbeiten. Die Stromdichtepegel an der Bürstenkontaktfläche von bis zu 5000 A/

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Zoll (775 A/cm ) bei fortlaufenden Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 20.000 Fuß/min (6.096 m/min). Maschinenanlagen mit Stoß-

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belastung können 25.000 A/Zoll (3.874 A/cm ) bei Gleitgeschwindigkeiten von 65.000 Fuß/min (19.800 m/min) erreichen, und zwar für Zeiten, die in der Größenordnung von Hunderten von Millisekunden liegen.

In der britischen Patentschrift 1 256 757 wird versucht, die Stromkollektorprobleme bei homopolaren dynamoelektrischen Maschinen dadurch zu lösen, daß ein sehr kompliziertes und kostspieliges Flüssig-Metall-Stromkollektorsystem der Natrium-Kalium-Bauart benutzt wird. Zwar liefern diese Flüssigmetall-Kollektorsysteme hohe elektrische Leitfähigkeit und Kontaktintimität, doch ergeben sich als Nachteile eine sehr schwierige Maschinenkonstruktion, Turbulenzen, Giftigkeit und Probleme bezüglich der Materialkompatibilität.

Um homopolare Hochstrommaschinen wie auch andere Hochstrommaschinenbauarten wirtschaftlich attraktiv zu machen, müssen neuartige Stromkollektor- und ümgebungseinrichtungen entwickelt werden, die einfach und billig sind und die die elektrischen Verluste sowie die Reibungsverluste der Stromsammlung auf ein Minimum bringen. Mit der vorliegenden Erfindung soll dies erreicht werden.

Gelöst wird dies dadurch, daß eine elektrische Hochstrommaschine geschaffen wird, die ein stationäres und ein bewegliches Glied sowie zumindest eine Stromkollektorbürste aufweist, die zwischen den Gliedern angeordnet ist und sich in reibendem Kontakt mit dem einen Glied befindet, wobei die Bürste aus einer Vielzahl von voneinender unabhängig biegsamen, elektrisch leitenden

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Metallfasern besteht, und daß das Gebiet des Reibkontaktes von der Luft abgeschirmt wird und diesem Gebiet ein nicht oxidierendes gasförmiges Medium zugeführt wird, das eine Menge Wasserdampf enthält, die wirksam ist, um einen Schmierfilm zwischen der Bürste und dem reibend berührten Glied bildet, um so einen Schmiereffekt zu liefern und den Abrieb auf dem Gebiet der Bürstenreibung möglichst klein zu machen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispxels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine umschlossene, trommelartige homopolare dynamoelektrische Maschine;

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung einen Bürstentestapparat, der in den Beispielen benutzt wurde; und

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung der Bürstenkonstruktion.

In Fig. 1 ist eine umschlossene, trommeiförmige, für hohen Strom geeignete homopolare dynamoelektrische Rotationsmaschine dargestellt. Die Theorie von homopolaren Maschinen reicht zurück bis 1831, als Michael Faraday den ersten homopolaren Generator an der Royal Society ausstellte. Faraday zeigte, daß eine Spannung dadurch erzeugt werden konnte, daß eine Scheibe zwischen den Polen eines Hufeisenmagnetes gedreht und der Strom am inneren Durchmesser wie auch am äußeren Durchmesser der Scheibe abgenommen wurde.

Ein Charakteristikum einer homopolaren Maschine ist das, daß die Ankerwicklung aus zwei Segmenten zusammengesetzt ist, wobei das eine rotiert und das andere stationär ist. Diese Konfiguration begrenzt die Anzahl der Windungen, die in der Wicklung benutzt werden können. Weil die Ankerwicklung daher nur eine kleine Anzahl von Windungen besitzt, arbeitet die homopolare

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Maschine mit niedriger Spannung und hohem Strom. Die Weiterentwicklung dieser Maschinen seit dem Jahre 1831 war nur begrenzt, weil die hohen Ströme über Gleitkontakte zwischen dem rotierenden und dem stationären Glied übertragen werden mußten.

Homopolare Maschinen können in zwei Gruppen aufgeteilt werden, in die Scheibenbauart und in die Trommelbauart. Für die Scheibenbauart wird ein axiales Magnetfeld durch einen Gleichstrommagneten erzeugt und von einem scheibenförmigen Rotor durchschnitten, der sich in einer Ebene senkrecht zum Feld bewegt. Während die Scheibe gedreht wird, wird in radialer Richtung aufgrund der ansteigenden Verkopplung mit dem Magnetfeld eine Spannung erzeugt. Indem auf den äußeren Durchmesser der Scheibe und im Zentrum der Scheibe Bürsten aufgelegt werden, kann eine elektrische Leistung abgezogen werden, die äquivalent ist zu der eingegebenen mechanischen Leistung abzüglich der mechanischen und elektrischen Verluste des Systems.

Für die in Fig. 1 dargestellte trommelartige homopolare Maschine wird ein radiales Magnetfeld durch die Gleichstrommagnetspulen im Stator 11 erzeugt, siehe die gestrichelten Pfeile, welches Magnetfeld von einem trommeiförmigen Rotor 12 durchschnitten wird. Während die Trommel rotiert, wird eine Spannung erzeugt. Wenn Bürsten 13 auf den beiden Enden des trommeiförmigen Rotors angeordnet werden, kann eine elektrische Leistung von diesem System über Zuleitungen 14 abgezogen werden. Eine Basis 15 sowie ein Gehäuse 16 sind ebenfalls gezeigt, zusammen mit einem Luftspalt 17, in dem, wenn der Rotor 12 rotiert, der leitende Weg des Rotors transversal zu den Magnetlinien des Kraftfeldes in dem Luftspalt sich bewegt. Die Bürsten 13 sind zwischen dem sich bewegenden Rotor 12 und einem stationären Glied angeordnet, das die Bürsten hält und in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Die massive trommelartige homopolare Maschine besitzt die gleichen elektrischen und mechanischen Begrenzungen, wie die massive scheibenförmige homopolare Maschine, bei der hohe ümfangsge-

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schwindigkeiten die Konstruktion der gleitenden elektrischen Bürstenkontakte 13 begrenzen. Die Spannung dieser Maschinen kann für den Scheibentyp dadurch erhöht werden, daß die Scheiben segmentiert werden und die Segmente zueinander in Serie geschaltet werden, oder indem mehrere Scheiben in Serie geschaltet werden. Für eine homopolare Maschine der Trommelbauart kann die Spannung dadurch erhöht werden, daß die Trommel segmentiert wird und die Segmente zueinander in Serie geschaltet werden, oder daß mehrere Trommeln in Serie geschaltet werden. Der Ausdruck "homopolare Maschine" soll somit auch alle diese verschiedenen Bauarten mit umfassen.

Bei der dynamoelektrischen Maschine 10 wird Strom dadurch übertragen, daß eine Bürste benutzt wird, die aus mehreren Elementen besteht und eine große Anzahl von flexiblen, d. h. mechanisch voneinander unabhängigen Pasern zusammengesetzt ist, die an einem geeigneten Kontaktanschluß arbeiten, in Verbindung mit einer feuchtigkeitsgesteuerten nicht oxidierenden Atmosphäre. Die biegemäßig voneinander unabhängigen Fasern sind jeweils flexibel und können sich frei und unabhängig bewegen. Sie werden an ihrem Kontaktende auseinandergespreizt und werden nicht dadurch zusammengepreßt, daß sie miteinander verdrillt sind oder in einen Mantel eingehüllt sind. Die Bürsten 13 werden mit einem Druck oder einer Kraft angepreßt, so daß sie in Kontakt mit der Rotorzwischenfläche an der Oberfläche des Schleifrings stehen. Die Bürsten stellen einen geeigneten mechanischen und elektrischen Kontakt mit einem Schaltkreis her, der durch angebrachte Leiter 14 gebildet wird. Der Trommelrotor 12, in Fig. dargestellt, kann, wenn er aus Stahl besteht, einen aus Aluminium, Kupfer oder anderem hochleitendem Material bestehenden Rand 19 besitzen, der an der äußeren Oberfläche der Trommel angebracht ist.

Die Bürste 13 besteht aus einer Vielzahl von Elementen, im allgemeinen 5 bis 10.000.000. Zwar sind einzelne Bürsten 13 als stationäres Teil der Maschine dargestellt, doch könnten die Bürsten von kreisförmiger Konfiguration sein und um ein rotie-

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rendes Glied angeordnet sein, wie beispielsweise um die Peripherie des Rotors, und könnten mehrere 100.000.000 Einzelelemente umfassen. Geeignete Fasern werden aus Metallen wie Silber, Rhodium, Ruthenium, Gold, Kobalt, Aluminium, Molybdän, Kupfer und deren Legierungen ausgewählt. Kupfer wird vorgezogen. Die Fasern, wenn sie kreisförmigen Querschnitt besitzen, werden eine Dicke bzw. einen Durchmesser haben, der zwischen 10 und 1000 χ 10 m liegt. Im vorliegendem Falle soll mit "Dicke", die auch den Durchmesser umfaßt, ein Maß gemeint sein, das sowohl bei kreisförmigen Konfigurationen wie auch bei rechteckigen Konfigurationen benutzt wird. Die Fasern werden freie Längen von vorzugsweise 2 bis 25 mm aufweisen.

Faserdicken von 10 χ 10 m liefern sehr brüchige Bürsten und erfordern sehr kurze Längen oder verringerte Andruckkräfte, wobei diese Art Bürsten nur einen schlechten Bürstengleitringkontakt aufgrund von Rotorexzentrizitäten wie auch aufgrund von Schmiermittelfilmaufbau zwischen Bürste und Schleifring ermöglicht. Faserdicken von mehr als 1000 χ 10 m führen zu steifen Bürsten, die extrem lange Elemente erfordern können und eine erhöhte Andruckkraft für guten Bürsten-Schleifring-Kontakt erfordern. Dies kann zu einem Durchbruch von Fasern durch den Schmierfilm führen, was zu übermäßigem Wärmeaufbau und Abrieb führt. Der Schleifring 18 kann aus Metallen oder Legierungen hergestellt sein, die weiter oben für die Bürsten aufgelistet wurden, vorgezogen wird Kupfer oder mit Silber plattiertes Kupfer. Die mechanische von den Fasern berührte Last auf dem Schleifring oder der anderen beweglichen Oberfläche

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ist kritisch und muß zwischen 1 χ 10 bis 1 χ 10 lb/Faser liegen, bzw. 0,45 χ 10~ bis 0,45 χ 10~ kg/Faser. Werte von über 1 χ 10 lb/Faser (0,45 χ 10 kg/Faser) können ein Durchbrechen des Schmierfilms verursachen. Werte unterhalb von 1 χ 10 lb/Faser (0,45 χ 10~ kg/Faser) können eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit bewirken.

In Kombination mit den Vielfachelementbürsten wird eine gesteuerte Betriebsumgebung innerhalb des Gehäuses aufrecht erhalten, wie

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beim Spalt 17. Um einen Betrieb ohne IsolierfUmbildung, übermäßigen Hitzeaufbau und Bürstenabnutzung sicherzustellen, muß eine sauerstofffreie, angefeuchtete Atmosphäre hoher thermischer Leitfähigkeit benutzt werden, wobei die Atmosphäre aus einem Gas wie Kohlendioxid, Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff allein oder in Mischung besteht.

Das angefeuchtete nicht oxidierende Gas kann innerhalb der Maschine vollständig umschlossen sein, oder es kann fortlaufend durch die Maschine hindurchgeführt werden, wie beispielsweise durch Zuführung an Einlassen 20 und Abzug an Auslässen 21. Das angefeuchtete Gas muß die Zwischenfläche zwischen der Bürste und dem rotierenden Glied berühren und in diese eindringen, um einen Schmiereffekt zu bewirken. Das in dem Gas vorhandene Wasser muß in einer Menge vorliegen, die ausreicht, um eine Adsorption eines extrem dünnen Wasserdampffilms auf der Oberfläche der Bürste und des Schleifrings zu ermöglichen, wodurch sich Schmiereigenschaften zwischen der Bürste und dem Schleifring ergeben. Es wird angenommen, daß die Dicke dieses H_0-Films in der Größenordnung von 1 bis 10 Molekülen liegt und vorzugsweise im wesentlichen ununterbrochen ist. Im allgemeinen wird der Teildruck des Wasserdampfes in dem Gas größer als die Eispunktsättigung sein, von 0,09 bis 0,36 psi Raumtemperatur-

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Sättigung (0,0063 bis 0,0253 kg/cm ). Unterhalb eines Teildruk-

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kes von 0,09 psi (0,0063 kg/cm ) Eispunktsättigung kann der

gebildete Schmierfilm unterbrochen sein und geringen Schmier-

effekt zeigen. Oberhalb von 0,36 psi (0,0253 kg/cm ) Raumtemperatursättigung könnte der Film dazu neigen, die Stromübertragung an der Bürsten-Schleifring-Zwischenfläche zu behindern und in ungeheizten Bereichen der Maschine könnte Kondensation auftreten.

Die Anwendung von Bürstenfasern, die gute thermische Leitfähigkeit besitzen, und die Bildung des für niedrige Kontaktreibung sorgenden Schmierfilms an der Bürstenfläche liefert typischerweise eine durchschnittliche Bürsten-Zwischenflächen-Kontakttemperatur mit dem Schleifring von 75° C bis 200° C.

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Der Ausschluß von Luft verhindert starke Oxidation und die zugehörige hohe Abriebrate bzw. den hohen Kontaktfilmwiderstand, abhängig von der Beziehung zwischen der mechanischen Belastung und der mechanischen Festigkeit des Oberflächenfilms. Es wird angenommen, daß die Einführung von Wasserdampf auf dem rotierenden Schleifring und an der Bürstenfläche, wo diese das rotierende Glied berührt, einen gesteuerten Zwischenflächenfilm erzeugt, und zwar aufgrund von Physisorption oder Chemiesorption, was für einen erfolgreichen Betrieb notwendig ist.

Die Aufteilung der Bürste in viele im wesentlichen parallele und mechanisch voneinander getrennte und biegemäßig voneinander unabhängige metallische Elemente, wie in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt, ermöglicht eine entsprechende Dispersion der mechanischen Kraft über die gleitende Zwischenfläche. Flexibilität und die Freiheit zu unabhängiger Bewegung für jede Faser ist erforderlich, um eine gleichförmige Lastverteilung sicherzustellen und zu erlauben, Unregelmäßigkeiten der Schleifringoberfläche zu folgen. Jedes Element kann dann als ein getrennter Kontakt angesehen werden, mit einer stark verringerten Kraft. In Kombination mit dem oben beschriebenen Schmierfilm ermöglicht dies der metallischen Oberfläche, ausreichend nahe zu gleiten, um eine Elektronenleitung durch den schmierenden Zwischenfilm zu ermöglichen, wobei jedoch im wesentlichen inniger metallischer Kontakt und örtliches Verschweißen verhindert wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer homopolaren elektrischen Maschine beschrieben wurde, läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch in vorteilhafter Weise bei jeder anderen Art von rotierender oder linear sich bewegender elektrischer Maschine oder Einrichtung anwenden, beispielsweise bei großen Motoren, die einen elektrisch leitenden Weg zwischen zwei Teilen erfordern, bei denen das eine oder beide Teile relativ zueinander sich bewegen. Somit kann die Bürste auch entweder an das stationäre oder an das bewegliche Teil angebracht werden.

Im folgenden seien verschiedene Testuntersuchungen beschrieben.

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Test 1

Eine aus einem einzigen Bündel bestehende Faserbürste wurde in einem einfachen durch Schwerkraft Andruck erzeugenden Stromkollektorsystem getestet, siehe Fig. 2. Das System wurde in eine abgedichtete Kammer eingeschlossen, um die Atmosphäre steuern zu können. Die Bürste war ein von Hand ausgebreitetes Kupferkabel und bestand aus 168 separaten Kupferelementen, jeweils mit einem Durchmesser von 127 χ 10 m. Die Erstreckung der Elemente der Bürste vom Halter betrug etwa 8 mm. Jedes Kupferfaserelement war mechanisch und biegemäßig von anderen Faserelementen unabhängig.

Das Kabel 40, in Fig. 2 und 3 der Zeichnungen dargestellt, paßte in einen Kupferhalter 41, der an einem Andruckarm 42 befestigt war. Das ausgebreitete Bürstenende 43 sprang von der Vorderseite des Halters vor und bestand aus unabhängigen, im wesentlichen parallelen Fasern. Eine Feststellschraube 44 blockierte die Bürste in der Teststellung, ermöglichte aber eine periodische oder fortlaufende Zufuhr durch den Halter, um die Bürste zu erneuern und Bürstenabrieb zu berücksichtigen und zu ersetzen, indem das Kabel 40, das auch als Stromnebenschluß benutzt wurde, vorgeschoben wurde. Der Nebenschluß war so angeordnet, daß seine Effekte auf die Bürstenkontaktkraft möglichst klein gemacht wurden, wobei die Bürstenkontaktkraft gemessen wurde, nachdem die elektrischen Verbindungen vollständig waren. Die abgedichtete Kammer ist nicht dargestellt.

Die Bürste 43 wurde in einem Winkel von etwa 45 relativ zu der Schleifringoberfläche 45 angeordnet, die einen Durchmesser von 82,6 mm aufwies. Die verwendeten Schleifringe bestanden entweder wus massivem Kupfer oder aus mit Silber plattiertem Kupfer. Die Bürstenfläche wurde der Krümmung des Schleifrings angepaßt, um so einen guten Kontakt an der Zwischenfläche 46 zwischen Bürste und Schleifring zu erhalten, wobei 240 Grit Aluminiumoxidtuch verwendet wurde, das mit der Abriebseite nach außen um die Peripherie des rotierenden Schleifringes herum-

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gewickelt wurde. Der Bürstenabrieb wurde durch einen Abriebsensor, bei 47 dargestellt, gemessen. Nachdem die richtige Krümmung auf der Bürstenoberfläche hergestellt war und das Schleiftuch entfernt war, wurde der Spannungsabfall zwischen der Schleifringoberfläche und dem Bürstenhalter gemessen.

Die meisten der Kontaktspannungsabfalltests wurden mit angefeuchtetem Kohlendioxidgas oder Argon als nicht oxidierendem gasförmigem Medium durchgeführt. Ein ununterbrochener Strom von angefeuchtetem, nicht oxidierendem Gas wurde durch die Kammer hindurchgeleitet, in der der Druck im wesentlichen atmosphärischer Druck war, um einen ununterbrochenen Schmierfilm auf der Zwischenfläche zwischen Bürste und Schleifring zu erhalten. Der Teildruck des Wasserdampfes betrug 0,36 psi

(0,0253 kg/cm Raumtemperatursättigung). Die Schleifringgeschwindigkeit wurde meist auf 2.380 Fuß/min (725 m/min) gehalten, entsprechend einer Drehzahl von 2.800 U/min für den Schleifring. Die Bürste war bezüglich des Schleifrings positiv. Die Stromdichten wurden berechnet aufgrund des Querschnitts einer jeden Faser. Die Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle angegeben, meist für Laufzeiten von 2 Stunden:

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	Tabelle 1	Gleitgeschw. (Fuß/min)	Anz. der Bürsten fasern (Cu)	Schleifring oberfläche	Wasserdampf- belad. Gas	Spannungs abfall (mV)	Gesamte Kontakt druckkraft (Ib)	I ui ■
	Stromdichte (A/Zoll^)	2.380	168	Cu	co₂	48	0.038	I
	8.000	2.380	168	Ag	CO₂	14	0.040
	8.000	2.380	168	Ag	Ar	14	0.040
O	8.000	2.980 2.380	168 168	Ag Ag	co₂ co₂	9 125	0.063 0.049
30065.	8.000 65.000
fO59

Die Faserkontaktbelastung betrug etwa 2,4 χ 10 lb/Faser

(1,1 χ 10 kg/Faser). Diese Daten einer simulierten Hochstromumgebung für eine rotierende Maschine zeigen sehr niedrige Spannungsverluste für den Kupferschleifring und außerordentlich gute Resultate für den silberplattierten Schleifring, wenn entweder angefeuchtetes Kohlendioxidgas oder Argongas benutzt wird.

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Zum Vergleich mit der Faserbürste bei 8.000 A/Zoll (1.2 40 A/cm ) lag die durchschnittliche Bürstenzwischenflächen-Kontakttemperatur gut unterhalb von 200 C, wodurch sich zeigt, daß ein schmierender Wasserdampffilm gebildet wurde und daß die Verwendung einer Vielzahl von unabhängigen, thermisch gut leitenden Fasern den Wärmeaufbau gut ableitete. Nach jedem Test wurde die Bürstenoberfläche untersucht und in jedem Falle zeigte sich minimaler Abrieb mit keiner erkennbaren Oxidation und Verschweißung von

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Fasern. Im Falle von 65.000 A/Zoll (10.075 A/cm ), wobei nach etwa zwei Stunden Laufzeit der Strom oberhalb von 60.000 A/Zoll'

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(9.300 A/cm ) lag, überschritt die Zwischenflächentemperatur

300° C und es wurde eine gewisse Deformation der Bürste bemerkt. Jedoch zeigte der Test, daß der Betrieb der Bürsten und des Schleifringes für kurze Zeitperioden selbst bei außerordentlich hohen Strömen erreicht werden kann.

Wenn der Teildruck des Wasserdampfes in dem Kohlendioxidgas

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auf 0,09 psi (0,0063 kg/cm ) (Eispunktsättigung) reduziert wurde, trat eine leichte Aufrauhung der Bürstenspur auf der Schleifringoberfläche auf, und die Spannungsabfallmessungen begannen uneinheitlich zu werden. Eine Teildruckreduzierung unter diesen Wert würde vergrößerte Aufrauhung der Kontaktoberfläche und erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand erzeugen.

Die Einführung von Raumluft erzeugte sehr stark schwankende Messungen des Kontaktspannungsabfalls sowie schnellen Abrieb der Bürste und der Schleifringoberfläche. Somit ist es die Kombination des verwendeten Gases und der Menge des vorhandenen Wasserdampfs, die einerseits für die Schaffung einer Gleitkontakoberflache niedriger Reibung sorgt, andererseits immer noch eine wirksame Stromübertragung ermöglicht.

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Test 2

Eine Vielfachbündelfaserbürste wurde in einem Bereich von Stromdichten und Gleitgeschwindigkeiten untersucht. Das Testgerät war etwas größer, doch war der Betrieb ähnlich dem des Beispiels 1, und es wurden ähnliche Faserkontaktbelastungen aufrecht erhalten. Jedoch bestand die Bürste aus 15 Bündeln (3 Reihen von 5 Bürsten), wodurch 2520 von Hand ausgebreitete getrennte Kupferelemente mit jeweils einem Durchmesser von 5 χ 10 Zoll (O_f127 mm) und einer ungefähren Länge von 0,31 Zoll (7_f87 mm) geliefert wurden. Die Bürste wurde zu einer rechteckigen Form zusammengesetzt, um sie in einem herkömmlichen Halter einpassen zu können. Jedes Faserelement war mechanisch und biegemäßig unabhängig. Die Enden des Bürstenkabels waren verlötet, um zwei Stromnebenschlüsse zu bilden. Die Bürstenoberfläche war an die Schleifringoberfläche konturmäßig angepaßt, wie bei Beispiel 1 dargestellt.

Die Vielfachbündelbürste wurde in einem Winkel von ungefähr 45 bezüglich der Oberfläche des Kupferschleifrings angeordnet, der einen Durchmesser von 356 mm aufwies. Die Ergebnisse der Kontaktspannungsabfalltests sind in der untenstehenden Tabelle für meist zweistündige Laufperioden wiedergegeben:

Tabelle 2

Stromdichte Gleitgeschw. Anz.Burst. Schleif- Wasser- Spanngs. (A/Zoll²) (Fuß/min) Eiern. (Cu) ringoberfl. dampfbei. Abfall

Gas (mV)

4.000	2,	380	2,520	Cu	co₂	35
8.000	2,	380	2,520	Cu	co₂	43
10.000	2,	380	2,520	Cu	co₂	60
15.000	9,	840	2,520	Cu	CO₂	80

Diese Daten einer simulierten Hochstrom-Drehmaschinenumgebung unter Verwendung von Vielfachbündelbürsten - wie es vermutlich kommerziell durchgeführt werden würde - zeigen niedrige Spannungs-

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Verluste an den Kupferschleifringen sowohl bei 4.000 A/Zoll

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(620 A/cm ) bei Geschwindigkeiten von 2.380 Fuß/min (725 m/min)

und bei 15.000 A/Zoll² (2-325 A/cm²) bei 9.600 Fuß/min (2.926 m/min) .

In allen Fällen betrug die durchschnittliche Bürstenzwischenflächenkontakttemperatur weit weniger als 200 C₁ was zeigt, daß der gebildete ununterbrochene Schmierfilm und die Benutzung einer Vielzahl von thermisch gut leitenden Fasern die aufgebaute Wärme gut ableitete. Nach jedem Test wurde die Bürstenoberfläche untersucht und zeigte in jedem Falle minimale Abnutzung mit keiner sichtbaren Oxidation oder Verschweißung der Fasern.

Die Benutzung von Silberfasern oder anderen Faserarten oder die Verwendung von anderen Schleifringoberflächen als die oben erwähnten würde ähnliche ausgezeichnete Ergebnisse liefern, wie auch die Verwendung von anderen angefeuchteten nicht oxidierenden Atmosphären als die vorstehend erwähnten.

ES/zn/mi 4

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Claims

Patentansprüche :

Elektrische Hochstrommaschine, bestehend aus einem stationären Glied und einem beweglichen Glied und zumindest einer Stromkollektorbürste, die zwischen den Gliedern angeordnet ist und mit dem einen Glied in Reibkontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (10) eine Stromkollektorbürste (13) aufweist, die aus einer Vielzahl von biegemäßig unabhängigen, elektrisch leitenden Metallfasern besteht, wobei die Fläche des Reibkontaktes von Luft abgeschirmt ist und dem Gebiet ein nicht oxidierendes gasförmiges Medium geliefert wird, das eine Menge an Wasserdampf enthält, die wirksam einen Schmierfilm zwischen der Bürste (13) und dem reibend berührten Glied bildet, um einen Schmiereffekt zu erreichen und die Abnutzung im Gebiet der Bürstenreibung möglichst klein zu machen.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Faserbelastung der Bürste (13) auf dem Gebiet

des Reibkontaktes zwischen 0,45 χ 10 kg/Faser und

_2
0,45 χ 10 kg/Faser liegt.

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Postscheck! Berlin west (BLZ 10010010) 132736-109-OEUTSCHEeANK(BLZSOOrOOIO) 6160253
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht oxidierende gasförmige Medium aus Kohlendioxid, Argon, Helium, Stickstoff und/oder Wasserstoff besteht.
4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste (13) Metallfasern umfaßt, die aus Kupfer, Silber, Rhodium, Ruthenium, Gold, Kobalt, Aluminium, Molybdän und/oder Legierungen daraus bestehen, daß die Fasern eine Dicke von 0,01 - 1 mm und eine Länge von 2-25 mm aufweisen.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teildruck des Wasserdampfes in dem nicht

oxidierenden gasförmigen Medium oberhalb von etwa

2 0,0063 kg/cm liegt.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenfasern ununterbrochen dem kontaktierenden Glied zugeführt werden, um Bürstenabnutzung am Punkt des Reibkontaktes zu ersetzen.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkollektorbürste (13) an dem beweglichen Glied befestigt ist und sich in Reibkontakt mit dem stationären Glied befindet.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkollektorbürste (13) an einem stationären Glied (11) angebracht ist, daß das sich bewegende Glied ein Rotor (12) ist und daß der Rotor (12) eine Kupferbürste (13) berührt.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (10) homopolar ist, daß das nicht oxidierende gasförmige Medium Kohlendioxid ist, daß der Dampfdruck des Wasserdampfes in dem gasförmigen Medium von 0,0063 -

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0,025 kg/cm reicht, und daß die durchschnittliche Bürsten-

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temperatur an der Kontaktoberfläche mit dem Rotorschleifring (18) unterhalb von 200° C liegt.

Beschreibung:

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