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Periodisch arbeitendes Kontaktgerät, insbesondere für Umformer, Stromrichter
oder elektrische Maschinen Kontaktgeräte für periodische Kontaktgabe, wie sie beispielsweise
bei mechanischen Stromrichtern vorkommen, können mit Vorteil mit wälzender Kontaktgabe
ausgeführt werden; da sich bei dieser Ausführung jegliche der Schmierung bedürfenden
Getriebeteile vermeiden lassen. Zu besonders einfachen Konstruktionen kommt man,
wenn man den Antrieb unmittelbardurch ein Drehfeld, insbesondere durch ein magnetisches
Drehfeld, bewerkstelligt.
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Der die wälzende Kontaktgabe bewirkende Anker besteht dabei aus zwei
Teilen, nämlich aus dem eigentlichen Stromabnehmer und aus dem zum Antrieb dienenden
Magnetkern mit den notwendigen Konstruktionsteilen zur Halterung. Außerdem kann
es notwendig sein, eine zusätzliche Schwungmasse anzubringen, die die notwendige
Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Bewegung des Ankers sicherstellt und
durch ihre Massenkraft den Kontaktdruck erhöht. Bei Verwendung derartiger Geräte
für mechanische Stromrichter großer Stromstärke wendet man zur Vermeidung von Schaltfeuer
mit Vorteil die für mechanische Stromrichter bekanntgewordenen Mittel zur Entlastung
der Kontaktgabe von Schaltfeuer an, wie z. B. Primärventile, saugtransformatorähnliche
Drosseln, Schaltdrosseln, Löschkondensatoren, Vorerregung,
Einschaltdrosseln,
induzierte Fremdspannungen, Kommutierungswiderstände usw. Alle diese Mittel schließen
im. allgemeinen die Möglichkeit nicht aus, daß in gewissen Störungsfällen vorübergehend
an den Kontakten- Schaltfeuer auftritt. Durch das Schaltfeuer werden Teile der aufeinander
wälzenden Kontaktoberflächen geschmolzen und verformt, so daß das regelmäßige Abwälzen.
der Kontakte aufeinander gestört wird. Durch Unebenheiten in den Kontaktbahnen wird
der Anker, falls er in sich starr ist, gezwungen, zusätzlich schwingende Bewegungen
über die Unebenheiten der Kontaktbahnen hinweg auszuführen. Die mit diesen zusätzlichen
Bewegungen verbundenen Massenkräfte können so groß sein, daß sie zu Prellerscheinungen
führen, oder sie können zu derartigen örtlichen Kontaktdrücken führen, daß das-Kontaktmaterial
zerstört, z. B. abgerieben Wird. Gleichzeitig kann eine Rückwirkung auf die- Gleichmäßigkeit
der Winkelgeschwindigkeit der Hauptbewegung auftreten, die die Kontaktzeiten in
unzulässiger Weise becinflußt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird -nach der Erfindung die Masse
des mit dem Anker elastisch verbundenen Stromabnehmers nur gerade so groß gemacht,
wie mit Rücksicht- auf den Strom erforderlich ist. Dadurch wird erreicht, daß, abgesehen
von dem eigentlichen Stromabnehmer, der Anker auch bei Unebenheiten der Kontaktbahnen
seine ungestörte taumelnde oder kreisende Bewegung fortsetzen kann und daß lediglich
der Stromabnehmer sich den- Unregelmäßigkeiten der Kontaktbahn anzupassen hat, wobei
die elastische Verbindung zwischen Stromabnehmer und Anker die zusätzlichen Bewegungen
-des Stromabnehmers aufzunehmen hat. Infolge der geringeren Masse des Stromabnehmers
ist dieser leichter in der Lage, allen Unregelmäßigkeiten der Kontaktbahn ohne Prellen
und ohne unzulässig große örtliche Kontaktdrücke zu folgen. Auf diese Weise wird
die Betriebssicherheit des Kontaktgerätes auch dann -sichergestellt, wenn durch
vorübergehende Schaltfeuer die Kontaktbahnen beschädigt sind. MitVorteil legt-man
-dabei die Kontaktbahnen auf einen-großen Durchmesser, so daß eine gegebene- Unregelmäßigkeit
der Kontaktbahn eine möglichst kleine Änderung der Winkellage des Stromabnehmers
bzw. des Ankers zur Folge hat. Mit Rücksicht auf die Stromwärme muß der Stromabnehmer
einen gewissen Querschnitt und damit eine gewisse Masse aufweisen. Es' kann- auch
-erforderlich-- sein, - die Mässe = des Stromabnehmers über diesen mit Rücksicht-
.auf Erwärmung notwendigen Betrag hinaus zu -vergrößern, um nämlich für den Fallvorübergehender
Schaltlichtbögen genügend Material in Form von Abbrennwulsten oder -hörnern' zu
habm .- .-Nach der weiteren Erfindung kann -man den Stromabnehmer entweder an. sich
starr ausführen und ihn elastisch mit den übrigen Teilers des Ankers verbinden,
oder man kann auch den. Stromabnehmer noch in sich elastisch ausführen. Bei einem
Kontaktgerät mit- taumelndem. Anker kann beispielsweise der Stromabnehmer die Form.
einer elastischen Membran. haben,- die an ihrem Umfang einen Wulst aus Kontaktmaterial,
beispielsweise Silber; trägt. Dieser Wulst kann in seinem Profil von so kleinem
Trägheitsmoment sein, daß er in sich eine gewisse Verformung zuläßt. Man erhält
auf diese Weise einen Stromabnehmer, der bei Unregelmäßigkeiten der Kontaktbahnen
über diese einwandfrei hinwegläuft, wobei nur die der Störungsstelle nächstgelegenen
Teile des Stromabnehmers die zusätzliche Bewegung ausführen, während die übrigen
Teile des Ankers und des Stromabnehmers ihre regelmäßige, ungestörte Bewegung fortsetzen.
In anderen Fällen, z. B. bei kleinem Kontakthub, kann es auch erforderlich sein,
den Stromabnehmer in sich starr auszuführen, beispielsweise dadurch, daß man dem
Kontaktrand des Stromabnehmers ein besonders großes Trägheitsmoment, beispielsweise
durch große Höhe gibt.
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Die Ausführung des Kontaktgerätes nach der Erfindung ist von besonderer
Bedeutung in Verbindung mit solchen Schaltungen, die geeignet sind, auch in Störungsfällen
Schaltfeuer an den Kontakten '-= verhindern. Durch die Kombination derartiger Schaltungen
mit dem Kontaktgerät nach der Erfindung nähert man sich dem Ideal eines mechanischen
Stromrichters, der eine für die Praxis wünschenswerte Unempfindlichkeit und Robustheit
aufweist, wie sie gewissen Ventilstromrichtern eigen sind, der darüber hinaus jedoch
den Vorteil sehr hohen Wirkungsgrades und rein mechanischer Konstruktion aufweist.
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In Fig. i der Zeichnung ist die Erfindung an einem Beispiel dargestellt,
wobei gleichzeitig noch eine Reihe weiterer Maßnahmen beschrieben werden, _ die
ebenfalls dem Ziel dienen, die Betriebssicherheit des Gerätes auch in Störungsfällen
zu erhöhen. Um den zentralen Magnetpol i sind im Kreise Magnetschenkel angeordnet,
von denen --
und 3 in der Zeichnung sichtbar sind, i trägt eine Gleichstromspule
4, während die Außenschenkel -Wechselstromspulen trägen, von denen 5 und 6 in der
-Zeichnung sichtbar sind. Zur Vermeidung von Wirbelströmen sind die Außenpole, die
von Wechselflüssen durchsetzt werden, aus geblättertem Material hergestellt. Auch
die verbindende Grundscheibe 7 ist aus wirbelstromarmen Blechen aufgebaut. Um dabei
Wirbelstromerwärmungen im unteren Teil 8 des Mittelpoles zu vermeiden, kann ein
aus Kupferringen g. und ro und Kupferstäben i i aufgebauter Dampferkäfig in 7 eingebaut
sein. r trägt auf seinem oberen Enden -ein Polstück i?, auf welchem der Anker 13
gelagert ist. Der Anker -13 trägt einen Ring 14 aus geblättertem Magnetmaterial
zur- VIermeidung von Wirbelströmen, der durch die Wechselstrompole; von denen 46
und 47 in der Zeichnung sichtbar sind, in synchrone, taumelnde Bewegung versetzt
werden. 14 kann ebenfalls mit Hilfe eines Dampferkäfigs in dem Eisenanker
13 befestigt sein, um Wirbelströme in ß zu vermeiden. Der Anker i3'trägt
eine Kontäktsehcibe ¢q.: die mit Hilfeeiner -Druckhaub° 35 auswechselbar-befestigt
ist; 44 besteht aus einer Rundscheibe .aus gut leitendem Federmaterial, die auf
ihrem
äußeren Rand einen Wulst 15 aus Kontaktmaterial besitzt. 15 macht periodisch Kontakt
mit den auf dem Umfang angeordneten Phasensegmenten, von denen 16 und 17 in der
Zeichnung sichtbar sind. Die Phasensegmente 16 und 17 sind in Anschlußstücken 18
und ig mit Hilfe eines elastischen Steckverschlusses gelagert, der es ermöglicht,
sie auf einfache Weise auszuwechseln. Sie sind derart geformt, daß ein etwa zwischen
15 und 16 bzw. 15 und 17 entstandener Schaltlichtbogen durch elektrodynamische Blaswirkung
schnell aus den Kontaktflächen heraus nach außen geblasen wird. i8 und ig sind ihrerseits
durch Schrauben 2o in einem Isolierring 2i befestigt, der auf der Unterlage 22 drehbar
gelagert ist. Durch Drehen des Ringes 2i kann die Phasenlage der Kontaktgabe eingestellt
und so z. B. die Spannung geregelt werden. Durch einen Klemmring 23 wird mit Schrauben
2q., 21 auf 22 festgeklemmt. Die Scheibe 44 ist erfindungsgemäß derart elastisch
ausgeführt, daß auch dann, wenn die Oberflächen von 16 und 17 Beschädigungen aufweisen,
eine sichere und dauerfeste Kontaktgabe gewährleistet ist. Zu diesem Zweck können
auch die Kontaktflächen 16 und 17 derart elastisch ausgeführt werden, daß sie ihrerseits
Unebenheiten der Kontaktbahn auszugleichen vermögen. Es kann dabei vorteilhaft sein,
16 und 17 in ihrer Federung so weich auszulegen, daß der Anker 14 gegen 47 zum Anschlag
kommt. Um dies zu verhindern, kann man für den Anker 13 einen nicht gezeichneten
Laufring vorsehen, damit 15 die Kontaktsegmente 16 und 17 nicht zu weit durchdrückt.
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Um zu verhindern, daß der auf dem zentralen Polstück 12 sich abwälzende
Anker 13 durch rollende oder gleitende Reibung sich abnutzt, ist eine Druckscheibe
z5 vorgesehen, die aus geeignetem Material hergestellt ist. So kann beispielsweise,
wenn 12 aus gehärtetem und poliertem Stahl hergestellt ist, 25 aus Hartgewebe hergestellt
werden. In diesem Fall ist es erforderlich, eine gesonderte Stromzuführung von 12
auf 15 vorzusehen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise der Pol i zentral durchbohrt.
In der Bohrung ist die Stromzuleitung 26 untergebracht, die beim Durchtritt durch
den Pol 12 aus einem Stahldraht 27 mit umhüllender Kupferlitze besteht. Dieser elastische
Leiter endet in einem Kontaktstück 28, auf welchem eine Bürste 2g gleitet. 29 wird
mit einer Feder 30 gegen 28 gedrückt. Der Stahldraht 27 ist oben und unten
in 26 bzw. 28 verdrehungssicher befestigt. Eine Isolierhülse 3i verhindert die Berührung
von 27 mit 25. Gleichzeitig ist durch ein Zwischenstück 3.2, 44 von 13 isoliert.
Zur Einstellung des Hubes der Scheibe 44 kann der Mittelpunkt 12 mit Hilfe des Gewindes
33 in der Platte 22 gehoben und gesenkt und durch die Mutter 34 festgestellt werden.
3.4 kann aus gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt sein, um als
Kurzschlußwindung den Kraftfluß im Mittelpol i zu stabilisieren. Bei der taumelnden
Bewegung führt der Anker 13 gleichzeitig eine Rotation um seine Achse aus, die je
nach den Umständen in Richtung des magneti-I schen Drehfeldes oder auch entgegengesetzt
dazu verlaufen kann. Zur Ermöglichung dieser Drehbewegung ist der Schleifkontakt
28, 29 vorgesehen, wobei 2g durch einen gesonderten gut leitenden elastischen Anschluß,
der nicht gezeichnet ist, mit 35 und 44 verbunden sein kann. Unter Umständen kann
man für die Platte 25 statt Hartgewebe auch andere Materialien wählen. Besteht 12
aus gehärtetem und geschliffenem Stahl, so kann 25 beispielsweise ebenfalls aus
einem geeigneten Stahl oder aus Gußeisen, aus Bronze od. dgl. angefertigt werden.
Bei der Auswahl der Materialien für 12 und 25 hat man besondere Rücksicht darauf
zu nehmen, daß durch die wälzende und gleitende Reibung kein Abrieb auftritt. Besteht
25 aus magnetisch nichtleitendem Material, so muß man 1s derart ausbilden, daß für
den magnetischen Kraftfluß ein möglichst ungehinderter übertritt von 13 auf 12 ermöglicht
wird. Man kann auch den elastischen Stromleiter 27 fortlassen und den Stromübergang
von 25 auf 12 leiten. Um in diesem Fall zu verhindern, daß dann, wenn beispielsweise
bei Störungen 25 von 12 kurzzeitig abhebt, die Laufflächen durch einen Lichtbogen
beschädigt werden, kann man beispielsweise 25 zentral durchbohren und einen gesonderten
Kontaktstift federnd gegen 12 drücken. Bei dieser Ausführung hat man den weiteren
Vorteil, daß man für 12 und 25 Materialien wählen kann, die vor allem den Anforderungen
an die mechanische Dauerfestigkeit genügen, ohne die Eigenschaften guter Kontaktwerkstoffe
zu besitzen, während man für den federnd gegen 12 gedrückten Stift ein Kontaktmaterial,
beispielsweise Silber oder Silberlegierungen, wählt und in der Mitte von 12 ebenfalls
eine Einlage aus geeignetem Kontaktmaterial anbringen kann, gegen das der federnde
Stift arbeiten kann.
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Eine besonders vorteilhafte Stromabnahme von dem Taumelkörper ist
in Fig.2 dargestellt. Der Taumelkörper ioi ist hier auf einem Mittelpol 10.2 gelagert,
der auf seiner Oberfläche eben und beispielsweise aus gehärtetem, nichtrostendem
Stahl gefertigt ist. Die Oberfläche ist hochglanzpoliert. Der Taumelkörper ioi trägt
eine eingeschraubte Buchse 103, in die ihrerseits von unten ein Hartgewebestück
io4 eingeschraubt ist. Das Hartgewebestück io4 ist auf der Unterseite derart kegelig
geformt, daß io4 mit io2 eine linienförmige Berührung aufweist, die entsprechend
der Umlauffrequenz des Taumelkörpers im Kreise umläuft. In io4 ist eine Kontaktplatte
io5 eingelegt, die mit einem Druckstück io6 in 103 festgeschraubt ist. io5 kann
beispielsweise aus Silber oder einer Silberlegierung oder einem anderen geeigneten
Kontaktmaterial bestehen. Die Stromabnahme von io5 erfolgt durch einen Stab
107, der an beiden Enden Kontaktmaterial, beispielsweise Silber oder Silberlegierungen,
trägt und kegelförmig zugespitzt ist. Die untere Spitze io8 läuft in einer kegelförmigen
Mulde iog der Kontaktplatte io5, während die obere Spitze i io in einer Pfanne i
i i aus Kontaktmaterial läuft, die mit Hilfe einer Blattfeder 112 nach unten gedrückt
wird.
Beim Laufen des Taumelkörpers io-i beschreibt io7 eine Bewegung
auf dem Mantel eines Kegels, dessen Spitze in i i i liegt. Der Durchmesser dieser
Kegelbewegung ist um so geringer, je näher die Pfanne iog dem Schwingungsmittelpunkt
113 des Taumelkörpers ioi auf den Pol io2 gedrückt wird. Durch die Verwendung geeigneter
Kontaktmaterialien, insbesondere Silber, läßt es sich erreichen, daß der Spannungsabfall
von 105 über 107
nach iii sehr gering wird. Die Blattfeder 112 kann zur Verminderung
des Ohmschen Widerstandes versilbert sein oder durch einen Leiter geringen Widerstandes,
beispielsweise ein Bronzeblatt oder eine Kupferlitze, überbrückt werden. Die Anordnung
kann leicht so ausgelegt werden, daß sie z. B. Ströme bis zu einigen ioo A ohne
unzulässige Erwärmung überträgt. Sollen noch größere Ströme übertragen werden, so
kann man auch mehrere Abnahmestifte auf dem Taumelkörper ioi sich bewegen lassen,
indem man beispielsweise die Pfanne zog durch eine größere Zahl von auf einem Kreis
angeordneten Pfannen ersetzt. In jede dieser Pfannen legt man einen Stromabnahmestift.
Jeder dieser Stifte wird an seinem oberen Ende durch eine getrennt abgefederte Pfanne
i i i gehalten. Die Federn 112, können dabei sternförmig nach außen befestigt werden.
Den Druck der Feder ii, wählt man möglichst groß, jedoch je nach der Form der Spitzen
io8 und iio und je nach der Härte der verwendeten Kontaktmaterialien nicht so groß,
daß unzulässige Abnutzung auftritt. Will man die Anordnung auseinandernehmen, hebt
man die Feder i i i etwas an, nimmt den Stift heraus, dann kann man den Taumelkörper
ioi von seiner Unterlage abheben. Damit durch den Druck der Feder i i?, der Taumelkörper
ioi nicht aus seiner zentralen Lage seitlich abgedrückt wird, muß der Stift io7
eine gewisse Länge haben. Außerdem muß der Taumelkörper z. B. magnetisch in seiner
Mittellage zentriert werden. Um bei Störungen ein seitliches Abrutschendes Taumelkörpers
zu verhindern, kann man außerdem einen mechanischen Anschlag vorsehen, der nur geringe
Abweichungen des Taumelkörpers ioi von der Mittellage gestattet. Man kann die Pfannen
zog und iio mit einem geeigneten Schmiermittel versehen, um auch bei großem Kontaktdruck
Abreiben zu verhindern. Die Form der Spitzen io8 und iio bzw. der Kegelvertiefungen
iog und iii müssen in bestimmter Weise gewählt werden, wenn man den Abrieb gering
halten -will.
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'Unter Umständen ist es zweckmäßig, die aufeinander sich abwälzenden
Konstruktionsteile einschließlich der Kontaktbahnen durch ein geeignetes Fett zu
schmieren. Die Auflagedrücke bzw. die Krümmungsradien der aufeinander abwälzenden
Teile hat man so zu wählen, daß bei der vorhandenen Materialfestigkeit kein Abrieb
auftritt.
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Besondere Sorgfalt ist darauf zu verwenden, daß bei unvermeidlichem
Auftreten von Schaltlichtbögen an den Kontakten in Störungsfällen der Lichtbogen
beispielsweise durch sein eigenes magnetisches Blasfeld möglichst schnell aus der
eigentlichen Kontaktbahn herausgeblasen wird, damit die Kontakte möglichst wenig
beschädigt werden. Unter Umständen ist es zweckmäßig, den Kontaktkörper nicht mit
seinem ganzen Druck auf den Kontaktbahnen laufen zu lassen, sondern als Führung
für die Bewegung des Kontaktkörpers eine Bahn aus geeignetem Material, wie Stahl
oder Hartgewebe, vorzusehen und die Kontaktbahn so weich in ihrer Federung auszulegen,
daß nur ein Bruchteil des Gesamtdruckes auf die Kontakte kommt. Dies hat den Vorteil,
daß auch bei Unebenheiten der Kontakte, wie sie durch vorübergehende Schaltentladungen
auftreten können, der Kontaktkörper durch die Führung auf der nichtstromleitenden
festen Bahn in seiner regelmäßigen Bewegung gehalten wird. Die Unebenheiten der
Kontakte werden dadurch ausgeglichen, daß letztere mehr oder weniger bei der Berührung
mit dem Kontaktkörper durchfedern.