Flüssigkeitskontakt Betriebsmässig geschlossen bleibende Gleit- kontakte werden in bekannter Weise gelegentlich mit Kontaktgliedern aus gut leitenden, festen Stoffen ausgeführt, die, in gewissen Abständen einander ge genüberstehend, durch zwischengeschaltete, die Kon taktglieder an verhältnismässig grossen Teilen ihrer Oberfläche bedeckende Kontaktflüssigkeit miteinan der elektrisch in Verbindung stehen. Solche Flüssig keitskontakte arbeiten zufriedenstellend, solange es sich nicht um zu hohe Stromstärken und zu hohe Gleitgeschwindigkeiten handelt. Bei hohen Strom stärken und hohen Gleitgeschwindigkeiten kommt es dagegen in den Kontaktwiderständen zu grossen elek trischen und in der Kontaktflüssigkeit zu hohen me chanischen Verlusten, wie z.
B. Flüssigkeitsreibungs- und Wirbelverluste im Kontaktspalt, Verluste ent sprechend der kinetischen Energie der den Kontakt spalt verlassenden Kontaktflüssigkeit, und im Zu sammenhang damit zu Schwierigkeiten bei der Ver- lustwärmeabfuhr sowie zu schlechtem Wirkungsgrad der Einrichtungen oder Maschinen, zu denen der Kontakt gehört. Der die elektrischen Verluste be dingende Kontaktwiderstand wird dabei vor allem durch die auf den Kontaktgliedoberflächen ohne be sondere Vorkehrungen oder Materialauswahl stets in erheblichem Mass vorhandenen Fremdschichten be dingt.
Kontaktglieder aus Werkstoffen, die zur Fremd schichtbildung neigen, werden deshalb, gegebenen falls unter gleichzeitiger Anwendung fettlösender Mit tel, häufig durch mechanische Bearbeitung vor ihrer Bedeckung durch die Kontaktflüssigkeit technisch gereinigt, z. B. durch Schmirgeln, Feilen, Schaben oder dergleichen.
Die Stromwärmeverluste lassen sich dadurch er niedrigen, aber, wie die Erfahrungen zeigen, bei hohen Stromstärken bleiben die Verluste immer noch erheblich. Das kommt zum Teil davon, dass die Kon- taktgliederoberfläche durch die erwähnte mecha nische Bearbeitung, im physikalischen Sinn nur un vollkommen von Fremdschichten gereinigt werden können;
Fremdhäute bleiben teilweise bestehen, und es kommt zu Stromengeerscheinungen. Anderseits liegt es daran, dass während oder zwischen der me chanischen Bearbeitung und Bedeckung der Kon taktglieder mit der Kontaktflüssigkeit durch Adsorp- tion bzw. chemische Bindung von Fremdmolekülen aus der Umgebungsluft (02, H20, N2) widerstand verursachende Fremdschichten auf den Kontaktglied- oberflächen entstehen.
Fremdschichtbildung tritt jedoch auch auf, wenn die zu bedeckenden Kontaktgliedoberflächen während des Betriebes zeitweise dem Einfluss der Umgebungs luft oder bei Anordnungen mit Schutzgas dem Ein fluss des Schutzgases unterliegen. Zur Herabsetzung der elektrischen Verluste werden deshalb bei Flüs- sigkeitsgleitkontakten bekannter Ausführung die zu bedeckenden Kontaktgliedoberflächenteile und damit die Querschnitte der spezifisch schlecht leitenden Fremdschicht verhältnismässig gross bemessen, bzw. es werden über den ganzen Umfang sich erstreckende Flächen bis zu Hunderten von cm2 angewendet, vgl. z.
B. DRP Nr. 351593. Das bringt aber, besonders bei hohen Gleit- geschwindigkeiten, grosse mechanische Verluste mit sich, und Flüssigkeitskontakte derartiger Ausführung haben sich deshalb bei hohen Gleitgeschwindigkeiten und hohen Stromstärken praktisch nicht bewährt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen betriebs mässig geschlossenen bzw. geschlossen bleibenden Flüssigkeitskontakt für Unipolarmaschinen für Gleich- oder Wechselstrom und Stromstärken über 100 Ampere.
Der erfindungsgemässe Flüssigkeitskontakt ist da durch gekennzeichnet, dass er aus sich relativ gegen einander bewegenden Kontaktgliedern aus festen Stoffen und einer zwischengeschalteten, in Strom richtung höchstens 1/5 mm bemessenen Kontakt flüssigkeitsstrecke besteht, dass ferner die Kontakt flüssigkeit mindestens zeitweise durch nachströmende kühlere Kontaktflüssigkeit ersetzt wird, und dass schliesslich die von der Kontaktflüssigkeit bedeck ten, praktisch fremdschichtfrei gehaltenen Oberflä chenteile der Kontaktglieder so bemessen sind, dass die Stromdichte in diesen bedeckten Kontaktglied oberflächenteilen mindestens 2 Ampere pro Quadrat millimeter beträgt.
Nachfolgend werden anhand der schematischen Zeichnung drei Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes beschrieben.
Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel. Fig.2 zeigt einen Teil der Fig. 1 in grösserem Massstab.
Fig. 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel. Fig.4 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel, und Fig.5 zeigt eine abgeänderte Form des dritten Ausführungsbeispiels.
Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 1 und 2 rotiert das Kontaktglied 1 innerhalb des unbeweglichen Kontaktgliedes 2. Als Kontakt flüssigkeit wird Quecksilber verwendet, welches durch Wirkung der Pumpe 3 in der Leitung 4 in Pfeilrichtung dauernd im Umlauf gehalten wird. Durch eine im Bereich der Leitung 4 eingebaute Kühleinrichtung 5 kann das durch den Stromfluss und die Reibung erwärmte Quecksilber zusätzlich abgekühlt werden.
Für den Stromübergang vom Kon taktglied 2 zum Kontaktglied 1 in Richtung der Pfeile ist der ringförmige Spalt 6 mit seiner Länge 7 massgebend (Fig.2). Die Kontaktstellen, welche in Fig. 2 durch starke Linien hervorgehoben sind, wer den praktisch fremdschichtfrei gehalten; Luftzutritt zum Kontaktspalt 6 wird durch die Quecksilber sperre verhindert. Die Kontaktflüssigkeitsstrecke im Spalt 6 ist in Stromrichtung sehr kurz, höchstens 1/5 mm bemessen.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäss der Fig.3 greift der unbewegliche Kontaktring 2 mit seinem innern Teil 8 in eine ringwannenförmige Ver tiefung des beweglichen Kontaktgliedes 1 ein. Im Ruhezustand und bei langsamer Umdrehung des Kontaktgliedes 1 ist der Spalt 9 zwischen dem Kon taktring 2 und dem Kontaktglied 1 mit Kontakt flüssigkeit, z. B. mit Quecksilber, erfüllt. In der Figur ist das Quecksilber im Spalt 9 von links oben nach rechts unten schraffiert angedeutet. Bei langsamer Bewegung des Kontaktgliedes 1 erfolgt der Strom übergang vom Kontaktglied 1 zum Kontaktring 2 über die ganzen horizontalen Flächen des Spaltes 9.
Die grosse Fläche wirkt sich dabei nicht schädlich aus, bzw. verursacht keine übermässigen Reibungs verluste, weil die Gleitgeschwindigkeit mässig ist.
Mit zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit des Kontaktgliedes 1 wird das Quecksilber durch die Zentrifugalkraft in den vertikalen Fortsatz 10 des Spaltes 9 gedrückt, um diesen Spaltfortsatz 10 bei hohen Geschwindigkeiten ganz zu füllen. Das Queck silber im Spaltfortsatz 10 ist in der Figur durch Schraffierung von rechts oben nach links unten an gedeutet. Der Kontaktring 2 besitzt im Bereiche des Dberganges vom horizontalen Spalt 9 zum vertikalen Spaltfortsatz 10 einen nasenartigen Ringwulst 11, welchem am Kontaktglied 1 ein hohlkehlenartiger Ring 12 gegenüberliegt.
Der Ringwulst 11 sowohl als auch der Ring 12 sind in der Figur schwarz an gedeutet und bestehen vorteilhaft aus einem nicht zur Fremdschichtbildung neigenden Material, wie z. B. aus Molybdän. Die Hauptübergangsstrecke für den Strom vom Kontaktglied 1 über den Ring 12, das Quecksilber und den Ringwulst 11 zum Kontakt ring 2 ist sehr kurz, höchstens 1/5 mm, bemessen und bei jeder Umdrehungsgeschwindigkeit mit Quecksilber erfüllt. Bei hohen Umdrehungsgeschwin digkeiten erfolgt der Stromübergang nur über sehr kleine Flächen im Sinne der Pfeile.
Damit das durch den Stromdurchgang und Reibung erwärmte Queck silber durch kühleres Quecksilber ersetzt werden kann, ist die verwendete Quecksilbermenge grösser bemessen, als zur Füllung des Spaltfortsatzes 10 nötig ist. Das überschüssige Quecksilber wird bei der schnellen Rotation des Kontaktgliedes 1 über die Kante 13 hinweg in einen Hohlraum 14 des un beweglichen Kontaktringes 2 geschleudert und sam melt sich nach Abgabe seiner kinetischen Energie in der Wanne 15. Von hier aus fliesst das Queck silber über eine Leitung 16 in Richtung der Pfeile zurück in den Spalt 9 bzw. an die Stromübergangs stelle 12-11, um den Kreislauf zu wiederholen.
Dieser Kreislauf erfolgt selbsttätig, und zwar erstens durch Saugwirkung; die Quecksilberleitung endet etwas innerhalb des Ringwulstes 11, und zweitens durch Heberwirkung, da der Einfluss in die Leitung höher liegt als ihr Ausfluss in den Spalt 9.
Im Bereiche der Leitung 16 können im unbeweg lichen Kontaktring 2 Kühlschlangen oder Kühlrippen 5 angeordnet werden, um damit das zirkulierende Quecksilber kühl zu halten. Der Quecksilberumlauf kann natürlich auch mittels Pumpe aufrechterhalten werden.
Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäss Fig.4 besteht das unbewegliche Kontaktglied aus einem Rohr 17, dessen unteres Ende zu einer engen Düse ausgezogen ist. Aus dem Rohr 17 gelangt die Kon taktflüssigkeit, z. B. Quecksilber, durch Eigen schwere oder durch Wirkung einer Pumpe in den sehr schmalen, das heisst höchstens 1/5 mm breiten Kontaktspalt 6 zwischen dem Rohr 17 als dem un beweglichen Kontaktglied und dem sich in Pfeilrich tung drehenden Kontaktring 1. Der Strom fliesst also über das Rohr 17 und das Quecksilber im Spalt 6 zum Kontaktring 1.
Durch ein Absaugrohr 18 wird das Quecksilber mit Hilfe einer eingebauten Pumpe vom Kontaktring 1 abgesaugt und über eine nicht gezeichnete Leitung dem Rohr 17 wieder zugeführt, wodurch die Zirkulation des Quecksilbers aufrecht erhalten wird.
Auch hier kann im Bereiche der Quecksilber leitung eine Kühleinrichtung eingebaut sein, welche das umlaufende Quecksilber kühl hält.
Soll der Kontaktring 1 in beiden Drehrichtungen benützt werden, muss natürlich ein entsprechendes zweites Abzugrohr gegenüber dem Abzugrohr 18 vorgesehen sein. Selbstverständlich kann das Rohr 17 statt senkrecht, wie in der Figur, auch schräg oder tangential zur Oberfläche des beweglichen Kon taktringes 1 angeordnet sein, um dem Quecksilber eine der Stromrichtung des Absaugrohres 18 ent sprechende Richtung zu erteilen.
In Fig. 5 ist das prinzipiell gleiche Ausführungs beispiel wie in Fig. 4 dargestellt, nur dass hier das Absaugrohr 18 das Rohr 17 konzentrisch umgibt. Das Quecksilber, welches aus dem Rohr 17 in den Spalt zwischen dem Rohr 17 und dem Kontaktring 1 fliesst, gelangt hier in Pfeilrichtung in das Absaug- rohr 18.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die vom Quecksilber bedeckten Oberflächenteile der Kontaktglieder an ihren Stromübergangsstellen so bemessen, dass die Stromdichte in diesen Teilen min destens 2 Ampere pro Quadratmillimeter beträgt. Die vom Quecksilber bedeckten Kontaktgliedober- flächen bestehen mindestens teilweise aus Teilen, die durch mechanische Bearbeitung, wie z. B. durch Fräsen, Drehen, Schmirgeln, Schaben, Hobeln, unter einem Schutzelement, wie z. B. Gas, Flüssigkeit oder Vakuum, praktisch fremdschichtfrei gemacht wor den, sind.
Liquid contact Sliding contacts that remain operationally closed are occasionally made in a known manner with contact elements made of highly conductive, solid substances which, at certain distances opposite one another, are electrically connected to one another by means of interposed contact liquid covering relatively large parts of their surface area stand. Such liquid keitkontakte work satisfactorily, as long as it is not too high currents and too high sliding speeds. At high current strength and high sliding speeds, however, it comes in the contact resistances to large elec tric and in the contact fluid to high me chanical losses, such.
B. fluid friction and eddy losses in the contact gap, losses corresponding to the kinetic energy of the contact liquid leaving the contact gap, and in connection with it to difficulties in the dissipation of heat loss and poor efficiency of the equipment or machines to which the contact belongs. The contact resistance that causes the electrical losses is primarily due to the foreign layers that are always present to a considerable extent on the contact member surfaces without any special precautions or choice of material.
Contact members made of materials that tend to form a foreign layer are therefore, if necessary with the simultaneous use of degreasing agents, often technically cleaned by mechanical processing before they are covered by the contact liquid, for. B. by sanding, filing, scraping or the like.
The electricity heat losses can thereby be reduced, but, as experience shows, at high currents the losses still remain considerable. This is partly due to the fact that the contact member surface can only partially be cleaned of foreign layers in the physical sense by the aforementioned mechanical processing;
Foreign skins remain partially and there are current phenomena. On the other hand, it is due to the fact that during or between the mechanical processing and the covering of the contact elements with the contact liquid through adsorption or chemical bonding of foreign molecules from the ambient air (02, H20, N2), foreign layers causing resistance arise on the contact element surfaces .
However, foreign layer formation also occurs when the contact member surfaces to be covered are temporarily exposed to the influence of the ambient air during operation or, in the case of arrangements with protective gas, to the influence of the protective gas. In order to reduce the electrical losses, the contact member surface parts to be covered and thus the cross-sections of the specifically poorly conductive foreign layer are therefore dimensioned relatively large in liquid sliding contacts of known design, or areas up to hundreds of cm2 are used over the entire circumference, cf. z.
B. DRP No. 351593. However, this entails large mechanical losses, especially at high sliding speeds, and liquid contacts of this type have therefore practically not proven themselves at high sliding speeds and high currents.
The present invention relates to an operationally closed or permanently closed liquid contact for unipolar machines for direct or alternating current and currents above 100 amps.
The liquid contact according to the invention is characterized in that it consists of contact members made of solid substances that move relative to each other and an interposed contact liquid section measuring at most 1/5 mm in the flow direction, and that the contact liquid is also replaced at least temporarily by cooler contact liquid flowing in , and that finally the surface parts of the contact members which are covered by the contact liquid and are kept practically free of foreign layers are dimensioned so that the current density in these covered contact member surface parts is at least 2 amperes per square millimeter.
Three embodiments of the subject invention are described below with reference to the schematic drawing.
Fig. 1 shows the first embodiment. FIG. 2 shows part of FIG. 1 on a larger scale.
Fig. 3 shows the second embodiment. Figure 4 shows the third embodiment and Figure 5 shows a modified form of the third embodiment.
In the first embodiment according to FIGS. 1 and 2, the contact member 1 rotates within the immovable contact member 2. Mercury is used as the contact liquid, which is kept constantly in circulation by the action of the pump 3 in the line 4 in the direction of the arrow. A cooling device 5 installed in the region of the line 4 can additionally cool the mercury heated by the current flow and the friction.
For the current transition from the contact element 2 to the contact element 1 in the direction of the arrows, the annular gap 6 with its length 7 is decisive (FIG. 2). The contact points, which are highlighted in Fig. 2 by strong lines, who kept the practically foreign layer free; Air access to the contact gap 6 is prevented by the mercury lock. The contact liquid path in the gap 6 is very short in the direction of flow, at most 1/5 mm.
In the second embodiment according to FIG. 3, the immovable contact ring 2 engages with its inner part 8 in an annular trough-shaped recess of the movable contact member 1. At rest and at slow rotation of the contact member 1, the gap 9 between the con tact ring 2 and the contact member 1 with contact liquid, for. B. with mercury, met. In the figure, the mercury in the gap 9 is indicated by hatching from top left to bottom right. When the contact member 1 moves slowly, the current is transferred from the contact member 1 to the contact ring 2 over the entire horizontal surfaces of the gap 9.
The large surface does not have a harmful effect or does not cause excessive friction losses because the sliding speed is moderate.
As the speed of rotation of the contact member 1 increases, the mercury is pressed by the centrifugal force into the vertical extension 10 of the gap 9 in order to completely fill this gap extension 10 at high speeds. The mercury in the cleft process 10 is indicated in the figure by hatching from top right to bottom left. In the region of the transition from the horizontal gap 9 to the vertical gap extension 10, the contact ring 2 has a nose-like annular bead 11 opposite which a groove-like ring 12 on the contact member 1 lies opposite.
The annular bead 11 as well as the ring 12 are interpreted in black in the figure and are advantageously made of a material that does not tend to form foreign layers, such as. B. from molybdenum. The main transition path for the current from the contact member 1 via the ring 12, the mercury and the annular bead 11 to the contact ring 2 is very short, at most 1/5 mm, dimensioned and filled with mercury at every speed of rotation. At high speeds of rotation, the current transfer only takes place over very small areas as indicated by the arrows.
So that the mercury heated by the passage of current and friction can be replaced by cooler mercury, the amount of mercury used is larger than is necessary to fill the gap extension 10. The excess mercury is thrown during the rapid rotation of the contact member 1 over the edge 13 into a cavity 14 of the unmovable contact ring 2 and collects itself after releasing its kinetic energy in the tub 15. From here the mercury flows over a line 16 in the direction of the arrows back into the gap 9 or at the current transition point 12-11 to repeat the cycle.
This cycle takes place automatically, firstly through suction; the mercury line ends somewhat inside the annular bead 11, and secondly by a siphon effect, since the influence in the line is higher than its outflow into the gap 9.
In the area of the line 16 cooling coils or cooling fins 5 can be arranged in the immovable union contact ring 2 in order to keep the circulating mercury cool. The mercury circulation can of course also be maintained by means of a pump.
In the third embodiment according to FIG. 4, the immovable contact member consists of a tube 17, the lower end of which is drawn out into a narrow nozzle. From the tube 17, the con tact liquid such. B. mercury, by its own heavy or by the action of a pump in the very narrow, that is at most 1/5 mm wide contact gap 6 between the tube 17 as the un movable contact member and the contact ring 1 rotating in the direction of the arrow. The current therefore flows Via the tube 17 and the mercury in the gap 6 to the contact ring 1.
The mercury is sucked off the contact ring 1 through a suction pipe 18 with the aid of a built-in pump and fed back to the pipe 17 via a line not shown, whereby the circulation of the mercury is maintained.
Here, too, a cooling device can be installed in the area of the mercury line, which keeps the circulating mercury cool.
If the contact ring 1 is to be used in both directions of rotation, a corresponding second exhaust pipe must of course be provided opposite the exhaust pipe 18. Of course, instead of perpendicular, as in the figure, the tube 17 can also be arranged obliquely or tangentially to the surface of the movable con tact ring 1 to give the mercury a direction corresponding to the direction of flow of the suction tube 18.
In Fig. 5, the basically same execution example as shown in Fig. 4, only that here the suction pipe 18 surrounds the pipe 17 concentrically. The mercury which flows from the tube 17 into the gap between the tube 17 and the contact ring 1 arrives here in the direction of the arrow into the suction tube 18.
In the exemplary embodiments described, the surface parts of the contact members covered by mercury are dimensioned at their current transfer points so that the current density in these parts is at least 2 amperes per square millimeter. The contact member surfaces covered by the mercury consist at least partially of parts that have been mechanically processed, e.g. B. by milling, turning, sanding, scraping, planing, under a protective element such. B. gas, liquid or vacuum, made practically free of foreign layers wor are.