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Die
Erfindung betrifft eine drehbare Hochstromverbindung für die Durchführung elektrischer Zuleitungen
zu beweglichen elektrischen Verbrauchern in geschlossenen Räumen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Drehbare
Hochstromverbindungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise
für die Einführung großer Betriebsströme in geschlossene Räume benötigt, wenn
zwischen Bauelementen innerhalb und außerhalb der Begrenzungswände dieser
Räume begrenzte
Dreh- und Schwenkbewegungen ausgeführt werden sollen. Diese Anforderungen bestehen
beispielsweise bei mit elektrischem Strom, insbesondere mit mittelfrequenten
Wechselströmen, gespeisten
Anlagen, wie Schmelz- und Gießanlagen, in
denen das Schmelzgut durch Kippen eines Tiegels ausgegossen wird,
wobei der Tiegel mit der Heizein richtung eine Baueinheit bildet.
Hochstromverbindungen der eingangs genannten Art sind jedoch nicht ausschließlich auf
die Verwendung bei Schmelz- und Gießöfen beschränkt.
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Dabei
ist es von zusätzlicher
Bedeutung, daß die
gattungsgemäßen Hochstromverbindungen gleichzeitig
auch noch zur Zu- und Abführung
eines Kühlmittels
dienen sollen, durch welches Ofenteile, beispielsweise eine beim
Induktionsschmelzverfahren eingesetzte Induktionsspule, vor Überhitzung
geschützt
werden sollen.
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Bei
Vorrichtungen mit Druckdifferenzen auf beiden Seiten der Begrenzungswände der
geschlossenen Räume,
wie beispielsweise bei Vakuumöfen, werden
auch noch besondere Anforderungen an die Dichtheit der Hochstromverbindungen
gestellt.
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Eine
Hochstromverbindung der eingangs genannten Art ist z.B. aus der
DE 41 22 574 A1 oder
der
DE 32 19 721 C2 bekannt
. Die in der
DE 41
22 574 A1 beschriebene Hochstromverbindung besteht im wesentlichen
aus einer stationären,
koaxialen Anordnung eines elektrisch leitenden Innenrohrs und Außenrohrs
und einer in Bezug zur stationären
Koaxleiteranordnung drehbaren koaxialen Stromleiteranordnung. Mittels
flexibler Strombrücken
ist die erste Koaxleiteranordnung mit der zweiten Koaxleiteranordnung
zweipolig elektrisch leitend verbunden. Die aus der
DE 41 22 574 A1 bekannten
Koaxleiteranordnungen münden
jeweils endseitig in vier metallische, benachbarte Ringflansche,
die paarweise konzentrisch ineinander angeordnet und durch U-förmig gebogene Litzen
derartig miteinander verbunden sind, daß jeweils ein innerer und ein äußerer Ringflansch
auf gleichem Potential liegt. Die inneren, drehbaren Ringflansche
weisen im wesentlichen identische Durchmesser auf und schließen einerseits
das innen liegende Koaxrohr und andererseits das Außenkoaxrohr
endseitig ab. Die Litzenscharen des einen Potentials verlaufen zu
den Litzenscharen des anderen Potentials in etwa spiegelsymmetrisch,
wobei durch entsprechende Schlaufenlänge der Litzen dafür Sorge
getragen wird, daß der
Schwenkwinkel ausreichend groß ist.
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Die
elektrische Versorgung der äußeren, ortsfesten
Flansche mit elektrischem Strom erfolgt mit jeweils einem radial
angeordneten Stromleiter.
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Bei
einer Ausführung
der oben genannten Art, z.B. nach der
DE 32 19 721 C2 hat sich als nachteilig erwiesen,
daß eine
effiziente Übertragung
hoher elektrischer Ströme,
insbesondere im oberen Mittelfrequenzbereich problematisch ist.
So findet die Einleitung des elektrischen Stromes in die Gegenflansche
nur lokal, d.h. nur innerhalb eines radial außen liegenden Sektorelementes
statt, wodurch eine gleichmäßige, vollständige Verteilung
des zugeführten
elektrischen Stromes in den Ringflanschen nicht erfolgt. Die in
der
DE 41 22 574 A1 vorgeschlagene Lösung, nämlich für die stromzuführende Koaxleiteranordnung
eine Mindestlänge
vorzusehen, löst
dieses Problem nicht vollständig,
wie dort gewünscht. Da
der elektri sche Strom das Bestreben hat, auf dem kürzest möglichen
Weg zu fließen,
findet auch keine homogene Verteilung auf den ringförmigen Gegenflanschen
statt. Statt dessen fließt
der Strom nachteilig fast ausschließlich über die in der Nähe der äußeren Koaxzuleitungen
angeordneten Stromzuführungsleiter
benachbarten Litzen in die Gegenflansche. Dies führt nachteilig zu einer unterschiedlichen thermischen
Belastung der Litzen, weshalb diese z.B. unter zusätzlichem
Fertigungsaufwand mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt
wurden.
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Weiterhin
weist die aus der
DE
41 22 574 A1 bekannte koaxiale Stromleiteranordnung den
Nachteil auf, daß der
Wechselstromwiderstand der stromführenden Koaxleiter und der
Litzenleiter auf Grund des bei höheren
Betriebsfrequenzen zunehmenden Widerstandes zunimmt. Höhere Widerstände bedingen
jedoch nachteilig eine besondere Wärmebeanspruchung der einzelnen
Litzenleiter, welche zwar im Neuzustand und mit einwandfreier Isolationsschicht kurzfristig
eine höhere
Strombelastung zulassen, jedoch durch die ständige Drehbewegung und den
damit verbundenen Abrieb der Litzendrähte zu einer Stromverteilung
in den Litzen führt,
wie sie sich bei nicht isolierten Litzenleitern einstellt. Derartige
nichtisolierte Litzenleiter sind für hohe Wechselströme bei hoher
Betriebsfrequenz jedoch nicht geeignet, da diese nachteilig mit
elektrischen Übertragungsverlusten
verbunden sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine drehbare Hochstromverbindung
der eingangs genann ten Art zur Verfügung zu stellen, die eine effektivere
Stromübertragung
als die vorstehend beschriebene Hochstromverbindung aufweist und
dabei jedoch deren bekannte Nachteile vermeidet.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe erfolgt bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Hochstromdurchführung
durch folgende, voneinander unabhängige Merkmale, nämlich:
- a) Die zwischen dem ortsfesten Ringflanschpaar und
dem Stromgenerator vorgesehene, ortsfeste Stromleiterverbindung
besteht aus im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Leiterschienen,
bei der benachbarte, stromführende, einander
gegenüber
liegende Außenflächen der Einzelleiter
mittels eines zwischen den gegenüber liegenden
Außenflächen angeordneten
Isolators beabstandet sind, und wobei die Isolatorschichtdicke bei
gegebener elektrischer Potentialdifferenz zwischen den benachbarten
Einzelleitern und der Isolationsstärke des Isolators minimal ist,
- b) die elektrisch leitende Verbindung zwischen der stationären Stromzuleitung
und/oder dem stationären
Ringflansch einerseits und zwischen dem drehbaren Ringflansch und
der mit diesem fest verbundenen drehbaren Stromleitung andererseits
erfolgt mittels einer jeweils im Umfangsbereich der Ringflansche
sich erstrekkenden großflächigen Kontaktfläche,
- c) die zwischen dem Stromgenerator und dem stationären Ringflansch
einerseits und/oder die zwischen dem elektrischen Verbraucher und
dem drehbaren Ringflansch vorgesehenen Stromschienen weisen jeweils
eine Kühleinrichtung
auf und
- d) die drehbare, mit dem verdrehbaren Ringflansch fest verbundene
Stromschiene ragt durch eine mit dieser vakuumdicht verbundene Durchführungsplatte,
welche auf einem vakuumdichten Drehflansch auf der Vakuumkammerwand
angeordnet ist, in den den elektrischen Verbraucher aufnehmenden,
abgeschlossenen Raum.
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Durch
die erfindungsgemäßen Merkmale
a) und b) wird einerseits die bei der bekannten, koaxialen Stromzuführung bekannte,
inhomogene Stromverteilung über
den stationären
Ringflansch vermieden, da die elektrische Leistung über den
gesamten Umfang des stationären
Ringflansches den flexiblen Stromleitern (Litzen) zuführbar ist.
Dabei ist vorgesehen, den Kontaktflächenbereich zwischen dem stationären Ringflansch
und dem stationären
Stromleiter vorzugsweise umfangsseitig am Ringflansch auszubilden.
Das kontaktierte Umfangssegment sollte dabei insgesamt größer als
ein Drittel des Gesamtumfangsbereiches sein.
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Weiterhin
werden durch die eng benachbarte Anordnung der stromführenden
Flächen
der verwendeten Stromschienen Induktionsverluste minimal gehalten.
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Durch
die einfache Bauweise der verwendeten Stromschienen können diese
mit einfachen baulichen Maßnahmen
mit einer Kühleinrichtung
versehen werden. Eine derartige Kühleinrichtung besteht z.B.
vorteilhaft aus über
die Länge
der Stromschiene in dieser ausgebildeten und parallel zueinander
verlaufenden Kanälen,
durch welche eine Kühlmittelflüssigkeit
strömt.
Alternativ wird vorgeschlagen (siehe Anspruch 8), die stromführenden
Leiterpaare aus einzelnen Rohrleitern herzustellen, durch welche eine
zur Temperaturstabilisierung der Stromleiter, insbesondere zur Kühlung vorgesehene
Kühlmittelflüssigkeit
fließt.
Um den Leiterwiderstand gering zu halten ist vorgesehen, die Stromschienen
aus einer hochleitfähigen
Metall-Legierung, vorzugsweise einer Cu-Legierung herzustellen.
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Mit
den vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Merkmalen einer Stromdurchführung lassen
sich z.B. Wechselströme
mit einer Stromstärke
bis zu I = 20000 A bei einer Spannung von U = 500 V bei einer Wechselstromfrequenz
von bis zu f = 10 kHz zuverlässig übertragen.
Bei geringeren Schwingströmen können auch
höherfrequente
Wechselströme
mit f > 10 kHz übertragen
werden. Eine Erhöhung
der Spannung über
500 V ist z.B. im Schutzgasbetrieb möglich oder bei Erhöhung der
Durchschlagsfestigkeit des Isolatormaterials bzw. bei vollständiger Ummantelung
der Leiter mit einer Isolationsschicht.
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Ein
besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Merkmale nach a) bis d)
miteinander kombiniert werden. In diesem Fall wird bei der erfindungsgemäßen Stromverbindung
eine besonders effiziente Stromübertragung
zwischen dem Stromgenerator und dem elektrischen Verbraucher gewährleistet.
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Weitere
Ausführungsmöglichkeiten
und weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben
und gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Zeichnungen dargestellten,
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Verlaufs der Einzelstromleiter im Axialschnitt,
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2a eine
Querschnittsansicht eines als Stromleiterschiene ausgebildeten Stromleiterpaares entlang
der in 1 eingezeichneten Schnittlinie B-B' nach einem ersten
Ausführungsbeispiel,
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2b eine
Querschnittsansicht eines aus Leiterrohren bestehenden Stromleiterpaares
entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie
B-B' nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel
und
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3 einen
Axialschnitt einer Hochstromverbindung mit einem Kammerteil einer
für das
Induktionsschmelzverfahren vorgesehenen Tiegelkammer, in welche
das als Stromschienenpaar ausgebildete drehbare Stromleiterpaar
hineinragt und
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4 eine
Schnittansicht entlang der in 1 eingezeichneten
Schnittebene D-D'.
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Die
Hochstromverbindung 1 besteht im wesentlichen aus einem
stationären
Stromzuleitungsteil 2 und einem in Bezug zum stationären Zuleitungsteil 2 beweglichen
Rotationsteil 4 (siehe 3). Das
stationäre
Zuleitungsteil 2 und das Rotationsteil 4 besitzen
einen zur Zeichenebene der 1 spiegelsymmetrischen
Aufbau, wobei das Rotationsteil 4 um die Drehachse A-A' innerhalb eines
durch die Länge
der das Rotationsteil 4 und das stationäre Zuleitungsteil 2 verbindenden
flexiblen Stromleiters 10, 10',...; 11, 11',... drehbar
ist.
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Das
stationär
angeordnete Zuleitungsteil 2 besteht im wesentlichen aus
zwei spiegelsymmetrisch zur durch die Rotationsachse A-A' verlaufenden Symmetrieebene
angeordneten Stromschienenpaaren, die jeweils aus einzelnen Stromleitungsschienen 6, 8 bzw. 6', 8' bestehen (siehe 1, 4).
Die einerends mit den elektrischen Ausgängen eines in der 1 nicht
dargestellten Wechselstromgenerators 3 verbundenen Stromzuleitungsschienen
sind, spiegelsymmetrisch zur Zeichenebene der 1 zueinander
verlaufend, jeweils dreifach in definierten Abständen derartig abgewinkelt,
daß die
freien Stromschienenenden 12a, 13a bzw. 12b, 13b aufeinander
zu gerichtet sind. Die elektrisch parallel ge schalteten Einzelleiter 6 und 6' bzw. 8 und 8' liegen dabei
einander mit ihren freien Enden 12a, 13a bzw. 12b, 13b gegenüber.
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Die
freien Enden der Einzelstromleiter 6, 6' bzw. 8, 8' sind paarweise
mittels flexibler Stromleiter (Litzen) 10, 10', 10'',...; 11, 11', 11'',... mit vier metallischen Ringflanschen 14a, 14b, 15a, 15b derart
miteinander verbunden, daß jeweils
ein innerer 17a und ein äußerer Ringflansch 17b auf
gleichem Potential liegen. Die Rücken-an-Rücken liegenden
Ringflansche 17a, 17b und 14a, 14b unterschiedlicher
Polarität
sind durch in den Figuren nicht dargestellte Isolierringe elektrisch
voneinander getrennt, bilden aber mechanisch eine Baueinheit, wobei
die inneren Ringflansche 17a, 17b gegenüber den äußeren Ringflanschen 14a, 14b eine
begrenzte Schwenkbewegung ausführen
können.
Die Litzen 10, 10',...; 11, 11',... sind hierbei
mittels einer Lötverbindung
mit ihren Enden in axial ausgerichteten Bohrungen 19, 19', 19'',... in den Flanschen 14a, 14b bzw. 15a, 15b befestigt, vorzugsweise
verlötet.
Die Litzenscharen 10, 10',... des einen Potentials verlaufen
zu den Litzenscharen 11, 11',... des anderen Potentials in
etwa spiegelsymmetrisch, wobei die Symmetrieebene etwa innerhalb der
Isolierringe zwischen den Flanschen 14 und 17 liegt.
Durch entsprechende Schlaufenlänge
der Litzen 10, 10',...; 11, 11',... wird dafür Sorge
getragen, daß der
Schwenkwinkel ausreichend groß ist.
Zwischen den Einzelstromleitern 6 und 8 bzw. 6' und 8' der vom Generator 3 zum äußeren Ringflansch 14 verlaufenden
Stromzuleitungsschienen ist ein Iso lator 5a bzw. 5b vorgesehen.
Als Isolatormaterial 5a ist eine aus nichtleitendem Material
gefertigte Kunststoffolie bzw. eine nichtleitende, isolierende Klebeverbindung
vorgesehen. Der Abstand der durch die Isolatorschicht voneinander
getrennten Stromleiter 6 und 8 bzw. 6' und 8' beträgt typischerweise
0,7 mm bei einer zwischen den Einzelleitern 6 und 8 angelegten Potentialdifferenz
von U = 500 V.
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Das
mit dem drehbaren inneren Ringflansch 17 verbundene, drehbare
Stromleiterpaar besteht aus zwei Einzelleitern 16 und 18,
die jeweils potentialmäßig durch
eine Isolatorschicht 5b voneinander getrennt sind und jeweils
mit den einander gegenüber
liegenden inneren Flanschleitern 15a, 15b elektrisch
leitend verbunden sind. Mit ihren freien Enden ragen die einzelnen
Stromleiterschienen 16 und 18 durch eine an der
Kesselwandung 52',52'' vakuumdicht drehbar aufliegenden
Durchführungsplatte 52 in den
Kammerinnenraum 56 hinein, in welchem ein in den Zeichnungen
nicht dargestellter elektrischer Verbraucher mit über die
Stromverbindung zugeführter elektrischer
Energie versorgt wird.
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Die
mit dem drehbaren Ringflansch 17 verbundenen Einzelstromschienen 16 bzw. 18 besitzen z.B.
das in 2a dargestellte rechteckige
Querschnittsprofil. Zur Temperaturregelung der Einzelstromleiter 16 bzw. 18 sind
diese in Längsrichtung parallel
zueinander verlaufende Kanälen 24, 24', 24'',... und 26, 26', 26'',... ausgebildet, durch welche eine Kühlflüssigkeit
zur Kühlung
der Einzelstromschienen 16 bzw. 18 durchleitbar
ist. Alternativ können,
wie in 2b dargestellt, die Einzelstromleiter auch
aus einer Schar von einzelnen Rohrleitern 28, 28' , 28'',... bzw. 30, 30', 30'',... bestehen, durch welche die
Kühlmittelflüssigkeit
hindurchführbar
ist. Der Kühlmittelzufluß erfolgt,
wie in 3a dargestellt, mittels Zuleitungen 50 und
Ableitungen 51.
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In
den jeweils radial außen
liegenden Bereichen der Flansche 14 und 17 befinden
sich in im wesentlichen äquidistanter
Verteilung eine Vielzahl von axial ausgerichteten Bohrungen 19, 19', 19'',... (siehe 4), in welche
die U-förmigen
Litzen 10, 10',...; 11, 11',... mit ihrem
jeweils einen Ende eingelötet
sind. Die anderen Enden der Litzen 10, 10',...; 11, 11',... sind in
die Gegenflansche 15a, 15b eingelötet, die
zu diesem Zweck mit einer gleichen Anzahl von axial ausgerichteten
Bohrungen 22, 22',...
versehen sind wie die äußeren Flansche 14a und 14b.
Die Gegenflansche 14a, 14b sind in einer Position
radial außerhalb
der Flansche 15a, 15b angeordnet, jedoch ohne diese
zu berühren.
Zwischen den Gegenflanschen 14a, 14b befindet
sich ein aus Isolierstoff bestehender Distanzring, mit dem die Gegenflansche 14a, 14b zur
Bildung einer starren Baugruppe fest verbunden sind.
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- 1
- Hochstromverbindung
- 2
- stationäres Zuleitungsteil
- 3
- Stromgenerator
- 4
- Rotationsteil
- 5,
5a, 5b
- Isolator
- 6,
6'
- Stromzuleitungsschiene
- 7
- Stromschienenbügel
- 8,
8'
- Stromzuleitungsschiene
- 9
- Stromschienenbügel
- 10,
10',...
- flexibler
Stromleiter, Litze
- 11,
11',...
- flexibler
Stromleiter, Litze
- 14,
14a, 14b
- äußerer Leiterring,
Ringflansch
- 15,
15a, 15b
- innerer
Leiterring, Ringflansch
- 16
- Stromleiterschiene
- 17,
17a, 17b
- Ringflansch
- 18
- Stromleiterschiene
- 19,
19', 19'',...
- Bohrungen
- 20
- Durchführungsplatte
- 21
- Dichtungsring
- 22,
22', 22''...
- Bohrungen
- 24,
24', 24''
- Kanäle
- 26,
26', 26''
- Kanäle
- 28,28',...
- Rohrleiter
- 30,30',...
- Rohrleiter
- 41
- Stromverbindung
(drehbar)
- 42
- Tiegelkammer
- 43
- Stromleiterdrehteller
- 44a,
44b
- Litzenkontaktaußenring
- 45a,
45b
- Litzenkontaktteller
- 46,
46',...
- flexibler
Stromleiter
- 47,
47',...
- flexibler
Stromleiter
- 48,
48',...
- flexibler
Stromleiter
- 49,
49',...
- flexibler
Stromleiter
- 50
- Kühlmittelzuleitung
- 51
- Kühlmittelableitung
- 52
- Durchführungsplatte
- 54
- Stromschiene
- 55
- Stromschiene
- 56
- Kammerinnenraum
- 57
- Kammerwand
- A-A'
- Kippachse,
Drehachse