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Kontaktvorrichtung zum Übertragen elektrischer Ströme zwischen relativ
zueinander drehbaren Leitern Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktvorrichtung
zum Übertragen elektrischer Ströme zwischen relativ zueinander drehbaren Leitern,
bei welcher elektrisch leitende, gegeneinander isolierte Scheiben in einen in ringförmigen
Kammern aus elektrisch leitendem Material befindlichen flüssigen elektrischen Leiter
eintauchen.
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Bekannte Kontaktvorrichtungen der vorstehenden Art weisen elektrisch
leitende Ringkammern für die Aufnahme des flüssigen Leiters auf, welche in radialer
Richtung im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt besitzen. Solche Kammern haben
zur Folge, daß sich je nach der Umlaufgeschwindigkeit der Kontaktscheiben verschiedene
Formen des flüssigen elektrischen Leiters ergeben. Beim Stillstand befindet sich
der flüssige elektrische Leiter im unteren Teil der Kammer, wodurch sich zwischen
dem unteren und dem oberen Teil einer Kontaktscheibe unterschiedliche Kapazitätsverteilungen
ergeben. Bei geringer Umlaufgeschwindigkeit wird der flüssige elektrische Leiter
nur durchgewirbelt. Es ergeben sich in diesem Geschwindigkeitsbereich von der Umlaufgeschwindigkeit
stark abhängige Kapazitätsänderungen, bis sich oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit
ein geschlossener Ring aus dem flüssigen elektrischen Leiter bildet. Demzufolge
müssen mit den bekannten Anordnungen verhältnismäßig starke Kapazitätsschwankungen
in Kauf genommen werden, so daß z. B. die Übertragung von Wechselströmen mit einer
Frequenz oberhalb von 5 kHz für Meßzwecke praktisch nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktvorrichtung
mit in einem flüssigen Leiter umlaufenden Kontaktscheiben zu schaffen, bei welcher
insbesondere Kapazitätsänderungen auf Grund der sich mit der Umlaufgeschwindigkeit
ändernden Form des flüssigen Leiters vermieden werden können.
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Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Querschnitt
der Kontaktkammern auf deren Umfangsseite vergrößert und deren Achsseite verengt
ist, d-aß der Querschnitt der Kontaktscheiben an deren Umfang vergrößert ist und
daß die Kontaktscheiben mit dem im Querschnitt vergrößerten Teil in die Querschnittsvergrößerung
der Kontaktkammern eingreift.
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Hierdurch läßt sich eine verhältnismäßig große, mit dem flüssigen
elektrischen Leiter in Berührung stehende Oberfläche mit den Kontaktscheiben und
ein geringer Spalt zwischen ,den umlaufenden und den stillstehenden Teilen erreichen,
wodurch eine Mitnahme des flüssigen Leiters auch schon bei geringen Drehzahlen erfolgt.
Oberhalb einer gewissen Mindestdrehzahl bildet sich bereits ein Flüssigkeitsring
aus, dessen Form sich mit wachsender Drehzahl nicht mehr wesentlich verändert.
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Die kapazitiven Schwankungen lassen sich daher außerordentlich niedrig
halten, so daß auch hochfrequente Ströme ohne wesentliche Fehlereinflüsse übertragen
werden können. Praktische Untersuchungen haben ergeben, daß die kapazitiven Schwankungen
selbst bis zu einer Frequenz von 5 MHz vernachlässigbar sind.
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Zweckmäßig ist der Umfangsrand der Kontaktscheiben etwa halbkreisförmig
nach außen und der diesen umgebende Kammerinnenumfang entsprechend hohl gerundet.
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Erfindungsgemäß empfiehlt es sich, zwischen den stromübertragenden
Kontaktstellen umlaufende Abschirmscheiben anzuordnen. Auf diese Weise wird eine
vollständige Abschirmung zwischen benachbarten Kontaktscheiben erreicht und werden
gegenseitige Beeinflussungen verschiedener Stromkreise vermieden.
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Vorteilhaft weisen die ringförmigen Kontaktkammern einen solchen Querschnitt
auf, daß jede Kammer unabhängig von der Lage der Achse der Vorrichtung bei stillstehender
Vorrichtung den flüssigen elektrischen Leiter aufnimmt und zurückhält. Dies gibt
die Möglichkeit, die Kontaktvorrichtung in jeder beliebigen Lage zu verwenden.
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Der die Kontaktscheiben tragende Vorrichtungsteil ist vorzugsweise
als Hohlwelle ausgebildet. Die Hohlwelle kann aufsteckbar oder auch anfianschbar
sein. In letztgenanntem Fall weist die Hohlwelle an dem einen Ende oder an beiden
Enden einen Befestigungsflansch auf.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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A b b. 1 gibt die eine Längshälfte der Kontaktvorrichtung im Längsschnitt
schematisch wieder;
A b b. 2 läßt eine Kontaktvorrichtung mit einer
Hohlwelle zum Aufstecken auf eine Meßwelle im Längsschnitt erkennen; A b b. 3 und
4 verdeutlichen zwei weitere Ausführungsbeispiele im Längsschnitt.
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In A b b. 1 ist mit 10 eine Hohlwelle angedeutet, welche mit einem
elektrisch isolierenden Überzug 17 versehen ist. Auf der Hohlwelle 10 sind die Kontaktscheiben
11 angeordnet, welche durch Abstandsstücke 12 aus Isolierstoff voneinander getrennt
sind. Der Querschnitt des Kontaktscheibenteils 11 b ist verringert, während am Umfang
11a der Querschnitt des Kontaktscheibenteils wieder vergrößert ist.
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Mit 13 sind durch Abstandsstücke 14 voneinander getrennte Metallscheiben
bezeichnet. Die Abstandsstücke 14 bestehen aus elektrisch isolierendem Werkstoff.
Die Metallscheiben 13 sind aus .den Teilen 13a und 13 b zusammengesetzt. Sie enthalten
die Kontaktkammern, welche einen im Querschnitt verengten Ringteil 15 b und einen
im Querschnitt erweiterten Außenteil 15a aufweisen. In den Kammern befindet sich
ein flüssiger elektrischer Leiter 16, z. B. Quecksilber oder Gallium, in den die
Kontaktscheiben 11 eintauchen, wodurch der elektrische Kontakt zwischen den Kontaktscheiben
und den die Kontaktkammern enthaltenden Ringscheiben 13 hergestellt wird.
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Die Abnahme des Meßstromes erfolgt beispielsweise an den strichpunktiert
angedeuteten Leiterklemmen 50. Die Leiter für den zu messenden Strom sind mit 51
angedeutet. Sie befinden sich in einer Hohlwelle 10 und führen zu den Kontaktscheiben
11.
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Der Querschnitt der Kontaktkammern ist so bemessen, daß der flüssige
elektrische Leiter auch bei stillstehender Vorrichtung nicht aus der Kammer ausläuft,
gleichgültig, welche Achslage die Vorrichtung hat.
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In A b b. 1 ist beispielsweise in :der linken Kontaktkammer der Flüssigkeitsstand
bei stillstehender Vorrichtung und waagerechter Achslage, in der Mitte bei umlaufender
Vorrichtung und rechts bei stillstehender Vorrichtung mit senkrechter Achslage angedeutet.
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Am Außenrand sind die Kontaktscheiben 11 gerundet. Der Außenrand der
Kontaktkammern ist entsprechend hohl gerundet. Durch die Rundung wird ein ruhiges
Strömen des Kontaktmediums auch bei größeren Drehzahlen gewährleistet. Die Verjüngung
11 b der Kontaktscheiben und die Spaltverringerung 15 b der Kontaktkammern
verhindert den Austritt des Kontaktmediums aus den Kontaktkammern sowohl bei einer
senkrechten Stellung der Kontaktvorrichtung als auch bei Erschütterungen und Vibrationen.
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Die Vorrichtung kann für die Übertragung von Strömen beliebiger Art
verwandt werden. Sie läßt sich mit besonderem Vorteil für die Übertragung von elektrischen
Meßströmen hoher Frequenz anwenden, welche durch unterschiedliche Kapazitätswerte
zwischen den Kontaktelementen beeinflußbar sind. Da beim Erfindungsgegenstand die
Außenformen der Abschirmung zwischen den Kontaktkammern stets gleich i bleiben,
bleiben auch die Kapazitäten konstant.
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Sollen auch induktive Beeinflussungen zwischen den Meßströmen ausgeschaltet
werden, so kann z. B. zwischen zwei stromübertragenden Kontaktelementen jeweils
ein zusätzliches Kontaktelement vorgesehen i werden, das geerdet wird.
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A b b. 2 zeigt eine Ausführung der Kontaktvorrichtung mit vier Kontaktstellen
zur Übertragung der von Dehnungsmeßstreifen 22 beeinflußten Meßströme. Mit 20 ist
die Hohlwelle bezeichnet, welche die Kontaktscheiben 23 trägt, die durch die Abstandsstücke
28 aus elektrisch isolierendem Werkstoff voneinander getrennt sind. Die Kontaktkammern
sind mit 24 bezeichnet. Sie sind durch isolierende Abstandsstücke 28' voneinander
getrennt. Die Hohlwelle ist mit einer Schicht 17 aus isolierendem Kunststoff versehen.
29 sind Endkappen, welche die Kugellager 27 aufnehmen, mit denen der Außenteil der
Vorrichtung auf der Hohlwelle 20 gelagert ist.
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25 sind die mit den Ringscheiben in Verbindung stehenden Anschlußklemmen,
an welche die Leitungen 26 angeschlossen sind. Die Leitungen 26 dienen beispielsweise
für die Zu- und Ableitung hochfrequenter Meßströme.
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In die Hohlwelle 20 ist eine Maß- oder Prüfwelle 21 eingesetzt, deren
Drehmomentschwankungen beispielsweise mit Hilfe der Dehnungsstreifen 22 gemessen
werden sollen. Die Hohlwelle weist einen im Innendurchmesser vergrößerten Teil 20a
auf, in den die Prüfstelle 21 mit einem Bund 21a eingesetzt ist. In dem Bund 21
a kann eine Bohrung 21 b für den Fall vorgesehen sein, daß sich die Meßstelle außerhalb
der Hohlwelle 20 befindet. Mit 22a ist eine Gewindebohrung für eine Madenschraube
bezeichnet, mit welcher die Maßwelle 22 an der Hohlwelle 20
festgelegt ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach A b b. 3 sind die Kontaktscheiben
auf einer Hohlwella 30 engeordnet, deren eines Ende 30 a in dem die Kontaktkammern
enthaltenden Gehäuse liegt, während das andere Ende der Hohlwelle als Flansch 30
b ausgebildet ist, der an irgendeinem umlaufenden Teil befestigt werden kann.
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Die Kontaktvorrichtung ist baukastenmäßig aufgebaut, d. h. es können
nach Wunsch mehr oder weniger Kontaktelemente nebeneinander angeordnet werden, so
daß sich eine große Anzahl von Strömen übertragen läßt, beispielsweise Meßwarte
für Kraft, Drehmoment, Arbeit, Leistung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Temperatur,
Wasserstoffionenkonzentration usw. Es können auch alle anderen denkbaren Signale
elektronischer Schaltungen übertragen werden, z. B. Signale von Radaranlagen oder
von Fernsehanlagen, auch bei verschiedenen Trägerfrequenzen.
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Die Zahl der hintereinandergeschalteten Kontaktelemente in einer Kontaktvorrichtung
läßt sich wegen der verhältnismäßig engen zulässigen Längentoleranzen nicht beliebig
vergrößern. Diesem Umstand kann dadurch begegnet werden, daß mehrere abgeschlossene
Kontaktvorrichtungen hintereinander angeordnet werden. Zu diesem Zweck ist - wie
A b b. 4 zeigt -die Hohlwelle 40 an beiden Enden mit einem Flansch 40 a bzw. 41
versehen. Der Flansch 40 a kann z. B. mit einer umlaufenden Meßwelle und der Flansch
41 mit einer weiteren Kontaktvorrichtung verbunden werden.
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Als Kontaktmedium läßt sich jede elektrische gut leitende Flüssigkeit
verwenden, die bei dem in Frage kommenden Temperaturbereich den flüssigen Aggregatzustand
beibehält. Vorzugsweise ist Quecksilber oder auch Gallium als Kontaktmedium verwandt.
Wesentlich ist es, daß der chemische Zustand des Kontaktmediums so ist, daß sowohl
bei Stillstand als auch bei langsamer und schneller Drehung auf die Dauer eine chemische
Veränderung des Kontaktmaterials weitgehendst vermieden ist.