DE2363178A1 - Vorrichtung zur uebertragung elektrischer energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden anordnungen - Google Patents

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Hawker Siddeley !Qjmamics Ltd* 240/587

Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Anordnungen

Die Erfindung betrifft eine Torrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Anordnungen, z.B. über eine rotierende Verbindungsstelle hinweg, und ist insbesondere anwendbar zur Übertragung elektrischer Energie in Raumflugkörpern wie beispielsweise in einem bezüglich 3 Achsen stabilisierten Satelliten, der zur Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie Sonnenzellenanordnungen besitzt, die auf die Sonne ausgerichtet sind. Wenn sich der Satellit in einer Umlaufbahn um einen Himmelskörper befindet, dann müssen diese Sonnenzellenanordnungen relativ zum Satellitenkörper verschwenkt

409825/04H

werden, da dieser einen nicht geradlinigen Weg zurücklegt.

Man hat bereits mancherlei Mittel erfunden, um diese Aufgabe auf elektro-mechanlachen Wege zu lösen, und zwar unter Benutzung von Ringen und Bürsten, die über die Ringe schleifen, wobei Ringe und Bürsten aus Materialien bestehen, die den Ra umflugbedingungen entsprechen. Der Anwendung solcher Einrichtungen sind jedoch wegen des Verschleißes und des Übergangswiäerstandes Grenzen gesetzt, weil dadurch die Lebensdauer der Einrichtung herabgesetzt wird. Das Problem wird dadurch kompliziert, daß zur Erzielung eines optimalen Betriebs der Sonnenzellen eine obere .Spannungsgrenze von etwa 100 Volt nicht überschritten werden kann, weil von da an Coronaentladungen einsetzen. Hit den steigenden Ieistungsanforderungen von diesen Sonnenzellenanordnungen, z.B. für Fernmelde-Satelliten, bedeutet das Vorhandensein dieser oberen Spannungsgrenze, daß zur Erzielung hoher Leistungen der elektrische Strom in den Hauptzuleibungen und Kupplungen im Verhältnis der verlangten Leistung anwachsen muß.

Der elektrische Leistungsverlust über irgendwelchen . Kupplungen wie z.B. rotierenden Verbindungen wächst jedoch mit äem Quadrat der Stromstärke und mit dem elektrischen Übergangswiderstand an. Außer dem Einfluß auf die Masse des Energieversorgungssystems mit der daraus folgenden Verringerung des Gesamt-Ausnutzungsgrades ist es insbesondere nachteilig, daß mit dein Ansteigen der Leistung die Leistungsverluste in Wärme umgewandelt werden. Diese Verlustwärme stört das thermische Gleichgewicht des Satelliten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei

A09825/04U

rotierenden Anordnungen zu schaffen, bei der der elektrische Wirkungsgrad und die lebensdauer wesentlich verbessert sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der elektrische Strom durch eine elektrischleitende Flüssigkeit von einem der beiden festen, relativ zueinander rotierenden Leiter zum anderen übertragen wird. Auf diese Weise ist die Querschnittsfläche, durch welche der Strom übertragen,wird, um einige Größenordnungen größer, als die Querschnittsiläche bei der Übertragung mit den bisher üblichen Schleifringsystemen, bei denen nur verhältnismäßig wenig Spitzen der Bürstenfasern einen festen metallischen Kontakt herstellen.

Aus Gründen der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ist die optimale leitende Flüssigkeit ein flüssiges Metall. Es lassen sich verschiedene Metalle und Metall-Legierungen verwenden, das Hauptproblem liegt jedoch darin, das flüssige Metall zusammenzuhalten, damit es nicht verlorengeht und in benachbarten elektrischen Drehverbindungen oder im elektrischen System des Satelliten als Ganzem Kurzschlüsse hervorruft. Eine Möglichkeit, das flüssige Metall zusammenzuhalten, besteht in der Verwendung einer ferromagnetischen !Flüssigkeit, die sich weder mit dem elektrisch-leitenden Flüssigmetall mischt noch damit reagiert. Die ferromagnetische Flüssigkeit kann eine kolloidale Suspension ferritischer Partikel von einer Größe kleiner als 1 /U in einer Suspensionsflüssigkeit wie Wasser oder Paraffin sein^em zur Verhinderung der Ausflockung ein Dispersionsmittel zugesetzt ist. Wenn an eine solche Flüssigkeit ein magnetisches Feld angelegt wird, dann wird innerhalb des Flüssigkeitkörpers eine Kraftwirkung hervorgerufen, die ausreicht, das Ter-

A09825/0AU

halten der Flüssigkeit als Ganzes radikal zu ändern, ohne jedoch seine Fluidität zu ändern. Unter Verwendung eines geeigneten Magentfeläes sowie einer Suspansionsflüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck läßt sich die ferromagnetische Flüssigkeit in der Weise in eine Reihe ringförmiger Dichtungszonen um einen Schaft, der eine Hälfte der elektrischen Drehkupplung im Raumflugkörper trägt, herum verteilen, daß das flüssige Metall zwischen den Dichtungszonen mit ferromagnetischer Flüssigkeit eingeschlossen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend "beschrieben· Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine teilweise geschnittene Längsansicht einer elektrischen Drehkupplung für die Sonnenzellenanordnung eines Satelliten.

Der Rotor der Kupplung umfaßt eine Welle 1, von deren Ende ein Schaft 5 vorsteht. Entlang der Welle erstrecken sich die elektrischen Hauptleitungen 6 in den Schaft hinein, von wo Leitungen 7 an zwei verschiedenen Stellen entlang der Achse durch Isolatorringe 8 aus dem Schaft heraus führen. Der Schaft 5 ist durch den im wesentlichen zylindrischen Stator der elektrischen Kupplung koaxial umgeben, wobei zwischen beiden ein Ringspalt besteht. Der Stator wiederum ist von zwei ringförmigen Stromschienen 9 umgeben, an welche die fortführenden Hauptleitungen 10 angeschlossen sind. Die Stromschienen 9 befinden sich an denselben Stellen entlang der Achse, an denen auch die Leitungen 7 aus dem Schaft austreten. An der gleichen Stelle befinden sich auch Ringleiter 11 auf der Innenseite des Stators, die durch Stifte 12, die durch Isolatoren 13 in der Statorwandung hindurch führen, mit den Strom-

409825/OAU

schienen verbunden sind.

In der gleichen radialen Richtung, in der sich die Stromschienen 9 und die Ringe 11 befinden, tragt der Schaft 5 des Rotors außen herumlaufende elektrisch-leitende Rippen, die sich in Flügel oder !Flossen 14· fortsetzen, die Ms dicht vor die Ringe 11 reichen, wobei sich zwischen jeder mit einem Hügel versehenen Rippe 3 und dem entsprechenden Ring 1t eine gewisse Menge eines den elektrischen Strom leitenden flüssigen Metalls 4 befindet und somit einen flüssigen Schleifring bildet. Die !Flügel 14 dienen zur Vergrößerung der benetzten Fläche und setzen den Weg herab, den der Strom durch die leitende Flüssigkeit zurücklegt* Da die Rippen 3 mit den Leitungen 7 verbunden sind, besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Stator und dem R.otor.

Zu beiden Seiten eines jeden flüssigen Schleifringes ist eine ringförmige Dichtung angeordnet, die aus einer Flüssigkeit 15 besteht, die ihrerseits zwischen um den Rotor herumführenden Flossen oder Flügeln 16, die bis dicht an den Stator heranreichen, eingeschlossen ist· Biese Flüssigkeit hat ferromagnetische Eigenschaften. Die Statorwandung umfaßt an den Dichtungsbereichen ringförmige Polstücke 17. aus Weicheisen, die neben den Leitungsringen 11 angeordnet sind. Auf der dem flüssigen Schleifring 4 abgewandten Seite einer jeden Dichtung trägt sowohl der Hotor als auch der "Stator Permanentmagnete 18 und 19, z.B. aus Barium-Ferrit· Diese Permanentmagnete liegen neben den Flügeln bzw. den Polstücken und sind jeweils durch einen Spalt 20 voneinander getrennt. Im Jocialbereich zwischen den beiden flüssigen Schleifringen 4 besitzen die beiden Dichtungen 15 gemeinsame Magnete auf dem Rotor und Stator, d.h.

409825/0414

jede Dichtung vervollständigt den magnetischen Schaltkreis der anderen Dichtung. Im Bereich außerhalb der "beiden Schleifringe werden die magnetischen Kreise durch zwei zusätzliche Flüssigkeitsdichtungen von ähnlichem Aufbau vervollständigt, die auf der den Schleifringen abgewandten Seite der Magnete angeordnet sind. An den beiden gegenüber liegenden Stirnseiten des Stators befinden sich Labyrinthdichtungen 21 und 22.

Die Komponenten des magnetischen Kreises der ferromagnetischen Flüssigkeitsdichtung, die mit dem flüssigen Metall in Berührung kommen, sind zur Isolierung mit einem nichtleitenden Material beschichtet.

Ein weiterer Vorteil der Anwendung flüssiger Schleifringsysteme mit Flussigkeitsdichtungen liegt in der beträchtlichen Herabsetzung des Drehmomentes gegenüber einer herkömmlichen Schleifringanordnung mit festem Ring und Bürste. Solche herkömmlichen Schleifringe sind auf bestimmte Wertebereiche der Stromdichte in der Bürste und im Ring bei bestimmtem Druck der Bürste auf den Ring ausgelegt. Der Druck der Bürste wird dabei durch Druckfedern, die die Bürste gegen den Ring pressen, erzeugt. Bei Schleifringen zur Verwendung im Vakuum und in der Raumfahrttechnik liegen die Vierte für die Stromdichte in der

Bürste typisch bei 40 Ampe*re pro m und beim Ring typisch bei 155 Ampdre pro cm, während der Druck der Bürste zwischen 0,4 und 0,7 kg pro cm liegt. Hieraus ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen dem Drehmoment und dem übertragenen Strom. Je größer der zu übertragende Strom ist, um so größer ist das Drehmoment, welches zum Antrieb des Sohle ifringsyst ems erforderlich ist. Bei der Benutzung eines flüssigen Schleifringes und einer Flüssigkeitsdichtung treten lediglich Reibungsdrehmomente auf, die von den Scherkräften der beteiligten

409825/04U

ITüsaigkeiteri herrühren und "bei der Übertragung großer Leistungen um zwei Größenordnungen unter dein Drehmoment liegen können, welches ein herkömmlicher Schleifring mit Bürste erfordert. Die eingesparte Leistung führt dabei zu einer Gev/ichtseinsparung der Drehvorrichtung mit einem daraus resultierenden entsprechenden Anwachsen der Nutslast des Satelliten.

Geeignete ITüssigmetalle sind:

1. Quecksilber

2. Gallium . .

3. ITaK - Legierung aus 80$ Kalium und 20$ Natrium

4. Gallindium - eine Legierung aus 76$ Gallium unä 24$ Indium

Am bequemsten läßt sich entweder Quecksilber verwen~ den, weil es einen tiefen Gefrierpunkt, besitzt (minus 38 G) oder die eutektische Legierung Gallium-Indium wegen ihrer geringen Giftigkeit. Jede dieser Substanzen kann nur in Verbindung mit den folgenden Materialien als Eontaktmaterial verwen det werden:

1. Wolfram

2. Hochreines Eisen

3. austenitischer Edelstahl

Für die ferromagnetische Dichtungsflüssigkeit würäe man dann von einer Fluorkohlenstoff-Suspensionsflüssigkeit aus- " gehen, die sich mit keinem der Flüssigmetalle mischt und mit keinem reagiert.

409825704Ü

Zwar ist die Erfindung vorangehend in Verbindung mit der Übertragung elektrischer Energie über eine elektrische Drehkupplung in einem Raumflugkörper beschrieben worden, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt, sondern kann auch anderswo angewendet werden. Beispielsweise kann man die Anordnung mit einem inerten Gas füllen oder spülen, so daß die Anordnung auch für den Gebrauch auf dem Erdboden gut geeignet wird. Ein Spülen mit inertem Gas kann aber auch vor dem Einbau der Anordnung in den Raumflugkörper erforderlich sein.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Flussigmetall-Schleifringsystem kann auch in Verbindung mit Vorrichtungen ver?- wendet werden, die in der Atmosphäre arbeiten, und zwar sowohl beweglich als auch fest installiert, in der Luft, zu Wasser oder zu Lande. Anwendungsbeispiele sind Schleifringgeneratoren und Schräge-Wechselstrommotoren mit veränderlichem Drehmoment, wie sie in Kranantrieben Verwendung finden. Das Flussigmetall-Schleifringsystem kann auch als Bürstenarm für Unipolarmotoren und -generatoren verwendet werden. Es ist in der Tat so, daß alle herkömmlichen Anwendungsfälle der Leistungs- und Signalübertragung unter Verwendung der Erfindung wirksamer gestaltet werden können.

Das Flüssigmetall-Schleifringsystem arbeitet auch, wenn es in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, wenn die Dichtungen so ausgelegt sind, daß die Dichtungsflüssigkeit mit der Flüssigkeit, in der die Anlage eintaucht, sich nicht mischt und damit nicht reagiert und die Dichtungen dem hydrostatischen Druck entsprechend der Tauchtiefe standhalten.

Mit der Erfindung lassen sich demnach folgende Anwendungen mit Erfolg verwirklichen:

409825/OAU

a. Eine Einrichtung sur ITbabtragung elektrischer Energie, bei der große Ströme über eine elektrische Drehverbindung im Hochvakuum fließen, unabhängig von der Einwirkung der Schwerkraft oder der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Kupplungsteile gegeneinander.

• b. Eine Einrichtung zur übertragung elektrischer Energie, bei der große Ströme über eine eüärfcrische Drehkupplung fließen und für· die Rotation der Drehkupplung nur sehr geringe Drehmomente erforderlich sind, die praktisch vom übertragenen Strom unabhängig sind und lediglich von den in der Viskosität des flüssigen Metalls und der ferromagne-: tischen Dichtungsflüssigkeit begründeten Viskosität abhängen.

c. Eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie, bei der große Ströme über eine elektrische Drehkupplung fließen, bei der kein Verschleiß durch Abrieb auftritt und deren lebensdauer im Hochvakuum nur von der Verdampfungsgeschwindigkeit der äußeren Dichtungen mit ferromagnetischer Flüssigkeit abhängt* ¥enn diese Dichtungen direkt dem Weltraum ausgesetzt und durch geeignete Labyrinthdiehtungen geschützt sind, und wenn der Dampfdruck der Suspensionsflüssigkeit, in. der die ferromagnetischen Partikel suspendiert sind, etwa 10 !Borr beträgt, dann ist die Lebensdauer sicherlich größer als 30 Jahre.

d. Eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie» wie zuvor, -jedoch zur Verwendung in der Atmosphäre, wobei das flüssige Metall vor der Oxydation bewahrt wird_$ indem es unter dem Druck eines inerten Gases steht oder damit gespült wird. -Patentansprüche-

A0982S/0AU

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1»J Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden. Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom, durch eine ;: elektrisch-leitende Flüssigkeit (4) von einen der "beiden festen, relativ zueinander rotierenden Leiter sun anderen übertragen wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch-leitende Flüssigkeit (4) in solcher Gestalt angeordnet ist, daß sie einen oder mehrere Flüssig— Schleifringe bildet.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet _f daß die elektrisch-leitende Flüssigkeit ein flüssiges Metall (4) wie Quecksilber, Gallium, ITaK oder GaIlindium ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch-leitende: Flüssigkeit (4) durch Flussig-Dichtungen unter Verwendung einer ferroraagnetischen Flüssigkeit zusammengehalten wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsflüssigkeit (15) aus einer irägerflüssigkeit

   A09825/04U

   πι it darin enthaltenen ferromagnetische!! Partikeln besteht.
6. 6. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flüsöig-Schleifring zu beiden Seiten eine ringförmige Dichtung unter Verwendung einer ferromagnetischen Flüssigkeit (15) besitzt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch' 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer (2) der relativ zueinander rotierenden festen Leiter den anderen (1) koaxial umgibt und^; das flüssige Metall (4) des Schleifringes zwischen elektrisch-leitenden Flügeln oder Flössen (14) und um diese herum festgehalten wird, wobei die Flügel bzw. Flossen (16) einen der beiden koaxialen Leiter (1,2) umgeben und sich bis unmittelbar-vor den anderen Leiter erstrecken. -
8. 8. '" Vorrichtung nach Anspruch 6, oder nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, äaß jede Dichtung Eeil eines magnetischen Kreises ist, der durch einen oder mehrere Permanentmagnete (18,19)* Polstücke (17) dafür und durch eine v/eitere gleichartige Dichtung vervollständigt wird. ■
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 7 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dichtungen zwischen Seilen des Rotors (5) und des Stators (2), von denen der eine (2) den anderen (5) koaxial umgibt, angeordnet ist und die Dichtungsflüssigkeit (15) zwischen Flügeln bzw. Flossen (16) und um diese herum festgehalten, ist, wobei die Flössen bzw» Flügel (16) um eines der leile des Rotors (5) oder Stators (2) herum verlaufen und sich bis unmittelbar vor das andere Teil erstrecken.

   409825/04U

   23R3178
10. 10. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 2 und 6-9,
    dadurch gekennaeichriet, daß der Bereich, in dem der Flussig-Schleifring angeordnet ist mit einem inerten G-as als Schutzgas gespält wird oder unter Druck beaufschlagt ist.

    Tvr/dn

    /- 09875/041