DE2363178B2 - Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Anordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Anordnungen, bei der der elektrische Strom von einem der beiden festen, relativ zueinander rotierenden Leiter zum anderen durch eine elektriscii leitende Flüssigkeit übertragen wird, die durch Flüssigkeits jichtui ^en zusammengehalten wird.

Derartige Vorrichtungen si, i insbesondere anwendbar zur Übertragung elektrischer Energie in Raumflugkörpern wie beispielsweise in einem bezüglich drei Achsen stabilisierten Satelliten, der zur Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie Sonnenzellenanordnungen besitzt, die auf die Sonne ausgerichtet werden. Wenn sich der Satellit in einer Umlaufbahn um einen Himmelskörper befindet, dann müssen diese Sonnenzellenanordnungen relativ zum Satellitenkörper verschwenkt werden, da dieser einen nicht geradlinigen Weg zurücklegt.

Es sind elektro-mechanische Vorrichtungen unter Verwendung von Schleifringen und Bürsten zur Übertragung elektrischer Energie bekannt, wobei die Schleifringe und Bürsten aus Materialien bestehen, die den Raumflugbedingungen entsprechen. Der Anwendung solcher Einrichtungen sind jedoch wegen des Verschleißes und des Übergangswiderstandes 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. Mit den steigenden Leistungsanforderungen von diesen Sonnenzellenanordnungen, z. B. für Fernmelde-Satelliten, bedeutet das Vorhandensein dieser oberen Spannungsgrenze, daß zur Erzielung hoher Leistungen der elektrische Strom in den Hauptzuleitungen und Kupplungen im Verhältnis der verlangten Leistung anwachsen muß.

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

Bei der eingangs erwähnten Vorrichtung dient als elektrisch leitende Flüssigkeit beispielsweise Quecksilber, wobei vorgesehen ist, daß der die Drehbewegung bzw. eine hin- und hergehende Bewegung ausführende Leitereine die elektrisch leitende Flüssigkeit anziehende Oberfläche aufweist, um eine innige Berührung mit diesem Medium zu bewirken und damit eine einwandfreie Übertragung auch kleinster Ströme und Spannungen zu gewährleisten.

Ein wesentliches Problem derartiger Vorrichtungen liegt darin, das flüssige Metall zusammenzuhalten, damit es nicht verlorengeht und in benachbarten elektrischen Drehverbindungen oder im elektrischen System des Satelliten Kurzschlüsse hervorruft. Bei der bekannten Vorrichtung dient hierfür eine Sperrflüssigkeit aus Glyzerin, die auf dem Quecksilber ruht. Diese Sperrflüssigkeit kann ihre Funktion jedoch nur aufgrund der Tatsache ausüben, daß der rotierende Leiter eine die leitende Flüssigkeit anziehende Oberfläche aufweist. Damit werden aber nicht die Anorderungen erfüllt, die unter Bedingungen erfüllt sein müssen, die in einem Satelliten auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zufriedenstellend auch über einen längeren Zeitraum ohne Wartung unter Bedingungen arbeitet, die bei einem Satelliten vorliegen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Flüssigkeitsbedingungen ferromagnetisch sind und jeweils Teil eines magnetischen Kreises sind, der durch einen oder mehrere Permanentmagnete, Polstücke dafür unci durch eine weitere gleichartige Dichtung vervollständigt wird.

Vorzugsweise besteht die Flüssigkeitsdichtung aus einer Trägerflüssigkeit mit darin enthaltenen ferromagnetischen Partikeln. Die ferromagnetische Flüssigkeit kann eine kolloidale Suspension ferritischer Partikel von einer Größe kleiner als 1 μ in einer Suspensionsflüssigkeit wie Wasser oder Paraffin sein, dem zur Verhinderung der Ausflockung ein Dispersionsmittel zugesetzt wird. Eine solche Flüssigkeit mischt sich weder mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit noch reagiert sie mit dieser. Wenn an eine solche Flüssigkeit ein magnetisches Feld angelegt wird, dann wird innerhalb der Flüssigkeit eine Kraftwirkung hervorgerufen, die ausreicht, das Verhalten der Flüssigkeit als Ganzes radikal zu andern, ohne jedoch seine Fluidität zu ändern. Unter Verwendung eines geeigneten Magnetfeldes sowie einer Suspensionsflüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck läßt sich die ferromagnetische Flüssigkeit in der Weise in eine Reihe ringförmiger Dichtungszonen um einen Schaft, der eine Hiilfte 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 Zeichnungdargestcllt und wird nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine teilweise geschnittene Längsansicht einer

elektrischen Drehkupplung für die Sonnenzellenanordnung eines Satelliten.

Der Rotor c!f r 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 herausführen. Der Schaft 5 ist durch den im wesentlichen zylindrischen Stator 2 der elektrischen Kupplung koaxial umgeben, wobei zwischen beiden ein Ringspalt besteht. E»er Stator 2 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 Stromschienen verbunden sind.

In der gleichen radialen Richtung, in der sich die Stromschienen 9 und die Ringe 11 befinden, trägt der Schaft 5 des Rotors außen herumlaufende elektrisch-leitende Rippen, die sich in Flügel oJer Flossen 14 fortsetzen, die bis dicht vor die Ringe 11 reichen, wobei sich zwischen jeder mit einem Flügel versehenen Rippe 3 und dem entsprechenden Ring 11 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 Rotor.

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. Diese Flüssigkeit hat ferromagnetische Eigenschaften. Die Statorwandung umfaßt an den Dichtungsbereichen ringförmige Polstücke 17 aus Weicheisen, die neben den Leitungsringe η 11 angeordnet sind. Auf der dem flüssigen Schleifring; 4 abgewandten Seite einer jeden Dichtung trägt sowohl der Rotor 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 Axialbereich zwischen den beiden flüssigen Schleifringen 4 besitzen die beiden Dichtungen 15 gemeinsame Magnete auf dem Rotor und Stator, d. h. jede Dichtung vervollständigt den magnetischen Schaltkreis der anderen Dichtung. Im Bereich außerhalb der beiden Schleifringe werden die magnetischen Kreise durch zwei zusätzliche Flüssigkeitsijichtungen von ähnlichem Aufbau vervollständigt, die auf der den Schleifringen abgewandten Seite der Magnete angeordnet sind. An den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators befinden sich Labyrinthdichtungen 21 und 22.

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

Ein weiterer Vorteil der Anwendung fluss ige ι Schleifringsysteme m,( Flüssigkeitsdichtungen liegt in der beträchtlichen Herabsetzung des Drehmomentes gegenüber einer herkömmlichen Schleifringanordnung mit festem Ring und Bürste. Solche herkömr.ilichen 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 Werte für die Stromdichte in der Bürste typisch bei 40 Ampere pro nrr und beim Ring typisch bei 155 Ampere pro cm², während der Druck der Bürste zwischen 0,4 und 0,7 kg pro cm² 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 Schleifringsystems erforderlich ist. Bei der Benutzung eines flüssigen Schleifringes und einer Flüssigkeitsdichtung treten lediglich Reibungsdrehmomente auf, die von den ScherL äften der beteiligten Flüssigkeiten herrühren und bei der übertragung großer Leistungen um zwei Größenordnungen unter dem Drehmoment liegen können, welches ein herkömmlicher Schleifring mit Bürste erfordert. Die eingesparte Leistung führt dabei zu einer Gewichtseinsparung der Drehvorrichtung mit einem daraus resultierenden entsprechenden Anwachsen der Nutzlast des Satelliten.

Geeignete Flüssigmetalle sind:

1. Quecksilber

2. Gallium

3. NaK-Legierung aus 80% Kalium und 20% Natrium

4. Gallindiurn - eine Legierung aus 76% Gallium und 24% Indium.

Am bequemsten läßt sich entweder Quecksilber verwenden, weil es einen tiefen Gefrierpunkt besitzt (minus 38° C) oder die eutektische Legierung GaI-i lium-Indium wegen ihrer geringen Giftigkeit. Jede dieser Substanzen kann nur in Verbindung mit den folgenden Materialien als Kontaktmaterial verwendet werden:

1. Wolfram

2. Hochreines Eisen

3. austenitischer Edelstahl

Für die ferromagnetische Dichtungsflüssigkeit würde man dann von einer Fluorkohlenstoff-Suspensionsflüssigkeit ausgehen, die sich mit keinem der Flüssigmetalle mischt und mit keinem reagiert.

Zwar ist die Erfindung vorangehend in Verbindung mit der Übertragung elektrischer Energie über eine elektrische Drehkupplung in einem Raumflugkörper be· trieben 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, μ daß die Anordnung auch für den Gebrauch auf dem Erdboden guf geeignet wird Ein Spülen mit inertem Gas kann aber auch vor dem Einbau der Anordnung in den Raumflugkörper erforderlich sein.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Flüssigmetall-Schleifringsystem kann auch in Verbindung mit Vorrichtungen verwendet werden, die in der Atmosphäre arbeiten, und zwar sowohl beweglich als auch fest installiert, in eier Luft, zu Wasser oder zu Lande. Anwendungsbeispiele sind Schleifringgeneratoren und Schräge-Wechselstrommotoren mit veränderli-

ehern Drehmoment, wie sie in Kranantrieben Verwendung finden. Das Flüssigmetall-Schleifringsystem kann auch als Biirstenarm 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 kön nen.

Das Flüssigmetall-Schleifringsystem arbeitet auch, wenn es in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, wenn die ι» 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 demiweh folgende Anwendungen mit Erfolg verwirklichen:
:i. Eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie, bei eier große Strome über eine elektrische Drehverbindung im Hochvakuum fließen. ' unabhängig von der Einwirkung der Schwerkraft oder der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Kupplungsteil gegeneinander,
b. Eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie, hei der große Ströme über eine elektri- .· sehe Drehkupplung fließen und für die Rotation der Drehkupplung nur sehr geringe Drehmomente erforderlich sind, die praktisch vom über tragenen Strom unabhängigsind und lediglich von den in der Viskosität des flüssigen Metalls und det ferromagnetischen Dichtungsflüssigkeit begründeten Viskosität abhängen.

c. Eine Einrichtung zur Übertragung elektrischet Energie, bei der große Ströme über eine elektrische Drehkupplung fließen, bei der kein Ver schleiß durch Abrieb auftritt und deren Lebensdauer im Hochvakuum nur von der Verdampfungsgeschwindigkeit der äußeren Dichtungen mit ferromagnetischer Flüssigkeit abhängt. Wenn diese Dichtungen direkt dem Weltraum ausgesetzt und durch geeignete Labyrinthdichtungcn geschützt sind, und wenn der Dampfdruck dei Suspensionsflüssigkcit, in der die ferromagnetischcn Partikel suspendiert sind, etwa HI* Ton beträgt, dann ist tue Lebensdauer sicherlich großer als 30 Jahre.

d. F.ine Einrichtung /ur Übertragung elektrischer E:nergic. 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 stellt oder damit gespült wird.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Anordnungen, bei der der elektrische Strom von einem der beiden festen, relativ zueinander rotierenden Leiter zum anderen durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit übertragen wird, die durch Flüssigkeitsdichtungen zusammengehalten wird,dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdichtungen (15) ferromagnetisch sind und jeweils Teil eines magnetischen Kreises sind, der durch einen oder mehrere Permanentmagnete (18,19), Polstücke (17) dafür und durch eine weitere gleichartige Dichtung (15) vervollständigt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdichtungen (15) aus eine^r Trägerflüssigkeit mit darin enthaltenen ferroma.2netischen Partikeln bestehen.