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Periodisch betätigtes Kontaktgerät Als Gleichrichter oder als Wechselrichter
arbeitende mechanische Stromrichter, gelegentlich auch Zerhacker genannt, sind schon
lange bekannt. Als reine Wechselrichter werden sie zum Anschluß von Rundfunkgeräten
an Gleichstromnetze benutzt, als Wechselrichter und Gleichrichter dienen sie zur
Erzeugung der Anodenspannung von Geräten der Fernmeldetechnik.
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Die bisher bekanntgewordenen Zerhacker sind nur für mittlere Gleich-
oder Wechselspannungen, etwa t bis a kV, geeignet. Mechanische Stromrichter für
hohe Gleichspannungen werden benötigt zur Erzeugung der Anodenspannung von Sende-und
Empfangsgeräten größerer Leistung, insbesondere von tragbaren Geräten. Bei diesen
Geräten wird vielfach die hohe Gleichspannung von Maschinen erzeugt, die von Benzinaggregaten
angetrieben werden. Die Verwendung von Zerhackern für Hochspannung erspart diese
Aggregate und erzeugt die Anodenspannung aus der Heizbatterie. Wenn auch bei mechanischen
Zerhackern ein größerer Aufwand an Siebmitteln erforderlich ist, so ist die insgesamt
auftretende Gewichtsersparnis doch beträchtlich.
Ein weiteres Anwendungsgebiet
sind die Elektrofilter, insbesondere die Gasreinigungsgeräte von Fahrzeugen, die
bei den Holzgasgeneratoren zur Reinigung des Gener atorgases benutzt werden. Bei
den bisher hierfür gebräuchlichen Einrichtungen werden an Stelle der Zerhacker kleine
Einankerumformer benutzt. Deren schlechter Wirkungsgrad bedingt jedoch eine sehr
große Fahrzeugbatterie, die in den meisten Fällen die elektrische Reinigung des
Generatorgases ausschließt. Der Zerhacker gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine
so geringe Antriebsleistung, daß der Amperestundenbedarf der Batterie auf einen
Bruchteil zurückgeht.
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Die Wirkungsweise des neuen Zerhackers zeigt Fig. i, die aus Wechselrichter
und Gleichrichter bestehende Schaltung zeigt Fig.2 der Zeichnung. Die aus Federmaterial
bestehende Zunge 2, samt ihrer Verlängerung 3 ist im Punkt i drehbar gelagert. Auf
der Niederspannungsseite erfolgt die Kontaktgabe zwischen dem Kontakt 4 und den
beiden Gegenkontakten 5 und 6 auf der Hochspannungsseite zwischen der Zunge 2 einerseits
und den beiden Hochspannungskontakten 7 und 8 andererseits. Der gabelförmige gebogene
Anker 81 wird wechselseitig von den beiden Elektromagneten 9 und io angezogen und
versetzt dadurch das drehbare Zungensystem 2, 3 in Schwingungen. In Fig. i ist die
Ruhelage des Systems dargestellt. Die eine Endstellung der Zunge ist gestrichelt
gezeichnet. Von der Zunge 2 wird die Spannung durch die Feder ii (Blattfeder, Schraubenfeder,
Litze) abgenommen.
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Die Bewegung des Zungensystems 2, 3 wird in ähnlicher Weise hervorgerufen-
wie beim Wagnerschen Hammer. Das System ist also selbsterregt. Die bewegliche Zunge
2 möge sich in Fig. i in ihrer linken Endlage befinden. Dann berührt die Zunge :2
den Hochspannungskontakt 8, und Kontakt 4 berührt den Gegenkontakt 5. Die Niederspannungswicklung
13 des Transformators liegt an Batteriespannung. Die in der Hochspannungswicklung
16 induzierte Spannung wird dem Verbraucher zugeführt. Die Erregerwicklung io ist
über das Zungensystem 2, 3 und Kontakt 5 kurzgeschlossen. Der Erregermagnet 9 dagegen
ist stromdurchflossen und zieht den Anker 81 an. Dadurch wird die Zunge :2 nach
rechts bewegt. Beim Nulldurchgang wird die Wicklung 13 von der Batterie 12 abgeschaltet,
wobei Kondensator 17 in bekannter Weise als Funkenlöschkondensator wirkt. Zunge
2 bewegt sich weiter nach rechts. Sobald der Kontakt 4 den Gegenkontakt 6 berührt,
wird die Niederspannungswicklung 14 an Batteriespannung gelegt. Gleichzeitig wird
die Erregerwicklung 9 kurzgeschlossen, wodurch die Zugkraft des Elektromagnets 9
entsprechend seiner Zeitkonstanten langsam abklingt. Vermöge ihrer kinetischen Energie
bewegt sich die Zunge 2 weiter nach rechts und berührt schließlich den Hochspannungskontakt
7, wodurch jetzt die Wicklung 15 den Verbraucher speist. Inzwischen ist der Strom
der Erregerspule io entsprechend der Zeitkonstanten angestiegen. Die auf die Zunge
2 wirkende Antriebskraft versucht diese wieder nach links zu bewegen, bis nacheinander
die Hochspannungswicklung 15, dann die Niederspannungswicklung 14 wieder abgeschaltet
werden und der Kontakt 4 wieder den Gegenkontakt 5 berührt. Dann beginnt das Spiel
von neuem.
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Bei den bisher bekanntgewordenen mechanischen Stromrichtern beziehen
sich die auftretenden Schwierigkeiten zum größten Teil auf einwandfreie Kontaktgabe
und auf die Beseitigung der Kontaktprellungen, die entstehen, wenn Kontakte mit
bestimmter Geschwindigkeit aufeinandertreffen. Sollen derartige Geräte für mehrere
kV gebaut werden, dann treten mit Rücksicht auf die wegen der hohen Spannungen einzuhaltenden
Abstände spannungsführender Teile des Zerhackers neue konstruktive Gesichtspunkte
in den Vordergrund. Um Überschläge zwischen den Kontakten zu vermeiden, ist ein
bestimmter Mindestabstand der Hochspannungskontakte erforderlich. Die schaltende
Zunge, die abwechselnd den einen und dann den anderen Kontakt berührt, muß diesen
Abstand mit möglichst großer Geschwindigkeit durchlaufen, um während der Periode
zu einer noch hinreichend großen Berührungsdauer zu kommen. Das führt zwangläufig
ztl einer großen Geschwindigkeit der schaltenden Zunge im Augenblick des Auftreffens
auf den Hochspannungskontakt und damit zu Prellungen. Diese Prellungen entstehen
auch dann, wie Versuche gezeigt haben, wenn der Hochspannungskontakt federnd gelagert
ist und kleine Maße besitzt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Hochspannungskontakt,
bei dem Kontaktprellungen nicht auftreten. Der Kontakt ist konstruktiv so ausgebildet,
daß er kleinstmögliche Maße besitzt, andererseits aber noch genügend mechanische
Festigkeit hat, um sich selbst zu tragen. Zu diesem Zweck wird ein Federband entsprechender
Dicke kreisförmig zusammengelegt und, wie Fig. i zeigt, befestigt. Beim Auftreffen
der Zunge 2 auf den Hochspannungskontakt 7 plattet sich dieser ab und biegt sich
entsprechend der Zungenbewegung durch. Die dem Kontakt beim Auftreffen der Zunge
mitgeteilte Bewegungsenergie äußert sich als Formänderungsarbeit bei der Abplattung,
ohne daß dabei ein Abheben von der berührenden Zunge erfolgt. Außerdem erfolgt die
Berührung gleichzeitig an sehr vielen Punkten (Vorstellung des Kontaktes als Kette),
so daß auch bei stellenweisem Abheben des bandartigen Kontaktes noch Berührung zwischen
Zunge und Kontakt herrscht. Der Kontakt entsprechend der vorliegenden Erfindung
läßt sich noch dadurch verbessern, daß durch entsprechende Befestigung des Bandkontaktes
bei der Berührung zwischen Zunge und Kontakt eine Relativbewegung entsteht, so daß
die Bewegungsenergie der Zunge ganz oder zum Teil durch Reibung aufgezehrt wird.
Dadurch wird außerdem Selbstreinigung der Kontakte bewirkt. Die Dämpfung unerwünschter
Eigenbewegungen des Hochspannungskontaktes kann schließlich noch durch Aufeinanderlegen
mehrerer Federbänder erzielt werden. Dann werden die Eigenbewegungen des Hochspannungskontaktes
dadurch gestört, daß
jedes Band entsprechend seinem Durchmesser
mit einer anderen Frequenz schwingen will. Außerdem entstehen durch das Aufeinanderlegen
mehrerer Bänder zusätzliche Reibflächen. Die beschriebenen Wirkungen können grundsätzlich
auch mit einseitig eingespannten Blattfedern als Hochspannungskontakten erzielt
werden. Wie Versuche ergeben haben, wurden jedoch mit den Bandkontakten bessere
Ergebnisse erzielt.
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Die kreisförmig gebogenen Federn werden mechanisch stark auf Biegung
beansprucht. Deshalb ist hochwertiger Federwerkstoff erforderlich. Zur Verkleinerung
des Übergangswiderstandes und zur Vergrößerung der Reibung ist es zweckmäßig, Zunge
und Kontakt an den zur Berührung kommenden Flächen mit einem Belag aus gut leitendem
Material zu versehen, beispielsweise Silber.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Zerhackern ist die schwingende Zunge
einseitig fest eingespannt. Die feste Einspannung ist mechanisch einfacher als ein
Zapfenlager. Sie hat jedoch den Nachteil, daß zur Auslenkung der Zunge ein größerer
Amperewindungsbedarf erforderlich ist. Hinzu kommt noch, daß das Einspannmoment
den Kontaktdruck verkleinert, was sich besonders bei Kontaktabnutzung nachteilig
bemerkbar macht. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Nachteile und sieht für
das bewegliche Zungensystem ein Zapfenlager vor. Dabei ergibt sich der Kontaktdruck
in einfacher Weise aus den Hebelgesetzen. Er ist außerdem unabhängig von der Kontaktabnutzung.
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Die beiden Zungen 2 und 3 werden, wie Fig. i zeigt, in einen besonderen
Lagerkörper 81 eingespannt, dessen gabelförmig ausgebildeter Teil als Anker der
beiden Magnete g und io wirkt. Diese Konstruktion erlaubt es, Anker und Magnet so
auszubilden, daß eine möglichst kleine Streuung und ein kleiner Luftspalt entsteht.
Dadurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft von den bisher
bekannten Ausführungen, bei denen der Anker sich am Zungenende befindet. Wegen der
einzuhaltenden Hochspannungsabstände ist die Zunge 2 länger als bei den Zerhackern
für Mittelspannung. Die Anbringung des Ankers am Zungenende würde ein untragbar
großes Trägheitsmoment ergeben. Bei der fest eingespannten Zunge müssen die zu betätigenden
Kontakte, die Nieder- und Hochspannungskontakte, auf der gleichen Zunge angebracht
werden. Dadurch wird eine größere Zungenlänge notwendig, und die Einhaltung der
für das bewegliche System vorgeschriebenen Eigenfrequenz wird erschwert. Auch dieser
Nachteil wird erfindungsgemäß durch das Zapfenlager vermieden. Es gestattet die
Anbringung der Kontakte auf verschiedenen Seiten des Lagers.
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Wie Versuche gezeigt haben, werden Kontaktprellungen bei den Niederspannungskontakten
5 und 6 vermieden, wenn diese als feste Kontakte ohne Federung ausgebildet werden.
Außerdem ist notwendig, daß der von dem Kontakt 4. zurückzulegende Schaltweg möglichst
klein ist. Um die Kontaktabnutzung ausregeln zu können, sind die Kontakte 5 und
6 als Schraubkontakte ausgebildet. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei der Kontaktgabe
des Kontaktes q. mit den Gegenkontakten 5 und 6 eine Relativbewegung zwischen den
Kontakten entsteht, wodurch Selbstreinigung der Kontakte erzwungen wird. Die Relativbewegung
wird durch die Durchbiegung der Feder 3 ermöglicht.
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Wie bereits auseinandergesetzt, ist das bewegliche System 2, 3 selbststeuernd.
Die Eigenfrequenz seiner Bewegung wird bestimmt durch das Trägheitsmoment des beweglichen
Teils und die Elastizität der. zur Auslenkung gelangenden Federn. Hieran sind nach
Fig. i beteiligt: Die Zunge 3, die Feder i i und während eines Teils der Periode
die Zunge 2 und die Feder der Hochspannungskontakte 7 und B. Zum Zwecke der Abgleichung
ist es wünschenswert, die Eigenfrequenz des schwingenden Systems zu beeinflussen.
Durch Verschieben der auf der Zunge 2 befestigten Zusatzmasse ig kann das Trägheitsmoment
und damit die Eigenfrequenz beeinflußt werden. Durch Änderung der Federkonstanten
des beweglichen Systems kann die Eigenfrequenz ebenfalls verändert werden. Dies
kann beispielsweise durch Verändern der Steifigkeit der Feder i i oder durch Ändern
der Federdicke der Feder 3 erreicht werden.
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Bei den bisher gebräuchlichen mechanischen Stromrichtern erfolgt die
Erregung in der Weise, daß die bewegliche Zunge nur in einer Wegrichtung, also beispielsweise
bei Bewegung von links nach rechts, angetrieben wird. Die Rückbewegung von rechts
nach links geschieht dann mit Hilfe der noch in der Zunge steckenden kinetischen
Energie. Entsprechend dem einseitigen Antrieb ist daher auch nur eine Erregerspule
vorhanden. Die Anordnung hat den Nachteil, daß die kinetische Energie der bewegten
Zunge bei Hin- und Rückgang verschieden groß ausfällt, was ungleichen Kontaktdruck
und ungleiche Berührungsdauer zur Folge hat. Bei der vorliegenden Erfindung tritt
dieser Nachteil nicht auf. Es werden zwei Erregermagnete g und io vorgesehen, die
nacheinander erregt werden. Auf die bewegliche Zunge wird sowohl beim Hin- als auch
beim Rückgang eine Antriebskraft ausgeübt.
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Die Hochspannungskontakte müssen entsprechend ihrer Spannung isoliert
werden. Würden sie entsprechend ihrer Spannung auf Stützer gesetzt werden, dann
würden sich für den Aufhängerahmen große Abmessungen und Gewichte ergeben. Gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung wird daher der Rahmen teilweise oder ganz als
Isolator ausgebildet. Dabei kann als Werkstoff Glas, Keramik, Hartgummi oder ein
ähnlicher Isolierstoff verwendet werden. Es ist vorteilhaft, der besseren Montage
wegen denjenigen Teil 21 des Rahmens, der das Zungensystem, die Niederspannungskontakte
und die Erregermagnete zu tragen hat, aus Metall herzustellen. Die aus Metall und
die aus Isoliermaterial bestehenden Teile des Rahmens können durch Kitten, Schrauben
usw. zusammengefügt werden.
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Durch das hin und her schwingende Zungensystem werden auf den Aufhängerahmen
2o, 21 Wechselkräfte übertragen. Um eine Fortleitung dieser
Schwingungen,
die sich in Form von Erschütterungen und Geräusche äußern, zu vermeiden, ist eine
federnde Aufhängung des Rahmens erforderlich. Hierzu dienen nach Fig. t die. Federn
22 bis 25. Diese Aufhängung erfüllt jedoch nur dann ihren Zweck vollständig, wenn
die Eigenfrequenz des aus den Federn 22 bis 25 und der Aufhängemasse gebildeten
mechanischen Schwingungskreises im richtigen Verhältnis zur Störfrequenz steht.
Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Störfrequenz, d. h. die Frequenz der schwingenden
Zunge, größer als die Eigenfrequenz des aus Aufhängemasse und Tragfedern .gebildeten
Schwingungskreises ist.
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Bei Einbau der Zerhacker in Fahrzeugen, Kraftwagen, Flugzeugen, Schiffen,
beispielsweise als Hochspannungserzeuger, der Gasreiniger von Holzgasgeneratoren,
können Fahrzeugerschütterungen auf die Zerhacker übertragen werden und den einwandfreien
Ablauf der Schaltvorgänge nachteilig beeinflussen. Durch geeignete Abstimmung der
Aufhängefedern kann dieser Einfluß klein gehalten werden, insbesondere muß die Eigenfrequenz
des aus den Tragfedern und der Aufhängemasse gebildeten mechanischen Schwingungskreises
größer als die Frequenz der Fahrzeugerschütterungen sein.
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Mit Rücksicht auf den durch die Hochspannung bedingten Abstand der
Hochspannungskontakte 7 und 8 ist deren Berührungsdauer stets kleiner als die Berührungsdauer
der Niederspannungskontakte 5 und 6 mit dem Kontakt 4. Das bedeutet, daß beim jeweiligen
Abschalten der beiden Niederspannungswicklungen 13 und 14 (Fig. 2) stets der Verbraucher
schon abgeschaltet ist. Die Kontakte 5 und 6 müssen daher lediglich den Transformatormagnetisierungsstrom
abschalten. Wenn auch die Kontakte 5 und 6 durch die Funkenlöschkondensatoren 17
und. 18 entlastet werden, so wirken sich doch alle Maßnahmen günstig auf den Ablauf
der Schaltvorgänge aus, die den Magnetisierungsstrom verkleinern. So ist es beispielsweise
vorteilhaft, den Kern des mit dem Zerhacker zusammenarbeitenden Transformators aus
Blechen hoher magnetischer Leitfähigkeit aufzubauen. Während bei den Zerhackern,
die für Elektrofilter gebraucht werden, die Schaltleistung der Hochspannungskontakte
gering ist, müssen bei den Geräten, die zur Erzeugung der Anodenspannung tragbarer
Sende- und Empfangsgeräte dienen, auf der Hochspannungsseite größere Ströme geschaltet
werden. Dabei ist aber bei den Anodenspannungserzeugern die Gleichspannung kleiner
als bei den Elektrofiltern. Das verkleinert die Abmessungen und macht den Einbau
des Zerhackers in eine Röhre geeignet. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Träger
der Hochspannungskontakte ist wieder ein ringförmiger Körper 2o aus Isoliermaterial,
der von den beiden Hochspannungszuführungen 26 und 27 getragen wird. Die Füllung
der Röhre mit einem neutralen Gas, beispielsweise Wasserstoff, vergrößert die Wärmeableitung
von den Kontakten und unterdrückt den Lichtbogen, wodurch die Schaltleistung der
Kontakte vergrößert wird. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Zerhacker
entsprechend der vorliegenden Erfindung als Gleichspannungserzeuger von tragbaren
Isolationsmessern besonders geeignet.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. z und der Schaltung entsprechend Fig.2
liegt an den Hochspannungskontakten 7 und 8 die doppelte Gleichspannung. Das bedingt
großen Kontaktabstand und kleine Kontaktberührungsdauer. Wird statt der Schaltung
in Fig.2 eine Spannungsverdoppelerschaltung, beispielsweise die Greinacherschaltung,
gewählt, dann liegt an den Hochspannungskontakten nur die einfache Gleichspannung.
Die Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei Anwendung dieser Schaltung muß die
Hochspannungszunge 2 gegen die Niederspannungszunge 3 durch den Isolator 28 isoliert
werden. Zweckmäßigerweise wird der Lagerkörper 81 in Fig. 5 als Isolierkörper ausgebildet.
Als Anker für die Erregermagnete 9 und ro dienen dann die beiden auf den Lagerkörper
81 aufgesetzten Eisenplättchen 30 und 31- Neben dem Spannungsabgriff rr wird
für die Niederspannungszunge 3 noch der Spannungsabgriff 29 erforderlich.
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Bei Verwendung der Zerhacker in tragbaren Geräten, Fahrzeugen u. dgl.
ist möglichst geringes Gewicht notwendig. Bei Anwendung einer Schaltung gemäß Fig.4
entfällt der größte Anteil des Gewichtes auf die beiden Hochspannungskondensatoren
32 und 33. Diese können fortfallen, wenn eine Schaltung entsprechend Fig.6 benutzt
wird. Das bewegliche Zungensystem erhält dann das Aussehen nach Fig. 7. Der Lagerkörper
81 trägt auf der Hochspannungsseite die beiden voneinander isolierten Zungen 34
und 35, die an die Hochspannungswicklung 4o des Transformators angeschlossen werden.
Die Zungen 34 und 35 berühren abwechselnd die erfindungsgemäßen Gegenkontakte 36
und 37 sowie 38 und 39. Auf der Niederspannungsseite kann, wie in Fig. 7 dargestellt,
eine Zunge 3 vorgesehen werden. Es steht jedoch nichts im Wege, genau wie auf der
Hochspannungsseite auch zwei Zungen zu verwenden.