DE2247755A1

DE2247755A1 - Steckverbindung

Info

Publication number: DE2247755A1
Application number: DE19722247755
Authority: DE
Inventors: Christian Francois Mast; Michel Jacques Robert Nicolas
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1973-04-05
Also published as: NL7213046A; US3743989A; DK136560C; IT966111B; SE378720B; AU4707872A; DK136560B; FR2154364B1; GB1383577A; JPS4843123A; FR2154364A1; NO137668B; NO137668C; OA04176A

Description

DIETf-ICH LEV/INSKY 2P. o3p. 1972

PATP¹TANVVALT
8 MOnchen'21 - Gctthardstr. 81

Telefon 5Λ 17 62

7195 - V

THOMSON. - CSF Paris 8eme, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

„Steckverbindung"

Priorität vom 1. Oktober 1971 aus der französischen Patentanmeldung 71/35 487

Die Erfindung betrifft eine Steckverbindung zur übertragung elektrischer Energie oder elektrischer Signale oder beider und zwar von einem ersten Kreis zu einem zweiten Kreis, mit einer Primärwicklung, die mit einem ersten Kreis verbunden ist und einer Sekundärwicklung, die mit einem zweiten Kreis verbunden

Hierbei handelt es sich um eine elektrische Anschlußvorrichtung im weitesten Sinne, die zur Verbindung der zwei betroffenen Kreise dient. Erfindungsgemäß sollen die beiden Kreise verbunden bzw. getrennt werden können sowie die elektrische Energie und/oder die elektrischen Signale bei Anschlußstellung der Steckverbindung zufriedenstellend übertragen werden können.

Es ist davon auszugehen,, daß sich die Erfindung nicht unbedingt hierauf beschränkt, sondern daß diese insbesondere auf die Probleme der im Salzwasser arbeitenden Schaltungen ausgerichtet ist» Die unter Wasser arbeitenden elektrischen Steckverbindungen mit direktem metallischen Kontakt sind in hohem Maße der Seewasserkorrosion ausgesetzt und bei wiederholten Bedienvorgängen nur bedingt zuverlässige

Darüber hinaus erfordern ihre jeweiligen Verbindungen eine so genaue Positionierung, daß. die Automatisierung dieses

In der Zielsetzung der Erfindung liegt demnach die Schaffung einer in der Einleitung näher bezeichneten Steckverbindung, die ohne besondere Erfordernisse hinsichtlich der Positionierung beim Einstecken fernsteuerbar ist und die sich für einen Betrieb im Salzwasser eignet.

Aus diesem Grunde wurde erfindungsgemäß auf einen direkten metallischen Kontakt verzichtet, um bei Wechselstrom mit einer induktiven Verbindung arbeiten zu können, die ein bewegliches Teil umfaßt und zwar nachdem festgestellt wurde, daß die Verbindung durch einen beweglichen kapazitiven Steckverbinder, der ebenfalls hätte vorgesehen werden können, mit zu großen Schwierigkeiten verbunden gewesen wäre.

Genauer ausgedrückt handelt es sich somit um eine Steckverbindung zur übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale von einem Primärkreis zu einem Sekundärkreis und zwar mit einer Primärwicklung, die mit dem Primärkreis verbunden ist und mit einer Sekundärwicklung, die mit dem Sekundärkreis verbunden ist, wobei diese Wicklungen untereinander durch Induktion über eine Magnetkernschaltung mit Luftspalt gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist eine dieser Wicklungen auf eine Halterung montiert, um axial mit ihrem einstückigen Magnetschaltungsteil zur anderen Wicklung mit ihrem einstückigen Magnetschaltungsteil verschoben werden zu können und zwar unter der Einwirkung von Bewegungsorganen der Halterung und mit dem Ziel, jederzeit die elektrische Verbindung bzw. Trennung auf induktivem Wege durch Einstekken bzw. Herausziehen der beiden Wicklungen in einem einzigen Arbeitsgang und bei jeder Winkelstellung der Wicklungen gegenüber dieser Achse bewirken zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung diese Steckverbindung mehrphasig, z.B. dreiphasig arbeitet, wobei die Primär- und Sekundärspulen in Schlitzen montiert sind, die sich in Magnetblechen befinden und die elektrisch in der Art des Rotors und des Stators eines mehrphasigen Asynchron-Motors mit gewickeltem Rotor angeschlossen sind.

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Die Steckverbindung dreht sich jedoch nicht, sondern arbeitet lediglich als Drehfeldtransformator, wobei darüber hinaus Organe vorgesehen sind, die eine Relativdrehung der beiden Wicklungen verhindern. Die Energieübertragung innerhalb einer Dreiphasenanordnung erweist sich als vorteilhaft, um am Ende des Sekundärkreises und von der Steckverbindung abgesetzt Asynchron-Motoren zu speisen, die im Vergleich zu Kollektor-Motoren zuverlässiger arbeiten.

. Was die übertragung elektrischer Signale mit geringer Energie anlangt, so kann diese, wie später ausgeführt, auf eine andere Weise erfolgen*

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer beispielhaften Darstellung einer Anschlußvorrichtung näher beschrieben, bei der die übertragung einer bestimmten elektrischen Leistung mit Dreiphasenanordnung einerseits und der elektrischer Signale mit Einphasenanordnung andererseits mit Hilfe jeweils übereinander angeordneter Transformatorelemente erfolgt. Es zeigen:

- Figur 1 - eine Längsschnittdarstellung der Steckverbindung;

- Figur 2 - eine Querschnittdarstellung der gleichen Steckverbindung entlang der Linie H-II der Figur 1;

- Figur 3 - eine Querschnittdarstellung der gleichen Steckverbindung entlang der Linie HI-III der Figur 1 und

- Figur 4 - eine in einem anderen Maßstab dargestellte Variante

der in Figur 1 gezeigten Steckverbindung.

Wie bereits erwähnt wurde, umfaßt die hier dargestellte, erfindungsgemäße Steckverbindung einen Leistungstransformator A und einen Fernmeßtransformator B, wobei es sich zwar um getrennte, jedoch im gleichen mechanischen Aufbau vereinte Bauelemente handelt, deren gemeinsames verschiebbares Teil von einer Stange 1 gehalten wird, die wiederum selbst an einem Kabel la aufgehängt ist. Dieses Kabel dient nicht nur als Halterung, sondern kann darüber hinaus die Fernsteuerungs- und Fernmeß-Signale sowie die elektrische Leistung übertragen (die Wicklungsanschlüsse sind in der Figur nicht dargestellt).

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Was den Leistungstransformator A anlangt, so liegt dieser in Dreiphasenanordnung, indem ein praktisch zylInderförmiger Transformator verwendet wird, dessen beide Teile, bewegliches als Primärelement und feststehendes als Sekundärelement, genau wie der Rotor und der Stator eines Dreiphasen-Asynchron-Motors mit Spulenwicklungen ausgerüstet sind.

Der Magnetkreis wird durch eine Aufeinanderstapelung isolierter Bleche 2 einer Stärke von vorzugsweise 0,3 mm gebildet. Die Primär- und Sekundärwicklungen liegen als Spulen in Schlitzen 3, die entlang der Mantellinien des Zylinders verlaufen. Die jeder Phase entsprechenden Leiter liegen jeweils in jedem dritten Schlitz. Die Gesamtzahl der Schlitze liegt in diesem Beispiel bei zwölf.

Um in der Praxis das Einsetzen des beweglichen Teiles (Primärelement) in das feststehende Teil (Sekundärelement) zu vereinfachen, besitzt der Luftspalt nicht die Form eines Zylinders, sondern verläuft leicht konisch mit nach unten zu gerichteter Verjüngung.

Die Primärwicklungen 15 werden direkt aus dem 44O-V-Dreiphasennetz mit u.E. 50 oder 60 Hz gespeist. Die Primärwicklungen lassen im Luftspalt ein radial drehendes Magnetfeld entstehen, das praktisch senkrecht zur Längsachse X-X verläuft, das in den Sekundärwicklungen 16, die in der gleichen Weise wie die Primärwicklungen bespult sind, elektromotorische Kräfte induziert, wodurch ein dem Netz vergleichbares, ausgeglichenes Dreiphasensystem aufgebaut wird.

Hierbei ist zu bemerken, daß ein solcher Transformator ebenfalls zur Abänderung der Form verwendet werden könnte, unter der die elektrische Energie anfällt. Um ein ausgeglichenes Dreiphasensystem zu erhalten, ist es somit Voraussetzung, daß die Wicklung des Sekundärelements mit der des Primärelements vergleichbar ist (gleiche Anzahl der Schlitze), wobei es jedoch demgegenüber nicht erforderlich ist, daß das Verhältnis der Windungszahlen der Wicklungen gleich eins ist. Das Transformationsverhältnis kann in der Form gewählt werden, daß die Sekundärspan-

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nung einen Wert annimmt, der der Weiterverwendung am besten entspricht (so läßt sich beispielsweise eine Sekundärspannung von 24 V aus einer Primärspannung von 440 V ableiten)„ Auch kann eine Sekundärwicklung hergestellt werden, die die doppelte Schlitzzahl der Primärwicklung aufweist und somit eine Wicklung gebildet werden, nach der sich eine sechsphasige Sekundärspannung ergibt; dieser Umstand kann sich dann als vorteilhaft erweisen, wenn diese Spannung anschließend gleichgerichtet werden muß, um beispielsweise Batterien zu laden und zwar darauf zurückzuführen, daß die Restwelligkeit bei einer sechsphasigen Spannung geringer als bei einer dreiphasigen Spannung ist.

Um den direkten Kontakt der Magnetbleche mit Salzwasser zu vermeiden, sind diese an den beiden Teilen des Transformators mit einer Schutzschicht 4 versehen» Der Magnetkreis wird somit durch einen Luftspalt von mehreren Millimetern, zuzüglich des etwaig vorhandenen Salzwasserrestes, getrennt» Hierbei ist davon auszugehen, daß die Leistungsübertragung mit einem unter der Einheit liegenden Leistungsfaktor erfolgt» Wird am Sekundärelement eine Dauerleistung von 0,5 kW und eine Leistung von 2 kW während kurzer Zeitabschnitte gewünscht, so ist der Transformator größer zu bemessen, damit die am Primärelement verfügbare Leistung ständig zum Ausgleich von Verlusten ausreicht«

Demgegenüber ist zu bemerken, daß der Wirkungsgrad mit der Leistung zunimmt, da bei einer Vergrößerung der Abmessungen des Magnetkreises der Luftspalt praktisch konstant bleibt»

Innerhalb des dargestellten Ausführungsbeispieles ging man davon aus, gleichzeitig mit der Leistung Signale zu übertragen, die von denen getrennt sind, die die elektrische Kraftenergie befördern und wesentlich höhere Frequenzen aufweisen (einige Kilohertz anstelle von 50 bis 60 Hz)» Die beiden entsprechenden Anschlußvorrichtungen sind hier in einer einzigen kombiniert, wobei die gleiche Halterung 1 die verschiebbaren Teile der beiden Vorrichtungen bzw. Einzeltransformatoren hält, wobei jedoch vorteilhafterweise Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, daß

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BAD ORIGINAL

sich von den Leistungsschaltungen herrührende Störsignale mit den Fernsteuerungs- und Fernmeß-Signalen vermischen. Hierzu verlaufen die Ebenen der die jeweiligen Wicklungen der beiden Transformatoren bildenden Windungen praktisch senkrecht zueinander. Während die Primär- und Sekundärwicklungen des Leistungstransformators in der Art des Rotors und des Stators eines Dreiphasen-Asynchron-Motors aufgebaut sind und senkrecht zur Längsachse der Vorrichtung ein radiales Drehfeld liefern, arbeitet der andere Wicklungssatz, der dem Transformator für die Fernsteuerungs- und Fernmeß-Signale entspricht und senkrecht zur Achse verläuft, einphasig und liefert ein feststehendes Feld.

Für diesen letzten Satz und damit für Signale innerhalb des Frequenzbandes von 1 bis 10 kHz kann der Kern des Transformators aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen Standard-C-Schaltungen hergestellt werden, die radial ausgerichtet und nebeneinander angeordnet sind und aus Magnetblechen hoher Permeabilität (Mumetall) einer Stärke von etwa 0,05 ram oder aus Ferrit bestehen; um diese magnetischen Teile sind die entsprechenden Wicklungen 13 und 14 in Form eines Ringes mit der Achse X-X angeordnet.

Der Fernsteuerungs- und Fernmeß-Schaltung kann darüber hinaus ein Hochpaßfilter zugeordnet werden, das Signale einer Frequenz unter 1000 Hz aussiebt, wobei dieses (nicht dargestellte) Filter in die erfindungsgemäß aufgebaute Steckverbindung eingebaut werden kann.

Es ist darauf hinzuweisen, daß sich die Impedanz der Primärwicklung des Fernmeßtransformators rasch in Abhängigkeit von der Lage der Primärwicklung gegenüber der Sekundärwicklung (Eindringen des beweglichen Teiles) ändert. Unter Zuhilfenahme eines Impedanzmeßgerätes kann dieser Umstand ohne weiteres dahingehend ausgewertet werden, von außen zu prüfen, ob der verschiebbare Teil ordnungsgemäß eingedrungen ist.

Die Anordnung der beiden Teile der Steckverbindung kann gegenüber der dargestellten Form auch umgekehrt werden (Steckerteil feststehend und Hülsenteil beweglich). Diese Lösung erscheint jedoch weniger vorteilhaft, da der bewegliche Teil ei-

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nen größeren Umfang und eine größere Trägheit aufweisen würde, wodurch, wahrscheinlich die Bedienvorgänge erschwert würden. Auch könnte der Fernmeßtransformator unter dem Leistungstransformator angeordnet werden.

Die Magnetkreise und die Wicklungen sind mit Epoxydharz beschichtet. Darüber hinaus besitzen die beiden Teile der Vorrichtung einen Neopren-überzug 4 einer Stärke von etwa 2 mm, wodurch ein Schutz gegenüber Korrosion und eine gewisse Vibrationsdämpfung gewährleistet wird.

Handelt es sich nur um eine geringe Abweichung in der Ausrichtung { f± 15 ■ naa} , so reicht die konische Form des Luftspaltes aus, um die Führung des beweglichen Teiles während des Einsteckvorgangs sichersusteilen. In den Fällen, in denen der Ausrichtungsfehler 150 mm erreichen kann, ist es erforderlich, das Hülsenteil mit einem Führungskonus 7 auszurüsten, dessen Öffnung einen Durchmesser von etwa 560 ram aufweist (Figur 4). In dieser Figur ist mit einer gestrichelten Linie die Stellung des beweglichen Teiles dargestellt, wenn sich dieses nicht genau in der Achse befindet

Um für die praktische Ausführung von konkreten Werten

ausgehen zu können, kann das Gewicht des beweglichen Teiles mit annähernd 100 kg und das des feststehenden Teiles mit etwa 400 kg angenommen werden.

Hierbei ist zu bemerken, daß die Achse des beweglichen Teiles freiliegt; dieser Umstand könnte gegebenenfalls dahingehend ausgenutzt werden, eine Seilführung von der Oberfläche aus vorzusehen.

Aus der Darstellung der Figur 4 ist ebenfalls zu entnehmen, daß gegebenenfalls eine Membran 8 vorgesehen wird, deren Aufgabe darin besteht, ein Absetzen von Schmutzteilchen zu verhindern? weiterhin kann ein Aufnahmebehälter für biologische Ablagerungen und ein Behälter für ein Schutzmittel gegen Bewuchs mit einer Balgdüse 10 vorgesehen werden, wodurch ein Ausdrücken des Wassers durch Einführung des beweglichen Teiles während der Abwärtsbewegung in das feststehende Teil ermöglicht wird,

' . Da die Wicklung des Leistungstransformators einem Asyn-

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— α —

chron-Motor entspricht, entsteht ein von der Lastimpedanz abhängiges Kraftmoment, das das Bestreben zeigt, das bewegliche Teil gegenüber dem feststehenden Teil zu drehen. Um jede Gefahr einer Drehbewegung ausschließen zu können, ist ein einfaches Verankerungssystem 5 vorgesehen, das beispielsweise mit Halteklauen ausgerüstet ist.

Das feststehende und das bewegliche Teil ist jeweils mit einem Kabelabschnitt (Primärelement la bzw. Sekundärelement 6) ausgerüstet, der fünf Leiter besitzt (3 für Leistungsübertragung und 2 für die Fernmeß- und Fernsteuerungs-Informationen), dessen Länge einige Meter erreichen kann und in Abhängigkeit von den Installationsbedingungen bestimmt wird. Das Ende dieses Kabels wird mit einer Steckverbindung ausgerüstet, die an der Oberfläche den Anschluß des restlichen Systems ermöglicht. Um eine Dichtheit zu gewährleisten, wird diese Steckverbindung vor dem Absenken vergossen.

Das Herstellungsverfahren für Magnetkreise aus isolierten Blechen ist von der Herstellung von Motorgehäusen her bekannt. Diese Konstruktionsart bietet den Vorteil einer hohen mechanischen Robustheit, die unter Verwendung von ferritartigen Materialien nicht erreicht werden könnte.

Die mit dem Meerwasser in Verbindung stehenden Oberflächen sind mit Neopren der in der Marine verwendeten Art beschichtet, das mit einem anwuchsverhindernden Zusatz versetzt ist, der einen Schutz vor Korrosion und Meeresorganismen bietet. Darüber hinaus können verschiedene Verfahren benutzt werden, um einen zusätzlichen Schutz der Wandungen des Luftspalts (feststehender Teil) gegenüber biologischen Ablagerungen während der Trennungsperioden zu gewährleisten (Abschluß durch eine Membran, Füllung mit einer nicht mischbaren Flüssigkeit mit einer Dichte, die über der des Meerwassers liegt, Behälter für einen anwuchsverhindernden Zusatz).

Die Vorrichtung ist völlig statisch und umfaßt kein aktives elektronisches Bauelement. Darüber hinaus ist der Leistungstransformator in der Form überdimensioniert, daß die Verluste zu keiner überhöhten Aufheizung, auch nicht örtlich begrenzten, füh-

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ren (eine Erwärmung von etwa IQ Grad nach einem Betrieb von einigen Minuten bei maximaler Leistung ist zulässig). Unter diesen Voraussetzungen ist die Lebensdauer der Steckverbindung nicht durch. Ausfälle elektrischer Natur begrenzt.

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Claims

PATEiJTAN¹-.ALT . . .

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Teififnn ^Ε·Λ 17 62 7195 —

THOMSON - CSF Paris 84me, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

Patentansprüche;

Steckverbindung zur übertragung elektrischer Energie pder elektrischer Signale oder beider und zwar von einem ersten Kreis zu einem zweiten Kreis, mit einer Primärwicklung, die mit einem ersten Kreis verbunden ist und einer Sekundärwicklung, die mit einem zweiten Kreis verbunden ist, wobei diese Wicklungen untereinander durch Induktion über eine Magnetschaltung mit Luftspalt gekoppelt sind und eine dieser Wicklungen auf eine Halterung montiert ist, um axial mit ihrem einstückigen Magnetschaltungsteil zur anderen Wicklung mit ihrem einstückigen Magnetschaltungsteil verschoben werden zu können und zwar um jederzeit die elektrische Verbindung bzw. Trennung auf.induktivem Wege durch Einstecken oder Herausziehen der beiden Wicklungen in einem einzigen Arbeitsgang und bei jeder Winkelstellung der Wicklungen gegenüber dieser Achse bewirken zu können, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steckverbindung mehrphasig, z.B. dreiphasig arbeitet, wobei die Primär- und Sekundärspulen (15/16) in Schlitzen (3) montiert sind, die sich in Magnetblechen (2) befinden, die lotrecht zur Achse der Halterung (1) stehen und elektrisch in der Art eines Rotors und eines Stators eines mehrphasigen Asynchron-Motors angeschlossen sind, ferner dadurch gekennzeichnet, daß diese Steckverbindung mit einer als Anschlag ausgebildeten Auflage versehen ist, die eine Drehung des feststehenden Teiles gegenüber dem beweglichen Teil verhindert.

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Steckverbindung nach Anspruch 1 zur gleichzeitigen übertragung einer elektrischen Energie mit einer bestimmten Leistung und von elektrischen Signalen schwacher Ströme, dadurch gekennzeichnet., daß sich die jeweiligen Kreise zur übertragung elektrischer Energie und von Signalen schwacher Ströme unterscheiden, wobei die Steckverbindung zwei übereinander angeord nete Sätze von mit entsprechenden Kreisen verbundenen Wicklungen umfaßt und daß die beweglichen Teile der Wicklungen mit ihrem entsprechenden Magnetkern auf die gleiche verschieb bare Auflage montiert sind, daß der zur übertragung elektrischer Schwachstrom-Signale bestimmte Wicklungssatz seinem Aufbau nach einem Einphasenbetrieb entspricht und ein feststehendes Feld erzeugt und daß die Ebenen der die jeweiligen Wicklungen beider Sätze bildenden Windungen praktisch senkrecht zueinander stehen.

Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der beweglichen Halterung und der feststehenden Halterung durch Hubvorrichtungen erfolgt.

Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen feststehenden und einen beweglichen Teil umfaßt, der über Huborgane betätigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des beweglichen Teiles entsprechend ver jüngt ist, um die Einführung des ferngesteuerten beweglichen Teiles in das Innere des feststehenden Teiles zu vereinfachen.

Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen feststehenden und einen beweglichen Teil umfaßt, der über Huborgane betätigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil mit äußeren Führungsorganen (7) versehen ist, die die Einführung des ferngesteuerten beweglichen Teiles in das feststehende Teil vereinfachen.

Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für einen Einsatz in Seewasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkreise einen Luftspalt umfassen, der aus einem gegebenenfalls mit Seewasser ausgefüllten Zwischenraum und einer Isolierschicht (4) z.B. aus Neopren besteht, das die Bleche vor einer Korrosion durch Seewasser schützt.

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