Stromabnehmer sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Dabei kann es gerade im Falle von Stelltransformatoren, wie Ring-oder Säulenstelltransformatoren, zu spezifischen Problemen kommen, die daraus resultieren, dass die herkömmlichen Stromabnehmer mitunter zwei benachbarte Windungen überbrücken. Da zwischen den Windungen eine Potentialdifferenz besteht, kommt es zu einem Kurzschluss- strom, der wiederum zu einer Erwärmung führt und eine Beschädigung (Verbrennen) der Wicklung hervorruft. Um eine solche Beschädigung zu vermeiden, werden vergleichsweise hochohmige Kontaktstücke verwendet, die den Kurzschlussstrom zwischen den Segmenten (Windungen) begrenzen. Meist werden die bekannten Kontaktstücke aus Kohle gefertigt, da nur so der vergleichsweise hohe Widerstand von >0.05 Q realisiert werden kann. Die Kontaktstücke aus Kohle leiden jedoch unter starkem Abrieb und damit unter hohem Verschleiß.

Um diese Probleme zu vermeiden, sind beispielsweise aus der DE 15 38 101 Stromabnehmer mit zwei elektrisch getrennten Kontaktstücken bekannt, die jeweils mit einer Kontaktzone die Kontaktstrecke kontaktieren. Dabei ist eine Kontaktzone so bemessen, dass sie die Oberfläche jeweils nur einer abisolierten Windung kontaktiert. Dieses Paar von Stromabnehmern ist von mechanisch aufwendiger Konzeption, da die einzelnen Stromabnehmer in vertikaler Richtung gegeneinander beweglich sein müssen, um die mit Isoliermaterial gefüllten und mitunter erhabenen Zwischenstücke zu überwinden. Außerdem sind die dort gezeigten Stromabnehmer nicht praktikabel, wenn die Windungen einen geringen Durchmesser von etwa 1 mm aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen einfach aufgebauten und kostengünstig zu fertigenden Stromabnehmer zu schaffen, der zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung an der Kontaktstelle beiträgt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stelltransformator zu schaffen, der bei kleiner und kompakter Bauweise eine vergleichsweise hohe Ausgangsleistung ermöglicht.

Diese Aufgaben werden durch einen Stromabnehmer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und durch Stelltransformatoren nach den Ansprüchen 8 und 11 gelöst.

In Falle des Stromabnehmers liegt ein erfindungswesentlicher Grundgedanke darin, diesen durch die beiden starr gekoppelten elektrisch isolierten Kontaktstücke so zu gestalten, dass er entweder mit beiden Kontaktstücken gleichzeitig auf einem Segment respektive auf einer Windung aufliegt oder dass er mit einem Kontaktstück auf dem einen und mit dem anderen Kontaktstück auf dem anderen Segment aufliegt oder sich kontaktlos über dem Zwischenraum befindet. Auf jeden Fall ist der Stromabnehmer erfindungsgemäß so auszulegen, dass er in keiner Position mit einem einzigen Kontaktstück von zwei benachbarten Windungen zugleich Strom abnimmt und so einen Kurzschluss in unmittelbarer Nähe der Windungen bewirkt.

Eine Erwärmung mit den Folgen einer Beschädigung ist daher erfindungsgemäß ausgeschlossen.

Neben der erwähnten starren Kopplung der Kontaktstücke ist ein weiteres Merkmal erfindungswesentlich : So müssen die beiden Kontaktzonen auf einer gemeinsamen Kontaktfläche, die gewölbt oder eben sein kann, liegen, wobei mit der Kontakfläche der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Segmenten überbrückbar ist. Dieses Merkmal ist wichtig, damit der Stromabnehmer nicht zwischen die Segmente rutscht und dort möglicherweise einen Kurzschluss hervorruft. Der Stromabnehmer bewegt sich also immer als Einheit in einer Ebene und wird von den abisolierten Segmenten gestützt. Es ist somit in jedem Moment ein ausreichend guter Kontakt gewährleistet, so dass die Gefahr der Überhitzung durch kleine Kontaktquerschnitte minimiert ist.

Der erfindungsgemäße Stromabnehmer hat verschiedene Vorteile, die daraus resultieren, dass die Wärmeentwicklung wegen des fast gegen Null gehenden Widerstandes des Stromabnehmers in unmittelbarer Nähe der abisolierten Wicklung vermieden wird. Dies gilt für den Kurzschlussstrom zwischen zwei benachbarten Windungen und auch für den abgenommenen Laststrom durch den Stromabnehmer.

Zum einen ist damit generell eine erhöhte Sicherheit der elektrischen Vorrichtung, die mit dem Stromabnehmer ausgestattet ist, gegeben. Die Sicherheit resultiert aus der deutlich niedrigeren Wärmebelastung der Isolation beispielsweise eines Kupferlackdrahtes.

Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Stelltransformator für den Dauerbetrieb ausreichende Leistung bereitstellt, er aber mitunter für kurze Zeit über Gebühr belastet werden muss. Auch bei einer solchen kurzen"Überlast"ist ausreichende Sicherheit gegeben. Insgesamt ist es von Vorteil, dass von den Stelltransformatoren eine größere Leistung entnommen werden kann, ohne dass daraus eine Beschädigung resultiert. Somit kann sich der Kunde für das kleinere und kostengünstigere Gerät entscheiden, dessen Leistungsbereich ihm vorher gerade noch nicht ausgereicht hätte.

Wegen der einfachen Bauweise ist es von besonderem Vorteil, wenn die Kontaktzonen jeweils plan sind und in einer gemeinsamen Kontaktebene liegen. Die Kontaktstücke des Stromabnehmers können auch mit ihren Kontaktzonen leicht gegeneinander geneigt sein, um gute Laufeigenschaften und einen optimalen Kontakt beispielsweise bei zylindrischer Wicklungsoberfläche zu gewährleisten.

Zudem ist es besonders zweckmäßig, wenn die Kontaktstücke gleichartig ausgebildet und unter Vermittlung eines Isolators in Richtung der Verschiebung hintereinander angeordnet sind. Um Probleme zu vermeiden, die sich durch ein Zusetzen des Spaltes zwischen den Kontaktstücke mit Abrieb ergeben, ist es vorteilhaft, wenn der Stromabnehmer zwei hintereinander und seitlich versetzt zueinander angeordnete Kontaktstücke aufweist. Durch diese Maßnahme wird ein Spalt vermieden, wobei es für einen reibungslosen und unterbrechungsfreien Lauf des Abnehmers auf der Kontaktstrecke besonders vorteilhaft ist, wenn sich die beiden versetzt angeordneten Kontaktstücke in einer im Vergleich zu der Abmessung eines Kontaktstückes kleinen Zone überlappen. Der Überlappungsbereich braucht nur wenige zehntel Millimeter betragen, um zum gewünschten Erfolg zu führen.

Wegen des geringeren Abriebs und der Möglichkeit einer einfacheren Bearbeitung ist es von Vorteil, wenn die Kontaktstücke jeweils einstückig aus Metall gefertigt sind.

Dabei sind Messing oder Bronze wegen ihrer hervorragenden Gleiteigenschaften zu bevorzugen. Aus Metall können Kontaktstücke mit geringem Widerstand gefertigt werden. Schließlich sind zur Vermeidung der lokalen Erwärmung niederohmige Kontaktstücke mit einem Widerstand von insbesondere weniger als 0.001 0 zweckmäßig. Dabei ist im Gegensatz zu Kontaktstücken aus Kohle der Abrieb bei Kontaktstücken aus Metall wesentlich geringer. Auch wird durch die metallischen Kontaktstücke das Problem gelöst, dass das Kontaktstück in der Form einer Kohlerolle auf der Achse des Stromabnehmers klemmen kann und nach kurzer Zeit eine ebene Fläche eingeschliffen wird, die mehrere Windungen überbrückt. Ein Verbrennen der Windungen und des gesamten Transformator wegen eines Kurzschlusses wird so vermieden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktstücke über eine einfache Leitungsstrecke enthaltend einen definierten Vorwiderstand elektrisch direkt miteinander verbunden. Um jedoch die Stromstärke des über die Kontakte fließenden Stromes begrenzen zu können ist es vorteilhaft, wenn in die Leitungsstrecke Widerstände eingebracht werden, die nicht in unmittelbarer Umgebung der Wicklung angeordnet sind und über die problemlos Wärme abgegeben werden kann.

Eine weitere erfindungswesentliche Idee, die zu einer Leistungserhöhung bei Stelltransformatoren beträgt, ist folgende : Die Wicklung wird aus einem Draht gewickelt, der im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt hat. Da die Gefahr besteht, dass bei einer solchen Wicklung die parallel liegenden Windungen an der blank gemachten Oberfläche beispielsweise durch den Stromabnehmer kurzschliessen, muss unbedingt ein entsprechend breiter isolierender Zwischenraum in der Form einer Fuge oder eines Spaltes zwischen zwei benachbarten Windungen zumindest im Bereich der blanken Oberfläche vorgesehen werden. Dieser kann nachträglich beispielsweise durch Einfräsen in die Oberfläche eingebracht werden.

Es ist aber auch möglich und auch vorteilhaft, den Draht vor dem Wickeln so zu präparieren, dass sich die Fuge automatisch ergibt. Der Draht hat dann an der Kontaktstelle eine definierte Geometrie. Wegen der notwendigen Spalte oder Fuge muss die ansonsten rechteckige Geometrie des Drahtes in gewissem Sinne gebrochen werden, so dass ein"im wesentlichen"rechteckiger Querschnitt entsteht.

Wichtig ist, dass die Grundfläche und die Seitenflächen senkrecht zueinander angeordnet sind.

Die Vorteile eines Drahtes mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt ergeben sich durch die Vergrößerung des Querschnittes bei gleichem Packungsvolumen im Vergleich zum normalen"runden"Draht. Durch die Vergrößerung des Querschnittes wird der Widerstand und damit die Wärmeentwicklung verringert. So kann von einem Stelltransformator bei gleichem Packungsvolumen und gleicher Windungszahl eine höhere Leistung abgenommen werden, ohne dass es zu einer Überhitzung und damit zu einer Zerstörung des Isolierlackes kommt. Die Temperatur würde sich auf jeden Fall weit unterhalb der für die Isolationsklasse"B"vorgeschriebenen Übertemperatur von 105°C bewegen. Es ist mit einer Leistungssteigerung von bis zu 100% gegenüber den herkömmlichen Stelltransformatoren zu rechnen.

Der"rechteckige"Draht lässt sich nicht nur bei den bislang beschriebenen und mit dem erfindungsgemäßen Stromabnehmer bestückten Stelltransformatoren, sondern generell bei beliebigen Stelltransformatoren einsetzen. Bei einem System mit den herkömmlichen Kohlestromabnehmern würde jedoch ein dickerer Draht insofern keinen Vorteil bringen, als die Wicklungstemperatur zwar gesenkt werden könnte, die durch den Stromabnehmer erzeugte Temperatur an der Kontaktstelle sich jedoch nicht verringern würde. Der Einsatz des"rechteckigen"Drahtes ist somit insbesondere in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Stromabnehmern sinnvoll.

Außerdem ist zu bedenken, dass die nur durch eine dünne Lackschicht voneinander getrennten parallel liegenden Windungen aus"eckigem"Draht bei fehlender Fuge auch durch den erfindungsgemäßen Stromabnehmer kurzgeschlossen würden. Eine Bearbeitung oder eine besondere Geometrie des Drahtes zur Erzeugung einer Fuge ist daher zwingend notwendig. Diese eine Vertiefung bildende Fuge, die nur etwas breiter als eine Kontaktzone des Stromabnehmers ist, muss vorgesehen werden.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Spalte oder Fuge zwischen den Windungen zu realisieren. Auch wenn es wie oben angedeutet möglich wäre, die Spalten oder Fugen nach dem Wickeln auszufräsen, so ist es aus fertigungstechnischer Sicht zu bevorzugen, den Draht vor dem Wickeln so zu präparieren, dass sich die Spalte oder Fuge nach dem Wickeln automatisch ergibt. Dazu ist es denkbar, eine oder zwei Kanten des Drahtes anzuphasen, so dass bei nebeneinanderliegenden Windungen die Phase eine Spalte erzeugt. Dabei wird einfach eine Kante des Drahtes samt Isolierung abgeschnitten. Statt der besonders einfach zu realisierenden Phase, sind auch Ausnehmung oder Einkerbung im material des Drahtes an einer oder beiden zur blanken Oberfläche hin ausgerichteten Kanten möglich. Es ist auch denkbar, einen zunächst"runden"Draht mitsamt der Isolierung eckig zu walzen und an ein oder zwei Kanten eine Ausnehmung auszuwalzen. Die Isolierung wird dann nach dem Wickeln durch Abschleifen entfernt.

Um eine problemlos gleitende Bewegung des Stromabnehmers auf der Kontaktstrecke zu gewährleisten und um die Isolierung zwischen zwei benachbarten Windungen zu verbessern, ist es vorteilhaft die Spalte oder Fuge mit einem isolierenden Material, insbesondere mit Kunststoff auszugießen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen : Figur 1 das Schema eines Stelltransformators, Figur 2 einen Detailansicht eines Stromabnehmers auf den Windungen.

Figur 3 eine Wicklung mit"eckigem"Draht und Figur 4 verschiedene Drahtprofile.

Die Figur 1 zeigt das Schema eines Stelltransformators mit einer Primärwicklung 1 mit NI Windungen und einer Sekundärwicklung 2 mit N2 Windungen, die beide einen gemeinsamen Eisenkern 3 einschließen. Gemäß der Erfindung weist der Stelltransformator, der auch als sogenannter Spartrafo ausgebildet sein kann, einen Stromabnehmer 4 zum gleitenden Verschieben auf einer Kontaktstrecke 5 auf, wobei die Kontaktstrecke 5 von parallel zueinander liegenden und gegeneinander durch Lack 6 (Figur 2) isolierten Windungen 7 aus Kupferlackdraht der Sekundärwicklung 2 gebildet ist. Der Stromabnehmer 4 weist zwei durch einen Isolator 15 voneinander elektrisch getrennte Kontaktstücke 8a und 8b auf, die jeweils mit einer Kontaktzone 9 die Wicklungsoberfläche und damit die Kontaktstrecke 5 kontaktieren. Die Breite einer Kontaktzone 9 ist so bemessen, dass sie die Oberfläche 10 jeweils nur einer abisolierten Windung 7 kontaktiert. Die einzelnen Windungen 7 liegen somit auf der gemeinsamen Wicklungsoberfläche und sind durch den isolierenden Zwischenraum voneinander getrennt.

Der Stromabnehmer 4 ist über die Kontaktstrecke 5 verschieblich, wobei zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen zwei benachbarten Windungen 7 die Breite einer Kontaktzone 9 eines Kontaktstückes 8a und 8b kleiner ist als die Breite eines Zwischenraumes 11 und wobei der Zwischenraum 11 mit der gemeinsamen Kontaktfläche, die von beiden Kontaktzonen der Kontaktstücke 8a und 8b ausgebildet wird, überbrückt wird, wie in Figur 2 gezeigt ist. Die Breite einer Kontaktzone 9 ist so bemessen, dass der Stromabnehmer beim Überstreichen der Kontaktstrecke 5 immer mit mindestens einer von beiden Kontaktzonen 9 eine Windung 7 kontaktiert. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist das Niveau des im Zwischenraum 11 befindlichen Isolators, der hier von dem Lack 6 gebildet ist, unterhalb oder gleich dem Niveaus der Wicklungsoberfläche.

Die Kontaktstücke 8 sind über eine Leitungsstrecke 12 elektrisch miteinander verbunden, wobei die Leitungsstrecke 12 durch Zwischenschaltung zweier Widerstandselemente 13 einen definierten Widerstand aufweist. Die Last wird am Knoten 14 entnommen.

Figur 3 zeigt drei Windungen einer Wicklung die mit"rechteckigem"Draht gewickelt ist. Die einzelnen Windungen 16 sind anstoßend parallel nebeneinander angeordnet, wobei die Isolierung 17 die Windungen 16 jeweils trennt. Die obere Kante 18 einer Windung, also des Drahtes, ist angephast, wobei die Phase den Draht und die Isolierung durchschneidet. Die Phasen bilden im Querschnitt dreieckige Spalten zwischen zwei benachbarten Windungen 16. Die Spalten sind mit Kunststoff 19 aufgefüllt. Die blanken Oberflächen der Windungen liegen auf einer gemeinsamen Kontaktfläche 20.

Figur 4 zeigt noch drei Varianten von Drahtquerschnitten, wobei die Variante a) eine Ausnehmung 21 aufweist, die bei nebeneinander angeordneten Windungen ebenfalls Spalten wie unter Figur 3 ausbilden. Bei der Variante b) ist die obere Fläche des Drahtes abgerundet, so dass bei nebeneinander angeordneten Windungen symmetrische Spalten entstehen. Die Variante c) ist gleichfalls symmetrisch und weist zwei Ausnehmungen 21 auf. Eine derartige Variante kann auch durch einen Walzvorgang hergestellt werden, wobei die Isolierung nachträglich abgeschliffen wird.