DE1513785B2 - Unipolarmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Unipolarmaschine mit einem Rotor und einem Stator, der eine Ringspule zum Erzeugen des Magnetfeldes trägt.

Unipolarmaschinen dieser Art sind bereits durch das »Standard Handbook for Electrical Engineers«, 9. Aufl. 1957, S. 832, 833 sowie die deutsche Patentschrift 383 082 und die französische Patentschrift 828 bekannt.

Unipolarmaschinen können als Generatoren oder Motoren verwendet werden.

Es ist auch bekannt, daß sich bei der Konstruktion derartiger Maschinen viele Schwierigkeiten ergeben. In der deutschen Patentschrift 383 082 wird darauf hingewiesen, daß Unipolarmaschinen mit hohen Umlaufgeschwindigkeiten, beispielsweise mit Hilfe von Dampfturbnen, anzutreiben sind, damit sie eine brauchbare Ausgangsleistung abgeben. Bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten ist jedoch die Abnahme des Stroms nur mit besonderen Maßnahmen möglich. Dazu sind dort die Stromabnehmer als Kugellaufringe

ίο ausgebildet, die mit dem Rotor der Maschine in Eingriff stehen. Wenn die bekannten Unipolarmaschinen für brauchbare Leistungen ausgelegt sind, dann sind sie durchwegs groß, schwer und teuer. Neben den aufwendigen Stromabnehmern, die für den Betrieb bei den hohen Drehzahlen erforderlich sind, sind in diesen Maschinen nämlich große Elektromagnete vorgesehen, und außerdem müssen die Stromabnehmer wegen der bei den kleinen Spannungen fließenden großen Ströme sehr großflächig sein. Die bekannten Unipolarmaschinen wurden bisher nur in Sonderfällen eingesetzt.

Andererseits wären Unipolarmaschinen, die die genannten Nachteile nicht aufweisen, zur Erzeugung von Gleichstrom besonders geeignet, da sie keinen Stromwender erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Unipolarmaschine der eingangs genannten Art die Leistung pro Gewichtseinheit unter Beibehaltung eines geringen äußeren Störfeldes zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ringspule als Luftspule aus supraleitendem Material ausgebildet und in einem ringförmigen Kältegefäß eingeschlossen ist, in dem die für die Supraleitfähigkeit erforderliche Temperatur herrscht, und daß eine oder mehrere ebenfalls aus supraleitendem Material bestehende Abschirmspulen in einem ringförmigen Kältegefäß eingeschlossen sind, indem die für die Supraleitungerforderliche Temperatur herrscht.

Durch die Anwendung einer supraleitenden Luftspule für den Stator, die in der angegebenen Weise von dem Kältegefäß umgeben ist, kann die Leistung pro Gewichtseinheit der Unipolarmaschine in einfacher Weise beträchtlich erhöht werden. Für die Stromabnahme ist es dabei vorteilhaft, daß sich die EMK der Maschine vergrößert, so daß es möglich ist, eine erhöhte Leistung der Unipolarmaschine bei verminderter Stromstärke zu erhalten. Da ferner nicht mehr die außerordentlich hohen Umlaufdrehzahlen erforderlich sind, vereinfachen sich die Probleme der Stromabnahme gegenüber den bekannten Unipolarmaschinen. Die erfindungsgemäße Unipolarmaschine ist mit der in der angegebenen Weise ausgeführten supraleitenden Spule zur Erzeugung des Statormagnetfelds kleiner, leichter, aber auch billiger als die bisherigen Maschinen. Die Abschirmspule verhindert dabei eine Vergrößerung des äußeren Störfeldes. Die Supraleitfähigkeit ist schon seit 1911 bekannt. Alle bisherigen Veröffentlichungen über die Anwendung der Supraleitfähigkeit in der Starkstromtechnik beziehen sich jedoch nur auf Wechselstrommaschinen mit Kommutator oder auf MHD-Maschinen. So ist in der Technischen Rundschau, Nr. 23,1962, auf S. 25, die Möglichkeit der Anwendung der Supraleitfähigkeit bei Synchron- und Asynchronmaschinen erörtert. Vom Rotor und Stator erzeugte hohe Feldstärken sollen dabei durch Führung des Flusses wie bei einem Einsenkern nach außen abgeschirmt wer-

den. Die Abschirmung kann auch aus Niobstaunid bestehen. In der Umschau, 1964, Heft 2, S. 38 bis 41 gegebene zusammenfassende Berichte zeigen, daß durch Anwendung von supraleitenden Magnetspulen neuerdings Induktionen bis zu 101000 Gauß erzeugt werden können.

In dem Buch »High Magnetic Fields«, Proceedings of the International Conference on High Magnetic Fields (1. bis 4. November 1961), The MIT-Press and John Wiley & Sons Inc., New York-London, 1962, ist auf S. 140 auf die Möglichkeit der Verwendung von supraleitenden Spulen bei MHD-Generatoren verwiesen.

Der Rotor der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine kann die Form einer Scheibe oder Trommel oder eine Anzahl von Scheiben oder Trommeln aufweisen, die auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind, der Rotor kann auch konisch oder kegelstumpfförmig sein. Im Falle des scheibenförmigen Rotors können die Scheiben flach oder tellerförmig ausgebildet sein. Die supraleitenden Spulen umgeben vorzugsweise den Umfang des Rotors und sind koaxial zu diesem angeordnet.

Der ganze Rotor kann aus einem elektrisch leitenden Körper oder aus nicht leitendem Material bestehen, das elektrisch leitfähige Material trägt, welches die Strombahnen schafft.

Die Vorrichtung zur Übertragung des Stromes zwischen einer leitenden Bahn und einer äußeren Speisequelle kann aus einer Festkontakt- oder Flüssigkeitskontakt-Ausführung bestehen. Im Falle der Festkontaktausführung kann die Stromübertragung durch Bürsten und Schleifringe und im Falle der Flüssigkeitskontaktausführung zwischen einem Festkontakt und einem Flüssigkeitskontakt, z. B. Quecksilber, erfolgen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nun auch an Hand der Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Unipolarmotors gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt unter Weglassung der Abschirmspule und
f\ F i g. 2 einen schematischen Schnitt einer zweiten

* Ausführungsform einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung.

Aus der Fig. 1 geht hervor, daß der Motor eine Stahl-Rotorwelle 1 aufweist, mit der einstückig eine Trägerscheibe 2 verbunden ist. Scheiben 3 und 4 aus elektrisch leitendem Material sind an entgegengesetzten Seiten der Scheibe 2 mittels Isolierabstandsstücken 5 befestigt. Die Abstandsstücke 5 sind so geformt, daß sie Lüfterflügel bilden, die die Kühlluftzirkulation über die Flächen der Scheiben 3 und 4 unterstützen, wenn der Rotor umläuft.

Eine jede der Scheiben 3 und 4 weist eine zentrale Öffnung auf, die durch eine zylindrische Windung 6 begrenzt ist, die mit der Scheibe ein Stück bildet. Der äußere Rand der Wandung 6 ist um 90° nach außen abgebogen, um einen sich in radialer Richtung erstreckenden Kontaktring 6 α zu bilden. Die Kontaktringe 6 a werden von U-förmigen Teilen 7 umgeben, die in ihrem Innern Festkontakte 7 α aufweisen, die wiederum in Eingriff mit den Kontaktringen 6 a stehen und einen elektrischen Kontakt zwischen dem Rotor und einer äußeren Stromquelle herstellen. Die Teile 8, die in der Ausführung den Teilen 7 entsprechen und Festkontakte 8a enthalten, umgeben den Umfang der Scheiben 3 und 4, und die Kontakte 8 a stellen einen elektrischen Kontakt mit den Umfangen der Scheiben her. Es kann daher ein Gleichstrom über die Scheiben in einer radialen Richtung von dem Kontakt Ta zum Kontakt 8a geleitet werden.

Der Stator des Motors weist eine festangebrachte Spule 9 auf, die aus einer Anzahl von Windungen eines supraleitenden Drahtes gebildet ist, der koaxial um den Umfang des Rotors angeordnet ist. Die ίο Spule 9 ist in einem ringförmigen Kältegefäß 10 angeordnet, das in üblicher Weise die Spule auf die niedrigen Temperaturen hält, die für die Supraleitfähigkeit erforderlich sind.

Das Hindurchleiten eines Gleichstromes durch die Spule 9 erzeugt ein starkes Magnetfeld, dessen Kraftlinien in einer Richtung parallel zur Drehachse der Scheiben durch die Scheiben hindurchlaufen. Wenn durch die Scheiben ein Gleichstrom hindurchgeleitet wird, wird der Rotor in Drehung versetzt, und die Maschine arbeitet als Motor. Wenn umgekehrt der Rotor angetrieben wird, wird in den Scheiben ein Strom erzeugt, und die Maschine kann als Generator benutzt werden. Sie kann auch als eine elektromagnetische Bremse eingesetzt werden.

Wenngleich in der oben beschriebenen Maschine ein Strom zwischen der Scheibe und dem äußeren Kreis durch einen Schleifkontakt zwischen der rotierenden Scheibe und den festangebrachten Festkontakten übertragen wird, können auch andere Verfahren angewendet werden. Zum Beispiel können die U-förmigen Teile 7 und 8 eine leitfähige Flüssigkeit, etwa Quecksilber enthalten, das durch geeignete Dichtungsvorrichtungen zurückgehalten oder eingeschlosesn wird. Auch übliche Kontaktbürsten können benutzt werden.

Die in der F i g. 2 im Schnitt gezeigte Maschine weist ein Scheibenrotor 11 auf, der auf einer Rotorwelle 12 befestigt ist, die wiederum durch die Anordnung von Wellenlagern 13 und 14 auf der gleichen Seite der Scheibe fliegend gelagert ist. Diese Lageranordnung erleichtert den Zusammenbau der Maschine. Der Rotor 11 trägt Scheiben 15 und 16 auselektrisch leitendem Material, die durch Isolierscheiben 17 an dem Rotor 11 befestigt sind. Die Scheibe 15 weist innere und äußere zylindrische Flansche 18 bzw. 19 auf, und die Scheibe 16 hat entsprechende Flansche 20 und 21. Die Innenseiten der einzelnen Flansche 18 bis 21 befinden sich in Anlage mit einer Reihe von Bürsten 22, die um den Flansch herum angeordnet sind. Eine jede Bürste 22 wird von einem Bügel 23 getragen und durch eine Feder 24 mit konstanter Kraft in Anlage mit dem Flansch vorgespannt. Sie ist auf übliche Weise durch einen Leiter 25 an den Außenkreis angeschlossen.
Wie bei der Ausführung nach F i g. 1 ist eine supraleitende Spule 26 mit einem Kältegefäß 27 um den Umfang des Rotors herum angeordnet. In dieser Maschine sind auf beiden Seiten des Rotors ferromagnetische Polstücke 28 in Ebenen angeordnet, die parallel zur Ebene der Tragscheibe 11 verlaufen. Das ferromagnetische Material bildet nur einen kleinen Teil des magnetischen Kreises. Da die supraleitende Spule 26 ein sehr starkes Magnetfeld erzeugt, befindet sich das Material der Polstücke 28 im Nahbereich der Spule in einem gesättigten Zustand. In dem ferromagnetischen Material ist eine beträchtlich höhere Flußdichte vorhanden, als sie bei derselben Magnetisierun"skraft in Luft allein vorhanden wäre, und die

Erfindung macht von diesem Effekt Gebrauch, um das Feld der supraleitenden Spule in dem der Rotorwelle zugewandten Scheibenbereich zu verstärken.

Die Polstücke können für die beschriebenen Zwecke unterschiedliche Formen aufweisen, was zum Teil von der Geometrie der supraleitenden Spule abhängt. In der in F i g. 2 gezeigten Maschine bestehen die Polstücke 28 im wesentlichen aus Scheiben von festem ferromagnetischen Material, die mit dem Motorrotor koaxial in Ebenen angeordnet sind, die parallel zum Rotor verlaufen. In einigen Anwendungsfällen können Polstücke verwendet werden, die aus einer Anzahl von Abschnitten aus ferromagnetischem Material hergestellt sind.

Der Abstand zwischen den Scheiben kann optimal festgelegt werden, um die maximale Steigerung in der magnetischen Feldstärke am Umfang des Maschinenrotors 11 zu erreichen. Im allgemeinen ist der optimale Abstand klein, und es ist daher erforderlich, zwisehen den Polstücken, wie gezeigt, Abstandsstücke 29 vorzusehen, um die hohe zwischen diesen auftretende Anziehungskraft aufzunehmen. Die Abstandsstücke 29 können aus magnetischem oder nichtmagnetischem Material bestehen.

Um die Größe der magnetischen Feldstärke in Bereichen zu reduzieren, in denen das Magnetfeld nicht nützlich verwertet wird, wird eine supraleitende Abschirmspule verwendet. Die Fig. 2 zeigt eine supra-

leitende Abschirmspule 30 innerhalb eines Kältegefäßes 31, die den Einfluß des magnetischen Feldes der supraleitenden Spule 26 außerhalb der Maschine verringert. Eine solche Abschirmspule schwächt die Beeinflussung auf irgendeine Anlage die in der Nähe der Maschine gelegen ist.

Die supraleitende Abschirmspule oder Spulen können vollständig verschlossen sein, keine Außenanschlüsse aufweisen und den Strom durch induktive Kopplung mit der Hauptfeldspule aufnehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Unipolarmaschine mit einem Rotor und einem Stator, der eine Ringspule zum Erzeugen des Magnetfeldes trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspule (9, 26) als Luftspule aus supraleitendem Material ausgebildet und in einem ringförmigen Kältegefäß (10, 27) eingeschlossen ist, in dem die für die Supraleitfähigkeit erforderliche Temperatur herrscht, und daß eine oder mehrere ebenfalls aus supraleitendem Material bestehende Abschirmspulen (30) in einem ringförmigen Kältegefäß (31) eingeschlossen sind, in dem die für die Supraleitung erforderliche Temperatur herrscht.

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2, 11) eine oder mehrere elektrisch leitende Scheiben (3, 4; 15,16) aufweist.

3. Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (3, 4) mittels Isolierabstandsstücken (5) an beiden Seiten einer tragenden Scheibe (2) befestigt sind.

4. Unipolarmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstücke (5) so geformt sind, daß sie die Kühlgas-Zirkulation über die Oberfläche der Scheiben unterstützen.

5. Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß feste Bürsten (22) mit dem inneren (18, 20) und äußeren (19, 21) Rand der Scheibe in Berührung stehen, um zwischen der Scheibe und dem äußeren Kreis den Strom zu übertragen.

6. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede elektrisch leitende Scheibe (3, 4; 15, 16) einen sich in axialer Richtung erstreckenden Umfangflansch (18, 19; 20, 21) aufweist und daß die Bürsten (22) in Berührung mit der Innenseite des Flansches stehen.

7. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (28) zur Konzentration des Magnetfeldes der supraleitenden Spule auf ausgewählte Bereiche vorgesehen ist.

8. Unipolarmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Körper (28) aus magnetischem Material in Ebenen angeordnet sind, die parallel zu den Ebenen der Scheibe oder Scheiben (15, 16) verlaufen.