DE2534511B2 - Unipolarmaschine mit einer tiefstgekühlten Erregerwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Unipolarmaschine mit mindestens einem um eine Achse drehbaren, scheibenförmigen Rotor, der radial verlaufende Strompfade für einen elektrischen Strom enthält, und mit einem konzentrischen Stator, der mit einer tiefstgekühlten Erregerwicklung versehen ist, deren Magnetfeld zumindest annähernd dem einer torusförmig ausgebildeten Magnetspule entspricht, sowie zwischen dem Rotor und dem Stator mit einer inneren, achsnahen Stromübertragungsvorrichtung und einer äußeren, achsfernen Stromübertragungsvorrichtung, die in einem zumindest annähernd feidfreien Raum im Innern der Erregerwicklung angeordnet ist.

ίο Unipolare Maschinentypen, die auch als homopolare oder azyklische Maschinen bezeichnet werden, haben rotierende Maschinenteile, die in einem Magnetfeld konstanter Polrichtung angeordnet sind; die in diesen Maschinenteilen induzierte Spannung ist folglich stets gleichgerichtet. Maschinen dieser Art arbeiten mit scheiben- oder trommeiförmigen Rotoren, benötigen keinen Kommutator und sind relativ einfach aufzubauen. Die zur Erzeugung des Magnetfeldes erforderlichen Erregerwicklungen werden mit Gleichstrom gespeist.

Für diese Wicklungen können deshalb insbesondere Hochfeldsupraleiter verwendet werden, da keine Hystereseverluste bei technischen Frequenzen die Verwendung von supraleitendem Material beschränken. Mit diesen Leitern lassen sich hohe Stromdichten erreichen, und die damit verbundenen hohen Flußdichten bieten die Möglichkeit, die Grenzleistung, das Leistungsgewicht und den Wirkungsgrad solcher elektrischen Maschinen nennenswert zu verbessern.
Das Arbeitsprinzip einer Unipolarmaschine beruht

so auf einer bereits 1831 von Faraday entwickelten Anordnung, die als Faradaysche Scheibe bekannt ist. Wird nämlich eine solche Scheibe oder ein Scheibensegment in einem rotationssymmetrischen Gleichfeld gedreht, so entsteht eine reine, oberwellenfreie Gleichspannung, die zur Drehzahl und zum magnetischen Fluß proportional ist. Da eine Scheibe nur wie ein einziger Leiter wirkt, sind die erreichbaren Spannungen jedoch verhältnismäßig klein. Aus diesem Grund ergibt sich bei Unipolarmaschinen das schwierige Problem, hohe Leistungen mit großen Strömen möglichst verlustarm über rotierende Kontakte zu übertragen. Eine entsprechende Vorrichtung zur Übertragung des Stromes zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil kann aus einer Festkontakt- oder

« Flüssigkeitskontaktausführung bestehen.

Aus »Proc. of the 1972 Appl. Supercond. Conf.«, Annapolis,(IEEE Pub. No. 72 CH 0682-5-TABSC, Seiten 16—25, insbesondere Seite 17) ist eine Unipolarmaschine bekannt, deren scheibenförmiger Rotor in Umfangsso richtung von einer ringförmigen supraleitenden Magnetspule umgeben ist. Diese Magnetspule ist in axialer Richtung verhältnismäßig kurz bemessen und hat einen etwa rechteckigen Querschnitt. Die von ihrer Wicklung hervorgerufene magnetische Feldstärke ist jedoch in radialer Richtung nicht konstant, d. h., sie nimmt in Richtung zur Rotorachse ab, und die Kraftlinien nehmen in der Nähe der Spulenkanten einen radial stark nach außen hin gerichteten bzw. von außen kommenden Verlauf. Bei Verwendung solcher Spulen ohne Eisenkern als Erregerwicklung für Unipolarmaschinen mit scheibenförmigem Rotor muß deshalb versucht werden, die Rotorscheibe möglichst nahe an der Erregerwicklung anzuordnen, um so das von ihr hervorgerufene Magnetfeld möglichst vollständig für die Spannungser-

h5 zeugung auszunutzen, bzw. das Magnetfeld, das die Scheibe nicht durchsetzt, das sogenannte Streufeld, möglichst klein zu halten. Die in der Nähe der Erregerwicklung dicht verlaufenden Feldlinien, die die

Rotorscheibe weit von der Scheibenachse entfernt schneiden, sind nämlich für die Spannungserzeugung im liotor besonders wiikungsvoll, da die sie durchschneidenden Rotorteile im Gegensatz zu den achsennahen Rotorteilen eine entsprechend hohe Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung haben.

Ist eine Anordnung der Rotorscheiben nahe an der Erregerwicklung schon bei Unipolarmaschinen m't normalleitenden Wicklungen herkömmlicher Bauart aus technologischen Gründen nicht !eicht möglich, so daß ein gewisser Streufluß für die Spannungserzeugung stets verlorengeht, so ergeben sich für die bekannte Unipolarmaschine mit tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden Erregerwicklungen, in dieser Hinsicht viel größere Schwierigkeiten. Die Erregerwicklung der bekannten Maschine muß nämlich in einem Kälteschutzsystem angeordnet sein, das die Erregerwicklung in Form eines oder mehrerer Schutzmantel umgibt, zwischen denen sich evakuierte und gegebenenfalls auch noch mit flüssigem Stickstoff gefüllte Räume befinden. Die Rotorscheibe kann deshalb nur in einem entsprechend größeren Abstand von der Erregerwicklung angeordnet werden, und der für eine Spannungserzeugung nicht ausnützbare magnetische Streufluß ist entsprechend groß.

Die radialen Strompfade des Rotors einer solchen Maschine haben im allgemeinen einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand, so daß sie von starken Strömen durchflossen werden können. Es sind deshalb Stromübertragungsvorrichtungen mit verhältnismäßig großen Kontaktflächen erforderlich, um dem Rotor einen Strom zuzuführen oder zu entziehen. Liegt nun die Kontaktfläche, an der der Strom übertragen wird, im Magnetfeld der Erregerwicklung, so bildet sich eine elektromotorische Kraft längs der Kontaktfläche der Stromübertragungsvorrichtung aus. Diese elektromotorische Kraft ist in den meisten Fällen zwar verhältnismäßig klein, sie kann jedoch aufgrund der hohen Feldstärke und des niedrigen Widerstandes der Stromübertragungsvorrichtung verhältnismäßig starke Kreisströme hervorrufen, die zusätzliche Streuverluste in der Maschine bewirken und somit den Wirkungsgrad der Maschine entsprechend herabsetzen.

Die genannten Schwierigkeiten werden bei einer Unipolarmaschine weitgehend vermieden, die aus der US-Patentschrift 12 55 589 bekannt ist. Diese Maschine ist nämlich mit einer torusförmig ausgebildeten Magnetspule versehen, in deren ringförmigen Innenraum durch einen radial verlaufenden Spalt ein scheibenförmiger Rotor hineinragt. Am Außenrand der Rotorscheibe ist eine Stromübertragungsvorrichtung vorgesehen. Da der ringförmige Innenraum der Magnetspule annähernd feldfrei ist, werden an der Kontaktoberfläche der Stromübertragungsvorrichtung praktisch keine elektromotorischen Kräfte hervorgerufen, die mit Streuverlusten verbunden sind. Da sich ferner bei dieser Maschine die Rotorscheibe in dem Spalt in dem Bereich der größten Feldstärke erstreckt, ist der für eine Spannungserzeugung nicht ausnutzbare magnetische Streufluß entsprechend gering.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese aus der US-Patentschrift 12 55 589 bekannte Unipolarmaschine dahingehend zu verbessern, daß das von ihrer torusförmig ausgebildeten Magnetspule hervorgerufene Magnetfeld stärker zur Spannungserzeugung ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird für eine Unipolarmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor mittels eines zur Rotorachse konzentrischen Isolationsteils in ein kreisscheibenförmiges und ein kreisringscheibenförmiges Teil unterteilt ist und das torusförmige Magnetfeld so durchschneidet, daß das Isolationsteil und die äußere Stromübertragungsvorrichtung am äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Teils und eine weitere Stromübertragungsvorrichtung am inneren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils in dem feldfreien Raum angeordnet sind, und

ίο daß am äußeren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils ebenfalls eine Stromübertragungsvorrichtung vorgesehen ist.

Eine solche Gestaltung einer Unipolarmaschine hat insbesondere den Vorteil, daß auch das sich von der torusförmigen Erregerwicklung nach außen hin erstrekkende Magnetfeld zur Spannungserzeugung herangezogen werden kann. Da sich die äußere und die innere Stromübertragungsvorrichtung des kreisringscheibenförmigen Teils des Rotors in dem feldfreien Raum der MagnetspuJe befinden, sind die an ihnen hervorgerufe nen Streuverluste entsprechend gering.

Nach einer weiteren Ausbildung der Unipolarmaschine ist vorteilhaft konzentrisch zur Erregerwicklung eine torusförmige Kompensationswicklung mit gegenüber der Erregerwicklung entgegengesetztem Erregersinn angeordnet. Es kann so ein Austritt eines starken Magnetfeldes in die Umgebung der Maschine und insbesondere auf die außerhalb der Erregerwicklung angeordneten Stromübertragungsvorrichtungen verhindert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Der in der Figur teilweise ausgeführte Längsschnitt durch eine Unipolarmaschine verläuft in einer Ebene, welche die Achse 2 der Maschine enthält. Um die Achse rotiert ein an einer Welle 3 befestigter, scheibenförmiger Rotor 4 in einem Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird von einer torusförmigen und konzentrisch um die Achse 2 angeordneten Erregerwicklung 5 hervorgerufen, die tiefgekühlte, insbesondere supraleitende Leiter enthält. Die Leiter der Erregerwicklung werden mittels eines kryogenen Mediums, beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Helium, auf Tieftemperatur gehalten. Zur Reduzierung der auf die Leiter von außen eingeleiteten Wärme ist die Wicklung von einem Kälteschutzsystem 6 umgeben.

Die Erregerwicklung 5 ist in einem vorgegebenen Abstand 8 von einer ebenfalls torusförmigen Kompensationswicklung 9 konzentrisch umschlo&sen. Die Kompensationswicklung, deren Aufbau dem der Erregerwicklung 5 im wesentlichen entspricht, hat einen gegenüber der Erregerwicklung entgegengesetzten Wickelsinn und zumindest annähernd gleiche Ampere-Windungs-Zahl wie die Erregerwicklung. Mit Kufe der Kompensationswicklung kann das magnetische Feld, dessen Fluß durch in der Figur mit Φι und Φϊ bezeichnete Pfeile angedeutet ist, im wesentlichen auf den zwischen der Erregerwicklung 5 und der Kompensationswicklung 9 torusförmig ausgebildeten Raum 10 beschränkt werden. Ein Feldaustritt in die Umgebung der Maschine wird somit weitgehend verhindert. Ein für die Kompensationswicklung 9 erforderliches Kälteschutzsystem 11 ist mit dem Kälteschutzsystem 6 der Erregerwicklung 5 vereinigt.

Die Erregerwicklung 5, die Kompensationswicklung 9

sowie deren Kälteschutzsystem 6 und 11 sind durch einen Spalt 13, der sich in einer radialen Ebene senkrecht zur Achse 2 der Maschine erstreckt, in zwei gleiche Hälften unterteilt. Durch diesen radialen Spalt ragt der scheibenförmige Rotor 4 aus der Kompensationswicklung 9 heraus. Der Rotor enthält eine Kreisscheibe 14 und eine konzentrisch um diese angeordnete Kreisringscheibe 15. Die Kreisscheibe 14 und die Kreisringscheibe 15 sind durch einen Isolierring 16 elektrisch voneinander getrennt. Der Außendurchmesser der Kreisscheibe 14 ist dabei so gewählt, daß der sie umschließende Isolierring 16 etwa in der Mitte des von der torusförmigen Erregerwicklung 5 eingeschlossenen Raumes 17 verläuft. Dieser im Querschnitt ringförmige, konzentrisch um die Achse 2 verlaufende Raum 17 innerhalb der Erregerwicklung 5 ist zumindest annähernd magnetfeldfrei.

Bei dieser Ausbildung einer Unipolarmaschine kann sowohl der von der Erregerwicklung 5 hervorgerufene magnetische Fluß Φι in dem Gebiet des Raumes 10, das der Rotorachse 2 zugewandt ist, mittels der Kreisscheibe 14 als auch der magnetische Fluß Φ₂ in dem achsfernen Gebiet des Raumes 10 mittels der Kreisringscheibe 15 zur Spannungserzeugung ausgenutzt werden. Die in diesen beiden Teilen 14 und 15 des Rotors 4^ induzierten Spannungen, die in der Figur durch Pfeile 18 und 19 in den Stromflußrichtungen angedeutet sind, lassen sich elektrisch hintereinander schalten. Deshalb ist eine innere, an der Rotorwelle 3 anliegende Stromübertragungsvorrichtung 20 mit einer Stromübertragungsvorrichtung 21 verbunden, die im feldfreien Raum 17 am Innenumfang der Kreisringscheibe 15 anliegt. Die gesamte Spannung kann dann an einer Stromübertragungsvorrichtung 22 vom Außenumfang der Kreisscheibe 14 in dem feldfreien Raum 17 und an einer Strornübertragungsvorrichtung 23 am Außenumfang der Kreisringscheibe 15 abgenommen werden.

Für die Stromübertragungsvorrichtungen 20 bis 23, die in der Figur nicht näher ausgeführt sind, können vorteilhaft Flüssigkeitsgleitkontakte, die beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 11 17 192 bekannt sind, oder auch Flüssigkeitsrollkontakte, die z. B. der deutschen Offenlegungsschrift 23 26 595 zu entnehmen sind, vorgesehen werden.

Ferner wird in dem feldfreien Raum 17 der aufgrund des von der Erregerwicklung 5 hervorgerufenen magnetischen Flusses Φι in der Kreisscheibe 14 des Rütore 4 induzierte Strom mittels der Stromübertragungsvorrichtung 22 von dem äußeren Umfang der Kreisscheibe 14 zweckmäßig auf ein ortsfestes, elektrisch leitendes Bauteil 25 übertragen. Dieses Bauteil besteht im wesentlichen aus einer in einer radialen Ebene befindlichen Scheibe, die eng benachbart und parallel zu der Kreisscheibe 14 des Rotors 4 angeordnet ist. Am achsfernen Ende dieses ortsfesten Bauteils 2J befindet sich die Stromübertragungsvorrichtung 22. Eil in der Kreisscheibe 14 induzierter Strom kann somit voi deren äußeren Umfang mittels der Stromübertragungs vorrichtung 22 auf das Bauteil 25 übertragen werdet und fließt von dort radial in entgegengesetzter Richtunj zu dem in der Kreisscheibe 14 induzierten Strom ab. Die Stromflußrichtung in dem ortsfesten Bauteil 25 ist durcl einen Pfeil 26 angedeutet. Das durch den Strom in dei ίο Kreisscheibe hervorgerufene zusätzliche Magnetfelc kann so zumindest teilweise durch den in der ortsfester Scheibe des Bauteils 25 fließenden Strom kompensier werden. In entsprechender Weise kann das Magnetfeld das durch den in der Kreisringscheibe 15 erzeugter Strom hervorgerufen wird, dadurch teilweise kompensiert werden, daß parallel zu der Kreisringscheibe 15 ein weiteres ortsfestes, elektrisch leitendes Bauteil 27 vorgesehen wird, über das der an der Stromübertragungsvorrichtung 21 abgenommene, durch einen Pfeil 28 in der Figur angedeutete Strom aus dem feldfreien Raum 17 durch den Spalt 13 nach außen abgeführt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ist davon ausgegangen, daß die torusförmige Erregerwicklung der Unipolarmaschine durch eine torusförmige Gestall der entsprechenden Magnetspule erzeugt wird. Ein solches Magnetfeld läßt sich jedoch auch durch eine Kombination von mehreren, beispielsweise konventionell gewickelten und in entsprechenden Kälteschutzsystemen angeordneten Erregerwicklungen ausbilden deren einzelne Magnetfelder sich zu dem torusförmigeri Erregerfeld überlagern.

Neben der in der Figur dargestellten Ausführungsform einer Unipolarmaschine kann die Unipolarmaschine gemäß der Erfindung auch mehrere, auf einer Welle in axialer Richtung hintereinandergereihte, scheibenförmige Rotoren aufweisen. Ferner können die Rotoren auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen und mit stromführenden Teilen versehen sein. Die Vorrichtungen zur Übertragung des Stromes zwischen den Rotorteilen und feststehenden Maschinenteilen können aus einer Festkontakt- oder Flüssigkeitskontakt-Ausführung bestehen. Im Falle der Festkontaktausführung läßt sich die Stromübertragung durch Bürsten oder Schleifringe und im Falle der Flüssigkeitskontaktausführung zwischen einem Festkontakt und einem Flüssigkeitskontakt, beispielsweise mit Quecksilber oder Indium vornehmen. Bei Verwendung von Flüssigkeitskontakten kann die in der Figur teilweise ausgeführte Maschine auch unter einem verminderten Außendruck oder unter einem Schutzgas betrieben werden, um gegebenenfalls eine Einwirkung von Feuchtigkeit oder oxidierenden Gasen auf die Kontaktflüssigkeit zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Unipolarmaschine mit mindestens einem um eine Achse drehbaren, scheibenförmigen Rotor, der radial verlaufende Strompfade für einen elektrischen Strom enthält, und mit einem konzentrischen Stator, der mit einer tiefstgekühlten Erregerwicklung versehen ist, deren Magnetfeld zumindest annähernd dem einer torusförmig ausgebildeten Magnetspule entspricht, sowie zwischen Rotor und Stator mit einer inneren, achsnahen Stromübertrngungsvorrichtung und einer äußeren, achsfernen Stromübertragungsvorrichtung, die in einem zumindest annähernd feldfreie» Raum im Inneren der Erregerwicklung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) mittels eines zur Rotorachse (2) konzentrischen Isolationsteils (16) in ein kreisscheibenförmiges und ein kreisringscheibenförmiges Teil (14 bzw. 15) unterteilt ist und das torusförmige Magnetfeld so durchschneidet, dafl das Isolationsteil (16) und die äußere Stromübertragungsvorrichtung (22) am äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Teils (14) und eine weitere Stromübertragungsvorrichtung (21) am inneren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils (15) in dem feldfreien Raum (17) angeordnet sind und daß am äußeren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils (15) ebenfalls eine Stromübertragungsvorrichtung (23) vorgesehen ist.

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Erregerwicklung (5) eine torusförmige Kompensationswicklung (9) mit gegenüber der Erregerwicklung (5) entgegengesetzter Erregung angeordnet isi.

3. Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (9) gegenüber der Erregerwicklung (5) entgegengesetzten Wicklungssinn und gleiche Ampere-Windungs-Zahl wie die Erregerwicklung (5) aufweist.

4. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromübertragungsvorrichtungen (21, 22) in dem feldfreien Raum (17) Flüssigkeitsgleitkontakte oder Flüssigkeitsrollkontakte vorgesehen sind.

5. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß maschinenfeste Bauteile (25.27) vorgesehen sind, die zumindest zum Teil eng benachbart zu dem kreisscheibenförmigen und kreisringscheibenförmigen Teil (14 bzw. 15) des Rotors (4) angeordnet sind und die zur Führung eines mittels der äußeren Stromübertragungsvorrichtung (22) am äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Teils (14) von diesem Teil (14) und mittels der weiteren Stromübertragungsvorrichtung (21) am inneren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils (15) von diesem Teil (15) abgenommenen Stromes in umgekehrter Richtung wie in den Strompfaden des kreisscheibenförmigen bzw. kreisringscheibenförmigen Teils (14 bzw. 15) des Rotors (4J dienen.