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Ein wichtiges Anwendungsgebiet der nachstehend beschriebenen Erfindung sind die elektrischen Maschinen.
Ein ähnlicher Gedanke, z. B. Fahrzeuge durch geeignete elektromagnetische Felder in Schwebe zu halten, wurde schon sehr früh ausgesprochen (Kemper H. :"Elektrisch angetriebene Eisenbahnfahrzeuge mit elektromagnetischer Schwebeführung", ETZ [1953], S. 11), (Kemper H. :"Schwebende Aufhängung durch elektromagnetische Kräfte", ETZ [1938], S. 391). Ebenso sind Einrichtungen bekannt, die zur magnetischen Entlastung hochbeanspruchter Spurlager von senkrechten Wasserkraftgeneratoren dienen (Tittel I. :"Magnetische Entlastung der Spur- und Traglager bei Vertikalmaschinen", ETZ [1965], S. 340) bzw. auch der Axiallager von Ultrazentrifugen.
Ein Lager für waagrecht umlaufende Maschinenteile, das auf Unterstützung durch magnetische Kräfte be-
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haben Versuche gezeigt, dass mit ähnlichen Einrichtungen keine brauchbare Zentrierwirkung erzielt werden können, anderseits erfordern Einrichtungen der dort beschriebenen Art unter allen Umständen eine Stromzuführung zum umlaufenden Teil. Auch ist bei der genannten Anordnung nur an einen Ersatz konventioneller Lager durch solche mit magnetischer Wirkung zu denken.
Aufgabe der Erfindung ist es jedoch in erster Linie, umlaufende Maschinenteile von Biege- und Fliehkraftbeanspruchungen zu entlasten.
Die axiale Ausdehnung L umlaufender Maschinenteile, z. B. eines Turborotors ist begrenzt durch die zulässige Biegewechselfestigkeit, die nur einen geringen Prozentsatz der Bruchspannung beträgt (A. GRGIC :"Lei- stungsgrenzen für zwei-und vierpolige Turbogeneratoren auf Grund mechanischer Beanspruchungen", BBC-Mitteilungen [1969], S. 394). Diese Biegewechselspannung tritt bei der Drehung durch das Eigengewicht des Rotors auf.
Eine weitere Biegebeanspruchung des Rotors, die wesentlich höhere Werte erreichen kann, wenn auch nur vorübergehend, kommt durch Biegeschwingungen beim Durchlaufen der kritischen Drehzahl während des Hochlaufens und Stellsetzens zustande.
Anderseits ist auch der Durchmesser D eines umlaufenden Maschinenteiles, z. B. des Rotors von einem Turbogenerator nach oben hin beschränkt durch die zulässige Zugbeanspruchung im Rotorkörper zufolge der Fliehkräfte. Die Begrenzung der Rotorabmessungen D und L aus den vorstehend angegebenen Gründen bringt naturgemäss eine Begrenzung der ausführbaren Leistung z. B. von Turbogeneratoren mit sich.
EineErhöhung derRotorabmessungen und damit der ausführbaren Leistung wird demnach möglich sein, wenn es gelingt, die genannten Materialbeanspruchungen durch entsprechende Massnahmen zu vermindern.
Die erfindungsgemässen Anordnungen erlauben nun durch elektromagnetische Unterstützung des Rotors die durchbiegende Wirkung seines Eigengewichtes aufzuheben, so dass keine Dauerbiegewechselspannungen auftreten können.
Ferner wird durch die genannten Anordnungen eine vorübergehende künstliche Versteifung des Rotors bewirkt und so in einer noch später gezeigten Weise die durch Biegeschwingungen hervorgerufenen gefährlichen Spannungen herabgesetzt.
Die erfindungsgemässen Anordnungen ermöglichen schliesslich die Aufhebung eines Teiles der Fliehkräfte, so dass auch die, durch diese hervorgerufenen Spannungen, gemindert werden.
Die genannte Anordnung besteht im wesentlichen aus einer mitumlaufenden Röhrenspule, die erfindungsgemäss achsparallel im Inneren einer ruhenden Magnetspule gelagert ist, wobei Aussen- und Innenspule bei gleichem Wicklungssinn gegensinnig, bei entgegengesetztem Wicklungssinn gleichsinnig stromdurchflossen sind.
Als Stromflusssinn wird hiebei die Stromrichtung zwischen Spulenanfang und Spulenende bezeichnet.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Anordnung, denen eine mit dem Rotor koaxiale, ruhende Magnetspule --3-- gemeinsam ist. Diese Spule wird mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist.
Mit dem Rotor --1- verbunden sind bei allen drei Ausführungsbeispielen die koaxialen Magnetspulen - 2-, welche bei gleichem Wicklungssinn gegensinnig stromdurchflossen werden. Bei Wechselstromspeisung der festen Spule --3- stellt die kurzgeschlossene Rotorspule die Sekundärwicklung eines Transformators dar, in der sich von selbst ein bezogen auf die Spule -3-- gegensinniger Kurzschlussstrom einstellt.
Bei Wechselstromspeisung kann die gewickelte, kurzgeschlossene Spule --2-- durch einen massiven, leitenden Mantel bzw. durch massive, leitende Ringe ersetzt werden. Bei Gleichstromspeisung müssen auch die Rotorspulen über eine Übertragungseinrichtung mit gegensinnigem Gleichstrom gespeist werden (über Schleifringe oder schleifringlos). Durch diese Anordnung wird eine zentrierend, magnetische Kraft auf den Rotor ausgeübt, wie sie zur Entlastung und Versteifung erfindungsgemäss notwendig ist.
Das Zustandekommen dieser Kraft lässt sich an Hand der Fig. 1b unschwer erklären ; Fig. 1b stellt einen Querschnitt durch die Anordnung gemäss Fig. la dar, wobei angenommen ist, dass die Rotorspule samt Rotor-
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körper exzentrisch verlagert ist. Wegen der gegensinnigen Stromflussrichtung in beiden Spulen tritt zwischen der äusseren und inneren Spule eine abstossende Wirkung auf, die wegen des geringeren Abstandes in der unteren Hälfte stärker ist als in der oberen. Durch die Differenz der auf die untere und obere Spulenhälfte ausgeübte Kraft wird der Rotor in die konzentrische Lage gedrückt.
Daman wegen der endlichen Abmessungen der Spulen ihren Abstand voneinander nicht beliebig klein machen kann, wird die mit normalen Stromdichten erzielbare Zentrierkraft bei der Anordnung nach Fig. 1 kaum ausreichen, um den Rotor beispielsweise in Schwebe zu halten. Dies wird bei der einfachen Ausführung nach Fig. 1 nur durch tiefgekühlte oder supraleitende Anordnungen möglich sein.
Die erfindungsgemässe Anordnung nach Fig. 2 hingegen lässt eine Verstärkung des Zentriereffektes auch ohne Tiefkühlung zu. Bei dieser Anordnung sind zwischen Aussen-und Innenspule eine grössere Anzahl konzentrischer Eisenringe-8-angeordnet, die abwechselnd mit der ruhenden Spule -3-- bzw. der umlaufenden Spule-2-fest verbunden sind. Von der Spule selbst sind diese Ringe durch elektrisch und magnetisch nichtleitende Ringe-9-distanziert ; in axialerRichtung werden sie durch kleine Luftspalte -10-voneinanderge- trennt. Bei Wechselstromspeisung müssen diese Ringe natürlich in zweckentsprechender Weise lamelliert sein.
Als ebenso selbstverständliche Forderung ergibt sich bei Anwendung auf einem Turborotor, dass die Ringe nicht durchgehend aus magnetischem Stahl sein sollen, weil sie sonst für das Erregerfeld einen magnetischen Kurzschluss darstellen würden. Die Verstärkung des Zentriereffektes ergibt sich dadurch, dass sich die Ringe, die mit
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Lage fluchten.
Es ist bekannt, dass sich eine-magnetische Anordnung immer so einstellt, dass die magnetische Energie ein
Maximum erreicht.
Die erfindungsgemässe Anordnung nach Fig. 3 ermöglicht gegenüber jener nachFig. 1 ebenfalls eine Ver- stärkung des Zentriereffektes. Bei dieser Anordnung ist die innere Spule-2-in einzelne Scheiben aufgeteilt, die abwechselnd mit der Spule -3- bzw. mit dem Rotor-l-fest verbunden sind.
Da diese Spulenscheiben unter sich in derselben Richtung stromdurchflossen sind, werden sie zufolge der
Anziehungskraft zwischen gleichsinnig stromdurchflossenen Leitern versuchen, sich aufeinander auszurichten, wobei wieder die konzentrische Lage aller Spulenscheiben die stabile ist.
Verlagert man erfindungsgemäss die Statorspule-3-selbst exzentrisch nach oben und bemisst die Exzen- trizität so, dass die magnetischen Zentrierkräfte das Rotor-Eigengewicht gerade aufheben, wenn dieser konzen- trisch zur Statorbohrung liegt, schwebt der Rotor frei in konzentrischer Lage zum Statorkern --4--, jedoch ex- zentrisch zur Statorspule-3-. Da dieser Schwebezustand einer allseitigen Unterstützung über die gesamte Ro- torlänge entspricht, kann das Rotor-Eigengewicht keine Durchbiegung mehr hervorrufen (ähnlich einem schwim- menden Schiffsrumpf).
Ein beträchtlicher Teil der abstossenden Kräfte --F- in Fig. 1b hebt sich über den Durchmesser auf --F 0-- und versucht den Rotor zusammenzudrücken. Kräfte dieser Art sind z. B. als radiale Kurzschlussstromkräfte beim Transformator bekannt.
Im vorliegenden Fall wirken sie der Fliehkraft entgegen und entlasten dadurch das Rotormaterial im Betrieb auch von tangentialen Zugbeanspruchungen zufolge der Fliehkraft. Auch wenn die ruhende Zylinderspule-3zum Statorkern --4-- und Drehachse konzentrisch angeordnet ist, wird sich der Rotor zufolge seines Eigengewichtes nur soweit durchbiegen, bis die Summe aus magnetischen und elastischen Rückstellkräften gerade dem Eigengewicht das Gleichgewicht hält.
DieBiegespannungenwerden also auch bei konzentrischer Lage der Spule -3- verringert, wenn auch nicht ganz aufgehoben.
Durchbiegungen des Rotors werden nun nicht nur durch das Eigengewicht verursacht, sondern sie können ihre Ursache auch in Unwuchten bzw. in Resonanz-Biegeschwingungen beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen haben.
Da auch solche Durchbiegungen Exzentrizitäten hervorrufen (Fig. 4), sind auch bei konzentrischer Anordnung der Ständerspule-3-die magnetischen Kräfte so gerichtet, dass sie der versuchten Durchbiegung entgegenwirken.
In der konzentrischen Lage des Rotors zum Magnetfeld der Statorspule sind sowohl die elastischen als auch die magnetischen Rückstellkräfte Null, so dass diese Lage als stabil anzusehen ist. Die Unterstützung der elastiscnen Kräfte durch elektromagnetische kommt einer künstlichen Versteifung des Rotors gleich (grössere Federkonstante), da ein und dieselbe Kraft bei eingeschalteter Statorspule eine geringere Durchbiegung verursacht als bei abgeschalteter Spule.
Da nun die kritische Drehzahl der Wurzel aus der Federkonstante für die Durchbiegung des Rotors proportional ist (K. Schönfelder :"Mechanische Konstruktionsberechnung elektrischer Maschinen, Hütte IV A [1957], S. 201), resultiert in Verbindung mit dem obenstehenden eine Einflussmöglichkeit auf die Höhe der kritischen
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Drehzahl während des Betriebes. Mit Hilfe der erfindungsgemässen Anordnung ist es demzufolge möglich, die kritische Drehzahl während der Einschaltdauer der Spule zu erhöhen.
Die erfindungsgemässe Anordnung macht sich diese Erkenntnis zunutze, indem sie durch zeitgerechtes Zuund Abschalten der Spule -3-- ein "Überspringen" des kritischen Drehzahlbereiches ermöglicht.
Beim Hochlauf des Turborotors ist hiezu folgender Vorgang erforderlich :
1) Hochfahren bis knapp unterhalb der natürlichen kritischen Drehzahl ohne Einschaltung der Ständerspu- le --3--.
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--3- durchnatürlichen kritischen Drehzahl.
3) Öffnen des Kurzschliessers --6 -, wodurch der hohe Widerstand-7-in den Spulenkreis geschaltet wird, was ein rasches Abklingen des Stromes zur Folge hat.
Der Ohmwert dieses Widerstandes muss so hoch sein, dass die Zeitkonstante T = L/R nur einen kleinen Bruchteil einer Sekunde beträgt. Je schneller der Strom abklingt, umso rascher wird der Übergang von der künst-
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sprungen, währenddessen der Rotor für wenige Bruchteile einer Sekunde im kritischen Bereich läuft.
Hingegen beansprucht das Durchlaufen der kritischen Drehzahl ohne die erfindungsgemässe Anordnung einige Sekunden, Zeit genug, um die Resonanz-Biegeschwingungen zu gefährlicher Höhe anwachsen zu lassen. Nach Abschalten der Ständerspule läuft der Rotor gefahrlos im überkritischen Bereich und kann weiter beschleunigt werden.
Durch die Speisung der Ständerspule -3-- über eine Konstantspannungsquelle, eine Spannungsquelle mit extrem niedrigem, dynamischem Spannungsabfall oder gar Spannungsanstieg, wird die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber einer Konstantstromquelle oder einer Spannungsquelle mit starkem Spannungsabfall erhöht.
Bei ein und demselben eingestellten Spulenstrom lässt sich bei Speisung durch eine Konstantspannungsquelle die kritische Drehzahl um einen grösseren Betrag erhöhen als bei Konstantstromspeisung, weil im erstgenannten Fall eine stärkere künstliche Versteifung des Rotors erzielt wird (höhere Federkonstante).
Ein Mass für die Steifheit eines Rotors ist die Arbeit, die geleistet werden muss, um den Rotor um einen bestimmten Betrag durchzubiegen.. Diese Arbeit ist jedoch bei Speisung der Spule -3-- durch eine Konstantspannungsquelle grösser als wenn die Speisung über eine Konstantstromquelle erfolgt.
Die Erklärung für diesenEffekt bei Wechselstromspeisung ergibt sich aus dem Vergleich des zeitlichen Verlaufes der mechanischen Leistung jeweils während einer exzentrischen Verschiebung bei Konstantstromspeisung bzw. Konstantspannungsspeisung.
Bei einer solchen Verschiebung nimmt die Kurzschlussinduktivität des durch Spule -3-- und Spule --2-- gebildeten kurzgeschlossenen Transformators mit zunehmender Exzentrizität ab.
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2--entgegenrungsgeschwindigkeit der Kurzschlussinduktivität der Spule -3 -- zusammen mit der Spule-2-bei einer zeitlichen Änderung der Exzentrizität-e-- des Rotors-1, 2--.
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und (II) bestimmt und in Fig. 5a für eine Konstantspannungsspeisung, in Fig. 5b für eine Konstantstromspeisung dargestellt.
Aus diesen Bildern geht deutlich hervor, dass die mechanische Verschiebungsleistung mit zunehmen-
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der Exzentrizität, d. h. abnehmender Kurzschlussinduktivität bei Konstantspannungsspeisung zu-, bei Konstantstromspeisung abnimmt.
Die erfindungsgemässe Anordnung berücksichtigt diesen Effekt durch das Kennzeichen einer Konstantspannungsspeisung.
Nach den vorstehenden Ausführungen lässt sich folgern, dass für die Versteifung beim Hochlauf eine magnetisch konzentrische Lage der Statorspule erwünscht ist, hingegen zur magnetischen Unterstützung während des Betriebes eine magnetisch geringfügige exzentrische Lage der Spule vorteilhafter ist. Da sich eine betriebsmässige Verlagerung praktisch kaum verwirklichen lässt, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, entsprechend
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Dreiergruppe abgeschaltet, ist die Gesamtwirkung die einer exzentrischen Rührenspule. Während des Hochlaufes sind demgemäss alle Spulenscheiben --3- einzuschalten, wogegen im stationären Dauerbetrieb gemäss vorliegendem Beispiel immer jede dritte Spulenscheibe abgeschaltet bleibt. Sinngemäss sind bei der Anordnung nach Fig. 3 mit den Ständer-Aussenspulen auch die darunterliegenden ruhenden Innenspulen exzentrisch zu verschieben.
Auch die gruppenweise Verschiebung der ruhenden Innenspulen allein würde zu der gewünschten Wirkung führen.
PA TENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetische Einrichtung zur Herabsetzung mechanischer Zug- und Biegebeanspruchungen umlaufender rotationssymmetrischer Maschinenteile, bei der der umlaufende Teil fest mit einer Röhrenspule um-
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henden Magnetspule-3-gelagert sind, wobei Aussen- und Innenspule bei gleichem Wicklungssinn gegensinnig stromdurchflossen sind.