Unipolarmaschine. Unipolarmaschinen für Gleichstrom sind bekannt und haben den Nachteil, dass sie nur sehr geringe Spannungen liefern, nämlich die Rotationsspannung eines einzigen Leiters, die nur von der Grössenordnung weniger Volt ist. Will man nach bisher bekannten Methoden höhere Spannungen erzielen, so muss man mehrere isolierte Leiter in Reihe schalten, indem man für jeden Leiter zwei Schleif ringe vorsieht, was deshalb nötig ist, weil die Stromrichtung im Rotor in allen Leitern dieselbe sein muss und man daher über einen festen Leiter das Ende eines Rotorleiters mit dem Anfang eines nächsten Rotorleiters ver binden muss'. Für den jeweiligen Übergang "fest" bis "beweglich" und umgekehrt sind nach bisheriger Erkenntnis jedesmal zwei Schleifringe notwendig.
Für Wechselstrom betrieb waren solche Maschinen in ihrer bis herigen Bauart nicht herstellbar.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Behebung dieser beiden Nachteile der bisherigen Bauart von Unipolarmaschinen. Erfindungsgemäss geschieht dies dadurch, dass die Kontaktflächen, an welchen der Stromübergang zwischen den beweglichen und den festen Leitern stattfindet, in der Umfangsrichtung aufgetrennt sind, derart, dass ein geschlossener metallischer Leitungs weg längs des ganzen Umfanges des Kon taktsystems nicht vorhanden ist.
Die beiliegenden schematischen Zeichnun gen betreffen Ausführungsbeispiele der Er findung.
Fig. 1 und 2 stellen schematisch die Kon taktapparate und ihre Verbindungen dar. Fig. 8 zeigt einen besonderen Aufbau der festen Segmente.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit radialen Rotorleitern; Fig. 5 und 5a zeigen eine sol che mit achsialen Rotorleitern.
Fig. 6 und 6a zeigen eine Reihenschal tung von zwei Windungen.
Fig. 7 und 8 stellen bei achsialer Leiter führung verschiedenartige Flussführungen dar, und zwar Fig. 7 mit radialem Flussein- und -austritt, Fig. 8 mit zwei äussern par- allelen Flusswegen, die sich im Mittelschen kel vereinigen.
Fig. 9 und 10 zeigen Reihenschaltungen von Windungen verschiedener Längsbereiche, wobei Fig. 9 eine Flussführung nach Fig. 7 und Fig. 10 eine solche nach Fig. 8 voraus setzt.
Fig. 9a und 9b sind Schnitte nach A-A bezw. B-B der Fig. 9.
Fig. 9c und 9d zeigen verschiedene Bei spiele von Leiterverbindungen bei der An ordnung nach Fig. 9.
Fig. 10a, 10b und 10e sind Schnitte nach A-A, B-B bezw. C-C der Fig. 10.
Fig. 10d und 10e zeigen Beispiele von Leiterverbindungen bei der Anordnung nach Fig. 10.
Fig. 11 und 12 zeigen Beispiele mit Füh rung der festen Leiter innerhalb des Stators. Fig. 11a ist ein Querschnitt zur Fig. 17. Fig. 12a und 12b sind .Schnitte nach A-A bezw. B-B der Fig. 12.
Fig. 120 und 12d zeigen Beispiele von Leiterverbindungen. Fig. 13 gibt einen Ausschnitt aus einem Rotor, der einen Spezialfall mit festem In nenkern darstellt und an allen übrigen Ro toren Anwendung finden kann.
Fig. 14 zeigt eine Leiterverschränkung, wie sie bei den Stator- und Rotorleitern An wendung finden kann.
Fig. 15, 16 und 17 zeigen Fälle gemein samer Eisenwege von Unipolarmaschinenfluss und Fluss des zugehörigen Transformators, wobei Fig. 16 und 17 Schnitte eines Bei spiels der Unipolarmaschine sind.
Sowohl bei Gleichstrom, wie bei Wech selstrombetrieb kommt der Art der Auftei lung der beweglichen und festen Kontakt segmente eine besondere Bedeutung zu.
Fig. 1 zeigt in der Abwicklung die be weglichen Kontakte A, B mit den Kontakt- gmenten 1 und 2 an beiden Enden jede se Rotorleiters 5 sowie die festen Kontakte C, D mit den Segmenten 3 und 4, an welchen die beweglichen vorbeischleifen und dabei mit ihnen in Kontakt treten. In Fig. 1 ist nur der Übersicht wegen zwischen bewegli- chen und festen Segmenten ein grosser Luft spalt eingezeichnet. Die Ableitungen 6 und 7 der festen Segmente 3 und 4 führen bei Ge neratorbetrieb über einen allfällig zwischen geschalteten Transformator zur Verbraucher impedanz; bei Motorbetrieb kommen sie über einen allfällig zwischengeschalteten Trans formator vom Netz her.
Die beweglichen Leiter 5 können, ohne eigene Kontaktteile zu benötigen, in einem Teil ihrer Länge selber als bewegliche Kontaktsegmente 1 und 2 benützt werden (Fig. 16).
Bei der Führung der festen Leiter 6 und 7 von den Kontakten zur Verbraucherimpe danz oder zum Netz bezw. zum zwischen geschalteten Transformator sind bestimmte Wege einzuhalten, um die Leiter in Reihe zu schalten und die Transformationsspannungen in den vorkommenden Windungen klein zu halten; dies wird später genauer erläutert werden. Die festen Leiter 6 und 7, die zu einem zugehörigen Kontaktpaar 3 und 4 gehören, werden bei Wechselstrombetrieb auf ihrem ganzen Wege von den Kontakten bis zur Verbrauchsimpedanz bezw. bis zum Netz oder bis zum allfällig vorhandenen Transfor mator isoliert geführt, damit die festen Kon taktsegmente dauernd voneinander isoliert bleiben können.
In Fig. 1 ist die Breite c der beweglichen Kontaktsegmente kleiner als der Abstand b zweier fester Kontaktsegmente eingezeichnet, das heisst es können in diesem Falle die festen Segmente 3 und 4 nie von den beweg- lichen-Segmenten 1 und 2 überbrückt erden. Dagegen ist die Breite a der festen Segmente grösser als der Abstand d zweier beweglicher Segmente angenommen, so dass Überbrückun gen von zwei benachbarten beweglichen Seg menten durch ein festes Segment und damit vorübergehende Kurzschlusswindungen aus zwei benachbarten Rotorleitern vorkommen.
Da aus diesem Grunde vor Ablauf eines Ro torsegmentes von einem Statorsegment das folgende Rotorsegment bereits auf das Sta- torsegment aufgelaufen ist, wird der Haupt strom nie unterbrochen, und es muss nur der Kurzschlussstrom in der vorübergehend aus den zwei benachbarten Rotorleitern gebilde ten Windung abgeschaltet werden. Der Hauptstrom wird einfach abwechslungsweise von verschiedenen Rotorleitern übernommen.
Weil die festen Segmente dauernd von einander isoliert bleiben, können sie verschie denes Potential aufweisen, das heisst es kön nen beliebige feste Segmentpaare in Reihe geschaltet werden. Fig. 2 zeigt beispielsweise eine Reihenschaltung von je zwei Windun gen 5, 6. In Fig. 2 sind Transformatorwick lungen 8 angedeutet, zu welchen die Unipo larmaschinenwicklungen nach Durchlaufen von beispielsweise zwei Reihenwindungen führen. Im Transformator 8, 9 wird die Spannung der in Reihe geschalteten Win dungen auf den Wert der Netzspannung (Motorbetrieb) oder der Spannung der Ver brauchsimpedanz (Generatorbetrieb) herauf transformiert.
Im Gleichstrombetrieb oder auch im Wechselstrombetrieb mit genügend hoher Ankerspannung, das heisst genügender Anzahl Reihenwindungen, tritt an Stelle des Transformators 8 direkt das Netz bezw. die Verbrauchsimpedanz.
In Fig. 1 und 2 sind die Abstände a, b, <I>c, d</I> am Kontaktapparat so gewählt, dass die festen Segmente dauernd voneinander isoliert bleiben<I>(c < b),</I> was den Wechselstrom betrieb und die Reihenschaltung von Win dungen ermöglicht. Es wäre nun auch mög lich, die beweglichen Segmente unter sich oder gleichzeitig die beweglichen und die festen Segmente je unter sich dauernd zu isolieren, je nachdem man a <I> < d</I> oder gleich zeitig<I>a < d</I> und c < b machen würde. Sol che Schaltungen sind dann am Platze, wenn man zulässt, den Hauptstrom abwechslungs weise ganz zu unterbrechen.
Die Bauart mit c < b, das heisst die Isolierung der Stator segmente, bedingt das vorübergehende Ab schalten der Rotorleiter, was funkeisfrei vor sich geht, solange die Impedanz des äussern Kreises gross ist im Verhältnis zur Impedanz des Rotors. Umgekehrt bedingt die Bauart mit a < d die vorübergehende Abschaltung des äussern festen greises, was erst dann nicht von Nachteil ist, wenn' die äussere Im pedanz gegenüber der Rotorimpedanz klein ist.
Die Isolierung der einzelnen Kontaktseg mente kann durch Luft erfolgen, indem die Räume b und d (Fig. 1 und 2) ohne Mate rial belassen werden, oder es können diese Räume mit irgendeinem Isoliermaterial ge füllt werden. Aus mechanischen Gründen können sie auch mit einem gegen die Seg mente 1, 2 bezw. 3, 4 isolierten Metall aus gefüllt sein.
Da beim Ablaufen eines Rotorleiters von einem Statorsegmentpaar in der Anordnung nach Fig. 1 im betreffenden Rotorleiter der Strom unterbrochen wird, muss dafür gesorgt werden, dass die Stromunterbrechung funkeis frei vor sich geht. Dies kann einmal dadurch geschehen, dass der nächstfolgende Rotorlei ter vor Ablauf des vorangehenden auf das Statorsegmentpaar aufgelaufen ist, was durch die Anordnung der Fig. 1 (d < a) gewähr leistet ist.
Auch in diesem Falle muss jedoch bei Wechselstrombetrieb noch der Kurz schlussstrom der beiden Rotorleiter möglichst funkeisfrei unterbrochen werden, was durch genügend starke Aufteilung der Segmente und Leiter und ferner dadurch geschehen kann, dass der Widerstand der festen Seg mente an der ablaufenden Kante erhöht wird, indem der auf der ablaufenden Seite des festen Segmentes liegende Teil desselben aus Material mit höherem elektrischem Wider stand gebaut wird. In Fig. 3 ist ein festes Segment 3 eingezeichnet, dessen Hauptteil aus gutleitendem Material 31 besteht, wäh rend das Material 32 an der Ablaufseite er höhten elektrischen Widerstand aufweisen möge.
Der Übergang vom Material mit guter zu demjenigen mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit kann auch allmählich erfolgen. Die beiden Teile des Segmentes können nur eine Ableitung nach aussen haben, die vor zugsweise vom gutleitenden Material aus geht, oder zwei parallele Ableitungen, wo bei die vom schlechtleitenden Teil aus gehende Ableitung 62 bis zur Vereinigung mit der Hauptleitung 61 vorzugsweise eben falls aus schlechtleitendem Material besteht.
Wie schon weiter oben bemerkt, bestehen in der Führung der festen Leiter, insbeson dere bei Wechselstrombetrieb, gewisse Weg vorschriften, die zwecks Kleinhaltung der Transformationsspannung in den auftreten den Windungen eingehalten werden müssen. In Fig. 5 ist eine Windung eingezeichnet, die aus mindestens einem momentan in Kon takt stehenden Rotorleiter 5, den Kontakt übergängen 1, 3 und 2, 4 und dem Statorlei ter 6 besteht. Der magnetische Fluss durch strömt das Gehäuse 89, tritt achsial in den Rotor 88 ein und verlässt denselben radial. Die bei Wechselstrombetrieb notwendige Aufteilung von Stator- und Rotoreisen in Bleche ist in Fig. 5 nicht eingezeichnet. Die Kontaktapparate 1, 3 und 2, 4 sind beispiels weise nach Fig. 1 ausgeführt zu denken.
Die in der eingezeichneten Windung induzierte Spannung besteht aus einem Transformations anteil und einem Rotationsanteil. Der Transformationsanteil kann durch verschiedene Massnahmen klein gehalten wer den, einmal dadurch, dass der feste Stator leiter nicht um das Gehäuse herum, sondern innerhalb des Gehäuses zurückgeführt wird (Fig. 11, 12), sodann durch geeignete Rei henschaltungen von Windungen, in deren Summenspannung der Hauptteil der Trans formationsspannung verschwindet (z. B. Fig. 6, 9, 10). Schliesslich stellt es sich her aus, dass trotz solchen speziellen Anordnun gen stets nur eine einzige gegenseitige Stel lung von Stator- und Rotorleitern möglich ist, bei welcher der Transformationsanteil ganz verschwindet.
Da aber die Rotorleiter sich bewegen, kann diese Stellung natürlich nur einen kurzen Moment gehalten -erden. Durch die Aufteilung des Kontaktapparates in Segmente wird es nun aber möglich, stets in der Nähe der günstigen Stellung zu bleiben.
In Fig. 6 sind die Windungen 61, 51 und 62, 52 in Reihe geschaltet. Es ist leicht zu sehen, dass für a = 0, d. h. für gemeinsame Radialebene von Stator- und Rotorleiter, die Transformationsspannungen der beiden Win dungen sich aufheben, während die Rotations- ; spannungen sich addieren, sofern die beiden Windungsebenen symmetrisch zur"Neutralen" NN liegen (g1 = 992) und eine gleichmässige radiale Beaufschlagung des Luftspaltes durch den Fluss vorausgesetzt wird. Sofern; nun die Rotorleiter sich ohne abgeschaltet zu werden über die Neutrale hinaus um a be wegen würden, so würde in der Doppelwin dung eine Transformationsspannung auftre ten, deren Amplitude zunächst um so grösser würde, je mehr a wächst, um später wieder abzunehmen.
Durch die Aufteilung des Kon taktapparates in Teilsegmente werden die Rotorleiter 51 und 52 bei grösser werden dem a jeweilen von der Statorwindung ab- "eschaltet und durch die nachfolgenden Ro torleiter ersetzt, die mit der Statorwindung wiederum einen genügend kleinen Winkel bilden, das heisst es schwankt der Winkel a stets zwischen engen Grenzen, die durch die zulässige Grösse der Transformations spannung einer Stator-Rotorwandung und durch die Segmentaufteilung, z. B. gemäss Fig. 1, gegeben sind.
Die Transformations spannung soll meist einen Bruchteil der Lei terrotationsspannung nicht überschreiten, das heisst es soll deren Mittelwert - integriert über die Einschaltdauer eines Rotorleiters in der Nähe von Null liegen.
Einen andern Fall der Kompensation der Transformationsspannung durch Reihen schaltung von zum Beispiel zwei Windungen zeigt Fig. 9. Aus der Fluss- und Leiterfüh rung ist ohne weiteres wiederum zu erken nen, dass für a = 0 und<B>991=992</B> bei gleich mässiger radialer Flussbeaufschlagung der Luftspalte die Transformationsspannungen der Doppelwindung sich aufheben, und dass durch die Massnahme der Segmentaufteilung gemäss Fig. 1 dafür gesorgt werden kann, dass die Transformationsspannung während der Verbindungszeit eines Rotorleiters mit dem Statorleiter entsprechend einer a-Schwankung von - a",;1, bis ':4:
'a @"a, in kleinen Grenzen gehalten werden kann, da bei genügender Unterteilung amax klein gehalten werden kann.
Auch Fig. 10 zeigt eine ähnliche Kom bination von beispielsweise drei Windungen zwecks Kleinhaltung der Transformations spannung; sie dürfte nach dem vorstehend Gesagten ohne weiteres verständlich sein. Während Fig. 6 die Kompensation im eige nen "Längsbereich", das heisst durch Reihen schaltung zweier Windungen, die unter der selben Polfläche und zwischen den gleichen Kontaktapparaten liegen, bewerkstelligt, be nützen Fig. 9 und 10 kompensierende Win dungen verschiedener Längsbereiche, das heisst verschiedener Polflächen.
Es ist zur Leiterführung der Fig. 6, 9, 10 sowie 11 und 12 noch zu bemerken, dass die momentanen Spannungsrichtungen durch Kreislinien und schwarze Kreisflächen ange deutet sind, wobei erstere einen Vektor in Richtung des Beschauers, letztere einen sol chen vom Beschauer weg darstellen. mögen. Ferner muss man sich unter den Kontakt apparaten 1, 3 und 2, 4 jeweilen eine Seg mentaufteilung, beispielsweise nach Fig. 1 oder 2, vorstellen. Mögliche Leiterverbindun gen zu Fig. 9 zeigen die Fig. 9c und 9d, ebenfalls solche zu Fig. 10 die Fig. 10d und 10e. Die Leiterbezeichnungen sind dieselben wie in den vorangehenden Figuren.
Ein anderes Mittel zur Kleinhaltung der Transformationsspannung besteht in der in Fig. 11 angedeuteten Führung der festen Leiter 6 innerhalb des Statorgehäuses, das heisst im Luftspalt oder doch an der luft- spaltseitigen Innenfläche des Statorgehäuses. Es ist leicht verständlich, dass bei a = 0 hier auch ohne Reihenschaltung einer zweiten Windung die Transformationsspannung der Windung 5, 6 verschwindet und dass die Schwankungen derselben bei kleinem a klein gehalten werden können. Fig. 12 zeigt die selbe Lösung für den Fall doppelter Fluss- ausnützung, Fig. 12e und 12d geben mögliche Leiterverbindungen an.
Durch genügend weitgehende Aufteilung der Kontakte und Leiter kann zum Beispiel die maximale Schwankung der Transforma tionsspannung auf 5 bis 10 ,wo der Leiterrota tionsspannung oder noch tiefer angesetzt werden.
Sofern, wie zum Beispiel in Fig. 1, zugelas- len wird, dass die Rotorsegmente 1, 2 durch die Statorsegmente vorübergehend überbrückt werden können<I>(d < a),</I> entstehen mindestens vorübergehend Kurzschlusswindungen im Ro tor, in welchen bei Wechselstrombetrieb durch die Transformationsspannungen Kurz schlussströme induziert werden. Wiederum stellt das Mittel einer genügend weit getrie benen Kontaktsegmente- und Leiteruntertei lung die Lösung dazu dar, die Transforma tionsspannung in den kurzgeschlossenen Win dungen klein zu halten.
Diese Transforma tionsspannung soll so klein gehalten werden, dass funkenfreier Betrieb im Kontaktapparat gewährleistet ist, das heisst sie soll einen Bruchteil der Leiter-Rotationsspannung be tragen. Von den Wechselstrom-Kollektor maschinen her ist die Bedingung bekannt, nach welcher die Transformationsspannung in kurzgeschlossenen Windungen 3 Volt nicht übersteigen soll.
Die drehmomentbildenden Leiter 5 kön nen achsial oder radial auf dem Rotor liegen. Bei den bisher betrachteten Figuren, z. B. der Fig. 5, liegen die Leiter achsial. Fig. 4 zeigt den beweglichen Leiter 5 in radialer Läge, die Kontaktsegmente 1, 3 liegen als dann beispielsweise radial aussen, die ent sprechenden Kontaktsegmente 2, 4 radial innen. Die festen Leiter 6, die von den in nern Segmenten 4 ausgehen, können entweder seitlich durch Luftspalt radial nach aussen geführt werden (nach 6') oder auch beispiels weise durch einen innern Hohlraum der Welle auf die andere Maschinenseite (nach 6").
Entsprechend der Leiterlage ist die Richtung des drehmomentbildenden Flusses in Fig. 4 achsial, in Fig. 5 radial.
Ferner kann die Zuführung des Flusses zur Welle unabhängig davon, wo man die Stelle der Drehmomentbildung wählt, ach- sial oder radial erfolgen. Fig. 4, 5, 6 und 11 zeigen den Flusseintritt in den Rotor von, einer achsialen Seite her durch eine Stirn fläche, die senkrecht zur Achse steht, den Flussaustritt jedoch radial durch eine Man telfläche. Fig. 7 bis 10 und 12 dagegen zei gen radialen Flussein- und -austritt je durch Mantelflächen.
Fig. 13 ist als ein einen Spezialfall dar stellenden Ausschnitt aus dem Rotor irgend einer andern Figur gedacht, und zwar einen Spezialfall der Flussführung, indem der jenige Teil des Flussweges, auf welchem der Fluss achsiale Richtung hat und der daher achsial geblecht sein muss" als fester Kern 91 ausgeführt wird, während die Flussübermitt lung in radialer Richtung und die Leiter führung von einer rotierenden Hohltrommel 92 besorgt werden, welche das Drehmoment aufnimmt. Diese Trommel kann alsdann Ble- chung senkrecht zur Achse aufweisen, was aus Festigkeitsgründen in vielen. Fällen gün stiger ist, da diese Bleche durch Längsbol zen in bekannter Weise festgepresst werden können.
Es gibt in diesem Falle keine rotie renden Teile mit achsial gestellten Blechen. 93 ist der Stator.
Die Flusszu- und -abführungen im Rotor können alle oder alle bis auf eine seitlich, das heisst im Abstand von der Rotorlängen mitte, sei es rein achsial oder radial, erfolgen. (Die Begriffe "Flusszuführung" und "Fluss abführung" sind natürlich vertauschbar. Die in den Zeichnungen angegebenen Flusspfeile sind daher nur als beispielsweise Angabe von Momentanwerten aufzufassen). Fig. 7, 9 und 12 zeigen Beispiele mit nur seitlichen Fluss zuführungen und -wegführungen, Fig. 4, 5, 6 und 11 den einen Übergang rein achsial, den andern radial, Fig. 7, 9 und 12 beide Übergänge radial. Im Gegensatz hierzu haben die Fig. 8 und 10 einen Flussübergang in der Mitte der Maschine, den andern auf die bei den Seiten verteilt.
Diese letzte Ausführung ermöglicht, die Länge 21 der das Drehmoment bildenden Leiter zwischen zwei Kontaktüber gängen, das heisst die Leiter-Rotationsspan nung grösser zu machen als die ersterwähnte Ausführung mit seitlichen Flusszuführungen (Länge nur d). Für die Drehmomentbildung können sämt liche oder nur einzelne Flussübergänge zwi schen beweglichem und festem Teil ausge nützt werden. Fig. 9, 10 und 12 sind Bei spiele für die Ausnützung aller Flussüber gänge; bei den übrigen Figuren ist ange nommen, dass nur ein Flussübergang elek trisch ausgenützt ist, und zwar in Fig. 4 ein achsialer, in den andern ein radialer.
Beliebige Kombination in bezug auf Fluss führung, Flussausnützung, Kompensations schaltungen usw. sind denkbar.
Da die Wechselstrom-Unipolarmaschine den Vorteil bietet, die allfällig zu kleinen Rotorspannungen mittels eines Transforma tors auf die Netz- oder Verbraucherspannung heraufzutransformieren, wird in vielen Fäl len neben der Unipolarmaschine ein Trans formator benötigt. Es können Teile von Transformator und Unipolarmaschine zusam mengebaut werden. Insbesondere ist es vor teilhaft, mindestens Teile der Eisenwege der beiden Maschinen gemeinsam vorzusehen. Fig. 15 gibt ein Beispiel der teilweisen Kom bination von Transformator- und Unipolar masehine. Die Transformatorwicklung 8, 9 liegt auf dem Schenkel 14, die Erregerwick lung 10 der Unipolarmaschine auf dem Mit telschenkel 12.
Der Rückweg des Transfor matorflusses benützt die Unipolarmaschinen wege 15, 16 (Querbalken) und 11, 13, 27 (Aussenschenkel und Rotor).
Ein anderes Beispiel von Kombination der beiden Maschinen ist in Fig. 16 darge stellt. Die Transformatorwicklung ist auf die Aussenschenkel 11 und 13 verteilt, die zu sammen mit dem Joch und dem Rotor 14 den Weg für den Transformatorfluss bilden. Die Schenkel 11 und 13 liegen für den Trans formatorfluss in Reihe, für den Fluss der Unipolarmaschine dagegen parallel, indem dieser zum Beispiel momentan durch den mittleren Schenkel 12 aufsteigt, in den par allelen Schenkeln 11 und 13 absteigt und über den Rotor 14 von beiden Seiten her -,vie- der den geineinsaznen Schenkel 12 erreicht.
Die Erregerwieklung für den Fluss der Uni polarinaschine könnte auf dem Mittelschen- kel 12 angebracht sein; sie ist jedoch nicht eingezeichnet, da die Erregung der Unipolar maschine auch durch eine Unsymmetrie im elektrischen oder magnetischen Kreise des Transformators erzeugt werden kann, z. B. durch ungleichmässige Verteilung der Win dungszahl der Transformatorwicklungen 15 und 16.
Im übrigen stellen Fig. 16 und 17 ein Ausführungsbeispiel einer Unipolarmaschine für Wechselstrombetrieb dar. Die Eisenwege sind daher in passender Weise geblecht, wie dies in Fig. 16 und 17 zu erkennen ist. Die Rotorbleche stehen achsial. Die Rotorleiter 5 (Fig. 17) liegen zwischen den Rotorblech paketen. Es können daher diejenigen Teile dieser Zwischenräume, die radial innerhalb der Rotorleiter liegen, frei von ferromagneti- schen Teilen gehalten werden, was eine gün stige Einwirkung auf die Rotorstreuung hat.
Der Kontaktapparat ist beispielsweise nach Fig. 1 ausgeführt zu denken, wobei aber die beweglichen Segmente zum Beispiel durch die Rotorleiter selber gebildet werden, wäh rend die festen Segmente 3 und 4 beispiels weise aus Graphitkohle oder kupferhaltiger Substanz bestehen können. Die festen Ab leitungen 6 und 7 führen beidseitig zu min destens einer Transformator-Sekundärwick lung und von da zum festen Leiter 61 (Fig. 17), der innerhalb des Gehäuses ver läuft, ähnlich wie bei Fig. 11 oder 12. Die Transformatorwicklungen 15 und 16 mögen je aus einem primären und sekundären Teil bestehen (diese sind nicht getrennt gezeich net).
Es ist angenommen, dass entweder die primäre oder die sekundäre Windungszahl bei 15 von derjenigen bei 16 verschieden sei, so dass dadurch ein magnetischer Fluss durch den Mittelschenkel erzeugt wird, ohne dass dieser eine eigene Erregerwicklung benötigt. Der magnetische Kreis entspricht demjenigen von Fig. B. Die Einführung der Zuleitungen der Transformator-Primärwicklung geschieht bei 17 und 18 (Fig. 17); die beispielsweise Reihenverbindung der Primärwicklungen ist durch 19 (Fig. 16) angedeutet.
Im übrigen wird hier auf die Konstruktion nicht näher eingetreten, sondern nur darauf hingewiesen, dass die achsial stehenden Bleche des Rotors beispielsweise durch die Schwalbenschwanz befestigungen 201 auf einer Hohlwelle 20 gehalten sind, welche ihrerseits mit der Welle 21 dreht, auf welcher sie befestigt ist.
Eine nach den Gesichtspunkten der Er findung gebaute Unipolarmaschine kann als Motor, Generator, mit Serie-, Nebenschluss- und Fremderregung laufen. Beim Neben schlussbetrieb im Wechselstromfalle wird mit Vorteil zwischen Läuferklemmen und Neben schlusserregerwicklung ein rotierender oder fester Phasenschieber eingelegt, der die für die Drehmomentbildung nötige Phasenüber einstimmung zwischen Rotorstrom und Fluss gewährleisten soll.
Verschränkungen der Rotor- oder Stator leiter je unter sich innerhalb der Leiterlänge gemäss Fig. 14 und Verdrehungen des Ein zelleiters an sich sind in bekannter Weise ebenfalls möglich und können dazu beitra gen, die Streuungen herabzusetzen. Die Län genverschränkungen nach Fig. 14 können auch direkt die Aufgaben der Kontaktunter teilungen mindestens teilweise dadurch über nehmen, dass sie Kurzschlussströme in den Windungen verhindern, welche vom Nutz fluss senkrecht durchstossen werden.
Durch die Erfindung wird nicht nur eine Erhöhung der Rotorspannungen infolge der Möglichkeit von Serieschaltungen ohne eine Vielzahl von Schleifringen ermöglicht, son dern dazu noch die Unipolarmaschine dem Weehselstrombetrieb zugänglich gemacht.
Unipolar machine. Unipolar machines for direct current are known and have the disadvantage that they deliver only very low voltages, namely the rotational voltage of a single conductor, which is only of the order of a few volts. If you want to achieve higher voltages according to previously known methods, you have to connect several insulated conductors in series by providing two slip rings for each conductor, which is necessary because the current direction in the rotor in all conductors must be the same and therefore you have to use a solid conductor must connect the end of one rotor conductor to the beginning of the next rotor conductor '. For the respective transition from "fixed" to "movable" and vice versa, according to previous knowledge, two slip rings are necessary each time.
For AC operation, such machines in their previous design could not be produced.
The present invention aims to remedy these two disadvantages of the previous design of unipolar machines. According to the invention, this is done in that the contact surfaces on which the current transfer takes place between the movable and the fixed conductors are separated in the circumferential direction, such that a closed metallic line is not present along the entire circumference of the contact system.
The accompanying schematic drawings relate to embodiments of the invention.
Fig. 1 and 2 show schematically the Kon clock apparatus and their connections. Fig. 8 shows a particular structure of the fixed segments.
4 shows an arrangement with radial rotor conductors; 5 and 5a show a sol surface with axial rotor conductors.
Fig. 6 and 6a show a series scarf device of two turns.
7 and 8 show different types of flow guides with axial conductors, namely FIG. 7 with radial flow inlet and outlet, FIG. 8 with two outer parallel flow paths which unite in the central limb.
9 and 10 show series connections of turns of different longitudinal regions, FIG. 9 assuming a flux routing according to FIG. 7 and FIG. 10 assuming one according to FIG. 8.
9a and 9b are sections according to A-A respectively. B-B of Fig. 9.
9c and 9d show various examples of conductor connections in the arrangement according to FIG.
10a, 10b and 10e are sections according to A-A, B-B and respectively. C-C of Fig. 10.
FIGS. 10d and 10e show examples of conductor connections in the arrangement according to FIG. 10.
Fig. 11 and 12 show examples with Füh tion of the fixed conductor within the stator. Fig. 11a is a cross section to Fig. 17. Figs. 12a and 12b are .Schnitte according to A-A respectively. B-B of Figure 12.
120 and 12d show examples of conductor connections. Fig. 13 is a section of a rotor which represents a special case with a fixed core and can be used on all other Ro gates.
Fig. 14 shows a ladder interlacing, as can be found in the stator and rotor ladders.
15, 16 and 17 show cases of common iron paths of unipolar machine flux and flux of the associated transformer, with FIGS. 16 and 17 being sections of an example of the unipolar machine.
In both direct current and alternating current operation, the type of division of the movable and fixed contact segments is particularly important.
Fig. 1 shows the development of the movable contacts A, B with the contact gmenten 1 and 2 at both ends of each se rotor conductor 5 and the fixed contacts C, D with the segments 3 and 4, on which the movable drag past and thereby get in touch with them. In FIG. 1, a large air gap is shown between the movable and fixed segments for the sake of clarity. The leads 6 and 7 of the fixed segments 3 and 4 lead to the consumer impedance in the case of generator operation via a transformer connected between them; When the motor is running, they come from the mains via a transformer that may be connected in between.
The movable conductors 5 can, without needing their own contact parts, be used in part of their length as movable contact segments 1 and 2 (FIG. 16).
When guiding the fixed conductors 6 and 7 of the contacts to the consumer impedance or to the network BEZW. In relation to the transformer connected in between, certain paths must be observed in order to connect the conductors in series and to keep the transformation voltages in the turns that occur low; this will be explained in more detail later. The fixed conductors 6 and 7, which belong to an associated pair of contacts 3 and 4, are BEZW for AC operation all the way from the contacts to the consumption impedance. to the network or to any existing transformer, so that the fixed contact segments can remain isolated from each other.
In FIG. 1, the width c of the movable contact segments is drawn in smaller than the distance b between two fixed contact segments, which means that in this case the fixed segments 3 and 4 can never be bridged by the movable segments 1 and 2. In contrast, the width a of the fixed segments is assumed to be greater than the distance d between two movable segments, so that bridges of two adjacent movable segments occur through a fixed segment and thus temporary short-circuit turns from two adjacent rotor conductors.
Since, for this reason, the following rotor segment has already run into the stator segment before a rotor segment runs off from a stator segment, the main current is never interrupted, and only the short-circuit current in the winding temporarily formed from the two adjacent rotor conductors has to be switched off . The main stream is simply taken over by different rotor conductors alternately.
Because the fixed segments remain permanently isolated from each other, they can have different potentials, i.e. any fixed segment pairs can be connected in series. Fig. 2 shows, for example, a series connection of two Windun conditions 5, 6. In Fig. 2 Transformatorwick lungs 8 are indicated, to which the Unipo larmachine windings lead after passing through, for example, two series turns. In the transformer 8, 9, the voltage of the series-connected windings is transformed up to the value of the mains voltage (motor operation) or the voltage of the consumption impedance (generator operation).
In direct current operation or alternatively in alternating current operation with a sufficiently high armature voltage, that is to say a sufficient number of series windings, instead of the transformer 8, the mains respectively. the consumption impedance.
In FIGS. 1 and 2, the distances a, b, <I> c, d </I> on the contact apparatus are selected so that the fixed segments remain permanently isolated from one another <I> (c <b), </I> what allows AC operation and series connection of windings. It would now also be possible to permanently isolate the movable segments from one another or at the same time the movable and fixed segments each from one another, depending on whether a <I> <d </I> or at the same time <I> a <d < / I> and c <b would do. Such circuits are in place if you allow the main current to be completely interrupted alternately.
The design with c <b, i.e. the insulation of the stator segments, causes the rotor conductor to temporarily switch off, which is spark-free as long as the impedance of the outer circle is large in relation to the impedance of the rotor. Conversely, the design with a <d causes the temporary disconnection of the external solid old age, which is not a disadvantage if the external impedance is small compared to the rotor impedance.
The isolation of the individual Kontaktseg elements can be done by air by the spaces b and d (Fig. 1 and 2) are left without mate rial, or these spaces can be filled with any insulating material. For mechanical reasons, you can bezw with a against the Seg elements 1, 2. 3, 4 insulated metal can be filled out.
Since the current is interrupted in the relevant rotor conductor when a rotor conductor runs off a stator segment pair in the arrangement according to FIG. 1, it must be ensured that the current interruption occurs without a spark. This can be done once by the fact that the next following Rotorlei ter has run into the stator segment pair before the previous one has expired, which is ensured by the arrangement of FIG. 1 (d <a).
Even in this case, however, the short-circuit current of the two rotor conductors must be interrupted as free of spark as possible in AC operation, which can be done by sufficiently strong division of the segments and conductors and also by increasing the resistance of the fixed segments at the trailing edge by the part lying on the running side of the fixed segment of the same made of material with a higher electrical resistance is built. In Fig. 3, a solid segment 3 is shown, the main part of which consists of a highly conductive material 31, while the material 32 on the drain side it may have increased electrical resistance.
The transition from a material with good to one with poor electrical conductivity can also be gradual. The two parts of the segment can have only one discharge to the outside, which preferably goes from the conductive material, or two parallel discharges, where in the case of the discharge from the poorly conductive part 62 to the union with the main line 61, preferably also made of poorly conductive material consists.
As noted above, exist in the leadership of the fixed conductors, in particular with AC operation, certain route regulations that must be observed in order to keep the transformation voltage in the turns occurring small. In Fig. 5, a turn is shown, which consists of at least one momentarily in contact rotor conductor 5, the contact transitions 1, 3 and 2, 4 and the Statorlei ter 6. The magnetic flux flows through the housing 89, enters the rotor 88 axially and leaves it radially. The division of stator and rotor irons into metal sheets necessary for alternating current operation is not shown in FIG. The contact apparatuses 1, 3 and 2, 4 are to be thought of example as executed according to FIG.
The voltage induced in the winding shown consists of a transformation part and a rotation part. The transformation component can be kept small by various measures, on the one hand by the fact that the fixed stator conductor is not routed around the housing but inside the housing (Fig. 11, 12), then by suitable series connections of turns, in their total voltage the main part of the transformation voltage disappears (e.g. Fig. 6, 9, 10). Finally, it turns out that, despite such special arrangements, only a single mutual position of stator and rotor conductors is possible, in which the transformation component disappears completely.
But since the rotor ladder is moving, this position can of course only be held for a short moment. By dividing the contact apparatus into segments, however, it is now possible to always stay close to the favorable position.
In Fig. 6, the turns 61, 51 and 62, 52 are connected in series. It is easy to see that for a = 0, i.e. H. for common radial plane of the stator and rotor conductors, the transformation voltages of the two windings cancel each other out, while the rotational; Stresses add up, provided that the two winding planes are symmetrical to the "neutral" NN (g1 = 992) and a uniform radial impact of the flux on the air gap is assumed. Provided; If the rotor conductors would move beyond the neutral point without being switched off, a transformation voltage would appear in the double winding, the amplitude of which would initially be greater the more a increases, only to decrease again later.
By dividing the contact apparatus into subsegments, the rotor conductors 51 and 52 are switched off when the a respective of the stator winding is larger and replaced by the subsequent Ro torleiter, which in turn form a sufficiently small angle with the stator winding, i.e. it fluctuates the angle a is always between narrow limits, which are given by the permissible size of the transformation voltage of a stator rotor wall and by the segment division, e.g. according to FIG.
The transformation voltage should usually not exceed a fraction of the conductor rotation voltage, that is, its mean value - integrated over the duty cycle of a rotor conductor - should be close to zero.
Another case of compensation of the transformation voltage by connecting two turns in series, for example, is shown in FIG. 9. From the flux and conductor routing it can again be recognized without further ado that for a = 0 and <B> 991 = 992 </ B > If the air gaps are uniformly subjected to radial flux, the transformation voltages of the double winding cancel each other out, and the measure of segment division according to FIG. 1 can ensure that the transformation voltage during the connection time of a rotor conductor with the stator conductor corresponds to an a fluctuation of - a ",;1 to 4:
'a @ "a, can be kept within small limits, since amax can be kept small if the subdivision is sufficient.
Also Fig. 10 shows a similar combination of, for example, three turns for the purpose of keeping the transformation voltage small; after what has been said above, it should be readily understandable. While Fig. 6, the compensation in its own NEN "longitudinal area", that is, by connecting two turns in series, which are under the same pole face and between the same contact devices, accomplished, Fig. 9 and 10 compensating Win applications of different longitudinal areas, that is different pole faces.
6, 9, 10 as well as 11 and 12 should be noted that the current stress directions are indicated by circular lines and black circular areas, the former representing a vector in the direction of the viewer, the latter one such away from the viewer . to like. Furthermore, under the contact devices 1, 3 and 2, 4 a segment division, for example according to FIG. 1 or 2, has to be imagined. Possible conductor connections to FIG. 9 are shown in FIGS. 9c and 9d, likewise those to FIG. 10, FIGS. 10d and 10e. The conductor designations are the same as in the previous figures.
Another means of keeping the transformation voltage small consists in guiding the fixed conductors 6 within the stator housing as indicated in FIG. 11, that is to say in the air gap or at least on the inner surface of the stator housing on the air gap side. It is easy to understand that with a = 0 here, even without a series connection of a second turn, the transformation voltage of the turn 5, 6 disappears and that the fluctuations thereof can be kept small with a small a. FIG. 12 shows the same solution for the case of double flux utilization, FIGS. 12e and 12d indicate possible conductor connections.
By dividing the contacts and conductors sufficiently, for example, the maximum fluctuation in the transformation voltage can be set to 5 to 10, where the conductor rotation voltage or even lower.
If, as for example in FIG. 1, it is permitted that the rotor segments 1, 2 can be temporarily bridged by the stator segments <I> (d <a), </I> at least temporarily short-circuit turns occur in the rotor, in which in AC operation are induced by the transformation voltages short-circuit currents. Once again, the solution to keeping the transfor- mation voltage in the short-circuited turns small is the means of a sufficiently wide-ranging contact segment and conductor subdivision.
This transforma tion voltage should be kept so small that spark-free operation in the contact apparatus is guaranteed, that is, it should be a fraction of the conductor rotation voltage. From the AC collector machines, the condition is known, according to which the transformation voltage in short-circuited windings should not exceed 3 volts.
The torque-generating conductors 5 can be axially or radially on the rotor. In the figures considered so far, e.g. B. FIG. 5, the conductors are axially. Fig. 4 shows the movable conductor 5 in a radial position, the contact segments 1, 3 are then, for example, radially outside, the ent speaking contact segments 2, 4 radially inside. The solid conductors 6, which extend from the nern segments 4, can either be guided laterally through an air gap radially outwards (after 6 ') or, for example, through an inner cavity of the shaft to the other side of the machine (after 6 ").
Corresponding to the conductor position, the direction of the torque-generating flux is axial in FIG. 4 and radial in FIG. 5.
Furthermore, the supply of the flux to the shaft can take place axially or radially regardless of where the point of torque generation is chosen. 4, 5, 6 and 11 show the flow entry into the rotor from an axial side through an end face which is perpendicular to the axis, but the flow exit radially through a man face. Fig. 7 to 10 and 12, however, show radial flow inlet and outlet depending on the lateral surfaces.
13 is intended as a section from the rotor of some other figure representing a special case, namely a special case of flow guidance, in that that part of the flow path on which the flow has an axial direction and which must therefore be axially laminated "as A solid core 91 is executed, while the flux transmission in the radial direction and the conductor guidance are provided by a rotating hollow drum 92 which absorbs the torque. This drum can then have sheet metal perpendicular to the axis, which is beneficial in many cases for reasons of strength Stiger is because these sheets can be pressed in a known manner by zen longitudinal bolts.
In this case there are no rotating parts with axially positioned sheets. 93 is the stator.
The flux inlets and outlets in the rotor can all or all but one laterally, that is, at a distance from the rotor length in the middle, be it purely axially or radially. (The terms "flow supply" and "flow discharge" can of course be interchanged. The flow arrows indicated in the drawings are therefore only to be understood as indicating instantaneous values, for example). 7, 9 and 12 show examples with only lateral flow inlets and outlets, FIGS. 4, 5, 6 and 11 show one transition purely axially, the other radial, FIGS. 7, 9 and 12 both transitions radially. In contrast, Figs. 8 and 10 have one flow transition in the middle of the machine, the other divided between the sides.
This last version allows the length 21 of the torque forming conductor between two contact transitions, that is to say the conductor rotational tension to make greater than the first-mentioned version with lateral flux feeds (length only d). All or only individual flux transitions between movable and fixed parts can be used to generate torque. Fig. 9, 10 and 12 are examples of the use of all river transitions; In the other figures, it is assumed that only one flux transition is used electrically, namely an axial one in FIG. 4 and a radial one in the others.
Any combination in terms of flow management, flow utilization, compensation circuits, etc. are conceivable.
Since the AC unipolar machine offers the advantage of transforming the possibly too small rotor voltages to the mains or consumer voltage by means of a transformer, a transformer is required in many cases in addition to the unipolar machine. Parts of the transformer and unipolar machine can be built together. In particular, it is advantageous to provide at least parts of the iron paths of the two machines together. Fig. 15 gives an example of the partial combination of transformer and unipolar masehine. The transformer winding 8, 9 lies on the leg 14, the Erregerwick development 10 of the unipolar machine on the central leg 12.
The return path of the transformer flux uses the unipolar machine paths 15, 16 (crossbeam) and 11, 13, 27 (outer limb and rotor).
Another example of a combination of the two machines is shown in FIG. 16 Darge. The transformer winding is distributed over the outer legs 11 and 13, which together with the yoke and the rotor 14 form the path for the transformer flux. The legs 11 and 13 are in series for the transformer flow, but parallel for the flow of the unipolar machine, for example by momentarily rising through the middle leg 12, descending in the parallel legs 11 and 13 and over the rotor 14 from both sides her -, four of which reaches the fully inserted leg 12.
The excitation signal for the flow of the uni polarine machine could be attached to the middle limb 12; However, it is not shown because the excitation of the unipolar machine can also be generated by an asymmetry in the electrical or magnetic circuit of the transformer, e.g. B. by uneven distribution of the number of turns of the transformer windings 15 and 16.
Furthermore, FIGS. 16 and 17 show an embodiment of a unipolar machine for alternating current operation. The iron paths are therefore laminated in a suitable manner, as can be seen in FIGS. 16 and 17. The rotor sheets are axially. The rotor conductor 5 (Fig. 17) are between the laminated rotor stacks. It is therefore possible for those parts of these interspaces which lie radially inside the rotor conductors to be kept free of ferromagnetic parts, which has a favorable effect on the rotor scattering.
The contact apparatus is designed for example according to FIG. 1, but the movable segments are formed, for example, by the rotor conductor itself, while the fixed segments 3 and 4, for example, can consist of carbon graphite or a copper-containing substance. The fixed lines 6 and 7 lead on both sides to min least one transformer secondary winding and from there to the fixed conductor 61 (Fig. 17), which runs ver within the housing, similar to Fig. 11 or 12. The transformer windings 15 and 16 may each consist of a primary and a secondary part (these are not shown separately).
It is assumed that either the primary or the secondary number of turns at 15 is different from that at 16, so that a magnetic flux is generated through the middle limb without the latter requiring its own excitation winding. The magnetic circuit corresponds to that of FIG. B. The feed lines for the transformer primary winding are introduced at 17 and 18 (FIG. 17); the series connection of the primary windings, for example, is indicated by 19 (FIG. 16).
Otherwise, the construction is not discussed here, but only pointed out that the axially positioned sheets of the rotor are held, for example by the dovetail fasteners 201 on a hollow shaft 20, which in turn rotates with the shaft 21 on which it is attached.
A unipolar machine built according to the aspects of the invention can run as a motor, generator, with series, shunt and external excitation. In the case of secondary circuit operation in an alternating current case, it is advantageous to insert a rotating or fixed phase shifter between the rotor terminals and the secondary circuit exciter winding, which is intended to ensure the phase correspondence between the rotor current and the flux required for torque generation.
Entanglements of the rotor or stator ladder each within the ladder length according to FIG. 14 and twisting of the single ladder itself are also possible in a known manner and can contribute to reducing the scatter. The length entanglements according to FIG. 14 can also directly take on the tasks of the contact subdivisions, at least in part, in that they prevent short-circuit currents in the windings that are pierced vertically by the useful flux.
The invention not only enables an increase in rotor voltages due to the possibility of series connections without a large number of slip rings, but also makes the unipolar machine accessible to alternating current operation.