Unipolargenerator Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Unipolargenerator mit einem Stator und einem in diesem drehbar gelagerten Anker, wobei der Stator einen Magnetkern, mit Mitteln zur Erzeugung des Feldflusses aufweist, mit einander gegenüberliegenden Teilen am Stator und am Anker, welche eine im Luftspalt liegende Stromdurchgangs-Kammer bilden, mit der Kammer verbundene Mittel zur Zufuhr von flüssigem Metall und zu dessen Ableitung aus der Kammer zur Aufrechterhaltung einer Zirkulation des flüssigen Metalls in der genannten Kammer, welches einen Stromfluss durch die Kammer ermöglicht.
Solche Unipolargeneratoren werden insbesondere zur Erzeugung hoher Stromstärken bei relativ niedri ger Spannung verwendet. Dabei ist die Anwendung von Quecksilber oder einer flüssigen Natrium- Kalium-Legierung gebräuchlich, um den Strorndurch- gang vom Rotor durch den Luftspalt nach den sta tionären Ausgangsklemmen des Generators zu ermö glichen.
Die Hauptschwierigkeit bei diesem Generatortyp bestand bisher darin, dass ein einwandfreier Kontakt zwischen dem flüssigen Metall und den Oberflächen des Stators und des rotierenden Ankers nur schwer zu erreichen war, da kein nennenswerter Druck auf die genannte Flüssigkeit in der Stromdurchgangs- kammer ausgeübt werden konnte. Auf das flüssige Metall wirken bekanntlich magnetische Kräfte ein, welche es in axialer Richtung aus dem Luftspalt zu drängen versuchen, mit dem Resultat, dass der Strompfad unterbrochen wird.
Ferner ist es erforder lich. eine reichliche Zirkulation des flüssigen Metalls aufrechtzuerhalten, um die Reibungswärme abzu führen, weshalb der Luftspalt mit Zirkulationsöff- nungen versehen ist, welche die Beibehaltung eines Druckes ebenfalls erschweren. Bei bekannten Unipolargeneratoren dienen mas sive Kupferstäbe zur Stromableitung von der Maschine nach den mit den Sammelschienen verbun denen Klemmen. Hierbei ergeben sich häufig inso fern beträchtliche Schwierigkeiten, als in den leiten den Teilen der Stromfluss unausgeglichen ist.
Diese ungleichmässige Stromverteilung bei be kannten Ausführungen ist der Hauptgrund für die übermässige Erhitzung von Stator und Rotor sowie für schlechte Kompensation und Regulierung.
Diese Nachteile sucht der erfindungsgemässe Uni- polargenerator zu beheben.. Er ist gekennzeichnet durch Umlenkmittel für das flüssige, Metall, welche in dem Weg des flüssigen Metalls angeordnet sind, auf dem dieses durch magnetische Kräfte aus der Kammer abgedrängt wird, und welche bestimmt sind, das flüssige Metall gegen die Kammer zurückführen und so den Druck im Innem der Stromdurchgangs- Kammer zu erhöhen, um den Oberflächenkontakt zwischen dem flüssigem Metall einerseits und den die Kammer bildenden Teilen an Anker und Stator anderseits zu verbessern.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Unipolargemerators wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. <B>1</B> ist ein teilweise geschnittener Aufriss des Generators mit dem zugehörigen Zirkulationssystern für das flüssig-- Metall<B>;</B> Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Stromdurchgangs- Kammer in einem grösseren Masstab, und Fig <B>3</B> ist eine vergrösserte Ansichtder Klemmen zur Abführung des Stromes von der Maschine nach den aussenliegenden Sammelschienen.
In allen Figuren sind einander entsprechende Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Gehäuse<B>10</B> des Unipolargenerators in Fig. <B>1</B> umschliesst zwei Statorkerne 12 und einen mit diesen elektrodynamisch zusammenwirkenden Rotor 14. Der dargestellte Generator ist für einen Nennstrom von 550'000 <B>A</B> bei 45 V dimensioniert. Die RotorweUe <B>16</B> läuft in Lagern<B>18,</B> welche von Lagerböcken 20 an den beiden Enden der Maschine getragen werden.
Zwecks wirksamer Kühlung wird das Gehäuse mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff, beschickt, wes halb es bei den Durchführungen der Welle mit öldichtungen 22 versehen und auch bei den übrigen Durchbohrungen gasdicht gemacht ist. Stickstoff, Helium, Argon oder ein anderes geeignetes Gas, welches das verwendete flüssige Metall vor Oxyda tion schützt, wird beispielsweise von einer Druck flasche 24 über Leitungen<B>26</B> zugeführt, welche in Verteilrohren <B>28</B> im oberen Teil des Gehäuses mün den. Die Verteilrohre <B>28</B> sind mit öffnungen <B>30</B> ver sehen, welche für eine gleichmässige Gasverteilung sorgen.
Mit einem gewöhnlichen Druckregulierven- til <B>32</B> wird ein Überdruck von etwa 0,0#35 at im Gehäuse eingestellt. Die Wärmeableitung vom Kühl gas erfolgt in Wärmeaustauschem 34 oben im Gehäuse, in denen zwecks Kühlung des Gases Wasser oder eine andere Flüssigkeit durch nicht dargestellte Leitungen zirkuliert. Von Motoren<B>38</B> angetriebene Ventilatoren<B>36</B> halten das Kühlgas auf eine später noch näher beschriebene Weise in Bewegung. Das Gehäuse<B>10</B> wird durch Umfangsrippen 40 versteift.
Wie aus den Fig. <B>1</B> und 2 ersichtlich, wirken mit dem Rotor 14 zwei identische zylindrische Stator- kerne 12 zusammen. Je nach dem gewünschten Aus gangsstrom können ein oder mehrere Statoren vor gesehen sein. Jeder Statorkern ist gegenüber dem Gehäuse abgestützt und derart ausgebildet, dass eine zentrale Höhlung 42 entsteht, welche die Erreger spule 44 aufnimmt. Die Spule 44 ist eine Zylinder spule, deren Achse mit der Rotorachse zusammen fällt.
Sie wird hier von einem ringförmigen Teil 45 des Statorkernes und einem Rahmen 46 (Fig. 2) in ihrer Lage gehalten, dessen Isolation gegenüber der Spule mit 47 bezeichnet ist. Um das Entweichen von Gas aus dem Gehäuse zu verhindern, ist die Ver- bindungsstelle zwischen dem Spulenkörper und dem Teil 45 durch Packungen 48 abgedichtet. Rippen 49 fördern die Wärmeableitung von der Spule.
Der Rotor 14 weist keine Leiter auf, sondern besteht aus einem soliden Kein aus Magnetstahl, dessen zwischen den benachbarten Spulen 44 liegende Oberfläche mit einem zylindrischen K-upfermantel <B>51</B> überzogen ist, welcher beispielsweise auf den Kein- körper aufgesehrumpft sein kann.
Der Kupfermantel weist eine höhere Leitfähigkeit auf als der Rotorkern und leitet den Strom zu einem vorzug gsweise aus Kupfer oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung oder rostfreiem Stahl bestehenden Rotorkollektor <B>50.</B> Der von den Erregerspulen 44 erzeugte Magnafluss ist in den Fig. <B>1</B> und 2 durch die strichpunktierte Linie 49 angedeutet.
Er ist im Statorkern gegen die Stirn seiten des Gehäuses<B>10</B> hin gerichtet und schliesst sich. über den Luftspalt und den Rotor- bzw. Ankerkern, wobei er bei rotierendem Anker nach dem bekann- ten Prinzip der Unipolarinduktion einen Stromfluss im Kupfermantel<B>51</B> zwischen den Rotorkollekto- ren <B>50</B> zur Folge hat. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ver läuft jeder Kollektor<B>50</B> über den Umfang des Rotors, ragt als Rippe von der Rotor-Oberfläche nach aussen.
Der Kollektor<B>50</B> sitzt auf einem Ring 54 und ist an der peripheren und den seitlichen Ober flächenpartien mit einem Überzug<B>56</B> aus rostfreiem Stahl versehen. über den ganzen Umfang sind Pass- stifte <B>55</B> und Bolzen<B>59</B> vorgesehen, welch' letztere einen guten Kontaktdruck zwischen dem Ring 54 und dem Rotorkörper <B>58</B> aufrechterhalten. Es kön nen auch die Bolzen<B>59</B> wegfallen und die Teile 54, <B>57</B> und<B>58</B> aus einem Stück hergestellt sein, wodurch die elektrischen Betriebseigenschaften noch verbes sert würden.
Der Überzug<B>56</B> weist zwei seitliche Schulterpar tien auf, welche in Umfangsrippen 64 auslaufen, die ihrerseits zusammen mit ähnlichen Rippen<B>66</B> am Stator ein Labyrinth gegen das Entweichen von Flüssigkeit aus der Stromdurchgangs-Kammer <B>90</B> bilden.
Der Stator ist mit einem zylindrischen Ring<B>68</B> versehen, welcher dieselben magnetischen Eigen schaften wie der Kein aufweist und an diesem mit tels einer Anzahl über den Umfang verteilter, radialer Schrauben<B>70</B> befestigt ist. An den Verbindungsstel len sind Ansenkungen <B>72</B> vorgesehen. Die innere Umfangsfläche des Stators bzw. des g,-nannten Ringes trägt ebenfalls einen Überzug 74 aus Kupfer oder einem ähnlichen Material hoher Leitfähigkeit, wel- eher den Strom nach den Ausgangsklemmen<B>76, 77</B> leitet.
Eine ringförmige Kupferplatte<B>78</B> liegt am Ring<B>68</B> seitlich an und ist mit dem Kupferteil 74 verschweisst, wodurch eine gute elektrische Verbin dung zwischen diesen Teilen zustandekommt. Eine ähnliche Kupferplatte<B>82</B> ist axial von der ersten distanziert, jedoch mit ihr über Bolzen 84 verbunden, die über den Umfang verteilt angeordnet sind und den Zutritt von Kühlgas in Pfeilrichtung gestatten. Der Statorkollektor <B>86</B> ist durch Stifte in seiner Lage gegenüber der Platte<B>82</B> fixiert.
Die Ausgestaltung des Rotor- und des Stator- Kollektors ist nun so, idass sie den Durchgang von Stromstärken durch die Kammer<B>90</B> erlaubt, wie sie bisher nicht für möglich gehalten wurden, bei gleich zeitig gutem Wirkungsgrad des Betriebes.
Die vor liegende Konstruktion beseitigt die unerwünschten Begleiterscheinungen früherer Ausführungen durch eine solche Ausbildung der Kollektoren, dass die zusammenwirkenden Teile am Stator und am Rotor eine Pumpenwirkung ausüben, um die nötige Flüssig keitsmenge im Spalt bzw. der Stromdurchgangs- Kammer <B>90</B> unter Druck zu halten, wobei gleichzeitig die erforderlichen Zu- und Abflussöffnungen für die Zirkulation der Flüssigkeit durch ein Kühlsystem vorgesehen sind, wo dem flüssigen Metall die im Betrieb durch innere Reibung und elektrische Ver luste in ihm entstehende Wärme wieder entzogen wird.
Der Stator-Ko & lektor <B>86</B> weist einen z. B. aus Kupfer, einer Cu-AI-Legierung oder rostfreiem Stahl bestehenden Kreisring<B>88</B> von etwa U-förmigem Querschnitt auf, in welchen der Rotor-Kollektor <B>50</B> hineinragt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, begrenzt die Innenfläche des Stator-Kollektors zusammen mit der ihr gegenüberliegenden Aussenfläche des Rotor- Kollektors die Stromdurchgangs-Kammer <B>90.</B> Die inneren Seitentlächen des Stator-Kollektors streben auseinander und enden in einem Paar gegenüber liegender Ringwulste<B>92,</B> welche derart geformt sind, dass sie aus der Stromdurchgangs-Kammer seitlich austretendes flüssiges Metall gegen die Kammer zurück umlenken und auf die darin befindliche Flüs sigkeit einen Druck ausüben.
Die Flüssigkeit gelangt über zwei Zuleitungen 94 in die Kammer<B>90,</B> die oben und unten an der Maschine angeschlossen sind. Die Leitungen sind Bestandteil eines Zirkulations- systems für das flüssige Metall, mit Vorratsbehäl tern<B>96</B> und.durch Motoren<B>100</B> angetriebenen Um laufpumpen<B>98.</B> Die Flüssigkeit, vorzugsweise eine Natrium-Kalium-Legierung, muss mit den Teilen des Zirkulationssystems und der Stromdurchgangs-Kam- mer verträglich sein.
In Frage kommen auch Gallium, Quecksilber, Zinn, Blei, Wismut oder andere Materialien mit guten Netzeigenschaften, hoher Leitfähigkeit, geringer Viskosität und einem grossen Temperaturbe,reich zwischen dem Siede- und dem Erstarrungspunkt. Die Fig. <B>1</B> zeigt<B>je</B> eine Zufuhr- und eine Abfuhrleitung, obwohl natürlich mehrere solche Leitungen über den Umfang des Stator- Kollektors verteilt angeordnet sein können.
Die Flüssigkeit wird dem Generator vorzugsweise oben und unten unter Druck zugeführt, und der umlau fende Rotor-Kollektor nimmt sie im Innern der Kammer<B>90</B> mit, wobei erhebliche Flüssigkeitsreibung und beträchtliche Wärmemengen erzeugt werden.
Die bei Stromdurchtritt durch das flüssige Metall auf dieses einwirkenden magnetischen Kräfte haben die Tendenz, die Flüssigkeit nach beiden Seiten axial aus der Kammer zu verdrängen, woraus nor malerweise eine Druckreduktion und Hohlräume in der Flüssigkeit resultieren würden. Der Druck wird aber hier durch die seitlichen, im Verdrängungsweg der Flüssigkeit angeordneten Ringe<B>92</B> aufrechter halten, welche die verdrängte Flüssigkeit aufhalten und sie nach den Seitenflächen des umlaufenden Rotor-Kollektors hin um-lenken, denen entlang sie infolge der Zentrifugalwirkung wieder zurück in die Stromdurchgangs-Kammer <B>90</B> gelangt.
Dank der gezeigten Konstruktion bleibt die Flüs#sigkeit deshalb in diesem kleinen Querschnitt eingefangen, wodurch eine vollkommene leitende Verbindung zwischen den Oberflächen des Rotor- und des Stator-Kollektors zustandekommt, die einen wirksamen Stromdurchgang vom Anker durch den Luftspalt nach dem Stator gestattet, von wo er entlang der Kupferteile 74 nach den Klemmen<B>76, 77</B> abgeführt wird.
Das flüssige Metall muss jedoch auch gekühlt werden, und zu diesem Zweck sind beim vorliegen- den Generator acht über den Umfang verteilte<B>Öff-</B> nungen vorgesehen, die auf jeder Seite vom Raum zwischen dem Pumpenring<B>92</B> und der peripheren Innenfläche des Stator-Kollektors ausgehen und in einem ringförmigen Sammelkanal 104 münden. Eine solche Öffnung ist in Fig. 2 strichpunktiert eingetra gen.
Da in der Stroradurchgangs-Kammer ein Über druck herrscht, sind Grösse und Anzahl dieser öff- nungen auf den axialen Abfluss einer vorbestimm ten Flüssigkeitsmenge nach dem ringförmiggen Sam- melkanal 104 abgestimmt, welcher die erhitzte Flüs sigkeit durch Flanschen<B>106</B> und Rücklaufrohre <B>108</B> nach dem Tank<B>96</B> zurückführt.
Die genannten Abflussöffnungen sind in der Anzahl und im Durch- mes.ser so klein gehalten, dass der Druck in der Kammer<B>90</B> nicht auf Null absinkt In der Praxis ist es erwünscht, die Flüssigkeit auch aus den Ring kanälen<B>109</B> abzuführen, welche die aus der Kammer austretende Leckflüssigkeit sammeln. Diese Kanäle erstrecken sich entlang dem Umfang des Stator- Kollektors und weisen eine einzige (nichtdargestellte) Abflussöffnung an der tiefsten Stelle auf,die mit dem Rücklaufrohr <B>108</B> verbunden ist.
Zwecks wirksamer Kühlung arbeiten die Kollektoren. in einer Umgebung von relativ hohem Stickstoff- Druck, wobei das Kühlgas über die Kanäle<B>109</B> nach Stellen relativ niedrigen Druckes abströmen kann. Der Zustrom des Gases erfolgt in der durch Pfeile angegebenen Richtung und hierauf axial auf paral lelen Wegen durch den Luftspalt und:durch die öff- nungen <B>110</B> nach der die Spule, 44 aufnehmenden Höhlung (Fig. <B>1</B> und 2).
Nach Durchströmen des Luftspaltes rechts in Fig. 2 teilt sich der Gasstrom in zwei Teilströme. auf, von denen der eine durch das von den Kollektoren gebildete Labyrinth und der andere irt die genannte Höhlung gelangt. Zwischen den Platten<B>78</B> und<B>82</B> hindurch gelangt das Gas auch in das Labyrinth links neben dem Rotor-Kollektor. So dient das Gas auch dazu, Flüssigkeitsteilchen am Ausfliessen aus der Stromdurchgangs-Kammer durch das Labyrinth in den Luftpalt zu hindern.
Jedes etwa noch austretende Flüssigkeitsteilchen wird im Laby rinth oder im Luftspalt durch den in entgegengesetz ter Richtung strömenden Gasstrom aufgehalten. Die Rohre<B>108</B> führen somit ein Gemisch von Leckflüs- sigkeit und Kühlgas. Das flüssige Metall wird in einem Abscheider <B>97</B> abgetrennt und das Gas über Rohre<B>118</B> wieder in das Innere des Gehäuses<B>10</B> geführt.
Die aus den Fig. <B>1</B> und<B>3</B> ersichtliche Klemmen- konstruktion sorgt für eine ausgeglichene Stromver teilung im Stator. Die Anordnung von den Stator mit den Klemmen verbindenden Leitern und die Tatsa che, dass der Rotorwiderstand gegenüber dem Wider stand der Sammelschienen gering ist, ermöglicht die gewünschte Stromverteilung im Generator.
Die Klemmenanordnung besteht aus zwei starken Kupferringen<B>76</B> und<B>77,</B> welche, die Statoren umge ben und an den zylindrischen Statorleitern 74 ange- schweisst oder auf andere geeignete Weise befestigt sind, um von diesen den Strom vom Stator-Kollektor her aufzunehmen.
Fig. <B>1</B> zeigt nur die allgemeine Anordnung, doch ist ersichtlich, dass von der Klein- menkonstraktion der linke Ring<B>76</B> mit dem linken Stator und der rechte Ring<B>77</B> mit dem rechten Stator verbunden ist. Zwecks gleichmässiger Stromverteilung wird jeder Ring an vier über den Umfang verteilten Stellen von laminierten, horizontal verlaufenden Kup ferplatten 144 angezapft, welche mit vertikalen Steig leitungen 146 verbunden sind, die den Strom nach den ausserhalb des Generators befindlichen Sammel schienen leiten.
Die horizontalen Leiter bestehen aus <B>je</B> acht Lamellen mit einem Querschnitt von etwa <B>3</B> X<B>300</B> mm. Diese vier Leiter auf jeder Seite der Maschine sind so aufgeteilt, dass die beiden unteren den Strom aus der unteren Hälfte und die beiden oberen den Strom aus der oberen Hälfte der Ma schine ableiten. Die Leiter sind vorzugsweise an die Ringe<B>76</B> bzw. <B>77</B> angeschweisst und an den äusseren Enden mit den Steigleitungen 146 vernietet.
Neben der beschriebenen Form des Stator-Kol- Icktors sind natürlich auch andere Ausführungen möglich. Statt eine Kupferschicht<B>93</B> aufzubringen, kann der ganze Kollektor aus einer Kupfer-Alumi- nium-Legierung, rostfreiem Stahl oder einem anderen nichtmagnetischen Material genügender Festigkeit und Leitfähigkeit hergestellt werden. Die Wandstärke gegenüber dem Rotor-Kollektor wird in einem sol chen Fall erhöht werden, um genügende Leitfähigkeit zu gewährleisten.
Ferner brauchen die gegenüberliegenden Um fangspartien am Rotor- und am Stator-Kollektor nicht unbedingt geradlinig zu verlaufen, sondern kön nen mit Umfangsrillen versehen sein, welche für eine noch gleichmässigere Flüssigkeitsverteilung in der Kammer und noch geringere Leckverluste aus diesem Raum sorgen. Natürlich sind auch andere Mittel zur Aufrechterhaltung eines Druckes auf die Flüssigkeit und damit eines einwandfreien Kontaktes zwischen den Kollektor-Oberflächen anwendbar.
Bei einer weiteren Variante kann die Kamnipar- tie <B>66</B> radial nach aussen verlängert sein, bis deren Aussenkante mit der Schulter<B>62</B> am Rotor-Kollek- tor bündig ist.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Generators ist folgende: Nachdem der Rotor auf die Nenndreh zahl beschleunigt worden ist, werden die Pumpen<B>98</B> in Betrieb gesetzt und die Strorndurchgangskammern <B>90</B> vollständig mit flüssigem Metall gefüllt. Werden nun die Feldspulen 44 erregt, so wird in den mit dem zylindrischen Kupfermantel<B>51</B> nach dem Rotor- Spannung induziert, welche einen Stromfluss entlang dem zylindrischen Kupfermantel<B>1</B> nach dem Rotor- Kollektor zu Folge hat.
Währenddem der Mantel<B>51</B> den elektrischen Strom nach dem Rotor-Kollektor hinführt, leitet ihn der zylindrische Leiter 74 im Stator in entgegengesetzter Richtung nach den Aus gangsklemmen, nachdem er die Strorndurchgangs- Kammer durchquert hat. Diese Kupferleiter verhin dern die vollständige Sättigung des Eisens. Der Lei ter 74 am Stator ist das Äquivalent einer Kompen sationswicklung. Dessen besondere Lage und Anord nung begrenzt die induzierte Spannung, die durch Änderung der angeschlossenen Belastung auftritt.
Verschiedene abweichende Ausführungen und Ausgestaltungen von Einzelteilen sind denkbar, um die gewünschte Aufrechterhaltung eines Druckes in der Stromdurchgangskammer und die Zirkulation durch die Kühler zu erreichen. Der Hauptgedanke besteht in der Ausübung eines Druckes auf das flüs sige Metall in der Kammer<B>90,</B> um einen wirksamen Stromdurchgang vom Anker nach dem Stator errei chen zu können. Beispielsweise ist es nicht erforder lich, dass die Umfangsfläche des Rotor-Kollektors <B>50</B> eine Zylinderfläche darstellt.
Solche Abweichungen werden im allgemeinen leine Änderung in der Lage und Gestalt der Ringe<B>92</B> und/oder in der Grösse, Anzahl und Anordnung der Austrittsöffnungen für das flüssige Metall notwendig machen. Die Lage und Form der Schultern<B>62</B> kann schliesslich ebenfalls verschieden sein, oder diese können ganz weggelassen werden,<B>je</B> nach dem Ausmass der Leckverluste des flüssigen Metalls bei einem bestimmten Generator. Das Kühlgas strömt unter genügend hohem Druck in die die Kollektoranordnung umgebende Höhlung, um jedes Eindringen von flüssigem Metall in den Luft spalt zu verhindern.
Soll die Maschine angehalten werden, so wird der Strom auf Null gebracht und die Flüssigkeitspumpen<B>98</B> ausgeschaltet. Der Nachschub über die Leitungen 94 hört somit auf, und das flüs sige Metall strömt durch die Zirkulations-Abfluss- öffnungen aus der Stromdurchgangs-Kammer in den Sammelkanal 104, von wo es in den Vorratsbehäl-- ter fliesst.