CH639803A5

CH639803A5 - Wechselstrom-generator mit hin- und hergehendem anker und verwendung des generators.

Info

Publication number: CH639803A5
Application number: CH430178A
Authority: CH
Inventors: Sergei Alexandrovich Aronov; Vladimir Animpadistov Bashilov; Nikolai Mikhailovich Volkov; Sergei Dmitrievich Dukhovlinov
Original assignee: N Proizv Ob Energia
Priority date: 1977-08-18
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1983-11-30
Also published as: SE426197B; DE2807148B2; JPS5432711A; DE2807148A1; JPS5926184B2; US4394591A; DE2807148C3; SE7801954L

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrom-Generator mit hin- und hergehendem Anker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung des Generators.

Derartige Generatoren können beispielsweise in Fahrzeugen und zur Notstromversorgung eingesetzt werden.

In der Zeitschrift «Elektro-Anzeiger», Essen, Nr. 22 vom 24. November 1965, ab Seite 22 sind von J.M. Jenkins, M.A., Ph.D., London unter dem Titel «Neuartige Wechselstrom-Generatoren», Generatoren mit hin- und hergehendem Anker beschrieben, die beispielsweise durch hin- und hergehende Kolben einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Es ist der Zweck einer solchen Entwicklung, den Umweg über rotierende Maschinenelemente zu vermeiden. Der Anker eines solchen beschriebenen Wechselstrom-Generators ist in Form eines kurzgeschlossenen Aluminiumringes ausgeführt, dessen gegenüberliegende Teile sich in den Luftspalten eines feststehenden Magnetsystems befinden. Der Aluminiumring selbst wirkt als Primärwicklung eines Transformators, dessen Kern er umschliesst. Der Transformator dient insbesondere zur Heraufsetzung der Ausgangsspannung.

Bei zufriedenstellenden Kennwerten eines solchen bekannten Generators ist er jedoch kaum für einen Dauerbetrieb geeignet, da die notwendigerweise geringgehaltene Masse des

Ankers eine relativ hohe Stromdichte im Anker zur Folge hat, welche infolge ungenügender Belüftung eine unzulässig hohe Erwärmung verursacht.

Aus dem SU-Urheberschein 535678 (1974, IPC H 02 K, 35/00) ist ein weiterer Generator der genannten Art bekannt, bei dem der Anker in Form einer Platte aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt und in einem mit Flüssigmetall gefüllten, hermetisch abgedichteten Kanal angeordnet ist. Die Endabschnitte des Kanals sind mit Wellrohren abgeschlossen, deren innere Stirnflächen mit dem Anker und deren äussere mit einem Antrieb verbunden sind. Die elektrische Leistung wird an mit dem Flüssigmetall in Kontakt stehenden Elektroden abgenommen.

Bei diesem bekannten Generator gewährleistet das Flüssigmetall - beispielsweise eine Natrium-Kalium-Legierung - eine ausreichende Kühlung des Ankers, so dass dieser bei einer relativ geringen Masse für eine grosse Stromdichte bemessen sein kann. Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Generators sind durch die Bewegung des Ankers im Flüssigmetall entstehende Reibungsverluste, da das durch den hin- und hergehenden Anker jeweils verdrängte Flüssigmetall den Spalt zwischen dem Anker und den Kanalwänden in einer zum Anker gegenläufigen Bewegungsrichtung durchströmen muss. Infolge der genannten Reibungsverluste ist der Wirkungsgrad dieses bekannten Generators nicht zufriedenstellend.

Ein weiterer Nachteil der beiden zum Stand der Technik genannten Wechselstrom-Generatoren ist die Unwucht, die mit der Verschiebung des Massenmittelpunktes zusammenhängt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Wechselstrom-Generator mit hin- und hergehendem Anker zu schaffen, der unter Berücksichtigung seiner Masse und Abmessungen einen hohen Wirkungsgrad erzielt und eine grosse Lebensdauer erreicht und bei welchem durch die Unwucht bedingte Vibrationen beseitigt sind.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die hydraulische Reihenschaltung der Ankerkammern und der zueinander gegenläufigen Bewegungsrichtung der in aufeinanderfolgenden Ankerkammern angeordneten Anker wird erreicht, dass das Flüssigmetall im geschlossenen Kreis stets in Richtung der Anker bewegt wird. Dadurch lässt sich vermeiden, dass die angetriebenen Anker durch entgegengesetzt zwischen Anker und Ankerkammer strömendes Flüssigmetall abgebremst werden. Ferner wird durch die jeweils gegenläufige Bewegung die Unwucht eines einzelnen Ankers durch diejenige des benachbarten Ankers weitgehend kompensiert.

Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 2 ergibt sich eine von der hydraulischen Reihenschaltung unabhängige elektrische Reihenschaltung, durch welche sich die in den Ankern erzeugten Spannungen addieren. Eine solche Anordnung vereinfacht die Stromentnahme und erhöht die ohnehin geringe Spannung eines einzelnen Ankers.

Durch eine Ausführungsform nach Anspruch 3 ist der zur Erzielung einer gebrauchsfertigen Spannung erforderliche Transformator unmittelbar im Wechselstrom-Generator integriert.

Durch eine Ausführungsform nach Anspruch 4 ergibt sich eine vorteilhafte Anordnung der Ankerkammern, wodurch diese um eine Mittelachse herum angeordnet sein können, um in vorteilhafter Weise den geschlossenen hydraulischen Kreis und die elektrische Reihenschaltung zu bilden.

Eine erfindungsgemässe Verwendung des Wechselstrom-Generators ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 angegeben. Bei einer solchen Verwendung ist es zweckmässig, wenn jeder Anker durch einen Freikolben angetrieben wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele

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der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Prinzip eines Wechselstrom-Generators mit sechs Ankern im Querschnitt, in einer Darstellung der elektrischen Reihenschaltung der Anker,

Figur 2 die Abwicklung eines Schnittes durch den Wechselstrom-Generator nach Figur 1 entlang der Linie II-II,

wobei aus dieser Darstellung die hydraulische Reihenschaltung der Ankerkammern ersichtlich ist,

Figur 3 das Prinzip eines Wechselstrom-Generators mit vier Ankern, deren Stromkreis die Primärwicklung eines integrierten Leistungstransformators bildet und

Figur 4 einen Längsschnitt durch den Wechselstrom-Generator nach der Figur 3 entlang der Linie IV-IV.

Gemäss Figur 1 weist der Stator des Wechselstrom-Generators ein von Luftspalten unterbrochenes Magnetsystem mit einem ringförmigen Magnetleiter 1 und Erregerspulen 2 auf. In den Luftspalten des Magnetsystems sind mit Flüssigmetall gefüllte Ankerkammern 3 angeordnet, in denen je ein Anker 4 eingesetzt ist. Die Anker 4 sind innerhalb der Ankerkammern 3 in Längsrichtung des Wechselstrom-Generators, also senkrecht zur Zeichnungsebene, hin- und herbewegbar. Die Ankerkammern 3 sind durch Elektroden 13 und 14 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die offenen Enden der Reihenschaltung mit Elektroden 5 zur Entnahme der in den Ankern 4 erzeugten elektrischen Energie versehen sind.

Die Figur 2 zeigt den Wechselstrom-Generator in einem Längsschnitt nach der Abwicklung entlang der Schnittlinie II-II nach der Figur 1. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die Ankerkammern 3, in denen sich die Anker 4 befinden, teilweise in den Luftspalten des Magnetleiters 1 liegen. Die mit der Bewegungsrichtung der Anker 4 zusammenfallenden Achsen der Ankerkammern 3 erstrecken sich parallel zueinander. Aus der Figur 2 ist insbesondere ersichtlich, dass sämtliche Ankerkammern 3 in Bewegungsrichtung der Anker 4 über mit Flüssigmetall gefüllte Verbindungen 15 zu einem geschlossenen Kreis hydraulisch in Reihe geschaltet sind. Die links unten gebrochen dargestellte Verbindung 15 schliesst sich an die rechts unten gebrochen dargestellte Verbindung 15 an, um den hydraulischen Kreis zu schliessen.

Die Anker 4 bestehen aus aufeinandergeschichteten Platten, welche quer zur Bewegungsrichtung durch Isolierzwischenlagen 6 elektrisch voneinander getrennt sind. Die Isolierzwischenlagen 6 dienen zur Verringerung von Strömen in Längsrichtung durch den Anker. Zur Herstellung der Ankerplatten eignet sich insbesondere ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einem geringen spezifischen Gewicht, beispielsweise Aluminium.

Die in der Figur 2 nicht dargestellten Erregerspulen 2 nach der Figur 1 erzeugen ein Magnetfeld im Magnetleiter 1. Der in Abschnitte unterteilte Magnetleiter 1 bewirkt, dass sich jeder Anker 4 zwischen zwei ungleichnamigen Magnetpolen befindet und bei seiner Bewegung in Längsrichtung eine EMK in seinen aufeinandergeschichteten Platten entsteht. Der aus der EMK resultierende Strom wird über das Flüssigmetall auf die Elektroden 5,13 und 14 gemäss Figur 1 übertragen. In bezug auf die Figur 2 verläuft die Stromrichtung demnach senkrecht zur Zeichnungsebene.

Aus der Figur 2 ist ferner ersichtlich, dass die Anker 4 mit Stangen 7 verbunden sind, die sich längs zur Bewegungsrichtung der Anker 4 durch Dichtungen 8 hindurcherstrecken, welche in Deckeln 9 angeordnet sind. Die Deckel 9 und die Dichtungen 8 gewährleisten eine hermetische Abdichtung der Ankerkammern 3 und der ebenfalls mit dem Flüssigmetall gefüllten Verbindungen 15. Zwischen den Ankerkammern 3 sind vorzugsweise aus einem elektrischen Isolierstoff hergestellte Wände 10 angeordnet. Die Stangen 7 werden zum Antrieb der Anker 4 vorzugsweise mit je einem Freikolben einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, wobei die Anker jeweils zwei benachbarter Ankerkammern gegenläufig zueinander angetrieben werden. Der in den Ankern induzierte Strom wird dabei durch das Flüssigmetall auf die Elektroden 5,13 und 14 übertragen.

Aus der Figur 3 ist ersichtlich, dass die mit einem Flüssigmetall gefüllten Ankerkammern 3 über Elektroden 5' zu einem geschlossenen Kreis in Reihe geschaltet sind. Dieser Kreis stellt die Primärwicklung eines Transformators dar, dessen Kern 11 derart geformt ist, dass er mindestens teilweise mit dem Magnetleiter 1 vereinigt ist. Im Gegensatz zu Figur 1 ist der Magnetleiter 1 hierbei kreuzförmig angeordnet und durch einen den Generator umfassenden Ring geschlossen. Die Erregerwicklungen 2 sitzen auf den Schenkeln der kreuzförmigen Anordnung. In jedem dieser Schenkel befindet sich ein Luftspalt, in welchem jeweils eine Ankerkammer 3 angeordnet ist. Die Bewegungsrichtung der Anker 4 erstreckt sich in Längsrichtung zum Generator, also senkrecht zur Zeichnungsebene nach der Figur 3. Die Begrenzungsflächen der Ankerkammer 3 bilden Flächen eines rechtwinkligen Prismas. Die Ankerkammern sind derart zueinander angeordnet, dass sie im Querschnitt gesehen einen Teil der Seiten eines praktisch regelmässigen Vielecks darstellen. Obwohl im dargestellten Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 vier Ankerkammern gezeigt sind, ist es auch möglich, entweder nur zwei oder auch eine grössere Anzahl, welche durch zwei teilbar ist, von Ankerkammern 3 anzuordnen.

Die Figur 4 stellt einen Längsschnitt des Generators nach der Figur 3 entlang der Schnittlinie IV-IV dar. Aus dieser Figur ist zusätzlich die Sekundärwicklung 12 des Transformators ersichtlich, welche auf dem Eisenkern 11 aufgebracht ist. Der Eisenkern 11 kann beispielsweise ein Schnittbandkern sein. An die Sekundärwicklung 12 wird die nicht dargestellte Last des Wechselstrom-Generators angeschlossen. Da in den Figuren lediglich das Prinzip gezeigt wird, sind aus ihnen nicht alle Einzelheiten des Wechselstrom-Generators ersichtlich. So sind beispielsweise bei einer Ausführung nach der Figur 4 die Ankerkammern 3 ebenfalls hydraulisch in Reihe geschaltet, wie das aus der Abwicklung nach der Figur 2 deutlich erkennbar ist. Die zur Figur 4 nicht besonders erläuterten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie diejenigen in der Figur 2.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der dargestellten Generatoren näher erläutert. Durch den erwähnten, jedoch nicht dargestellten Motor werden die Anker 4 über die Stangen 7 gemäss den Figuren 2 und 4 in ständig hin- und hergehende Bewegungen versetzt. Dabei wird jeder der Anker 4 gegenläufig zu dem ihm im hydraulischen Kreis benachbarten Anker angetrieben, so dass jeder zweite Anker in eine Richtung bewegt wird, wenn die restlichen Anker in die Gegenrichtung bewegt werden.

Da sich die Anker 4 in einem transversalen Magnetfeld befinden, wird in ihnen eine EMK (Elektromotorische Kraft) induziert. Die Ankerkammern 3, in denen sich die Anker 4 befinden, sind elektrisch in der Weise gekoppelt, dass die induzierten elektromotorischen Kräfte summiert werden. Das Flüssigmetall stellt den elektrischen Kontakt zu den Ankern 4 her. Ferner dient das Flüssigmetall zur Ableitung der in den Ankern 4 entwickelten Wärme durch eine nicht dargestellte Kühleinrichtung über die Elektroden 5. Als Flüssigmetall eignen sich Alkalimetallegierungen, beispielsweise eine elektische Natrium-Kalium-Legierung in einem Verhältnis von 22% Na zu 78% K, deren Schmelztemperatur bei — 12°C liegt.

Die erwähnte Querschichtung des Ankers 4 durch Aufteilung in Platten mit Isolierzwischenlagen 6 und den dadurch verminderten Strömen in Längsrichtung durch den Anker 4 bewirkt eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Generators.

Die Verbindung der Ankerkammern 3 zu einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf gestattet es, die Anker 4 im

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Querschnitt derart zu bemessen, dass sie den Querschnitt der jeweils zugeordneten Ankerkammer 3 nahezu ausfüllen.

Durch eine solche Bemessung ist gewährleistet, dass bei den hin- und hergehenden Bewegungen der Anker 4 eine Synchronisation zwischen sämtlichen Ankern eines hydraulischen Kreislaufes und des Flüssigmetalls in diesem Kreislauf stattfindet. Durch die geringen Zwischenräume zwischen dem Anker und der Ankerkammer, in dem sich der Anker befindet, ergeben sich nur geringe Überbrückungsströmungen der zwischen den Ankern 4 und den Wänden der Ankerkammern 3 befindlichen Schichten des Flüssigmetalls.

Bei einer Ausführung des Generators mit einer geraden Anzahl von Kanälen über zwei ist ein solcher Generator praktisch ausgewuchtet, da keine Verschiebung des Massenmittelpunktes auftritt und das gesamte Moment der Trägheitskräfte in bezug auf diesen gleich Null ist.

Im Zusammenhang damit, dass die in einem Anker 4 erzeugte EMK nicht gross ist, nämlich in der Grössenordnung von einem Volt liegt, wird zweckmässig der Generator mit elektrisch kurzgeschlossenen Ankerkammern 3 gemäss Figur 3 und einem Transformatorausgang ausgeführt. In der betreffenden Variante der Konstruktion entsteht bei der Bewegung der Anker 4 im Magnetfeld ein durch die erzeugte EMK hervorgerufener Strom und da die Anker 4 und die Elektroden 5' die Primärwicklung des Transformators bilden, so wird die

Energie von der mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung 12 gemäss Figur 4 an den Verbraucher mit der erforderlichen Spannung abgegeben.

Die vorgeschlagene Konstruktion eines Wechselstrom-5 Generators mit hin- und hergehendem Anker ermöglicht verhältnismässig geringe Massenwerte der bewegten Teile, wodurch es seinerseits ermöglicht wird, Frequenzen in der Grössenordnung von 100 Hz zu erzielen, wodurch hohe spezifische Kenndaten in bezug auf Masse und Abmessungen io gewährleistet sind. Die beschriebene Synchronisation zwischen den Ankern 4 und dem Flüssigmetall in den Kanälen 3 ermöglicht eine erhebliche Senkung der im hydraulischen Kreis entstehenden Reibungsverluste gegenüber der bekannten Ausführung. Durch die Kühlung der Anker 4 durch das 's Flüssigmetall lassen sich auch die elektrischen Verluste in kleinen Grenzen halten. Die Folge der geringen hydraulischen und elektrischen Verluste ist die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades.

Durch die Mehrkammer-Ausführung des Generators lasso sen sich Vibrationen vermeiden. Durch die geringen Verluste und die Vermeidung von Vibrationen werden sämtliche Grundelemente des Generators geschont, so dass sich eine hohe Lebensdauer eines solchen Wechselstrom-Generators erzielen lässt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Wechselstrom-Generator mit hin- und hergehendem Anker (4), mit einem Stator, der ein Magnetsystem (1,2) aufweist, und einer mindestens teilweise im Spalt des Magnetsystems angeordneten, mit Flüssigmetall gefüllten Ankerkammer (3), in welcher der Anker (4) hin- und herbewegbar angeordnet ist, sowie mit Elektroden (5,13,14, 5') zur Entnahme des im Anker (4) induzierten elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass weitere mit Flüssigmetall gefüllte Ankerkammern (3) mit in diesen angeordneten Ankern (4) vorgesehen sind, wobei sämtliche Ankerkammern (3) in Bewegungsrichtung über mit Flüssigmetall gefüllte Verbindungen (15) zu einem geschlossenen Kreis hydraulisch in Reihe geschaltet und hermetisch abgeschlossen sind, dass die Anker (4) in den aufeinanderfolgenden Ankerkammern (3) zueinander gegenläufig antreibbar sind, wobei das Flüssigmetall den elektrischen Kontakt zwischen den Ankern (4) und den Elektroden (5,13,14, 5') zur Ableitung des in den Ankern (4) induzierten elektrischen Stromes herstellt.

2. Wechselstrom-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerkammern (3) über die Elektroden (13,14, 5') elektrisch in Reihe geschaltet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wechselstrom-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsabgabe ein Transformator vorgesehen ist, dessen Primärwicklung durch eine in sich kurzgeschlossene Reihenschaltung der Ankerkammern (3) mit den Elektroden (13,14,5') gebildet ist und dessen Eisenkern (11) einen Teil des Magnetleiters (1) des Magnetsystems bildet.

4. Wechselstrom-Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen der Ankerkammern (3) Flächen eines rechtwinkligen Prismas bilden, und die Ankerkammern derart zueinander angeordnet sind, dass im Querschnitt gesehen die Ankerkammern einen Teil der Seiten eines praktisch regelmässigen Vielecks darstellen.

5. Verwendung des Wechselstrom-Generators nach Anspruch 1 zur Kupplung mit einer Freikolben-Verbrennungs-kraftmaschine zum Antrieb des Generators, wobei jeweils einander benachbarte und parallel zueinander geführte Anker (4) von der Kraftmaschine gegenläufig hin- und herbewegt werden.