CZ20021738A3 - Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí - Google Patents

Description

HOMOPOLÁRNÍ STROJ NA NÍZKÉ AŽ VELMI VYSOKÉ NAPĚTÍ

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti elektrických stejnosměrných strojů.

Dosevadní stav techniky

Rozvoj homopolárních strojů, založených na Faradeyově objevu /Experimental research on electricity, 1831/, se uskutečnil hlavně v první polovině 20. století. Jako typické představitele jejich provedení lze uvést např. Noeggerathův homopolérní generátor /Aperiodische /Homopolar-, Unipolar-/ Gleichstrommaschinen, El. Bahněn und Betriebe, 3, 1905, Heft 13, S. 233-238/ a Poirsonův homopolární generátor /Poirson E.: Production et emplois des courants continus a grande intensitě. Dynamos a induction unipolaire ou acycliques, Rev. Gén. Electr., 44, 12. Nov. 1938, p. 605-612/.

Tyto generátory, jež nepotřebují komutátor, jsou schopny produkovat stejnosměrné proudy o napětí pouze několika desítek voltů, naproti tomu však o intenzitě desítek až Sasi tisíc ampér. Vyššího napětí lze dosáhnout sériovým zapojením jednotlivých vodičů přes sběrací kroužky od každého jednotlivého vodiče. Např. Noeggerath tak zapojil 12 vodičů a dosáhl napětí 500V, ovšem s použitím 24 sběracích kroužků, což snižu je konstrukční jednoduchost homopolárních strojů vůči běžným stejnosměrným strojům s komutátorem.

Homopolární generátory se uplatnily tam, kde se vyžadují vysoké proudy řádu desítek až set tisíc ampér, např. v elektrochemickém průmyslu, při odporovém svahování velkých potrubí ej.

Odběr vysokých proudů však způsoboval značné opotřebení původně grafitových, později mě&ografitových kartáčů, které měly také velký přechodový úbytek způsobující značné ztráty výkonu.

Proto se přistoupilo k používání tekutých kartáčů, nejprve ze rtuti, případně jejích slitin, později slitin sodíku a draslíku, slitiny gellia a india aj.

To umožnilo zvyšovat otáčky rotoru až na 10 000 ot/min a v druhé polovině minulého století byly pak vyvinuty homopolární generátory, které mohou dosahovat ve stálém provozu

1,5 x 10 A při napětí 1 až 100 V a v impulsovém provozu

1,8 χ 10⁶ A při napětí až 800 V.

Nicméně četné pokusy vyrobit homopolárním strojem vysoké napětí ve stálém provozu sériovým zapojením jednotlivých vodičů bez jejích spojování přes sběrací kroužky dosud nevedly k úspěchu, jak uvádí např. Paul Janet v článku: Sur les tentatives unfructueuses faites par un gr^iid nombre ďinventeurs pour réalíser une macchine a couraní continu sens collecteurs, Bull. Soc. Franc. El., 8, /4^e série/, evril 1928, p. 405428.

Pouze za použití supravodivého budicího vinutí mohlo být dosaženo až 430 V při stálém provozu. Takové stroje se použily pro pohon kompresorů, lodí, vodních čerpadel, pro reveršlsrií pohony ve válcovnách aj.

Hlavní nevýhodou dosavadních homopolárních strojů je jejich nízké napětí řádu několika desítek voltů. Proto se proti stejnosměrným strojům s komutátorem všeobecně neprosadily a našly použití pouze tem, kde se vyžadují vysoké proudy, tj. nad 6 000 až 10 000 A.

Souhrnně lze říci, že použití stávajících‘homopolárních strojů je omezeno pouze na speciální účely. Mimo již jmenovaná použití se také používají v laboratořích kosmické a raketové techniky, např. pro elektromagnetická čerpadla na přečerpávání tekutých kovů pro chlazení reaktorů, pro napájení elektro magnetů na urychlování nabitých částic, na vytváření vysokých tlaků a teplot v aerodynamickém tunelu pro hyperrychlostní zkoušky aj.

Podstata vynálezu

Navrhovaný stroj¹ má kostru statoru z feromagnetického materiálu kruhového tvaru, složenou podle svislé osové roviny ze dvou zrcadlově stejných polovin. Stator se skládá z vnějšího a vnitřního pláště, spolu plynule spojených na vnější straně, přičemž z vnitřní stěny vnějšího pláště vystupuje uprostřed nástavec tvaru dutého válce. Mezi nástavcem a vnitřním pláš~ 3 těm se ne hřídeli z nemagnetického meteriélu otáčí rotor, složený z vnějšího dutého válce z feromagnetického materiálu e vnitřního plného válce z nemagnetického materiálu. Do vnějšího pláště jsou symetricky v jeho pravé i levé polovině zabudovány budicí cívky, napájené stejnosměrným proudem, které jsou po obvodě symetricky rozloženy v počtu 2 nebo 4 nebo více a je-> jich jádrem je součást, tělesa pláště. Počty cívek a jejich velikosti jsou v pravé i levé polovině pláště totožné. Budicí cívky jsou zapojeny tak, že v pravé i levé polovině vnějšího a vnitřního pláště vytvářejí totožné stejnosměrné magnetické toky-É., které oba společně vstupují do nástavce a jako magnetický tok dvojnásobné velikosti φ pokračují přes vzduchovou mezeru1do vnější části rotoru, tvořené dutým válcem z feromagnetického materiálu, v němž se dvojnásobný magnetický tok$ opět rozdělí na dva původní totožné magnetické toky£ , jež pokračují, jeden vpravo a druhý vlevo přes vzduchové mezery 16 a 17 do vnitřního pláště statoru a odtud zpět do vnějšího pláště, čímž se průběh magnetických toků; v pravé i levé polovině statoru uzavírá.

Na vnější část rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu, je v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce nekonečný vodič, jehož začátek je spojen s kartáčem na kroužku umístěném na hřídeli a jehož konec je spojen s kartáčem na druhém kroužku umístěném na hřídeli, přičemž nekonečný vodič může být rozdělen na více stejných sekcí a začátek a konec nekonečného vodiče každé sekce jsou podobně spojeny s kartáči na dalších kroužcích.

Pro vysvětlení vzniku indukovaného napětí označme si jednu smyčku nekonečného vodiče _6 takto /obr. 3/: a - délka části smyčky na vnější straně dutého válce rotoru, b - délka levého čela smyčky, přičemž b = d, c - délka části smyčky na vnitřní straně dutého válce rotoru, d - délka pravého čela smyčky.

Při otáčení rotoru protíná vodič smyčky délky a magnetické pole toku $ ve vzduchové mezeře 1^, kde je magnetická indukce B, vodič délky b levého čela smyčky protíná magnetické pole toku ^ve vzduchové mezeře 17, kde je magnetické indukce B₁ , vodič délky d pravého čela smyčky protíná též magnetické pole tokuve vzduchové mezeře 16, kde je rovněž Indukce Bj a vodič smyčky délky c magnetické pole neprotíné.

- 4 Při. otáčení rotoru ve stálém magnetickém poli se ve vodiči délky e indukuje napětí

E = B . e . v /1/ kde v = rychlost otáčení

Ve vodičích délek b e d se indukují napětí

E_b = B₁ . b . v , = Bj . d . v /2,3/

Teto napětí mají stejnou velikost, evšsk opačný smysl a tudíž se vzájemně ruSÍ, tj.

^Eb ^{+ E}d = ° /4/

Výsledné indukované napětí v jedné smyčce je tedy dáno rovnicí /1/.

Výsledné indukované napětí v celém nekonečném vodiči je dáno součtem napětí všech smyček, nebot vodiče délky a smyček jsou spojeny v sérií, tedy

E = B . a , v . n /5/ kde n = počet smyček vodiče rovníce /5/ je zřejmé, že volbou počtu smyček η , magnetické indukce B a rychlosti v lze vyrobit napětí od nízkých až do velmi vysokých hodnot.

Navrhovaný homopolární stroj

1/ může tedy generovat napětí od nejnižších až do velmi vysokých hodnot, čímž odstraňuje zásadní nevýhodu dosavadních homopolérních strojů, které nemohou dosahovat běžně vyšších napětí a proto se nemohly proti stejnosměrným strojím s komutátorem všeobecně prosedit,

2/ nemusí používat komplikovaná zařízení nutné u dosavadních homopolárních strojů při používání tekutých kartáčů a supravodivého vinutí,

3/ ve srovnání se stávajícími stejnosměrnými stroji s komutátorem je konstrukčně a technologicky jednodušší, má jednoduché budicí vinutí a velmi dobrou účinnost.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález je blíže vysvětlen na připojeném výkrese, kde na obr. 1 je znázorněn řez v podélné ose stroje a ne obr. 2 je nakreslen příčný řez stroje vzduchovou mezerou ΐ6 A - A'_t znázorňující nárys při pohledu zprava doleva. Obr. 3 znázorňuje smyčku nekonečného vodiče.

Příklad provedení vynálezu

Stroj podle obr. 1 má kostru statoru z feromagnetického materiálu kruhového tvaru, složenou podle příčné osové roviny ze dvou zrcadlově stejných polovin. Kostra se skládá z vnějšího pláště 1/á“VnÍtřního pláště 5 (spolu plynule spojených na vnější “ ' ί T STATotiV/ straně, přičemž z vnitřní, stěny vnějšího plášte^jako^jeho součást vystupuje uprostřed nástavec 3 tvaru dutého válce z feromagneύ'ΓΛΤυΡ-Υ' tického materiálu. Mezi nástavcem 3 a vnitřním pláštěm 5,sena hřídeli 13 z nemagnetického materiálu otáčí rotor, složený _v '/'Tf ί-'·-’.' z vnější části 4 /tvořené dutým válcem z feromagnetického materiá~~ tcccV-L';

lu a z vnitřní části 14/tvořené plným válcem z nemagnetického ma„v teriálu. Do vnějšího pláště 1 (jsou symetricky v jeho pravé i levé polovině ve stejném počtu zabudovány budicí cívky 2, napájené stejnosměrným proudem, které jsou po obvodu vnějšího pláště symetricky rozloženy v počtu 2 nebo 4 nebo více a jejich jádro je součástí tělesa vnějšího plášte,řT>očtycívek a jejich velikosti jsou v obou polovinách totožné. Budicí cívky, které mají v jedné polovině vnějšího pláště χ(opačnou polaritu než v druhé polovině, vytvářejí v obou polovinách vnějšího pláště l/á‘vnitřního plástě 5 ;sté jnosměrné magnetické toky stejné velikostiJp, avšak opačného směru. Tyto toky společně vstupují, do nástavce 3 jako dvojnásobný magnetický tok §, který pokračuje přes vzduchovou mezeru 15 do vnější části 4 rotoru, v ní.ž se opět rozdělí na dva původní-magnetické tokyj^, jež pokračují vůči sobě každý opačným směrem, jeden přes vzduchovou mezeru 16 a druhý přes vzduchovou mezeru' 17 do vnitřního pláště 5 statoru a odtud do vnějšího pláště 1 statoru, čímž se průběh magnetického tokuj^ v obou polovinách statoru uzavírá.

Na vnější část £ rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu, je v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce vodic 6, jehož začátek 7 je spojen s prvním kartáčem' 8 na prvním kroužku 9, umístěném na hřídeli £3, a jehož konec' 10 je spojen s druhým kartáčem 11 na druhém kroužku 12, rovněž umístěném na hřídeli 13, přičemž vodič 6 může být rozdělen na více sekcí a začátek a konec vodiče každé sekce jsou podobně spojeny s kartáči na dalších kroužcích.

Průmyslová využitelnost

Homopolární stroj podle vynálezu se dá využít pro elektrické pohony, pro napájení stejnosměrných sítí, pro dálkový přenos elektrické energie velmi vysokým napětím a pro další

Claims (4)

1. účely.

   PATENTOVÉ NÁROKY

   Homopolární stroj, vyznačený tím, že do vnějšího pláště /1/ statoru z feromagnetického materiálu jsou symetricky podle příčné osové roviny v obou jeho polovinách zabudovány budicí cívky /2/, které jsou po obvodě vnějšího pláště symetricky rozloženy a jejichž jádro je součástí tělesa vnějšího pláště, kteréžto cívky mající v jedné polovině pláštěMCTAtuc. opačnou polaritu než v druhé polovině pláště(vytvářejí stejně velké stejnosměrné magnetické toky /^/, které oba společně vstupují do nástavce /3/ jako magnetický tok dvojnásobné velikosti /φ/ a pokračují přes vzduchovou mezeru /15/ do vnější části /4/ rotoru, tvořené dutým válcem z feromagnetického materiálu, v němž se magnetický tok dvojnásobné velikosti zř/ opět rozdělí na dva původní stejně velké magnetické toky jež pokračují vůči sobě každý opačným směrem, jeden přes vzduchovou mezeru /16/, druhý přes vzduchovou mezeru /17/ do vnitřního pláště /5/ statoru a odtud zpět do vnějšího pláště /1/ statoru, čímž se průběh magnetických toků // uzavírá.
2. 2. Stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že na vnější část /4/ rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu je. v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce vodič /6/, jehož začátek /7/ je spojen s prvním kartáčem /8/ na prvním kroužku /9/ umístěném na hřídeli /13/ a jehož konec /10/· .je spojen s druhým kartáčem /11/ na druhém kroužku /12/ umístěném na hřídeli /13/,
3. 3. Stroj podle nároku 2,vyznačený t í m, že vodič /6/ je rozdělen na více sekcí a začátek a konec každé sekce jsou podobně spojeny s kartáči na dalších kroužcích.
4. 4. Stroj podle kteréhokoliv z předchozích nároků, v y z n a č e n ý t í m, že vnitřní část /14/ rotoru, tvořená plným válcem,a jeho hřídel /13/ jsou z nemagnetického materiálu.