DE1003345B

DE1003345B - Thermal-electrical alternator

Info

Publication number: DE1003345B
Application number: DES13506D
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Kesselring; Dr-Ing Herbert Melan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1944-11-28
Filing date: 1944-11-28
Publication date: 1957-02-28

Description

Thermisch-elektrischer Wechselstromerzeuger Bei der heutigen elektrischen Energieerzeugung wird ausnahmslos eine thermodynamische Maschine mit einem rotierenden elektrischen Generator mechanisch gekuppelt. Man versucht die thermodynamische Maschine mit möglichst hohem Wirkungsgral arbeiten zu lassen, was bekanntlich durch Anwendung hoher Temperatur, meist verbunden mit hohem Druck geschieht; jedoch ist die obere Grenze durch die Warmfestigkeit der Werkstoffe gegeben.Thermal-electrical alternating current generator At today's electrical Power generation is invariably a thermodynamic machine with a rotating mechanically coupled electrical generator. One tries the thermodynamic machine to let work with the highest possible degree of effectiveness, which is known by application high temperature, usually associated with high pressure happens; however is the upper one Limit given by the heat resistance of the materials.

Ein weiteres Kennzeichen der bisherigen Anordnungen ist, daß Konstruktionselemente des Generators und der thermodynamischen Maschine, z. B. Kolbenmaschine oder Turbine, niemals gemeinsam sind. Ferner verlangen sowohl die thermodynamische Maschine als auch der Generator eine Schmierung; die thermodynamische Maschine noch unter den erschwerenden Bedingungen hoher Temperatur.Another characteristic of the previous arrangements is that construction elements the generator and the thermodynamic machine, e.g. B. piston engine or turbine, are never together. Furthermore, both the thermodynamic machine require the generator also needs lubrication; the thermodynamic machine still among the aggravating high temperature conditions.

Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die thermodynamische Maschine, insbesondere in Form einer Kolbenmaschine, und ein elektrischer Wechselstromerzeuger zu einem einzigen Aggregat mit zum großen Teil gemeinsam thermisch und elektrisch wirksamen Konstruktionselementen zusammengefaßt werden. Es kann z. B. der bewegliche Teil dieser thermisch-elektrischen Maschine zugleich Kolben oder Laufrad des thermodynamischen Teils der Maschine als auch magnetisch wirksamer Teil des elektrischen Teils der Maschine, entweder in Form eines Ankers des magnetischen Kreises oder eines magnetisierten Pols, sein.According to the invention, these disadvantages are avoided in that the thermodynamic machine, in particular in the form of a piston machine, and an electric one Alternating current generator to a single unit with largely jointly thermal and electrically effective construction elements are combined. It can e.g. B. the moving part of this thermal-electric machine at the same time piston or Impeller of the thermodynamic part of the machine as well as the magnetically effective part the electrical part of the machine, either in the form of an armature of the magnetic Circle or a magnetized pole.

Hierbei kann der Eisenkörper für den magnetischen Rückschluß im wesentlichen den Zylinder oder das Leitsystem des thermodynamischen Teils der Maschine bilden. Der Luftspalt zwischen Kolben bzw. Anker und Zylinder bzw. magnetischer Stator ist einerseits ein aus magnetischen Gründen notwendiger Luftspalt, andererseits bildet er aber auch den Spalt (das Spiel) zwischen Kolben und Zylinder.Here, the iron body for the magnetic yoke can essentially form the cylinder or the control system of the thermodynamic part of the machine. The air gap between piston or armature and cylinder or magnetic stator is on the one hand an air gap necessary for magnetic reasons, on the other hand it forms but also the gap (play) between the piston and cylinder.

Der Stator kann, um möglichst große Festigkeit zu erzielen, allseitig von einer Tragkonstruktion, die z. B. aus feuerfestem Material, wie Beton u. dgl., hoher mechanischer Festigkeit und hoher Wärmebeständigkeit besteht, umgeben sein. Die Wicklung, in der die Spannung induziert wird, umschließt den Eisenkörper. Um günstige Streuungsverhältnisse zu erhalten, kann es zweckmäßig sein, diesen Stator als Toroid auszuführen.In order to achieve the greatest possible strength, the stator can be on all sides of a supporting structure that z. B. made of refractory material such as concrete and the like., high mechanical strength and high heat resistance. The winding in which the voltage is induced encloses the iron body. Around To obtain favorable scattering ratios, it can be useful to use this stator to be executed as a toroid.

Die Maschine kann so wirken, daß ein z. B. durch eine Zusatzwicklung erzeugtes Magnetfeld durch Veränderung des magnetischen Widerstandes bei der Bewegung des Ankers bzw. Kolbens periodisch verändert wird, so daß entsprechende Änderungen des magnetischen Kraftflusses zustande kommen. Im Erregerkreis wird dann zweckmäßig eine große Drossel vorgeschaltet, damit nicht auch in diesem Kreis ein zusätzlicher großer Wechselstrom fließt. Man kann aber auch den Anker mit einer Gleichstromwicklung umgeben, derart, daß ein Kraftfluß in Längsrichtung des Stators entsteht. Der Anker übernimmt im wesentlichen die Funktion eines Polrades. Diese Erregerwicklung wird zweckmäßig ruhend angeordnet.The machine can act so that a z. B. by an additional winding Magnetic field generated by changing the magnetic resistance during movement of the armature or piston is changed periodically, so that corresponding changes of the magnetic flux of force come about. It is then appropriate in the excitation circuit a large choke is connected upstream, so that there is no additional one in this circuit large alternating current flows. But you can also use the armature with a DC winding surrounded in such a way that a power flow is created in the longitudinal direction of the stator. The anchor essentially takes on the function of a pole wheel. This excitation winding will expediently arranged dormant.

Zwecks besserer Ausbalancierung werden zweckmäßig immer zwei gegenüberliegende oder mehrere Anker waagebalkenartig miteinander verbunden. Statt der Waagebalken können auch entsprechend bemessene Federn zur Anwendung gelangen. Der oder die Kolben, können hierbei zweckmäßig in an sich bekannter Weise als Freiflugkolben ausgebildet werden. Die Bewegung des Ankers (Kolben) kann nun beispielsweise durch synchron mit der Wechselstromfrequenz erfolgende Beaufschlagung mit Dampf erfolgen. Es kann aber auch das Prinzip des Diesel- oder Ottomotors zur Anwendung gelangen. Im Prinzip ist es auch möglich, die Anker miteinander zu verbinden und in Form des Laufrades einer Dampf- oder Gasturbine auszuführen. Da die Anordnung, wie weiter unten an Hand der Figur im einzelnen noch erläutert wird, keine Schmierung innerhalb der Zylinder benötigt, kann man auch ohne eine erhebliche Verringerung der Lebensdauer befürchten zu müssen, die Maschine nach dem Prinzip des Kolbenstaubmotors betreiben.For the purpose of better balancing, it is always advisable to have two opposite one another or several anchors connected to one another like a horizontal beam. Instead of the balance beam appropriately sized springs can also be used. The piston or pistons can expediently be designed as free-flight pistons in a manner known per se will. The movement of the armature (piston) can now be synchronized, for example with the alternating current frequency applied with steam. It can but the principle of the diesel or gasoline engine can also be used. Basically it is also possible to connect the anchors together and in the form of the impeller run a steam or gas turbine. Because the arrangement as below Hand of the figure will be explained in detail, no lubrication within the Cylinder required, one can also without a significant reduction in service life fear of having to operate the machine on the principle of the piston dust engine.

In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand in Form eines dieselelektrischen Stromerzeugers schematisch dargestellt.In the figures, the subject of the invention is in the form of a diesel-electric Power generator shown schematically.

In Fig. 1 bedeutet 1 den Stator, 2 die als Kolben ausgebildeten Anker, 3 den Waagebalken mit -der Lagerstelle 4, 5 ist die Erregerwicklung mit der Drosselspule 6, 7 die Statorspule, welche in Verbindung mit der Belastung 8 steht. Um Dichtungsstellen weitgehend zu vermeiden, kann der Waagebalken in einem mit dem inneren Umfang des Stators gasdicht verbundenen Gehäuse 9 untergebracht werden.In Fig. 1 1 means the stator, 2 the armature designed as a piston, 3 the balance beam with -der Bearing point 4, 5 is the field winding with the choke coil 6, 7 the stator coil, which in connection with the load 8 stands. In order to largely avoid sealing points, the balance beam can be used in one with the inner circumference of the stator housed housing 9 connected in a gas-tight manner will.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Stator an der Stelle AA dieser Maschinenart, jedoch mit einer beispielsweisen konzentrierten Erregerwicklungsanordnung. Der Stator ist in Blechpakete 10 aufgeteilt, welche durch Ringe 11 aus nicht magnetisierbarem Material gegeneinander abgestützt sind. 12 sind entsprechende Blechpakete des Ankers, der hier als Kolben wirkt. Zwischen Anker und Stator besteht ein möglichst enger Luftspalt 13; 14 und 15 sind Zylinderdeckel. 16 ist der im Schnitt sichtbare Teil des Waagebalkens 3 gemäß Fig. 1. Die speziellen Zusatzgeräte, wie Brennstoffpumpe, Ein- und Auslaßventile, sind in der Darstellung weggelassen. 18 ist die Statorwicklung, 19 die um den Anker herumgelegte Erregerwicklung. 20 ist eine mechanisch feste und hoch wärmebeständige Ummantelung. Zwischen den Teilen 10 der Statorblechpakete in der Nähe des Ankers und dem übrigen Stator ist ein Luftspalt 21 vorgesehen, um Wärmeausdehnungen auszugleichen.Fig. 2 shows a section through the stator at the point AA of this Type of machine, but with a concentrated excitation winding arrangement, for example. The stator is divided into laminated cores 10, which are made of non-magnetizable by rings 11 Material are supported against each other. 12 are corresponding laminated cores of the anchor, which acts here as a piston. As close as possible there is between the armature and the stator Air gap 13; 14 and 15 are cylinder covers. 16 is the part visible in section of the balance beam 3 according to Fig. 1. The special additional devices, such as the fuel pump, Inlet and outlet valves are omitted from the illustration. 18 is the stator winding, 19 the excitation winding around the armature. 20 is a mechanically solid and highly heat-resistant coating. Between the parts 10 of the stator cores in an air gap 21 is provided in the vicinity of the armature and the rest of the stator to prevent thermal expansion balance.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 ist folgende: Es wird zunächst die Erregerspule 5 über die Drossel 6 mit der Gleichstromquelle verbunden (Fig.1). Es fließt dann über den Stator und die Anker ein magnetischer Kraftfluß, welcher die Ankerblechpakete 12 (Fig. 2) zur Deckung mit den Statorblechpäketen 10 bringt. Der Fluß ist dabei im Maximum. Nun wird beim Anlassen eines Dieselmotors z. B. mit Preßluft der Anker in die untere Extremlage gebracht, wobei die Ankerbleche 12 und die Statorpakete in voller Versetzung stehen. Hat hierbei die Kompression bereits ausgereicht, um im unteren Verdichtungsraum das vorher eingespritzte Gemisch zu zünden, so wird nun der Anker nach oben gedrückt, das Gemisch dort komprimiert und gezündet, worauf sich die Bewegung wieder umkehrt. Durch zweckmäßige Wahl der thermodynamischen Bedingungen und Formgebung des Luftspaltes unter Berücksichtigung der magnetischen Charakteristik des Kreises, Anbringen von Dampferwicklungen u. dgl. kann erreicht werden, daß eine praktisch sinusförmige Spannung in der Statorwicklung induziert wird. Die Berechnung erfolgt hierbei ähnlich der bei der Formgebung der Polschuhe von Synchronmaschinen, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Kolben keine konstante Geschwindigkeit wie das Polrad, sondern eine angenäherte sinusförmige Bewegung ausführt. Bei elektrischer Belastung der Anordnung wird es im allgemeinen notwendig sein, die Erregung dementsprechend zu verstärken.The mode of operation of the arrangement according to FIG. 1 is as follows: It is first the excitation coil 5 is connected to the direct current source via the choke 6 (Fig.1). A magnetic flux of force then flows through the stator and the armature, which the armature laminations 12 (Fig. 2) to coincide with the stator laminations 10 brings. The flow is at its maximum. Now when starting a diesel engine z. B. brought with compressed air the anchor in the lower extreme position, the anchor plates 12 and the stator cores are in full displacement. Has the compression here is already sufficient to produce the previously injected mixture in the lower compression chamber to ignite, the armature is now pushed upwards and the mixture is compressed there and ignited, whereupon the movement is reversed again. By appropriate choice of taking into account thermodynamic conditions and shape of the air gap the magnetic characteristics of the circuit, application of steam windings, etc. Like. Can be achieved that a practically sinusoidal voltage in the stator winding is induced. The calculation is similar to that for the shaping of the Pole shoes of synchronous machines, taking into account that the piston has no constant speed like the pole wheel, but an approximated sinusoidal one Movement. When the arrangement is electrically loaded, it generally becomes it may be necessary to increase the excitement accordingly.

Aus der Zeichnung gehen weitere für die Erfindung typische Merkmale hervor: Der Anker bildet den Kolben der thermodynamischen Maschine, der Stator den Zylinder. Die Blechpakete desselben wirken zugleich als Labyrinthdichtung. Der magnetische Luftspalt ist gleich dem Spiel zwischen Kolben und Anker. Die Wicklungen können hohl ausgeführt werden und dienen dann gleichzeitig als induzierte bzw. Erregerwicklung und bei Durchströmung mit einem Kühlmittel als Kühlanordnung (Speisewasservorwärmung) der Gesamtanordnung. Die Lagerstelle 4 in Fig.1 befindet sich an einer Stelle niedriger Temperatur. Bei Verwendung von Federn an Stelle der Waagebalken ist eine Lagerstelle im üblichen Sinne überhaupt nicht vorhanden wodurch die Reibungsverluste der Anordnung auf ein Minimum beschränkt werden. Eventuelle Leckverluste an der Labyrinthdichtung und Einführungsstelle der Waagebalken sammeln sich in dem Gehäuse 9 und können von dort abgeführt werden. Bei Betrieb als Dampfmaschine kann mit diesen Leckverlusten z. B. eine Vorwärmung des Speisewassers vorgenommen werden, oder sie können zum Antrieb einer Niederdruckturbine dienen.Further features typical of the invention can be seen in the drawing : The armature forms the piston of the thermodynamic machine, the stator the Cylinder. The sheet metal stacks of the same act at the same time as a labyrinth seal. The magnetic one The air gap is equal to the clearance between the piston and armature. The windings can are made hollow and then serve at the same time as an induced or excitation winding and when flowing through with a coolant as a cooling arrangement (feed water preheating) the overall arrangement. The bearing point 4 in Figure 1 is at a point lower Temperature. If springs are used instead of the balance beam, there is a bearing point not present at all in the usual sense, thus reducing the frictional losses of the arrangement be kept to a minimum. Possible leakage from the labyrinth seal and insertion point of the balance beam collect in the housing 9 and can of be discharged there. When operated as a steam engine, these leakage losses z. B. preheating of the feed water can be made, or they can be used for Serve drive a low pressure turbine.

Wenn der Kolben als Freiflugkolben ausgebildet wird, fallen die Waagebalken bzw. Federn weg. Der Kolben kann dann beispielsweise mit einem axialen wellenähnlichen Zapfen ausgeführt werden, der in entsprechenden Führungen gleitet, so daß der Kolben frei unter Aufrechterhaltung eines geringen und gleichmäßigen Luftspaltes in dem Zylinder hin und her bewegt werden kann.If the piston is designed as a free-flying piston, the balance beams fall or springs away. The piston can then, for example, with an axial shaft-like Pin are carried out, which slides in corresponding guides, so that the piston free while maintaining a small and even air gap in the Cylinder can be moved back and forth.

Die Arbeitstemperatur des ferromagnetischen Materials kann sehr hoch gewählt werden, muß aber selbstverständlich unterhalb des sogenannten Curiepunktes von 800° C liegen.The working temperature of the ferromagnetic material can be very high must of course be chosen below the so-called Curie point of 800 ° C.

Dies hat elektrisch den Vorteil, daß die magnetische Durchlässigkeit günstiger und damit die Erregerleistung kleiner wird; es hat weiter thermodynamisch den Vorteil eines wesentlich höheren Wirkungsgrades. Die sonst bei so hohen Temperaturen auftretende unzulässige Beanspruchung von Zylindern, Kolben und Schmieröl ist hier vermieden, da diese Beanspruchung von der Ummantelung 20 aufgenommen wird. Der Kolben kann, falls es nötig ist, über den Waagebalken 3 (Fig. 1) gekühlt werden. Zerstörung des Schmiermittels tritt nicht ein, da infolge Fehlens von Reibungsstellen ein Schmiermittel an den heißen Stellen nicht notwendig ist. Bei der hohen Temperatur werden sich die Enden des Statorblechpaketes 10 und die Ankerpakete 12 etwas ausdehnen. Dadurch wird der Luftspalt kleiner. Dies hat den Vorteil, daß bei hoher Belastung, bei der ja die hohe Temperatur auftritt, die Maschine mit kleinerem Luftspalt arbeitet, wodurch, thermodynamisch gesehen, geringere Leckverluste, elektrisch gesehen, ein geringerer magnetischer Widerstand zustande kommt. Durch geeignete Anordnung der Wicklungen kann in an sich bekannter Weise eine geringere Streuung erreicht werden.This has the electrical advantage that magnetic permeability cheaper and thus the excitation power is smaller; it has further thermodynamically the advantage of a much higher degree of efficiency. The otherwise at such high temperatures Occurring inadmissible stress on cylinders, pistons and lubricating oil is here avoided, since this stress is absorbed by the casing 20. The piston can, if necessary, be cooled via the balance beam 3 (Fig. 1). destruction of the lubricant does not enter, since there is a lubricant due to the lack of friction points is not necessary in the hot spots. At high temperature will be the ends of the stator core 10 and the armature core 12 expand somewhat. Through this the air gap becomes smaller. This has the advantage that at high loads, when yes the high temperature occurs, the machine works with a smaller air gap, whereby, from a thermodynamic point of view, lower leakage losses, from an electrical point of view lower magnetic resistance comes about. By suitable arrangement of the Windings, a lower scatter can be achieved in a manner known per se.

Um eine Drehstrommaschine zu erhalten, können drei Einphasensysteme angeordnet werden, die in einem der Phasenverschiebung entsprechenden Takt arbeiten. Mit besonderem Vorteil wird in einem solchen Fall wenigstens ein Teil des Kraftlinienweges der einzelnen Systeme gemeinsam gemacht, so daß sich eine magnetische Verkettung ergibt. Hierzu kann man beispielsweise den Aufbau eines dreischenkligen Drehstromtransformators wählen und in jedem Schenkel einen beweglichen Anker anordnen, wobei die Bewegung dieser Anker mit der dem zu erzeugenden Wechselstrom entsprechenden Frequenz- und Phasenverschiebung durchgeführt wird. Die drei Schenkel können hierbei auch im Dreieck angeordnet werden, wobei auch eine mechanische Verbindung der einzelnen Kolben, beispielsweise mit Hilfe eines taumel.s.cheibenähnlichen Elements möglich ist. Neben solchen Ausführungsmöglichkeiten lassen sich noch mannigfaltige Abänderungen treffen. Die Zahl der Zylinder kann insbesondere für Maschinen höherer Leistung beliebig groß gewählt werden. Hierbei können mehrere Zylinder in einem Eisenkreis hinsichtlich des magnetischen Kraftflusses in Reihe angeordnet werden. In der Regel ist es jedoch günstiger, jedem Zylinder einen besonderen magnetischen Kreis zuzuordnen, die jedoch unter Umständen auch miteinander verkettet sein können.To get a three-phase machine, three single-phase systems can be used are arranged, which work in a clock corresponding to the phase shift. In such a case, at least part of the force line path is particularly advantageous of the individual systems made together, so that there is a magnetic linkage results. For this one can, for example, build a three-legged three-phase transformer choose and place a movable armature in each leg, with the movement this armature with the frequency and frequency corresponding to the alternating current to be generated Phase shift is carried out. The three legs can also be in a triangle be arranged, with a mechanical connection of the individual pistons, for example with the help of a taumel.s. disc-like element is possible. Next to Various modifications can still be made to such design options. The number of cylinders can be arbitrary, especially for machines with higher performance be chosen large. Here, several cylinders in an iron circle can be used of the magnetic flux are arranged in series. As a rule, however, it is cheaper to have a special magnetic circuit for each cylinder assign, which, however, can also be linked to one another under certain circumstances.

Selbstverständlich kann die Anordnung auch in Umkehrung betrieben werden und dann als Kompressor arbeiten. Von besonderem Vorteil kann es sein, durch Änderung der Steuerung entweder als Dampf- oder als Verbrennungskraftmaschine den Rhythmus und damit die Periodenzahl zu ändern. So können z. B. derartige Anordnungen als Schiffsgeneratoren benutzt werden, wobei die Propellermotoren mit veränderlicher Frequenz gespeist werden. Selbstverständlich sind neben der gezeichneten Anordnung noch mannigfaltige Abänderungen des magnetischen Kreises, Ankers usw. möglich. Insbesondere können die Ankerblechpakete als Schaufeln des Laufrades einer Dampf- oder Gasturbine ausgebildet sein, während die Statorbleche die Leitschaufeln darstellen.Of course, the arrangement can also be operated in reverse and then work as a compressor. It can be of particular advantage through Change the control either as a steam engine or as an internal combustion engine To change the rhythm and thus the number of periods. So z. B. such arrangements be used as ship generators, the propeller motors with variable Frequency are fed. Of course, in addition to the arrangement shown Diverse modifications of the magnetic circuit, armature, etc. are still possible. In particular can use the armature cores as blades of the impeller of a steam or gas turbine be formed, while the stator laminations represent the guide vanes.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Thermal-electric alternator, thereby characterized in that at least individual essential structural elements both are thermodynamically as well as electrically effective.

2. Machine according to claim 1, characterized characterized in that in a magnetic circuit a moving one, when moving the flux of force lines in the circle influencing part is provided, which at the same time Piston or impeller forms the thermodynamic part of the machine.

3rd machine according to claim 2, characterized in that the movable part during its movement periodically changes the reluctance of the magnetic circuit.

4. Machine according to claim 3, characterized in that the movable part on the magnetic Circle a magnetomotive force with a periodically changing coupling ratio transmits.

5. Machine according to claim 1 to 4, characterized in that the movable Part as a reciprocating piston within at least part of the magnetic circuit self-formed cylinder is movably arranged with play.

6. Machine according to claim 1 to 5, characterized in that the armature and magnetic circuit are designed so that the gap existing between the two is a labyrinth seal represents.

7. Machine according to claim 6, characterized in that two such Pistons are connected to one another in opposite directions via horizontal bar-like levers.

8. Machine according to claim 7, characterized in that the lever is designed in the manner of a spring is.

9. Machine according to claim 6, characterized in that the piston is a free-flight piston is trained.

10. Machine according to claim 6 to 9 for the generation of multiphase electricity, characterized in that a number of pistons corresponding to the number of phases is arranged in a clock corresponding to the phase shift within each a separate, expediently magnetically linked path of force lines with the other be moved.

11. Machine according to claim 1 to 10, characterized in that the excitation winding is arranged in the stationary part of the alternator.

12. Machine according to claim 11, characterized in that the excitation with the aid a stationary winding that surrounds the moving part takes place.

13. Machine according to claim 1 to 12, characterized in that the working temperature as possible high, in particular just below the Curie point is chosen.

14. Machine after Claims 1 to 13, characterized in that the stator is supported on all sides by a supporting structure made of refractory material of high mechanical strength and high heat resistance is surrounded.

15. Machine according to claim 1 to 14, characterized by the training as a piston steam engine.

16. Machine according to claim 1 to 14, characterized by training as a combustion engine.

17. Machine according to claim 1 to 14, characterized through training as a pulverized coal engine.

18. Machine according to claim 1 to 17, characterized in that the electrical windings are at least partially hollow are executed and are flowed through by a coolant.

19. Machine according to claim 1 to 18, characterized in that the hollow windings are used to preheat the working medium. Considered publications: German Patent Nos. 223 871, 544 908, 451 236, 496 658; French patents nos. 691477, 842 073.