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Elektrische Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische
Maschine mit einem Rotor, der aus mehreren magnetisierbaren und- auf einer Welle
mit Abstand angeordneten Scheiben besteht, die zusammen mit einem Stator mindestens
einen ausschließlich achsparallel und in den axial hiervon liegenden magnetischen
Rückschlußteilen einen quer zur Achse verlaufenden Magnetkreis bilden, der Ankerspulen
und Quellen magnetomotorischer Kraft enthält, wobei in dem durch die Rotorscheiben
gebildeten Teil des Magnetkreises ringförmige Anordnungen von in Umfangsrichtung
gleichmäßig beabstandeten und durch Ab-
schnitte höheren magnetischen Widerstandes
getrennten sektorförmigen magnetisierbaren Teilen vorgesehen sind.
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Umlaufende elektrische Maschinen dieser Art mit einem scheibenförmigen
Läufer und axialem Luftspalt sind insbesondere aus den Anfängen der Entwicklung
elektrischer Generatoren bekannt. Eine derartige bekannte Induktormaschine enthält
beispielsweise einen Permanentmagneten, zwischen dessen aufeinander zu gerichteten
Polen mit Ab-
stand mehrere Scheiben aus nichtmagnetisierbarem Material drehbar
angeordnet sind, in die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Schlußstücke aus
unterteiltem Eisen eingelassen sind und die einen feststehenden Anker mit Ankerwicklung
axial einschließen. Beim Umlaufen der Scheibe wird der die Ankerwicklungen durchsetzende
Magnetfluß periodisch durch die zwischen den Magnetpolen durchlaufenden Schlußstücke
geändert, so daß in der Wicklung eine entsprechende Spannung induziert wird. Es
ist bei solchen Maschinen auch bekannt, die Flußänderung dadurch zu vergrößern,
daß die Kraftlinien zunächst außerhalb des die Ankerwicklungen durchsetzenden Magnetkreises
geschlossen werden. Hierzu sind an den Magnetpolen noch zwei zusätzliche Polstücke
befestigt, die durch eine zwei ' te Reihe von auf der umlaufenden Scheibe
angeordneten Eisenstücken magnetisch geschlossen werden können. Diese Eisenstücke
liegen dabei winkelmäßig auf Lücke mit den ersterwähnten Schlußstücken.
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Es ist ferner eine Maschine zum Erzeugen von Wechselstrom oder intermittierendem
Gleichstrom bekannt, bei der zwischen den Statorpolen und den Rotorpolen besondere
Eisenkörper vorbeigeführt werden, welche abwechselnd den magnetischen Fluß zwischen
gegenüberliegenden Stator- und Rotorpolen oder zwischen zwei benachbarten Statorpolen
schließen, um im Rotor eine möglichst starke Flußänderung zu erzeugen.
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Eine weitere, ebenfalls seit sehr langem bekannte elektrische Maschine
enthält einen langgestreckten Magnetkreis, der parallel zur Maschinenachse verläuft,
und auf der Welle ist eine Reihe von axial im Abstand stehenden Scheiben angeordnet.
Ferner ist eine Anzahl von Spulen vorhanden, die von einem elektrischen Strom durchflossen
werden, und in weiteren Spulen, die bei der Drehung der Maschinenwelle vorbeigeführt
werden, eine elektrische Spannung erzeugen.
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Die Erfindung schließt an diese seit der Jahrhundertwende nicht mehr
weiterverfolgte Entwicklungsrichtung an und hat zur Aufgabe, eine elektrische Maschine
des eingangs erwähnten Typs anzugeben, die sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad,
einen geringen Streulluß und einen geringen Eisenaufwand pro Leistungseinheit auszeichnen.
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Eine elektrische Maschine dieser Art ist gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß jeder die Rotorscheiben axial mindestens zweifach in entgegengesetzter
Richtung durchdringende Magnetkreis jeweils axial zwischen den Scheiben ringförmig
um die Welle angeordnete Gruppen von gleich beabstandeten, feststehenden sektorförmigen
Körpern als Magnetkerne für die Ankerspulen und die Quellen magnetomotorischer Kraft
aufweist und daß sowohl die Ankerspulen als auch die Quellen magnetomotorischer
Kraft
längs der achsparaUelen Bereiche des Magnetkreises entsprechend der Anzahl der einander
zugeordneten feststehenden und umlaufenden Elemente periodisch verteilt angeordnet
sind.
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Der Einfachheit halber wird die Erfindung ün folgenden an Hand von
elektromagnetischen Generatoren erläutert; sie läßt sich jedoch auch auf Motoren
und elektromechanische Steuereinrichtungen anwenden. Eine elektrische Maschine gemäß
der Erfindung soll also einen langgestreckten Magnetkreis oder mehrere derartige
Kreise enthalten, die größtenteils parallel zu der Welle und zu ihr nahe benachbart
verlaufen, so daß der magnetische Fluß (mit Ausnahme des Streuffusses) des Kreises
von den Scheiben durchsetzt wird. Der Magnetkreis wird durch ein magnetisches Material,
wie beispielsweise Eisen, Stahl oder Ferrite, gebildet, das um die Welle herum und
zwischen den Scheiben angebracht ist, so daß die magnetischen Kraftlinien parallel
und nahe benachbart zur Welle verlaufen. In diesem Magnetkreis sind bestimmte Diskontinuitäten,
beispielsweise Luftspalte, zwischen den rotierenden und feststehenden Teilen angebracht,
und es sind Schichten aus Isoliennaterial vorhanden. Die Scheiben besitzen, wie
aus dem folgenden noch besser ersichtlich ist, magnetische Sektoren. Keine dieser
Diskontinuitäten- unterbricht den magnetischen Fluß, je-
doch wird durch diese
Diskontinuitäten ein zusätzlicher magnetischer Widerstand in dem Magnetkreis gebildet.
Die magnetischen Kraftlinien verlaufen in bestimmten Bereichen in der einen Richtung
und in anderen Bereichen in der umgekehrten Richtung, und der Magnetkreis bzw. die
Magnetkreise sind an beiden Enden durch einen verhältnismäßig kurzen gekrümmten
Teil aus magnetisierbarem Material geschlossen. Die Scheiben enthalten Sektoren
aus magnetischem Material, die von den Scheiben winkelmäßig beabstandet getragen
werden und sich in der Axialrichtung durch die Scheiben hindurch erstrecken. Diejenigen
transversalen Oberflächen des Magnetkreises, die den Oberflächen der Scheiben benachbart
liegen, sind mit einem gleichartigen Satz von winkelmäßig beabstandeten magnetischen
Sektoren versehen, so daß in einem vorgegebenen Bereich des Magnetkreises oder der
Magnetkreise eine Drehbewegung der Scheiben eine Verschiebung der beweglichen Sektoren
gegenüber den feststehenden Sektoren hervorrufen, so daß diese beiden Sektorenarten
abwechselnd nebeneinander liegen und nicht nebeneinander liegen.
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In dem Magnetkreis wird ein magnetisches Feld durch Quellen von magnetomotorischer
Kraft aufrechterhalten, die entweder auf den Scheiben befestigt oder in den Zwischenräumen
zwischen den Scheiben befestigt sein können. Welche dieser beiden Möglichkeiten
man wählt, hängt davon ab, ob die betreffende Maschine als eine Maschine mit beweglichen
Polen oder als eine Induktormaschine arbeiten soll. Jede Quelle von magnetomotorischer
Kraft kann entweder aus einer Spule oder aus einem permanenten Magneten bestehen.
Wenn die Maschine als Generator arbeiten soll, werden Ankerspulen zwischen die Scheiben
in rechtwinkelig zu den magnetischen Kraftlinien verlaufenden Ebenen angeordnet,
wobei die Spulen diese Kraftlinien umschließen und den Ausgangsstrom führen. Wenn
ein Ausgangsgleichstrom gewünscht wird, werden Gleichrichter zwischen den Spulen
in die Zwischenräume zwischen den Scheiben eingefügt. Die erfindungsgemäße Maschine
eignet sich besonders für Anordnungen, bei denen der Ausgangswechselstrom in kleinen
Teilen und nicht im ganzen gleichgerichtet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf eine besondere Art des zeitlichen Verlaufs
des magnetischen Flusses beschränkt. Beispielsweise erzeugt ein Generator mit beweglichen
Polen allgemein einen magnetischen Fluß, dessen Richtung veränderlich ist, um eine
maximale Amplitude zu erhalten. Induktor-Generatoren erzeugen dagegen einen Fluß
stets gleicher Richtung, der entweder ein pulsierender Fluß sein kann,
d. h. der seine Intensität abhängig von der Zeit ändert oder innerhalb eines
bestimmten Kreisbogens vorwärts und rückwärts schwingt oder um die Achse des Generators
rotiert. Beim Generator gemäß der Erfindung werden diese Schwankungen durch geeignete
Anordnung des Magnetkreises oder der Magnetkreise und der magnetischen Sektoren
und Ankerspulen erzeugt. Wenn die beweglichen Sektoren und die feststehenden Sektoren
nahe benachbart liegen, ist der magnetische Fluß in dem betreffenden Teil des Magnetkreises
ein Maximuni und nimmt ab, wenn die beweglichen Sektoren sich von den feststehenden
Sektoren entfernen.
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Im allgemeinen wird die Welle mit den auf ihr befestigten Scheiben
umlaufen, während der Rest der Einrichtung stillsteht. Jedoch kann die Erfindung
auch dann angewendet werden, wenn der erwähnte Rest der Einrichtung im umgekehrten
Sinne als die Welle rotiert oder wenn die Welle stillsteht und lediglich der Rest
der Einrichtung im umgekehrten Sinne umläuft.
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Der erfindungsgemäße Generator eignet sich für die Erzeugung großer
Leistungen und kann sowohl für hohe wie für niedrige Spannungen verwendet werden.
Im allgemeinen ist die Erfindung für die Erzeugung.niedriger Spannungen gut geeignet,
beispielsweise für Zwecke der Elektrolyse. Für den Fall der Erzeugung hoher Spannungen,
beispielsweise für die Übertragung elektrischer Leistungen auf größere Entfernungen
oder für die Beschleunigung von geladenen Teilchen, wird der Generator vorzugsweise
durch die Einführung von Isoherschichten in den Magnetkreis, wie an anderer Stelle
vorgeschlagen worden ist, ergänzt.
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Bei der Erfindung wird ein bzw. werden mehrere Magnetkreise für die
Umwandlung von Energie zwischen ihrer mechanischen und ihrer elektrischen Form verwendet,
und in jeden Magnetkreis werden mehr als eines und gegebenenfalls sehr viele bewegte
mechanische Elemente eingefügt, so daß die mechanische Energie, welche umgewandelt
werden soll, in möglichst viele der Magnetkreise eingeführt wird . Bei einer
Ausführungsform der Erfindung sind die bewegten mechanischen Elemente voneinander
durch Einführung von transversalen Isolierschichten in die Magnetkreise isoliert.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Einfügung einer magnetomotorischen Kraft
in den Magnetkreis an mehreren Stellen, so daß der erhöhte magnetische Widerstand,
welcher von den Isolierschichten und von den Luftspalten zwischen den gegeneinander
bewegten Teilen herrührt, berücksichtigt werden kann. Außerdem betrifft die
Erfindung auch die Einführung von Ankerspulen, welche mit dem Magnetkreis an vielen
Stellen verkettet sind, so daß jede, Ankerspule einen Teil des Magnetkreises in
ihrer Nähe umschließt.
F i g. 1 ist ein abgewickelter zylindrischer
Schnitt .eines Induktor-Generators mit vielen Scheiben, der das Prinzip der Erfindung
erkennen läßt; F i g. 2 ist ein Schnitt durch den Rotor und die Welle längs
der Linie 2-2 in F i g. 1;
F i g. 3 ist ein Schnitt durch den Statorzahn
des Generators nach F i g. 1, und zwar längs der Linie 3-3 in F i
g. 1;
F i g. 4 ik ein Schnitt durch den Anker des Generators nach F
i g. 1, und zwar längs der Linie 4-4 in Fig. 1;
F i g. 5 ist
eine gleichartige Ansicht wie in F i g. 1
und zeigt einen Generator gemäß
der Erfindung mit bewegter Spule und vielen Scheiben; F i g. 6 ist eine Ansicht
eines in bekannter Weise aufgebauten Generators mit zwei Polen für Wechselstrom;
F i g. 7 ist eine Seitenansicht einer isolierenden Welle für einen Hochspannungsgenerator
mit vielen Scheiben nach F i g. 1 bis 4 und ist teilweise als zentraler Längsschnitt
ausgeführt; F i g. 8 ist ein Längsschnitt, welcher einen vorläufigen Entwurf
eines Tandem-Beschleunigers mit drei Stufen darstellt, der durch zwei elektromagnetische
Generatoren der in F i g. 1 bis 4 dargestellten Art mit Energie versorgt
wird und für 10 000 kV
Gleichstrom und 200 kW bemessen ist; F i
g. 9 ist ein vergrößerter Querschnitt durch den Beschleuniger nach F i
g. 8, und F i g. 10 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäß aufgebauten
Hochspannungsgenerators für dreiphasigen Wechselstrom für die Fernübertragung von
elektrischer Energie.
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Gemäß F i g. 1 bis 4 enthält der Generator eine Welle
1, auf der eine Mehrzahl von Scheiben 2 angebracht ist. In der Einrichtung
gemäß Fig. 1 bis 4 sind drei Magnetkreise vorhanden, von denen einer in F
i g. 1 dargestellt ist und aus Paaren von Statoren 3
und Endteilen
4 besteht. Zwei Paare von Statoren 3
sind zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden
Scheiben 2 angebracht, wobei die Richtung des magnetischen Flusses in dem einem
Statorpaar in der einen und in dem anderen Statorpaar stets in der umgekehrten Richtung
verläuft. Innerhalb jeder Scheibe 2 befinden sich Sektoren 5 aus magnetischem
Material, welche winkelmäßig beabstandet und symmetrisch um die Achse der Welle
1 angeordnet sind. Der Rest der Scheibe 2 kann, um Wirbelstromverluste zu
vermeiden, aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus geschichtetem
Fiberglas, bestehen. Die transversalen Oberflächen des Stators 3
und der Endteile
4, welche den transversalen Flächen einer Scheibe 2 gegenüberliegen, sind mit sektorförmigen
Zähnen 6 versehen, deren Endflächeil mit den Sektoren 5 in den Scheiben
2 übereinstimmen. Die Zähne 6 sind winkelmäßig um die Achse der Welle
1 beabstandet, sind jedoch um diese Achse nicht symmetrisch angeordnet, sondern
die Zähne 6
zweier Statorpaare 3 zwischen aufeinanderfolgenden Scheibenpaaren
2 in jedem Magnetkreis sind winkelmäßig verschoben derart, daß, wenn die Sektoren
5
in den Scheiben 2 sich mit den Zähnen 6 des einen Stators
3 in jedem Paare decken, keine Sektoren 5
mit den Zähnen
6 des anderen Stators 3 in Deckung sind. Bei Drehung der Welle
1 schwingt also der magnetische Fluß in dem Magnetkreis zwischen den beiden
Statoren 3 jedes Paares. Die Sektoren 5 der Scheiben 2 sind in Deckung
miteinander, und die Zähne 6 der Statoren 3 sind axial, jedoch nichtwinkehnäßig
ihnen gegenüber versetzt.
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Ankerspulen 7 sind um die einzelnen Statoren 3
herumgewickelt,
so daß der magnetische Fluß, der mit diesen Spulen verkettet ist, sich ebenso verändert
wie der magnetische Fluß, der von einem Stator 3
zum anderen schwingt. In
jeder Ankerspule 7 wird somit eine elektromotorische Kraft erzeugt. Für die
Erzeugung einer hohen Spannung werden, wie vorgeschlagen, Spulen aus Isoliermaterial,
beispielsweise aus Polyester, in den Magnetkreis eingefügt. Gemäß F i
g. 1 bis 4 werden vier solche Lagen 8 in jedem Stator 3 vorgesehen
und dienen zur elektrischen Trennung von drei Ankerspulen 7 und zwei Feldspulen
9,
die im folgenden noch erwähnt werden. Jede Ankerspule 7 ist daher
zusammen mit den gegebenenfalls an sie angeschlossenen Gleichrichtern oder
zusammen mit den ihr anderweitig angebauten Apparaten elektrisch unabhängig von
dem Rest der dargestellten Einrichtung und stellt eine Le#istungseinheit dar. Wenn
dabei beispielsweise in einer solchen Ankerspule 10 kV erzeugt werden, kann
sie so bemessen werden, als wenn es sich lediglich um die Erzeugung von
10 kV handeln würde, d. h. daß auf den Rest der Einrichtung keine
Rücksicht genommen zu werden braucht. Da die Leistungseinheiten praktisch alle gleich
ausgeführt sind, lassen sie sich sowohl in Serienschaltung für die Erzeugung einer
hohen Spannung oder in Parallelschaltung für die Erzeugung einer niedrigen Spannung
oder - in Serien-Parallel-Schaltung für die Erzeugung von mittleren Spannungen
verwenden. Wenn die Ankerspulen 7 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scheiben
2 alle schraubenlinienartig in Reihe geschaltet sind, so daß die untere Ankerspule
7 eines Stators 3 in Reihe mit der unteren Ankerspule 7 des
nächstfolgenden Stators 3 usw. liegt und der Stromkreis dann über die mittleren
Ankerspulen aller zwölf Statoren und sodann über die oberen Ankerspulen dieser zwölf
Statoren verläuft, können 360 kV zwischen je zwei aneinandergrenzenden
Scheiben 2 erzeugt werden, und die Ausgangsspannung des ganzen Generators wird dann
360 - (n - 1) kV, wobei n die Zahl der Scheiben 2 ist.
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Wenn eine Gleichspannung gewünscht wird, können einer oder mehrere
Gleichrichter 10 in Reihe mit jeder Ankerspule 7 geschaltet werden,
so daß jedes dieser Gleichrichtersysteme 10 unter den oben gemachten Voraussetzungen
nur 10 kV führt. Die Spannungsschwankungen können dadurch verkleinert werden,
daß man die Phasenlage jedes Magnetkreises mit Bezug auf die Phasenlage der beiden
anderen Kreise geeignet verschiebt, was gemäß F i g. 1 bis 4 in der folgenden
Weise geschieht: Statt die drei Magnetkreise symmetrisch um die Achse der Welle
1
herum anzuordnen, werden die Zähne 6 der Sektoren 3 von zweien
der drei Magnetkreise winkelmäßig um einen kleinen Betrag gegeneinander in umgekehrten
Richtungen versetzt. Eine gleichartige winkelmäßige Versetzung in einem entsprechenden
Generator ohne Gleichrichter führt zu einem dreiphasigen Ausgangswechselstrom.
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Mittels der Feldspulen 9 wird eine magnetomotorische Kraft
in jeden Magnetkreis eingefügt. Diese Fel,dspulen 9 werden an vielen Stellenin
dem Magnetkreis vorgesehen und kompensieren daher den magnetischen Widerstand, der
in den Magnetkreisen durch die isolierenden Schichten 8 und durch die Luftspalte
zwischen den Scheiben 2 und den Statoren 3
sowie den Endstücken
4 entsteht. Die Spannung zur Erregung der Feldspulen 9 kann in an sich bekannter
Weise von Erregerspulen 11 bezogen werden (s. F i g. 1 und
3).
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Der Generator gemäß F i g. 1 bis 4 ist ein Induktor-Generator.
Die Erfindung ist in gleicher Weise nicht nur «uf andere Bauarten von Induktor-Generatoreil
anwendbar, sondern auch auf Generatoren mit bewegten Polen oder bewegten Spulen.
Eine Ausführungsform eines Generators -mit bewegten Polen ist in F i g. 5
dargestellt. Dieser Generator enthält eine nicht dargestellte Welle, auf der eine
Mehrzahl von Scheiben 12 -angebracht ist. Wie bei der Einrichtung nach F
i g. 1 bis 4 ist auch bei dem Generator nach F i g. 5 eine Mehrzahl
von Magnetkreisen vorgesehen, jedoch ist im Gegensatz zu den drei Magnetkreisen
bei der Ausführungsforin nach F i g. 1 bis 4 in dem Generator nach F i
g. 5 eine größere Zahl von Magnetkreisen vorgesehen, von denen in F i
g. 5 vier Kreise dargestellt sind, deren jeder Statoren 13 und serienmäßig
angeordnete Endstücke 14 enthält. Innerhalb jeder Scheibe 12 sind Sektoren
15 aus magnetischem Material vorhanden, welche winkelmäßig syrnmetrisch um
die Achse der Welle versetzt sind und eine den Statoren 13 ent# sprechende
Form aufweisen. Diese Sektoren 15
müssen magnetisiert werden und müssen somit
entweder aus einem permanentinagnetischen Material, beispielsweise aus Ferrit oder
einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehen, oder es muß je eine Feldspule
16 vorgesehen werden. Die Sektoren 15
jeder Scheibe 12 decken
sich sowohl bezüglich ihrer Winkellage als auch bezüglich ihrer magnetischen Orientierung
mit den Sektoren der anderen Scheiben 12, so daß bei Rotation der Welle der magnetische
Fluß in jedem der Magnetkreise zwischen einem Maximum. in der einen Richtung und
einem Maximum in der entgegengesetzten Richtung schwankt. Die Ankerspulen
17 sind mit den Statoren 13 magnetisch verkettet, und im übrigen stimmt
die Ausführungsform nach F i g. 5 im wesentlichen mit derjenigen nach F i
g. 1 bis 4 überein. Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 stehen die
Ankerspulen fest, während die Feldspulen umlaufen, jedoch kann auch die umgekehrte
Anordnung getroffen werden.
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Das Verständnis der Erfindung läßt sich durch Vergleich des Generators
nach F i g. 5 mit einem gewöhnlichen Generator mit bewegten Spulen, beispielsweise
mit dem in F i g. 6 schematisch dargestellten Generator, erleichtern, Die
üblichen elektrischen Maschinen werden größtenteils mit einem zylindrischen Rotor
gebaut, wie aus dem in F i g# 6
dargestellten Beispiel bei 18 ersichtlich
ist, während die Erfindung von einer Reihe von räumlich nahe benachbarten, aber
in Abständen angeordneten Scheiben (12 in F i g. 5) Gebrauch macht, die auf
einer umlaufenden Welle befestigt sind. Bei den bekannten Maschinen arbeitet ein
einziger Magnet" kreis auf nur einem beweglichen Teil, nämlich dein zylindrischen
Rotor 18, während gemäß der Erfindung jeder einzelne Magnetkreis auf einer
Mehrzahl von beweglichen Elementen wirkt, dämlich den verschiedenen Scheiben 12.
Bei einer gewöhnlichen Maschine wird nur ein Teil des Mggnetkreises voll ausgenutzt,
da die magnetischen Kraftlinien nicht auf den unmittelbaren Bereich ihrer Nutzbarmachung
beschränkt sind, sondern einen erheblichen Weg_ durchlaufen müssen, um einen_ geschlossenen
Kreis zu bilden. Beispielsweise ist in einem großen Turbogenerator allein der rohrförmige
Bereich. zwischen den Rotorzähnen 19 und den Statorzähnen 20 magnetisch nutzbar
gemacht, während lange magnetische Flußlinien im Rotorkörper 18 und im Statorkern
21 (F i g. 6) erforderlich sind. Manche große Turbogeneratoren der üblichen
zylindrischen Bauart haben magnetische Kraftlinien bis zu drei oder mehr Meter Länge.
Gemäß der Erfindung tritt *demgegenüber praktisch in dem ganzen Bereich des Magnetkreises
eine nützliche Wirkung auf.
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Diese Verhältnisse können auch folgendermaßen betrachtet werden: Das
der induzierten Wicklung unmittelbar benachbarte Eisen des Ankers und der Rotorzähne
stellt bei der Anordnung nach F i g. 6
nur einen kleinen Bruchteil der gesamten
Eisenmenge bekannter Generatoren dar. Im Vergleich hierzu zeigt F i g.
5, daß das Eisen in den Rotor-und Statorzähnen beim erfindungsgemäßen
Vielscheibengenerator den weitaus größten Teil des Eisens darstellt. Eine erfindungsgemäße
Anordnung mit vielen Scheiben macht es also möglich, die je
Kilowatt Ausgangsleistung
erforderliche Eisemnenge erheblich zu verkleinern.
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Die Scheiben 12, welche für alle Ausführungsformen der Erfindung kennzeichnend
sind, sind in zueinander parallelen Ebenen analog zu den sogenannten Äquipotentialebenen
eines elektrostatischen Bandgenerators angeordnet, der speziell für die Erzeugung
hoher Spannungen gebaut ist. Durch die Verwendung derartiger Aquipotentialebenen
wird also das elektrische Feld in diejenige Form gebracht, die sich für hohe Spannungen
besonders eignet. Durch die Erfindung wird also dieses elektrische Feldbild solcher
elektrostatischen Hochspannungsgenefatoren benutzt, und die entsprechenden Einheiten
können sehr dicht aufeinander aufgeschichtet werden, so daß praktisch das gesamte
Volumen der Einrichtung zur Energieübertragung verwendet wird. Die mechanische Energie
wird durch Antrieb der Scheiben, die in Äquipotentialebenen liegen und durch isolierende
magnetische Keine getrennt sind, eingeführt. Der magnetische Streufluß längs der
Achse der Maschine wird durch Einfügung von magnetomotorischen Kräften an vielen
Stellen vermieden, ebenso wie die mechanische Energie an vielen Stellen längs der
Achse der Welle eingeführt wird. In gleither Weise werden Ankerspulen an vielen
Stellen für die Erzeugung der elektrischen Energie vorgesehen.
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Für die Erzeugung einer elektrischen Leistung bei hoher Spannung gemäß
der Erfindung ist die Ausbildung der Welle, auf der die Scheiben gemäß F i
g. 1 bis 4 angebracht sind, von wesentlicher Bedeutung, Diese Welle muß nicht
nur mechanisch fest sein, _sondern auch elektrisch sehr gut isolieren. Eine für
die Erzeugung hoher Spannungen gemäß der Erfindung geeignete Welle ist in F i
g. 7 dargestellt. Die Scheiben 2 der Einrichtnug nach F i g. 1 bis
4 sind auf dicken Metallgliedern 22 angebracht, welche voneinander durch eine Reihe
von dünnen Metallscheiben 23 und Isolierschichten 24 aetrennt sind (s. auch
F i g. 2), Die Welle 1 endet an jeder Seite in einem Metallzylinder
25, die von den benachbarten dicken Metallgliedem 22 in derselben Weise getrennt
sind, in welcher die aufeinanderfolgenden dicken Metallglieder voneinander getrennt
werden. Je spitzer der Winkel der Auswölbungen gewählt
wird, desto
größer ist die mechanische Festigkeit. Die Metallglieder 22 und 23 sind für
die mechanische Festigkeit verantwortlich und können aus einem Stahl hoher Qualität
gefertigt werden. Die Isolierschichten 24 bewirken die elektrische Isolation und
können beispielsweise aus geschichtetem Fiberglas bestehen, wobei Schichten von
Fiberglas mit einem Epoxyharz imprägniert werden.
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Bei der Welle gemäß der Erfindung verläuft das elektrische Feld senkrecht
zu der Richtung der Schichten der Ioslierlagen 24, so daß eine maximale Isolation
gewährleistet ist. Außerdem führt ein Biegemoment zu einer senkrecht auf die Schichten
wirkenden Kraft. Die Welle hat also annähernd die mechanischen Eigenschaften von
Metall und nicht diejenigen der Isolierschicht 24.
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Die erfindungsgemäße Welle zeigt auch eine gute Überschlagsfestigkeit,
da der Abstand zwischen den Äquipotentialebenen am Umfang der Welle nicht beeinflußt
wird. Außerdem ist die Dicke der Metallglieder 25 am Umfang der Welle sehr
gering, so daß nur die Dicke der Metallglieder 22 die Überschlagsfestigkeit in der
Längsrichtung der Welle verinindert und diese Verminderung nur etwa ein Fünftel
beträgt. Außerdem wird bei einer Welle gemäß der Erfindung die Spannung unterteilt,
und die Welle eignet sich daher gut zur Bildung von Schutzfunkenstrecken an vielen
Stellen als Schutz gegen Überspannungen. Außerdem enthält die Welle gemäß der Erfindung
Mittel zu ihrem Anschluß an den übrigen Teil des Generators, während in einem elektrostatischen
Bandgenerator beispielsweise Spannungsteilerwiderstände erforderlich sind, da das
Band nicht unmittelbar zur Beeinflussung der Potentialverteilung längs der Säule
benutzt werden kann. Außerdem stellt der feste Isolator der Welle ein in elektrischer
Hinsicht sehr zuverlässiges Bauelement dar, weil die Kanteneffekte sehr klein werden
und der Spannungsgradient senkrecht zu den Schichten verläuft und die Gesamtspannung
an jeder einzelnen dieser Schichten gering ist.
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In F i g. 8 und 9 ist als Anwendungsgebiet der Erfindung
eine vorläufige Form für einen Hochspannungsgenerator für 30 MV mit drei
Stufen zur Teilchenbeschleunigung dargestellt. Dieser Beschleuniger ist an anderer
Stelle vollständig beschrieben und nicht Gegenstand der Erfindung. Für das Verständnis
der vorliegenden Erfindung genügt es, festzustellen, daß die Anordnung nach F i
g. 8 und 9 eine negative Hochspannungsklemme 26 innerhalb eines
Behälters 28, der mit einem unter Druck stehenden isolierenden Gas gefüllt
ist, enthält. Eine evakuierte Beschleunigerröhre 29 durchsetzt die ganze
Einrichtung und wird von den zu beschleunigenden Teilchen durchlaufen. Neutrale
Teilchen werden in das Beschleunigerrohr 29 auf der linken Seite der F i
g. 8
eingeführt und wandern in die negative Hochspannungsklemme
26, innerhalb der einige dieser Teilchen negativ geladen werden. Diese negativ
geladenen Teilchen werden dann in der Beschleunigerröhre 29 in Richtung der
positiven Hochspannungsklemme 27 beschleunigt, in welcher einige dieser Teilchen
positiv geladen werden und dann durch den übrigen Teil der Beschleunigerröhre
29 hindurch beschleunigt werden. Jede der Hochspannungsklemmen
26 und 27 kann durch einen Hochspannungsgenerator gemäß der Erfindung,
beispielsweise mit einer Einrichtung gemäß F i g. 1 bis 4, auf einer hohen
Spannung gehalten werden. Die Säule des Beschleunigers nach F i g. 8 ist
teilweise aufgebrochen gezeichnet, um einen dieser Hochspannungsgeneratoren
30 sichtbar zu machen, dessen Welle durch einen geeigneten Motor, wie bei
31 gezeigt, angetrieben wird. Man sieht, daß die Größe die Form und die Konstruktion
des erfindungsgemäßen Generators sich sehr gut für einen derartigen Beschleuniger
eignen und -den Aufbau eines Beschleunigers, in dem eine sehr hohe Gleichspannung
wirksam wird, von bisher nicht erreichter Ausgangsleistung , ermöglichen.
Der Generator 30 der Einrich tung nach F i g. 8 und 9 kann für
10 000 kV ausgelegt werden mit einer Ausgangsleistung von 200 kW. Die hohe
Spannung und die hohe Leistung dieses Beschleunigers sind nicht nur für Kernuntersuchungen,
sondern auch für die Herstellung von Radioisotopen in großem Maßstab verwendbar.
In diesem Zusammenhang soll erwähnt werden, daß die höchste Spannung eines einzelnen
gegenwärtig verfügbaren Generators mit mechanischem Antrieb etwa 50 kV beträgt.
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Da die gegenwärtig verfügbaren elektromechanischen Generatoren nur
Spannungen erzeugen, die für die Übertragung von elektrischen Leistungen auf große
Entfernungen zu niedrig sind, muß die hohe für diesen Zweck erforderliche Spannung
gegenwärtig noch in zwei Stufen hergestellt werden, nämlich in einer ersten Stufe,
die einen Generator für eine verhältnismäßig niedrige Spannung enthält, und in einer
zweiten Stufe, in welcher die Ausgangsspannung dieses Generators in einem Transformator
hochtransformiert wird. Gemäß der Erfindung kann der Transformator fortgelassen
und das Gewicht des Generators verkleinert werden. Durch die Erfindung wird also
nicht nur die obenerwähnte zweite Stufe eingespart, sondern auch das Gewicht der
einzigen verbleibenden Stufe vermindert. Ein gemäß der Erfiridung ausgeführter Leistungsgenerator
zur Herstellung einer dreiphasigen Ausgangsspannung von 230 kV ohne Transformation
bei 60 Hz ist in F i g. 10 dargestellt.
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Die im vorstehenden unter Bezugnahme auf einen elektromagnetischen
Generator beschriebene Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Generatoren beschränkt,
sondern umschließt auch Motoren und elektromechanische Steuervorriclitungen. Die
Umwandlung des beschriebenen Generators auf einen entsprechenden Motor oder auf
eine elektromechanische Steuervorrichtung liegt für den Fachmann auf der Hand. Wenn
beispielsweise ein Wechselstrom den unteren Ankerspulen 7 und ferner der
dritten Reihe der Ankerspulen 7 in F i g. 1 zugeführt wird und wenn
alle anderen Spulen abgeschaltet sind, arbeitet die Einrichtung als Synchronmotor.
Wenn ferner gesteuerte Gleichstromimpulse den Ankerspulen 7 der Einrichtung
nach F i g. 1 bis 4 zugeführt werden und wenn die Feldspulen und die Erregerspulen
11 abgeschaltet sind, kann man eine begrenzte Drehung der Scheiben 2 bewerkstelligen,
und zwar gewünschtenfalls um Schritte von der Größe des Abstandes zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Sektoren 5. Die Einrichtung nach F i g. 5 kann
durch ähnliche geringfügige Änderungen zu einem Motor oder zu einer elektromechanischen
Steuervorrichtung umgebaut werden.
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Generatoren der beschriebenen Art eignen sich sehr gut zur Lieferung
von Leistung bei hoher oder
bei niedriger Spannung und insbesondere
zur Lieferung von Gleichstromleistung. Gleichzeitig wird eine erhebliche Ersparung
an Eisen erzielt.
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Die Magnetkreise können auch bei viel höherer Frequenz als bei 60Hz
betrieben werden, so daß eine weitere Ersparung an Eisen möglich wird. Durch Benutzung
einer Scheibenkonstruktion von verlaufender Dicke kann eine sehr hohe Umlaufgeschwindigkeit
zugelassen werden. Bei erhöhter Frequenz in den Magnetkreisen wird eine höhere Spannung
je Windung der Anker erzeugt mit einer entsprechenden Verminderung an Kupferverlusten.
Die Erfindung ermöglicht also die verbesserte Erzeugung von elektrischer Energie
auf vielen Gebieten mit Einschluß von Gleichstrom bei hoher Spannung für die Übertragung
auf große Entfernungen.
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In der vorstehenden Beschreibung ist der Ausdruck »magnetisch« für
Materialien benutzt, die magnetisiert werden können, unabhängig davon, ob sie tatsächlich
in der jeweils beschriebenen Weise magnetisiert sind.