DE1256307B

DE1256307B - Unipolar machine for converting a primary DC voltage into a secondary DC voltage

Info

Publication number: DE1256307B
Application number: DE1963S0085093
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-05-08
Filing date: 1963-05-08
Publication date: 1967-12-14

Description

Unipolarinaschine zur Umformung einer Primärgleichspannung in eine Sekundärgleichspannung Die Erfindung betrifft eine Unipolarinaschine zur Umformung einer Primärgleichspannung in eine Sekundärgleichspannung, bei der der Primärspannung und der Sekundärspannung ein oder mehrere koaxial angeordnete, miteinander rotierende, elektrisch voneinander isolierte metallische Hohlzylinder zugeordriet sind, wobei die Spannungen über an den Stirnflächen der Hohlzylinder angeordnete Kontakteinrichtungen angelegt sind.Unipolar machine for converting a primary DC voltage into a Secondary DC voltage The invention relates to a unipolar machine for forming a primary DC voltage into a secondary DC voltage, at which the primary voltage and the secondary voltage one or more coaxially arranged, mutually rotating, electrically insulated metallic hollow cylinders are assigned, wherein the stresses via contact devices arranged on the end faces of the hollow cylinders are created.

Unipolarmaschinen zur Umformung einer Spannung in eine andere sind bereits bekannt. Bei einer bekannten derartigen Maschine mit obengenanntem Aufbau sind auf einem drehbaren Hohlzylinder angeordnete, elektrisch jeweils zwischen zwei Stromabnahmeorganen isolierte metallische Leiter der Primärspannung bzw. der Sekundärspannung zugeordnet. Die Spannungen werden bei dieser Maschine an Schleifringen abgenommen, die am Umfang des Hohlzylinders angeordnet und mit den Leitern elektrisch verbunden sind (USA.-Patentschrift 959 959). Bei einer anderen bekannten Unipolarmaschine sind mehrere konzentrisch zueinander angeordnete rotierende metallische Hohlzylinder vorgesehen, die elektrisch voneinander isoliert und an den Zylinderenden mit Kontakteinrichtungen versehen sind (deutsche Patentschrift 420 401). Auch Unipolarumformer in Scheibenbauform sind bekannt.Unipolar machines for converting one voltage into another are already known. In a known machine of this type with the above-mentioned structure, metallic conductors, each electrically insulated between two current pick-up elements, are assigned to the primary voltage or the secondary voltage, which are arranged on a rotatable hollow cylinder. In this machine, the voltages are picked up on slip rings which are arranged on the circumference of the hollow cylinder and are electrically connected to the conductors (USA patent specification 959 959). In another known unipolar machine, several rotating metallic hollow cylinders are provided which are arranged concentrically to one another and are electrically insulated from one another and are provided with contact devices at the cylinder ends (German patent specification 420 401). Unipolar converters in disk design are also known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Unipolarmaschinen zur Umformung einer Primärgleichspannung in eine Sekundärgleichspannung die erreichbare Induktion zu steigern und dadurch die Leistungsfähigkeit dieser Maschinen zu erhöhen.The invention is based on the problem of unipolar machines Conversion of a primary direct voltage into a secondary direct voltage the achievable Increase induction and thereby increase the performance of these machines.

Erfindungsgemäß ist die eingangs erwähnte Unipolarmaschine derart ausgebildet, daß bei Verwendung von supraleitenden Erregerspulen der Durchmesser des über der magnetischen Sättigung betriebenen hohlzylindrischen Läufers etwa doppelt so groß bemessen ist wie seine Länge und Läufer und Erregerspulen durch einen Käfig aus Supraleitern nach außen magnetisch abgeschirmt sind.According to the invention, the aforementioned unipolar machine is designed such that when using superconducting excitation coils, the diameter of the hollow cylindrical rotor operated above magnetic saturation is approximately twice as large as its length and the rotor and excitation coils are magnetically shielded from the outside by a cage made of superconductors.

Durch die Verwendung von supraleitenden Erregerwicklungen lassen sich die bisher bei Unipolarumformern erreichten Induktionen um etwa eine Zehnerpotenz steigern, so daß pro Läuferzylinder Spannungen bis zu mehreren Kilovolt möglich werden. Eine solche Steigerung der Induktion ist nicht nur erwünscht, um größere Spannungen umformen zu können, sondern auch um den Anteil der Nutzleistung gegenüber den Kommutierungsverlusten zu erhöhen. Bei einer derart gesteigerten Induktion wird die Sättigungsgrenze des Eisens im Läufer überschritten. Der Läufer wird daher über der magnetischen Sättigung betrieben. Insbesondere im Läuferteil kann daher auch auf den bisher zur Führung des magnetischen Kraftflusses notwendigen Eisenkreis verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Bemessung des über der magnetischen Sättigung betriebenen hohlzylindrischen Läufers wird die Induktion am Zylindermantel des Läufers etwa gleich groß wie die Induktion an den Stirnflächen des Läufers gemacht. Bei dieser Bemessung erreicht die aufzubringende Erregerleistung ihr Minimum, so daß ein hoher Wirkungsgrad ]eitern wird erzielt die hohe wird. durch Durch die den Supraleitungsspule Käfig aus Supraerzeugte magnetisch Feldstärke abgeschirmt. Dadurch werden Auswirkungen der starken Magnetfelder außerhalb der Unipolarmaschine unterbunden.By using superconducting excitation windings the inductions achieved so far with unipolar converters by about a power of ten so that voltages of up to several kilovolts are possible per rotor cylinder will. Such an increase in induction is not only desirable to get bigger ones To be able to transform tensions, but also to compare the proportion of the useful power to increase the commutation losses. With such an increased induction the saturation limit of the iron in the rotor has been exceeded. The runner is therefore over operated in magnetic saturation. In particular in the runner part can therefore also on the iron circle previously necessary to guide the magnetic flux of force be waived. Due to the inventive dimensioning of the magnetic Saturation operated hollow cylindrical rotor is the induction on the cylinder jacket of the rotor is made about the same as the induction at the end faces of the rotor. With this dimensioning, the excitation power to be applied reaches its minimum, see above that a high efficiency] fester is achieved which is high. through through the Superconducting coil cage shielded from supergenerated magnetic field strength. Through this the effects of the strong magnetic fields outside the unipolar machine are prevented.

Supraleitungsmagnetspulen zur Erzeugung eines Arbeitsmagnetfeldes sind für magnetohydrodynamische Generatoren an sich bekannt (»High Magnetie Fields«, New York-London, 1962, S. 140). Ebenso sind supraleitende Abschirmungen auch für elektrische Maschinen bereits an sich bekannt (»Technische Rundschau«, Nr. 23, 1962, S. 25). Bei der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine werden jedoch durch die Kombination dieser bereits an sich bekannten Merkmale für die kein Elementeschutz beansprucht wird mit der entsprechende Bemessung des Läufers besonders günstige Wirkungen im Sinne einer erhöhten Leistungsfähigkeit dieser Maschine erzielt.Superconducting magnet coils for generating a working magnetic field are known per se for magnetohydrodynamic generators ("High Magnetie Fields", New York-London, 1962, p. 140). Superconducting shields are also already known per se for electrical machines ("Technische Rundschau", No. 23, 1962, p. 25). In the unipolar machine according to the invention, however, the combination of these already known features for which no element protection is claimed with the appropriate dimensioning of the rotor achieves particularly favorable effects in terms of increased performance of this machine.

Als Kontakteinrichtungen können bei der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine vorteilhaft an sich bekannte ringförmige Quecksilberkontakte vorgesehen sein. Ferner können mehrere Hohlzylinder des Läufers in ebenfalls an sich bekannter Weise elektrisch gleichsinnig hintereinandergeschaltet sein. Es ist möglich, den der Primärspannung zugeordteten Läuferteil, der als Motor wirkt, elektrisch vollkommen von dem der Sekundärspannung zugeordneten Läuferteil, der als Generator wirkt, zu trennen oder aber einen Läuferteil beider Spannungen gemeinsam nach Art der bei Autotransformatoren bekannten Sparschaltung zuzuordnen.As contact devices in the unipolar machine according to the invention ring-shaped mercury contacts known per se can advantageously be provided. Further several hollow cylinders of the rotor can also be electrically operated in a manner known per se be connected in series in the same direction. It is possible that The rotor part assigned to the primary voltage, which acts as a motor, is electrically complete from the rotor part assigned to the secondary voltage, which acts as a generator separate or a rotor part of both voltages together according to the type of Associate autotransformers with known economy circuits.

Da bei einer Unipolarmaschine die zwischen den Enden eines Läuferzylinders induzierte Spannung proportional dem Produkt aus Umfangsgeschwindigkeit, Zylinderlänge sowie der am Zylindermantel auftretenäen magnetischen Induktion ist, läßt sich insbesondere durch Änderung der beiden erstgenannten Größen jedes beliebige übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung erreichen. So ist es z. B. nach einem weiteren, die Erfindung aus-,gestaltenden Merkmal möglich, die mit wachsendem Abstand der einzelnen Zylindermäntel des Läufers von der Drehachse sich ändernde Streuung des Erregerflusses dadurch zu kompensieren, daß die Hohlzvlinder in ihrer Länge mit wachsendem Durchmesser eiitsprechend vergrößert werden. Die Kompensation könnte auch durch eine entsprechende Bemessung der Isolierschichten und damit des relativen Unterschiedes der Umfangsgeschwindigkeiten der einzelnen Hohlzylinder erreicht werden.Since in a unipolar machine the one between the ends of a rotor cylinder induced voltage proportional to the product of peripheral speed and cylinder length as well as the magnetic induction occurring on the cylinder jacket can be in particular by changing the first two sizes any transmission ratio between primary and secondary voltage. So it is z. B. after another, the invention, designing feature possible, which with increasing distance of the individual cylinder jackets of the rotor from the axis of rotation varying scattering of the To compensate for the excitation flow that the Hohlzvlinder in their length with with increasing diameter. The compensation could also through a corresponding dimensioning of the insulating layers and thus the relative Difference in the circumferential speeds of the individual hollow cylinders can be achieved.

Da ein supraleitender Stromkreis an sich keinen ohmschen Widerstand aufweist, kann man die Enden der supraleitenden Erregerspulen nach Erzeugen des Erregerstromes durch ein supraleitendes Verbindungsstück kurzschließen, d. h. sie zu einem geschlossenen Kreis zusammenschalten und sie dann von der Speisespannungsquelle abtrennen. Durch die Supraleitfähigkeit wird dann der Erregerstrom beliebig lange aufrechterhalten bleiben, so daß die sonst bei Dauererregung in den Zuleitungsstücken entstehenden ohmschen Verluste wegfallen.Since a superconducting circuit has no ohmic resistance per se, the ends of the superconducting excitation coils can be short-circuited by a superconducting connector after the excitation current has been generated . H. interconnect them to form a closed circuit and then disconnect them from the supply voltage source. Due to the superconductivity, the excitation current will then be maintained for any length of time, so that the ohmic losses that otherwise arise in the supply line sections during continuous excitation are eliminated.

Dem beträchtlichen magnetischen Druck zwischen den supraleitenden Erregerspulen kann durch eine entsprechende gegenseitige mechanische Verspannung derselben begegnet werden.The considerable magnetic pressure between the superconducting Excitation coils can be mechanically braced with one another the same are encountered.

Der erfindungsgemäße Unipolarumformer kann insbesondere zur Hochspannungsgleichstroinübertragung eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele hierfür ergeben sich bei magnetohydrodynainsichen Generatoren großer Leistung und Spannungen von wenigen Kilovolt, deren Leistung zweckmäßig bei einem höheren Spannungsniveau, z. B. 10 kV und höher, übertragen werden soll. Ähnliche Aufgaben bestehen beim Betrieb von Brennstoffzellen und thermoionischen Konvertern, die im allgemeinen nur verhältnismäßig niedrige Spannungen liefern.The unipolar converter according to the invention can in particular be used for high-voltage direct current transmission. Application examples for this result in magnetohydrodynainsichen generators with high power and voltages of a few kilovolts. B. 10 kV and higher is to be transmitted. Similar tasks exist in the operation of fuel cells and thermionic converters, which generally only deliver relatively low voltages.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand zweier Figuren näher erläutert werden.The invention is explained in more detail below with reference to two figures will.

In F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Unipolarumformer mit Zylinderläufer in seinem wesentlichen Aufbau dargestellt. Zwei Erregerwicklungen 7 und 8 mögen die in konventioneller Weise dargestellte Durchflutungsrichtung ergeben, so daß sich ein Induktionsverlauf etwa in der durch die Linien B angedeuteten Richtung ergibt. In diesem Feld ist ein Läufer 9 angeordnet, der um die Achse 10 drehbar in den Lagern 11 und 12 gelagert ist. Der Läufer besteht im einzelnen aus mehreren koaxialen Hohlzylindern 1, 2, 2', 13 und 14, wobei die drei erst-Orenannten aus einem metallischen elektrischen Leiter, C, wie z. B. Kupfer oder Eisen, und die beiden letztgenannten aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Asbest, bestehen. Der innere Läuferteil 15 kann entweder aus Eisen oder Isolierstoff bestehen, oder er kann hohl sein. Der Zylinderteil 1 ist - wie dargestellt - mittels der Zylinderflansche 16 und 17 mit den Zapfen 18 und 19 verbunden.In Fig. 1 shows a longitudinal section through a unipolar converter according to the invention with a cylinder rotor in its essential structure. Two excitation windings 7 and 8 may result in the flow direction shown in a conventional manner, so that an induction course results approximately in the direction indicated by the lines B. In this field, a rotor 9 is arranged, which is rotatably mounted about the axis 10 in the bearings 11 and 12. The rotor consists in detail of several coaxial hollow cylinders 1, 2, 2 ', 13 and 14, the three first-Orenonyms made of a metallic electrical conductor, C, such. B. copper or iron, and the latter two from an insulating material, such as. B. asbestos exist. The inner rotor part 15 can either consist of iron or insulating material, or it can be hollow. The cylinder part 1 is - as shown - connected to the pins 18 and 19 by means of the cylinder flanges 16 and 17 .

Dem Hohlzylinder 1 wird an den Klemmen 3 und 4 eine von einer Gleichspannungsquelle 20 stammende Primärspannung U, über die Schleifringe 21 und 22 zugeführt. Da der von den supraleitenden Erregerwicklungen 7 und 8 erzeugte Fluß am ganzen Zylindermantel eintritt, erzeugt der Strom durch den Hohlzylinder 1 ein motorisches Moment, und es stellt sich eine Drehzahl n in der angegebenen Pfeilrichtung ein. Dadurch liegt über die Schleifringe 23 bis 26 der elektrisch hintereinandergeschalteten Hohlzylinder an den Klemmen 5 und 6 die Gleichspannung U2. Für das Verhältnis von Sekundär- zur Primärspannung gilt allgemein bei zwei auf der Sekundärseite hintereinandergeschalteten Hohlzylindern wobei B die Induktion am jeweiligen Zylindermantel, 1 die Länge und r der Zylinderradius des jeweils betrachteten Hohlzylinders ist. Wenn die Induktion für alle Hohlzylinder annähernd dieselbe ist, die Radien sich wegen einer vergleichsweise dazu dünnen Isolierschicht nicht wesentlich voneinander unterscheiden und wie im dargestellten Fall die Länge für sämtliche Hohlzylinder dieselbe ist, so beträgt die Sekundärspannung U, annähernd das Doppelte der Primärspannung ul. bie Spannungen verhalten sich unter den vorstehend genannten Bedingungen also wie die Zahl der ihnen zugeordneten Hohlzylinder.A primary voltage U originating from a DC voltage source 20 is fed to the hollow cylinder 1 at the terminals 3 and 4 via the slip rings 21 and 22. Since the flux generated by the superconducting excitation windings 7 and 8 enters the entire cylinder jacket, the current through the hollow cylinder 1 generates a motor torque, and a speed n is established in the direction of the arrow. As a result, the DC voltage U2 is applied to terminals 5 and 6 via slip rings 23 to 26 of the hollow cylinders connected electrically one behind the other. The ratio of secondary to primary voltage generally applies to two hollow cylinders connected in series on the secondary side where B is the induction on the respective cylinder jacket, 1 is the length and r is the cylinder radius of the hollow cylinder under consideration. If the induction is approximately the same for all hollow cylinders, the radii do not differ significantly from each other due to a comparatively thin insulating layer and, as in the case shown, the length is the same for all hollow cylinders, then the secondary voltage U is approximately twice the primary voltage ul Under the conditions mentioned above, stresses behave like the number of hollow cylinders assigned to them.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Unipolarumformers dargestellt, wobei für gleiche Einzelelemente die Bezugszeichen der F i g. 1 übemommen wurden. Alle für das Verständnis der Wirkungsweise nicht unbedingt erforderlichen Einzelheiten sind der Übersichtlichkeit halber fortgelassen. Die Spulen 7 und 8 besitzen supraleitende Wicklungen, so daß sich hohe induzierte Spannungen erreichen lassen. Der Läufer der Unipolarinaschine besteht aus fünf metallischen Hohlzylindern. Dazwischen liegen schraffiert kenntlich gemachte Isolierschichten. An die Klemmen 3 und 4 wird beispielsweise die Primär- oder Motorspannung von 2 kV angeschlossen. Die Sekundär- oder Generatorspannung wird an den Klemmen 4 und 5 abgegriffen. Es ist somit der innerste Hohlzylinder 1 beiden Spannungen in sogenannter Sparschaltung zugeordnet. Da die fünf Hohlzylinder in bezug auf die Generatorspannungen gleichsinnig hintereinandergeschaltet sind, ergibt sich für die Generatorspannung der fünffache Wert der Motorspannung, also annähernd 10 kV. Das zur Abgabe von beispielsweise 20 kA, also 200 MW, an den Sekundärklemmen 4 und 5 erforderliche Drehmoment wird von dem motorisch wirkenden Hohlzylinder 1 erzeugt. Aus der an den Klemmen 3 und 4 angeschlossenen Stromquelle werden daher 100 kA entnommen.In Fig. 2 shows a further exemplary embodiment of the unipolar converter according to the invention, the reference numerals in FIGS . 1 were adopted. All details that are not absolutely necessary for understanding the mode of operation have been omitted for the sake of clarity. The coils 7 and 8 have superconducting windings so that high induced voltages can be achieved. The rotor of the unipolar machine consists of five metallic hollow cylinders. In between, there are insulating layers marked with hatching. For example, the primary or motor voltage of 2 kV is connected to terminals 3 and 4. The secondary or generator voltage is tapped at terminals 4 and 5. The innermost hollow cylinder 1 is thus assigned to both voltages in a so-called economy circuit. Since the five hollow cylinders are connected one behind the other in the same direction with respect to the generator voltages, the result for the generator voltage is five times the value of the motor voltage, i.e. approximately 10 kV. The torque required to deliver 20 kA, for example 200 MW, to the secondary terminals 4 and 5 is generated by the hollow cylinder 1, which acts as a motor. 100 kA are therefore drawn from the power source connected to terminals 3 and 4.

Der aus Supraleitermaterial bestehende Abschirmkäfig ist in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.The shielding cage made of superconductor material is shown in the figures not shown for reasons of clarity.

Es ist bei der Anordnung entsprechend den F i g. 1 und 2 ohne weiteres möglich, die übertragungsrichtung umzukehren, also z. B. bei F i g. 2 die Primärspannung an die Klemmen 5 und 4 anzuschließen und eine fünffach verminderte Sekundärspannung an den Klemmen 3 und 4 zu entnehmen.It is in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 easily possible to reverse the direction of transmission, so z. B. at F i g. 2 connect the primary voltage to terminals 5 and 4 and take a five-fold reduced secondary voltage from terminals 3 and 4.

Ein Unipolarumfonner nach der Erfindung kann beispielsweise am Anfang und Ende einer supra- 5 leitenden Fernleitung vorgesehen werden, um beispielsweise die Leistung eines magnetohydrodynamisehen Generators auf die für die übertragung wirtschaftliche Spannung umzuformen und am Ende der Leitung wieder so weit abzuspannen, daß Elektro- io lyseeinrichtungen oder Reduktionsöfen oder andere Verbraucher gespeist werden können.A Unipolarumfonner according to the invention can for example be provided at the beginning and end of a supra- 5 conductive transmission to transform, for example, the performance of a magnetohydrodynamisehen generator to the economic for the transmission voltage and time again unclamp at the end of the line, that electrical io lyseeinrichtungen or reduction furnaces or other consumers can be fed.

Claims

Claims: 1. Unipolar machine for converting a primary DC voltage into a secondary DC voltage, in which the primary voltage and the secondary voltage are assigned one or more coaxially arranged, mutually rotating, electrically isolated metallic hollow cylinders, the voltages being applied via contact devices arranged on the end faces of the hollow cylinders , d a d urch g e - indicates that when using superconducting excitation coils, the diameter of the hollow cylindrical rotor operated above magnetic saturation is approximately twice as large as its length and the rotor and excitation coils are magnetically shielded from the outside by a cage made of superconductors are.

2. Unipolar machine according to claim 1, characterized in that the contact devices are annular mercury contacts. 3. Unipolar machine according to claim 1 or 2, characterized in that several hollow cylinders are electrically connected in series in the same direction. 4. homopolar generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the length of the hollow cylinder will vary depending on their distance from the axis of rotation and preferably increases with the distance of the hollow cylinder from the axis of rotation. 5. Unipolar machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that a superconducting connection is provided which interconnects the excitation coils after excitation to form a closed circuit. 6. Unipolar machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the excitation coils are firmly connected to one another. 7. Unipolar machine according to one of claims 1 to 6, characterized by its use for high-voltage direct current transmission-Documents considered: German Patent No. 420 401; U.S. Patent No. 959,959; "Technische Rundschau" magazine, issue 2311962, p. 25, section 2; Journal "Research and Progress", issue 51 1961, pp. 138 to 141; Book "High magnetic Fields", published by John Wiley & Sons, New York-London, 1962, p. 140, paragraphs 2 to 4.