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Die Erfindung bezieht sich auf eine Unipolarmaschine zur Erzeugung
von Höchststromimpulsen durch Ausnutzung der kinetischen Energie des auf eine bestimmte
Drehzahl beschleunigten Rotors, bei der der Rotor und der Stator aus elektrisch
leitfähigen Massen bestehen und zur jeweiligen Auslösung eines Stromimpulses eine
elektrisch leitfähige Flüssigkeit in Luftspalte zwischen am Rotor und Stator befindliche
leitfähige Flächen einspritzbar ist, derart, daß Rotor und Stator elektrisch miteinander
in Reihe schaltbar sind und das in der Maschine erforderliche Erregerfeld im Stator
durch Selbsterregung erzeugbar ist. Eine solche Unipolarmaschine ist bekannt.
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Bei dieser bekannten Unipolarmaschine ist der aus einer elektrisch
leitfähigen Masse bestehende Rotor als Scheibe ausgebildet, die von einer Statorspule
umgeben ist. Die Statorspule wird einerseits durch eine Kurzschlußbrücke und eine
elektrisch leitfähige Flüssigkeit (Quecksilber) mit dem Zentrum der Rotorscheibe
und andererseits durch eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (Quecksilber) an einer
einzigen Stelle mit dem Umfang des Rotors verbunden. Neben dem Rotor und dem Stator
ist eine weitere Spule koaxial zur Statorspule angeordnet, die zum Auslösen der
Selbsterregung an eine Batterie anschließbar ist. Für die Auslösung eines Stromimpulses
wird durch die Einleitung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in die Luftspalte
zwischen Rotor und Stator die Verbindung der Statorspule mit dem Rotor im Sinne
einer Reihenschaltung hergestellt.
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Infolge der Verwendung einer Statorspule kann bei der vorstehend erläuterten
Unipolarmaschine von dem scheibenförmigen Rotor nur jeweils ein sektorförmiger Abschnitt
für die Stromübertragung während der Auslösung eines Stromimpulses ausgenutzt werden.
Für den Stromübergang vom Rotor zum Stator bzw. umgekehrt, stehen ebenfalls nur
relativ kleine Flächenquerschnitte zur Verfügung. Die Erzeugung von großen Stromimpulsen
erfordert deshalb verhältnismäßig große Abmessungen für den Rotor und damit auch
für die Statorspule.
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Es ist schließlich noch ein nach dem Prinzip der Unipolarmaschine
aufgebauter elektromechanischer Energiespeicher zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer
Impulse sehr hoher Energie bekannt. Bei dieser Maschine besteht der Rotor aus mehreren
elektrisch leitenden kreisrunden Scheiben, die einzeln in einem axial zu ihnen gerichteten
Magnetfeld um ihre Achse drehbar sind, wobei der Drehsinn von Scheibe zu Scheibe
wechselt. Die elektrische Verbindung der Scheiben untereinander ist durch Kugeln
sichergestellt, die jeweils in dem Zwischenraum von zwei benachbarten Scheiben angeordnet
sind. Für die Erzeugung des axial gerichteten Magnetfeldes sind die Scheiben von
einer zylindrischen Erregerwicklung und einem magnetischen Rückfluß umgeben. Die
Scheiben können aus Stahl oder aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung bestehen. Der
Strom für die Erregerwicklung kann von außen zugeführt werden oder aber dem Energiespeicher
selbst entnommen werden, der zu diesem Zweck auf Selbsterregung umgeschaltet wird.
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Die zuletzt erwähnte Unipolarmaschine unterscheidet sich von der vorhergenannten
vor allem dadurch, daß der Rotor in einzelne gegenläufige Scheiben aufgeteilt ist
und daß die elektrische Verbindung des Rotors an seinen Endpunkten mit dem Stator
durch Kugeln bewirkt wird, die mit einem bestimmten Anpreßdruck ständig zwischen
dem sich drehenden Rotor und dem feststehenden Stator angeordnet sind. Für den Stromübergang
stehen demzufolge auch nur verhältnismäßig kleine Flächen entsprechend den Anlageflächen
der Kugeln zur Verfügung. Bei der Erzeugung von Impulsen hoher Stromstärken dürften
sich die Übergangswiderstände an den Berührungsstellen der Kugeln unangenehm bemerkbar
machen, zumal die erzeugten Spannungen relativ klein sind. Im übrigen dürfte auch
die Lagerung der einzelnen Scheiben mit Hilfe der zwischen den Scheiben eingespannten
Kugeln besondere Probleme stellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unipolarmaschine der
eingangs genannten Art zur Erzeugung von Stromimpulsen hoher Intensität derart auszubilden,
daß große Übergangsquerschnitte für die Verbindung des Rotors mit dem Stator durch
eine elektrisch leitende Flüssigkeit vorhanden sind, um dadurch sehr hohe Stromimpulse
bei einer kompakten Bauweise der Unipolarmaschine erzeugen zu können.
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Die Erfindung besteht bei einer Unipolarmaschine der eingangs genannten
Art darin, daß die elektrisch leitfähige Masse des Stators einen in sich geschlossenen
Umdrehungskörper bildet und in einzelne, elektrisch voneinander isolierte Blätter
unterteilt ist, die derart schräg zur natürlichen, in Axialebenen verlaufenden Stromrichtung
gerichtet sind, daß im Stator zusätzlich tangential gerichtete, für die Selbsterregung
der Maschine ausreichende Stromkomponenten auftreten, und daß die elektrisch leitfähige
Flüssigkeit in die engen Luftspalte zwischen Rotor und Stator einspritzbar ist,
derart, daß die Luftspalte vollständig mit dieser Flüssigkeit ausfüllbar sind.
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Bei einer anderen bekannten Unipolarmaschine ist im Luftspalt eine
bei niedriger Temperatur schmelzende Metallegierung enthalten, deren Temperatur
während des Betriebes der Maschine stets über der Erstarrungstemperatur gehalten
wird.
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Weiterhin ist eine Unipolarmaschine für die Erzeugung großer Ströme;
insbesondere für Zwecke der Elektrolyse oder der elektrischen Schweißung bekannt.
In diesem Falle besteht die Kontaktflüssigkeit aus Quecksilber, das sich an den
betreffenden Stromübergangsstellen in einem von dem Rotor und dem Stator gebildeten
Hohlraum befindet.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die elektrisch leitende
Masse des Rotors aus einer zylindrischen Muffe und die elektrisch leitende Masse
des Stators aus zwei Ringen, die die Muffe an entgegengesetzten axialen Enden mit
geringem Spiel umgeben, wobei die Ringe durch zylindrische Nuten geblättert sind,
die im Querschnitt die Form von Spiralabschnitten haben.
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Die elektrisch leitenden Massen des Rotors und des Stators können
in an sich bekannter Weise aus einem unmagnetischen Werkstoff, z. B. Kupfer, bestehen.
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Die äußeren Abschnitte der Ringe des Stators sind nach einer weiteren
Ausbildung der Erfindung mit dünnen elektrisch leitenden Platten verbunden, die
elektrisch voneinander isoliert sind und sich in Querrichtung beiderseits der mittleren
Querebene der Maschine erstrecken.
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Die den Luftspalten benachbarten Abschnitte des Stators sind nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung über eine geringe Tiefe, vom Luftspalt
aus gerechnet, ohne Blätterung. Die dem Luftspalt benachbarten Enden der Blätterungsnuten
sind vorzugsweise radial umgebogen.
In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes
kann jeder Luftspalt über einen Teil seiner axialen Länge so gebogen sein, daß er
tangential zu den Kraftlinien des in diesem Luftspaltabschnitt erzeugten Magnetfeldes
liegt. Die Ausbiegung des gebogenen Abschnittes ist hierbei vorzugsweise kleiner
als die radiale Ausdehnung des Luftspaltes.
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Schließlich kann der Rotor in an sich bekannter Weise aus zwei Hälften
bestehen, die in bezug auf eine Querebene symmetrisch zueinander angeordnet sind
und gegenläufig angetrieben werden. Der Stator kann aus einem vollen zentralen Kern
und zwei äußeren Kränzen gebildet sein.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß
jede leitende Rotormasse so geblättert ist, daß die Mittellinie eines jeden geblätterten
Abschnittes an jedem Punkt eine Tangentialkomponente besitzt. Der geblätterte Abschnitt
des Stators kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus Kupferbändern
zusammengesetzt werden, die unter Zwischenlage von Isolierschichten aneinandergelegt
sind.
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Die nach der Erfindung ausgebildete Unipolarmaschine besitzt gegenüber
den bekannten Unipolarmaschinen wichtige Vorteile. Für die Reihenschaltung des Rotors
mit dem Stator über die Luftspalte hinweg können die sich gegenüberliegenden Flächen
auf dem gesamten Umfang der Maschine ausgenutzt werden. Dies bedeutet, daß bei gleicher
Stromdichte gegenüber einer Maschine, bei der nur einzelne Zonen für den Stromübergang
zur Verfügung stehen, wesentlich größere Ströme übertragen werden können. Ferner
gestattet die nach der Erfindung vorgesehene teilweise schräg zur Axialebene verlaufende
Blätterung des Stators auf einfache Weise eine Selbsterregung der Maschine, wobei
für die Erzeugung eines Anfangsstromes entweder der remanente Magnetismus eines
geringen Anteils an ferromagnetischem Material oder ein äußeres Hilfsfeld benutzt
werden kann. Was den äußeren Aufbau der Unipolarmaschine anbelangt, so zeichnet
sie sich gegenüber bekannten Unipolarmaschinen durch eine kompaktere Bauweise aus.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an
Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch in der oberen Hälfte im Axialschnitt und
in der unteren Hälfte in Seitenansicht eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen
Unipolarmaschine; F i g. 2 und 3 zeigen schematisch die gleiche Maschine in einem
waagerechten Halbschnitt längs der Linie II-II der F i g. 1 bzw. in einer halben
Endansicht; F i g. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Arbeitsweise dieser Maschine;
F i g. 5 bis 8 zeigen in einem halben Axialschnitt bzw. im Querschnitt längs der
Linie VI-VI der F i g. 5 bzw. in axial geschnittenen schematischen Teilansichten
eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine; F i g. 9 bis 10 zeigen
schematisch in einem Axialschnitt längs der Linie IX-IX der F i g. 10 bzw. im Querschnitt
längs der Linie X-X der F i g. 9 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine;
F i g. 11 bis 14 zeigen vergleichsweise den Fortfall der Blätterung in der dem Luftspalt
benachbarten Zone des Stators; F i g. 15 zeigt in gleicher Darstellung wie F i g.
9, jedoch in größerem Maßstab, einen Teil der schematisch in F i g. 9 dargestellten
Maschine; F i g. 16 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Zweckmäßigkeit
der Ausführung nach F i g. 15.
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Der Rotor 1 der Maschine nach F i g. 1 bis 3 enthält im wesentlichen
eine Felge oder einen zylindrischen Ring 2 aus Kupfer, welcher verhältnismäßig dick
und schwer ist und an einer drehbaren Welle 3 angebracht ist.
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Der Stator 4 umgibt den Rotor 1 und enthält im wesentlichen
eine einen Umdrehungskörper bildende Masse aus Kupfer mit folgenden Teilen: zwei
zylindrischen Abschnitten 5, welche die Felge 2 axial beiderseits derselben
verlängern und den gleichen Querschnitt wie diese haben; zwei scheibenförmigen Teilen
6, welche sich an die Enden der Abschnitte 5 anschließen und sich von diesen aus
nach außen erstrecken; einer zylindrischen Muffe 7, welche über das Ganze geschoben
ist und die Außenkanten der scheibenförmigen Abschnitte 6 miteinander verbindet.
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Die Kupfermasse des Stators hat also in einem axialen Halbschnitt
die Form eines C, welches die Kupfermasse des Rotors übergreift. Sie ist von der
Kupfermasse des Rotors durch zwei Luftspalte 8 getrennt.
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Die Form der Blätterung des Stators geht deutlich aus F i g. 1 bis
3 hervor. Diese Blätterung ist in bezug auf die mittlere Querebene des Stators symmetrisch
und kann für jede der in bezug auf diese Ebene symmetrischen Statorhälften so angesehen
werden, als ob sie durch Zerlegung des Stators durch Ebenen entstanden wäre, welche
mit der Rotorachse einen zwischen 30 und 60° liegenden Winkel bilden und diese Achse
alle im gleichen Punkt schneiden.
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Die Striche 9 bezeichnen die Zwischenräume zwischen den verschiedenen
Blättern und können mit Luft oder einem anderen elektrischen Isolierstoff ausgefüllt
sein.
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In F i g. 1 bis 3 sind durch mit Pfeilen versehene Linien die Strombahnen
in dem Stator und dem Rotor dargestellt. Die mit einer Spitze versehenen Kreise
bezeichnen eine Bewegung nach oberhalb der Zeichenebene, während die ein Kreuz enthaltenden
Kreise eine Bewegung nach unterhalb dieser Ebene bedeuten.
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Der Strom fließt somit axial in dem Rotor und in der mittleren Zone
der Muffe 7, radial in den scheibenförmigen Abschnitten 6 und in zur axialen Richtung
schrägen, jedoch zur radialen Richtung senkrechten Richtungen in den Abschnitten
5 und den Randzonen der Muffe 7.
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Jede solche zu einer Schleife geschlossene Stromlinie kann in einen
Ring, welcher vollständig in einer Axialebene der Maschine liegt und aus radialen
und axialen Abschnitten dieser Schleife sowie aus axialen Komponenten ihrer schrägen
Abschnitte besteht, und in vier zu dieser Axialebene senkrechte Abschnitte zerlegt
werden, welche die zur Axialebene senkrechten, d. h. die tangentialen Komponenten
der schrägen Abschnitte darstellen.
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Die Kraftlinien des Magnetfeldes, das durch die Gesamtheit der in
den verschiedenen Ringen der obigen Art fließenden Ströme erzeugt wird, sind zu
der Achse der Maschine gleichachsige Kreise. Die von diesem Feld auf die in dem
Rotor fließenden axialen
Ströme ausgeübten Kräfte sind daher radial
gerichtet und üben kein Moment auf den Rotor aus.
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Die Kraftlinien des Magnetfeldes, das durch die zu den Axialebenen
senkrecht gerichteten tangentialen Komponenten der in den beiden der Achse 3 am
nächsten liegenden Statorabschnitten 5 fließenden Ströme erzeugt wird, sind dagegen
im Bereich der Rotorfelge radial gerichtet und addieren sich dort, so daß dieses
Feld einerseits eine unipolare Spannung in dem Rotor induziert und andererseits
ein Moment auf den Rotor ausübt. Dieses Moment ist ein Bremsmoment, mit dessen Hilfe
die Umwandlung der kinetischen Energie des Rotors in elektrische Energie erfolgt.
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Das von den zu den Axialebenen senkrecht gerichteten tangentialen
Komponenten der Ströme in dem äußeren Statorabschnitt herrührende Feld kann in erster-
Annäherung vernachlässigt werden.
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Die Maschine nach F i g. 1 bis 3 arbeitet folgendermaßen Zunächst
wird der Rotor mittels eines nicht dargestellten, an der Welle 3 angebrachten Motors
auf eine hohe Drehzahl gebracht. Sobald der angetriebene Rotor eine genügend hohe
Drehzahl erreicht hat, wird plötzlich Quecksilber in alle Luftspalte 8 eingespritzt,
so daß diese ausgefüllt werden. Hierdurch wird die Felge 2 des Rotors elektrisch
mit der leitenden Masse des Stators verbunden.
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Da die Maschine als Reihenschlußgenerator und somit selbsterregend
ausgebildet ist, genügt, sobald ihre Rotordrehzahl eine gewisse kritische Drehzahl
überschritten hat, dann ein sehr kleines äußeres Magnetfeld, um einen elektrischen
Stromimpuls auszulösen.
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Wenn die leitenden Massen des Stators und/oder des Rotors einen geringen
Anteil an ferromagnetischem Material enthalten, genügt der remanente Magnetismus
desselben zur Ingangsetzung. Bei den -bevorzugten Ausführungsformen, bei welchen
diese Massen kein Eisen enthalten, wird jedoch das kleine zur Ingangsetzung erforderliche
Feld besser mittels einer besonderen, nicht dargestellten Spule erzeugt. Diese Maßnahme
gestattet, den Richtungssinn des in der Maschine erzeugten Höchststromimpulses nach
Belieben zu steuern.
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Die durch die Drehung des Rotors in dem äußeren Erregerfeld erzeugte
elektromotorische Kraft erzeugt dann einen Strom in der Maschine, welcher eine Vergrößerung
des Erregerfeldes bewirkt und ein Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Es tritt Selbsterregung
ein, und die in der Maschine erzeugte Stromstärke nimmt in einer sehr kurzen Zeit,
welche im allgemeinen größenordnungsmäßig den Bruchteil einer Sekunde beträgt, einen
sehr hohen Wert an, worauf sie nach Aufzehrung der kinetischen Energie des Rotors
wieder zu Null wird. Gleichzeitig geht die Drehzahl des Rotors gegen Null und kehrt
sich sogar in gewissen Fällen um.
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In den Diagrammen der F i g. 4 sind als Funktion der als Abszissen
aufgetragenen Zeit t oben die Änderungen der Drehzahl V des Rotors und unten die
Änderungen der Stromstärke i des in der Kurzschlußschleife des Rotors und Stators
fließenden Stromes aufgetragen.
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Die Kurven (a) betreffen die rechnerisch ermittelten theoretischen
Ergebnisse unter der Annahme einer sehr niedrigen kritischen Drehzahl und einer
vernachlässigbaren Reibung des Quecksilbers an den Kontaktstellen, während die Kurven
(b) die bei Versuchen mit einer wirklichen Maschine erhaltenen Ergebnisse darstellen.
Es ist angenommen, daß der Zeitursprung der Augenblick des Beginns der Einspritzung
des Quecksilbers ist.
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Aus den Kurven geht hervor, daß theoretisch die Drehzahl des Rotors
abnimmt, nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit T (welche z. B. zwischen 1/10o und
1/1o Sekunde für eine Anfangsdrehzahl von 10000 U/min liegt) zu Null wird und sich
hierauf umkehrt. Ebenfalls theoretisch nimmt die Stromstärke von einem geringen,
z. B. durch eine nicht dargestellte Erregerwicklung erzeugten, Anfangswert 1o zu,
durchläuft ein Maximum zu dem Zeitpunkt T und nimmt hierauf ab.
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Bei mit einer kleinen Maschine vorgenommenen wirklichen Versuchen
wurde der Rotor allmählich auf eine Drehzahl von 10000 U/min mittels eines kleinen
Motors von 1/2 PS gebracht, wodurch eine kinetische Energie von 15 Kilojoule aufgespeichert
werden konnte.
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Nach Erreichung dieser Drehzahl (etwa 3 Minuten nach Beginn des Anwerfens)
wurde das Quecksilber in die etwa 2 mm betragenden Luftspalte aus einem Behälter
mit einem Rauminhalt in der Größenordnung eines Liters unter einem Druck von etwa
7 kg/cm2 eingespritzt.
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Es zeigte sich, daß der Rotor während der ersten Sekundenbruchteile
nach der Einspritzung sehr stark abgebremst wurde, aber erft nach 6 Sekunden vollständig
stillstand, ohne seine Drehrichtung umzukehren.
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Ferner erreichte die Stromstärke schneller als vorhergesehen einen
Höchstwert von 500000 A bei einer Spannung von etwa 1 V innerhalb der Kurzschlußschleife
und war nach 3/1o Sekunden zu Null geworden.
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Diese sehr hohe Stromstärke erzeugt ein sehr kräftiges Feld (in der
Größenordnung von 15000 bis 20000 Gauß) in dem von den leitenden Massen des Rotors
und des Stators begrenzten Ringraum, das dort für irgendwelche Zwecke ausgenutzt
wird.
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Es ist möglich, dieses Feld zur Erzeugung eines Plasmas an Ort und
Stelle in der Mittellinie dieses Raumes bei 10 (F i g. 1) auszunutzen. Hierzu
muß natürlich die Abdichtung dieses Raumes vervollständigt und dieser für diese
besondere Aufgabe ausgebildet werden.
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Bei den nachstehend unter Bezugnahme auf F i g 5 bis 16 beschriebenen
Ausführungsformen wird jedoch der Stator nicht in sich selbst geschlossen, sondern
an äußere Klemmen angeschlossen, welche gestatten, die erzeugten Höchststromimpulse
außerhalb der Maschine auszunutzen.
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Bei einer ersten in F i g. 5 bis 8 dargestellten derartigen Ausführung
weist die Maschine zwei Rotoren auf, welche in bezug auf eine Querebene symmetrisch
zueinander angeordnet sind und unabhängig voneinander gegenläufig so angetrieben
werden, daß die auf den Stator bei der Einspritzung ausgeübten Momente ausgeglichen
werden.
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Jeder dieser an einer Welle 3 angebrachten Rotoren enthält eine ringförmige
Masse großer Trägheit 11
und eine außen und innen durch zwei Zylinderflächen
begrenzte, einen Umdrehungskörper bildende Kupfermasse 12.
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Ein beiden Rotoren gemeinsamer Stator umfaßt im wesentlichen drei
einen Umdrehungskörper bildende Kupfermassen, nämlich eine innere Masse 13, welche
gegenüber den inneren Zylinderflächen der Massen 12 des Rotors zwei äußere zylindrische
Abschnitte aufweist, und zwei äußere Massen 14 in Form von zueinander in bezug auf
die mittlere Querebene der Anordnung
symmetrischen Kränzen, deren
jeder gegenüber einer der zylindrischen Außenflächen der Massen 12 einen inneren
Zylinderabschnitt aufweist.
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Die Massen 14 des Stators sind so geblättert, daß die Maschine wie
diejenige nach F i g. 1 bis 3 mit Selbsterregung arbeitet.
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Hierfür werden diese Massen durch Kupferbänder gebildet, welche gebogen
und unter Zwischenlage von Isolierschichten 15 in der deutlich in F i g. 6 sichtbaren
Weise aneinandergelegt werden.
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Der ganze Umfang einer jeden festen Masse 14 ist durch einenPlattensatz16
mit einer gemeinsamen, nicht dargestellten Ausgangsklemme verbunden, wobei die Platten
eines jeden Satzes natürlich elektrisch von denen des anderen Satzes isoliert sind.
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In F i g. 5 sind noch Hohlleitungen 17 und 18 dargestellt, welche
für das Einspritzen bzw. den Austritt der leitenden Flüssigkeit vorgesehen sind,
deren Bewegungen durch Pfeile angedeutet sind. Die Einspritzung erfolgt an jedem
Luftspalt radial, während der Austritt tangential in zu der Drehachse senkrechten
Ebenen liegt, so daß für diesen Austritt die Fliehkraft ausgenutzt werden kann,
welche auf das Quecksilber infolge der von diesem während seines Durchganges durch
den Luftspalt angenommenen Tangentialgeschwindigkeit ausgeübt wird. Es ist zu bemerken,
daß infolge der zylindrischen Ausbildung der Luftspalte die von der Fliehkraft auf
das Quecksilber ausgeübten Störkräfte praktisch ausgeschaltet werden, was eine richtige
Füllung der Luftspalte ermöglicht.
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19 bezeichnet die zur Anfangserregung der Maschine beitragenden Erregerwicklungen.
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Um zu verhindern, daß sich die beiden Rotoren axial vorneinander zu
entfernen suchen, werden zweckmäßig die Rotormassen 12 so geblättert, daß sie die
Form eines spiralig auf sich selbst aufgewickelten Streifens oder wenigstens eines
Stapels von Schuppen erhalten, deren Mittellinien an jeder Stelle eine Tangentialkomponente
aufweisen.
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Der von dem elektrischen Strom in den gesamten Massen 12, 13 und 14
(und in dem symbolisch durch 20 in F i g. 7 dargestellten äußeren Stromkreis) durchlaufene
Weg weist nämlich Axial- und Radialkomponenten 21 auf, welche ein Magnetfeld H erzeugen,
dessen Kraftlinien mit der Achse der Maschine gleichachsige Kreise sind. Dieses
Magnetfeld übt auf die in den Rotormassen 12 fließenden radialen Ströme Kräfte aus,
deren Axialkomponenten f die Massen auseinanderzuspreizen suchen.
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Das durch die durch die Blätterung in den Massen 14
erzeugten
Tangentialkomponenten I (F i g. 8) des Stroms erzeugte magnetische Erregerfeld weist
Kraftlinien auf, welche in der in F i g. 8 bei 22 dargestellten Weise gebogen sind.
An der Stelle einer jeden Rotormasse 12 liegen diese Linien etwas schräg
gegen die Achse der Maschine. Sie üben daher auf die Tangentialkomponenten J des
in diesen Massen 12 (infolge ihrer Blätterung) fließenden Stromes Kräfte
F aus, welche in bezug auf eine Querebene etwas schräg liegen. Die Maschine kann
so ausgeführt werden, daß die Axialkomponenten aller dieser Kräfte F den obigen
Kräften f genau das Gleichgewicht halten. Das erhaltene Gleichgewicht ist für alle
Werte der Stromstärke stabil, da die Kräfte f und F beide unmittelbar zu dieser
proportional sind.
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Die obige Maschine besitzt insbesondere folgende Vorteile gegenüber
der unter Bezugnahme auf F i g. 1 bis 3 beschriebenen Maschine: Da sich beide Rotoren
gegensinnig drehen, werden äie von dem Gestell auf die äußeren Unterlagen ausgeübten
Reaktionsmomente praktisch aufgehoben. Das gleiche gilt für die auf die Rotoren
ausgeübten Axialkräfte, wenn dafür gesorgt wird, daß die Rotormassen in der obigen
Weise geblättert werden. Da der Stator die Rotoren nicht mehr umhüllt, können den
Rotoren leicht Massen mit großer Trägheit gegeben werden. Das Fehlen der Fliehkraft
an den Luftspalten verbessert die Einspritzung des Quecksilbers. Der Austritt des
Quecksilbers wird durch seine tangentiale Lage erleichtert. Die Herstellung durch
Aufschichtung von gebogenen Blechen ist sehr einfach.
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Bei der in F i g. 9 bis 16 dargestellten bevorzugten Ausführung enthält
die Maschine einen Rotor mit einem Schwungrad 23 (F i g. 9) mit großem Trägheitsmoment,
welches ein Stück mit einer drehbaren Welle 25 bildet, welche einen zylindrischen
Abschnitt 53 (F i g. 9 und 10) großen Durchmessers (aus Gründen der mechanischen
Festigkeit) sowie eine zylindrische Muffe 24 aus einem elektrisch gut leitenden
Werkstoff, z. B. Kupfer, aufweist, die an dem Abschnitt 53 großen Durchmessers angebracht
ist.
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Der Stator wird im wesentlichen durch zwei Ringe 26 und 27 gebildet,
deren Innenflächen zylindrisch sind und je mit einem geringen Spiel oder Luftspalt
28 ein axiales Ende der Muffe 24 umgeben.
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Die Muffe 24 und der Abschnitt 53 großen Durchmessers können
einen einzigen Block aus einem gleichzeitig elektrisch gut leitenden und mechanisch
widerstandsfähigen Werkstoff, z. B. Berylliumbronze, bilden.
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In die Ringe 26 und 27 sind zylindrische Nuten 29 eingeschnitten,
welche im Querschnitt die Form von Spiralenabschnitten haben. Die äußeren Abschnitte
dieser Ringe sind mit Hilfe von zwei Ringen 30 mit dünnen Platten 31 verbunden,
welche sich quer beiderseits der mittleren Querebene des Stators erstrecken. Diese
Platten sind elektrisch voneinander isoliert und auf beliebige Weise an einen äußeren
Laststromkreis angeschlossen, welcher in F i g. 9 symbolisch durch den Widerstand
32 dargestellt ist. Die Platten 31 müssen dünn sein, um möglichst zu verhindern,
daß die in ihnen fließenden hohen Ströme unsymmetrische Radialkräfte an dem Rotor
erzeugen. Ihr Anschluß an den äußeren Stromkreis kann z. B. infolge der sehr hohen
Stromstärke mittels einer Quecksilberverbindung 33 (F i g. 9) erfolgen.
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Sobald die Einspritzung von Quecksilber in Richtung der Pfeile 34
in die Zwischenräume oder Luftspalte 28 den Stromkreis 24-27-30-31-32-31-30-26-24
geschlossen hat, erzeugt ein schwaches radiales Erregerfeld (welches z. B. durch
eine besondere nicht dargestellte Spule oder durch die Remananz der gegebenenfalls
in der Maschine vorhandenen eisenhaltigen Materialien erzeugt wird) in diesem Stromkreis
einen Strom, der durch den mit Pfeilen versehenen Linienzug 35 symbolisch dargestellt
ist.
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Der Durchgang dieses Stromes durch die geblätterten Zonen der Ringe
26 und 27 erzeugt Tangentialströme, welche in F i g. 9 durch Kreise
dargestellt sind, wobei die mit einer Spitze versehenen Kreise Bewegungen nach oberhalb
der Zeichenebene und die ein Kreuz enthaltenden Kreise Bewegungen nach unterhalb
dieser Ebene bedeuten. Diese Tangentialströme erzeugen ein Magnetfeld mit einer
erheblichen Radialkomponente, welche den Erregerstrom verstärkt, usf.
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Die Drehung des Rotors in dem so erzeugten
kräftigen
Feld erzeugt zwischen den Luftspalten eine elektromotorische Kraft (z. B. in der
Größenordnung von 50 V), welche in dem obigen geschlossenen Stromkreis einen Strom
beträchtlicher Stärke (in der Größenordnung von z. B. 2 Millionen A) erzeugen kann.
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Die obige Anordnung bietet den Vorteil, daß sich die auf den Rotor
auswirkenden axialen Kräfte gegenseitig aufheben. Ferner ist der Strömungskreis
der leitenden Flüssigkeit hier erheblich einfacher als bei der Anordnung nach F
i g. 5 und 6.
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Gemäß einer Aasgestaltung der Erfindung werden die Blätterungsnuten
des Stators nicht bis zu dem Luftspalt verlängert. Anders ausgedrückt, zwischen
dem Luftspalt und der geblätterten Zone des Stators wird eine massive Zone aufrechterhalten,
deren Zweck nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 11 bis 14 erläutert ist.
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Es sei eine Anordnung mit drei elektrisch leitenden Teilen betrachtet,
welche durch einen massiven Teil 36,
einen von dem Teil 36 durch einen zylindrischen
Ringraum 38 getrennten geblätterten Teil 37 und durch eine diesen Ringraum ausfüllende
flüssige Masse gebildet werden. Ein Abschnitt dieser Teile ist in F i g. 11 und
13 in Endansicht und in F i g. 12 und 14 im Axialschnitt längs der Linie XII-XII
der F i g. 11 bzw. XIV-XIV der F i g. 13 dargestellt.
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Die Ausführung der F i g. 11 und 12 unterscheidet sich von der gemäß
F i g. 13 und 14 nur dadurch, daß die Blätterung bei der ersten bis an den Luftspalt
reicht, während dies bei der zweiten nicht der Fall ist.
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Es sei angenommen, daß der Teil 36 (oder Rotor) eine Drehbewegung
in der Richtung des Pfeils 39 in bezug auf den Teil 37 (oder Stator) ausführt und
daß ein durch die Pfeile 40 (F i g. 12 und 14) symbolisch dargestelltes schwaches
Magnetfeld radial an einer Stelle A des Zwischenraumes 38 erzeugt wird.
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Dieses Feld erzeugt zwischen den axial beiderseits von A liegenden
Punkten B und C eine von B nach C gerichtete elektromotorische Kraft
E.
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Diese elektromotorische Kraft E erzeugt in den verschiedenen durch
die Blätterung vorhandenen Schichten der Ausführungsform der F i g. 11 und 12 durch
die Pfeile 41 symbolisch dargestellte Ströme, welche Tangentialkomponenten
aufweisen, deren Richtung durch die Kreise 42 angedeutet ist. Diese Stromkomponenten
erzeugen ihrerseits ein das Anfangsfeld verstärkendes Magnetfeld. Es liegt also
eine selbsterregte elementare Dynamomaschine vor, bei welcher erhebliche Wirbelstromverluste
auftreten, welche die einander gegenüberliegenden Teile unnötig erwärmen.
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Bei der Ausführung der F i g. 13 und 14 können die durch die obigen
Pfeile 41 dargestellten Ströme nicht auftreten. Sie werden nämlich unmittelbar
durch die massive Zone 44 kurzgeschlossen, welche einen »Schutzring« bildet,
wie dies symbolisch durch den Pfeil 43 dargestellt ist. Das Vorhandensein dieses
»Schutzringes« gestattet somit die Unterdrückung der obigen Wirbelstromverluste.
Es ermöglicht ferner die Verringerung der mechanischen Radialkräfte, welche von
der unsymmetrischen Verteilung der Ströme in i den Platten 31 herrühren.
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Diese Unsymmetrie hat nämlich eine Ungleichheit der Potentiale zwischen
zwei diametral gegenüberliegenden Zonen des Rotors zur Folge. Derartige Zonen sind
z. B. durch die Punkte R und S in F i g. 10 i dargestellt. Diese Potentialdifferenz
erzeugt an dem Rotor Ströme, welche von der einen zu der anderen dieser beiden Zonen
fließen und erhebliche Radialkräfte erzeugen können. Der obige Schutzring schließt
diese Ströme teilweise kurz.
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Nachstehend ist unter Bezugnahme auf F i g. 15 und 16 eine andere
Ausgestaltung der Erfindung erläutert, welche ebenfalls eine Herabsetzung der von
dem Arbeiten als selbsterregte Dynamomaschine herrührenden Wirbelstromverluste ermöglicht.
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In F i g. 16 ist angenommen, daß der zwischen dem sich in der Richtung
des Pfeiles 45 bewegenden Rotor 24
und dem Statorabschnitt
26 angeordnete Ringraum 28
genau zylindrisch ist und daß das an einer
Stelle D dieses Luftspaltes durch die Tangentialkomponenten des Stromes erzeugte
Magnetfeld nicht genau axial ist, d. h. daß es eine Normalkomponente N aufweist.
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Die gegenseitige Bewegung der Teile 24 und 26
in dem
Feld N erzeugt induzierte Ströme, welche symbolisch durch die Pfeile 46 dargestellt
sind und erhebliche Wirbelstromverluste erzeugen können (wie dies oben unter Bezugnahme
auf F i g. 11 und 12 ausgeführt wurde).
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Zur Vermeidung dieser Verluste genügt es, den einander gegenüberliegenden
Flächen der Teile 24
und 26 eine solche Krümmung zu geben, daß das
durch die Pfeile 47 (F i g. 15) symbolisch dargestellte magnetische Induktionsfeld
an jedem Punkt zu diesen Flächen tangential liegt, wodurch die zu diesen Flächen
normale Komponente N aufgehoben wird. Dies ist bei 48 in F i g. 15 dargestellt.
Aus dieser Figur geht hervor, daß die gebogene Zone 48 des Luftspaltes sich
nicht über die ganze axiale Länge desselben erstreckt, damit die Ausbiegung der
gebogenen Zone kleiner als die radiale Ausdehnung des Luftspaltes ist, so daß der
Rotor in den Stator durch einfache axiale Einführung eingebaut werden kann.
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Unter Bezugnahme auf F i g. 15 soll noch eine weitere Ausgestaltung
der Erfindung beschrieben werden.
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An einem in der Mitte der axialen Länge des Luftspaltes liegenden
Punkt M besitzt das Magnetfeld zwei Komponenten, nämlich eine durch den Pfeil 49
dargestellte Axialkomponente und eine durch den mit einer Spitze versehenen Kreis
50 dargestellte Tangentialkomponente.
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Die auf das Quecksilber oder eine andere leitende Flüssigkeit an diesem
Punkt M ausgeübten elektrischen Antriebskräfte können ebenfalls auf zwei Komponenten
zurückgeführt werden, nämlich eine zu dem Tangentialfeld 50 proportionale Axialkomponente
und eine zu dem Axialfeld 49 proportionale Tangentialkomponente.
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Die erstere erzeugt in der Flüssigkeit einen hohen Druck in der Größenordnung
von mehreren kg/cmQ, welcher die Flüssigkeit axial aus dem Luftspalt nach außen
auszutreiben sucht. Die zweite Kraftkomponente erteilt der Flüssigkeit einen tangentialen
Impuls, welcher zu der axialen Strömungsgeschwindigkeit derselben umgekehrt proportional
ist und einen unnützen Energieverlust verursacht. Um diesen Impuls zu verringern,
ist es daher zweckmäßig, diese axiale Geschwindigkeit zu vergrößern. Andererseits
muß jedoch der Druck der Flüssigkeit in dem Luftspalt ausreichend sein, um eine
ständige Füllung desselben zu gewährleisten.
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Es muß daher ein Kompromiß für die Durchflu.ßmenge und den Druck der
leitenden Flüssigkeit in dem Luftspalt gewählt werden. Hierfür wird an dem Ausgang
51 des Luftspaltes eine Drosselstelle mit festem oder regelbarem Querschnitt hergestellt,
z. B. dadurch,
daß auf den Stator ein Kranz 52 aufgesetzt wird,
welcher das entsprechende axiale Ende des Rotors mit Spiel umgibt.
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Die Drosselung, welche vorzugsweise regelbar ist, muß einerseits kleiner
als ein gegebener Grenzwert sein (welcher insbesondere von dem Eingangsdruck der
leitenden Flüssigkeit und dem elektrischen Ausstoßdruck dieser Flüssigkeit abhängt),
oberhalb welchem die Füllung des Luftspaltes ungenügend wäre. Andererseits muß sie
so groß sein, daß die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Luftspalt
groß ist, so daß der obenerwähnte Tangentialimpuls klein ist. Diese Drosselung gestattet,
die Strömungsmenge der leitenden Flüssigkeit auf den kleinsten Wert zu begrenzen,
welcher mit einer annehmbaren, an dieser Flüssigkeit angreifenden Tangentialkraft
verträglich ist.
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Die Nuten 29 sind vorzugsweise in die Statormasse durch Elektroerosion
eingeschnitten. Da die Nuten sich bis an den Umfang der Ringe 26 und
27 erstrecken (F i g. 10), wird die Erzeugung von zusätzlichen Radialkräften
verhindert, die von anisotropen Tangentialströmen herrühren, welche sonst in den
Ringen 30
fließen würden. Ferner sind die Nuten an ihrem inneren Ende radial
abgebogen (wie bei 55 in F i g. 10 sichtbar), um örtliche Stromanhäufungen zu vermeiden.
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Die durch die mit dem Rotor starr verbundene Masse großer Trägheit
und seinen Antriebsmotor gebildete Anordnung kann durch eine beliebige andere Anordnung
ersetzt werden, welche allmählich eine bedeutende Energie aufspeichern und diese
plötzlich wieder abgeben kann. Hierzu eignet sich z. B. auch eine Anordnung mit
einem Verdichter, welcher ein Strömungsmittel in einer geschlossenen Kammer verdichten
kann, und mit einer mit dem Rotor starr verbundenen Turbine, in welcher das Strömungsmittel
nach beendeter Verdichtung plötzlich entspannt wird, wobei die Einspritzung der
leitenden Flüssigkeit z. B. in dem Augenblick vorgenommen wird, in welchem die Turbine
ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht.