DE1488065B2 - Gleichstrommaschine in gleichpolbauart mit supraleitender ankerwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender Ankerwicklung.

Um Verbraucher, wie supraleitende Feldspulen, oder Übertragungsleitungen aus supraleitendem Material zu speisen, besteht ein Bedarf an Generatoren mit supraleitender Ankerwicklung. Solche Generatoren haben dann den Vorteil, daß die Stoßstellen zwischen Supraleitern und Normalleitern entfallen. Sie bieten den weiteren Vorteil, daß gegenüber Maschinen mit einer Ankerwicklung aus Normalleitern wesentlich höhere Energien auf kleinerem Raum umgesetzt werden können.

Bei Gleichstrommaschinen mit supraleitender Ankerwicklung bereitet nun die Kommutierung große Schwierigkeiten. Zwischen einem supraleitenden Kollektor und einer supraleitenden Bürste träte wegen des Übergangswiderstandes lokal ein großer Wärmeanfall auf, der bei tiefen Temperaturen nur sehr schwierig abgeführt werden kann. Andererseits kann man den Preßdruck nicht ausreichend steigern, um den Übergangswiderstand auf tragbare Werte zu bringen. Einer solchen Steigerung sind durch hohe Reibung Grenzen gesetzt.

Bei bekannten magnetischen Flußpumpen aus supraleitendem Material wird keine Kommutierung durchgeführt, weshalb diesen Maschinen auch lediglich einseitige Stromimpulse, aber kein nahezu glatter

Gleichstrom entnommen werden kann. Außerdem muß dabei in vielen Fällen das Feld eines Arbeitsmagneten ständig in bestimmter Weise geändert werden, weshalb man nach diesem Prinzip keine schnellaufenden Maschinen bauen kann. Solche Flußpumpen arbeiten bekanntlich nach folgendem Prinzip:

In einer bandförmigen Leiterschleife mit einer Spule hoher Induktivität wird ein Magnetfeld induktionslos dadurch eingeführt, daß ein Leiterabschnitt durch einen Pumpmagneten in normalleitenden Zustand überführt wird. In der Leiterschleife wird das Feld des Pumpmagneten verändert. In dieser Pumpphase wird eine Spannung oder ein ein Magnetfeld aufbauender Strom induziert. Durch mehrere Pumpphasen wird ein Magnetfeld nach und nach auf einen Grenzwert gebracht, indem der in der Leiterschleife zirkulierende Strom auf immer höheren Wert gepumpt wird (»Physics Letters«, Bd. 4 [1963], S. 310 bis 312). Will man nicht mit breiten Bändern, sondern mit drahtförmigen Supraleitern arbeiten, so muß man einen zusätzlichen Strompfad vorsehen, um während der lokalen Transition eines Leiterabschnittes den Spulenstrom nicht zu unterbrechen. Nach diesem Prinzip arbeitet auch eine weitere bekannte Flußpumpe.

Bei einer anderen bekannten Flußpumpe wird elektrischer Strom in einem supraleitenden Stromkreis dadurch erzeugt, daß man mit Hilfe eines Magneten in einer in den supraleitenden Stromkreis eingeschalteten supraleitenden Platte einen normalleitenden Bereich erzeugt, der von einem magnetischen Fluß durchsetzt wird. Durch entsprechende Bewegung des Magneten entlang der supraleitenden Platte wird der magnetische Fluß dabei von außen in den supraleitenden Stromkreis eingeführt. Wenn man nach Einführung des magnetischen Flusses in den supraleitenden Stromkreis den Magneten abschaltet oder den Magneten derart aus dem supraleitenden Stromkreis herausbewegt, daß dabei kein Teil des Stromkreises normalleitend wird, wird der magnetische Fluß im supraleitenden Stromkreis eingefangen und induziert dort einen elektrischen Strom. Bei dieser Bauart kann man auch mehrere supraleitende Platten entlang eines Kreises anordnen und in Reihe schalten und mehrere Magneten über diese Platten hin bewegen. Da bei höheren Geschwindigkeiten der Wirkungsgrad infolge von Wirbelströmen absinkt, die in dem in der supraleitenden Platte erzeugten normalleitenden Bereich auftreten, ist die Umlaufgeschwindigkeit der Magnete bei dieser Vorrichtung begrenzt (»Electrical Review«, 3.1. 1964, S. 22).

Ohne eigentliche Kommutierung wird auch eine weitere bekannte Stromquelle betrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einer dünnen, runden supraleitenden Bleischeibe, zu der senkrecht zwischen an Mitte und Rand angeschlossenen Bügeln eine Feldspule angeordnet ist. Unter der Bleischeibe rotiert ein Magnetpol mit einer solchen Feldstärke, daß ein dem Magnetpol benachbarter Plattenfleck in Transition gebracht wird, der mit dem Magnetpol umläuft. Die Induktion eines die Feldspule durchfließenden Stromes soll dadurch zustande kommen, daß der Fluß durch das normalleitende Loch auf der Bleiplatte und der Fluß durch das aus Feldspule, Anschlußbügel und verbindende Flußlinie auf der Bleiplatte gebildete »Loch« — wobei jeder Fluß invariant bleibt — miteinander verschlungen werden. Dadurch soll ein Strom induziert werden, der einen die Invarianz erhaltenden Magnetfluß erzeugt. Auch hierbei handelt es sich also um eine Art Flußpumpe, wobei die Drehzahl nach Angabe beschränkt sein soll (»Physics Letters«, Bd. 2 [1962], S. 257 und 259; »Bulletin SEV«, Bd. 55 [1964], S. 228 und 229).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender Ankerwicklung derart auszubilden, daß die Kommutierung in die Spulenwicklung verlegt wird. Insbesondere ίο soll die Maschine so ausgebildet sein, daß Gleichspannung bzw. Gleichstrom in großtechnischem Maßstab mit konstanten Magnetfeldern erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß zur Erzielung einer Kommutierung innerhalb der Ankerwicklung unter Betriebsbedingungen dauernd supraleitende, in einem Abstand von maximal einer halben Polteilung angeordnete Spulenlängsseiten an einer ersten Kollektorleitung angeschlossen sind, daß diese Spulenlängsseiten bei einem Abstand von etwa einer Polbreite mit Schaltstrecken, die durch ein relativ zur Ankerwicklung bewegtes Arbeitsmagnetfeld vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführbar und an einer zweiten Kollektorleitung für die andere Polarität angeschlossen sind, in Reihe liegen und daß die Anzahl oder die Ausdehnung der Pole für das Arbeitsmagnetfeld derart ist, daß mindestens immer eine dauernd supraleitende Spulenlängsseite im Arbeitsmagnetfeld liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine sind die Schaltstrecken durch Wendepolfelder vor dem Eintritt in das Arbeitsmagnetfeld stromlos gemacht. Durch diese Maßnahme kann eine nahezu verlustlose Kommutierung erzielt werden. Die wesentlichen Verluste bestehen andernfalls darin, daß in dem geschalteten Kreis die dort gespeicherte magnetische Energie verlorengeht.

An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung tragen gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen.

In F i g. 1 a ist eine zylindrische Ankerwicklung abgewickelt wiedergegeben. Man kann sich vorstellen, daß die Ankerwicklung an der Schnittlinie 1 aufgeschnitten wurde. Die Spulen 2 und 3 bzw. 4 und 5 sind jeweils zu Gruppen zusammengefaßt. Die Spulen einer Gruppe hat man sich übereinanderliegend vorzustellen; sie sind nur der Anschaulichkeit wegen nebeneinander gezeichnet. Durch diese Anordnung erzielt man mehr wickelkopffreie Räume, wodurch die Maschine gut zugänglich ist. Spulen und Spulengruppen sind elektrisch zueinander parallel geschaltet und mit Kollektorleitungen in Form von Sammelschienen 6 und 7 zur Stromabnahme verbunden. Mit 8 und 9 sind Arbeitsmagnetpole gleicher Polarität wiedergegeben.

Die Arbeitspole können Permanentmagnete sein oder Elektromagnete, die sich durch eine Wicklung aus Normalleitern oder aus Supraleitern in einem Kryostaten erzeugen lassen. Man kann auch Normalleiter in einem Kryostaten zur Magnetfelderzeugung für die Arbeitspole heranziehen. Die Erregerwicklung kann fremd- oder eigenerregt sein. Die Pole 8 und 9 kann man sich in Pfeilrichtung 70 unter der Ankerwicklung und relativ zu dieser vorbeibewegt denken. Die supraleitende Ankerwicklung kann fest in

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einem Kryostaten angeordnet sein. Das hat gegen- hochohmig, daß die in ihnen induzierte Spannung

über einer bewegten Ankerwicklung bei ruhenden keinen wesentlichen Strombeitrag liefert. Dieser Strom

Arbeitspolen den Vorteil, daß bei den Stromabneh- wäre bei der dargestellten Anordnung ein Verlust-

mern keine Kontaktprobleme auftreten. Jede Spule strom, der zum Arbeitsstrom in entgegengesetzter

der Ankerwicklung hat eine Schaltstrecke 11, die hier 5 Richtung flosse. Wenn die Arbeitspole die rechten

gestrichelt wiedergegeben ist. Diese Schaltstrecken Spulenlängsseiten der Gruppen erreicht haben, wird

bestehen aus supraleitendem Material, dessen kri- in den Spulen 3 und 5 bei der dargestellten ver-

tische Feldstärke kleiner als die magnetische Feld- tauschten Anschlußart zwischen den Sammelschienen

stärke der verwendeten Arbeitspole ist. Ihre kritische eine Arbeitsspannung der alten Polarität induziert.

Feldstärke soll andererseits aber so hoch liegen, daß io Die linken Spulenseiten 11 dieser Spulen sind dabei

durch Ankerströme auch im höchsten Belastungsfall wieder supraleitend. Die Spannung in den als Schalt-

keine Transition auftritt. Beim Vorbeilaufen der strecken ausgebildeten rechten Spulenseiten 11 der

Arbeitspole werden dann die als Schaltstrecken aus- Spulen 2 bzw. 4 verursacht dagegen wegen des hohen

gebildeten Abschnitte der Ankerwicklung im zeitlichen Widerstandes nur einen vergleichsweise kleinen Strom.

Wechsel vom supraleitenden in den normalleitenden i₅ Der Wirkung nach ist der Arbeitsstrom in der zweiten

Zustand (und zurück) überführt. Stromhalbwelle je Spule kommutiert worden.

Die Schaltstrecken 11 bestehen aus Supraleitern, wie Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen beispielsweise Blei, Niob oder Legierungen von Blei— Gleichstrommaschine liegt darin, daß die Kommu-Wismut, Niob—Tantal oder Molybdän—Rhenium. tierungsverluste einfach und genau erfaßt und durch In den Schaltstrecken werden die Supraleiter vor- 20 konstruktive Maßnahmen vermindert werden können, zugsweise in Form dünner Schichten unter 10~⁵ cm was erst den Bau von Großmaschinen beherrschen Dicke verwendet, um durch den Weglängeneffekt läßt. Aus induzierter oder an den Klemmen anlieden ohmschen Widerstand im normalleitenden Zu- gender Spannung und aus dem Widerstand der stand zu vergrößern. Die übrigen Spulenseiten der Schaltstrecke im normalleitenden Zustand sowie der Ankerwicklung bestehen aus solchen harten Supra- 25 Kreisinduktivität und dem Spulenstrom läßt sich leitern, die auch unter Einwirkung des Arbeitspol- die Verlustleistung bestimmen,
feldes supraleitend bleiben. Das können Drähte oder In F i g. Ib ist ein System ähnlich wie in F i g. la Bänder aus Legierungen wie Niob—Zirkon oder dargestellt. An Stelle von zwei Doppelleitern sind Titan—Niob sein. Ebenso kann man intermetallische ' jetzt sechs Doppelleiter je Pol angeordnet. Je Arbeits-Verbindungen, wie z. B. Niob—Zinn (Nb₃Sn) oder 30 pol wird dadurch in drei elektrisch parallelliegenden Vanadium—Gallium (V₃Ga) verwenden. Die kri- Spulen die Arbeitsspannung induziert,
tischen Stromdichten der harten Supraleiter liegen Besteht die Ankerwicklung aus einer einzigen z. B. bei Niob—Zirkon bei etwa 10⁵ A/cm² bei einer Spule, deren eine Längsseite oder ein Abschnitt in Feldstärke von 20 kG. Die Größe der Ankerstrom- der Länge eines Arbeitspoles als Schaltstrecke ausdichte muß dann also unter diesem Wert liegen. 35 gebildet ist, so wird ein pulsierender Gleichstrom

In den Spulengruppen 2,3 und 4,5 liegen die erzeugt, wenn wenigstens immer eine Spulenlängs-

Schaltstrecken 11 auf vertauschten Spulenseiten, und seite im Magnetfeld liegt. Die einfachste Gleichstrom-

die Spulen sind auch vertauscht an die Sammel- maschine kann also aus einer Spule und einem

schiene 6 und 7 angeschlossen. Eine solche Gruppe Arbeitspol gleicher Breite gebaut werden, wobei als

erzeugt zwei aneinander anschließende Spannungs- 40 Breite ein halber Umfang der Polbewegungsfläche

impulse. Die Spulenseite in Richtung der Relativ- zu wählen ist. In einer Spulengruppe nach F i g. 1 a

bewegung ist jeweils nicht größer als eine Polflächen- kann schon nahezu lückenloser Gleichstrom erzeugt

breite (in Richtung der Polbewegung). Die Spulen- werden.

gruppen sind im Abstand einer Spulenbreite gleich- Die Fig. 2a und 2b geben gleichfalls eine Gleichmäßig über den Umfang der Ankerwicklung verteilt, 45 Strommaschine nach der Erfindung für lückenlosen und es sind so viele Arbeitspole angeordnet, daß Gleichstrom wieder. Solche Maschinen können auch immer eine Längsseite (quer zur Bewegungsrichtung) bei Motorbetrieb in jeder Stellung anlaufen. In der Spulen im Arbeitsmagnetfeld liegt. Im Ausfüh- Fig. 2 a sei die Situation zur Zeit/ festgehalten, rungsbeispiel erstrecken sich die Ankerspulen über Die F i g. 2 b gibt dann die Situation zur Zeit t + T eine halbe Polteilung. Es ist zweckmäßig, die Spulen- 50 wieder, wobei T die Periodendauer, bezogen auf eine länge mindestens so groß wie die Länge der Arbeits- Spule, angibt. F i g. 3 stellt eine Variante zur Auspole (quer zur Bewegung) zu machen. Würden die bildung nach F i g. 1 a dar. Vier Spulen 2, 3, 4, 5 Spulen breiter als die Breite der Arbeitspole gewählt, sind gleichmäßig über den Umfang verteilt und dann träte für eine Last immer wieder ein Kurzschluß gleichsinnig angeschlossen. Strom- und Spannungsauf. Werden die Spulen dagegen nicht so breit wie 55 charakteristik sind die gleichen wie bei einer Maschine eine Polbreite gewählt, so wird die Breite des Arbeits- nach F i g. 1 a.

pols nicht voll ausgenutzt. Die Spannungsdoppel- Wenn die Ankerwicklung durch mindestens zwei

impulse der einzelnen Gruppen schließen sich anein- parallelgeschaltete Spulen gebildet wird, von denen

ander an. Es können auch viele Spulengruppen ver- immer eine Spule lediglich mit der von Schaltstrecken

wendet werden, die sich teilüberdecken. 60 freien Längsseite im Magnetfeld eines Arbeitspols

Bewegen sich nun z. B. die Arbeitspole von links liegt, wie es bei den Anordnungen nach F i g. 1 a nach rechts an den Spulengruppen vorbei, so wird bis 3 der Fall ist, dann bleibt über Verbraucher und in den linken Spulenseiten der Spulen 2 bzw. 4 eine Ankerwicklung immer ein in sich geschlossener Strom-Spannung induziert, die durch einen angeschlossenen pfad mit induzierter Arbeitsspannung bestehen. Das Verbraucher V einen Laststrom treibt. Gleichzeitig 65 hat für induktive Verbraucher den großen Vorteil, gehen die links liegenden Schaltstrecken 11 unter daß die Schaltstrecken im normalleitenden Zustand Einwirkung des Arbeitsmagnetfeldes in normallei- überbrückt werden und nur mit einem kleinen Bruchtenden Zustand (Transition). Sie werden dadurch so teil des Laststromes belastet werden.

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In F i g. 4 ist ein weiterer Aufbau der Anker- man sich die Arbeitspole zahnstangenartig ausgebildet

wicklung dargestellt. Im Prinzip handelt es sich um und die Doppelspule 12 gespeist, so hat man einen

eine Ausbildungsart nach F i g. 3. Vor Anschluß an Linearmotor vorliegen. Die Wirkungsweise einer

die Sammelschienen sind jeweils zwei Spulen in der Ankerwicklung aus Doppelspulen soll an Hand der

Ankerwicklung elektrisch parallel geschaltet. Als 5 Figur für eine Maschine mit rotierenden Ankerpolen

solche Spulen sollen die Spulen 20 und 21 verfolgt im Generatorbetrieb erläutert werden. Dazu kann

werden: Die Spulenseiten 23, 24, 25,11 und 26 bilden man sich die Arbeitspole wieder in der Zeichenebene

die Spule 20, und die Spule 21 wird durch die Spulen- abgewickelt denken.

seiten 27, 28, 29, 11 und 30 gebildet. In den Fi g. 7 a bis 7d wird dann für die Doppelin den Fig. 5 a und 5 b ist eine weitere Ausfüh- io spule 12 die Stellung der Arbeitspole 8 zum Zeitrungsform der Ankerwicklung mit zwei Spulen 2 ₌ T T _ben_ und 3 fur lückenlose Gleichstromerzeugung dar- ^v ' ' 2 '2 ^{B s}
gestellt. Die als Sammelschienen dargestellten Kollek- Die Last für die Doppelspule 12 ist durch die Induktorleitungen 6 und 7 liegen auf gegenüberliegenden tivität L und den ohmschen Widerstand R dargestellt. Maschinenseiten. In Fig. 5a liegt die Spulenseite 15 In Fig. 7b tritt ein Arbeitspol von links in die für die Arbeitsspannung links und in F i g. 5 b rechts. Doppelspule ein und ein anderer Pol rechts aus der Hier können die Sammelschienen 6 und 7 dazu Spule heraus. Bei unter der Doppelspule vorbeibenutzt werden, die Ankerrückwirkung auf das geführten Südpolen wird in der Spulenseite 13 eine Magnetfeld zu verkleinern. zur Induktion und zur Bewegungsgeschwindigkeit In F i g. 6 ist aus einer anderen Ankerwicklung 20 proportionale Spannung induziert, die in der linken eine herausgegriffene Spulengruppe dargestellt. Eine Spule einen Strom entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt, zweite Spulengruppe ist nur mit ihren Anschlüssen Die rechte Schaltstrecke 11 ist normalleitend und für die Sammelschienen angedeutet. Es sind auf einer verleiht dem Spulenzweig einen hohen Widerstand. Seite der Ankerwicklung zwei Reihen von Arbeits- Nach Fig. 7c hat der Arbeitsstrom seinen vollen polen verwendet. Die Pole 8 a haben die eine Polari- 25 Wert schon erreicht. Da die rechte Schaltstrecke 11 tat und die andere Reihe mit Polen Sb weist die wieder supraleitend ist, kann sich der Arbeitsstrom entgegengesetzte Polarität auf. In den Spulenlängs- über die mittlere und die rechte äußere Schaltstrecke seiten der Arbeitspole wechseln — quer zur Bewe- verzweigen. Bei Fig. 7d ist die mittlere Schaltgungsrichtung 10 der Arbeitspole — Schaltstrecken 11 strecke 11 normalleitend, und der Arbeitsstrom weicht und ständig supraleitende Abschnitte von Spulen- 30 über die äußere Spulenseite der Doppelspule aus. seite zu Spulenseite vertauscht ab. Dadurch trägt man Der Arbeitsstrom ist dann von der mittleren Schaltdem Umstand Rechnung, daß Magnetpole der ent- strecke 11 auf die äußere Schaltstrecke kommutiert gegengesetzten Polarität in einer Ankerspule beim worden. In der Konstellation nach Fig. 7a sind Eintritt bzw. beim Austritt eine Spannung gleicher beide Schaltstrecken leitend und können sich an der Richtung induzieren. Die Arbeitsphasen und die 35 Stromführung beteiligen. In dieser Arbeitspolstellung Kommutierungsphasen sind deshalb von Polart zu wird der Arbeitsstrom sodann wieder von der rechten Polart zu vertauschen. Verwendet man auf einer Schaltstrecke auf die mittlere Schaltstrecke zurück-Seite der Ankerwicklungsfläche beide Polarten nach kommutiert.

F i g. 6, so wird der magnetische Rückschluß erleich- F i g. 8 gibt die Abwicklung einer Ankerwicklung tert, da er nicht außen um die Ankerwicklung herum- 40 aus Doppelspulen in Reihenparallelschaltung wieder, geführt werden muß. Auf der anderen Seite der Jeweils um 180 elektrische Grad verschobene Doppel-Ankerwicklung liegen den Polreihen die Pole der spulen 12 und 14 bzw. 15 und 16 sind in Reihe gejeweils entgegengesetzten Polarität schräg gegenüber. schaltet und bilden jeweils einen Strang. Die Reihen-Der Magnetfluß überquert die Fläche der Anker- stränge mit den Doppelspulen 12 und 14 bzw. 15 wicklung nicht nur zur Flußrückführung, sondern 45 und 16 sind an Sammelschienen 6 und 7 parallel auch zur Energieumsetzung. angeschlossen. Die dargestellte Maschine hat zwei Bei einer Ausbildung der Ankerwicklung nach ausgeprägte Arbeitspole 8 und 9, wobei der abge-F i g. 7 sind Spulen 2 und 3 zu einer zweifach zusam- brochen und aufgeteilt wiedergegebene Arbeitspol menhängenden Doppelspule 12 mit um etwa eine mit 9 bezeichnet ist. Versteht man unter Polteilung Polbreite verschobenen Schaltstrecken 11 zusammen- 50 den auf einen Arbeitspol entfallenden Anteil der gefaßt. Eine Doppelspule kann man sich entstanden Ankerwicklungslänge, so erkennt man, daß jede Spule denken, indem zwei Spulen so zusammengefaßt der Doppelspulen zwischen zwei Spulenlängsseiten werden, daß sie eine gemeinsame und eine nicht eine Breite von einer Polfläche in Bewegungsrichtung gemeinsame Schaltstrecke aufweisen. In dieser Doppel- hat. Statt die Schaltstrecken der Doppelspulen um spule wird in der ständig supraleitenden Spulenlängs- 55 eine halbe Polteilung zu versetzen, können sie auch seite 13 die Arbeitsspannung induziert, während die um ein ungradzahliges Vielfaches der halben PoI-beiden anderen Spulenseiten mit den Schaltstrecken 11 teilung versetzt werden.

zum Kommutieren dienen. Gleichzeitig bildet die In F i g. 9 ist eine andere Ausführungsart für

jeweils supraleitende Schaltstrecke — die sich also Doppelspulen wiedergegeben. Die eine Schaltstrecke

gerade nicht im Magnetfeld befindet — für den 60 H¹ Hegt hier unter der ständig supraleitenden Längs-

Arbeitsstrom eine Brücke. Verwendet man eine so seite 13. Die andere Schaltstrecke II² kann als die

ausgebildete Doppelspule, so genügt eine einzige den Spulen 2 und 3 gemeinsame Schaltstrecke auf-

Doppelspule mit weniger Materialbedarf als für zwei gefaßt werden. Die Wirkungsweise entspricht der

Spulen, um über den Verbraucher ständig einen der Doppelspule nach F i g. 7.

geschlossenen, gut leitenden Arbeitsstromkreis auf- 65 Fig. 10 gibt schematisch ein Ausführungsbeispiel

rechtzuerhalten. einer Doppelspule nach F i g. 7 oder 8 wieder, mit

Die Doppelspule nach F i g. 7 ist vor ausgeprägten der wegen mehrerer Windungen höhere Spannungen

Arbeitspolen 8 gleicher Polarität dargestellt. Denkt erzielt werden. Die Schaltstrecken 11 müssen somit

einen höheren Widerstand im normalleitenden Zustand haben. Baut man die Schaltstrecke aus mäanderförmigen Drähten oder dünnen Bändern auf, so erzielt man einen hohen Widerstand im normalleitenden Zustand der Schaltstrecke — praktisch ohne Vergrößerung der Induktivität —, weshalb eine solche Schaltstrecke besonders niedrige Verluste aufweist. In den Mäanderlagen heben sich dann die induzierten Spannungen gegenseitig auf. Dieses Bauprinzip für Schaltstrecken läßt sich auch in anderen bisher beschriebenen Ankerwicklungen vorteilhaft verwenden. Der Widerstand einer solchen Schaltstrecke läßt sich weiter steigern, wenn man dünne Supraleiterschichten unterhalb einer Stärke von 1000 Ä verwendet, da dann Randeffekte auftreten. Für hohe Stromstärken können mehrere Schichten parallel geschaltet werden. Außerdem kann man Material verwenden, das im normalleitenden Zustand besonders hochohmig ist.

F i g. 11 ist als herausgebrochenes Teilstück aus einer Schaltstrecke nach F i g. 10 aufzufassen. Um Wirbelströme zu vermeiden, liegen die Mäanderlagen in Richtung der magnetischen Induktion und senkrecht zur Bewegungsrichtung. Diese Schaltstrecke mit einer vielfachen Hin- und Rückleitung einer supraleitenden Schicht 18 ist so aufgebaut, daß die supraleitende Schicht, beispielsweise aus Niob, zwischen Isolierschichten 19 und Trägerschichten 17 angeordnet ist. So kann z. B. eine 1μ starke supraleitende Schicht 18 aus Niob zwischen 20 μ starken Kunststoff schichten, beispielsweise aus Hostaphan 19 und zwischen etwa 50 μ starken Kupferfolien 17 liegen. Man kann auch dünnes Aluminiumband als Träger verwenden, oberflächlich oxydieren und eine Supraleiterschicht aus Blei von beispielsweise 0,1 μ Dicke aufdampfen.

In Fig. 12a ist eine sehr einfache Ausführungsform einer Gleichstrommaschine dargestellt, die für Verbraucher mit hoher Induktivität näherungsweise Gleichstrom liefert. Das Magnetfeld einer Feldspule 31 kann so z. B. bis zu einem Sättigungswert aufgebaut werden. Die Maschine besteht aus einem drehbaren Topfmagnet 32, der zwischen einem Zentralkörper 33 und einer Randnase 34, die hier einen einzigen Arbeitspol bildet, einen Ringspalt 35 einschließt. Die Ankerwicklung 36 aus supraleitendem Material ist in einer Zylinderfläche ausgebreitet und konzentrisch zur Achse des Topfmagneten ruhend im Ringspalt 35 angeordnet. Die hier dargestellte Ankerwicklung ist als einzige Doppelspule nach F i g. 7 ausgebildet und kann in einem nicht dargestellten ringförmigen Kryostaten eingesetzt sein. Zwischen der Nase 34 und einem Zentralkörper 33 findet das Magnetfeld der Induktion B einen Rückschluß.

Der Topfmagnet kann als Permanentmagnet ausgebildet sein, oder man kann das Magnetfeld durch eine hier nicht dargestellte ringförmige Erregerwicklung erzeugen. Dazu können um den Zentralkörper 33 an der Bodenplatte 37 und um die Stirnseite des Zentralkörpers, wie in F i g. 12 b angedeutet, zwei Ringspulen 38 und 39 verwendet werden. Diese sind, wie durch Pfeile 40 angedeutet, gegensinnig zu speisen. Die Erregerwicklungen können aus Supraleitern bestehen und mit der Ankerwicklung im gleichen Kryostaten untergebracht sein.

In den Fig. 13a und 13b ist eine mögliche Ausführungsform der Gleichstrommaschine nach der Erfindung schematisch dargestellt. Fig. 13a ist die Ansicht nach einem Schnitt durch die Rotationsachse 41. Man sieht im Schnitt einen flachringförmigen Kryostaten 48, in dem eine Ankerwicklung 49 und eine doppelringförmige Erregerwicklung mit den Ringleitern 50 und 51 angeordnet ist. Die Erregerwicklung sei z. B. so gespeist, daß eine magnetische Induktion B zwischen den Arbeitspolen 42 und 43 über die Nabe 52 einen Rückschluß findet. Die Arbeitspole werden durch klauenförmig ausgebildete

ίο Arme 44 und 45 bzw. 46 und 47 gebildet. Die in der Kreisringfläche ausgebildete Ankerwicklung 49 kann nach Art einer der vorher beschriebenen Ankerwicklungen aufgebaut sein.
Fig. 13b stellt die Ansicht der Maschine nach Fig. 13a bei einem Schnitt längs XIIi-XIIi dar. Statt der dargestellten vier Arbeitspole kann bei entsprechend gewählter Ankerwicklung auch jede beliebige andere Anzahl von Arbeitspolen gewählt werden.

Zur nahezu verlustlosen Kommutierung können den Arbeitspolen Wendepole auf einer Bahn innerhalb der Längsseiten und außerhalb der Schaltstrecken vorausgeführt werden. Zur Erläuterung dieser Kommutierungsart sollen einige schon besprochene Wicklungsarten herangezogen werden.

In Fig. 14 ist im Prinzip eine Doppelspule nach F i g. 7 in einer Anordnung nach F i g. 12 a schematisch dargestellt. Sie soll z. B. durch einen einzigen Arbeitspol betrieben werden. Neben der Bahn (Bewegungsrichtung 10) für den Arbeitspol 8 ist ein Wendepol 53 angeordnet, der dem Arbeitspol vorausgeführt ist. Die Breite sowie die Länge des nach F i g. 7 ausgeführten Arbeitspols ist um die Wendepolabmessungen verkürzt. Den Wendepol wird man deshalb möglichst klein wählen. In der Bahn des Wendepols sind keine Schaltstrecken angeordnet. Die dauernd supraleitenden Spulenlängsseiten 54 und 55 liegen in der Bahn des Wendepols. Mit L und R sind wieder ein induktiver und ein ohmscher Verbraucher bezeichnet. Die Ankerwicklung ist wieder abgewickelt dargestellt, und man sehe auf die in Richtung 10 bewegten Pole 8 und 53, die hinter der Ankerwicklung liegen sollen. Arbeitspole und Wendepole seien beispielsweise Südpole.

Es soll der Anlauf der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine verfolgt werden: In Fig. 14b beginnt die Arbeitsphase. Es wird ein Strom / induziert, der in der Seite 13 nach unten zeigt und über die Seiten 54 und 55 verteilt zurückfließt. Der Wendepol 53 wird von einem zum Arbeitsstrom verhältnisgleichen Strom durchflossen. Das Proportionsverhältnis wird so einreguliert, daß das Wendepolfeld ein Spannungszeitintegral in dem Spulenseitenabschnitt 54 induziert, das imstande ist, den Strom trotz der Induktivität der Schleife auf den Abschnitt 55 umzulenken. In der Stellung nach F i g. 14c beginnt der Wendepol in der mittleren Spulenseite eine Gegenspannung zu induzieren und wendet den Strom zu den äußeren Spulenseiten, was in Fig. 14d angedeutet, ist. Dann überführt der Arbeitspol die stromlose Schaltstreckella in normalleitenden Zustand. Durch das stromlose »Schalten« bzw. Kommutieren bleibt die als Magnetfeld des Stromkreises gespeicherte Energie erhalten. In der Stellung von Fig. 14e und 14f wird der auf Grund der Lastinduktivität noch fließende Strom auf die mittlere Spulenseite zurückgewendet. Die Transition der Schaltstrecke Hi durch den Arbeitspol vollzieht sich dann

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wieder im stromlosen Zustand der rechten Spulen- gegeben, wie man sie bei einer Blickrichtung in

seite. An F i g. 14 g schließt sich die Stellung nach Richtung der Arbeitspolbewegung sieht. Der gleich-

F ig. 14 a an. Abhängig von der Stärke des Anker- falls ruhende Wendepol 53 nach F i g. 17 kann ein

stromes beteiligt sich der Wendepol an der Indu- Pol eines Hufeisenmagneten 58 sein. Um seine beiden

zierung einer Arbeitsspannung. 5 Polenden können im Schnitt dargestellte ringförmige

Bei einer nach F i g. 15 ausgebildeten Ankerwick- Erregerwicklungen 59 und 60 angeordnet sein. In der lung — im Prinzip wie nach F i g. 4 — wird ein Speiseleitung 61 der Erregerwicklungen 59 und 60 Laststrom von der Spule 20 zu der Spule 21 gewendet liegt ein Transduktor 62 mit zwei verzweigten Arbeitsund umgelenkt. Die Spule 20 wird durch die Seiten pfaden, denen antiparallel Gleichrichterdioden 63 23, 24, 25, 56, 11 und 26 gebildet. Die Seiten 27, 28, io vorgeschaltet sind (spannungssteuernde Antiparallel-29, 57, 11 und 30 bilden die Spule 21. schaltung). Den Speiseklemmen 64 wird nun für

F i g. 16 gibt schematisch die Ausbildung einer einen zu F i g. 17 beschriebenen Betrieb eine Wechsel-Spulengruppe entsprechend F i g. 2 a für verlustlose spannung zugeführt, die eine Periodendauer hat, wie Kommutierung durch Wendepole wieder. sie sich aus Polteilung und Polgeschwindigkeit ergibt.

Am Beispiel der Doppelspulen erläutert, sieht eine 15 Die an der Wendepolwicklung auftretende Spannungsweitere Ausgestaltung der Erfindung vor, ruhende zeitrläche wird durch Steuerung des Transduktors Wendepole zwischen Spulen mit zwei Schaltstrecken über die Steuerleitung 65 proportional dem Gleichanzuordnen (F i g. 17). Sie werden dann durch eine strom gemacht. Es handelt sich dabei um eine Breiten-Wechselspannung erregt, die dem Laststrom etwa steuerung. Der Steuerstrom ist dazu über einen proportional ist. Die Grundfrequenz dieser Wechsel- 20 Gleichstromwandler mit der Ankerwicklung gekoppelt, spannung entspricht genau der Periodendauer, die Mechanisch umlaufende Wendepole kann man bei sich aus Polteilung und Polgeschwindigkeit ergibt. einer Maschine nach Fig. 13a und 13b einfach Die anzulegende Erregerspannung soll aber keinen dadurch erreichen, daß man das Polrad nach F ig. 13 b sinusförmigen Verlauf haben, sondern annähernd durch eines nach F i g. 18 ersetzt (die Bezugszahlen Rechteckform mit einer spannungslosen Pause, die 25 bezeichnen in ihr entsprechende Teile wie in F i g. 13 der Zeit entspricht, in der der Arbeitspol eine Schalt- bzw. 17). Das Magnetfeld kann dann wieder durch strecke überquert. Diese Spannungsform erzeugt in magnetischen Rückschluß zwischen vier Ringleitern der von beiden Schaltstrecken gebildeten Windung erzeugt werden,
einen etwa trapezförmigen Wendepolfluß. Der Nutzgleichstrom der geschilderten Gleich-

So ergibt sich dann folgende Wirkungsweise: 30 Strommaschinen wird durch den kritischen, Strom Bevor der Arbeitspol 8 die mittlere Spulenseite mit der harten Supraleiter und der Schaltstrecken sowie der Schaltstrecke 11 α überläuft, ist der Wendepol 53 durch die Bemessung der Kommutierungshilfen im Verhältnis zum Ankerstrom so zu erregen, daß (Wendepole) und durch die Ankerrückwirkung auf der Wendepol gleiche Polarität wie der Ankerpol die Arbeitspole begrenzt. Es ist zweckmäßig, die aufweist. Diese Erregung ist beizubehalten, bis der 35 verschiedenen Grenzen durch entsprechendes Di-Arbeitspol 8 die Schaltstrecke 11a verlassen hat. mensionieren auf etwa gleichen Wert zu bringen.
Bevor die Schaltstrecke 11b erreicht ist und dadurch Um die beschriebenen Gleichstrommaschinen mit in Transition geht, ist der Wendepol 53 entgegen- Wendepolen im Motorbetrieb verwenden zu können, gesetzt durch einen Strom gleicher Stärke wie vorher ist lediglich zwischen den Anschlußklemmen der zu erregen. 40 Ankerwicklung ein Strom technisch positiver Rich-

Aufbau und Steuerung eines Wendepols nach tung von der Plus- zur Minusklemme einzuprägen F i g. 17 soll an Hand von F i g. 19 veranschaulicht und die Erregerwicklung für die Wendepole umzuwerden. Zur besseren Orientierung ist hier die ruhende polen. Man erhält dann einen Motor gleicher Lauf-Spulenseite mit der Schaltstrecke 11b so wieder- richtung wie zuvor im Generatorbetrieb.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Kommutierung innerhalb der Ankerwicklung unter Betriebsbedingungen dauernd supraleitende, in einem Abstand von maximal einer halben Polteilung angeordnete Spulenlängsseiten an einer ersten Kollektorleitung (6) angeschlossen sind, daß diese Spulenlängsseiten bei einem Abstand von etwa einer Polbreite mit Schaltstrecken (11), die durch ein relativ zur Ankerwicklung bewegtes Arbeitsmagnetfeld vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführbar und an einer zweiten Kollektorleitung (7) für die andere Polarität angeschlossen sind, in Reihe liegen und daß die Anzahl oder die Ausdehnung der Pole für das Arbeitsmagnetfeld derart ist, daß mindestens immer eine dauernd supraleitende Spulenlängsseite im Arbeitsmagnetfeld liegt.

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecken (11) durch Wendepolfelder vor dem Eintritt in das Arbeitsmagnetfeld stromlos gemacht sind.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei umlaufenden ausgeprägten Arbeitspolen (8,9) gleicher Polarität die Ankerwicklung als eine Spule ausgebildet ist, deren Spulenbreite in Richtung der Relativbewegung annähernd so groß wie eine Polbreite ist.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung durch mindestens zwei parallelgeschaltete Spulen gebildet ist, von denen mindestens immer eine Spule lediglich mit der von Schaltstrecken freien Längsseite im Magnetfeld eines Arbeitspoles liegt.

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung durch mindestens zwei parallelgeschaltete Spulen gebildet ist, die in bezug auf das Magnetfeld phasenverschoben sind.

6. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ankerwicklung aus parallelgeschalteten Strecken elektrisch in Reihe liegender Spulen innerhalb eines Strangs gleiche Spulenabschnitte in der gleichen Stellung zum jeweiligen Arbeitspol liegen.

7. Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule als zweifach zusammenhängende Doppelspule mit zwei parallelgeschalteten, um etwa eine Polbreite auseinanderliegenden Schaltstrecken ausgebildet ist.

8. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Längsseiten der Ankerspulen jeweils eine Schaltstrecke (11) und ein dauernd supraleitender Abschnitt von Spulenlängsseite zu Spulenlängsseite vertauscht abwechseln, zu denen zwei Reihen von Arbeitspolen (8 a, 8 b) mit einander entgegengesetzter Polarität zugeordnet sind (F i g. 6).

9. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Arbeitspolen (8) Wendepole (53) auf einer Bahn innerhalb der Spulenlängsseiten und außerhalb der Schaltstrecken zugeordnet sind (F i g. 15 bis 19).

10. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweifach zusammenhängenden Doppelspulen mit zwei parallelgeschalteten, um etwa eine Polbreite auseinanderliegenden Schaltstrecken gleichstromerregte Wendepole (53) den Arbeitspolen (8) auf einer Bahn innerhalb der Spulenlängsseiten und außerhalb der Schaltstrecke vorausgeführt sind (F i g. 15,16,18).

11. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug auf die Ankerwicklung ruhende Wendepole in Spulenabschnitten mit zwei Schaltstrecken angeordnet und durch Wechselspannung so erregt sind, daß der Arbeitsstrom beim Eintreten einer Schaltstrecke in das Arbeitsfeld auf die andere Schaltstrecke kommutiert ist (F i g. 17,19).

12. Gleichstrommaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom der Wendepole dem Arbeitsstrom proportional ist.

13. Gleichstrommaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das den Wendepolen aufgedrückte Spannungszeitintegral einer Halbperiode dem Arbeitsstrom proportional ist.

14. Gleichstrommaschine nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Transduktors (68) zum Erzielen einer Proportionalität zwischen Arbeitsstrom und Spannungszeitintegral.

15. Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch bandförmige Supraleiter (18), deren Bandbreite sich in Richtung des Magnetfeldes erstreckt.