DE1488065C - Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender Ankerwicklung - Google Patents
Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender AnkerwicklungInfo
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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
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Gleichstrom entnommen werden kann. Außerdem varianz erhaltenden Magnetfluß erzeugt. Auch hierbei
muß dabei in vielen Fällen das Feld eines Arbeits- handelt es sich also um eine Art. Flußpumpe, wobei
magneten ständig in bestimmter Weise geändert die Drehzahl nach Angabe beschränkt sein soll
werden, weshalb man nach diesem Prinzip keine (»Physics Letters«, Bd. 2 [1962], S. 257 und 259;
schnellaufenden Maschinen bauen kann. Solche Fluß- 5 »Bulletin SEV«, Bd. 55 [1964], S. 228 und 229).
pumpen arbeiten bekanntlich nach folgendem Prinzip: Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstrom-
In einer bandförmigen Leiterschleife mit einer maschine in Gleichpolbauart mit supraleitender AnSpule
hoher Induktivität wird ein Magnetfeld induk- kerwicklung derart auszubilden, daß die Kommutietionslos
dadurch eingeführt, daß ein Leiterabschnitt rung in die Spulenwicklung'verlegt wird. Insbesondere
durch einen Pumpmagneten in normalleitenden Zu- io soll die Maschine so ausgebildet sein, daß Gleichstand
überführt wird. In der Leiterschleife wird das spannung bzw. Gleichstrom in großtechnischem Maß-Feld
des Pumpmagneten verändert. In dieser Pump- stab mit konstanten Magnetfeldern erzeugt werden
phase wird eine Spannung oder ein ein Magnetfeld kann.
aufbauender Strom induziert. Durch mehrere Pump- Erfindungsgemäß wird dies bei einer Maschine
phasen wird ein Magnetfeld nach und nach auf einen 15 der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß
Grenzwert gebracht, indem der in der Leiterschleife zur Erzielung einer Kommutierung innerhalb der
zirkulierende Strom auf immer höheren Wert gepumpt Ankerwicklung unter Betriebsbedingungen dauernd
wird (»Physics Letters«, Bd. 4 [1963], S. 310 bis 312). supraleitende, in einem Abstand von maximal einer
Will man nicht' mit breiten Bändern, sondern mit halben Polteilung angeordnete Spulenlängsseiten an
drahtförmigen Supraleitern arbeiten, so muß man ao einer ersten Kollektorleitung angeschlossen sind, daß
einen zusätzlichen Strompfad vorsehen, um während diese Spulenlängsseiten bei einem Abstand von etwa
der lokalen Transition eines Leiterabschnittes den einer Polbreite mit Schaltstrecken, die durch ein
Spulenstrom nicht zu unterbrechen. Nach diesem relativ zur Ankerwicklung bewegtes Arbeitsmagnet-Prinzip
arbeitet auch eine weitere bekannte Fluß- feld vom supraleitenden in den normalleitenden Zupumpe.
25 stand überführbar und an einer zweiten Kollektor-
Bei einer anderen bekannten Flußpumpe wird leitung für die andere Polarität angeschlossen sind,
elektrischer Strom in einem supraleitenden Stromkreis in Reihe liegen und daß die Anzahl oder die Aus-
dadurch erzeugt, daß man mit Hilfe eines Magneten dehnung der Pole für das Arbeitsmagnetfeld derart
in einer in den supraleitenden Stromkreis eingeschal- ist, daß mindestens immer eine dauernd supraleitende
teten supraleitenden Platte einen normalleitenden 30 Spulenlängsseite im Arbeitsmagnetfeld liegt.
Bereich erzeugt, der von einem magnetischen Fluß Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin-
durchsetzt wird. Durch entsprechende Bewegung des dungsgemäßen Gleichstrommaschine sind die Schalt-
Magneten entlang der supraleitenden Platte wird der strecken durch Wendepolfelder vor dem Eintritt in
magnetische Fluß dabei von außen in den supra- das Arbeitsmagnetfeld stromlos gemacht. Durch
leitenden Stromkreis eingeführt. Wenn man nach 35 diese Maßnahme kann eine nahezu verlustlose Kom-
Einführung des magnetischen Flusses in den supra- mutierung erzielt werden. Die wesentlichen Verluste
leitenden Stromkreis den Magneten abschaltet oder bestehen andernfalls darin, daß in dem geschalteten
den Magneten derart aus dem supraleitenden Strom- Kreis die dort gespeicherte magnetische Energie ver-
kreis herausbewegt, daß dabei kein Teil des Strom- lorengeht.
kreises nnrrnaiWtenii _wi.rd, wird -Her_ magnetische 4° ._. An...F"pd.._von_.Ausf.ührungsheispielen...die...in der
Fluß im supraleitenden Stromkreis eingefangen und Zeichnung schematisch dargestellt sind, soll die Erfininduziert
dort einen elektrischen Strom. Bei dieser dung näher erläutert werden. In der Zeichnung tragen
Bauart kann man auch mehrere supraleitende Platten gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen,
entlang eines Kreises anordnen und in Reihe schalten In Fig. la ist eine zylindrische Ankerwicklung
und mehrere Magneten über diese Platten hin bewegen. 45 abgewickelt wiedergegeben. Man kann sich vorstellen,
Da bei höheren Geschwindigkeiten der Wirkungsgrad daß die Ankerwicklung an der Schnittlinie 1 aufinfolge
von Wirbelströmen absinkt, die in dem in geschnitten wurde. Die Spulen 2 und 3 bzw. 4 und 5
der supraleitenden Platte erzeugten normalleitenden sind jeweils zu Gruppen zusammengefaßt. Die Spulen
Bereich auftreten, ist die Umlaufgeschwindigkeit der einer Gruppe hat man sich übereinanderliegend vorMagnete
bei dieser Vorrichtung begrenzt (»Electrical 50 zustellen; sie sind nur der Anschaulichkeit wegen
Review«, 3.1. 1964, S. 22). nebeneinander gezeichnet. Durch diese Anordnung
Ohne eigentliche Kommutierung wird auch eine erzielt man mehr wickelkopffreie Räume, wodurch
weitere bekannte Stromquelle betrieben. Sie besteht die Maschine gut zugänglich ist. Spulen und Spulen-
im wesentlichen aus einer dünnen, runden supra- gruppen sind elektrisch zueinander parallel geschaltet
leitenden Bleischeibe, zu der senkrecht zwischen an 55 und mit Kollektorleitungen in Form von Sammel-
Mitte und Rand angeschlossenen Bügeln eine Feld- schienen 6 und 7 zur Stromabnahme verbunden,
spule angeordnet ist. Unter der Bleischeibe rotiert Mit 8 und 9 sind Arbeitsmagnetpole gleicher Polarität
ein Magnetpol mit einer solchen Feldstärke, daß ein wiedergegeben.
dem Magnetpol benachbarter Plattenfleck in Tran- Die Arbeitspole können Permanentmagnete sein
sition gebracht wird, der mit dem Magnetpol umläuft. 60 oder Elektromagnete, die sich durch eine Wicklung
Die Induktion eines die Feldspule durchfließenden aus Normalleitern oder aus Supraleitern in einem
Stromes soll dadurch zustande kommen, daß der Kryostaten erzeugen lassen. Man kann auch Normal-Fluß
durch das normalleitende Loch auf der Blei- leiter in einem Kryostaten zur Magnetfelderzetigung
platte und der Fluß durch das aus Feldspule, An- für die Arbeitspole heranziehen. Die Erregerwicklung
schlußbügel und verbindende Flußlinie auf der Blei- 65 kann fremd- oder eigenerregt sein. Die Pole 8 und 9
platte gebildete »Loch« — wobei jeder Fluß invariant kann man sich in Pfeilrichtung 70 unter der Ankcrbleibt
— miteinander verschlungen werden. Dadurch wicklung und relativ zu dieser vorbeibewegt denken,
soll ein Strom induziert werden, der einen die In- Die supraleitende Ankerwicklung kann fest in
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einem Kryostalen 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 Strömabneh- wäre bei der dargestellten Anordnung ein Vcrlust-
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 dutch
In den Schaltstrecken werden die Supraleiter vor- 20 konstruktive Maßnahmen vermindert werden können,
zugsweise in Form dünner Schichten unter 1(H cm was erst den Bau von Großmaschinen beherrschen
Dicke verwendet, um durch den Weglängeneffekt läßt. Aus induzierter oder an den Klemmen anlie-
den 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
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 Fig. la
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 F i g. 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- F i g. 2a sei die Situation zur Zeit t festgehalten,
rungsbeispiel erstrecken sich die Ankerspulen über Die F i g. 2b gibt dann die Situation zur Zeit t -f 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 Fig. la 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. la.
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 Fig. la
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 Luftstrom treibt. Gleichzeitig 65 hat für induktive Verbraucher den großen Vorteil,
l'chun die links liegenden Schaltstrecken 11 unter daß die Sclialtslrecken im normalleitcnden Zustand
uiij· des Arbeilsmagnctfeldes in normallei- überbrückt weiden und nur mil einem kleinen Driicheii
Zustand (Transition). Sie werden dadurch so teil des Lastsliomcs 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. 7a bis 7d wird dann für die Doppel-
Seiten 27, 28, 29, 11 und 30 gebildet. In den Fi g. 7a bis 7d wird dann für die Doppel-
In den Fig. 5a und 5b ist eine weitere Ausfüh- io spule 12 die Stellung der Arbeitspole8 zum Zeitrungsform
der Ankerwicklung mit zwei Spulen 2 = T T ben_
und 3 fur lückenlose Gleichstromerzeugung dar- v ' ' 2 ' 2 6 6
gestellt. Die als Sammelschienen dargestellten Kollek- Die Last für die Doppelspule 12 ist durch die Induktorleitungen
6 und 7 liegen auf gegenüberliegenden tivitätL und den ohmschen Widerstand i? 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 so 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 F i g. 7 c 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 86 weist die wieder supraleitend ist, kann sich der Arbeitsstrom
entgegengesetzte Polarität auf. In den Spulenlängs- über die mittlere und die rechte äußere Schaltstrecke
sehen 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- 5" 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 Hi 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 F i g. 10 gibt schematisch ein Ausfühningsbeispiel
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 Schaltstrccken 11 müssen somit
einen höheren Widerstand im normaHeitenden 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 Kunststoffschichten, 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 F i g. 12 a 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 Fig. 12b 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 XII6-XII6 dar.
Statt der dargestellten vier Arbeitspole kann bei entsprechend gewählter Ankerwicklung auch jede
beliebige andere Anzahl von Arbeitspolen gewählt werden.
ao 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 Wick-
s5 lungsarten herangezogen werden.
In Fig. 14 ist im Prinzip eine Doppelspule nach F i g. 7 in einer Anordnung nach Fig. 12a schematisch
dargestellt. Sie soll z. B. durch einen einzigen Arbeitspol betrieben werden. Neben der Bahn (Bewegungsrichtung
10) für den Arbeitspol S 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 Schaltstrecke Ha in normafleitenden Zustand.
Durch das stromlose »Schalten« bzw. Kommutieren bleibt die als Magnetfeld des Stromkreises
gespeicherte Energie erhalten. In der Stellung von Fig. I4e und 14f wird der auf Grund der Lastinduktivität
noch fließende Strom auf die mittlere Spulenseite zurückgewendet. Die Transition der Schaltstrecke
Ho durch den Arbeitspol vollzieht sich dann
11 12
wieder im stromlosen Zustand der rechten Spulen- gegeben, wie man sie bei einer Blickrichtung in
seite. An F i g. 14g 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 Fig. 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 Fig. 2a 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 zeitfläche 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- ao 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 i g. 13 b
sinusförmigen Verlauf haben, sondern annähernd durch eines nach F i g. 18 ersetzt (die Bezugszahlen
Rechteckform mit einer spannungslosen Pause, die as bezeichnen in ihr entsprechende Teile wie in F i g. 13
der Zeit entspricht, in der der Ärbeitspol 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 kritischenJStrom
Bevor der Arbeitspol 8 die mittlere Spulenseite mit der harten Supraleiter und der Schaltstrecken sowie
der Schaltstrecke 11a 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 Schaltstreckella verlassen hat. mensionieren auf etwa gleichen Wert zu bringen.
Bevor die Schaltstrecke 11 b 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-
Bevor die Schaltstrecke 11 b 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
Fi 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 Hb so wieder- richtung wie zuvor im Generatorbetrieb.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
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 (H), 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 Spulenlängsscitc zu Spulenlängsseite vertauscht abwechseln, zu denen zwei
Reihen von Arbeitspolcn (8a, 8b) 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) Wundepole (53) auf einer BaIm innerhalb der Spulenlängsseiten und
außerhalb der Schaltstrecken zugeordnet sind (Fig. 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.
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