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| mit supraeitenderrkrwieklun, fei denen |
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| :eitenden ir: den nor:malleIterden Zustand über-führt werde. |
| mit supraleitender Ankex,wicklung besteht-. |
| eir-. @#.Ed@x f , ux; Verbraucher. wie supraleitenäe |
| oder- um - |
| "'L:ertrag urig-_Ieitun°en - au:-: supraleitendem Material
im Gerneratorbe- |
| triele. zu spsi2en. A'c+Iche neneratoren haben dann den-Vorteil,
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| die uto?;tellen zwischen Supraleitern und 1iarmalleitern entfallen. |
| :i.t Lleten den wEiteren Vorteil, daß gegenüber .'Maschinen
mit eine |
| Ankerwicklung aut- Normalleitern wesentlich höhere tnergien
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| '..F feineren I.#u:r. urrt_es etzt werden können. . _ |
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| mit supraleitender Ankerwicklung teretet |
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einem sup#a= |
| l.e+ter.@ie n o!'ektDr una einer supräleitenden Bürste trte
wegen des |
| f'b erE-:rr=;#,.@iüerst anes lokal ein großer #irfneanfall
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| rsr--eit: kann den Pre.#ilruc-c nictt ausreichend steigern,
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| auf" .tragbare ,fierte zu bringen. ;her solchen |
| >@tei@,erun- sind ureh hohe Reibung Grenzen gesetzt. |
| Iviit derr. Hauptpatent wird zur Lösung des Kommutierungüprablems
bei |
| Gieichtrom:-ia_schiner. mit supraleitender Ankerwicklung nur#-
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| anderer "eg eingeseblap,en. Ttearr@rnutierung wird danach |
| ;pulenwicklungen des nkers verlegt. |
| x:ei be'k-vinten magnetischen F1ußpumpen aus supraleltendem
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| wzrd keine X-a;nmutieruh.g durchgeführt, Wehalb diesen T4a8'c'hinen
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| lediglich einseitige :tremimpuls6,--aber kein nahezu glattem'
Ulech- |
| etrom ehtnammeh werden kann, Außerdem 'mu--ß ",dabei in vielen
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| da:- Feld eines Arbeitsmagneten ständig in beotirnixter 7,eise
geändert |
| zcrdeti, ,rie--halb raan nach äi@aem Prinzip keine schnellaufenden |
| .`.:Usciiiner, tauen-kann. .äolche Flußpumpen arbeiten tekanntlie-h
nach |
| i'ot-enäem Prinzip: |
| In einer b"indf#-irmigen Leiterschleife mit einer äpule hoher
Indukti- |
| vität v:ird ir> :r,agnetfelä induktionslos dadurch eingeführt,
`daB |
| durch einen Puu:pmag4eten ein ihn umgebendes Leitergebiet des
Bande- - |
| in ncru.alleitenden Zurtand überführt wird. In der Leiterschleife |
| eird dak- Feld der Pumpenmagneten anschließend verändert: In
dieser |
| :'tz-rppt:>u-e ,xirJ eine 'gannunp oder ein ir"ägntfela auftauenci-er
2tra::: |
| intäuLiert. Iiurch mehrere Pumrphasen wird ein Magnetfeld nach
und nach |
| °iu' ein(-r. ;Irenzv*ert #7etract, indem der in der Leiterschleife
zrku- |
| :i:.#°e ;:e :@tr @^. .iu3' ic.mer tt'@'rleren ','tert gepumpt
wird. Will man nicht |
| mit t rct, :: '-=inet@, ;-andern :rit drahtförmigen ::upr@3,-
eitern arbeiten, |
| ::a nu:---in einft: 7u:-.ätzlichen Strompfad vorsehen, um Khrend
der |
| lait@iicn Trarsz tion eine,- Leiterat^hnittel- den ,'pulen.;tro.^.:
nicht 7u |
| unter:-rechen. '.;fc°t@ desec-Prianzip arbeitet eine v6eitere
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| Ohne 1:ar>muti-crung @niz@.c auch eine weitere bekannte #.tr;@n:iuclle
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| im zesentlchen auv einer dännen, run,:en -@upr,#.3- |
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Fluß durch das normalleitende Loch auf der Bleiplatte und der Fluß
durch das aus Feldspule, Anschlußbügel und verbindende -Fußlinie auf, der Bleiplatte
gebildete "Loch" - wobei jeder Fluß.invariant bleib' .: miteinander verschlungen
werden. Dadurch soll ein Strom induziert werden, der einen die Invarianz erhaltenden
Magnetfluß erzeugt.. Auck hierbei handelt es sich also um eine Art Flußpumpe, wobei
die Drehzahl-weiterhin nach Angabe beschränkt sein soll.
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Bei einer geänderten Stromquelle der zuletzt geschilderten Art wird
der umlaufende Magnetpol durch ein Dreiphasendrehfeld ersetzt, dem ein Gleichmagnetfeld
überlagert ist. Diese Stromquelle kommt ohne rotierende Teile aus, weist aber auch
die zuvor geschilderten Nachteile auf.
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Die Erfindung ermöglicht es nun Gleichstrommaschinen mit supraleiten-,
der Ankerwicklung nach dem Prinzip gemäß dem Hauptpatent ebenfalls ohne rotierende
Teile zu bauen. Dazu wird das Arbeitsmagnetfeld durch ein Mehrphasendrehfeld mit
überlagertem Gleichfeld erzeugt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip gebaute elektrische Maschinen ohne
rotierende Teile haben ein weites. Einsatzgebiet : Sie können als Drehstrom-Gleichstromumformer
verwendet werdent sowie als Gleichstromgenerator und Drehstromgenerator zur Kupplung
.von Drehstromnetzen. Eirzelne Drehstromverbundnetze können dadurch über supraleitende
Kat e@ für Gleichstrom gekoppelt werden, was den bedeutenden Vorteil ergibt, ohne
Phasenkoordination auszukommen. Bei. allen diesen Maschinen kann Man durch Trend
epolfelder , wie sie im Hauptpatent beschrieben sind,
die Schaltstrecken
vor dem Eintritt in 'das Arbeitsmagnetfeld stromlos machen, wodurch eine nahezu
verlustlose Kommutierung erzielt wird Andernfalls bestehen die wesentlichen Verluste
darin, daß in k dem geschalteten Kreis die dort gespeicherte magnetische Energie
verlorengeht. Diese Verluste können aber rechnerisch gut erfaßt 'werden.
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Zunächst soll anhand von Ausführungsbeispielen das Arbeitsprinzip
der im Hauptpatent beschriebenen Ankerwicklungen erläutert werden. In Fig. 1a ist
eine zylindrische Ankerwicklung abgewinkelt wiedergegeben. Man kann sich vorstellen,
daß die Ankerwicklung an der Schnittlinie 1 aufgeschnitten wurde. Die Spulen 2 und
3 sowie 4 und 5 sind jeweils zu Gruppen zusammengefaßt.. Die Spulen einer Gruppe
hat man sich übei*einanderlegend vorzustellen; sie sind nur der Anschaulichkeit
wegen nebeneinander gezeichnet. Durch diese Anordnun@ erzielt nan wickelkopffreie
Räume, wodurch die Maschine für eine Kühlung gut zugänglich ist. : !Spulen und Spulengruppen
sind elektrisch zueinander parallel geschaltet und mit Sammelschienen 6 und 7 zur
Stromaabnahme verbunden. Mit 8 und 9 sind Arbeitsmagnetpole gleicher Polarität wiedergegeben.
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Die Arbeitspole können Permanentmagnete sein oder Elektromagnete,
dis sich durch eine Wicklung aus Normalleitern oder Supraleitern in einem Kryostaten
erzeugen lassen. Man kann auch Normalleiter ineinem riryostaten zur Magnetfelderzeugung
fizr die Arbeitspole heranziehen. Die Erregerwicklung kann selbständig fremd- oder
eigenerregt
durch den erzeugten Strom versorgt werden. Die Pole
8 und 9 kann man sich in Pfeilrichtung 10 unterhalb der Ankerwicklung und relati@
zu dieser vorbeibewegt denken.
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Die Ankerwicklung kann fest in einem Kryostaten angeordnet sein. Dahat
gegenüber einer bewegten Ankerwicklung bei ruhenden Arbeitspole@ den Vorteil, daß
bei den Stromabnehmern keine Kontaktprobleme auftreten. Jede Spule der Ankerwicklung
hat eine Schaltstrecke 11, die hier gestrichelt wiedergegeben ist. Diese Schaltstrecken
bestehen aus supraleitendem Material, dessen kritische Feldstärke kleiner als die
magnetische Feldstärke der verwendeten Arbeitspole ist. Ihre kritische Feldstärke
soll andererseits aber so hoch liegen, daß durch Ankerströme auch im höchsten Belastungsfall
keine Transition auftritt. Beim Vorbeilaufen der Arbeitspole werden dann die als
Schaltstrecken ausgebildeten Abschnitte der Ankerwicklung im zeitlichen Wechsel
vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (und zurück) überführt.
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Die Schaltstrecken 11 können dabei aus Supraleitern, wie tei pie@z
weise Blei, Niob oder Legierungen von Blei-Wismut, Niob-Tantal oder Molybdän-Rhenium
bestehen. In Schaltstrecken werden die Supraleiter vorzugsweise in Form dünner Schichten
unter 10-5 cm Dicke verwendet, um durch den Weglängeneffekt den ohmschen Widerstand
im normalleitenden Zustand zu vergrößern. Die übrigen Spulenseiten der Ankerwicklung
bestehen aus solchen harten Supraleitern, die auch unter Einwirkung des Arbeitspolfeldes
supraleitend bleiben. Das können Drähte oder Bänder aus Legierungen wie Niob-Zirkon
oder Titan-Niob sein. Ebenso
| kann man intermetllische Verbindungen, wie z.B. Niob-Zinn
(Nb3Sn) |
| oder Vanadium-Gallium (V3 Ga) *erwenden. Die kritischen
Stromdichten |
| der harten Supraleiter liegen z.8. bei Niob-Zirkon bei etwa
105 A/cm2 |
| bei einer Peldatärke von 20 kG. Die Größe der Ankerstromdichte
muß |
| dann also unter diesem fiert liegen. |
| .n den Spulengruppen (2,3 und 4,5) liegen die Schaltstrecken
11 auf |
| vertauschten Spuleneeiten und die Spdl.en sind.auch vertauscht
an |
| die Sammelschiene 6 und 7 angeschlossen. Eine solche Gruppe
erzeugt |
| zwei aneinander anschließende Spannungeimpulee. Die Spulenseite
in |
| Richtung der Relativbewegung ist jeweils nicht.größer als
eine Pol- |
| flächenbreite (in Richtung der Polbewegung). Die Spulengruppen
sind |
| im Abstand einer Spulenbreite gleichmäßig über den Umfang
der Anker- |
| Wicklung verteilt und es eind.so viele Arbeitspole angeordnet,
daß |
| immer eine Längsseite. (quer zur Bewegungsrichtung) der
Spulen im |
| Arbeitsmagnetfeld liegt. Im Ausführungsbeispiel erstrecken
sich |
| die Ankerspulen über eine halbe Polteilung. Es ist zweckmäßig,
die |
| Spulenlänge mindestens so groß wie die Länge der Arbeitspole
(quer |
| zur Bewegung) zu machen. Würden die Spulen breiter als die
Breite |
| der Arbeitspole gewählt, dann träte für eine last immer
wieder |
| ein Kurzschluß auf. Werden die Spulen dagegen nicht so breit
wie |
| eine Polbreite gewählt, so wird die Breite des Arbeitspoles
nicht |
| voll ausgenutzt. Die Spannungsdoppelivpulse der einzelnen
Gruppen |
| schließen sich aneinander an. Es können auch viele Spulengruppen |
| verwendet werden, die sich teilüberaecken." . |
Bewegen eich
nun z.8.
die Arbeitspole von links nach rechts
an
den
Spulengruppen vorbei, so wird in den linken Spulenseiten
der Spulen 2 und 4 eine Spannung induziert , die durch einen angeschloesenen Verbraucher
V einen Laststrom treibt. Gleichzeitig befinden sich die links liegenden Schaltstrecken
11 unter Einwirkung des Arbeitsmagnetfeldes in normalleitenden Zustand(Transition).
Sie sind. dadurch so hochohmig, daß die in ihnen indueierte Spannung keinen wesentlichen
Strombeitrag liefert. Dieser Strom wäre bei der dargestellten Anordnung ein Verluststrom,
der zum Arbeitsstrom in entgegengesetzter Richtung flösse. Wenn die Arbeitspole
die rechten Spulenlängsseiten der Gruppen erreicht haben, wird in den Spulen 3 und
5 bei der dargestellten vertauschten Anschlußart zwischen den Sammelschienen eine
Arbeitsspannung der alten. Polarität induziert. Die linken Spulenseiten 11 dieser
Spulen sind dabei wieder supraleitend. Die Spannung in den als Schaltstrecken ausgebildeten
rechten Spulenseiten 11 verursacht dagegen wegen des hohen Widerstandes nur einen
vergleichsweise kleinen Strom. Der Wirkung nach ist der Arbeitestrom in der zweiten
Stromhalbwelle je spule kommutiert worden.
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Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Gleichstrommaschine liegt
darin, daß die Kommutierungsverluste einfach und genau erfaßt und durch konstruktive
Maßnahmen vermindert werden können, was erst den bau von Großmaschinen beherrschen
läßt. Aua induzierter bzw. an den Klemmen anliegender Spannung und aus dem Widerstand
der Schaltstrecke im normalleitenden Zustand, sowie der Kreisinduktivitätund dem
Spulenstrom, läßt sich die Verlustleistung bestimmen.
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In Fig. 1b ist eine Sammelschiene mit den gleichen Anechlußsymbolen
für
Spulen gleicher Breite wie in Fig. 1a dargeetellt. Anstelle von zwei Doppelleitern
sind jetzt 6 Doppelleiter je Pol angeordnet. Je Arbeitspol wird dadurch in drei
elektrisch parallel liegenden
Spulen die Arbeitsspannung induziert.
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Die Maschine nach der Erfindung soll nun anhand von Fig. 2 erläutert
werden , in der sie axial geschnitten, schematisch dargestellt ist. In einem ringförmigen
Kryostaten 100 im Luftspalt zwischen ringförmigen Polschuhen 101 und 102 aus Blechpaketen-Ringblechjochen
ist eine supraleitende Ankerwicklung 103 angeordnet. Diese Ankerwicklung kann so
ausgebildet sein, wie sie zuvor beschrieben wurde oder auch nach jedem anderen im
Hauptpatent beschriebenen Schema gefertigt sein. In den Ringblechjochen 101 und
102, die zur Symmetrieachse 104 koaxial angeordnet sind -und deren Ringscheiben
senkrecht zur Achse 104 stehen, liegen ringförmige Erregerwicklungen 105 und 106
für ein Dreiphasendrehfeld. Diese Wicklungen können in der von Asynchronmaschinen
oder Scherbiusmaschinen bekannten Art gewickelt sein. Anstelle einer solchen doppelringförmigen
Erregerwicklung, deren Wicklungen in Stern geschaltet sein können und zur Ankerwicklung
103 radial oberhalb und unterhalb angeordnet sind, kann auch eine einzige ringförmig
ausgebildete Erregerwicklung verwendet werden. Diese ist dann auf einer Umfangseite
der Ankerwicklung 103 angeordnet. Eine doppelringförmige Erregerwicklung ergibt
jedoch eine besonders günstige magnetische Verkettung zwischen Drehstrom-und Gleichstromwicklung.
Die Drehstromerregerwicklungen 105 und 106 werden über die Anschlüsse 107 und 108
an ein Drehstromnetz ange-schlossen, um ein zur Achse 104 umlaufendes.magnetischee
Drehfeld
zu erzeugen, so daß der Ringspalt, in dem der Kryostat
100 angeordnet ist, von den Flußlinien des Magnetfeldes senkrecht durchsetzt wird.
Das magnetische Drehfeld findet seinen Rückschluß in den Ringblechjochen 101 und
102.
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Zwei Ringleiter oder Ringspulen 109 und 110, die zur Achse 104 konzentrisch
angeordnet sind, werden vorzugsweise in Kryostaten 100 untergebracht. Jeder Ringleiter
kann über ein Anschlußklemmenpaar 111 und 112 durch Gleichstrom so erregt werden,
daß die Magnetfelder sich im Luftspalt zwischen den Polschuhen untersüt zen. Dem
Drehfeld wird dann ein magnetisches Gleichfeld überlagert. Das magnetische Gleichfeld
findet seinen Rückschluß in einem ringförmigen Joch 113 nach Art vor. Topfmagneten.
Im Zentrum des Ringjochs kann ein Zentralkörper 114 für Montagezwecke angeordnet
sein. Mit 115 sind die Anschlußklemmen für die Ankerwicklung bezeichnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Maschine werden die kommutierenden
Arbeits-
pole gleicher Polarität durch die Überlagerung von Drehfeld und Gleichfeld
im Ringluftspalt gebildet. Es ist deshalb dem Drehfeld ein Gleichfeld mit einersolchen
Feldstärke zu überlagern , daß beim resultierenden Feld nur eine Polarität die kritische
Feld stärke der Schaltstrecken übertrifft.
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In Fig. 3 ist ein magnetisches Drehfeld schematisch dargestellt. Auf
der Ordinate ist die Feldstärke H und auf der Abezisae die.Iänge 1 des Umfanges
der Erregerwicklung in einem bestimmten Zeitmoment bzw.
die Zeit
t für einen bestimmten Ort abgetragen: Die Induktion.
wechselt
dabei ihr Vorzeichen.
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In Fig. 4, deren Darstellung der Fig. 3 entspricht, ist das resultierende
Feld 117 dargestellt, das durch Überlagerung eines Drehfeldes nach Fig. 3 und eines
Gleichmagnetfeldes 116 erhalten wird. Der als Arbeitspol wirksame Feldanteil liegt
zwischen den gestrichelt angegebenen Begrenzungslinien 119 und ist der Deutlichkeit
wegen durch Gchraf fur herausgehoben. Den wirksamen Feldanteil erhält mang indem
der Betrag der kritischen Feldstärke 118 der Schaltstrecke in den Kurvenverlauf
117 pes resultierenden Feldes hineinproiziert wird.
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Das von den echnitkpunkten mit dem Kurvenverlauf 117 auf die Abszisse
gefällte Lot begrenzt dann den als Arbeitspol wirksamen Feldbereich. Wird die Maschine
nach der Erfindung zur Kopplung von Drehstromnetzen verwendet, so läuft eine Maschine
als Drehstrom-Gleichstromumformer an einem Netz und die andere Maschine als Gleichstrom-Drehstromumformer
am anderen Netz. Die Betriebsart der Maschine richtet sich dabei nach dem Leistungsfluß,
der durch die Gleichstromerregung bei einer oder beiden Maschinen eingestellt werden
kann. Die Bemessung der Drehstromwicklungen kann jeweils auf das ankuschließende
Netz abgestimmt werden. Heide Maschinen werden zweckmäßigerweise durch ein supraleitendes
Gleichstromkabel verbunden.
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Die Drehstromnetze sind an den Anschlußklemmen (107, 108) für die
Drehatromwicklungen anzuschließen, das Gleichstromkabel an der Ankerwicklung (Klemmen
115). Die Erregerwicklungen (109, 110) zum
Llberlagern des magnetischen
Gleichfeldes können fremderregt oder in
Spezialfällen vom
Ankerwicklungsstrom abhängig gesteuert sein. Es versteht sich, daß auch Spannungswandler
oder Spannungsbegrenzer zwischengeschaltet sein können. Zu beachten ist, daß bei
Gleichstromhrehstrorumformung über die Drehstromwicklung Wirkleistung in das Netz
eingespeist wird und diese Drehstromwicklung gleichzeitig zum Erregen des Drehfeldes
aus dem Netz Blindleistung aufnimmt. Die Maschine arbeitet dann nach Art eines Asynchrongenerators.
Die Blindleistung kann auch von Kondensatorbatterien entnommen werden.
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A1s Kopplungsumformer verwendet, liefert die Maschine nach der Erfindung
en Vorteil, daß sich eine Phasenkoordination der Drehstromnetze eräbrigt. Die erfindungsgemäße
Maschine kann bei axial nach außen verkängerter Ankerwicklung 103 auch mit Wendepolen
ausgerüstet werten, wie Sie im Haupt patent beschrieben sind. Dadurch werden die
dchaitstrecken vor Überführung in den normalleitenden Zustand stromlos gemacht.
Rotierende Wendepole können koaxial zur Ankerwicklung so argeordnet wer den, daß
sie an der Verlängerung der Ankerwicklung deem magnetischen Drehfeld vorauslaufen.
Die Wendepole können auch ruhend ausgebildet sein und durch Tranoduktoren in geeigneter
Weise gesteuert werden.
| a: r;oppiunF_ "re>fi,--#trfjmnetzen rönnen zwei Maschinen nach
der |
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| eine aetzkupp@unr fiit einem zwischengeschalteten Gleichstromkreis |
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