DE1488666C3 - - Google Patents

Description

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gnetpol mit einer solchen Feldstärke, daß ein dem Arbeitspole heranziehen. Die Erregerwicklung kann Magnetpol benachbarter Plattenfleck in Transition selbständig fremd- oder eigenerregt durch den ergebracht wird, der mit dem Magnetpol umläuft. Die zeugten Strom versorgt werden. Die Pole 8 und 9 Induktion eines die Feldspule durchfließenden Stro- kann man sich in Pfeilrichtung 10 unterhalb der Anmes soll dadurch zustande kommen, daß der Fluß S kerwicklung und relativ zu dieser vorbeibewegt dendurch das normalleitende Loch auf der Bleiplatte ken.

und der Fluß durch das aus Feldspule, Anschlußbü- Die Ankerwicklung kann fest in einem Kryostaten

gel und verbindende Flußlinie auf der Bleiplatte ge- angeordnet sein. Das hat gegenüber einer bewegten

bildete »Loch« — wobei jeder Fluß invariant bleibt Ankerwicklung bei ruhenden Arbeitspolen den Vor-

-— miteinander verschlungen werden. Dadurch soll io teil, daß bei den Stromabnehmern keine Kontaktpro-

ein Strom induziert werden, der einen die Invarianz bleme auftreten. Jede Spule der Ankerwicklung hat

erhaltenden Magnetfluß erzeugt Auch hierbei han- eine Schaltstrecke 11, die hier gestrichelt wiedergege-

delt es sich also um eine Art Flußpumpe, wobei die ben ist. Diese Schaltstrecken bestehen aus supralei-

Drehzahl weiterhin nach Angabe beschränkt sein tendem Material, dessen kritische Feldstärke kleiner

soll. 15 als die magnetische Feldstärke der verwendeten Ar-

Bei einer geänderten Stromquelle der zuletzt ge- beitspole ist Ihre kritische Feldstärke soll andererschilderten Art wird der umlaufende Magnetpol seits aber so hoch liegen, daß durch Ankerströme durch ein Dreiphasendrehfeld ersetzt, dem ein auch im höchsten Belastungsfall keine Transition Gleichmagnetfeld überlagert ist. Diese Stromquelle auftritt Beim Vorbeilaufen der Arbeitspole werden kommt ohne rotierende Teile aus, weist aber auch 20 dann die als Schaltstrecken ausgebildeten Abschnitte die zuvor geschilderten Nachteile auf. der Ankerwicklung im zeitlichen Wechsel vom su-

Die Erfindung ermöglicht es nun, Gleichstromma- praleitenden in den normalleitenden Zustand (und

schinen in Gleichpolbauart mit supraleitender An- zurück) überführt.

kerwicklung nach dem Hauptpatent ebenfalls ohne Die Schaltstrecken 11 können dabei aus Supralei-

rotierende Teile zu bauen. 25 tern, wie beispielsweise Blei, Niob oder Legierungen

Dies wird erfindungsgemäß durch Erzeugung des von Blei-Wismut, Niob-Tantal oder Molybdän-Rhe-

Arbeitsmagnetfeldes durch ein Mehrphasendrehfeld nium, bestehen. In Schaltstrecken werden die Supra-

mit überlagertem Gleichfeld erreicht. leiter vorzugsweise in Form dünner Schichten unter

Erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Maschi- 1Q~^S cm Dicke verwendet, um durch den Weglängen-

nen ohne rotierende Teile haben ein weites Einsatz- 30 effekt den ohmschen Widerstand im normalleiten-

gebiet: Sie können als Drehstrom-Gleichstromumfor- den Zustand zu vergrößern. Die übrigen Spulenseiten

mer verwendet werden sowie als Gleichstromgenera- der Ankerwicklung bestehen aus solchen harten Su-

tor und Drehstromgenerator zur Kopplung von praleitern, die auch unter Einwirkung des Arbeits-

Drehstromnetzen. Einzelne Drehstromverbundnetze polfeldes supraleitend bleiben. Das können Drähte

können dadurch über supraleitende Kabel für 35 oder Bänder aus Legierungen wie Niob-Zirkon oder

Gleichstrom gekoppelt werden, was den bedeutenden Titan-Niob sein. Ebenso kann man intermetallische

Vorteil ergibt, ohne Phasenkoordination auszukom- Verbindungen, wie z. B. Niob-Zinn (Nb₃Sn) oder

men. Bei allen diesen Maschinen kann man durch Vanadium-Gallium (V₃Ga) verwenden. Die kriti-

Wendepolfelder, wie sie im Hauptpatent beschrieben sehen Stromdichten der harten Supraleiter liegen

sind, die Schaltstrecken vor dem Eintritt in das Ar- 40 z.B. bei Niob-Zirkon bei etwa 10⁵A/cm² bei einer

beitsmagnetfeld stromlos machen, wodurch eine na- Feldstärke von 2OkG. Die Größe der Ankerstrom-

hezu verlustlose Kommutierung erzielt wird. Andern- dichte muß dann also unter diesem Wert liegen,

falls bestehen die wesentlichen Verluste darin, daß in In den Spulengruppen (2,3 und 4,5) liegen die

dem geschalteten Kreis die dort gespeicherte magne- Schaltstrecken 11 auf vertauschten Spulenseiten, und

tische Energie verlorengeht Diese Verluste können 45 die Spulen sind auch vertauscht an die Sammel-

aber rechnerisch gut erfaßt werden. schiene 6 und 7 angeschlossen. Eine solche Gruppe

Zunächst soll an Hand von Ausführungsbeispielen erzeugt zwei aneinander anschließende Spannungs-

das Arbeitsprinzip der im Hauptpatent beschriebe- impulse. Die Spulenseite in Richtung der Relativbe-

nen Ankerwicklungen erläutert werden. wegung ist jeweils nicht größer als eine Polflächen-

In F i g. 1 a ist eine zylindrische Ankerwicklung 50 breite (in Richtung der Polbewegung). Die Spulenabgewickelt wiedergegeben. Man kann sich vorstel- gruppen sind im Abstand einer Spulenbreite gleichlen, daß die Ankerwicklung an der Schnittlinie 1 auf- mäßig über den Umfang der Ankerwicklung verteilt, geschnitten wurde. Die Spulen 2 und 3 sowie 4 und 5 und es sind so viele Arbeitspole angeordnet, daß imsind jeweils zu Gruppen zusammengefaßt Die Spu- mer eine Längsseite (quer zur Bewegungsrichtung) len einer Gruppe hat man sich übereinanderliegend 55 der Spulen im Arbeitsmagnetfeld liegt. Im Ausfühvorzustellen; sie sind nur der Anschaulichkeit wegen rungsbeispiel erstrecken sich die Ankerspulen über nebeneinander gezeichnet. Durch diese Anordnung eine halbe Polteilung. Es ist zweckmäßig, die Spulenerzielt man wickelkopffreie Räume, wodurch die Ma- länge mindestens so groß wie die Länge der Arbeitsschule für eine Kühlung gut zugänglich ist Spulen pole (quer zur Bewegung) zu machen. Würden die und Spulengruppen sind elektrisch zueinander paral- 60 Spulen breiter als die Breite der Arbeitspole gewählt, IeI geschaltet und mit Sammelschienen 6 und 7 zur dann träte für eine Last immer wieder ein Kurz-Stromabnahme verbunden. Mit 8 und 9 sind Arbeits- schluß auf. Werden die Spulen dagegen nicht so breit magnetpole gleicher Polarität wiedergegeben. . wie eine Polbreite gewählt, so wird die Breite des Ar-

Die Arbeitspole können Permanentmagnete sein beitspoles nicht voll ausgenutzt. Die Spannungsdopoder Elektromagnete, die sich durch eine Wicklung 65 pelimpulse der einzelnen Gruppen schließen sich anaus Normalleitern oder Supraleitern in einem Kryo- einander an. Es können auch viele Spulengruppen staten erzeugen lassen. Man kann auch Normalleiter verwendet werden, die sich teilüberdecken,
in einem Kryostaten zur Magnetfelderzeugung für die . Bewegen sich nun z. B. die Arbeitspole von links

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nach rechts an den Spulengruppen vorbei, so wird in zur Achse 104 umlaufendes magnetisches Drehfeld den ünken Spulenseiten der Spulen 2 und 4 eine zu erzeugen, so daß der Ringspalt, in dem der Kryo-Spannung induziert, die durch einen angeschlossenen stat 100 angeordnet ist, von den Flußlinien des Ma-VerbraucherF einen Laststrom treibt. Gleichzeitig gnetfeldes senkrecht durchsetzt wird. Das magnetibefinden sich die links liegenden Schaltstrecken 11 <5 sehe Drehfeld findet seinen Rückschluß in den Ringunter Einwirkung des Arbeitsmagnetfeldes in nor- blechjochen 101 und 102.

malleitendem Zustand (Transition). Sie sind dadurch Zwei Ringleiter oder Ringspulen 109 und 110, die so hochohmig, daß die in ihnen induzierte Spannung zur Achse 104 konzentrisch angeordnet sind, werden kernen wesentlichen Strombeitrag liefert. Dieser vorzugsweise in Kryostaten 100 untergebracht. Jeder Strom wäre bei der dargestellten Anordnung ein Ver- io Ringleiter kann über ein Anschlußklemmenpaar 111 luststrom, der zum Arbeitsstrom in entgegengesetzter und 112 durch Gleichstrom so erregt werden, daß die Richtung flosse. Wenn die Arbeitspole die rechten Magnetfelder sich im Luftspalt zwischen den Pol-Spulenlängsseiten der Gruppen erreicht haben, wird schuhen unterstützen. Dem Drehfeld wird dann ein in den Spulen 3 und 5 bei der dargestellten ver- magnetisches Gleichfeld überlagert. Das magnetische tauschten Anschlußart zwischen den Sammelschienen 15 Gleichfeld findet seinen Rückschluß in einem ringeine Arbeitsspannung der alten Polarität induziert. förmigen Joch 113 nach Art von Topfmagneten. Im Die linken Spulenseiten 11 dieser Spulen sind dabei Zentrum des Ringjochs kann ein Zentralkörper 114 wieder supraleitend. Die Spannung in den als Schalt- für Montagezwecke angeordnet sein. Mit 115 sind strecken ausgebildeten rechten Spulenseiten 11 verur- die Anschlußklemmen für die Ankerwicklung besacht dagegen wegen des hohen Widerstandes nur so zeichnet

einen vergleichsweise kleinen Strom. Der Wirkung Bei der erfindungsgemäßen Maschine werden die

nach ist der Arbeitsstrom in der zweiten Stromhalb- kommutierenden Arbeitspole gleicher Polarität durch

welle je Spule kommutiert worden. die Überlagerung von Drehfeld und Gleichfeld im

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Gleich- Ringluftspalt gebildet. Es ist deshalb dem Drehfeld

Strommaschine liegt darin, daß die Kommutierungs- 25 ein Gleichfeld mit einer solchen Feldstärke zu über-

verluste einfach und genau erfaßt und durch kon- lagern, daß beim resultierenden Feld nur eine Polari-

struktive Maßnahmen vermindert werden können, tat die kritische Feldstärke der Schaltstrecken über-

was erst den Bau von Großmaschinen beherrschen trifft.

läßt. Aus induzierter bzw. an den Klemmen anliegen- In Fig. 3 ist ein magnetisches Drehfeld schemader Spannung und aus dem Widerstand der Schalt- 30 tisch dargestellt. Auf der Ordinate ist die Feldstärstrecke im normalleitenden Zustand sowie der Kreis- kei? und auf der Abszisse die Länge 1 des Umfanges induktivität und dem Spulenstrom läßt sich die Ver- der Erregerwicklung in einem bestimmten Zeitmolustleistung bestimmen. ment bzw. die Zeit t für einen bestimmten Ort abge-In Fig. 1 b ist eine Sammelschiene mit den glei- tragen. Die Induktion wechselt dabei ihr Vorzeichen, chen Anschlußsymbolen für Spulen gleicher Breite 35 In F i g. 4, deren Darstellung der F i g. 3 entspricht, wie in Fig. 1 a dargestellt. An Stelle von zwei Dop- ist das resultierende Feld 117 dargestellt, das durch pelleitern sind jetzt 6Doppelleiter je Pol angeordnet Überlagerung eines Drehfeldes nach Fig.3 und Je Arbeitspol wird dadurch in drei elektrisch parallel eines Gleichmagnetfeldes 116 erhalten wird. Der als liegenden Spulen die Arbeitsspannung induziert. Arbeitspol wirksame Feldanteil liegt zwischen den Die Maschine Bach der Erfindung soll nun an 40 gestrichelt angegebenen Begrenzungslinien 119 und Hand von Fig. 2 erläutert werden, in der sie, axial ist der Deutlichkeit wegen durch Schraffur herausgegeschnitten, schematisch dargestellt ist. In einem hoben. Den wirksamen Feldanteil erhält man, indem ringförmigen Kryostaten 100 im Luftspalt zwischen der Betrag der kritischen Feldstärke 118 der Schaltringförmigen Polschuhen 101 und 102 aus Blechpa- strecke in den Kurvenverlauf 117 des resultierenden keten-Ringblechjochen ist eine supraleitende Anker- 45 Feldes hineinprojiziert wird. Das von den Schnittwicklung 103 angeordnet. Diese Ankerwicklung punkten mit dem Kurvenverlauf 117 auf die Abszisse kann so ausgebildet sein, wie sie zuvor beschrieben gefällte Lot begrenzt dann den als Arbeitspol wirksawurde oder auch nach jedem anderen im Hauptpa- men Feldbereich.

tent beschriebenen Schema gefertigt sein. In den Wird die Maschine nach der Erfindung zur Kopp-Ringblechjochen 101 und 102, die zur Symmetrie- 50 lung von Drehstromnetzen verwendet, so läuft eine achse 104 koaxial angeordnet sind und deren Ring- Maschine als Drehstrom-Gleichstromumformer an scheiben senkrecht zur Achse 104 stehen, liegen ring- einem Netz und die andere Maschine als Gleichförmige Erregerwicklungen 105 und 106 für ein strom-Drehstromumformer am anderen Netz. Die Dreiphasendrehfeld. Diese Wicklungen können in Betriebsart der Maschine richtet sich dabei nach dem der von Asynchronmaschinen oder Scherbiusmaschi- 55 Leistungsfluß, der durch die Gleichstromerregung bei nen bekannten Art gewickelt sein. An Stelle einer einer oder beiden Maschinen eingestellt werden solchen doppelringförmigen Erregerwicklung, deren kann. Die Bemessung der Drehstromwicklungen Wicklungen in Stern geschaltet sein können und zur kann jeweils auf das anzuschließende Netz abge-Ankerwicklung 103 radial oberhalb und unterhalb stimmt werden. Beide Maschinen werden zweckmäangeordnet sind, kann auch eine einzige ringförmig 60 ßigerweise durch ein supraleitendes Gleichstromkaausgebildete Erregerwicklung verwendet werden. bei verbunden.

Diese ist dann auf einer Umfangseite der Ankerwick- Die Drehstromnetze sind an den Anschlußklemlung 103 angeordnet. Eine doppelringförmige Er- men (107, 108) für die Drehstromwicklungen anzuregerwicklung ergibt jedoch eine besonders günstige schließen, das Gleichstromkabel an der Ankerwickmagnetische Verkettung zwischen Drehstrom- und 65 lung (Klemmen 115). Die Erregerwicklungen (109, Gleichstromwicklung. Die Drehstromerregerwicklun- 110) zum Überlagern des magnetischen Gleichfeldes gen 105 und 106 werden über die Anschlüsse 107 können fremderregt oder in Spezialfällen vom An- und 108 an ein Drehstromnetz angeschlossen, um ein kerwicklungsstrom abhängig gesteuert sein. Es ver-

steht sich, daß auch Spannungswandler oder Spannungsbegrenzer zwischengeschaltet sein können. Zu beachten ist, daß bei Gleichstrom-Drehstromumformung 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.

Als Kopplungsumformer verwendet, liefert die Maschine nach der Erfindung den Vorteil, daß sich eine Phasenkoordination der Drehstromnetze erübrigt. Die erfindungsgemäße Maschine kann bei axial nach außen verlängerter Ankerwicklung 103 auch

mit Wendepolen ausgerüstet werden, wie sie im Hauptpatent beschrieben sind. Dadurch werden die Schaltstrecken vor Überführung in den normalleitenden Zustand stromlos gemacht. Rotierende Wendepole können koaxial zur Ankerwicklung so angeordnet werden, daß sie an der Verlängerung der Ankerwicklung dem magnetischen Drehfeld vorauslaufen. Die Wendepole können auch ruhend ausgebildet sein und durch Transduktoren in geeigneter Weise gesteuert werden.

Zur Kopplung von Drehstromnetzen können zwei Maschinen nach der Erfindung auch zu einem Aggregat zusammengebaut werden, so daß eine Netzkupplung mit einem zwischengeschalteten Gleich-Stromkreis entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

1 2 praleitenden in den normalleitenden Zustand überPatentansprüche: führbar und an einer zweiten Kollektorleitung für die andere Polarität angeschlossen sind, in Reihe liegen

1. Gleichstrommaschine in Gleichpolbauart und ferner die Anzahl oder die Ausdehnung der Pole mit supraleitender Ankerwicklung, bei welcher 6 für das Arbeitsmagnetfeld derart ist, daß mindestens zur Erzielung einer Kommutierung innerhalb der immer eine dauernd supraleitende Spulenlängsseite Ankerwicklung unter Betriebsbedingungen im Arbeitsmagnetfeld liegt.

dauernd supraleitende, in einem Abstand von Für Gleichstrommaschinen mit supraleitender Anmaximal einer halben Polteilung angeordnete kerwicklung besteht ein Bedarf, um Verbraucher, wie Spulenlängsseiten an einer ersten Kollektorlei- ίο supraleitende Feldspulen, oder Übertragungsleituntung angeschlossen sind und diese Spulenlängs- gen aus supraleitendem Material im Generatorbetrieb Seiten bei einem Abstand von etwa einer Pol- zu speisen. Solche Generatoren haben dann den Vorbreite mit Schaltstrecken, die durch ein relativ teil, daß die Stoßstellen zwischen Supraleitern und zur Ankerwicklung bewegtes Arbeitsmagnetfeld Normalleitern entfallen. Sie bieten den weiteren Vorvom supraleitenden in den normalleitenden Zu- 15. teil, daß gegenüber Maschinen mit einer Ankerwickstand überführbar und an einer zweiten Kollek- lung aus Normalleitern wesentlich höhere Energien torleitung für die andere Polarität angeschlossen auf kleinerem Raum umgesetzt werden können,
sind, in Reihe liegen und ferner die Anzahl oder Bei Gleichstrommaschinen mit supraleitender Andie Ausdehnung der Pole für das Arbeitsmagnet- kerwicklung bereitet nun die Kommutierung große feld derart ist, daß mindestens immer eine 20 Schwierigkeiten. Zwischen einem supraleitenden dauernd supraleitende Spulenlängsseite im Ar- Kollektor und einer supraleitenden Bürste träte webeitsmagnetfeld liegt, nach Patent 1488 065, gen des Übergangswiderstandes lokal ein großer dadurch gekennzeichnet, daß das Ar- Wärmeanfall auf, der bei tiefen Temperaturen nur beitsmagnetfeld durch ein Mehrphasendrehfeld sehr schwierig abgeführt werden kann. Andererseits mit überlagertem Gleichfeld erzeugt ist. as kann man den Preßdruck nicht ausreichend steigern,

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, da- um den Übergangswiderstand auf tragbare Werte zu durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des bringen. Einer solchen Steigerung sind durch hohe Drehfeldes eine Erregerwicklung in Ringblechjo- Reibung Grenzen gesetzt.

chen vorgesehen ist, die nach Art eines Topfma- Mit dem Hauptpatent wird zur Lösung des Kom-

' gneten miteinander verbunden sind, der Erreger- 30 mutierungsproblems bei Gleichstrommaschinen in

wicklungen für das Gleichfeld aufweist. Gleichpolbauart mit supraleitender Ankerwicklung

3. . Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 nun ein anderer Weg eingeschlagen. Die Kommutie- oder 2, gekennzeichnet durch ihre Verwendung rung wird danach in die Spulenwicklung des Ankers als Drehstrom-Gleichstromumformer. verlegt.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 35 Bei bekannten magnetischen Flußpumpen aus suoder2, gekennzeichnet durch ihre-Verwendung praleitendem Material wird keine Kommutierung als Kopplungsumformer für durch Gleichstrom- durchgeführt, weshalb diesen Maschinen auch ledigleitung gekoppelte Drehstromnetze. lieh einseitige Stromimpulse, aber kein nahezu glatter

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 4, da- Gleichstrom entnommen werden kann. Außerdem durch gekennzeichnet, daß der· Leistungsfluß zwi- 40 muß in vielen Fällen das Feld eines Arbeitsmagneten sehen den Drehstromnetzen durch die Gleich- ständig in bestimmter Weise geändert werden, wesstromerregung gesteuert ist. halb man nach diesem Prinzip keine schnellaufen-

6. Gleichstrommaschine nach einem der An- den Maschinen bauen kann. Solche Flußpumpen arsprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mittels beiten bekanntlich nach folgendem Prinzip:
Transduktoren gesteuerte ruhende Wendepole. 45 In eine bandförmige Leiterschleife mit einer Spule

7. Gleichstrommaschine nach einem der An- hoher Induktivität wird ein Magnetfeld induktionslos Sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch rotierende dadurch eingeführt, daß durch einen Pumpmagneten Wendepole. ein ihn umgebendes Leitergebiet des Bandes in nor-

8. Gleichstrommaschine nach,Anspruch 4 oder malleitenden Zustand übergeführt wird. In der Anspruch 4 und einem oder mehreren der An- 50 Leiterschleife wird das Feld des Pumpmagneten ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß schließend verändert. In dieser Pumpphase wird eine zwei Kopplungsumformer zu einem Kopplungs- Spannung oder ein ein Magnetfeld aufbauender aggregat mit einem gemeinsamen Gleichstrom- Strom induziert. Durch mehrere Pumpphasen wird kreis zusammengebaut sind. ein Magnetfeld nach und nach auf einen Grenzwert

55 gebracht, indem der in der Leiterschleife zirkulie-

rende Strom auf immer höhere Werte gepumpt wird.

Will man nicht mit breiten Bändern, sondern mit

Das Hauptpatent 1 488 065 behandelt eine Gleich- drahtförmigen Supraleitern arbeiten, so muß man Strommaschine in Gleichpolbauart mit supraleitender einen zusätzlichen Strompfad vorsehen, um während Ankerwicklung, bei welcher zur Erzielung einer 60 der lokalen Transition eines Leiterabschnittes den Kommutierung innerhalb der Ankerwicklung unter Spulenstrom nicht zu unterbrechen. Nach diesem Betriebsbedingungen dauernd supraleitende, in Prinzip arbeitet eine weitere bekannte Flußpumpe,
einem Abstand von maximal einer halben Polteilung Ohne Kommutierung wird auch eine weitere beangeordriete Spulenlängsseiten an einer ersten KoI- kannte Stromquelle betrieben. Sie besteht im wesentlektorleitung angeschlossen sind und diese Spulen- 85 liehen aus einer dünnen, runden supraleitenden Bleilängsseiten bei einem Abstand von etwa einer Pol- scheibe, zu der senkrecht zwischen an Mitte und breite mit Schaltstrecken, die durch ein relativ zur Rand angeschlossenen Bügeln eine Feldspule anAnkerwicklung bewegtes Arbeitsmagnetfeld vom su- geordnet ist. Unter der Bleischeibe rotiert ein Ma-