DE1538770A1 - Rotierende Maschine zur Erzeugung hoher Stroeme unter geringer Spannung,insbesondere homopolarer Stromerzeuger - Google Patents
Rotierende Maschine zur Erzeugung hoher Stroeme unter geringer Spannung,insbesondere homopolarer StromerzeugerInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K31/00—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors
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- Power Engineering (AREA)
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Description
Dr. W. P 7 ■ '♦
DipL-Ing. E. E. Finkener
Dipl.-ir.g. W. Ernesti
Patentanwälte
Bochum
Heinrich-König-Str. 12
3864-66
COHHISSARIAT A L1EHERGIE ATOHIQUE
Rotierende Maschine zur Erzeugung hoher Ströme unter
geringer Spannung, insbesondere homopolarer Stromerzeuger
Priorität % 'Frankreich, vom 26. November 1965
Die Erfindung betrifft die rotierenden Maschinen
zur Erzeugung von hohen elektrischen Strömen unter geringer Spannung, inabesondere die homopolaren Stromerzeuger (auch Unipolarmaschinen genannt). Von' derartigen Maschinen betrifft die
Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschliesslich, solche zur Erzeugung von starken Magnetfeldern für eine Dauer von
grössenordnungsmassig einer Sekunde oder weniger, insbesondere
weniger als einen Bruchteil einer Sekunde, wie sie zur Erzeugung
von tiasmen erforderlich sind.
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Erfindungsgemäss wird in den Stator der rotierenden Maschine ein die Spannung erhöhender Transformator hoher
leistung eingebaut.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt eines erfindungsgemässen homopolaren Stromerzeugers.
Pig. 2 ist eine längs der linie II-II der Fig.
1 geschnittene Teilansicht.
Fig. 3 zeigt das elektrische Schaltbild der ψ Anordnung.
Bekanntlich sind derartige Stromerzeuger seit
langem bekannt und bestehen, im wesentlichen aus einer metallischen
Welle oder einem metallischen Zylinder, welcher sich in einem Magnetfeld dreht, wobei die Ausbildung so getroffen Ist, dass
zwischen wenigstens zwei Punkten dieser Welle ein starker Strom
geliefert werden kann, welcher mehrere tausend Ampere unter einer
geringen Potentialdifferenz, welche unter etwa 100 V liegt, erreichen kann.
Ferner muss bekanntlich bei Anwendungen, welche die Erzeugung von kräftigen Magnetfeldern der zur Herstellung
der Plasmen benötigten Art betreffen, in einer sehr kurzen Zeit
von der örössenordnung einer Sekunde oder weniger vorher aufgespeicherte
Energie freigesetzt werden. Diese Energie kann auf verschiedene Weise gespeichert werden, insbesondere in einer
Kondensatorenbatterie oder in einer Selbstinduktionsspule.
Die Erfindung betrifft die Freisetzung in
Impulsform einer elektrischen Energie, welche in kinetischer
Form in dem Eotor finer homopolaren Maschine aufgespeichert ist
imd mehrere Hegajoiile erreichen kann.
: 0098 8 3/073$ BADORiQiNAL
Bisher konnten die mittels eines homopolaren
Stromerzeugers erhaltenen Energieimpulse infolge der sie kennzeichnenden
geringen Spannung nicht transportiert v/erden. Man war daher gezwungen, den Nutzkreis (die das Magnetfeld erzeugende
Spule) in unmittelbarer Nahe der rotierenden Maschine anzuordnen,
was einen schweren technologischen Aufbau zur Folge hatte, oder es wurde das erzeugte Magnetfeld unmittelbar in der Maschine benutzt, um z.B. ein Plasma in einem Hohlraum des Stators zu erzeugen.
·
Bei der erfindungsgemassen Vorrichtung sind
dagegen Energieimpulse unter höherer Spannung verfügbar, welche
ohne unzu-—lässige Verluste zu dem Futzkreis transportiert werden
können.
In an sich bekannter Weise weist der homopolare
Stromerzeuger einen Rotor 1 und einen Stator 2 auf. Der Rotor
umfasst einen Zylinder 3 aus einem magnetischen Werkstoff, vorzugsweise
Stahl, welcher auf einer Welle 4 befestigt ist und in
seinem mittleren Abschnitt eine Hut aufweist, in welche eine zylindrische Muffe 5 aus einem leitenden Werkstoff, vorzugsweise
Kupfer, eingebördelt ist. Der zylindrische Stator besitzt zwei ringförmige Wicklungen - 6 * und 7» welche auf die Achse zentriert
sind, unter welchen gecensinnige Ströme fHessen, sowie zwei
ringförmige Abnahmezonen 13 und 9, vorzugsweise aus Kupfer, Vielehe
den Enden der lluffe 5 des Rotors gegenüberliegen und radiale
offene Kanäle 10 aufweisen, welche zur Einspritzung einer "leitenden
Flüssigkeit unter Druck, ξ.B. Quecksilber, bestinmt sind,
derart, dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Rotor und dem Stator hergestellt wird.
Gemäss dem wesentlichen Kennseichen der Erfindung
übt ein Teil des Stators die Funktion eines Transform; tors
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" 4" 153877Ü
Bei der in Pig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
hat der Magnetkreis des Transformators die Form einer
grossen zylindrischen auf die Welle zentrierten Muffe 11 mit einem rechteckigen axialen Querschnitt. Diese Muffe wird vorzugsweise
dadurch hergestellt, dass ein auf seinen beiden Seiten isoliertes Band aus ferromagnetisehern Blech auf sich selbst aufgewickelt
wird.
Der Sekundärkreis des Transformators (welcher
bei der dargestellten Anordnung innerhalb des Primärkreises liegt,
wobei jedoch auch die entgegengesetzte Anordnung getroffen werden kann) wird durch leitende Bänder oder Platten 12 gebildet, welche
vorzugsweise aus Kupfer bestehen und um die mit einer isolierenden
Hülle 13 überzogene Muffe 11 so gewickelt sind, dass sie η Windungen
bilden, welche vorzugsweise auf eine einzige Schicht verteilt
sind (die Figuren entsprechen dem Pail von etwa 16 Windungen).
Die Wahl der Zahl η der Windungen der Sekundärwicklung muss so erfolgen, dass diese möglichst gut an die Impedanz
des Nutzkreises angepasst wird. Im allgemeinen/trägt diese Zahl einige Zehner. Die Enden des Sekundärkreises stehen mit zwei
auf der Aussenflache des Stators befindlichen Ausgangsklemmen 14
in Kontakt, welche mit dem llutzkreis verbunden werden.
Zwischen den Windungen der Sekundärwicklung
ist eine-nicht dargestellte feindrahtige Wicklung zur Polarisierung
des Magnetkreises des Transformators untergebracht.
Der Sekundarkreis ist mit einer isolierenden Hülle 15 überzogen.
Der vorzugsweise aus massiven Kupferplatten bestehende Primärkreis 16 des Transformators umgibt eng den Magnet·
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BAD GRlGJMAk
kreis des Transformators ausserhalb der Isolierhülle 15 nach Art
eines hohlen Ringkörpers mit Rechteckquerschnitt und ist mit den ringförmigen Abnahmezonen 8 und 9 durch zwei kranzförmige durch
einen Isolierkörper 19 getrennte Teile 17 und 18 und zwei zylindrische
der leitenden Muffe 5 des Rotors gegenüberliegende Ringe
und 21 verbunden, wobei eine Isoliermuffe 22 einen Kurzschluss
über die durch die öffnungen 10 der Abnahmezonen eingespritzte leitende !Flüssigkeit verhindert.
Um den Primärkreis in dem gewünschten Augen-
blick schliessen zu können, d.h. in dem Augenblick, in welchem
man die Entladung in die Sekundärwicklung und in den Nutzkreis nach der Einspritzung der leitenden Flüssigkeit zu erhalten
wünscht, ist der zylindrische äussere Abschnitt des Primärkreises längs einer Radialebene gespalten, wobei die Ränder dieses Spalts
durch zwei ringförmige durch einen Isolierkörper 25 getrennte Klemmen 23 und 24 verlängert werden. Schematisch bei 26 in Pig.1
dargestellte, vorzugsweise elektromagnetische Selbstschalter sind in gleichmassigen Abständen längs der ringförmigen Klemmen 23
und 24 angeordnet. Die Ausbildung wird so getroffen, dass ihre Schliessung praktisch gleichzeitig erfolgt, um eine gute Verteilung
der Leistung um die Maschine herum zu gewährleisten.
Der Primärkreis verhält sich elektrisch wie ein Stromkreis mit einer einzigen Windung. Eine vorteilhafte
Form dieses Stromkreises wurde oben unter Bezugnahme auf die
Figuren beschrieben. Man erhalt so einen Transformator, welcher, von den Verlusten abgesehen, die Spannung in dem Verhältnis η
erhöht.
Das durch die Spulen 6 und 7 erzeugte Magnetfeld
schli esst sich über den Magnetkreis 11 des Transformators,
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zwei seitliche ringförmige Joche 27 und 28 des Stators aus
magnetischem Material, vorzugsweise aus Stahl, den. Zylinder 3 des Rotors und zwei ringförmige Teile des Stators 29 und 30 *
aus magnetischem Material, vorzugsweise Stahl.
Der Verlauf des Magnetfeldes ist in Pig. 1
durch gestrichelte Pfeile angegeben. Er liegt zwischen den Abnahmezonen
radial zu dem Rotor.
Der Primär kr ei s 16 ist von. den magnetischen
Abschnitten 27, 2s, 29 und 30 und den Spulen 6 und 7 durch einen
Isolierkörper 31 getrennt.
Schliesslich ist zu bemerken» dass infolge der hohen Drehzahl des Rotors eine Bandagierung der zylindrischen
Muffe 5 zwischen den Abnahmezonen erfolgen muss.
Die obige Maschine kann z.B. folgendermassen
arbeiten: Der Nutzkreis, z.B. eine Spule zur Erzeugung eines
starken Magnetfeldes, wird an die Klemmen 14 der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen. Der Rotor 1 wird mit hoher
Drehzahl von einem Hilfsmotor über die Welle 4 angetrieben. Der
Magnetkreis des Transformators wird in einem entsprechenden Sinn polarisiert, und ein Gleichstrom durchfliesst die Spulen 6 und
so, dass das Magnetfeld des homopolaren Stromerzeugers erzeugt wird. Es wird dann die leitende Flüssigkeit (z.B. Quecksilber)
durch die Öffnungen 10 der Abnahmezonen gespritzt, und im gewünschten
Augenblick wird die gleichzeitige Schliessung der Selbstschalter 26 veranlasst, wodurch der Primarkreis geschlossen
wird. Die kinetische Energie des Rotors wandelt sich dann in
elektrische Energie um, und der Nutzkreis wird von einem, in einer
Richtung fliesaenden Stromimpuls durchflossen» wodurch ein kraftiges
Magnetfeld erzeugt wird, wahrend die Drehung «ies Rotors
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■ BAD OWCIiNAL
gebremst und dieser stillgesetzt wird.
Sie Schliessung des Primärkreises kann naturlich auch auf beliebige andere Weise erfolgen.
In elektrischer Hinsicht kann das vollständige System durch das Schaltbild der Fig. 3 dargestellt v/erden, in
welchem der mit seiner Drehzahl laufende Rotor der Maschine einer auf eine Spannung U aufgeladenen Kapazität C gleichgesetzt
wurde, wobei ferner bedeuten:
T einen als "verlustlos" angenommenen Transformator mit des Obersetzungeverhältnis n;
L- die Selbstinduktion der Primärwicklung des
Transformators;
L„ die Selbstinduktion der Sekundärwicklung
des Transformators; *
PI die Streuinduktivität der Primärwicklung
des Transformators;
einschliessllch des Widerstands der flussigen Kontakte zwischen
Rotor und Stator;
Ij einen den Schaltern 26 der Fig. 1 entsprechenden Schalter zur Schliessung der Primärwicklung.
angegeben, welche einer Ausfuhrungsform eines erfindungsgemassen
homopolaren Stromerzeugers entsprachen.
.1} Rotor
Durchmesser: 40 cm
Lenge: 120 cm
Masse: 909883/0736 1, 2 Tonnen
Drehzahl: 7200 tf/m;
Die zylindrische Muffe 5 (Pig· 1 und 2) ist
aus Kupfer mit einer Sicke von 2 cm; die Nutzlänge zwischen den
Abnahmezonen betragt 40 cm.
2) Sekundärkreis
32 Kupferwindungen von 2 cm Dicke$ relative Permeabilität des Magnetkreises des Transformators: 100?
Selbstinduktivität L2? 10~2 Hj
Wideretand E2: grössenordnungsmässig 10*" 0hmj
Nutzinduktivität: 2,9·10~4Η.
3) Primärkreis
Es werden Kupferplatten von 2 cm Dicke benutzt;
Selbstinduktion L1: 10"5Hf
Widerstand R^ unter Berücksichtigung des
Widerstands der Quecksilberkontakte: 10" Ohm}
Streuinduktivität:grössenordnungsmässig 10"'H.
4) Stator
Bei Benutzung geschmiedeter Stähle kann man
für die Induktion des magnetischen Gleichfeldes einen Wert in der Grossenordnung von 1,5 Tesla an dem Umfang des Rotors erhalten.
Wenn mittels der durch eine unabhängige Stromquelle gespeisten feindrähtigen Wicklung die Bleche des Magnetkreises
des Transformators auf eine remanente Induktion von -2 Tesla gebracht werden, kann man eine Induktionsänderung von 4 Tes-Ia
erhalten.
5) Ergebnisse.
Hit einer Haschine von einem Gewicht in der
GrSssenordnung von 20 Tonnen erhält man:
in dem Rotor aufgespeicherte Energie:7i9
Spannung U der Primärwicklung: 90 V, welche
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BAD ORIGINAL
eine dem Übersetzungsverhältnis n entsprechende sekundäre Hochspannung
ergibt}
dem Rotor gleichwertige Kapazität Oi 1950 Pf
erhaltene Energie: 2 MJj
grosste Stromstärke in dem Rotor: 3»8,10 A;
Anstiegszeit des Impulses: 58 ms«
90988 3/07 3 6
Claims (9)
- Patentansprüche) Als homopolarer Stromerzeuger ausgebildete rotierende Maschine mit einem Stator, welcher ein Magnetfeld erzeugt, in welchem sich ein metallischer Rotor dreht, wobei insbesondere durch Quecksilber gebildete Abnahmezonen einen elektrischen Kontakt mit dem Rotor herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Spannung erhöhender Transformator in den Stator der Maschine eingebaut ist.
- 2.) Maschine nach .tnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis des Transformators durch eine auf die Achse der Maschine zentrierte zylindrische Muffe (11) gebildet wird.
- 3.) Maschine nach Anspruch t und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis dadurch hergestellt ist, dass wenigstens ein auf seinen beiden Seiten isoliertes Band aus einem ferromagnetischen Blech auf sich selbst aufgewickelt ist.
- 4.) Haschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis des Transformators mit dem mit den Erregerspulen (6, 7) des Stators zusammenwirkenden Magnetkreis der Maschine gemeinsam ist.
- 5.) Maschine nach Anspruch 1. und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hagnetkreis des Transformators die Muffe (11) in Kombination mit zwei inneren Ringe» (29, 30) und zwei äusseren Jochen (27, 28) umfasst, derart, dass sich die magnetischen Kraftlinien um die beiden Erregerspulen (6, 7) des Stators an der Stelle von zwei entsprechenden Abnahmezonen (8, 9") schliessen.
- 6.) Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,9 0 988 3/0738- BAD OBäöidadurch gekennzeichnet 9 dass die Primärwicklung (16) des Transformators ausserhalb der Sekundärwicklung (12) liegt.
- 7.) Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (12) des !Transformators aus leitenden Platten oder Bändern besteht, welche um den Magnetkreis des Transformators so gewickelt sind, dass eine gewisse Zahl von Windungen, entsteht.
- 8.) Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine (nicht dargestellte) Wicklung zur Polarisierung des Magnetkreises des Transformatore zwischen den Windungen des Sekundarkreises angebracht ist.9·) Haschine nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, dass der Primarkreis des Transformators aus leitenden Platten besteht» welche den Hagnetkreis des Transformators nach Art eines hohlen Ringkörpers mit Rechteckquerschnitt aus zwei Abschnitten eng umsehliesson, welche einerseits mit den Abnahmesonen (8, 9) des Stators und andererseits mit zwei an dem Umfang des Stators liegenden ringförmigen Klemmen (23, 24) verbunden sind ·V 10.) Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis
- 9, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Schalter (26) in gleiöheasaigen Abstanden längs der beiden ringförmigen Klemmen (23, 24) so angeordnet sind, dass zu den gewünschten Augenblicken ein elektrischer Kontakt zwischen diesen beiden Klemmen hergestellt werden kann.909883/0736BAD
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