DE1538770C - Unipolarmaschine zur Erzeugung elektn scher Stromimpulse - Google Patents
Unipolarmaschine zur Erzeugung elektn scher StromimpulseInfo
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Description
1 2
Die Erfindung bezieht sich auf eine Unipolar- Stromimpulses ein kräftiges Magnetfeld, das für bemaschine
zur Erzeugung elektrischer Stromimpulse stimmte Zwecke ausgenutzt werden kann,
durch Ausnutzung der kinetischen Energie des bei Bei einer anderen bekannten Unipolarmaschine ist
Leerlauf der Maschine auf eine bestimmte Drehzahl der aus einer elektrisch leitfähigen Masse bestehende
beschleunigten Rotors, der in einem vom Stator er- 5 Rotor als Scheibe ausgebildet, die von einer Statorzeugten
Magnetfeld rotiert und mit ;dem Stator wäh- spule umgeben ist. Die Statorspule wird einerseits
rend der Auslösung eines Stromim|Julses durch Über- durch eine Kurzschlußbrücke sowie eine elektrisch
brückung des Lüftspaltes mittels einer eingespritzten leitfähige Flüssigkeit mit dem Zentrum der Rotorelektrisch leitenden Flüssigkeit an zwei. Abnahme- scheibe und andererseits durch eine elektrisch leitzonen
elektrisch in Reihe schaltbar ist. Eine derartige io fähige Flüssigkeit an einer einzigen Stelle mit dem
Maschine ist bekannt. Umfang des Rotors verbunden. Koaxial zur Stator-Unipolare
Stromerzeuger sind seit langem bekannt. spule ist unmittelbar neben dieser eine weitere Spule
Sie bestehen im wesentlichen aus einer metallischen angeordnet, die zum Auslösen der Selbsterregung aus
Welle oder einem metallischen Zylinder, die bzw. einer Batterie gespeist wird. Das Auslösen eines
der sich in einem Magnetfeld dreht, wobei die 15 Stromimpulses erfolgt durch das Einleiten der elek-Ausbildung
so getroffen ist, daß zwischen wenig- trisch leitfähigen Flüssigkeit in den Luftspalt zwistens
zwei Punkten dieser Welle ein starker sehen Rotor und Stator.
Strom erzeugt werden kann, der mehrere tausend Infolge der Verwendung einer Statorspule mit
Ampere bei einer verhältnismäßig geringen Span- einem einzigen Ein- bzw. Ausgang kann von dem"
nung, die im allgemeinen unter 100 V liegt, er- 30 scheibenförmigen Rotor nur jeweils ein sektorförmireichen
kann. ger Abschnitt für die Stromübertragung während Bei der Erzeugung von kräftigen Magnetfeldern, der Auslösung eines Stromimpulses ausgenutzt werwie
sie z. B. zur Bildung von Plasmen benötigt wer- den. Für den Stromübergang vom Rotor zum Stator,
den, muß in einer sehr kurzen Zeit in der Größen- bzw. umgekehrt stehen ebenfalls nur verhältnismäßig^
. Ordnung von einer Sekunde oder weniger vorher 35 kleine Flächenquerschnitte zur Verfügung. Die eraufgespeicherte
Energie freigesetzt werden. Diese zielbare Stromstärke ist bei dieser Unipolarmaschine
Energie kann auf verschiedene Weise gespeichert insofern nur relativ klein.
werden, insbesondere in einer Kondensatorenbatterie Es ist schließlich noch ein nach dem Prinzip der
oder in einer Selbstinduktionsspule. Unipolarmaschine aufgebauter elektromechanischer
Die Erfindung macht von der Freisetzung elek- 30 Energiespeicher zur Erzeugung kurzzeitiger elektritrischer
Energie in Impulsform Gebrauch, die als scher Impulse hoher Energie bekannt. Bei dieser
kinetische Energie in dem Rotor einer homopolaren Maschine besteht der Rotor, dessen Drehachse senk-Maschine
aufgespeichert ist und mehrere Megajoule recht steht, aus zwei koaxial übereinander angeorderreichen
kann. - neten, aber unabhängig voneinander drehbar gelager-Bisher
konnten die mittels eines unipolaren Strom- 35 ten Scheiben, die gegenläufig angetrieben werden,
erzeugers erhaltenen Energieimpulse infolge der sie Jede Rotorscheibe setzt sich außerdem aus zwei
kennzeichnenden geringen Spannung nicht trans- Scheibenhälften zusammen, die durch eine Isolierportiert
werden. Man war daher gezwungen, den schicht elektrisch voneinander getrennt sind. Um
Nutzkreis, z. B. eine Spule zur Erzeugung eines eine höhere Spannung zu erhalten, werden die einMagnetfeldes,
in unmittelbarer Nähe der rotierenden 40 zelnen Scheibenhälften und die beiden gegenläufigen
Maschine anzuordnen, was einen schweren techno- Rotoren elektrisch hintereinandergeschaltet. Zu dielogischen
Aufbau zur Folge hatte. In einem anderen sem Zweck sind insgesamt acht Abnahmestellen an
Fall benutzte man das erzeugte Magnetfeld unmittel- den beiden Rotoren erforderlich. Zur Verbindung
bar in der Maschine, um z. B. ein Plasma in einem der Abnahmestellen mit den äußeren Einrichtungen
Hohlraum des Stators zu erzeugen. 45 für die Weiterleitung des Stromes wird auch bei
Eine bekannte Unipolarmaschine, bei der das dieser Unipolarmaschine Quecksilber in die Luftdurch
einen Stromimpuls erzeugte Magnetfeld un- spalte an den acht Abnahmestellen eingespritzt. Der
mittelbar in der Maschine selbst ausgenutzt wird, ist Stator ist bei dieser Unipolarmaschine nicht in den
wie folgt aufgebaut: Die elektrisch leitende Masse elektrischen Kreis für den Stromimpuls einbezogen,
des Rotors hat die Form einer zylindrischen Muffe, 50 Für diese Unipolarmaschine gilt hinsichtlich der
während der Stator aus einem zylindrischen Körper Ausnutzung des Querschnittes der einzelnen Rotorbesteht,
der im Querschnitt etwa die Form eines C scheiben das gleiche wie für die vorstehend erläuterte
hat, wobei die Enden des Stators den Stirnflächen Maschine, d. h., der Stromfluß kommt jeweils nur in
des Rotors gegenüberstehen. Für den Stromfluß ent- einem sektorförmigen Abschnitt des Rotors zustande,
steht auf diese Weise in bezug auf eine Axialebene 55 Abgesehen von dem verhältnismäßig komplizierten
der Maschine eine in sicli geschlossene Strombahn, mechanischen Aufbau infolge der getrennten eindic
aus dem Rotor an einem Ende in axialer Rieh- seitigen Lagerungen der beiden Rotoren treten durch
tung austritt, über den Luftspalt in den Stator über- die Anwendung mehrerer elektrisch hintereinandergelit
und auf der entgegengesetzten Seite vom Stator geschalteter Abnahmezonen zwangläufiig höhere
über den Luftspalt wieder in den Rotor in axialer 60 elektrische und mechanische Verluste auf.
Richtung eintritt. Das Schließen des Stromkreises Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
erfolgt durch das Einspritzen einer elektrisch leiten- . Unipolarmaschine zur Erzeugung elektrischer Stromden
Flüssigkeit in die beiden Luftspalte. Durch eine impulse so auszubilden, daß Stromimpulse mit einer
spezielle Blätterung des Stators wird bei dieser Uni- wesentlich höheren Spannung als bisher am Ausgang
polarmaschine das Erregerfeld durch Selbsterregung 65 der Maschine abgenommen werden können. Die
erzeugt. In dem ringförmigen Zwischenraum, der Steigerung der Spannung"der Stromimpulse soll ohne
durch den Rotor und im wesentlichen durch den eine nennenswerte Verschlechterung des Gesamt-Stator
begrenzt wird, entsteht bei Auslösung eines Wirkungsgrades der Maschine und vor allem ohne
3 4
Vergrößerung ihres äußeren Aufbaus verwirklicht magnetisierbaren Werkstoil, vorzugsweise Stahl, der
werden. auf einer Welle 4 befestigt ist und in seinem mitt-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer leren Abschnitt eine Nut aufweist, in die eine zylin-
Unipolärmaschine der eingangs genannten Art da- drische Muffe 5 aus einem elektrisch leitenden Werk-
durch gelöst, daß als Bestandteil des Stators ein die 5 stoff, vorzugsweise Kupfer, eingebördelt ist. Der
Spannung der Stromimpulse verstärkender Transfor- zylindrische Stator besitzt ,zwei auf der Achse zen-
mator vorgesehen ist, dessen magnetischer Kreis mit trierte, ringförmige Wicklungen 6 und 7 sowie zwei
einem Teil des magnetischen Erregerkreises der ringförmige Abnahmezonen 8 und 9, vorzugsweise
Maschine übereinstimmt und dessen Primärwicklung aus Kupfer, welche den Enden der MuJfe 5 des
im elektrischen Reihenschlußkreis der Maschine io Rotors gegenüberliegen und radiale offene Kanäle 10
liegt, während an die Sekundärwicklung ein äußerer aufweisen, die zur Einspritzung einer leitenden Flüs-
Nutzkreis anschließbar ist. , sigkeit unter Druck, z. B. Quecksilber, bestimmt
In weiterer Ausbildung der Erfindung besteht der sind, derart, daß ein elektrischer Kontakt zwischen
magnetische Kreis des Transformators aus einer dem Rotor und dem.Stator hergestellt wird,
konzentrisch zur Drehachse des Rotors angeord- 15 Gemäß dem wesentlichen Kennzeichen der Er-
neten zylindrischen Muffe aus ferromagnetischem findung.übt ein Teil des Stators die Funktion eines
Material. Vorzugsweise besteht die Muffe aus einem Transformators aus.
auf sich selbst aufgewickelten, auf beiden Seiten >
Bei der in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsisolierten Band aus ferromagnetischem Blech. form hat der Magnetkreis des Transformators die
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ao Form einer großen, zylindrischen, um die Maschinen-
setzt sich der magnetische Kreis des Stators aus der achse herum angeordneten Muffe 11 mit einem recht-
Muffe sowie zwei inneren und äußeren Ringen derart eckigen axialen Querschnitt. Diese Muffe wird vor-
zusammen, daß sich die magnetischen Kraftlinien um zugsweise dadurch hergestellt, daß ein auf beiden
je eine Erregerspule des Stators unter Einschluß je . Seiten isoliertes Band aus ferromagnetischem Blech
einer Abnahmezone im Rotor schließen. 35 auf sich selbst aufgewickelt wird.
Die Primärwicklung des Transformators liegt Der Sekundärkreis des Transformators, der bei
außerhalb der Sekundärwicklung. Die Windungen der dargestellten Anordnung innerhalb des Primär-
der Sekundärwicklung können aus um den magneti- kreises liegt, wobei jedoch auch die entgegengesetzte
sehen Kreis des Transformators gewickelten, leiten- Anordnung getroffen werden kann, wird durch
den Platten oder Bändern bestehen. 30 leitende Bänder oder Platten 12 gebildet, die vor-
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, zugsweise aus Kupfer bestehen und um die mit einer
daß die Primärwicklung aus leitenden Platten be- isolierenden Hülle 13 überzogene Muffe 11 so gesteht,
die den magnetischen Kreis des Transformators wickelt sind, daß sie η Windungen bilden, die vornach
Art eines hohlen, aus zwei Abschnitten be- zugsweise auf eine einzige Schicht verteilt sind. Bei
stehenden Ringkörpers mit rechteckigem Querschnitt 35 dem Ausführungsbeispiel sind 16 Windungen voreinschließen,
wobei die Abschnitte einerseits mit den handen. Die Wahl der Zahl η der Windungen der
Abnahmezonen des Stators und andererseits mit am Sekundärwicklung muß so erfolgen, daß diese mög-Umfang
des Stators sitzenden, voneinander isolierten liehst gut an die Impedanz des Nutzkreises angepaßt
ringförmigen Klemmen verbunden sind. An den ring- ist. Im allgemeinen beträgt diese Zahl einige Zehner. ,
förmigen Klemmen sind vorzugsweise gleichmäßig 40 Die Enden des Sekundärkreises stehen mit zwei auf
über den Umfang verteilte elektromagnetisch ge- der Außenfläche des Stators befindlichen Ausgangssteuerte
Schalter zur Verbindung der beiden Klem- klemmen 14 in Kontakt, die mit dem Nutzkreis vermen
vorhanden. . bunden werden.
Durch die nach der Erfindung vorgesehene Aus- Zwischen den Windungen der Sekundärwicklung
gestaltung einer Unipolarmaschine können an den 45 ist eine nicht dargestellte feindrähtige Wicklung zur
Klemmen der Maschine Stromimpulse mit höherer Polarisierung des Magnetkreises des Transformators
Spannung als bisher abgenommen werden, so daß untergebracht. '
der Nutzkreis nicht mehr in der Maschine selbst oder Der Sekundärkreis ist mit einer isolierenden Hülle
unmittelbar rieben der Maschine, sondern auch in 15 überzogen.
einiger Entfernung von· der als Stromerzeuger die- 50 Der vorzugsweise aus massiven Kupferplatten benenden
Unipolarmaschine angeordnet werden kann. stehende Primärkreis 16 des Transformators umgibt
Dies ist für viele Anwendungen, bei denen die Ener- eng den Magnetkreis des Transformators außerhalb .
gie von Stromimpulsen hoher Intensität ausgenutzt der Isolierhülle 15 nach Art eines hohlen Ringkörwird,
insbesondere für die Erzeugung von Plasma- pers mit Rechteckquerschnitt urid ist mit den ringfeldern,
von großem Vorteil. 55 förmigen Abnahmezonen 8 und 9 durch zwei kranz-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der förmige, durch einen Isolierkörper 19 getrennte Teile
Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher 17 und 18 und zwei zylindrische, der leitenden
erläutert. Es zeigt Muffe 5 des Rotors gegenüberliegende Ringe 20 und
Fig. 1 einen schematischen Schnitt eines Teiles 21 verbunden, wobei eine Isoliermuffc 22 einen
einer Unipolarmaschine in einer Axialebene, 60 Kurzschluß über die durch die öffnungen 10 der
Fig. 2 eine Stirnansicht eines Teiles der Maschine Abnahmezonen eingespritzte leitende Flüssigkeit ve r-
in einem Schnitt in der Ebene der Linie II-II der hindert.
Fig. 1 und .,,·,·■ Um den Primärkreis in dem gewünschten Aiigen-
■ Fig. 3 eine Schaltanordnung der Unipolar- blick schließen zu können, d^ h. in dem Augenblick,
maschine mit einem angeschlossenen Nutzkreis; 65 in welchem man die Entladung in die Sekundär-
Der unipolare Stromerzeuger enthält in an sich wicklung und in den Nutzkreis nach der Einspritbekannter
Weise einen Rotor 1 und einen Stator 2. zung der leitenden Flüssigkeit zu erhalten wünscht,
Der Rotor 1 umfaßt einen Zylinder 3 aus einem ist der zylindrische äußere Abschnitt des Primär-
5 6
kreises längs einer Radialebene gespalten, wobei die L2 die Selbstinduktion der Sekundärwicklung
Ränder dieses Spalls durch zwei ringförmige, durch des Transformators;
einen Isolierkörper 25 getrennte Klemmen 23 und 24 F die Streuinduktivität der Primärwicklung des
verlängert werden. Schematisch bei 26 in Fig. 1 Transformators·
dargestellte, vorzugsweise elektromagnetische Selbst- 5
schalter sind in gleichmäßigen Abständen längs der ^1 den Gesamtwiderstand der Primärwicklung
ringförmigen Klemmen 23 und itf angeordnet. Die einschließlich des Widerstands der flüsigen
Ausbildung wird so getroffen, daß ihre Schließung Kontakte zwischen Rotor und Stator;
praktisch gleichzeitig erfolgt, um eine gute Verteilung R2 den Gesamtwiderstand der Sekundärwick-
der Leistung um die Maschine herum zu gewähr- io " lung;
leisten
Der' Primärkreis verhält sich elektrisch wie ein Λ senden Schaltern 26 der Fig 1 entspre-
Stromkreis mit einer einzigen Windung. Eine vorteil- chenden Schalter zur Schließung der Primär-
hafte Form dieses Stromkreises wurde oben unter wicklung. Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Man er- 15
hält so einen Transformator, der, von den Verlusten Nachstehend sind beispielshalber Zahlenwerte an-.
abgesehen, die Spannung in dem Verhältnis η erhöht. gegeben, welche einer Ausführungsform eines erfin-
Das durch die Spulen 6 und 7 erzeugte Magnetfeld dungsgemäßen homopolaren Stromerzeugers entschließt
sich über den Magnetkreis 11 des Transfor- sprechen,
mators, zwei seitliche ringförmige Joche 27 und 28 30
mators, zwei seitliche ringförmige Joche 27 und 28 30
des Stators aus magnetisierbarer!! Material, Vorzugs- 1· Rotor
weise aus Stahl, den Zylinder 3 des Rotors und zwei Durchmesser 40 cm
ringförmige Statorteile 29 und 30 aus magnetisier-
barem Material, vorzugsweise Stahl. Länge 120 cm ■ £
Der Verlauf des Magnetfeldes ist in F i g. 1 durch as Masse 1,2 Tonnen
gestrichelte Pfeile angegeben. Er liegt zwischen den _, , ,, , -,„«„,», .
Abnahmezonen radial zu dem Rotor . Drehzahl ■■■■■
7200 U/min
Der ,Primärkreis 16 ist von den magnetischen Ab- _. ..... ., a ■- ,^. + . „v .
schnitten 27, 28, 29 und 30 und den Spulen 6 und 7 „ D'e zylindrische Muffe 5 (Fig. 1 und 2) ist aus
durch einen Isolierkörper 31 getrennt. 30 KuPftr ™ι e?!fr ?Icke von 2 cm; die Nutzlange
Schließlich ist zu bemerken, daß infolge der hohen zwischen den Abnahmezonen betragt 40 cm.
Drehzahl des Rotors eine Bandagierung der zylindrischen Muffe 5 zwischen den Abnahmezonen er- 2 Sekundärkreis
folgen muß. ..
Diese Unipolarmaschine arbeitet wie folgt: Der 35 32 Kupferwindungen von 2cm
Nutzkreis, z. B. eine Spule zur Erzeugung eines star- Dicke; relative Permeabilität
ken Magrietfeldes, wird an die Klemmen 14 der des Magnetkreises des TransSekundärwicklung des Transformators angeschlossen. formators 100
Der Rotor 1 wird mit hoher Drehzahl von einem Selbstinduktivität L2 10"» H
Hilfsmotor über die Welle 4 angetrieben. Der Ma- 40 . *
gnetkreis wird in einem entsprechenden Sinn polari- Widerstand R2
größenordnungsmäßig
siert, indem die Spulen 6 und 7 mit Gleichstrom i0"eOhm
gespeist werden. Dann wird die leitende Flüssigkeit, Nutzinduktivität 2 9· 10—· H
z. B. Quecksilber, durch die öffnungen 10 der Abnahmezonen
gespritzt, und im gewünschten Augen- 45
blick wird die gleichzeitige Schließung der Selbst- .3 Primärkreis
schalter 26 veranlaßt, wodurch der Primärkreis geschlosesn
wird. Die kinetische Energie des Rotors Es werden Kupferplatten von 2 cm Dicke benutzt.
wandelt sich dann in elektrische Energie um und Selbstinduktion L1 10"« H
der Nutzkreis wird von einem in einer Richtung 50 *
fließenden Stromimpuls durchflossen. Dadurch wird Widerstand R1 unter Berück^
ein kräftiges Magnetfeld erzeugt, während die Dre- sichtigung des Widerstands
hung des Rotors gebremst und dieser stillgesetzt der Quecksilberkontakte
10~5 Ohm
w'rd· Streuinduktivität größenordnungsmäßig
Die Schließung des Primärkreises kann natürlich 55 10~7 H
auch auf beliebige andere Weise erfolgen.
In elektrischer Hinsicht kann das vollständige 4 ς. t
System durch das Schaltbild der Fig. 3 dargestellt
werden, in welchem der mit seiner Drehzahl laufende Bei Benutzung geschmiedeter Stähle kann man für
Rotor der Maschine einer auf eine Spannung U0 auf- 60 die Induktion des magnetischen Gleichfeldes einen
geladenen Kapazität C gleichgesetzt wurde, wobei Wert in der Größenordnung von l,5Tesla an dem
ferner bedeuten: · Umfang des Rotors erhalten.
rr ■ ι ,,ι ~ Wenn mittels der durch eine unabhängige Strom-
T einen als »verlustlos« angenommenen Trans- „c isten feindrähti wicklung^! Bleche
formator mit dem Übesetzungsvcrhaltnis .«; 6s }cs Magnetkreises des Transformators auf eine re-
L die Selbstinduktion der Nutzspule; manentc Induktion von -2Tesla gebracht werden,
L1 die Selbstinduktion der Primärwicklung des kann man eine Induktionsänderung von 4 Tesla
Transformators; - ■ erhalten.
Claims (2)
1. Unipolarmaschine zur Erzeugung elektri- 25 formators aus um den magnetischen Kreis des
scher Stromimpulse durch Ausnutzung der kine- Transformators gewickelten leitenden Platten
tischen Energie des bei Leerlauf der Maschine oder Bändern bestehen.
auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigten Ro- . 7. Unipolarmaschine nach einem der Antors,
der in einem vom Stator erzeugten Magnet- Sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
feld rotiert und mit. dem Stator während der 30 Primärwicklung (16) des Transformators, aus lei-Auslösung
eines Stromimpulses durch Überbrük- tenden Platten besteht, die den magnetischen
kung des Luftspaltes mittels einer eingespritzten · Kreis des Transformators nach der Art eines
elektrisch leitenden Flüssigkeit an zwei Abnahme- hohlen, aus zwei Abschnitten bestehenden Ringzonen
elektrisch in Reihe schaltbar ist, da- körpers mit rechteckigem Querschnitt einschliedurch
gekennzei chnet, daß als Bestand- 35 ßen, wobei die Abschnitte einerseits mit den
teil des Stators ein die Spannung der Strom- Abnahmezorien (8, 9) des Stators und andererimpulse
verstärkender Transformator vorgesehen seits mit am Umfang des Stators sitzenden, vonist,
dessen magnetischer Kreis mit einem Teil des . einander isolierten ringförmigen Klemmen (23,
magnetischen Erregerkreises der Maschine über- 24) verbunden sind.
einstimmt und dessen Primärwicklung im elek- 40 8. Unipolarmaschine nach Anspruch 7, da-
trischen Reihenschlußkreis der Maschine liegt, durch gekennzeichnet, daß an den ringförmigen
während an die Sekundärwicklung ein äußerer Klemmen (23, 24) gleichmäßig über den Umfang
Nutzkreis anschließbar ist. . verteilte elektromagnetisch gesteuerte Schalter
2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, da- (26) zur Verbindung der beiden Klemmen (23,
durch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis 45 24) vorgesehen sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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