DE1563339A1 - Sich selbst synchronisierender Cryogen-Motor - Google Patents

Description

DIPL.-ING. H. MARSCH 4 düsseldorJ.563339

PATENTANWALT Mndbmannsthassb ei TELEFON OS SS 4Λ

Beschreibung
.zur Patentanmeldung

.der Firma Societe Alsacienne de Constructions Ätomiques de ■ Tele communications et d'Electronique "ALCATEIl" 32, rue de Lisbonne, Paris

betreffend:
"Sich selbst synchronisierender Cryogen-Motor"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen vollkommen unmagnetischen und sich selbst synchronisierenden Cryogen-Motor. Derartige Motoren können, insbesondere verwendet werden für die Verflüssigung von Helium unter Abgabe einer äußeren Arbeit, für den Antrieb von Supraleitergyroskopen usw.

Bisher bekannte Cryogen-Motoren arbeiten unter dem Einfluß eines Drehfeldes oder eines impulsartigen Feldes, das von einem Stator erzeugt wird, der aus supraleitendem Draht gewickelt ist und von einem Wechselstrom oder einem zerhackten Gleichstrom gespeist wird, wobei dieser Stator von einem Rotor in polyedrischei oder zylindrisch polygonaler Form umfaßt wird so, daß' die vom Stator erzeugten Kräfte sich auf der Oberfläche des Rotors nicht gegenseitig aufheben und ein Antriebsmoment für den Rotor zu erzeugen vermögen.

Die Synchronisation der Erregerspeisung und der Rotation dee Läufers wird im allgemeinen durch optische oder induktiv arbeitend« Mittel erreicht. Diese arbeiten jedoch nur unter genau festgelegte] Erregungsbedingungen korrekt, was bereits einen bemerkenswerten Nachteil darstellt. Ebenso führen derart aufgebaute Motoren zu recht verwickelten Konstruktionen,

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Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile der - ^: -bekannten Ausführungsformen und hat zum Gegenstand einen i Cryogen-Motor, der von Gleichstrom gespeist wird und der .im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erregung des Stators, der aus mindestens zwei Induktionsspulen supraleitenden Drahtes sowie einer gleichen Anzahl von diesen getrennten · Synohronisationlsspulen besteht, synchronisiert ist mit der Bewegung des Rotors, der aus mindestens einer, aus einem den Stator umfassenden dünnwandigen Zylinder ausgeschnittenen, Windung supraleitenden Materials besteht, während eine Mehrzahl von Fenstern gleicher Größe in dem Zylinder in Höhe der Synchronisationsspulen angeordnet ist, und daß jedes Synchronisationssignal durch die Veränderung des Selbstinduktionsfaktors einer Synchronisationsspule erzeugt wird, während aufeinanderfolgender Vorbeigänge der Rotorfenster an der Spule so, daß die Synchronisations-

signale zur Speisung der zugeordneten Induktionsspule übertragen werden mittels unabhängiger Einrichtungen, die jede Synchronisations* spule mit der zugehörigen Induktionsspule verbinden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausführung erlaubt aufeinanderfolgend jede Induktionsspule in dem Moment zu erregen, in dem eine Windung des Rotors eich in »Bezug auf die erregte Spule nahe einer solchen Stellung befindet, daß das auf die Windung ausgeübte von der Spule erzeugte Drehfeld maximal und in konstantem Drehsinn ist.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung sind die Synchronisationseinrichtungen durch die Stellung der Rotorfenster in Bezug auf die Synchronisationsspulen kommutiert·

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besitzt der Staytor drei Wicklungen in Form rechteckiger Rahmen mit gemeinsamer Achse, deren Ebenen gegeneinander um 60 versetzt sind, sowie drei Synohronisationsspulen, deren Achsen sich in einem Funkt,auf der Verlängerung dieser Achse schneiden und jeweils in den drei von den Rahmen bestimmten Ebenen angeordnet sind. In Verbindung mit einem

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solchen Stator benutzt man vorteilhaft einen Rotor in Form eines ufwendigen Zylinder© mit zwei Abschnitten, deren einer die* .· ^:8w;6rrahmen nah· umfaßt und deren anderer, in dem Fenster, insbtsonder· zwei einander gegenüberliegende gleiche Fenster, vorge- **h*n sind, die Synohronisationsspulen upifaßt.

richtige elektrische Steuerung des Motors speist ein Oszillator sin· Anzahl von Synohronisationseinriehtungen entsprechend dfr Anzahl der Induktionsspulen. Gemäß einer einfachen Aueführungeform kann eine Synchronisationseinrichtung die Sfcundärvioklung eines Tranformators umfassen, dessen Primärseite vom Oszillator gespeist wird, weiter eine abgeglichene Brücke, deren •in· Diagonale an die Sekundärwicklung und deren andere Diagonale an einen Verstärker'für die Verstärkung eines Synchronisationssignals angeschlossen ist, das von der Brücke in Form eines Bohwingungszuges abgegeben wird, wobei das verstärkte Signal •inen Demodulator zugeführt wird, danach einem Impulsformerkreis Und schließlich einem Leistungstransistor,', der an die Speisespannungsquelle der Induktionsspule des Stators angeschlossen ist.

Bei ^i-HfI Aufbau mit drei Induktionsspulen können die drei BTHohronieationseinriphtungen beispielsweise von demselben Oszillator gespeist werden.

Die Srfindung wird erläutert durch die nachfolgende Beschrei bung eines Oryogen-Motors in Verbindung mit den anliegenden Zeioh nungen, in

fig· 1 ein· eohematische Darstellung dee Stators des Motors

ftjg«2 iixk*!Ansicht des Stators von oben zeigt,

,Jig. 3 eine sohematieche Darstellung des zugehörigen Rotors für den Stator gemäß den Fig. 1 und 2 zeigt,

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Pig· 4 eine Ansicht des Rotors von unten mit einem Schnitt entlang der linie IV-IV der Pig. 3 zeigt,

Fig. 5 ein PrinzipschaltMld der Arbeitsweise des Motors mit seiner Synchronisationseinrichtung zeigt, und

Fig. 6 die Arbeitsweise einer der Synchronisationseinrichtungen der Erregung und der iäuferrotation darstellt.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Stator ist mit 1 bezeichnet und umfaßt im Wesentlichen drei Inductionswicklungen in Form von Kahmen 2, 5» 4 von, im allgemeinen, reohteokfcger Abmessung aus supraleitendem Draht, die so angeordnet sind, daß sie um 120° gegeneinander versetzte Felder erzeugen. Anders ausgedrückt, die drei Ebenen der Rahmen 2, 3 und 4 schneiden sich in der gemeinsamen Achse xx und sind um 60° gegeneinander versetzt· Der Stator 1 umfaßt weiterhin drei kleine Synchronisationsspulen 5> 6 und l_f ebenfalls aus supraleitendem Draht, deren Achsen sich unter 120° schneiden (Fig. 2) und die in den drei von den Rahmen 2, 3 und 4 bestimmten Ebenen angeordnet sind· Sie Achse einer Synchronisationsspule schließt mit der Ebene der augehörigen Induktionsspule einen Winkel von 60° ein (fig.2)· ££an erkannt in Fig. 1, daß die horizontale Ebene, die nit yy be- * «eiehnet ist, und die die drei Achsen der Spulen §, 6 und 7 enthält, in Bezug auf die Basis der lahmen 2, 3 und 4 versetzt ist· Die den drei Rahmen 2, 3 und 4 gemeinsame Achs·,-die auch die. Spulen 5> 6 und 7 trägt, besitzt an ihrem oberen Ende eia Aohsial-

Der zu dea Stator 1 gehörige Rotor, der im elfleelAen fee*o&rie~ Tsma. wird, ist in den Fig, 3 und 4 dargestellt und alt ti beeeiefaiiet· Eotor Q mit einem inneren Durchmesser b, der ein wenig gs&äer »Iß die Breite der Spulen 2, 3 und 4, besteht aue einer Vin-4mig oder einer Manschette 9» ausgeschnitten aue dea oberen feil et&e* dünnwandigen Zylinders aus supraleitendem Material s.B, Slobiua, deeeett untere Partie swei Fenster 10 und 11 aufweist, 4ie' einander diamitral gegenüberliegen mit einer öffnung von 60°.. ■

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Der Rotor 8 soll um den Stator 1 umlaufen mit einem Drehsinn, der durch den Pfeil F in Fig. 2 gmgedeutet ist. Die Höhe a der Windung 9 desRotors ist ungefähr gleich der Höhe der Wicklungen 2 „3 und4 des Stators unter Vernachlässigung der Fertigungstoleranze^ und die Fenster 10 und 11 im Rotor sind so angeordnet} daß ihre Mitten sich in der Ebene yy der Achsen der drei Synchronisationsspulen 5,6 und 7 "befinden (Fig.3 ) und daß die Mittellinie der Fenster mit der Syife trie ebene der Windung 9* die zugleich die Zeichenebene der Fig. 3 ist, einen Winkel γοη 90° einschließt. In diesem hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat.die Windung 9 eine Höhe in der Größenordnung einer Breite einer Induktionsspule des Stators. Die Rotationss,chse des ,Rotors 8 ist die Sym^trieachse xx des Stators·1. Der Rotor 8 wird vom Stator 1 mittels eines Lagers getragen,das aus'der Achsiällagerpfanne 12 und der am oberen Teil des Hotors 9' mittels Verschraubung oder einer anderen Methode befestigten Welle 13 besteht, während das obere Ende 13' der Welle für die Aufnahme in einem Gegenlager bestimmt ist, das sich in einem nicht gezeigte/? festen Aufbau befindet. Zur Erleichterung der Herstellung und der Montage kann die Windung 9 aus einer vollen Manschette durch Ausfräsen zweier Längsabschnitte erhalten werden, während der Boden 9* in Form einer dünnen vollen Scheibe stehen bleibt.

Zwar ist der Rotor des Motors gemäß der Erfindung vorzugsweise wie oben beschrieben spitzengelagert, jedoch kann eine Montage nach irgendeinem anderen Verfahren ins Auge gefaßt werden. .Dies wäre insbesondere die Verwendung von magnetischen Lagern, die sich bei großen Drehzahlen als vorteilhaft erweisen kann und sich andererseits automatisch realisieren IaBt₅, insbesondere bei der !Technik supraleitender Gyroskope«, . * :

Die Fig. 5 zeigt schematisch die Arbeitsweise des Mators, ^l dessen Teile im einzelnen beschrieben werden« Der Rotor 8 ist schematisch in der gewöhnlichen Weise dargestellt als ein Seil auf der linken Seite der Zeichnung, und zwar sein oberer Abschnitt mit der aktiven Windung 9? die sich unter dem Einfluß der Induktionsspulen 2, 3 und 4 befindet,und der andere Abschnitt ist auf ■:

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der rechten Seite der Zeichnung dargestellt, wo man den unteren Abschnitt des zylindrischen Eotors erkennen kann, mit den Fenstern 10 und 11, die nacheinander vor die Synchronisationsspulen 5i 6 und 7 gelangen. Die letzteren sind jeweils an drei Synchronisa tionseinrichtungen angeschlossen, die mit den Bezugszeichen 14» .15 und 16 gekennzeichnet sind und im nachfolgenden im einzelnen beschrieben werden.

Ein einziger Oszillator 17 speist gemeinsam die drei Synchronisationseinrichtungen 14, 15 und 16, die ihrerseits an die Spannungsquelle 18 der Induktionsspulen 2, 3 und 4 angeschlossen sind«

Die Hg. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Synchronisationseinrichtung,· beispielsweise der Einrichtung 14» die mit einer Induktionsspule, beispielsweise der Spule 2, und einer Synchronisationsspule, beispielsweise der Spule 5» zusammenwirkt.

Man erkennt in der Fig. 6, daß die Einrichtung 14 von der Sekundärwicklung des Transformators 19 gespeist wird, dessen Primärseite mit dem Oszillator *17 verbänden · ist. Eine Brücke "20 enthält einerseits die zugeordnete Synchronisationsspule 5 sowie eine Selbstinduktion 2Od, der ein Einstellwiderstand 2Oe parallelgeschaltet ist.und andererseits einen festen Widerstand 20a und einen Einstellwiderstand 20b. Die benutzte Sekundärwicklung des Transformators 19 ist an eine Diagonale der Brücke angeschlossen, während die andere Diagonale der Brücke an dem Eingang eines Verstärkers 21 liegt. Der letztere ist mit einem Demodulator 22 verbunden und dieser wieder ist an eine Impul/sfonaerstufe 23 angeschlossen. Am Ausgang der letzteren ist έίη leistungstransistor 24 angeordnet, der über die Spannungsquelle die Induktionsspule 2 steuert.

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^ Die Arbeitsweise des Motors kann anhand der Fig, ,6

erlflutert werden» Die aufeinanderfolgenden Vorbeigänge der „ - ^:FenJ$Nr Io und 11 des Rotors 8 an der Synchronisationsspule

' erzeugen eine Veränderung des Selbstinduktionsfaktors der Spule 5» die- sich in einem Zweig der Brücke 2o befindet, die ihrerseits von dem Oszillator 17 Über den Transformator 19 gespeist wird« Diese Veränderung bringt die Brücke 2o aus dem Gleichgewicht, die demgemäß einen Schwingungszug während einer Zeit abgibt» die gleich der Durchgangszeit des Fensters Io oder des Rotors vor der Synchronisationsspule 5 ist« .

Dieses Signal,verstärkt durch den Verstärker 21, demoduliert durch den Demodulator 22 und geformt durch die Impulsformerstufe 23, öffnet den Leistungstransistor 24 und gestattet demgemäß den Stromdurchgang durch die Spule 2.

Während des Stromdurchgangs durch die Spule 2 sind die· anderen Antriebsspulen 3 und 4 nicht gespeist, denn die < Synchronisationsspulen 6 und 7 besitzen einen Selbstinduktionsfaktor einer solchen Größe, daß die zugehörigen Brücken der Einrichtungen 15 und 16 im Gleichgewicht bleiben* .

Es versteht sich, daß der Stromdurchgang durch die Spulen 3 und *t auf die gleiche Weise wie bei der Spule 2 ausgelöst wird, nämlich durch das Ungleichgewichtssignal der Synchronisationsspulen 6 und 7, die jeweils in den Einrichtungen 15 und 16 angeordnet sind, die vorteilhafter Weise identisch der Einrichtung 14 aufgebaut sind.

Die elektronischen Schaltungen, wie der Oszillator 17, die Brücke 2o, der Verstärker 21, der Demodulator 22 und die , Impulsformerstufe 23, die in der Fig· .6 dargestellt sind, werden durah eiie gewöhnliche Gleichspannungsquelle, die nicht dargestellt ist, gespeist* Diese Schaltungen können offensichtlich von irgendeiner bekannten Art sein und bilden selbst keinen Teil dieser Erfindung« da sie wohlbekannte Komponenten für den Fachmann darstellen* .

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In Cryogen-Motoren, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, findet die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie ausschließlich bei tiefen Temperaturen statt (Temperatur von flüssigem Helium) mit einem maximalen Wirkungsgrad, wobei die einzige Wärmeabgabe in den Stromzuleitungsdrähten erfolgt, was den Aufbau von Motoren sehr geringer Abmessungen erlaubt, .

Bei gegebener Belastung und konstantem Strom ist das Drehmoment des Motors im Einschaltmoment ebenso groß wie bei der Nenndrehzahl, .·

Die Drehzahl kann einige Ιο,οοο Umdrehungen pro Minute erreichen und ist nur durch die mechanische Reibung des Rotors begrenzt» Ein Motor, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, jedoch mit magnetischen Lagern, kann sogar Drehzahlen der Größenordnung 36,000 Umdrehungen pro Minute bei der Temperatur, flüssigen Heliums erreichen, .

Es versteht sich, daß man an dem beschriebenen Motor beispielsweise Veränderungen bezüglich des Aufbaus von Stator und Rotoj? vornehmen kann oder bezüglich der elektronisehen Bauteile für die Synchronisationseinrichtungen, .

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Claims (7)

Patentansprüche

1.) Cryogen-Motor, der mit Gleichstrom gespeist wird, und einen Rotor und einen Stator besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des Stators, der aus mindestens zwei Induktionsspulen supraleitenden Drahtes sowie einer gleichen Anzahl von diesen getrennten Synchronisationsspulen besteht, • synchronisiert ist mit der Bewegung des Rotors,' der aus mindestens einer aus einem um den Stator umlaufenden- Zylinder mit dünnen Wänden ausgeschnittenen Windung supraleitenden Materials besteht, während eine Mehrzahl von Fenstern gleicher Größe sich in dem Zylinder auf der Höhe der Synchronisationsspulen befindet, so daß jedes Synchronisationssignal durch die Veränderung des Selbstinduktionsfaktors einer Synchronisationsspule erzeugt wird durch die aufeinanderfolgenden Vorbeigänge der Rotorfenster an der Spule,und daß die Synchronisationssignale zur Speisung der zugehörigen Induktionsspule mittels unabhänginger Einrichtungen dienen., die jeweils eine Synehronisationsspule mit der augehörigen Induktionsspule verbinden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisationseinrichtungen durch öle Stellung der Rotorfenster in Bezug auf die Synchronisationsspulen kommufcierb werden*

>. Motor nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet,"daß während der Speisung einer !induktionsspule die andere Induktionsspule bzw. die-anderen Induktionsspulen nicht gespeist weräsn-, und daß die andere Synchronisationsspule bzw« die anderen Synchronisationsspulen, die den anderen Induktionsspulen zugeordnet sind, einen solchen Selbstinöulctionsfaktor besitzen*, daß kein Synchronisationssignal durch die zugehörigen Synchronisationseinrichtungen übertragen wird,

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß üqt Stator drei Wicklungen In Form rechteckiger Rahmen mit einer gemeinsamen Achse aufweist, deren Ebenen um 6o° gegeneinander versetst sind, sowie drei Synchronisationsspulen, deren Achsen sich in einem Punkt schneiden, auf der Verlängerung der genannten gemeinsamen

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Achse und die so in Bezug auf die drei durch die Rahmen * . '% bestimmten Ebenen angeordnet sind, daß die Achee einer ~ * t Synchronisationsspule mit der Ebene der zugehörigen Induktion®- ** wicklung einen Winkel von 6o° einschließt.- ' .

5· Motor nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dal

der Rotor die Form eines dünnen Zylinders mit zwei Abschnitten aufweist, deren einer die Statorrahmen eng umfaßt und deren anderer^ der Fenster, insbesondere zwei gleiche einander gegenüberliegende Fenster aufweist, die Synchronisationsspulen umfaßt.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl alle Synchronisationseinrichtungen von einem einzigen Oszillator gespeist werden.

7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl eine Synchronisationseinrichtung aus der Sekundärwicklung eines Transformators besteht, dessen Primärwicklung mit dem Oszillator verbunden ist, aus einer abgeglichenen Brücke, deren eine Diagonale mit der Sekundärwicklung und deren andere Diagonale mit einem Verstärker verbunden ist, für die Verstärkung eines Synchronisationssignalee, das von der Brücke in Form eines Sohwingungszuges abgegeben wirfl, und aus einem Demodulator für · das verstärkte Signal sowie einer Impulsformerschaltung und aus einem Leistungstransistor, der mit der Spannungsquelle einer Induktionsspule des Stators verbunden ist.

8r Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er vollkommen unmagnetisch ist.

9* Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichatt, dafl der Rotor magnetischen Lagern läuft. ι

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