DE1613119C3 - Unipolarmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Unipolarmaschine mit einem trommeiförmigen Rotor und einem Stator, mit Ringkontakten aus flüssigem Metall, die zwischen dem Stator zugeordneten feststehenden und dem Rotor zugeordneten beweglichen Kontaktoberflächen angeordnet sind, und mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung.

Unipolarmaschinen sind Gleichstrommaschinen ohne Kommutator, die bei geringer Spannung einen großen Strom abgeben. Mit diesen Maschinen ist eine große Leistung pro Volumeneinheit bei hohem Wirkungsgrad erzielbar. Es sind außerdem verhältnismäßig einfache und zuverlässige Maschinen, die mit großen Drehzahler arbeiten können, beispielsweise mit 7000 U/min unc mehr.

Bei dem Versuch, die Unipolarmaschinen für noch höhere Drehzahlen und noch kompakter zu bauen, ergeben sich Schwierigkeiten, und zwar insbesondere bei Maschinen, bei denen Ringkontakte aus flüssigen Metallen verwendet werden. Bei Maschinen mit einem Rotor aus Stahl werden in dem Stahl durch Widerstandserwärmung große Wärmemengen erzeugt und die Grenzfläche zwischen dem Stahl und dem flüssigen Metall in den Flüssigkeitskontakten ermöglicht keine ausreichende Wärmeübertragung. Außerdem ist ein verhältnismäßig langer Stromleitungsweg im Stahl nachteilig. Darüber hinaus bildet der Stahlrotor einen unerwünschten magnetischen Weg in der Umgebung der Flüssigkeitskontakte, der deren Betrieb nachteilig beeinflußt. Löst man aber dieses Problem durch einen Rotor aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, so tritt der Nachteil auf, daß man eine übermäßig große Magnetisierungskraft benötigt, um ein brauchbares Feld in diesem im wesentlichen unmagnetischen Material zu erzeugen. Außerdem wird die Umfangsfestigkeit des Rotors durch seine Herstellung aus elektrisch gut leitendem Material derart vermindert, daß nur relativ geringe Drehzahlen zugelassen werden können.

Unipolarmaschinen der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der Zeitschrift EuM, 1961, Heft 3, S.132-134, insbesondere Abb. 10, bekannt. Diese Literaturstelle befaßt sich jedoch im wesentlichen nur mit den Problemen der Erzielung einer gleichmäßigen Stromabnahme über den ganzen Maschinenumfang und beschreibt die Verwendung von Quecksilber als Kontaktflüssigkeit. Einen Hinweis auf die Lösung vorstehend genannter Probleme bei der Schaffung einer kompakten Unipolarmaschine für hohe Drehzahlen gibt sie nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Unipolarmaschine für hohe Drehzahlen mit einer verbesserten Wärmeübertragung in den Flüssigkeitsringkontakten zu schaffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Unipolarmaschine der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der trommeiförmige Rotor aus elektrisch gut leitendem Material mit einer auf der einen Seite angeformten ersten Kontaktoberfläche versehen und auf der anderen Seite mit einer Ringscheibe aus ferromagnetischem Material fest verbunden ist, deren Außenfläche als zweite Kontaktoberfläche einen Ring aus elektrisch gut leitendem Material trägt, und der Stator zwei je etwa der halben Länge des Rotors entsprechende, voneinander isolierte Ringscheiben aus elektrisch gut leitendem Material für den Stromanschluß aufweist, von denen die eine mit ihrer Innenseite als feststehende Kontaktoberfläche einer beweglichen Kontaktoberfläche radial gegenüberliegt, während die andere an der Innenseite mit einer Ringscheibe aus ferromagnetischem Material fest verbunden ist, die die feststehende Kontaktoberfläche enthält, die der ersten rotierenden Kontaktoberfläehe radial gegenüberliegt, wobei die Ringscheiben aus ferromagnetischem Material zwischen den Magnetpolen im Bereich eines axialen Erregerfeldes liegen.

Die Erfindung schafft also eine Unipolarmaschine, die

einen besonders geformten Rotor und einen besonders geformten Stator hat, welche jeweils aus ferromagnetischen und aus elektrisch gut leitenden Materialien bestehen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise von den erwünschten magnetischen Eigenschaften und Festigkeitseigenschaften der ferromagnetischen Materialien und zugleich von den erwünschten Eigenschaften der elektrisch gut leitenden Materialien im Bereich der Flüssigkeitskontakte und in den aktiven Teilen von Stator und Rotor Gebrauch gemacht. Die Unipolarmaschine nach der Erfindung hat deshalb einen kompakteren Aufbau und ist für wesentlich höhere Drehzahlen geeignet als herkömmliche Unipolarmaschinen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die eine Querschnittansicht einer Unipolarmaschine nach der Erfindung zeigt.

Die dargestellten Teile der Maschine sind jeweils zylindrisch oder ringförmig ausgebildet. Fortschreitend in einer möglichen Stromrichtung durch die Maschine ist eine Statorringscheibe 10 vorgesehen, die aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, besteht. Die Ringscheibe 10 ist an einer Ringscheibe 12 befestigt und umgibt diese. Die Ringscheibe 12 besteht aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt. Die innere Umfangsoberfläche der Ringscheibe 12 bildet die feststehende Kontaktoberfläche 14 eines ersten Flüssigkeitsringkontakts, dessen Kontaktflüssigkeit aus flüssigem Metall besteht. Ein trommeiförmiger Rotor 16 aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, ist drehbar gelagert, beispielsweise durch Befestigung an einer Welle 18. Auf einer Seite des Rotors 16 ist eine Kontaktoberfläche 20 angeformt, welche die rotierende Kontaktoberfläche des ersten Flüssigkeitsringkontakts bildet. Eine Ringscheibe 22 aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise aus einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, ist mit der anderen Seite des Rotors fest verbunden.

Ein Ring 24 aus elektrisch gut leitendem Material ist an der äußeren Umfangsfläche der Ringscheibe 22 befestigt und bildet die rotierende Kontaktoberfläche eines zweiten Flüssigkeitsringkontakts. Eine Ringscheibe 28 umgibt den Ring 24 und ist im radialen Abstand von diesem angeordnet. Die innere Umfangsfläche der Ringscheibe 28 bildet die feststehende Kontaktoberfläche 30 des zweiten Flüssigkeitsringkontakts.

Zum Verbinden der Körper aus elektrisch gut leitendem Material und der Körper aus ferromagnetischem Material, insbesondere bei Verwendung von Kupfer bzw. Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, wird vorzugsweise eine Elektronenstrahlschweißung verwendet. Dadurch werden Verbindungsstellen mit außerordentlich hoher mechanischer Festigkeit und mit hohem elektrischem Leitungsvermögen geschaffen. Schraubverbindungen, Preßsitze, Löten und andere bekannte Verbindungsmethoden können, wenn die Raumfrage keine Rolle spielt und in Abhängigkeit von den gewählten Materialien, verwendet werden.

Das elektrische Isolationsmaterial, welches an den Oberflächen bei 32 dargestellt ist, kann beispielsweise eine Aluminiumoxid-Beschichtung mit einer Dicke von etwa 0,45 mm sein und es können auch andere geeignete Isolationsmaterialien verwendet werden. Aluminiumoxid hat sich als besonders dauerhaft und wirksam erwiesen, und zwar insbesondere in dem Fall der

Verwendung von Natrium-Kalium als leitendes flüssiges Metall in den Spalten zwischen den feststehenden und rotierenden Kontaktoberflächen. Das Aluminiumoxid wird vorteilhafterweise mittels Autogensprühen aufgetragen und die Beschichtung wird danach mit einem Diamantrad geschliffen. Die axiale Endoberfläche des Rotors 16, welche die Ringscheibe 22 enthält, ist elektrisch isoliert und der übrige Teil des Spaltes zwischen dem Rotor und dem Stator ist, mit Ausnahme der Flüssigkeitsringkontaktbereiche, durch Aufbringen einer Isolation auf die entsprechenden Statorteile elektrisch isoliert. Der Rotor 16 sollte gegenüber der Welle 18, wie dargestellt, isoliert sein, um mögliche Ströme in der Welle zu verhindern. Diese Isolation ermöglicht einen Betrieb mit einem vollständig gefüllten Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator, wobei diese vollständige Füllung unabsichtlich auftreten kann oder während des Betriebes der Normalfall ist. Es hat sich als außerordentlich erwünscht erwiesen, den Rotor selbst längs seiner axialen Endoberfläche, die die größten radialen Abmessungen hat, zu isolieren, weil aufgrund der elektromagnetischen Verhältnisse irgendeine leitende Flüssigkeit in dem entsprechenden, sich radial erstreckenden Spalt nicht umläuft und dadurch sonst einen Kurzschluß erzeugt. Es hat sich gezeigt, daß ähnliche Verhältnisse in dem zentralen Spalt an der anderen Seite der Ringscheibe 22 nicht auftreten, da hier die leitende Flüssigkeit, falls vorhanden, mit dem Rotor umläuft.

Die allgemeine Betriebsweise der beschriebenen Unipolarmaschine ist bekannt und kann der Erläuterung der Faraday-Scheibe in zahlreichen Fachbüchern über Gleichstrommaschinen entnommen werden. Die beschriebene Maschine kann sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten. Der aktive Teil des Rotors, d. h. der Teil, in dem die elektrische Energie umgewandelt oder erzeugt wird, ist die Ringscheibe 22. Der elektromagnetische Fluß, d. h. das Magnetfeld, wird zwischen Polschuhen 34 und 36 erzeugt. Das Feld erstreckt sich axial durch die ferromagnetischen Ringscheiben 12 und 22 und durch die Spalte an den beiden axialen Enden der Ringscheibe 22. Das Nutzfeld ist dasjenige, welches zwischen den beiden Flüssigkeitsringkontakten hindurchgeht. Die Bezeichnungen N und S an den Polschuhen 34 und 36 dienen lediglich dazu, diese als zusammenwirkende Magnetpole zu kennzeichnen. Die Polarität könnte auch umgekehrt werden. Die Ringscheiben 12 und 22 weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wie auch die anderen Hauptbauteile, wobei die axialen Abmessungen und die radialen Abmessungen im wesentlichen gleich sind. Das Verhältnis des Innendurchmessers der Ringscheibe 22 (Außendurchmesser des Rotors) zum Außendurchmesser der Ringscheibe 22 sollte für optimale Leistungen im Bereich zwischen 0,5 und 0,7 liegen. Am unteren Ende des Bereiches wird die Spannung erhöht. Unterhalb des Verhältnisses von 0,5 fällt aber die Dauerstrombelastbarkeit auf einen Punkt ab, an welchem der Wirkungsgrad wesentlich herabgesetzt wird. Höhere Verhältnisse ergeben eine höhere Stromaufnahmefähigkeit und die Dauerstrombelastbarkeit steigt in dieser Richtung schneller an als die Spannung abfällt. Demzufolge ist die Nennleistung der Maschine bei höheren Verhältnissen größer. Oberhalb eines Verhältnisses von 0,7 erzeugt jedoch die Spannungsverminderung einen merklichen Abfall des Wirkungsgrades.

Unter dem hier benutzten Ausdruck »elektrisch gut leitendes Material« ist die Verwendung eines nichtma-

gnetischen Materials zu verstehen, welches eine Leitfähigkeit in der Größenordnung von Kupfer hat. Ein bevorzugtes Material ist eine Chrom-Kupfer-Legierung mit einem Chromgehalt von 1/2% bis 1%. Das bevorzugt verwendete ferromagnetische Material ist ein vakuumentgaster Kohlenstoffstahl, und zwar insbesondere der Stahl nach AlSI-Standard 1020, der einen Kohlenstoffgehalt von 0,2 % aufweist.

Beispielsweise erzeugt eine Maschine, die in der beschriebenen Weise und in dem Zeichnungsmaßstab aufgebaut ist, bei der die Ringscheibe 22 eine Dicke von etwa 22 mm hat, als Generator eine Ausgangsspannung von 6 V bei einem Strom von 60 000 A auf kontinuierlicher Basis, wenn die Drehzahl 12 000 U/min beträgt Es wird also eine 360 kW-Maschine mit einem außerordentlichen kompakten Aufbau geschaffen. Erhöht man die Dicke der Ringscheibe 22 auf etwa 38 mm, so erhöht sich die Strombelastbarkeit auf 150 000 A. Der Begrenzungsfaktor ist die Dicke der Ringscheibe 22, die in geeigneter Weise auf der Trommel 16 als integraler Teil derselben befestigt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Unipolarmaschine mit einem trommeiförmigen Rotor und einem Stator, mit Ringkontakten aus flüssigem Metall, die zwischen dem Stator zugeordneten feststehenden und dem Rotor zugeordneten beweglichen Kontaktoberflächen angeordnet sind, und mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der trommeiförmige Rotor (16) aus elektrisch gut leitendem Material mit einer auf der einen Seite angeformten ersten Kontaktoberfläche (20) versehen und auf der anderen Seite mit einer Ringscheibe (22) aus ferromagnetischem Material fest verbunden ist, deren Außenfläche als zweite Kontaktoberfläche (26) einen Ring (24) aus elektrisch gut leitendem Material trägt, und der Stator zwei je etwa der halben Länge des Rotors entsprechende, voneinander isolierte Ringscheiben (28,10) aus elektrisch gut leitendem Material für den Stromanschluß aufweist, von denen die eine (28) mit ihrer Innenseite als feststehende Kontaktoberfläche (30) einer beweglichen Kontaktoberfläche (26) radial gegenüberliegt, während die andere (10) an der Innenseite mit einer Ringscheibe (12) aus ferromagnetischem Material fest verbunden ist, die die feststehende Kontaktoberfläche (14) enthält, die der ersten rotierenden Kontaktoberfläche (20) radial gegenüberliegt, wobei die Ringscheiben (12, 22) aus ferromagnetischem Material zwischen den Magnetpolen im Bereich eines axialen Erregerfeldes liegen.

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von allen Bestandteilen des Rotors (16) gebildete gemeinsame Seitenfläche wie auch die übrigen feststehenden Innenflächen mit Ausnahme der Kontaktoberflächenbereiche eine elektrisch isolierende Beschichtung (32) aufweist.

3. Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Aluminiumoxid ist.

4. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des trommeiförmigen Rotors (16) im Bereich zwischen dem 0,5- und 0,7fachen des Außendurchmessers der mit ihm verbundenen Ringscheibe (22) liegt.

5. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gut leitende Material eine Chrom-Kupfer-Legierung ist und daß das ferromagnetische Material ein Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt ist.

6. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16) mit der Welle (18) fest verbunden aber von dieser elektrisch isoliert ist.