DE1820393U - Magnetogasdynamischer wanderfeldgenerator. - Google Patents

Description

• Magnetogasdynamisoher Wanderfeldgenerator

  Unter der Bezeichnung"magnetogasdynamischer Generator"wird

  bekanntlich eine Anordnung zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie verstanden, die einen von ionisiertem Gas durchströmten Kanal mit vorzugsweise quadratischem Querschnitt umfasst, wobei durch das eine Paar der einander gegenüberliegenden Seitenwände hindurch und senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ein magnetisches Gleichfeld angelegt ist und die beiden anderen Seitenwände mit Elektroden zur Abnahme der erzeugten elektrischen Leistung belegt sind.
• Anstelle des magnetischen Gleichfeldea kann auch ein Wechsel-oder Drehfeld verwendet werden, so dass der Generator bei entsprechender Wahl der Poi-und Elektrodenzahl unmittelbar Drehstrom abgibt. Nachteilig sind bei diesen Anordnungen insbesondere die zur Stromentnahme erforderlichen Elektrodenplatten.
• Die auftretenden Schwierigkeiten sind im Emissionsvermögen der Blektrodenplatten, in Grenzschichteffekten und Austrittsverlusten beim Uebergang der Ladungsträger, sowie im Elektrodenabbrand begründet. Allenfalls können Graphitelektroden vorgesehen werden, die automatisch nachgeschoben werden müssen, was komplizierte und kostspielige mechanische Einrichtungen erfordert. Ueberdies müssen dio-Kontaktübergänge für Ströme in der Grössenordnung von 100 bis 500 kA ausgelegt werden Weiterhin ist bekannt, die in elektrische Energie konvertierte Warme durch Induktion zu entnehmen, wodurch die Elektroden vermieden werden können, Zu diesem Zweck hat man auch das als Energieträger dienende Medium periodisch hin und her strömen lassen, was zwangsweise umfangreiche Steuereinrichtungen erfordert. Ueberdies treten, da man vorzugsweise mit hohen Gasdrücken und Gasgeschwindigkeiten arbeitet, unkontrollierbar

  grosse Massenwirkungskräfte auf. 0

  Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetogasdynamischen Generator, welcher mit konstant strömendem Medium arbeitet und unmittelbar Mehrphasen-Wechselstrom abgibt. Der Generator, der einen von ionisiertem Gas durchströmten Kanal und Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Magnetfeldes umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal im wesentlichen einen ringförmigen Querschnitt aufweist und dass zwischen Innen-und Aussenwand des Kanals ein vorwiegend radiales Magnetfeld verläuft, welches durch an eine mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossene Wicklung mit Achsen in Strömungsrichtung erzeugt wird.
• Der Aufbau des Generators ist in schematischer Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Hierin ist mit 1 der Gaskanal bezeichnet, der vorzugsweise einen ringförmigen Querschnitt aufweist In seinem Innern ist ein lamellierter Eisenkern 2 angebracht, der an seinen Enden auf den Speichen 3 abgestützt ist. Ausserhalb des Kanals 1 ist eine Mehrphasenwicklung in Form ringförmiger Spulen 4,5 und 6 angeordnet, deren Achsen parallel zur Stromungsrichtung liegen. Je drei Wicklungen 4, 5 und 6 bilden eine Polteilung. Die beschriebene Anordnung ist zur Verminderung der magnetischen Streuung mit einem lamellierten Eisenmantel 7 umgeben.
• Die generatorische Wirkung beruht auf dem Prinzip des übersynchron angetriebenen Induktionsmotors. Zu diesem Zweck sind die Erregerspulen derart mit einer sechsphasigen Wechselstromquelle verbunden, dass in der Strömungsrichtung des Gases ein magnetisches Wanderfeld auftritt. Dabei beträgt der Phasenunterschied der Erregerströme in je zwei benachbarten Spulen je-

  0

  weils 600. Kanalseite und Wicklungshohe sind im Vergleich zur

  Polteilung # so gewählt, dass zwischen Kern und Mantel sich im wesentlichen ein radiales Magnetfeld ausbildet. In Fig. 1 ist der Feldverlauf, bezogen auf einen bestimmten Zeitmoment, längs zweier Polteilungen gestrichelt eingezeichnete Zwischen den Erregerspulen liegen jeweils diskrete Zonen exakt radialen Feldes. Ihre Anzahl längs des Generators ist gleich der Zahl der gewählten Polteilungen.

  Die Geschwj. ndigkeit Vo des Wanderfeldes ist durch das doppelte

  0 0

  Produkt der Erregerfrequenz f und der Polteilung# p eindeutig bestimmte

  Im Vergleich zu v. ist die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases

  .

  als Folge des äusseren Antriebes so hoch gewählt, dass

  vv ist, der Betriebszustand also Ubersynchron ist. Dadurch

  wird das magnetische Wanderfeld vom Gasstrom in jeder Querschnittsebene längs des Generators mit der mittleren Relativgeschwindigkeit v - vo überholt, und in den diskreten Zonen des radialen Feldes mit der Ueberholungs-oder Schlupffrequenz elektrische Feldlinien induziert, die um den Kern 2 geschlossene Kreise bilden und längs des Generators abwechselnd polarisiert sind. Das Linienintegral der jeweils induzierten Feldstärke bildet die Primärspannung des Generators « Diese Spannung hat im Gaskanal einen Strom zur Folge, welcher den Kern 2 ebenfalls kreisförmig umschließt.
• Zwischen Kern und Mantel entsteht dadurch ein sekundäres. Magnetfeld, das im Prinzip den gleichen Verlauf wie das primäre aufweist, jedoch zu diesem örtlich um 90 elektrische Grade versetzt ist. Das Sekundärfeld induziert schliesslich in jeder Erregerspule eine Spannung, die mit der ursprünglichen in Phase ist und dem Erregerstrom um 90° voreilt. Der Generator gibt damit unmittelbar über die Erregerspulen an das angeschlossene Netz Wirkleistung ab, während die zur Magnetisierung erforderliche Blindleistung vom Netz bezogen wird.
• Die vom Generator an das Netz gelieferte Energie wird dem Gasstrom in diskreten onen des radialen Erregerfeldes entzogen.
• Der Umwandlungsprozess verläuft längs des Kanales umso gleichmassigen, je mehr solche Zonen bzw. Polteilungen vorhanden sind, wobei 4 bis 6 Polteilungen das Minimum darstellen. Dadurch ergibt sich auch eine gleichmässigere Verteilung der Energie auf die einzelnen Phasen. Ferner werden die im Gasstrom beim Eintritt in den Kanal infolge des pulsierenden Magnetfeldes entstehenden longitudinalen Druckwellen erheblich vermindert.
• Damit zwischen Kern und Mantel ein möglichst ausgeprägtes Radialfeld entsteht, sollten Kanalweite und Wicklungshöhe klein sein im Vergleich zur jeweiligen Polteilung. Um die Abkühlung des Gasstromes durch die Wände klein zu halten, wäre jedoch eine grosse Känalweite sehr erwünscht. Wie die Theorie zeigt, kann der Kanalring breiter, etwa in der Grössenordnung einer Polteilung gemacht werden, wenn die Erregerwicklung etwa je zur Hälfte zwischen Kanal und Mantel und zwischen Kern und Kanal angeordnet wird. Die Wicklungen selbst bilden längs des Kanales einen zusammenhängenden Belag, wobei zwischen den Spulen keine magnetisch leitenden Zwischenstege angebracht sind. Zur Erzielung einer

  oberwellenfreien Generatorspannung ist eine möglichst sinus-

  förmige Feldkurve des magnetischen Wanderfeldes erforderlich.
• Bei der in Fig. 1 dargestellten Spulenanordnung ist die Feldkurve angenähert trapezförmig. Der anzustrebende Verlauf kann aber erreicht werden, wenn man die Windungsbelegung jeder Spule über der ihr zugeordneten Polteilung zumindest angenähert sinusförmig verteilt. Die einzelnen Thasenspulen überlappen sich dann gegenseitig, waa aber auf das sich ausbildende Feld keinen Einfluß hat Längs der aktiven Kanallänge sind selbstverständlich die Wände allseitig mit Isolierplatten zu belegen, die zusammen mit den Einzelteilen gekühlt werden müssen, so dass nirgends der Curiepunkt überschritten wird. Schliesslich müssen die im Kanal befindliohen Teile, d. h. der Kern 2 an seinen beiden Enden und die Speichen 3 durchwegs auf minimale Strömungsverluste ausgelegte Profilformen aufweisen.
• Während im aktiven Raum des Generators eine-eingeprägte Spannung vorhanden ist, fehlt diese im Raume vor der. Eintritts- und nach der Austrittsebene des Gaskanals. In den Uebergangszonen treten deshalb Ausgleiohsstrome und damit zusätzliche Verluste auf. Diese können, wie die Rechnung zeigt, ganz beträchtliche Werte annehmen, so dass besondere Massnahmen zu ihrer Verminderung getroffen werden müssen. die-wirksamte Gegenmassnahme besteht darin, dass man an diesen Stellen in bekannter Weise radiale Isolierplatten anbringt", wobei ihr gegenseitiger Abstand und ihre aohsiale-Länge etwa

  gleich der jeweiligen Kanalweite sein soll. Man kann aber auch

  an den betreffenden Stellen das Magnetfeld und damit die Ausglei. chsströme durch spezielle Formgebung der Endpartien des Magnetsystems oder durch Abstufen der Windungszahl der Baregerspulen gegen die Generatorenden hin im Sinne der Verminderung dieser Verluste beeinflussen. Man kann auch die Randverluste mit Hilfe von in den Uebergangszonen angebrachten Kompensationsspulen, die aus Einzelspulen oder verschiedenphasig erregten Spulengruppen bestehen können, auf ein erträgliches Mass zu reduzieren. Eine besondere Schwierigkeit liegt hier in der exakten Erfassung der Endstruktur des-magnotischen Wanderfeldes und der Wirkung der von der induzierten Spannung herrührenden Ausgleichsströme. Dabei muss das gesamte Erregerfeld dynamisch stets im Gleichgewicht sein, es darf sich dem Wander-

  feld nach glichkeit kein stationäres vechselfeld überlagern

  Sohliesslich kann man auch die zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Gases vorgesehene Injektion fremder Ladungsträger erst nach dem Gaseintritt in das Magnetfeld vornehmen, und auf der Austrittsseite das Gas schon vor dem Verlassen des Feldes soweit kühlen, dass in der Ein- und Austrittsebene die Leitfähigkeit genügend klein bleibt und damit grössere Ausgleichsströme vermieden werden.
• Die anzustrebende Gleichmässigkeit der Energieverteilung auf die einzelnen Spulen erfordert weiterhin, dass die Sträömungsgeschwindigkeit des Gases längs des Kanals wenigstens angenähert konstant bleibt. Damit dies möglichst der Fall ist, kann der Kanalquerschnitt gegen die Austrittsöffnung hin trichterförmig erweitert werden. Ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Der im ringförmigen-Kanal liegende Kern 2 hat hier die Form eines Hohlkegels. Mit 8 ist die Brennkammer bezeichnet. Es können aber auch mehrere Brennkammerzellen oder eine Toroidkammer vorgesehen sein.
• Die erzeugung des rregerfeldes erfordert selbstverständlich einen gewissen Aufwand an induktiver Blindleistung. Man könnte diese Komponente in bekannter Weise kompensieren, indem man zu den Erregerspulen Kondensatoren parallel oder in Serieschaltet. Bei der Parallelschaltung tritt allerdings in Verbindung mit der Streureaktanz der Wicklungen zugleich eine Impedanztransformation auf, die-an anderen Stellen wieder ausgeglichen werden muss. Demgegenüber hat die Serieschaltung den Vorteil, dass die Streuraaktanz im Idealfall exakt herausgestimmt wird, so dass der jeweilige Lastwiderstand unmittelbar an den Generatorklemmen, d. h. parallel zur Nutzreaktanz auftritt. Falls man dabei die jedem Phasenstrang zugeordneten Spulen in Serie schalten sollte, ist darauf zu achten, dass zwischen je zwei Spulen ein Kondensator liegt, ansonst unzulässig hohe Resonanzspannungen auftreten können.

Claims (5)

1. Schutzansprüche Magnetogasdynamisoher Generator, der einen von ionisiertem Gas durchströmten Kanal und Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsriohtung verlaufenden Magnetfeldes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal im wesentlichen einen ringförmigen Querschnitt aufweist und dass zwischen Innen-und Aussenwand des Kanals ein vorwiegend radiales Magnetfeld verläuft, welches durch an eine mehrphasige Weohselstromquelle angeschlossen Wicklungen mit Achsen in Strömungsrichtung erzeugt wird.
2. 2) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Wicklungen ein Vielfaches der Anzahl der Phasen der Weohselstromquelle ist, wobei die Wicklungen in Reihenfolge der Phasen angeordnet sind.
3. 3) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsbelegung jeder Wickung über der ihr zugeordneten Polteilung mindestens angenähert sinusförmig verteilt ist.
4. 4) Generator nach Ans ruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen zur Hölfte zwischen Kanal und Mäntel und zur Hälfte zwischen Kern und Kanal angeordnet sind.
5. 5) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal die Form eines sich in Stromungsrichtung erweiternden Hohlkegels hat.