DE1961196A1

DE1961196A1 - Unipolarmaschine

Info

Publication number: DE1961196A1
Application number: DE19691961196
Authority: DE
Inventors: Francois Berteaux; Pierre Burnier
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1968-12-06
Filing date: 1969-12-05
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1290008A; CH506908A; US3585422A; FR1604019A; BE742696A

Description

"Unipolarmas chine ^M

Französische Priorität vom 6. Dezember I968 aus der französischen Patentanmeldung Mr. 177 118 (Seine)

Die Erfindung betrifft eine Unipolarmaschine.

Das" Prinzip dieser Art von elektrischen Maschinen ist bereits seit Faraday bekannt. Bei ihrer Verwirklichung ergeben sich jedoch einige Probleme. Da die Unipolarmaschine sehr hohe Ströme bei sehr niedriger Spannung liefert oder verbraucht, liegt die wesentliche Schwierigkeit in den elektrischen Kontakten zwischen den festen und den beweglichen Teilen. 1

Kohlebürsten besitzen den Nachteil, daß über dem Kontakt ein großer Spannungsabfall auftritt und daß daher nur geringe Stromdichten möglich sind: Beispielsweise sind bei einer ! Umfangsgeschwindigkeit von 25 ω/s und einem Kontaktdruck von j

2 2 ^:

175 g/cm etwa 10 A/cm zulässig. I

Bei flüssigen Kontakten treten nun zwar diese beiden Nachteile nicht auf, denn es lassen sich Strontdichten von 200 A/cm ;

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bei Spannungsabfällen Über den Kontakten in der Größenordnung von einem Zwanzigstel mV erreichen, wenn man beispielsweise Quecksilber-Indlum-Amalgam verwendet. Der Verwendung solcher flüssigen Kontakte stellen sich aber einige Hindernisse entgegen, da unter anderem die Probleme der Abdichtung, der Oxydation und der Stabilität des Amalgams gelöst werden müssen. Beispielsweise wandelt sich das Quecksilber-Indium-Amalgam unter bestimmten Bedingungen in ein pulverförmiges Material um. Dartiberhinaus "benetzt" das Quecksilber nur die Werkstoffe gut, die es angreift.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine als Motor oder als Generator verwendbare Unipolarmaschine zu schaffen, die so aufgebaut ist, daß die Vorteile flüssiger Kontakte genützt werden können, ohne daß deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Diese Aufgabe ist bei der Unipolarmaschine erfindungsgemäß durch folgenden Aufbau gelöst:

Durch einen feststehenden Behälter mit flüssigkeitsdichten, zumindest teilweise elektrisch isolierten Wänden, eine elektrisch leitende, im Inneren des Behälters umströmende Flüssigkeit, eine Einrichtung zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, dessen Kraftlinien die leitende Flüssigkeit schneiden, feste elektrische Kontakte, die in den Wänden des festen Behälters vorgesehen sind und die Flüssigkeit elektrisch mit der Umgebung verbinden, und so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit den Anker der Maschine bildet, sowie bewegliche mechanische Teile, die in die Flüssigkeit eintauchen und von letzterer bewegt werden oder diese in Bewegung versetzen, je nachdem, ob die Unipolarmaschine als Motor oder als Generator arbeitet.

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Durch diesen Aufbau gelingt es in vorteilhafter Weise, dem Anker sehr hohe Ströme bei geringen Spannungsverlusten entweder zuzuführen oder zu entnehmen.

Die beweglichen mechanischen Teile werden vorzugsweise von einem mit Schaufeln versehenen Rotor gebildet» Wird folglich die Unipolarmaschine als Motor betrieben, dann treibt die leitende Flüssigkeit eine Turbine, von deren Welle die mechanische Leistung abgenommen werden kann. Arbeitet die Maschine als Generator, dann tritt an die Stelle der Turbine eine Pumpe, welche die leitende Flüssigkeit in dem feststehenden Behälter in Bewegung versetzt.

Der Behälter kann dabei entweder die Form eines Zylinders oder die Form eines Hohlringes haben.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Unipolarmaschine schematisch anhand mehrerer beispielsweise gewählter Ausführungsformen veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine Unipolarmaschine mit einem zylindrischen Behälter;

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Unipolarmaschine nach Fig. 15

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. k eine Unipolarmaschine mit einem Behälter in Gestalt eines Hohlringes:

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linien 5-5 in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine Unipolarmaschine, bei der als Rotor eine leitende Flüssigkeit 1, beispielsweise Quecksilber oder eine Quecksilber-Indium-Legierung dient,

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die sich im Inneren eines feststehenden zylindrischen Behälters

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2 befindet, dessen beiden scheibenförmige Seitenwände aus einem Isoliermaterial bestehen und in der Mitte ein zylindrisches Loch zur Aufnahme eines festen-metallischen Kontaktes 3 haben«. Dieser metallische Kontakt 3_S der dieselbe Funktion hat,, wie die Bürsten üblicher elektrischer Maschinen, 1st so eingesetzt, daß er dicht mit den Seitenwänden des Behälters 2 abschließt., Er schafft die Verbindung zu einer nicht dargestellten äußeren Stromversorgung.

Ein weiterer fester metallischer Kontakt 4, der ebenfalls die Funktion einer Bürste hat, ist ringförmig ausgebildet und dient der Herstellung der zweiten elektrischen Verbindung für den Rotor 1» Er verbindet die beiden scheibenför- -'■'■-■ migen isolierenden Seitenwände längs ihres Umfanges und vervollständigt so den zylindrischen Behälter 2. Die mit den takten 3 und H verschweißten elektrischen Leiter sind nicht dargestellt.

Eine supraleitende elektrische Wicklung 5 ist/ in ein mittelbad 6, beispielsweise flüssiges Helium₅ eingetaucht-J * das sich in eitlem ringförmigen Kühlbehälter 7 befindet, der den Kontakt 4 ringförmig umgibt und zur Erzeugung eines feldes H dient, das den Behälter 2 axial durchsetzt. Den takt 4 1st mit einer öffnung 8 versehen, die über ein Rohr 9 die leitende Flüssigkeit 1 einer Turbine 10 zuzuführen gestattet. Ein anderes Pohr 11 dient dem Rückfluß der Flüssigkeit 1 in den Behälter 2 über eine öffnung 12, die in einer Seitenfläche des Behälters 2 knapp oberhalb des Kontaktes 3 vorgesehen ist.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Unter dem Einfluß der elektromotorischen Kraft, die. von .dem axialen Magnetfeld H

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und dem zwischen den Kontakten 3 und k radial durch die Flüssigkeit hindurchfließenden elektrischen Strom erzeugt wird, verhält sich die Flüssigkeit wie ein Anker und dreht sich mit großer Geschwindigkeit im Inneren des Behälters 2. Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft wird die Flüssigkeit über das Rohr 9 in Richtung auf die Turbine 10 gedrückt und strömt anschließend über das Rohr 11 in den Behälter zurück. Von der Welle der Turbine 10 kann folglich eine elektromotorische Kraft abgenommen werden,

Diese Anordnung ermöglicht es, die Vorteile flüssiger Kon- , takte zu nützen, wobei die Probleme der Abdichtung nicht auf-' treten, da sowohl die als Bürsten wirkenden Kontakte als auch die isolierenden Wände, mit denen sie verbunden sind, feststehen. Besonders vorteilhaft ist schließlich bei dieser Ausführung noch, daß die supraleitende Wicklung die Erzeugung eines starken Magnetfeldes gestattet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 treibt die leitende Flüssigkeit 1 auf einer Welle I¹I befestigte Schaufeln 13 an, die sich im Inneren des Behälters 2 befinden. Die Achse des zylindrischen Behälters 2 fällt dabei mit der Welle 1** zusammen. Feste metallische Kontakte 15 sind sektorenförmlg als Kranz auf jeder Seite des Behälters 2 angeordnet. Die Kontakte 15 gehen durch die isolierenden Wände des Behälters 2 hindurch, Diese isolierenden Wände sind in ihrer Mitte mit einer Dichtung versehen, die die Welle 14 umgibt. Das Problem der Abdichtung läßt sich dabei sehr einfach und in bekannter Weise lösen, da infolge der Zentrifugalkraft der Druck an dieser Stelle niedrig ist.

Die Schaufeln 13 können entweder aus einem elektrisch gut leitenden Material oder aus Isoliermaterial bestehen. Im letzteren Fall können ihre Oberflächen mit Drähten aus gut leiten-

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dem Material versehen werden. Dies veranschaulicht Fig. 3» in der eine Schaufel mit Drähten 16 ausgestattet ist. Sie tauchen in die leitende Flüssigkeit/ein und dienen der Verminderung des Drehwiderstandes ohne wesentliche Erhöhung der Wirbelstromverluste. Außerdem^fe Suren diese Drähte gebildete Abschottung die Wirbelbildung im Inneren der leitenden Flüssigkeit. Die Arbeitsweise ist dieselbe, wie vorstehend bereits beschrieben, jedoch mit dem Unterschied, daß sich die durch die Schaufeln 13 gebildete Turbine im Inneren des Behälters selbst befindet. Die Anordnung kann ebensogut als Motor wie ^ als Generator dienen. Im letzteren Fall werden die Schaufeln in irgendeiner geeigneten Weise angetrieben. Bei Erregung durch die supraleitende Wicklung 5 läßt sich der Strom zwischen den Kontakten k und 15 abnehmen.

Die Kühlung des Rotors kann über einen äußeren Kreislauf der leitenden Flüssigkeit unter Ausnützung der Zentrifugalkraft geschehen.

Mehrere solcher Rotoren können auf ein und derselben Welle nebeneinander angeordnet werden. Man kann außerdem durch Aufteilung der festen Kontakte in mehrere Sektoren und durch . eine Hintereinanderschaltung ergebende Verbindung der verschiedenen Sektoren die von der Unipolarmaschine abgegebene Spannung erhöhen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. ¹I ist die leitende Flüssigkeit 1 in einem Hohlring 17 mit Rechteckquerschnitt, der aus Isoliermaterial besteht, enthalten. Der Behälter weist eine Aufweitung oder Ausbauchung auf, in der die Turbine 10 angeordnet ist. Die elektrischen Wicklungen 18, die beispielsweise supraleitend sein können, sind über den Umfang des Behälters 17 verteilt und erzeugen ein radiales Magnetfeld H.

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Sie sind elektrisch derart' in Serie geschaltet., daß das radiale Magnetfeld H abwechselnd von einer Wicklung zur nächsten einmal radial nach innen, das andere Hai radial nach außen gerichtet ist. Die Kontakte 19, die die elektrische Verbindung zur leitenden Flüssigkeit 1 herstellen, besitzen die Form von Kreisringsektoren und sind in Höhe "Jeder Wicklung 18 in die Seitenflächen des Hohlringes 17 eingelassen.

Dabei ist das isolierende Material des den Behälter bildenden Hohlringes 17 unter den rontakten entfernt, so daß zwischen diesen und der "leitenden Flüssigkeit ein S troniüb ergang stattfinden kann» Zu Jeder Wicklung gehören zwei Kontakte, ein Eingangs- und ein Ausgangskentakt, die sich gegenüberliegen und deren Verbindungslinie rechtwinklig sur Richtung des Magnetfelder; verlSuft, wie dies Fig. 5 zeigt. Diese Kontakte sind über nicht dargestellte Verbindungen mit den entsprechenden der anderen Wicklungen I^ derart in Serie geschaltet, daß der Strom abwechselnd von Wicklung zu Wicklung einmal in der einen , das andere Mal in dtr entgegengesetzten Richtung fließt. Zusammen mit dem in aufeinanderfolgenden Wicklungen ebenfalls in entpereiifresetzter Richtung verlaufenden Magnetfeld wird dadurch erreicht, äaß die Flüssigkeit in einer einzigen Richtung umströmt. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, weil in den zwischen zwei Wicklungen liegenden Hohlrirsgabschnitten sich so die Magnetflüsse aufheben, wie dies aus Firt. 4 hervorgeht, wo die Richtung der verschiedenen Wicklungen 18 zugehörigen Kraftlinien 2( Mt Pfeilen bezeichnet ist. !lan erreicht dadurch, daß die Wirbelstromverluste ir.ininal bleiben.

Auch bei dieser Ausführirngsforra ist die Funktion der Maschine umkehrt ar: ^irs cenügt hierzu, die Turbine 10 durch eine Pumpe zu ersetzen, dit- die leitende ^lunsiprkeit uir>pumpt und den er-

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zeugten elektrischen Strom von den Kontaktklemmen abzunehmen₃ statt diese von einer äußeren Stromquelle aus zu versorgen.

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Claims

· ..=.:rJste.e 5.12.1969

-'" 5860-IV/He.

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES (ALSTHOM). Paris 16, Avenue Kleber 38 (Prankreich)

Patentansprüche;

(1.J Unipolarmaschine, gekennzeichnet durch einen feststehenden Behälter (2) mit flüssigkeitsdichten, zumindest teilweise elektrisch isolierten Wänden,eine elektrisch leitende,im Inneren des Behälters umströmende Flüssigkeit (1), eine Einrichtung (5) zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, dessen Kraflinien die leitende Flüssigkeit schneiden, feste elektrische Kontakte (3,¹O, die in den Wänden des festen Behälters (2) vorgesehen sind und die Flüssigkeit (1) elektrisch mit der Umgebung verbinden, und so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit den Anker der Maschine bildet,sowie bewegliche mechanische Teile (10), die in die Flüssigkeit eintauchen und von letzterer bewegt werden oder diese in Bewegung versetzen, je nachdem, ob die Unipolarmaschine als Motor oder als Generator arbeitet.
2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ein Kühlmittel (6) eingetauchte elektrische Wicklung (5) das Magnetfeld erzeugt.
3. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Schaufeln versehener Rotor die beweglichen mechanischen Teile (10) bildet.

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4. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Behälter (2) ein geschlossener Zylinder mit zwei isolierenden scheibenförmigen Wänden und einer leitenden zylindrischen V7and ist, und daß die elektrischen Kontakte aus der zylindrischen Wand einerseits und . aus wenigstens einem, in der Nähe des Zylindermittelpunktes angeordneten leitenden Teils (15) andererseits bestehen und das Magnetfeld von einer konzentrisch außen um den Zylinder herum angeordneten Ringwicklung (5) erzeugt wird (Pig. 2).
5. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Schaufeln (f5) versehene Rotor außerhalb des Behälters (2) In einem Gehäuse angeordnet ist, das mit dem Behälter über wenigstens zwei Rohre (9, 11) verbunden ist, von denen das eine am Mittelpunkt, das andere am Umfang des Zylinders mündet.
6. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Schaufeln (13) versehene Rotor im Inneren des Behälters (2) auf einer Welle (I¹O, die diesen längs seiner Achse durchquert, befestigt ist (Fig. 2, Flg. 3). ■
7. Unipolarmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln des Rotors aus Isoliermaterial bestehen und auf ihnen radial verlaufende Drähte (16) aus elektrisch gut leitendem Material angebracht sind (Fig. 3).
8. Unipolarmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Behälter (2) die Form eines Hohlringes (A) hat und aus Isoliermaterial besteht und der Hohlring an einer Stelle eine Erweiterung oder Ausbauchung hat, in der der mit Schaufeln versehene Rotor (10) angebracht 1st und

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und daß die Wieklungerr{l8) über den anderen. Teil des Hohl ringes derart verteilt sind, daß sie ein radiales Magnetfeld erzeuren und im Bereich jeder Wicklung (18) elektrische Kontakte (19) vorgesehen sind, die von zwei sich senkrecht i-ur Richtung des Magnetfeldes gegenüberliegenden LeIt erabschnitten gebildet werden (Pip. ¹O.

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