DE2026658A1 - Dynamoelektrische Unipolarmaschine - Google Patents

Description

Patentanwälte ΟΠΟ CC Cö

Dr.-lncf. Wilhelm Reichel /026658

Dipl-Ing. Wol'gang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1 6318

Parkstraße 13

International Research & Development Company Limited, Newcastle upon Tyne 6, England

Dynamoelektrische Unipolarmaschine

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Unipolarmaschine und bezieht siäh insbesondere auf eine Uni polarmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung.

Eine supraleitende Scheibenläufer-Unipolarmaschine ist in der britischen Patentschrift 1 133 724 beschrieben, bei der der Scheibenläufer in einem Magnetfeld umläuft, das von einer supraleitenden Wicklung erzeugt wird, die in einem Kryostat angeordnet ist, der den Läufer um gibt, ihn jedoch nicht einschließt. Bei einer Ausfüh rungsform ist der Läufer als massive Scheibe ausgebildet, während bei einer anderen Ausführungsform der Läufer aus einer Anzahl von radialen Leitern besteht, die auf einer Halterungsscheibe angeordnet sind. Am Umfang des Läufers und in der Nähe der Drehachse sind Strom Übertragungseinrichtungen angeordnet, die die Verbindung zwischen dem Läufer und einem äußeren Stromkreis her stellen. Bei einem bevorzugten AusführungsbeBpiel werden Schleifringe am Umfang der Scheibe vorgesehen, sowie an einem inneren Radius,die mit Bürsten zusammenarbeiten? welche die Schleifringe berühren.

Bei Maschinen dieser Art , bei denen die Betriebsströme sehr hoch sind, muß die Kontaktfläche zwischen dem Schleifring und den Bürsten groß sein* Diese Bedingung

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soll zugleich erfüllt werden alt einer v/eiteren Bedingung, daß nämlich der Radius des inneren Schleifringes so klein wie möglich sein soll, um das Magnetfeld günstig auszunützen, das von den Leitern des Läufers geschnitten wird. Dies führt zur Ausbildung eines inneren Schleifringes von beträchtlicher axialer Länge, Da die Schleifringoberfläche von den magnetischen Feldlinien geschnitten wird, können Verluste infolge von zirkulierenden Strömen an den Stromübertragungsflächen auftreten und es ist schwierig und teuer, der ausgedehnten Schleifringoberfläche ein Profil zu geben, um die Verluste in der Weise zu vermindern, wie es in der Anmeldung P 19 42 986.8 vom 23· August 1969 beschrieben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Die Erfindung geht dabei von einer Unipolarmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung in Form einer ringförmigen Feldspule aus, deren Läufer koaxial in der Feldspule montiert ist und die Einrichtungen zur Übertragung .des Stromes von dem Leiter oder mehreren Leitern des Läufers zu einem äußeren Stromkreis aufweist, die eine Lauferleiteranordnung bilden. Gemäß der Erfindung hat die Lauferleiteranordnung ein in radialer Richtung außen liegendes Ende, das axial innerhalb der Feldspule liegt und ein radial nach innen zu liegendes Ende, das von dem äußeren Ende einen axialen Abstand aufweist.

Das äußere. Ende liegt vorzugsweise in einem Kreis, dessen Mittelpunkt mit der Rotorachse zusammenfällt und der in der Hauptebene der Feldspule liegt, während das innere Ende, das einen kleineren Radius aufweist , in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Rotorachse steht, aber von der Häuptebene einen axialen Abstand hat und vorzugsweise in axialer Rieh-

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tung außerhalb der Spule liegt.

Der Leiter des Läufers kann als zusammenhängende kegelstumpfi'örtnige Schale ausgebildet se in, ähnlich wie die Scheibe eines Scheibenläufers. Ed können auch eine Anzahl von Leitern in Form von Segmenten einer kegelstumpfförmigen Schale angeordnet sein, die miteinader verschraubt oder verstiftet sine, jedoch voneinander isoliert sind, so daß ein aegmentartiger Läufer entsteht, der dem Läufer der britischen Patentschrift 1 181 821 ähnlich ist. Die Segmente erstrecken sich vorzugsweise in der Richtung der Erzeugenden der konischen Fläche, d.h. entlang geraden Linien die bei ihrer Verlängerung sich in der Achse am gleichen Punkt schneiden würden. Die kegeistumpfförmige Schale kann sowohl in dem Fallt in dem sie aus einem Stück besteht, als auch bei Segmentierung selbsttragend oder auf einem nichtleitenden Träger montiert sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform können die einzelnen Leiter aus geraden Stäben von rechteckigem oder anders artigem Querschnitt bestehen, die gegebenenfalls sich der Länge nach verjüngen, so daß sie nicht wahre Segmente einer kegelstumpfförmigen Schale sind ♦ Diese Stäbe können jedoch zu einer kegelstumpfförmigen Anordnung zusammengesetzt sein. ·

Der Träger für die Leiter kann aus einer hohlen kegelstumpfförmigen Form bestehen, bei der die Leiter auf der inneren Oberfläche vorgesehen sind, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um die Leiter mit der Stromübertragungseinrichtung auf der Außenseite des Trägers zu verbinden.

Zwei kegelstumpfförmige Leiteranordnungen, die je aus einem zusammenhängenden oder segmentierten Leiter oder einer

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Anordnung von leitenden Stäben bestehen, können auf dem Läufer mit ihren Grundflächen gegeneinanderliegend angeordnet sein, wobei eine einzige Feldwicklung·, die aneinander grenzend en Grundflächen umgibt und das magnetische Feld für die beiden Leiteranordnungen liefert. Zwei derartige kegeistumpfförmige Anordnungen können jede mit ihrer eigenen Feldwicklung auf einem gemeinsamen Läufer angeordnet sein, wobei ihre Enden aneinanderstoßen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine kegeistumpfförmige Leiteranordnung mit ihrer Grundfläche in der Nähe de^s einen Endes einer trommeiförmigen Leiteranordnung angeordnet, die die gleiche Feldspule verwendet, so da3 sich eine kombinierte Trommel-Konus- Maschine ergibt. Eine zweite kegelstumpfförmige Leiteranordnung kann mit ihrer Grundfläche in der Nähe des anderen Endes der Trommelanordnung vorgesehen sein und eine zweite Feldspule kann um das andere Ende herum gelegt sein, so daß sie zusammen mit der ersten Feld spule das Feld für die Trommelanordnung liefert.

. Die Stromübertragungseinrichtung kann feste Kontaktbautei- * Ie enthalten , z.B.Bürsten und Schleifringe oder auch flüssige Kontaktanordnungen, z.B. einen festen Kontakt, der mit einem Quecksilberkontakt zusammenarbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben, die einen Halbschnitt durch eine Unipolarmaschine darstellt, die gemäß der Erfindung ausgeführt ist, wobei der Schnitt ihre Läuferachse schneidet«

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Die in der Zeichnung dargestellte Maschine , die als Generator oder als Motor arbeiten kann, enthält eine supraleitende Feldwicklung 1 von ringförmiger Ge stalt, die koaxial mit der Läuferachse X-X der Maschine angeordnet ist und einen Läufer umgibt, der zwei Wellenstümpfe aufweist und zwei kegelstümpfförmige Leiteranordnungen enthält, die mit ihren"Grundflächen gegeneinanderliegen . In dem Schnitt ist nur die rechte Hälfte der Maschine dargestellt. Die andere Hälfte ist spiegelbildlich zur Ebene Y-Y zu denken. Daher ist nur einer der beiden Wellenstümpfe 2 und nur eine der bei den LauferanOrdnungen 5 dargestellt.

Die festen Ringe der beiden Läuferanordnungen haben Plansche 4 ,so daß sie mit ihren Grundflächen miteinander verbunden werden können , wobei jedoch die

Leiter anordnungen voneinander durch nicht dargestellte Isolationsmittel isoliert sind. Die Verbindungsebene der Ringe fällt mit der Hauptebene Y-Y der Feldspule zusammen.

Der Wellenstumpf 2 ist in einem Lager 5 in einer Abschlußkappe 6 gelagert, die ihrerseits von dem Statoraufbau 7 getragen wird. Der Statoraufbau 7 trägt auch die vakuum dichte Hülle 8 des Kryostaten , welcher die Spule 1 umgibt und trägt das Gewicht der Spule 1, die sich innerhalb des Kryostatengefäßes befindet und mit Hilfe von Streben an der Hülle 8 befestigt ist. Der Statoraufbau überträgt ferner die Drehgegenkräfte der ortsfesten Leiter 9 , die ähnlich wie die Läuferleiteranordnung ausgebildet sind und einen Teil der Leiteranordnung bilden, auf die Maschinenfundamente. Die Leiter 9 tragen Bürstengehäuae 10 und 11 an ihren Enden.

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Die kegelstumpfformige Leiteranordnung 3 trägt abgekröpfte oder abgewinkelte Schleifringe 12 und 13 an den radial innen bezw. außen liegenden Enden. Die Schleifringe 12 oder 13 können zusammenhängend oder segmentiert ausgebildet sein , je nachdem , ob die Läuferleiteranordnung 3 aus einem einzigen zusammen hängenden Strompfad besteht oder eine Anzahl von Segmenten aufweist, die getrennte Läuferleiter bilden. Die Schleifringe haben vorzugsweise konische Ober flächen , wie dies in der Figur dargestellt ist , so daß die Kraftlinien des Magnetfeldes des Stators im allgemeinen parallel zu ihnen liegen, um die zirkulierenden Ströme auf einen möglichst kleinen Wert zu bringen.

Die beschriebene Anordnung gestattet, den äußeren Schleifring 13 so anzuordnen, daß er in einem äußeren Umfangsbereich des Läufers liegt, und zwar dicht neben der Hauptebene Y-Y der supraleitenden Feldwicklung, wobei dieser Umfangsbereich einen Radius hat , der ein wenig kleiner ist, als der Innenradius R der Feldspule und auf diese Weise ist es möglich, das äußere Ende der Leiteranordnung 3 durch denjenigen Teil des Nagnetfeldes zu bewegen, der durch die Spule 1 erzeugt wird, und die höchste Felddichte aufweist. ■

Der innere Schleifring 12 ist in einem inneren Umfangsbereich des Läufers angeordnet, der in einer Ebene liegt, die einen Abstand D von der Ebene Y-Y hat, so daß das äußere Ende der Leiteranordnung 3 in einen Bereich sehr niedriger magnetischer Feldstärke hineinreicht, die insbesondere niedriger ist, als es für einen einfachen Scheibenläufer der Fall sein würde . Der Radius des inneren Schleifringes 12 kann wesentlich größer sein , als der bei einem Scheibenläufer und die Fläche des Berührungskontaktes zwischen

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dem Schleifring 12 und den Bürsten, die mit dem Schleifring in Berührung stehen, kann daher entsprechend kleiner gewählt werden, so daß die Querabmessung der Schleifringoberfläche , die erforderlich ist, vermindert wird, wo -durch wiederum die Verluste infolge zirkulierender Ströme vermindert werden, die an der Berührungsstelle des Schleifringes mit den Bürsten auftreten können.

Der Abstand D wird so gewählt, daß er den günstigsten Wert für die betreffende Maschine hat, und zwar je nach den Lauferatromwerten_/ der Feldstärke des Stators und der gewünschten axialen Länge der Maschine, jedoch liegt ein typischer Wert zwischen R und 1,5 R*

Sie Verbindungeleitungen von der Läuferanordnung 3 und den festen Leitern 9 zu den Anschlüssen der Maschine und die Anschlüsse selbst sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie können jedoch zwischen den Bürstengehäusen 10 und 11 oder zwischen einem Bürstengehäuse und dem Leiter 9 angeschlossen sein.

Der Läuferstromkreis der Hälfte der Maschine, die in der Zeichnung dargestellt ist, kann elektrisch in Reihe mit einem entsprechenden Lauferstroakreis der Hälfte der Maschine verbunden sein, die ii der Zeiohnung nicht dargestellt ist.

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Claims (10)

1. t " 6318

   Patentansprüche

   Iy Dynamoelektrische Unipolarmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung in Form einer ringförmigen Feldspule, mit einem Läufer, der koaxial innerhalb der Feldspule montiert ist und mit Stromübertragungseinrichtungen zwischen einem äußeren Stromkreis und einem oder mehreren Leitern auf dem Läufer, die eine Läuferleiteranordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (9) ein in radialer Richtung aussen liegendes Ende aufweist, das axial innerhalb der
   Feldspule(l)liegt und ein in radialer Richtung innen liegendes Ende, das von dem äußeren Ende einen axialen Abstand hat.
2. 2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung aus
   einer in sich zusammenhängenden kegelstumpfförmigen Schale besteht.
3. 5· Unipolarmaschine nach Anspruch 1, da d u r c h
   gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung
   aus Segmenten einer kegelstumpfförmigen Schale zusammengesetzt ist, die miteinander verbunden, jedoch gegeneinander isoliert sind.
4. 4· Unipolarmaschine nach Ansprüchen 1, 2 oder 3,
   d'a durch gekennzeichnet ,daß
   die Leiteranordnung auf einem nichtleitenden Träger angeordnet ist.

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5. 5. Unipolarmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ,'dadurch gekennzeichnet, daß die Stromübertragungseinrichtung einen äußeren Schleifring (1^) auf dem läufer aufweist, der elektrisch mit dem äußeren Ende der leiteranordnung in Verbindung steht , ferner einen inneren Schleifring (L2 ) auf dem Läufer, der elektrisch, mit dem inneren Ende der Leiteranordnung verbunden ist,und feste Bürsten(10 , 11), die mit den inneren und äußeren Schleifringen zusammen arbeiten. ,
6. 6. Unipolarmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn*ze ichnet \ daß die Schleifringe segmentiert sind und die Leiteranordnung aus einaelnen. Leitern besteht, die je zwischen einem Segment des inneren Schleifringes und einem Segment des äußeren Schleifringes liegen.
7. 7. Unipolarmaschine nach Ansprüchen 5 und 6, d a durch gekennzeichnet, daß die Schleifringe eine kegelstumpfförmige Oberfläche haben, die in Berührung mit den Bürsten steht, wobei die Oberflächen im allgemeinen parallel zu dem magnetischen Feld der Feldspule liegen, um die zirkulierenden Ströme auf einen möglichst kleinen Wert zu bringen.
8. 8. Unipolarmaschine nach einem oda· mehreren der vorhergehenden Ansprüche ,dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Läuferleiteranordnung vorgesehen ist,,deren radial nach außen liegendes Ende in der Nähe des radial nach außen liegenden Endes derjersten Leiteranordnung liegt und zwar innerhalb der Feldspule, und die ein radial nach innen liegendes Ende aufweist, das in axialer Richtung von dem inneren Ende der ersten Leiteranordnung abgewendet ist.

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9. 9· Unipolarmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennze ich net , daß die zweite Leiteranordnung elektrisch in Reihe mit der ersten Leiteranordnug liegt.
10. 10. Unipolarmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekenn zeichnet , daß der Läufer einen Trommelabschnitt aufweist, dessen eines Ende in der Nähe des äußeren Endes der Leiteranordnung liegt , während das andere Ende von dem inneren Ende der Leiteranordnung abgewendet ist,und wobei der Trommelteil mindestens einen weiteren Leiter aufweist, der parallel zu der Achse des Rotors liegt und mit einer weiteren Strom übertragungseinrichtung an den Enden des Srommelab schnittes zusammenarbeitet.

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