DE2156274B2 - Elektrischer generator - Google Patents

Description

Diese Frequenz kann wegen des geringen Einflusses der Lenzschen Kraft sehr präzis gehalten werden. Zum Beispiel kann bei 50 Hz die Genauigkeit der Frequenz 1 χ ± 10~⁴ see gehalten werden, welcher Parameter sehr wichtig für mehrere Anwsndungen dieses Generators in der sogenannten Plasmaphysik ist.

Dieser Generator, der keinen Kommutator braucht, hat eine niedrige Induktanz und kann daher auf folgenden Gebieten mit besonderem Vorteil angewendet werden:

a) für die Herstellung eines sogenannten Hybridplasmas bei Lichtbogenentladung mit sehr kurzen Funken,

b) für die Erzeugung von Ozon bei Lichtbogenentladung mit sehr hoher Leistungsausbeute,

c) für die chemische Synthese,

d) für die Luftreinigung in elektrostatischen Filtern,

e) für den Betrieb sogenannter Plasmageneratoren, in denen metastabile Ionen erzeugt werden, wobei in Verbindung mit solchen Plasmagneratoren ein cos φ von praktisch eins erreichbar ist.

Der erfindungsgemäße Generator wird nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In dieser Darstellung zeigt

F i g. 1 das Prinzipschema des Generators und

F i g. 2 schematisch eine Ausführungsform des Generators.

In den Figuren sind bezeichnet mit 1 das ferromagnetische Band mit einer Länge von 2,666' X 360°, mit 2 der Elektro- bzw. Permanentmagnet, mit 3 die Induktionsspule, mit 4 die Achse des schraubenlinienförmig verlaufenden Bandes 1, mit 5 der Spalt zwischen den Gängen des Bandes 1, mit 6 die Breite des Bandes, mit 7 der Spalt zwischen den magnetischen Polen SN und mit 8 die Luftspalte zwischen den magnetischen Polen (S, N) und dem Band 1.

Bei der Rotation des ferromagnetischen Bandes 1 um die Achse ist der magnetische Fluß vom magnetischen Pol S zum magnetischen Pol N konstant, d. h., der magnetische Fluß wird bei der Rotation niemals unterbrochen. Was sich verändert ist die wirksame Bandlänge für den magnetischen Fluß. Bei jeder halben Umdrehung ist die Bahn des magnetischen Flusses zweimal länger oder zweimal kürzer. Wenn die Länge des Bandes 1 mit der Winkelgradzahl gemessen wird, dann ist die Bahn des magnetischen Flusses in der ersten halben Periode einmal 360°, in der zweiten Periode zweimal 360°.

Bei der Umdrehung des Bandes 1 ändert sich die Anzahl der magnetisierten Bereiche des Bandes 1, die auf die Induktionsspule 3 wirken. In der ersten halben Periode wirkt auf die Induktionsspule 3 ein Gang und in der zweiten halben Periode wirken zwei Gänge des Bandes 1 auf die Induktionsspule 3. Die Länge der Spirale muß mindestens zweimal 360° betragen. Theoretisch kann die Länge des Bandes jedoch ein Vielfaches betragen. Für einen idealen Sinusverlauf des induzierten Stromes beträgt die Länge des Bandes 1 2,666' χ 360°, oder 3,666" x 360°, oder 4,666" χ 360°, usw.

Theoretisch liegt die Begrenzung für die Länge des Bandes zwischen 2 χ 360° und bei co X 360°, und die Pole des Magneten befinden sich stets am Anfang und am Ende des Bandes 1.

Wenn der Magnet 2 den magnetischen Fluß Φ erzeugt, dann ergibt sich eine induzierte elektromotorische Kraft in der Induktionsspule wie folgt:

erste halbe Periode = 1Φ,
zweite halbe Periode = 2 Φ.

Das bedeutet, wenn das Band eine Umdrehung macht, dann wird eine Periode der Sinuskurve der

ίο elektrischen Spannung in der Induktionsspule 3 induziert. Mit anderen Worten, eine Sinusperiode der elektrischen Spannung induziert sich in der Induktionsspule nach einer Umdrehung (2 π) und die halbe Periode der Sinuskurve nach einer halben Umdrehung (1 π). Die Induktionsspule 3 und der Elektromagnet 2 sind stationär, und nur das ferromagnetische schraubenlinienförmig verlaufende Band 1 dreht sich. Ein Kommutator ist, wie erwähnt, nicht erforderlich.
Die Frequenz der induzierten elektrischen sinusförmig verlaufenden Spannung ist von der Rotation des ferromagentischen Bandes und die elektrische Spannung an der Induktionsspule ist von der Anzahl ihrer Windungen sowieso vom magnetischen Fluß und von der Drehzahl des Bandes 1 abhängig.

Für die Erzeugung von Hochspannung ist die Induktionsspule 3 in einem Rohr 11 (s. F i g. 2) eingeschlossen, das mit Transformatoröl oder einem anderen Isolationsmedium gefüllt ist.

In F i g. 2 ist eine praktische Ausführungsform schematisch verdeutlicht. In F i g. 2 sind unter Beibehaltung der Bezugsziffern 1 bis 8 noch folgende Teile bezeichnet, mit 9 ein nicht ferromagentisches Trägerrohr für das ferromagnetische Band, mit 10 Lager für das Trägerrohr, mit 11 ein Hüllrohr für die Induktionsspule 3, mit 12 Füße für das mit Transformatorenöl 13 gefüllte Hüllrohr 11, mit 14 Durchführungsisolator für die Spulenanschlüsse 15, mit 16 die Wicklung des Elektromagneten 2 und mit 18 ein kurzes Isolationsstück, wenn das Rohr 11 aus Metall besteht.

Das Hüllrohr 11 ist mit Lagern 10 versehen, die das Trägerrohr 9 für das ferromagnetische Band 1 tragen. Das schraubenlinienförmig auf das Trägerrohr 9 aufgebrachte Band 1 rotiert mit dem Trägerrohr 9, das von einem nicht dargestellten Antrieb gedreht wird um die fiktive Achse 4. Zwischen 9 und 11 sind die Lager 10. Der Elektromagnet 2 steht mit Füßen auf einer Plattform, auf der auch mit Füßen 12 das Hüllrohr 11 angeordnet ist. Das Hüllrohr 11 besteht vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, es kann aber auch aus Metall bestehen, wobei jedoch das Isolationsstück 18 vorgesehen werden muß, um zu verhindern, daß auch im Hüllrohr ein Strom induziert wird.

Der magnetische Fluß des Elektromagneten 2, dessen Pole vorzugsweise aus einem weichen, ferromagnetischen Material bestehen, ist über das Band 1 geschlossen. Wenn das Band 1 rotiert, wird in der Induktionsspule 3 eine elektromotorische Kraft induziert. Das Maxwell-Farady-Gesetz gilt in diesem Fall in der nachstehenden Form:

erste halbe Umdrehung der Spirale = 1Φ,
zweite halbe Umdrehung der Spirale = 2 Φ,

wobei Φ der absolute Wert des magnetischen Flusses ist, der vom Magneten 2 erzeugt wird.
Diese Änderung des magnetischen Flusses reprä-

5 6

sentiert eine Sinus-Periode der elektromotorischen Für diese praktische Ausführung eines solchen

Kraft, die in der Induktionsspule 3 induziert wird. Generators ist folgendes zu beobachten:

Wenn zwischen den Anschlüssen 15 ein elektrischer Für die prinzipielle Funktion des Generators muß

Widerstand angeordnet ist, so zirkuliert über den die Länge des Bandes mindestens zweimal 360°

Widerstand und durch Spule 3 ein elektrischer Strom. 5 betragen. Für die Verwirklichung einer idealen Sinus-

Ein sehr bedeutsamer Vorteil dieses Generators Kurve der elektrischen Spannung, die von diesem

besteht in der sehr niedrigen Induktanz der Induk- Generator erzeugt wird, können beispielsweise fol-

tionsspule 3. gende Parameter verwendet werden:

Die Induktanz (L) ist beispielsweise definiert als: Länge des ferromagnetischen Bandes: 2,666' χ 360°.

u X JV² χ A ¹⁰ ^^e breite 6 des Bandes sollte gleich sein der Breite

L = — , des Spaltes 5 zwischen den Gängen des Bandes 1.

I Der Spalt 7 zwischen den magnetischen Polen S

wobei bekanntlich μ die relative Permeabilität des und JV sollte der Breite 6 multipliziert mit 1,333"

Bandes 1 im vorliegenden Fall, JV die Anzahl der entsprechen, während die Breite der magnetischen

Wicklungen der Spule 3, A der Querschnitt des ma- 15 Pole der Breite 6 multipliziert mit 1,666' entsprechen

gnetischen Flusses und / die Länge der Induktions- sollte,

spule 3 ist. Wenn beispielsweise die Länge des Bandes 3,666' χ

Die Induktanz der Induktionsspule3 ist deshalb 360° beträgt, dann muß der Spalt? sein: (Breite

so gering, weil das ferromagnetische Band 1 immer 6 X 1,333') + 2mal Breite 6 des Bandes,

unter dem Einfluß des magnetischen Flusses steht. 20 Wenn die Länge des Bandes 4,666' χ 360° beträgt,

Die Intensität des magnetischen Feldes im Band 1 dann muß der Spalt 7 sein: (Breite 6 des Bandes χ

ist immer konstant, weshalb die relative Permeabilität 1,333') + 4 X Breite 6 des Bandes,

des Bandes 1 immer konstant und klein bleibt. Die Wenn die Länge des Bandes 5,666' χ 360° beträgt,

absolute Permeabilität μ₀ des Bandes 1 muß natürlich dann muß der Spalt 7 sein: (Breite 6 der Rippen χ

so hoch wie möglich sein. 25 1,333') + 6 χ Breite des Bandes usw.

Diese niedrige Induktanz ist, wie erwähnt ein sehr Das ferromagnetische Bandl muß aus einem weichen,

großer Vorteil und kann bei der Erzeugung von Ozon, magnetischen Material bestehen, d. h., die Koerzitiv-

sowie für spezielle Anwendungen in der Plasmachemie kraft muß minimal sein, die Hysteresiskurve muß

und in der Plasmaphysik nutzbar gemacht werden. ganz eng und die Permeabilität muß so groß wie mög-

Der zweite sehr wichtige Vorteil ist die präzise Kon- 30 lieh sein. Ferner muß der elektrische Widerstand des

trolle der Frequenz der elektrischen Spannung, die ferromagnetischen Bandes so groß wie möglich sein,

von diesem Generator erzeugt wird, und die deshalb Ein ideales Material für das Band wäre Ferrit, es

möglich ist, weil die mechanische Umdrehung des wäre aber auch Gußstahl, Permalloy, Supermalloy

Bandes 1 genau reguliert werden kann, und zwar und andere verwendbar.

können die Umdrehungen des Bandes 1 deshalb so 35 Der Elektromagnet 2 kann in bekannter Art ausge-

genau reguliert werden, weil der die Induktionsspule führt sein.

umfassende magnetische Fluß nach der Lenz Regel Das Trägerrohr 9 kann sowohl aus einem nichteine sehr feinfühlige Rückwirkung auf die Rotation magnetischen als auch aus einem elektrisch nichtdes ferromagnetischen Bandes hat, was bedeutet, daß leitfähigen Material bestehen. Dieses Rohr muß der Rotor bei der Rotation von mechanischen Schwin- 40 keine geschlossene Wandung haben, sondern kann gungen freigehalten wird. auch durchbrochene Wandungen aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen i

Claims (3)

1 2 auf dem Gebiet der Hochfeldchemie. Für die Luft-Patentansprüche: reinigung sind ebenfalls Hochspannungsquellen erforderlich, die sehr kurze Funken bei der Korona-

1. Elektrischer Generator, bestehend aus einer entladung beispielsweise in elektrostatischen Filtern Induktionsspule, einem angetriebenen, der Spule 5 ergeben. Diese kurzen Funken in der Korona resulzugeordneten Läufer mit einem auf dessen Ober- tieren aus Hochspannungsquellen mit sehr niedriger fläche angeordneten, schraubenlinienförmig ver- Induktanz. In der gegenwärtigen Zeit sind diese laufenden Band aus ferromagnetischem Material Hochspannungsquellen praktisch Hochspannungsund aus einem, ein Magnetfeld erzeugenden transformatoren, die mit elektrischen Generatoren Magneten, dadurch gekennzeichnet, io verbunden sind, wobei diese Kombination eine sehr daß die Endbereiche des einen Teilbereiches der hohe Induktanz hat. Wenn eine solche Hochspannungs-Induktionsspule (3) umfassenden Bandes den beiden quelle beispielsweise mit Ozongeneratoren verbunden Polen (S, N) des Magneten (2) gegenüber ange- ist, dann halten die Funken in dem Ozongenerator ordnet sind und das Band (1) so bemessen und lange an, und die Leistung für die Erzeugung von Ozon angeordnet ist, daß die maximal wirksame Band- 15 ist dadurch begrenzt.

länge für den kontinuierlich auf die Induktions- Für die Anwendung auf den genannten und anderen

spule (3) wirksamen magnetischen Fluß, in Winkel- Gebieten ist zu berücksichtigen, daß durch die Fluk-

grad gemessen, mindestens zweimal 360⁰C beträgt. tation des elektrischen Stromes Vibrationen im Rotor

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch ge- entstehen, die schwer beherrschbar sind, so daß es kennzeichnet, daß die Breite der Pole (S, N) und 20 praktisch sehr schwierig und aufwendig ist, eine der Spalt (7) zwischen den Polen des Magneten (2) konstante Rotation des Rotors und damit eine derart bemessen ist, daß sich bei einer halben konstante Frequenz des erzeugten Stromes zu gewähr-Umdrehung des Bandes (1) die wirksame Band- leisten, die für die genannten Gebiete wünschenswert länge für den magnetischen Fluß mindestens um ist und die beispielsweise bei 50 Hz mit einer Genauig-360° ändert. 25 keit in der Größenordnung von 1X ± 10~⁴ see

3. Generator nach jedem der Ansprüche 1 und 2, liegen soll.

dadurch gekennzeichnet, daß das Band (1) auf Der Erfindung liegt also die Aufgabenstellung zu-

einem drehbar gelagerten Träger (9) angeordnet gründe, einen elektrischen Generator, insbesondere

und die Induktionsspule (3) mit einem Hüllrohr zur Erzeugung hoher Spannungen zu schaffen, der

umgeben ist. 30 diese Forderung erfüllt.

Diese Aufgabe ist mit einem Generator der genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die

Endbereiche des einen Teilbereich der Induktionsspule umfassenden Bandes den beiden Polen des 35 Magneten gegenüber angeordnet sind und das Band

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, so bemessen und angeordnet ist, daß die maximal

bestehend aus einer Induktionsspule, einem ange- wirksame Bandlänge für den kontinuierlich auf die

triebenen, der Spule zugeordneten Läufer mit einem Induktionsspule wirksamen magnetischen Fluß, in

auf dessen Oberfläche angeordneten, Schraubenlinien- Winkelgrad gemessen, mindestens zweimal 360° be-

förmig verlaufenden Band aus ferromagnetischem 40 trägt.

Material und aus einem, ein Magnetfeld erzeugenden Diese Lösung stellt also ein neues mechanisches

Magneten. Bauprinzip für die Verwirklichung der zeitlichen Ände-

Elektrische Generatoren sind allgemein und in den rung der Einwirkung des magnetischen Flusses auf

verschiedensten Bauarten bekannt. Grundsätzlich die Induktionsspule im elektrischen Generator dar,

wird dabei ralativ in einem Magnetfeld eine Induk- 45 wobei die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses

tionsspule bewegt, wobei in der Spule ein Strom durch das ferromagnetische Band verursacht wird,

induziert wird. Die erzeugte elektromotorische Kraft das um seine Achse gedreht wird, d. h., die Induktion

ist dabei proportional der zeitlichen Änderung der der EMK in der Spule ergibt sich durch die Änderung

Anzahl der durch die Spulenschleifen tretenden ma- der wirksamen Bandlänge für den magnetischen

gnetischen Feldlinien. 50 Fluß im ferromagnetischen Band.

Eine besondere Bauart weist der Generator nach Das schraubenlinienförmig verlaufende Band dreht

der eingangs genannten Art auf, wie er einem Gene- sich zwischen einem Elektromagneten und einem

rator nach der französischen Patentschrift 996 645 Teilbereich der Induktionsspule, wobei die Spule

entspricht. Hierbei handelt es sich jedoch um einen durch das Band und außerdem um das Band verläuft.

Unipolargenerator, mit dem nur niedrige Spannungen 55 Der Magnet befindet sich außerhalb des Bandes,

von praktisch 15 V erzeugt werden können, wobei sich und das magnetische Feld verläuft von einem Pol

dieser Generator von denen üblicher Bauart im wesent- über einen Luftspalt durch das ferromagnetische

liehen dadurch unterscheidet, daß einer der Pole Band zurück über einen weiteren Luftspalt zum ande-

der das Magnetfeld erzeugenden Magneten als ren Pol des Magneten. Wenn das ferromagnetische

schraubenlinienförmig verlaufendes und als gegenüber 60 Band um seine Achse rotiert, dann geht bei jeder

der Induktionsspule drehbares Band ausgebildet ist. halben Umdrehung der magnetische Fluß durch das

Die aus diesem Band austretenden Feldlinien streichen Band, und zwar einmal über 360° und zum anderen

also gewissermaßen bürstenartig über die Wicklungen über 2 χ 360°, oder einem Mehrfachen davon, je

der Induktionsspule hinweg und bewirken damit die nachdem wie lang das Band ist.

Induktion. 65 Auf diese Weise läßt sich ein hochgespannter Strom

In der modernen Industrie besteht ein großer Be- erzeugen, dessen Frequenz im direkten Verhältnis

darf für Hochspannungsquellen, beispielsweise in der zur Rotation des schraubenlinienförmigen Bandes

chemischen Industrie für die Chemosynthese oder steht.