DE2156895C2 - Elektrische Unipolarmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Unipolarmaschine mit einem aus mehreren Scheiben bestehenden Läufer, wobei die Zwischenräume zwischen den rotierenden Läuferscheiben und den dazwischen angeordneten Ständerscheiben durch flüssiges Metall ausgefüllt sind und die Läufer- und Ständerscheiben an den inneren und äußeren Umfangsflächen zur Kontaktgabe blank sind.

Eine derartige Unipolarmaschine ist bereits aus der FR-PS 15 57 690 bekannt. Gemäß dieser bekannten Konstruktion ist jeweils nur eine senkrecht zur Drehachse des Läufers verlaufende Seitenfläche der Läufer- und Ständerscheiben mit einer Isolationsschicht bedeckt. Das Flüssigmetall wird bei diesem Typ in den einen radial verlaufenden Kanälen durch Induktionswirkung in Drehung versetzt, während in den anderen Kanälen das Flüssigmetall stillsteht. Durch das dadurch entstehende Ungleichgewicht der Zentrifugalkräfte treten zu einer Seite der Maschine hingerichtete Druckimpulse in dem flüssigen Metall auf, wodurch hohe Anforderungen an die Abdichtung des flüssigen Metalls und an das verwendete Material gestellt werden müssen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Unipolarmaschine der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß die bei derartigen Maschinen auftretenden schädlichen Drücke in dem flüssigen Metall automatisch aufgehoben werden, so daß geringere Anforderungen hinsichtlich der Abdichtung des flüssigen Metalls gestellt werden brauchen.

ίο Ausgehend von der elektrischen Unipolarmaschine der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Läufer- und Ständerscheiben beidseitig eine Isolierschicht aufweisen und daß in denjenigen Kanälen, in denen das flüssige

is Metall im Betrieb der Maschine normalerweise ruht, in einem begrenzten Teilbereich eine rotierende Strömung erzeugt wird.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß das flüssige Metall in dem Zwischenraum zwischen den Läufer- und Ständerscheiben in zwei Abschnitte aufgeteilt wird, so daß also zwei ringförmige Flüssigkeitkränze konzentrisch zueinander angeordnet sind und sich einer dieser Kränze in Richtung der Rotation des Läufers dreht und sich der andere der Kränze automatisch korrelativ bewegt, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Rotation des Läufers. Dabei kompensieren sich die induzierten elektromotorischen Kräfte, während sich die Zentrifugaldrücke addieren.

Besonders vorteilhafte Einrichtungen zur Herbeiführung einer Rotation der in Drehung zu versetzenden Flüssigkeitskränze ergeben sich aus den Ansprüchen 2-6.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine axiale Schnittdarstellung der Maschine mit einheitlicher, gleicher Polzahl und mit 4 beweglichen Scheiben;

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer beweglichen Scheibe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung und

Fig.3, 4 und 5 Schnittdarstellungen einer beweglichen Scheibe entsprechend dreier weiterer Ausführungsbeispiele nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Maschine weist in einer einheitlichen Aufeinanderfolge 4 bewegliche Scheiben 1 auf, die fest mit der Welle 2 verbunden sind, wobei sich die Welle 2 in Wälzlagern 3 drehen kann. In den Zwischenräumen zwischen den beweglichen Scheiben 1 sind drei feste Scheiben 4 angeordnet. F i g. 1 läßt auch erkennen, daß die Scheiben mit Hilfe eines Überzuges an den senkrecht zur Welle liegenden Flächen isoliert sind. Der elektrische Strom, der beispielsweise bei 5 ankommt, kann durch die blanke konzentrisch zur Welle liegende Fläche 7 der Nabe 8 der ersten Scheibe 1 fließen, fließt dann radial durch diese Scheibe hindurch und gelangt zur blanken äußeren Fläche 9 der Scheibe 1 und fließt durch die blanke innere zylindrische Fläche 10 des Kranzes 11 der ersten festen Scheibe 4, von wo er dann in radialer Richtung zur inneren blanken Fläche 12 fließt, die dieselbe Aufgabe wie die Fläche 5 hat, fließt von dort in der selben Weise weiter, bis er zur letzten Fläche 6 gelangt, von wo er dann zurückgeführt wird.

Eine richtige Funktionsweise der Maschine setzt voraus, daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Flächen 5 und 7 oder 12 und 7 und 9 und 10 vorhanden

ist, und daß gleichzeitig ein starkes magnetisches Feld vermittels einer Induktionsspule 13 aufgebaut wird.

Die Kontakte lassen sich mit Hilfe verschiedener Techniken realisieren, jedoch werden diese Kontakte gemäß der Erfindung durch totale Ausfüllung mit einem Medium erreicht Diese Technik besteht darin, daß man den gesamten Raum zwischen dem Stator und dem Rotor mit einem flüssigen Metall ausfüllt, welches elektrisch leitet wie beispielsweise mit Quecksilber oder mit Quecksilberlegierungen. Um den Raum, den die Flüssigkeit einnimmt vollständig zu verschließen, ist an den zwei Verbindungsstellen eine Dichtung 14 angeordnet, die die Flüssigkeit am Entweichen hinde^rL

Diese Technik erscheint auf den ersten Blick paradox. Effektiv sichert das flüssige Metall eine sehr gute is Leitfähigkeit für den Strom, der zwischen den Flächen 5 und 7 oder 12 und 7 und 9 und 10 fließt, er sichert jedoch ebenso eine Leitfähigkeit für den Strom, der zwischen den Flächen 7 und 9 fließt, die an den beweglichen Scheiben ausgebildet sind und zwischen denen bei Drehung eine Potentialdifferenz liegt, so daß ein Kurzschluß für den Strom befürchtet werden müßte. Es ist jedoch in der Tat nicht so, daß der gesamte Strom die radiale Strecke eines Flüssigkeitskanal hindurchfließt, und zwar aufgrund des Vorhandenseins der axialen magnetischen Induktion, die durch die Induktionsspule 13 erzeugt wird. Der magnetische Fluß verursacht mit dem zunächst fließenden Kurzschlußstrom eine Bewegung der Flüssigkeit in dem Kanal um die Drehachse 2, was zur Folge hat, daß bei gleicher Geschwindigkeit mit der Scheibe 1 in der Flüssigkeit die gleiche Potentialdifferenz induziert wird, wie in der Scheibe 1, so daß der Stromfluß aufhört. Jede Geschwindigkeitsänderung in der Flüssigkeit hätte einen radial fließenden Strom zur Folge, der eine Beschleunigung oder eine Verzögerung in dem Kanal erzeugt.

An den festen Scheiben bewirkt die magnetische Induktion keine Potentialdifferenz zwischen den Flächen 10 und 12, demzufolge die Flüssigkeit in den Kanälen 16 praktisch unbeweglich bleibt. Wenn es anders wäre, würde das magnetische Feld in der Flüssigkeit eine Potentialdifferenz induzieren und infolgedessen würde sich ein Strom durch die festen Scheiben schließen, welcher unmittelbar eine Rotation der Flüssigkeit bremsen würde. Ein elektrisches Gleichgewicht der Maschine setzt voraus, daß sich die Flüssigkeit in den Kanälen mit der Geschwindigkeit der Scheiben 1 drehen, während die Flüssigkeit in den Kanälen 16 unbeweglich bleibt. Dabei ergibt es sich jedoch, daß die am Umfang des Kanales 15 erzeugte Zentrifugalkraft eine Druckerhöhung hervorruft, die sich summiert auf den unbeweglichen Kanal 16 überträgt, so daß sich ein Überdruck ergibt. Am anderen Ende der Maschine herrscht ein vierfacher Druck gegenüber einer Konstruktion mit nur einem einzigen Kanal. Daraus ergibt sich, daß man bei zunehmender Anzahl von Scheiben sehr schnell bei einem Druck des flüssigen Metalls ankommt, der für eine Seite der Maschine eine große Gefahr bedeutet, wobei auch dieser Druck zu starken axialen Stoßen in Richtung der Achse 2 des Rotors führt. Diese Stöße wirken sich schädlich auf die Kugellager 3 aus.

Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil wie folgt behoben:

Ohne die Bewegung der Flüssigkeit in den Kanälen 15 zu verhindern, teilt man jeden Kanal bei der zylindrischen Grenze 17 in zwei konzentrische Kränze 16a und 160 auf. Daraufhin setzt man künstlich einen dieser Kränze in Umdrehung, beispielsweise den Kranz 16ö. Automatisch setzt sich dann der andere Kranz 16a in umgekehrter Weise in Bewegung, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die Potentialdifferenz, die durch die magnetische Induktion bei 16a induziert wird, gleich und entgegengesetzt der Potentialdifferenz ist, die durch die magnetische Induktion bei 16Λ induziert wird, so daß durch Überlagerung der zwei Potentialdifferenzen die erhaltene Potentialdifferenz quasi Null wird, die zwischen den Flächen 10 und 12 besteht

Man wählt die Größe des Kranzes 166 und die Umdrehungsgeschwindigkeit so, daß die durch die Rotation des Kranzes 16a aufgrund der Zentrifugalkraft erzeugte Druckerhöhung die Druckerhöhung vermehrt die aufgrund der Drehung des Kranzes 166 erzeugt wurde, so daß die Druckerhöhung aufgrund der Rotation des Kanales 15 genau kompensiert wird.

In der Praxis ist es einfacher, beispielsweise den Kranz 166 auf die Geschwindigkeit der beweglichen Scheibe 1 mitzureißen, was nach vorstehendem dazu führt, daß auch der Kranz 16a an diese Geschwindigkeit herankommt, jedoch im umgekehrten Sinne.

Praktisch kann man die Rotation der Kränze 166 mit der Geschwindigkeit der Scheiben 1 durch mehrere konstruktive Maßnahmen erreichen:

1. Man kann, wie in Fig.2 gezeigt ist, an der dem Kanal 16 zugewandten Fläche jeder Scheibe 1 bis zur vorausbestimmten Grenze 17 (Fig. 1) eine Reihe von radialen Flügeln 18 niedriger Höhe anordnen. Jede derart ausgestattete Scheibe ϊ arbeitet dann nach Art einer Zentrifugalpumpe.

2. Man kann auch ebenso ein rein elektrisches Verfahren anwenden, welches darin besteht, daß auf der Isolationsfläche 19 (F i g. 3) jeder Scheibe 1 im Bereich des Flüssigkeits-Kranzes 166 einen Leiterkranz 20 zu befestigen, der aus elektrisch gut leitfähigem Metall besteht und eine solche Dicke aufweist, daß der Flüssigkeits-Kranz 166 mitgerissen wird.

Wenn der Leiterkranz 20 einen nichtvernachlässigbaren Widerstand aufweist, so kann eine kleine Korrektur seiner Größe erforderlich sein.

3. Man kann auch, wie in Fig.4 veranschaulicht ist, mittels einer blanken Metallstelle der beweglichen Scheibe 1 entsprechend einer bestimmten Länge, wie dies bei 23 in Fig.4 gezeigt ist, den selben Zweck erreichen. Der erzielte Effekt ist dann der gleiche wie bei der vorausgegangenen Möglichkeit, wobei sich dann der Stromkreis direkt über die bewegliche Scheibe schließt.

4. Man kann auch schließlich, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist, die Isolation 19 auf der Seite des Kanales 16 nur in Form eines kleinen Ringes 24 weglassen, der dann im bestimmten Abstand zur Achse gelegen ist. Hierdurch wird, wie bei den vorangegangenen Möglichkeiten, der Flüssigkeitskranz durch das leitfähige Metall der beweglichen Scheibe 1 mitgerissen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrische Unipolarmaschine mit einem aus mehreren Scheiben bestehenden Läufer, wobei die Zwischenräume zwischen den rotierenden Läuferscheiben und den dazwischen angeordneten Ständerscheiben durch flüssiges Metall ausgefüllt sind und die Läufer- und Ständerscheiben an den inneren und äußeren Umfangsflächen zur Kontaktgabe blank sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer- und Ständerscheiben beidseitig eine Isolierschicht (19) aufweisen und daß in denjenigen Kanälen (16), in denen das flüssige Metall im Betrieb der Maschine normalerweise ruht, in einem begrenzten Teilbereich {t6b) eine rotierende Strömung erzeugt wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Strömung üi dem begrenzten Teilbereich (166) in der Drehrichtung der Läuferscheiben (1) erzeugt wird.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Kanal (16) mit dem ruhenden Flüssigmetall zugewandten Fläche jede Läuferscheibe (1) eine Anzahl von radialen Flügeln (18) niedriger Höhe bis zu einer vorbestimmten Grenze (17) reichend ausgebildet sind.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Kanal (16) mit dem ruhenden Flüssigmetall zugewandten Fläche jeder Läuferscheibe (1) eine elektrisch leitende Ringfläche

(23) ausgebildet ist, die bis zu einer vorbestimmten Grenze (17) reicht.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Ringfläche (23) durch Entfernen eines Teiles der Isolation an der dem Kanal (16) mit dem ruhenden Flüssigmetall zugewandten Fläche gebildet ist.

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Kanal (16) mil dem ruhenden Flüssigmetall zugewandten Fläche jeder Läuferscheibe (1) in bestimmtem Abstand zur Drehachse der Scheibe (1) eine von der Isolierschicht befreite Stelle in Form eines kleinen Flinges

(24) vorgesehen ist.