DE2221544C3

DE2221544C3 - Unipolargetriebe

Info

Publication number: DE2221544C3
Application number: DE2221544A
Authority: DE
Inventors: Boris Evdokimovitsch Korotenko; Vitalij Borisovitsch Korotenko; Pavel Kornejevitsch Schtepa
Original assignee: CHARKOVSKIJ AVTOMOBILNO-DOROSCHNYJ INSTITUT CHARKOW (SOWJETUNION)
Current assignee: CHARKOVSKIJ AVTOMOBILNO-DOROSCHNYJ INSTITUT CHARKOW (SOWJETUNION)
Priority date: 1972-04-05
Filing date: 1972-05-03
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2221544B2; DE2221544A1; US3831049A

Description

JO

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Unipolargetriebe aus zwei koaxial 711 einem Generator-Motor-System verbundenen Unipolarmaschinen mit metallflüssigen Kontakten zur elektrischen Verbindung η derselben, wobei in jeder Maschine ein eigener magnetischer Kreis gebildet ist und je ein erster Arbeitsstromleiter jeder der Maschinen mit der F.ingangs- bzw. der Ausgangswelle verbunden ist und zweite, mit den ersten über Magnetluftspalte zusammenwirkende, mechanisch von außen antreibbare Arbeitsstromleiter beider Maschinen über ein magnetisch nichtleitendes Zwischenstück mechanisch starr verbunden sind. Ein solches Unipolargetriebe ist aus der britischen Patentschrift 8 19 529 bekannt. 4-,

Unipolargetriebe dieser Bauart sind geeignet zur Einschaltung in Kraftübertragungen, wo es auf eine stoßfreie Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Eingangs- und Ausgangswelle ankommt, /. B. bei Kraftwagen. Traktoren. Diesellokomotiven. Erd· -,» und .Straßenbaumaschinen. Werkzeugmaschinen. Antriebseinrichtungen in Walzwerken u. dgl.

Ein Problem sind bei Maschinen der vorausgesetzten Bauart die durch die metallflüssigen Kontakte verur sachten Verluste. Es handelt sich hierbei sowohl um vi elektrische Verluste beim Stromdurchgang, weil der Widerstand hier den Widerstand aller anderen Leiter des Arbeitsstroms wesentlich übersteigt, als auch um hydraulische Verluste aufgrund der großen Relativge schwindigkeiten. die die I eile zueinander aufweisen, an welche über den metallflüssigen Kontakt elektrisch miteinander Verbunden sind, und der hieraus resultierenden Turbulenz im Flüssigmetall,

Diese Nachteile sind besonders fühlbar, wenn 'die Zweiten, starr miteinander verbundenen Arbeilsstromleiter stillstehen, wie dies üblich ist,- und auch bei der eingangs vorausgesetzten bekannten Ausbildung im Vordergrund steht. Im Zusammenhang hierriiil steht es, daß das Unipolargetriebe bei dieser bekannten Ausbildung völlig mit Quecksilber gefüllt ist, so daß die ständige Füllung der Kontaktspalte auf diese Weise erzwungen ist.

Durch die bei der bekannten Ausbildung noch vorgesehenen Möglichkeit, das Gehäuse mit den zweiten Arbeitsstromleitern frei drehbar auszubilden, anzutreiben oder an eine mechanische Belastung anzuschließen, soll eine Anpassung an die Bedürfnisse des jeweiligen Betriebs ermöglicht werden. Eine einfache und praktische Möglichkeit, die drei Drehzahlen zu regeln und aneinander anzupassen, ist jedoch nicht beschrieben und auf einfache Weise auch nicht erzielbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Unipolargetriebe zu schaffen, bei dem bei geringen elektrischen und hydraulischen Verlusten eine große Einfachheit der Regelung möglich wird.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß /wischen der Drehzahl des mit der rlingangsweiie verbundenen ersten Arbeitsstromleiters der ersten Unipolarmaschine und der Drehzahl der miteinander verbundenen zweiten Arbeitsstromleiter ein fest vorgegebenes Drehzahlverhältnis aufrechterhalten wird.

Dieses feste Drehzahlverhältnis, welches in einfacher Weise erzwungen werden kann durch ein dem Unipolargetriebe vorgelagertes mechanisches Reduktorgetriebe, bewirkt, daß nur noch eine Eingangsdrehzahl und eine Ausgangsdrehzahl vorhanden ist. also nicht auch noch eine dritte Drehzahl geregelt werden muß. Die Einfachheit der Regelung des Getriebes entspricht also der der üblichen Maschinen mit feststehenden zweiten Arbeitsstromleitern. Gleichzeitig ist aber die Relahvgeschwindigkeit zwischen den durch die Flüssigmjtallkontakte verbundenen Elementen erheblich verringert, so daß die elektrischen und hydraulischen Verluste geringer werden. Die Umlaufgeschwindigkeit des Flüssigmetalls ist _broß. so daß es, unter der Wirkung einer starken Zenlrifugalkraft steht und dadurch eine gute Kontaktgabe zustande kommt, ohne daß die Maschine völlig mit Flüssigmetall gefüllt sein muß. Auch dies tragt /ur Verringerung der Verluste bei

Fine konstruktiv zweckmäßige Ausbildung ist es. wenn ein Gehäuse vorgesehen wird, das mit den verbundenen Arbeitsstromleitern verbunden ist und die Bewegung auf diese überträgt.

Im folgenden wird die Erfindung an Beispielen mn Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F ig I einen elekirischen Finpolantrieb mit erfin dur.gsgemäß verbundenen Ankern.

I-ig-2 einen elektrischen Unipolarantrieb mn erfin dungsgemäß verbundenen Ankern.

L 1 g. 3 einen elektrischen I Inipolaranirieb. in dem der Anker einer Einpolmaschine mit dem Anker der anderen erfindungsgemäß verbunden ist.

Die erfindiingsgemäßen I Inipolarantriebe besichcn aus zwei koaxial angeordneten Unipolarmaschinen mit mcüillflüssigen Kuntakien, verbunden im einem Gene ratopMötor-System, Jede Maschine des Antriebs Hat zwei Arbeiisstromieitcr, die entsprechend die Anker darstellen.

Im elektrischen Einpolantricb nach Fig, I sind die Anker 1 und 2 der ersten bzw, der zweiten Unipolarmaschine durch Isöliereinlägen 5 und 6 liiil den Ein- bzw, ÄUsgangswelleii 3 und 4 entsprechend der

ersten und zweiten Unipolarmaschine starr verbunden.

Am Anker 1 der ersten Unipolarmaschine sind innere Konlaktringe 7 und 8 und am Anker 2 der zweiten Unipolarmaschine innere Kontaktringe 9 und 10 befestigt. Die äußeren Kontaktringe 11 und 12, welche entsprechend die inneren Kontaktringe 7 und 10 umfassen, sind in den Reaktoren 13 und 14 der ersten bzw. zweiten Maschine ausgeführt. Die Reaktoren 13 und 14 stellen üblicherweise ferromagnetische Hohlzylinder dar, koaxial mit den Ankern 1 und 2 angeordnet und durch einen stromleitenden Außenzylinder 15 miteinander verbunden. Innerhalb des letzteren befindet sich der innere leitende Zylinder 16, der vom Zylinder 15 durch eine Einlage 17 isoliert ist. An der Innenfläche des Zylinders 16 sind kreisförmige Nuten vorhanden, die Außenkontaktringe 18 und 19 bilden, welche die inneren Kontaktringe 8 und 9 umfassen. Auf diese Art sind sämtlich·; Außenkontaktringe paarweise elektrisch miteinander verbunden: die Ringe 11 und 12 durch den leitenden Außenzylinder 15 und die Ringe 18 und 19 durch den leitenden Innen/ylinder Ib. Außerdem sind alle AuUenkontaktnnge 11, 12, 18, 19 dank der starren Verbindung zwischen den Reaktoren 13 und 14 miteinander befestigt. Die Reaktoren 13 und 14 sind in den Magnetleitern 20 und 21 entsprechend der ersten und zweiten Unipolarmaschine angeordnet und befestigt, in welchen auch die Erregerwicklungen 22 und 23 untergebracht sind. Die Magnetleiter 20 und 21 der ersten und zweiten Unipolarmaschine sind miteinander durch den diamagnetischen Zylinder 24 befestigt und haben Buchsen 25 und 26. entsprechend angeordnet in Lagern 27 und 28 koaxial mit den Ein- und Ausgangswellen 3 und 4. Dabei dient die Buchse 25 des Magnetleiters 20 der ersten Unipolarmaschine /u dessen Verbindung mit dem Außenantrieb. unabhängig von den Wellen 3 und 4. die mit den Ankern 1 und 2 verbunden und in den Lagern 29 und 30 gelagert sind, deren Außenhülsen entsprechend in den Magnetleitern 20 und 21 liegen. Das sichert die gleichzeitige gemeinsame Drehung aller Außenkontaktringe 11, 12, 18, 19 beider Unipolarniaschmen und damit die Füllung der Kontaktzone mit dem flüssigen Metall bei beliebiger Betriebsart des elektrischen Unipolarantriebs.

Der elektrische Unipolarantrieb nach f ι g. I wird von einem Außenantrieb gedrehi. der gleichzeitig die Welle 3 und die Buchse 25 antreibt, wobei ti e Buchse 25 sich in der gleichen Richtung wie die Welle 3. jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit dreht.

M¹I der Buchse 25 sind zwei Arbeitsstmmleiier verbunden und drehen sr.'h gemeinsam. |e einer von der ersten und der /weiten Unipolarmaschine. Im elekiri sehen Unipolarantrieb nach Fi g I sind diese Leiter die Reaktoren 1 3 und 14

Bei gleichzeitiger Drehung der Buchse 25 und der Eingangswelle 3 uird daher in ledern metallflüssigcn Kontakt mindestens cm Konukiring 7—12 und 18, 19 gedreht: demnach wird in allen metallflüssigen Koniak len des elektrischen Unipohiruntriehs der Gesamtum fang des Kontaktspaltes mit flüssigem Metall ausgefüllt, sogar bei unbeweglicher Ausgangswellc 4 des elcktri sehen Unipolarantriebs, Das gewährleistet ein hohes Anlaüfmomcnt an der Ausgangswelle 4 des Unipolaratv tricbs.

Da die Eingangswclle 3 und die Buchse 25 vom Außcrianlrieb mil verschiedenen Geschwindigkeiten gedreht Werden, so ergibt sich /wischen den Arbeits* Stromleitern der ersten Maschine — dem Reaktor 13 und dem Anker I — e'ihe relative Geschwindigkeit, wodurch in dieser Maschine eine elektromotorische Kraft (EMK) entsteht, deren Wert durch die bekannte Abhängigkeit ausgedrückt wird:

ϊ βχ = Ci-Φι · [lh - K₀),

wo bedeutet:

ei - die EM K der ersten Unipolarmaschine,
ίο Ci — die Konstruktionskonstante dieser Maschine,

Φι - der Magnetfluß dieser Maschine,

Πι — die Drehgeschwindigkeit der Welle 3, mit der einer der Arbeitsstromletter der ersten Maschine, im vorliegenden Fall der Anker 1, befestigt π ist,

/7o - die Drehgeschwindigkeit der Buchse 25, mit welcher sich der zweite Arbeitsstromleiter der ersten Maschine, hier der Reaktor !3, dreht.

Da nurr sämtliche Arbeitssiromleiipr des erfinJungsgemäßen Unipolarantriebs durch iirPtallflüssige Kontakte zu einem gemeinsamen elektrischen Stromring zusammengefaßt sind, ist die EMK der zweiten Maschine e> praktisch gleich der EMK der ersten

2Ί Maschine ei und ihr entgegengesetzt gerichtet, d. h. ei = - ei.

Der Wert der EMK e? der zweiten Maschine wird nach der gleichen Abhängigkeit wie die EMK ei der ersten Maschine bestimmt, d. h.

Φ₂ ("2-

wo bedeute;:

η C: — die Konstruktionskonsiante der zweiten Maschine.

Φ> - der Magnetfluß dieser Maschine.
η: - die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle 4 des elektrischen Einpolantriebs, mit der einer der Arbeitsstromleiter der zweiten Maschine, hier deren Anker 2. befestigt ist.

Wie bereits erwähnt, übermittelt der Außenantrieb die Bewegung der Eingangswelle 3 und der Buchse 15 4ϊ mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Bezeichnet man das vom Außenantrieb vorgegebene Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Buchse 25 und der Welle 3 mit /n.d. h.

das Verhältnis der Konstruktionskonstantcn der ersten und zweiten Maschine mit K. d. h.

K - ^Cl

C₁

und die durch den elektrischen Einpolanlrieb regelbare Übersetzung zwischen dessen Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 rr>'t;, d. h.

^h" ,- "2

so erhält man durch Zusammenstellung der oben angeführten Abhängigkeiten und nach entsprechenden algebraischen Umgestaltungen:

Φ7

-Ό
K

Aus der erhaltenen Gleichung folgt, daß sich durch entsprechende Wahl der Übersetzung /o zwischen der Welle 3 und der Buchse 25 ;,nd deren Verwirklichung im Aüßetiäfiirteb des Ufitpotariintriebs sowie durch Änderungen des Verhältnisses der Kottstfuktionsköiislanlen der beiden Einpolmaschineh des erfindungsgemäßen Antriebs, nämlich der Größe K, die Möglichkeit bietet, den erforderlichen Bereich einer zügigen Änderung der Übersetzung zwischen der Eingangswelle 3 Und der Ausgangswelle 4 der vorgelegten Einpolantricbe durch Einwirkung auf die Magnetflüsse beider Maschinen fcstmset/en.

Beispiel: Es mögen beide Maschinen des elektrischen Einpolanlriebs gleich sein: dann wird K — 1. Der Außenanlrieb dreht die Buchse 25 zweimal langsamer

als die Eingangswelle 3. d. h.. /n

i . Die angeführte

'- 2 V ~ 0₂

Aus dieser Gleichung folgt, daß sogar bei unveränderlichem Wert von Φ2 = Φ_ηΐ3, = const., nur durch Einwirkung auf den Magnetfluß der ersten Maschine der erfindungsgemäße Antrieb eine Regelung der Übersetzung zwischen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 in einem Bereich von 0 bis 1 ermöglicht. Ist eine Erweiterung des Regelbereiches erforderlich, so muß man auf den Magnetfluß Φ₂ der zweiten Maschine einwirken.

Im elektrischen Einpolantrieb nach Fig. 2 sind die Anker I und 2 beider Maschinen durch den inneren Leitzylinder, der aus zwei Teilen 31 und 32 besteht, miteinander verbunden und haben entsprechend die inneren Kontaktringe 7 und 10. Die inneren Kontaktringe 8 und 9 sind an den Stirnflächen vom Leitzylinder 33 ausgeführt, der durch eine Isoliereinlage 34 mit beiden Teilen 31 und 32 des inneren Leitzylinders starr verbunden ist. Der letztere ist durch eine Isoliereinlage 35 mit Buchsen 36 und 37 verbunden, in welchen sich eine Spannvorrichtung 38 befindet, die die genannten Teile zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammenfaßt. Die Buchsen 36 und 37 sitzen in Lagern 29 und 30. deren Außengehäuse sich in den Magnetleitern 20 und 21 befinden, die mit der Ein- und der Ausgangswelle 3 bzw. 4 entsprechend verbunden sind. Beide Wellen 3,4 sitzen in den Lagern 39 bzw. 40. während in den Lagern 27 und 28 koaxial mit den Wellen 3 und 4 die Buchsen 25 und 26 sitzen, welche mit dem Man'.el 41 des Antriebs starr verbunden sind. Der Mantel 41 ist durch einen Zwischenteil 42 mit dem Leitzylinder 33 verbunden und gewährleistet die Verbindung der Anker 1 und 2 beider . Maschinen mit dem Außenantrieb durch die Buchse 25, unabhängig von den Wellen 3 und 4, die mit den Magnetleitern 20 und 21 verbunden sind, !n den Magnetleitern 20 und 21 befinden sich die mit ihnen verbundenen Reaktoren 13 und 14 sowie die Erregerwicklungen 22 und 23. In den Reaktoren 13 und 14 sind sämtliche Außenkontaktringe II, 12, 38, 19 ausgebildet, die entsprechend die inneren Kontaktringe 7, 10, 8, 9 umfassen. Die letzteren sind miteinander paarweise elektrisch verbunden: die Ringe 7 und 10 durch die Anker 1 und 2 und den sie verbindenden inneren Leitzylinder. welcher aus den beiden Teilen 31 und 32 besteht; die Ringe S und S durch den Leitzylinder 33.

Die Befestigung der Anker 1 und 2 beider Maschinen und deren Verbindung mit dem Außenantrieb durch den Mantel 41 und die Buchse 25 ermöglicht ihre gemeinsame Drehung in der gleichen Richtung mit der Welle 3, jedoch mit geringerer Geschwindigkeit.

Der Unterschied zwischen diesem elektrischen Unipolarantrieb und deni elektrischen Unipolarantricb nach Fig. I besteht darin, daß hier die Anker 1 und 2 beider Maschinen verbunden sind und sich gemeinsam mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, während die Eingangswelle 3 durch den Magncfleiter20dcn Reaktor 13 dreht und die Ausgangswcllc 4 mit deiii Magnctlcitcr 21 befestigt ist. Man erhält somit ein Ausgnngsdrchmr>ment vom Reaktor 14.

Im Hinblick darauf, daß im Unipolarantricb nach F ι ρ 2. ebenso wie im t Inipolarantrieb nach F i g. I. /wci Arbeitsstromleiter. je einer von jeder Maschine.

miteinander befestigt sind und vom Außenantrieb gedreht werden, von den miteinander nichtverbundcncn Arbeitsstromleilern beider Maschinen des Antriebs cincF mit ucT r.iiigäffgjwcnü ύίιιί der andere miI der Ausgangswelle des Unipolarantriebs verbunden ist, sämtliche Arbeitsstromleiter beider Maschinen durch mciallflüssige Kontakte in einem gemeinsamen elektrischen Ring verbunden sind, gellen alle oben angeführten Berechnungen, die die Arbeil des elektrischen I Jnipolarantricbs nach F i g. I erläutern, auch für den elektrischen Unipolarantrieb nach Fig. 2.

Der elektrische Unipolarantricb nach Fig. 3 ist folgendere,'ise ausgeführt. Beide Unipolarmaschinen sind wie im Antrieb nach Fig. 2 im Mantel 41 eingeschlossen, der ebenfalls von der Seite der Eingangswelle 3 mit de Buchse 25 endet. Die Buchse 25 sitzt, koaxial mit dieser Welle, im Lager 27. Die Eingangswelle 3 ist mit dem Magnetleiter 20 der ersten Unipolarmaschine starr verbunden und wird mit Hilfe des Lagers 39 zentriert. Von der anderen Seite ist der Mantel 41 am Magnetleiter 21 der zweiten Unipolarmaschine, beispielsweise durch einen Flansch, befestigt. Dieser Magnctleiter ist seinerseits mit der Buchse 26 verbunden, die koaxial mit der Ausgangswellc 4 im Lager 28 angeordnet ist. Die Magnetleiter 20 und 21 enthalten die mit ihnen befestigten Reaktoren 13 und 14 sowie die Erregerwicklungen 22 und 23.

Die Reaktoren 13 und 14 haben die Kontaktringe 11, 12, 18 und 19. die Anker 1 und 2 haben die Kontaktringe 7,8,9 und 10.

Der Reaktor 14 der zweiten Maschine ist zur gemeinsamen Drehung z. B. durch den Zwischenteil 42. für welchen eine gezahnte Scheibe benutzt wird, mit dem Anker 1 der ersten Maschine mechanisch verbunden, der durch die Isoliereinlage 5 mit der Zwischenwelle 43 verbunden ist. welche mit Hilfe der Lager 29 und 44 zentriert wird. Der Anker 2 der zweiten Maschine ist mit der Ausgangswelle 4 durch die Isoliereinlage 6 verbunden. Die Ausgangswelle 4 wird mit Hilfe der Lager 30 zentriert: die Außengehäuse der Lager 29 und 30 sind entsprechend in den Magnetleitern 20 und 21 befestigt.

Im Gegensatz zu den beiden vorher erwähnten Ausführungen ist in diesem elektrischen Unipolarantrieb der Anker 1 der ersten Maschine mit dem Reaktor 14 und dem Magnetleiter 21 der zweiten Maschine verbunden: sie drehen sich gemeinsam vom Außenantrieb durch die Buchse 25. während die Eingangswelle 3 des elektrischen Unipolarantriebs durch den Magnetleiter 20 mit dem Reaktor 13 der ersten Maschine verbunden ist. Die Ausgangswelle 4 ist mit dem Anker 2 der zweiten Maschine befestigt und dreht sich gemeinsam mit ihm.

Diese Unterschiede ändern nicht die Gültiekeitsbe-

dingungen der bei der Beschreibung der Arbeit und Regelung des elektrischen Unipolaranlriebs nach Fig. I oben angeführten Berechnungen, Darum sind sie zur Erläuterung sowohl des Arbcilsprinzips als auch der Regelung des elektrischen Unipolarantriebs nach F i g, 3 ebenfalls anwendbar.

Da sicli sämtliche äußeren und inneren Koniaktringe in dt'n beschriebenen elektrischen Unipolarantrieben in der gleichen Richtung drehen, so wird die relative Geschwindigkeit der sich mit der Welle drehenden Ringe geringer sein als ihre absolute Geschwindigkeit. Darum werden die hydraulischen Verluste in den Kontakten, welche der dritten Potenz der relativen

Geschwindigkeit proportional sind, sehr verringert. Drehen sich beispielsweise zwei miteinander verbundene Leiter der beiden Maschinen halb so schnell wie die Antriebswelle, so werden die hydraulischen Verluste achtfach und darüber herabgesetzt. Außerdem ist in den beschriebenen elektrischen Unipolarantrieben das Gesamtvolumen des flüssigen Metalls in den kontakten der Wirkung der Fliehkräfte ausgesetzt. Darum cmulgierl das Metall praktisch nicht, sein Durchgangswiderstand ist gering, und er wird aus dem Kontaktraum an die Wandflächeri des unbeweglichen Kontaktringes nicht hinausgeschleudert; darum sind die elektrischen Kontaktwiderstandsverluste geringe

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

•09 641/208

Claims

Patentansprüche:

1. Unipolargetriebe aus zwei koaxial zu einem Generator-Motor-System verbundenen Unipolarmaschinen mit metaüflüssigen Kontakten zur elektrischen Verbindung derselben, wobei in jeder Maschine ein eigener magnetischer Kreis gebildet ist und je ein erster Arbeitsstromleiter jeder der Maschinen mit der Eingangs- bzw. der Ausgangswel-Ie verbunden ist und zweite, mit den ersten über Magnetluftspalte zusammenwirkende, mechanisch von außen antreibbare Arbeitsstromleiter beider Maschinen über ein magnetisch nichtleitendes Zwischenstück mechanisch starr verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drehzahl (n\) des mit der Eingangswelle (3) verbundenen ersten Arbeitsstromleiters (1 in Fi g. 1, J3 in F i g. 2,13 in F i g. 3) der ersten Unipolarmaschine und der Drehzahl (nä) der miteinander verbündenenzweiten/ j-beitsstromleiter (13,14/1,2/1,14) ein fest vorgegebenes Drehzahlverhältnis aufrechterhalten wird.

2. Unipolargetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (41), das mit den verbundenen Arbeitsstromltitern verbunden ist und die Bewegung auf diese überträgt.