DE2320072C3 - Unipolargetriebe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Unipolargetriebe aus zwei koaxial zu einem Generator-Motor-System miteinander verbundenen elektrischen Unipolarmaschinen, deren jede aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, sich mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehenden Arbeitsstromleitern besteht, an deren Enden Flüssigmetallkontakte vorgesehen sind. Ein solches Getriebe ist bereits vorgeschlagen worden (deutsche Patentanmeldung P 22 21 544.7-32). Elektrische Maschinen mit flüssigmetallenen Kontakten sind auch noch aus der schweizerischen Patentschrift 73 630 und der britischen Patentschrift 8 19 529 bekannt.

Bei solchen Maschinen kann die Förderung und Aufrechterhaltung des Umlaufs des Flüssigmetalls problematisch werden und komplizierte Maßnahmen erfordern.

Dies gilt insbesondere auch beim Anlaufen der Maschine, wo die Funktion von der Füllung der Kontaktrinnen mit Flüssigmetall abhängt. Es kommt darauf an, das Niveau des Flüssigmetalls bei beliebigen Betriebszuständen möglichst konstant auf der erforderlichen Höhe zu halten.

Es ist zwar aus der deutschen Auslegeschrift 1181 795 bei einer Maschine mit flüssigmetallenen Kontakten bekannt, Strömungskanäle vorzusehen, in denen die Kontaktflüssigkeit unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft strömt, jedoch kann diese bekannte. Ausbildung nicht zu dem Problem der Kontaktauffüllung und Flüssigkeitszirkulation bei einem Unipolargetriebe der vorausgesetzten, früher vorgeschlagenen Ausbildung

ίο beitragen, weil bei ihr die Zentrifugalkraft immer nur eine Förderung des Flüssigmetalls nach außen bewirken kann, während es vorliegend notwendig wird, eine Flüssigkeitsbewegung entgegen der Wirkung der Zentrifugalkraft, nämlich nach innen, zu erzeugen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Unipolargetriebe der eingangs genannten Bauart zu schaffen, bei dem die Füllung der Kontaktrinnen mit dem Flüssigmetall und dessen Zirkulation ohne großen konstruktiven Aufwand gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß Stauelemente zur Anhebung des Flüssigmetalls auf ein radial weiter innen Hegendes Niveau mittels des Staudrucks, der beim Eintauchen des äußeren Endes des Stauelements in einen unterschiedlich schnell umlaufenden, in einer Ringnut gehaltenen Flüssigmetallvorrat entsteht, wobei mindestens ein erstes Stauelement in einem innerhalb de? Gehäuses schneller als dieses umlaufenden Körper eingebaut ist, mit seinem äußeren Ende in eine im Gehäuse ausgebildete Ringnut eintaucht und das Flüssigmetall in eine Ringnut befördert, in die mindestens ein zweites Stauelement mit seinem äußeren Ende eintaucht, welches in einem Teil eingebaut ist, das langsamer als der Körper umläuft

Es kann dabei zweckmäßig sein, daß das erste Stauelement oder die ersten Stauelemente im Generatoreisenkörper und das zweite Stauelement oder die zweiten Stauelemente im die Anker von Generator und Motor bildenden Teil eingebaut sind.
Bei einer anderen Ausführungsform kann es auch zweckmäßig sein, daß das ersie Staueiement oder die ersten Stauelemente im Generatoreisenkörper und das zweite Stauelement oder die zweiten Staiielemente im Motorinduktor eingebaut sind, welcher zusammen mit dem Generatoranker umläuft. Bei dieser Ausbildung ist es eine zweckmäßige Weiterbildung, wenigstens ein drittes Stauelement vorzusehen, welches im Generatoranker eingebaut ist und Flüssigmetall zu einem Ringkontakt zwischen den Ankern von Generator und Motor fördert.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäß elektrische Unipolar-Kraftübertragung mit einer Einrichtung zur Förderung des flüssigen Metalls zu den flüssigmetallenen Ringkontakten,

F i g. 2 eine andere Variante der erfindungsgemäßen elektrischen Unipolar-Kraftübertragung,

F i g. 3 einen Schnitt der Maschine nach F i g. I durch

bo die Linie HI-III,

F i g. 4 einen Schnitt der Maschine nach F i g. 1 durch die Linie IV-IV₁

F i g. 5 einen Schnitt der Maschine nach F i g. 1 durch die Linie V-V.

μ Die vorgeschlagene Unipolar-Kraftübertragung besteht aus zwe' miteinander fluchtend angeordneten Unipolarmaschinen mit flüssigmetallenen Kontakten, die miteinander zu einem Generator-Motor-Systern

verbunden sind,

Jede Maschine der Kraftübertragung hat je zwei Betriebsstromleiter: einen Anker und einen Reaktor,

Bei der elektrischen Unipolar-Kraftübertragung gemäß F i g. 1 sind die Anker 1 und 2 der beiden Maschinen durch einen Innenleiterzylinder 3 untereinander verbunden. Dieser ist von einem Außenleiterzylinder 4 umfaßt, der Innenkontaktringe 5,6 aufweist. Die Anker 1 und 2 weisen wiederum Innenkontaktringe 7,8 auf. Der Innen- 3 und der Außenleiterzylinder 4 sind durch eine isolierende Zwischenlage 9 voneinander getrennt Der Innenleiterzylinder 3 ist über eine weitere isolierende Zwischenlage 10 mit Halbachsen 11,12 fest verbunden. Durch das Innere der Halbachsen ist eine Spannschraube 13 gelegt, die die angegebenen Teile zu einer Einheit verbindet Die Halbachsen 11 und 12 sind in Lagern 14 und 15 gelagert, deren Außenringe man in die Eisenkörper 16 und 17 einbaut Der Generatoreisenkörper 16 ist mit der Eingangswelle 18, der Motoreisenkörper 17 mit der Ausgangswelle 19 verbunden. Die beiden Wellen 18 und 19 sind von einem Lager 20 bzw. 21 geführt, deren Außenringe in Buchsen 22, 23 fest eingebaut sind. Die letzteren ruhen in Lagern 24,25 und sind fluchtend mit den Wellen 18, 19 angeordnet. Die Außenringe der Lager 24, 25 sind in Ständern 26, 27 befestigt, die das Gewicht der Kraftübertragung aufnehmen.

Die Buchsen 22, 23 sind mit dem Gehäuse 28 der Kraftübertragung fest verbunden. Isolierende Zwischenlagen 29,30 und ein Zwischenteil 31 übernehmen die Verbindung des Außenleiterzylinders 4 mit dem Gehäuse 28 der Kraftübertragung, das seinerseits die Verbindung der Anker 1 und 2 der beiden Maschinen zu einem Außenantrieb, und zwar über die Buchse 22, schafft

In den Eisenkörpern 16 und 17 untergebracht und mit diesen verbunden sind die Arbeitsstromleiter bildenden Reaktoren 32, 33, die jeweils einen üblicherweise ferromagnetischen Hohlzylinder darstellen, der koaxial zu dem Anker 1 bzw. 2 liegt Der Reaktor 32 weist Außenkontaktringe 34 und 35 auf, die jeweils den Innenkontaktring 7 bzw. 5 umfassen. Ebenfalls hat der Reaktor 33 Außenkontaktringe 36 und 37, die jeweils den Innenkontaktring 6 bzw. 8 umfassen.

In den Eisenkörpern 16 und 17 sind auch noch Erregerwicklungen 38 und 39 untergebracht. Die vorgeschlagene Unipolar-Kraftübertragung ist mit einer Einrichtung zur Förderung des flüssigen Metalls zu den erwähnten Ringkoutakten und zur Aufrechterhaltung seines Umlaufs versehen.

Diese Einrichtung enthält Stauelemente, deren eines das Rohr 40 (F i g. 3) ist, das am Eisenkörper 16 befestigt wird.

Das Stauende des Rohres 40 taucht in einen Hohlraum 41 (Fig 1, 2) ein, der eine Ringdrehung auf der Innenfläche des Gehäuses 28 darstellt. Mit ihrer Austrittskante mündet das Rohr 40 in einer Ringnut 42, ausgespart im Eisenkörper 16.

Das zweite Stauelement stellt ebenfalls ein Rohr 43 dar, das mit dem Außenleiterzylinder 4 verbunden wird. Die Eintrittskante des Rohres 43 liegt in der Ringnut 42, während die Austrittskante in einen Ringhohlraum 44, eingearbeitet im Außenleiterzylinder 4, mündet.

Der Ringhohlraum 44 ist über Kanäle 45 mit den flüssigmetallenen Ringkontakten verbunden, die jeweils von einem Innenkontaktring 5 bzw. 6 einerseits und von einem Außenkontaktring 35 bzw. 36 andererseits eebildet sind.

Die Verbindung eines der Außenkontaktringe 35 bzw.

36 mit dem entsprechenden Außenkontaktring 34 bzw.

37 erfolgt jeweils durch einen Kanal 46 (siehe auch F i g. 4) bzw. 47, der im Reaktor 32 bzw. 33 ausgespart ist

Die Außenkontaktringe 34, 37 sind über Kanäle 48 (siehe auch Fig.5) und 49 mit dem Hohlraum verbunden, der von der Innenfläche des Gehäuses 28 begrenzt ist

in Die elektrische Unipolar-Kraftübertragung gemäß F i g. 2 ist wie folgt ausgeführt Die beiden Unipolarmaschinen sind wie bei der Kraftübertragung gemäß F i g. t in einem Gehäuse 28 untergebracht das auf der Seite der Eingangswelle 18 ebenfalls mit einer Buchse 22 endet, welche in einem Lager 24 ruht und fluchtend mit der erwähnten Welle 18 liegt die mit dem Eisenkörper 16 der ersten Unipolarmaschine fest verbunden und von einem Lager 20 geführt ist Auf der anderen Seite ist das Gehäuse 28 am Eisenkörper 17 der zweiten Unipolarmaschine befestigt, wozu ein Flansch 50 vorgesehen ist Der Eisenkörper 17 ist wiederum mi' einer Euchse 23 verbunden, die in einem Lager 25 ruht und fluchtend mit der Ausgangswelle 19 angeordnet ist. Die Eisenkörper 16 und 17 enthalten mit ihnen zusammengebaute > Reaktoren 32 und 33, sowie Erregerwicklungen 3h und 39.

Die Reaktoren 32 und 33 weisen Kontaktringe 34,35 bzw. 36,37 und die Anker 1 und 2 Kontaktringe 7,5 bzw. 6,8 auf.

jo Der Reaktor 33 der zweiten Maschi.ie ist über ein Zwischenteil 51, als welches eine Zahnscheibe verwendet wird, mit dem Anker 1 der ersten Maschine formschlüssig, und zwar drehfest, der Anker seinerseits über eine isolierende Zwischenlage 52 mit einer

Ji Zwischenweile 53, geführt von zwei Lagern 14 und 54, verbunden. Über eine weitere isolierende Zwischenlage 55 ist die Verbindung des Ankers 2 der zweiten Maschine mit der Ausgangswelle 19 zustandegebracht Die Ausgangswelle 19 ist von einem Lager 15 geführt.

4n Der Außenring der Lager 14 und 15 ist jeweils im Eisenkörper 16 bzw. 17 befestigt.

D.e Einrichtung zur Förderung des flüssigen Metalls für die Maschine gemäß F i g. 2, unterscheidet sich von derjenigen, in der Maschine gemäß F i g. 1, dadurch, daß

4^r> das Stauelement der zweiten Stufe, d. h. das Rohr 43, mit dem Reaktor 33 verbunden ist und seine Austrittskante in einem ringförmigen Hohlraum 56 liegt, der im gleichen Reaktor ausgeführt ist.

Der Ringhohlraum 56 ist mit den flüssigmetallenen

>o Kontakten, gebildet von den Kontaktringen 35—36 und 18—37, über Kanäle 57,59 verbunden, die im Reaktor 33 vorgesehen sind. Darüber hinaus gibt es noch ein Stauelement, das für die zweite Stufe vorgesehen ist und ein ir^;t dem Anker 1 verbundenes Rohr 59 darstellt, dessen Eintrittskante in den Hohlraum des Außenkontaktringes 34 eintaucht, während dessen Austritt über einen Kanal 60 mit dem fiüssigmetallenen Kontakt verbunden ist, der von den Ringen 5 und 6 gebildet ist.

Die Funktion der elektrischen Unipolar-Kraftübertragung gemäß F i g. 1 läßt sich wie folgt darstellen.

Von der Eingangswelle 18 aus überträgt sich die Drehbewegung auf den Eisenkörper 16, mit d^m der Reaktor 32 fest verbunden ist. Gleichzeitig überträgt die Buchse 22 die Drehbewegung auf das Gehäuse 28, von

h ι der sie die miteinander verbundenen Anker 1 und 2 über die isolierenden Zwischenlagen 29, 30 und das Zwischenteil 31 erhalten. Dabei ist die Umlaufgeschwindigkeit des Eisenkörpers 16 höher, als diejenige der

miteinander verbundenen Anker 1 und 2.

Der durch die Generatorerregerwicklung .38 fließende Strom erzeugt einen Magnetfluß durch den Eisenkörper 16. Bedingt durch die Umlaufgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem mit dem Eisenkörper 16 zusammengebauten Reaktor 32 und Anker 1 entsteht /wischen den Stirnflächen des letzteren eine Potentialdifferenz. Dabei fließt der elektrische Strom im folgenden Kreis:

Generatoranker I — Kontaktring 7 — Kontaktring 34 — Generatorreaktor 32 —
Kontaktring 35 — Kontaktring 5 —
Aiißenleiterzylinder4 — Kontaktring 6 —
Kontaktring 36 — Motorreaktor 33 —
Kontaktring 37 — Kontaktring 8 —
Motoranker 2 — Innenleiterzylinder3 —
Generatoranker 1.

Beim Fließen eines Stromes durch die Generatorerregerwicklung 39 erzeugt das Zusammenspiel des Magnetfeldes im Motoreisenkörper 17 und des Ankerstromes eine gegenseitige Rotation des Ankers 2 und Reaktors 33. Auf Grund der festen Verbindung des Reaktors 33 mit der Ausgangswelle 19, die über den Eisenkörper 17 zustandekommt, wird eine Regelung der Umlaufgeschwindigkeit und des Drehmomentes an der Ausgangswelle über das Stromverhältnis zwischen Generator- 38 und Motorerregerwicklung 39 möglich.

Das Auffüllen der Ringkontakte der Unipolar-Kraftübertragung mit dem flüssigen Metall und dessen Umlauf vollzieht sich folgenderweise.

Ins Gehäuse 28 der Unipolar-Kraftübertragung füllt man flüssiges Metall in gewünschter Menge ein. Später verteilt es sich, wenn das Gehäuse 28 sich zu drehen beginnt, unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte über die äußersten Partien der Innenfläche des Gehäuses 28 und füllt den Hohlraum 41, der durch die Ringaussparung in dem Gehäuse entstanden ist. Auf Grund der geringeren Umlaufgeschwindigkeit des Gehäuses 28 gegenüber derjenigen des Eisenkörpers 16 und des in diesem eingebauten gebogenen Rohres 40 entsteht am Eintritt des letzteren ein dynamischer Druck, unter dessen Einwirkung das flüssige Metall in die Ringnut 42. eingearbeitet im Eisenkörper 16. eingepumpt wird.

Die Größe des dynamischen Druckes errechnet sich nach der Formel:

Aus der Bedingung einer Gleichheit dieser Drücke ergibt sich der Kleinsthalbmesser, auf den die erste Einrichtungsstiifedas flüssige Metall pumpen kann:

- -if

Hierin bedeuten

Ri Halbmesser, auf dem die Mitte der Eintrittskante des Rohres 40 liegt;

ω . Winkelgeschwindigkeit des Rohres 40;
ω 2 Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses 28;
γ spezifisches Gewicht des flüssigen Metalls;
g Erdbeschleunigung.

Gleichzeitig wirkt auf das im Rohr befindliche Metall die Zentrifugalkraft, die den Druck

erzeugt wobei mit /?2 der Halbmesser bezeichnet ist, auf dem die Austrittskante des Rohres 40 liegt

«2²»

b/w. nach einer Vereinfachung:

Rf (,,., -,M₂P = „,f (Rf-Rf).

Ausgehend von der Bedingung, nach der zur Optimierung der Kraftübertragungsfunktion die Beziehung Wi =2 0)2 erfüllt sein sollte, kann man den Kleinsthalbmesser zu

„ _ ! 3

ermitteln.

Um das flüssige Metall näher zur Achse der Unipolar-Kraftübertragung zu fördern, wird noch eine Druckstufe vorgesehen.

Aus der Ringnut 42 wird das flüssige Metall unter Einwirkung des hydrodynamischen Druckes durch das gebogene Rohr 43 in den ringförmigen Hohlraum 44. ausgefüh·: in dem AuQenleiterzylinder 4, gefördert. Der hydrodynamische Druck entsteht dadurch, daß ein Stauelement (das Rohr 43), fest verbunden mit dem Außenleiterzylinder 4 und also mit den Ankern 1, 2 der Unipolar-Kraftübertragung, langsamer als der Eisenkörper 16 rotiert, in dem die Ringnut 42 ausgespart ist.

Aus dem Hohlraum 44 zwingen die Zentrifugalkräfte das flüssige Metall durcK die Kanäle 45 r.u den Kontakten, gebildet von den Kontaktringen 5,35 und 6, 36, zu fließen. Diese Kontakte sind ihrerseits über die Kanäle 46, 47 mit dem anderen Kontaktpaar, das von den Kontaktringen 7, 34 und 8, 37 gebildet sind, verbunden. Aus diesen wild das überschüssige Flüssigmetall von den Zentrifugalkräften in den von der Innenfläche des Gehäuses 28 begrenzten Hohlraum weggedrängt wohin es durch die Kanäle 48,49 gelangt. Die letzteren dienen für die Kontakte als Flüssigmetallstandregler.

Die elektrische Unipolar-Kraftübertragung gemäß F i g. 2 funktioniert wie folgt.

Wie bei der Kraftübertragung gemäß F i g. I wird hier die Welle 18 mit einer größeren, die Buchse 22 mit einer geringeren Umlaufgeschwindigkeit angetrieben. Das Gehäuse ist jedoch mit dem Motoreisenkörpc 17 verbunden, dessen Reaktor 33 seinerseits mit dem Generatoranker 1 zusammengebaut ist Die für die Kraftübertragung gemäß F i g. 1 kennzeichnende Ar beitsweise bleibt hier erhalten, jedoch ändert die andere Konstruktion den Betriebsstromkreis, der sich .hier folgenderweise gestaltet:

Generatoranker 1 — Kontaktring 7 —
Kontaktring 34 — Generatorreaktor 32 — Kontaktring 35 — Kontaktring 36 — Motorreaktor 33 — Kontaktring 37 —
Kontaktring 8 — Motoranker 2 —
Kontaktring 6 — Kontaktring 5 — Generatoranker 1.

Außerdem ist bei der Kraftübertragung mit dei Ausgangswelle 19 der Motoranker 2 verbunden.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 erfolgt die Förderung des flüssigen Metalls zu den Kontakten, gebildet von den Kontaktringen 7, 34; 35, 36; 8, 37, und Regelung dessen Standes genauso, wie bei der Kraftübertragung gemäß Fig. I. Zu dem von den Kontaktringen 5, 6 gebildeten Kontakt aber wird das flüssige Metall, um einem Kurzschluß vorzubeugen, durch eii·..: besondere Druckstufe gepumpt.

Diese Pumpstufe stellt das gebogene Rohr 59 dar, das im Generatoranker I befestigt und über einen Kanal 60 mit dem Kontaktring 5 verbunden ist. Der hydrodyna mische Druck, unter dessen Einfluß das flüssige Metall zu dem angegebenen Kontakt gelangt, entsteht dadurch, daß das Rohr 59 sich langsamer dreht, als der Außenring

34, verbunden mit dem Eisenkörper 16.

Somit erfolgt sowohl im Falle der ersten, als auch im Falle der zweiten von den beschriebenen elektrischen Unipolar-Kraftübertragungen bei sich drehender Eingangswelle ein automatisches Füllen sämtlicher Kontakte mit flüssigem Metall. Dies macht die Funktion der Kraftübertragung bei einem beliebigen Betriebszustand einschließlich Ingangsetzen stabil.

Außerdem stellt die beschriebene Einrichtung zur Förderung des flüssigen Metalls zu den flüssigmetallenen Kontakten dessen Umlauf sicher, wobei das flüssige Metall als Wärmeträger dient, der die Wärme von den Stellen ihrer stärksten Entwicklung wegbringt.

M ic r/u 3 iikitt

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Unipolargetriebe aus zwei koaxial zu einem Generator-Motor-System miteinander verbundenen elektrischen Unipolarmaschinen, deren jede aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, sich mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehenden Arbeitsstromleitern besteht, an deren Enden Flüssigmetallkontakte vorgesehen sind, gekennzeichnet durclh Stauelemente (40, 43; 59) zur Anhebung von Flüssigmetall auf ein radial weiter innen liegendes Niveau mittels des Staudrucks, der beim Eintauchen des äußeren Endes des Stauelements in einen unterschiedlich schnell umlaufenden, in einer Ringnut (41, 42) gehaltenen Flüssigmetallvorrat entsteht, wobei mindestens ein erstes Stauelement (40) in einem innerhalb des Gehäuses (28) schneller als dieses umlaufenden Körper (16) eingebaut ist, mit seinem äußeren Ende in eine im Gehäuse ausgebildete Ringnut (41) eintaucht und das Flüssigmetali in eine Ringnut (42) befördert, in die mindestens ein zweites Stauelement (43) mit seinem äußeren Ende eintaucht, welches in einem Teil (4; 33) eingebaut ist, das langsamer als der Körper (16) umläuft.

2. Unipolargetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das/die ersten Stauelemente (40) im Generatoreisenkörper (116) und das/die zweiten Stauelemente (43) im die Anker (1, 2) von Generator und Motor bildenden Teil eingebaut sind.

3. Unipolargetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das/die ersten Stauelemente (40) im Generatoireiseiikörpe? (J6) und das/die zweiten Stauelemenie (4?) im Motorinduktor (33) eingebaut sind, welcher zusamme:· mit dem Generatoranker (1) umlauf t.

4. Unipolargetriebe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch wenigstens ein drittes Stauelement (59), welches im Generatoranker (1) eingebaut ist und Flüssigmetall zu einem Ringkontakt (5/6) zwischen den Ankern (1, 2) von Generator und Motor fördert.