DE2325707A1

DE2325707A1 - Mittels supraleitung arbeitende elektrische maschine

Info

Publication number: DE2325707A1
Application number: DE2325707A
Authority: DE
Inventors: Jun Joseph L Smith
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1973-05-21
Publication date: 1973-12-13
Also published as: SE389237B; FR2185883B1; FR2185883A1; CA965827A; JPS4956108A; GB1435314A; CH583983A5; US3742265A

Description

DR.-INQ. OIPL.-ING. M. SC. DIPt.-PHVS. D* DIPL. PH^VS.

HÖGER - STELLRECHT- GRiESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 40 079 m a - 123 17.Mai 1973

Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusetts 02139, USA

Mittels Supraleitung arbeitende elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine mittels magnetischer Feldwirkung und unter Ausnutzung der Supraleitung arbeitende elektrische Maschine, vorzugsweise Transformator, Generator, Elektromotor, Synchrongenerator u.dgl., wobei mindestens ein Teil eine Drehbewegung ausführt.

Dm den Umfang der Beschreibung auf einem vertretbaren Umfang

309850/0871

17.Mai 1973

zu halten, erscheint es zweckmäßig, zunächst allgemein zu den Begriffen der Supraleitung und deren Verwendung in elektrischen Maschinenauf folgende Veröffentlichungen sowie Patentanmeldungen hinzuweisen: Aufsatz "The Application of Superconductors in the Field Windings of Large Synchronous Machines", von Woodson und anderen, veröffentlicht in den IEEE Transactions of Power Apparatus and Systems, Band PAS 90, Nr. 2, Juni 1971, die US-Patentanmeldung Ser.No. 166,083 vom 26. Juli 1971, die Doktorarbeit von David L. Luck "Electromechanical and Thermal Effects of Faults Upon Superconducting Generators" in der M.I.T.-Bücherei vom 28. Juni 19 71, die Doktorarbeit von James L. Kirtley "Design and Construction of an Armature of an Alternator with a Superconducting Field Winding", in der "M.I.T.-Bücherei etwa vom 26. Oktober 19 71, die Magisterarbeit von John Paul Kelsey "A Static Analysis of a Synchronous Transformer", in der M.I.T.-Bücherei etwa seit Juni 1972, die Doktorarbeit von David L. Greene "Analysis of a Marine Propulsion System Incorporating Superconducting Electrical Machinery" in der M.I.T.-Bücherei etwa vom 24. Juni 1970, die Magisterarbeit von John H. Murphy "High Vacuum Shaft Seals for a Superconducting Generator" in der M.I.T.-Bücherei etwa seit 25. Februar 1971, die Magisterarbeit von James C. Dudley "Fabrication of "an Armature for a Generator with a Superconducting Rotating Field Winding" in der M.I.T.Bücherei etwa seit 24. Juni 1969 und die Magisterarbeit von W. David Lee "Continuous Transfer of Liquid Helium to a Rotating Dewar" in der M.I.T.-Bücherei etwa seit 10. September 1970.

Die Verwendung von supraleitenden Wicklungen zur Erzeugung eines Feldes bei elektrischen Maschinen vom Drehtyp u.dgl. hat den entscheidenden Vorteil, daß extrem hochintensive magnetische Feldstärken in dem Luftspalt möglieh sind, selbstverständlich begleitet von einigen, sich dadurch ergebenden

309850/0871

A 40 079 ία
a - 123
17.Mai 19 73

Nachteilen. Zuerst sei jeweils genannt, daß die supraleitenden Wicklungen beim gegebenen Stand der Technik zum Leiten eines Wechselstromes ungeeignet sind^ weiterhin ist es schwierig _f eine geeignete mechanische Lagerung für eine supraleitende Wicklung bei einer Drehmaschine vorzusehen, wobei es nichts,destotrotz notwendig ist, die für eine solche Wicklung erforderliche thermische Isolierung vorzusehen»

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es« ausgehend von dem insgesamt genannten Stand der Technik eine elektrische Maschine vorzusehen, die in der Lage ist _t diese genannten, sich ergebenden Nachteile zu umgehen bzw. zu überwinden und die dennoch einen entscheidenden Nutzen zieht aus den sehr hohen magnetischen Feldstärken, die solche supraleitenden Wicklungen zur Verfügung stellen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten elektrischen Maschine und besteht erfindungsgemäß darin, daß ohne die Notwendigkeit des Vorhandenseins eines ferromagnetxschen Kerns zur Erzeugung-eines hochintensiven magnetischen Gleichstromfeldes eine mit einer Energiequelle verbundene, supraleitende Feldwicklung vorgesehen ist, daß im Einflußbereich dieses magnetischen Gleichstromfeldes ein erster, normal leitende Wicklungen aufweisender Anker und ein zweiter, normal leitender, im Spalt zwischen der superleitenden Feldwicklung und dem ersten Anker angeordneter Reaktionsanker vorgesehen ist, wobei die Flußlinien des magnetischen Gleichstromfeldes die Wicklungen des ersten Ankers und leitende Bereiche des zweiten Ankers verketten und die Feldwicklung und mindestens einer der Anker eine relative Winke!verschiebung zueinander durchführen können und die in jedem Anker fließenden Ströme mit dem Gleichstromfeld zur Erzeugung von Reaktionskräften zwischen beiden zusammenwirken, derart, daß die von

309850/0871

17.M ai 1973

dem Strom in dem zweiten Anker erzeugte Reaktionskraft der von dem Strom in dem ersten Anker erzeugten Reaktionskraft entgegenwirkt und daß im wesentlichen alle Reaktionskräfte von den normal leitenden Ankern aufgenommen und die auf die Feldwicklung einv/irkende Reaktionskraft induziert ist.

Die Erfindung ist daher in der Lage, obwohl supraleitenden Wicklungen kein Wechselstrom zugeführt werden kann, unter anderem einen supraleitenden Transformator, einen supraleitenden Induktionsmotor, einen supraleitenden Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, wobei auf das Vorhandensein von Eisenkernen zur Erzeugung der üblichen magnetischen Feldstärken in bekannten Maschinen vollständig verzichtet werden kann, da diese gesamten Anordnungen durch die supraleitende Wicklung ersetzt werden, so daß solche Maschinen auch wesentlich leichter bei gegebenen Nenndaten ausgeführt werden können.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß eine eine entsprechende Reaktion aufnehmende Abschirmung für die supraleitende Maschine geschaffen wird und es gelingt bei elektrischen Maschinen, bei denen mindestens ein Teil eine Drehbewegung ausführt, die elektrische Energie in hohem Maße auf einem relativ schmalem Volumen zu konzentrieren, ohne daß sich, wie weiter vorn schon erwähnt, die Notwendigkeit für die bei üblichen Maschinen verwendeten ferromagnetischen Kerne ergibt.

Die Erfindung besteht also zusammenfassend aus einer elektrischen Drehmaschine od.dgl., bei welcher magnetische Eisenkerne völlig oder nahezu völlig durch eine supraleitende Wicklung ersetzt sind, die für die elektromagnetische Verkettung innerhalb der Maschine ein hohes intensives Feld erzeugt. Dabei ist ein erster Anker, Wicklungsteil .oder allgemein Maschinenelement

309850/0871

A 4O 079 m
a - 123
17.Mai 1973

vorgesehen, welches grundsätzlich bewickelt ist, also Spulen oder Wicklungen trägt und welches bei Erregung ein Ankerfeld entwickelt, das sich relativ zu dem Anker bewegt. Das Feld der supraleitenden Wicklung und das Feld dieses Ankers sind gegeneinander verriegelt bzw_o so verkettet, daß nur eine kleine relative winke!mäßige Verschiebung zwischen beiden möglich ist. Weiterhin ist ein zweiter Anker, eine Hülle oder allgemein bezeichnet, ein Element vorgesehen, welches bewiekelt oder nicht bewickelt sein kann, was von der speziellen Ausgestaltung der Maschine abhängt und welches in dem Spalt zwischen der superleitenden Wicklung und dem gewickelten Element bzw,, Anker angeordnet ist. Dieser zweite Anker führt in ihm induzierte oder sonstwie erzeugte elektrische Ströme, die mit dem Feld in dem Spalt zusammenwirken und verkettet sind, um auf den zweiten Anker gerichtete, mechanische Kräfte zu erzeugen. Diese Kräfte sind Kräfte vom Reaktionstyp und gleich und entgegengesetzt den Reaktionskräften, die bei dem gewickelten Anker auftreten, wodurch sämtliche oder nahezu sämtliche, sich gegebenenfalls auf die supraleitende Wicklung richtende Reaktionskräfte entfernt werden.

Genauer gesagt umfaßt die Erfindung also ein zwei Anker besitzende, supraleitende Maschine, wobei bei einem ersten Ausführungsbeispiel die supraleitende Wicklung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und ein hochintensives magnetisches Feld in dem Luftspalt dieser Maschine erzeugt. In dem Einflußbereich dieses magnetischen Feldes ist ein erster, normal leitender und bewickelter Anker angeordnet, wobei ein zweiter, normal leitender Anker, der je nach dem Ausführungsbeispiel bewickelt oder nicht bewickelt sein kann, in dem Spalt zwischen der supraleitenden Feldwicklung und dem ersten Anker angeordnet ist. Es versteht SiCh₅ daß das Feld der

309850/0871

17. Mai 1973

supraleitenden Wicklung, während deren Spulen durch Stromzuführung erregt sind, mit dem elektrischen Strom in dem ersten Anker zusammenwirken und mit ihm verkettet ist. Das Feld der supraleitenden Wicklung wirkt'jedoch auch mit elektrischen Strömen in dem zweiten Anker zusammen. Der zweite Anker arbeitet hier als Reaktionsanker mit Bezug auf ein solches Feld, um die Reaktion, die von dem ersten Anker herrührt, von der Feldwicklung fernzuhalten bzw. abzuschirmen. Auf diese Weise entwickelt die Maschine ihre Verkettungsdrehmomente zwischen normal leitenden Elementen und es gelingt, die supraleitende Wicklung von solchen Drehmomenten und Momenteinflüssen zu isolieren; dennoch ist jedoch die Größe des aufgrund einer Verkettung und eines Zusammenwirkens sich ergebenden Drehmomentes eine Funktion des hochintensiven Felds der supraleitenden Wicklung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden anhand der Figuren Aufbau^und Wirkungsweise von mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 in einer Schemadarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,wobei insbesondere die Einwirkungen der Feldwicklung auf die beiden Anker dargestellt sind,

Figur 2 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Maschine, die hier als Transformator arbeitet,

3 09850/0871

A 40 079 m

3- "* Xv^ iC· *&p &L y3

17. Mai 1973 " - W

Figur 3 stellt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Figur 2 dar.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindungρ wobei hier ein Elektromotor gebildet ist^

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung näher die Möglichkeiten einer Verwendung des Ausführungsbeispiels der Figur 4 bei einem Schiffsantriebe

Figur 6 zeigt wiederum eine Schemadarstellung in einem Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels„

Figur 7 stellt einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Figur 6 dar.

Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, während

Figur 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Figur 8 zeigt.

In der sich unmittelbar anschließenden Erläuterung der allgemein als elektrische Maschine zu bezeichnenden Ausführungsform wird diese zunächst in Verbindung mit einer Vorrichtung erläutert, die geeignet ist, eine supraleitende transformatorische Arbeit zu leisten, allgemein also als Transformator zu wirken. Bei dieser Vorrichtung befindet sich

309850/0871

A 40 079 m

17. Mai 1973

die superleitende Wicklung auf einem Rotor und dreht sich frei. Der Rotor ist das zentrale Element einer Dreielemente-Einheit, die beiden anderen Elemente sind erste und zweite Armaturen, Leiterschleifen, Wicklungselemente oder Anker im weitesten Sinne dieses Wortes, wobei im folgenden die Bezeichnung Anker weiter verwendet wird. Der erste Anker ist das Arbeitselement dieser Vorrichtung, während der zweite Anker sandwichartig zwischen der supraleitenden Wicklung und dem ersten Anker angeordnet ist. Es versteht sich jedoch, daß offensichtlich die supraleitende Wicklung nicht die zentrale Wicklung oder Windung zusein braucht und daß auch der zweite Anker nicht zwischen der das Feld erzeugenden supraleitenden Wicklung und dem ersten Anker angeordnet sein muß. Allerdings sprechen wirtschaftliche und auch technische Gründe dafür, daß die im folgenden noch genauer beschriebene, spezielle Konfiguration eingehalten wird. An diese Beschreibung schließt sich anschließend eine genauere Erläuterung eines supraleitenden Induktionsmotors, dann eines supraleitenden Gleichstrommotors an; schließlich folgt noch eine Beschreibung eines abgeschirmten, supraleitenden Generators.

Darüberhinaus versteht es sich, daß zwar in der Beschreibung gelegentlich nur auf eine llotorfunktion oder eine Generatorfunktion Bezug genommen wird, die Erfindung jedoch selbstverständlich in beiden Funktionsarten gesehen werden kann.

Die in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigte und mit dem Bezugszeichen 101 versehene Vorrichtung stellt eine elektrische, sich drehende, supraleitende Doppelankermaschine ohne Eisenmagnetkern dar, ein Eisenkern ist weder in dem Ankerbereich noch in dem Feldbereich der Vorrichtung vorhanden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1,2 und 3 arbeitet die dort gezeigte elektrische Maschine als ein Transformator und/oder als Synchronkonverter bzw. als Synchronkondensator (synchronous condenser) und besteht aus folgenden Einzelteilen. Einer supraleitenden Feldwicklung 3,

309850/0871

A 40 079 m

a - 123

17. Mai 1973

die über Gleit- oder Schleifringe 4 und 5 mit einer Gleichspannungsquelle 6 verbunden werden kann (siehe Figur 1)„ um ein hochintensives magnetisches Feld 7 zu erzeugen (in der Größenordnung zwischen etwa 3O₅OOO Gauß bis 60^000 Gauß und darüber) Einen ersten, normal leitenden, vielfach gewickelten Anker 1, der im Einflußbereich des sich drehenden magnetischen Gleichstromfelds 7 der superleitenden Feldwicklung 3 angeordnet ist«, wobei unter dem Begriff des Gleichstromfeldes eine stetige oder konstante Amplitude relativ zu der sich drehenden Feldwicklung zu verstehen ist„ Weiterhin ist dann noch ein zweiter, normal leitender Gegenanker 2 vorgesehen, der in dem Spalt bzw» in dem Raum zwischen der supraleitenden'Feldwicklung 3 und dem ersten Anker 1 angeordnet isto Wie Figur 1 zeigt, verbinden die Flußlinien des Feldes 7 die Wicklungen beider Anker, die in dem'dargestellten Ausführungsbeispiel· Drexphasensysteme darstellen. Die mit dem Bezugszeichen 10 _s 11 und 12 bezeichneten Wicklungen des ersten Ankers sind mit den Wicklungen 13, 14 und 15 des zweiten Ankers elektromagnetisch gekoppelt, ebenso wie mit dem Feld l· der supraleitenden Wicklung, so daß jede. Änderung in dem elektrischen Strom in den Wicklungen des einen Ankers die Tendenz entwickelt, Änderungen des elektrischen Stroms in den Wicklungen des anderen Ankers einzuleiten. Wie durch die in Figur 1 mit 8 gestrichelt ausgeführte Linie angedeutet, sind die Anker 1 und 2 bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 mechanisch miteinander verbunden, es ist jedoch möglich, die winkelmäßige Position der Wicklungen des einen Ankers in Bezug auf den anderen Anker zu verändern, was durch den Doppelpfeil A angedeutet ist, wodurch sich das relative Zeitverhältnis der Ströme ändern läßt^ das bedeutet, daß die zeitmäßige Einstellung der Phase des Ausgangs, der im vorliegenden Fall gebildet ist von dem dreiphasigen Anker 2 in Figur 1„ geändert werden kann mit Bezug auf die zeitmäßige

309850/0871

A 40 079 m

a - 123

17.Mai 1973

Einstellung der Phase des Eingangs, also des dreiphasigen Ankers 1. Mit anderen Worten ist es möglich, den elektrischen Phasenwinkel zwischen den Primär™ und Sekundärv/icklungen des dreiphasigen Transformators 101 zu verändern, was einige enscheidende Vorteile und daraus herrührende, bisher unerreichbare Konsequenzen hat.

Wie erwähnt, stellt der erste Anker 1 den Primärbereich des Transformators 101 dar und kann daher mit einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle verbunden werden. Der zweite Anker 2 ist der Sekundärbereich des Transformators 101 und wird daher mit einer ebenfalls nicht dargestellten Last verbunden. Wie am besten der Figur 3 entnommen werden kann, v/eist der Transformator 101 bei diesem Ausführungsbeispiel eine konzentrische Konfiguration auf, bei welcher die zylinderähnlich ausgebildete Feldwicklung 3 an deren zetralem Teil positioniert _% ist; die Feldwicklung 3 kann sich als freidrehendes Rotorelement um ihre Achse in Lagern 9 und 9A drehen, der erste und der zweite Anker sind ebenfalls in ihrer Form zylinderähnlich ausgebildet und koaxial um die zylindrische Feldwicklung 3 angeordnet. Der elektrische Strom in dem ersten erregten mehrphasigen Anker 1 wirkt mit dem magnetischen Gleichstromfeld des Rotors 3 zusammen bzw. ist mit diesem verkettet und veranlaßt den Rotor_f sich mit synchroner Geschwindigkeit um seine Achse zu drehen. Da das von dem Rotor ausgehende Feld 7 mit der mehrphasigen Wicklung des Ankers 2 verkettet ist, induziert es in deren Spulenwicklungen 13, 14 und 15 Spannungen. Die Größen der induzierten Spannungen sind unter anderem auch eine Funktion der Größe des hochintensiven Gleichstromfelds der supraleitenden Wicklung 3 und können daher auch sehr hoch sein. Bei lastfreiem Abschluß der elektrischen Anschlüsse des dreiphasi=· gen Ankers 2 und bei einem Feldstrom in der Feldwicklung 3 mit Blindleistung Null, ist die Spannung in dem primären Anker 1

309880/0871

Λ 40 079 m

a - 123

17. Mai 1973

an die angeschlossene unendliche Vielfachleitung angepaßt bzw. kommt der Spannung auf den Eingangsleitungen gleich (wobei angenommen sei, daß der Transformator 101 als Abwärtskonverter arbeitet) ,.und die in der sekundären Ankerwicklung induzierte Spannung ist die "!astfreie Leerlaufsekundärspannung» An diesem Punkt stellen die einzigen stetigen mechanischen Kräfte, die auf die supraleitenden Wicklungsspulen der Wicklung 3 einwirken, zentrifugale und eigenraägnetische Kräfte dar. Wie"-weiter unten noch ausgeführt, arbeitet diese Wicklung in einer Hochvakuumeinfassung, die Luftwiderstandeinflüsse ausschaltet? Trägheitskräfte treten lediglich beim Änlaßvorgang und während Übergangszuständen auf, wenn sich die Belastung des Transformators 101 verändert= Bis jetzt ist der Strom in dem säcundären Anker 2 Null und der Strom in dem primären Anker 1 ist der lastfreie _ Strom der Vorrichtung^ wobei eine elektromotorische Rückkraft, also eine Spannung von dem Feld 7 in dem Anker 1 erzeugt wird. Wird nun an die Anschlüsse des sekundären Ankers 2 eine elektrische Belastung angeschlossen„ dann wirkt der in diesen Wicklungen fließende Strom mit dem Feld 7 zusammen und ist mit diesem verkettet, diese Verkettung wird von dem primären Anker 1 abgetastet und verursacht (auf der Basis der bekannten Transformatorgrundregel) einen in diesem fließenden Ausgleichsstrom. Der Strom.in dem Anker 1 ist ebenfalls mit dem Feld 7 verkettet. Die primären und sekundären Ströme erzeugen auf diese Weise Reaktionskräfte zwischen ihrem jeweiligen Anker und dem Feld 7; dabei ist es jedoch so, daß die von dem Strom in dem ersten Anker 1 erzeugte Reaktionskraft genauestens der von dem Ström in dem zweiten Anker 2 erzeugten Reaktionskraft entgegenwirkt, und umgekehrt, so daß es möglich ist, daß sämtliche Reaktionskräfte (anders als die schon erwähnten Übergangskräfte) von den normalerweise leitenden Ankern aufgenommen-werden, wodurch sich die auf die Wicklung 3 ausv/irkenden Reaktionskräfte zu Null reduzieren, und zwar aufgrund der elektrischen Belastung, die an den sekun-

3 09850/0871

A 40 079 m
a - 123
17.Mai 1973

dären Bereich des Transformators 101 angeschlossen ist. Schließlich ist noch eine äußere Wirbelstromabschimmng 22 vorgesehen, die dazu dient/ das sehr hohe magnetische Feld 7 innerhalb der Vorrichtung, d.h. des Transformators 101 zu halten.

Da die sich drehende Feldwicklung 3 während Übergangs zustände ihrer eignen Trägheitskraft sowie der der zugeordneten Teile widerstehen muß, ist es offensichtlich und notwendig, daß die Trägheit des mit dem Bezugszeichen 35 versehenen Rotors minimal gemacht wird. Auf die" Art wie dies durchgeführt v/ird, wird hier jedoch nicht mehr in Einzelheiten eingegangen, da dies unter anderem, beispielsweise in dem weiter vorn schon erwähnten Artikel von Hudson erläutert ist. Es soll jedoch auf einige Aspekte des Rotors eingegangen werden. Der Rotor besteht aus der supraleitenden Wicklung 3, die um eine Schale 16 gewickelt ist, die sich an entgegengesetzten Enden zu Schäften 18 und 19 verengt, die von Lagern 9 und 9A aufgenommen werden. Eine thermische Strahlungsabschirmung 20 und Vakuumräume 17, 28 und 29 dienen zur thermische Isolierung der Wicklung 3. Die mit dem Bezugszeichen 21 versehene Außenseite der Schale 16 erfüllt elektrische Abschirmfunktionen und erfüllt weiterhin noch die Funktion einer Dämpfungswicklung, um durch Induktion ein Beschleunigungsdrehmoment zum Hochdrehen bis nahe an die Synchrongeschwindigkeit zu erzeugen. Dabei wird zur Aufrechterhaltung einer Kälteumgebung um die Wicklung 3 flüssiges Helium durch Übertragungsrohre zugeführt, die durch eine Drehdichtung in einer Leitung ISA in dem Schaft 18 laufen, dies ist näher beschrieben in der weiter vorn schon erwähnten Magisterarbeit von David Lee sov/ie in einer US-Patentanmeldung S.N. 257,640 mit dem Titel "Drehbares Kälteübertragüngs-Relativsysteiji". Der Rotor 35 dient daher als Dewar'sches Gefäß für die Gleichstromwicklung 3, die ein Teil desselben ist, wobei das Dewar¹ sehe Gefäß die Wicklung thermisch isoliert. Es kann jedoch der zwar in etwa nur schematischen Darstellung der Figur 2 entnom-

309850/0871

A 40 O79 m
a - 123
17.Mai 1973

men werden, daß der Rotor in seinem mechanischen Aufbau seiner Natur nach in etwa fragil ist« Es müssen daher sämtliche mechanischen auf die Wicklung 3 einwirkenden Kräfte auf die Lager 9 und 9A über die dünnen Wandbereiche 28Λ und 28B übertragen werden, die zur Reduzierung der Wärmeübertragung auf die Wicklung in ihren Dickenabmessungen minimal gehalten sind» Die elektrischen Zuleitungen zu der supraleitenden Wicklung 3 laufen ebenfalls durch den Durchlaß 18A_O

Die dreiphasigen Wicklungen der Anker 1 und 2 sind vorzugsweise so beschaffenβ wie dies genauer in der schon erwähnten Doktorarbeit von Kirtley beschrieben ist_p dabei kann eine erzwungene ölkühlung und Isolierung durchgeführt werden ρ wie dies in der US-Patentanmeldung S₈H₀ 210,,08S erwähnt ist«, Selbstverständlich kann jede oder können beide Ankerwicklungen in ihrem Aufbau auch von üblicherer Art sein» Tatsächlich arbeiten sämtliche der in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Elemente _t einschließlich der Lager 9 und 9Α<? der Anker I und 2 usw. bei Raumtemperatur, wozu noch der Ärbeitstemperaturanstieg kommt, sie können daher in adäquater Weise mechanisch gelagert und gehalten sein, um den sehr hohen mechanischen, bei der Verwendung der Vorrichtung auftretenden Spannungen zu widerstehen.

Ist an den dreiphasigen sekundären Anker 2 eine elektrische Last

entangeschlossen, dann wickelt der darin fließende Strom die Neigung, die winkelmäßige Geschwindigkeit der Wicklung 3 aufgrund eines negativen Drehmoments zu verlangsamen, was eine Nacheilung dieses Feldes 7 hinter dem Feld des Ankers 1 verursacht. Dies verursacht einen Stromanstieg in den den Strom des Ankers 1 führenden Leitern, um die Drehgeschwindigkeit der Rotorwicklung 3 aufgrund eines positiven Drehmomentes aufrechtzuerhalten, welches genau das durch die ansteigende Be-

309850/0871

A 40 O79 m 0 Q *) £ »7 η Τ

17.Mai 1973 - J4

lastung im Anker 2 erzeugte und ausgeübte negative Drehmoment überwindet und diesem gleich ist«, Tatsächlich verhalten sich die Rotorwicklung 3 und der Anker 2 als Synchrongenerator und die Rotorwicklung 3 und der Anker 1 als Synchronmotor* Das Nettodrehmoment in der Rotorwicklung 3 ist, abgesehen von Übergangs zuständen, Null« Wenn der Transformator 101 untererregt läuft oder betrieben wird, ergibt sich bei ihm eine Nettoblind-"leistung und er ist induktiv? läuft der Transformator bzw. die ihn darstellende elektrische Maschine übererregt, dann ist der Mettoblindwert, also die^Nettoreaktanz kapazitiv. Die Maschine 101 kombiniert somit die Funktion eines Transformators raid die Funktion eines Synchronkonäensators^, - Weiter vorn ist schon darauf hingewiesen worden, daß die winkelmäßige Position der Wicklungen der Anker i und 2 verändert werden kann, indem der eine zum anderen ma einen Bogen A verschoben werden kann. Dies macht eine kontrollierbare Leistungsübertragung zwischen ' den beiden Leistungssystemen möglich, unabhängig von dem relativen elektrischen Phasenwinkel zwischen den beiden Systemen. Die relativen Positionen können durch geeignete Getriebe oder Üntersetzurigsmittel eines der beiden Anker verändert werden, eine Positionsänderung kann dabei von einem Servo-Mechanismus durchgeführt werden«, Da für die Zwecke vorliegender Erfindung eine Erläuterung der Durchführung solcher Systeme nicht notwendig ist und da mechanische Mittel und Anordnungen., um eine solche winkelmäßige Verschiebung durchzuführen, an sich bekannt sind, ist ein weiteres Eingehen hierauf nicht notwendig; die Folgen einer Veränderung solcher relativer Winkelpositionen der Anker 1 und 2 sind jedoch genauer^diskutiert in der schon erwähnten Magisterarbeit von Kelsey.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte supraleitende Synchronkondensator (oder-transformator) 101 kann durch Ersetzen des Ankers 2 durch eine drehbare Widerstandswicklung oder durch

309850/0871

A 40 079 m

a - 123

17. März 1973

eine leitende Hülle in einen Induktionsmotor umgewandelt werden, wie dies der Darstellung der Figur 4 entnommen werden kann, wobei die drehbare Widerstandswicklung oder leitende Hülle mit dem Bezugszeichen 2' versehen ist„ um darzulegen, daß deren Funktion ähnlich der des Ankers 2 ist, die Umstände sich jedoch verändert haben. In der Darstellung der Figur 4 sowie in den weiteren Figuren sind den Elementen _f die die gleiche Funktion wie in den vorne schon erläuterten Systemen erfüllen, zu diesen identische Bezugszeichen gegeben _f lediglich die Elemente, die sich ihrem Wesen nach verändert-haben, sind mit unterschiedlichen Bezugszeichen versehen* gelegentlich hat es sich jedoch als praktisch erwiesen_/diese neuen Bezugszeichen dadurch zu gewinnen, daß die älteren mit Beistrichen versehen sind»

Der in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 101" bezeichneten Induktionsmaschine ist über eine Welle 23A eine Belastung zugeführt worden. Der Anker ist wiederum dreiphasig (muß jedoch selbstverständlich nicht dreiphasig ausgelegt sein) und wird von einer äußeren elektrischen Energiequelle erregt ₀ um, wie weiter vorn schon, die supraleitende Wicklung 3 mit Synchrongeschwindigkeit anzutreiben₀ Der Anker 2'' (der eine Wicklung sein kann, ähnlich der üblicher gewickelter Rotormotoren/ der eine leitende Hülle oder ein Kurzschlußanker oder Käfigläufer sein kann), dreht sich ohne Lasteinwirkung ebenfalls mit Synchrongeschwindigkeit und beeinflußt daher nicht die synchrone Kondensatorwirkung der Maschine. Wenn der Feldstrom für eine Blindleistung Null eingestellt wird, dann ist die in dem Anker 1 (d«h. dem Stator) induzierte Spannung angepaßt der Leitungsspannung bzw. gleicht die verkettete Spannung aus. Wird der Welle 23A des Induktionsmotors 101' jedoch ein Drehmoment auferlegt bzw. wird die Welle belastet, dann entwickelt sich zwischen der Induktionswicklung 2' und dem Feld 3 ein Schlupf, der in der Induktionswicklung zum Antrieb der Last einen ausreichenden Strom

309850 /-0 871

Λ 4Ο Ο79 m

17.Mai 1373 23257Q7

induziert. Als Folge der induzierten Ströme tritt zwischen dem Drehfeld und der Leitungsspannung, die auf den Anker 1 gegeben ist, eine Phasenverschiebung auf, so daß der Anker 1 der Anschlußleitung Leistung entnimmt. Wiederum ist das in dem Anker 2¹ entwickelte Drehmoment,(um den Belastungserfordernissen zu genügen) ausgeglichen von einem gleichen, jedoch entgegengesetzten Drehmoment des Ankers 1 (dessen Funktion jeweils das des Rotors oder Stators eines konventionellen Induktionsmotors ist). Dabei ist jedoch wiederum die Größe des agierenden und reagierenden (d.h. des einwirkenden und des rückwirkenden)Drehmoments · eine Funktion des sehr hochintensiven magnetischen Feldes der superleitenden Wicklung 3.

Die Welle 18 erstreckt sich, wie Figur 4 zeigt, nach außen und weist Gleitringe 4 und 5 auf, denen von einer Gleichspannungsquelle 6 über Leitungen 25 Energie zugeführt wird. Der Anker 2", gebildet von einer Hülle oder Schale, reduziert sich an dem einen Ende, wie gezeigt, zur Bildung der Welle 23A und an einem anderen Ende zur Bildung der Welle 23, die js.wei.ls in Lagern 24A und 24 gelagert sind. Der Anker 2'¹ ist, 'wie ebenfalls gezeigt, bewickelt, um über weitere Gleitringe 27 die Einführung von in Reihe geschalteten Widerständen 26 zu ermöglichen, um Änderungen in den.Drehmomenteigenschaften des Ankers 2 zu bewirken. Im Endeffekt handelt es sich bei dieser Maschine um einen Synchronkondensator mit einer Wirbelstromkupplung, die auf den Luftspaltfluß ein Drehmoment ausübt. Da sowohl das Feld als auch die Wirbelstromwicklung rotiert, ist die dem Luftspaltfluß entzogene Leistung gleich dem Luftspaltdrehmoment multipliziert mit der Geschwindigkeit der Wirbelstromwicklung (d.h. des Ankers 2^r). Der Rotor 35 ist innerhalb des Hohlraums ,103 angeordnet, dieser ist mit geeigneten Dichtungen ausgestattet und evakuiert; die Abschirmung 2O der Figur 4 kann auch die Funktion einer Dämpfungswicklung erfüllen.

309850/0871

A 40 079 m

17. Mai 1973 " - W

Wie Figur 5 zeigt, kann dieser synchrone Induktionsmotor 101 einem Schiffsantriebssystem 102 zugeordnet werden. Bei dem in Figur 5 dargestellten System treibt ein Hochgeschwindigkeits-Primäranstrieb 30 (eine Turbine) einen Hochgeschwindigkeits-Synchrongenerator oder einen Generator 31 über eine Welle 32 an. Der Generator 31 sollte eine kleine Anzahl von Polpaaren aufweisen. Die Wechselstromleistung wird dem synchronen Induktionsmotor 101' über eine Sammelschiene 34 übermittelt. Die Statorwicklung 1 hat ausreichend mehr Polpaare als der Generator 31, um eine Synchrongeschwindigkeit zu erzeugen, die etwas oberhalb der Höchstgeschwindigkeit der Schiffsschraube 33 liegt. Die sidi freidrehende, supraleitende Feldwicklung 3 läuft mit der Synchrongeschwindigkeit des Motors, In Figur 5 bezeichnet das Bezugszeichen 35 einen ROtOr₄, der die superleitende Wicklung 3 trägt sowie eine normal leitende,Dämpfungswicklung, die nicht dargestellt ist. Die WeIlenleistung sum Antrieb der Schiffsschraube X'/ird an der Induktionswicklung 2⁸ abgenommen, die mit einer Geschwindigkeit unterhalb der Synchrongeschwindigkeit läuft. Um .die der Schiffsschraube 3 zugeführte Leistung zu kontrollieren, sind zwei Möglichkeiten vorhanden«. Für einen gegebenen Schlupf des Motors kann das Drehmoment durch Veränderung des Luftspaltflusses des Motors verändert werden_e Dies kann durch Veränderung des Erregerstroms sowohl fürden Motor 101* als auch den Generator 31 in proportionaler Weise durchgeführt v/erden, so daß die Spannungen geändert werden? wobei die Motor- und Generatorspannungen weiter angepaßt bzw. gleich sind, der Generator 31 wird dabei, wie gezeigt,? ebenfalls von der Spannungsquelle 6 erregt. Dies würde der Äns.chlußspannungsregelung einer üblichen Induktionsmaschine entsprechen« Für große Schlupfgeschwindigkeit können die externen Rotorwiderstände geändert v/erden, um bevorzugtere und günstigere Drehmoment-Schlupfverhältnisse zu gewinnen.

3Q98SQ/Q-871

A 4O 079 m
a - 123

1973 ⁴^⁴⁰ ^/U/ - 1Λ -

4$

Das in Figur 5 gezeigte System ist auch für dynamisches Bremsen geeignet» Wird die Anschlußschiene 34 von dem Generator 31 getrennt und mit einer nicht dargestellten Widerstandsbank verbunden, dann wird das von dem Synchronrotor 3 erzeugte Feld von dem Induktionsanker 2¹ gedreht. Bei negativem Schlupf wird der Schraube mechanische Leistung entzogen und die in dem Stator 1 erzeugte elektrische Leistung wird in der Widerstandsbank vernichtet. Der Motor arbeitet dann als Induktionsgenerator. Durch Veränderung des Feldstromes und/oder durch Veränderung des Widerstandes der äußeren Widerstände 26 kann das Bremsdrehmoment kontrolliert werden»

Ist die Vorwärtsgeschwindigkeit bis zu einem solchen Ausmaß redoziert _g daß die Schraubengeschwindigkeit zu langsam für angemessenes Bremsen ist_P dann kann der in Figur 5 dargestellte Motor 101' durch Verbinden, der Anschlußschiene 34 mit dem Generator mit umgekehrter Phasenfolge reversiert werden. Vor dem umgekehrten Wiederanschluß sind der Feldstrom und damit die Änschlußspannungen sowohl des Motors 101^! als des Generators 31 Null. Wird dann der Feldstrom des Generators 31 langsam erhöht, dann hält die Dämpfungswicklung des Synchronrotors 35 den Rotor an und beschleunigt ihn dann in umgekehrter Drehrichtung auf nahe die Synchrongeschwindigkeit. Wird die Erregung der supraleitenden Wicklung 3 auf'dem Rotor 35 langsam erhöht, dann wird der Rotor in Phase gezogen. Während des Reversiervorganges bleibt die Wicklung des Ankers 2* offen, also freilaufend, so daß sich die Schraube des Schiffes freidrehte Wird der Anker 2' über die externen Widerstände 26 dann geschlossen ^ dann empfängt die Schraube 33 ein Rückdrehraomento Wird das Rückdrehmoment durch Erregung oder durch Widerstandskontrolle verstärkt, kann die Schraube angehalten und reversiert werdenο Die Gesamtarbeitsweise des in Figur 5 dargestell-

17.Mai 1973 - IS

ten elektrischen Schiffsantriebs besteht aus einem synchronen, mit konstantem Verhältnis arbeitenden, elektrischen Untersetzungsgetriebe, welches die Wellenwinkelgeschwindigkeit reduziert und das Drehmoment in entsprechendem Verhältnis erhöht.«, Der. Schraube wird das Drehmoment über eine Wirbelstromkupplung zugeführt, die den von dem mit langsamer Geschwindigkeit drehenden Synchronrotor 25 erzeugten hochintensiven Fluß verwendet,, Das System 102 verwendet daher Maschinen, die äußerst kompakt und leistungsfähig sind, da es sich hierbei um supraleitende Synchronmaschinen handelt. Die Wirbelstromkupplung (d.hu der Anker 2') ist ebenfalls extrem kompakt, da ste den von der supraleitenden Feldwicklung 3 erzeugten hochmagnetischen Flpß verwendete

Das System 102 kann auch in einer umgekehrten Konfiguration verwendet werden, wobei ein supraleitender Induktionsgenerator von einer primären Bewegungsquelle 30 angetrieben wird und wobei ein supraleitender,, vielpoliger Motor die Schraube antreiifc, Bei dieser Konfiguration würde der Primärantrieb die Induktionswicklung im Generator mit einem negativen Schlupf relativ zu der freidrehenden synchronen Feldwicklung antreiben» Der freie Generatorrotor und die Schraube würden gegeneinander verriegelt mit dem synchronen Geschwindigkeitsverhältnis laufen. Diese Konfiguration könnte noch kompakter sein, wenn die Feldstärke und die Spitzengeschwindigkeit in dem Generator höher sein würden als in dem Motor.

Bei jeder dieser Möglichkeiten liegt jedoch ein Hauptvorteil dieses Wechselstromantriebsystems darin, daß es in dem Hauptleistungskreis keine die Leistung konditionierende Ausrüstung benötigt. Das System kann mit üblichen kräftigen Erregungsappaturen und Schaltvorrichtungen bzw. Schaltgeräten betrieb-en werden. Wie bei anderen Wechselstromsystemen können die Spannungen

3U985070871

A 40 079 m - _Ä

17. Mai 1973

HO

hoch genug sein, um die Abmessungen der Leiter klein zu halten.

Anstelle der in dem Block 26A enthaltenden Widerstände 26 kann dieser auch eine getrennte Wechselspannungsquelle der Frequenz f„ enthalten, die über die Gleitringe 27 mit den den Anker 2* ausmachenden Wicklungen oder Spulen verbunden ist. Die Winkelgeschwindigkeit des Ankers 2' v/ird dann unter diesen Umständen eine Funktion sein entweder der Summen- oder Differenzfrequenzen einer dem Anker 1 zugeführten Eingangsfrequenz f und der Frequenz f_, in Abhängigkeit ob entweder Wechselspannungsleistung von der Quelle mit der Frequenz f~ abgezogen v/ird, ober ob von dem Anker 2' 'der Wechselspannungsquelle Wechselspannungsleistung mit der Frequenz f„ zugeführt wird.

Die in den Figuren 6 und 7 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 101'' gezeigte Apparatur, stellt eine kommutierte, also umgepolte Gleichstrommaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung dar. Kurz zusammengefaßt befindet sich die in diesen beiden Figuren mit 3' bezeichnete supraleitende Feldwicklung auf dem Stator und ist innerhalb des Dewar'sehen Gefäßes 104 angeordnet. Der normal-leitende Realetionsanker ist mit zv/ei 2'¹ bezeichnet und befindet sich ebenfalls auf dem Stator. Der erste Anker ist mit 1* bezeichnet und stellt den Rotor der Maschine 101" dar. Wiederum hat die einen Motor darstellende Maschine 101" kein ferromagnetisches Material in dem magnetischen Kreis, kann jedoch von einer magnetischen Abschirmung 22 umgeben sein, wenn das Gleichstromfeld der superleitenden Wicklung 3' innerhalb der Abmessungen der Maschine gehalten werden muß. Das bedeutet, daß der Bedarf für einen ferromagnetischen Kern bei sämtlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung eliminiert ist, es kann jedoch einiges magnetisches Material in einigen Bereichen des Magnetkreises

0/0871

A 40 079 m

a - 123

17.Mai 1973 - .2*

verwendet v/erden, beispielsweise für die magnetische Abschirmung 22. Wiederum sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel die für den Antrieb einer Last benötigten/agierenden und reagierenden Drehmomente, d.h. die Aktion- Reaktiondrehmomente von den normal leitenden Ankern l^und 2'_f wie gleich erläutert wird, äufgenommen.

Bei dem Motor 101"' ist die superleitende Feldwicklung 3¹ im Raum, {d.h. auf dem Stator der Maschine) stationär angeordnet und stellt die äußerste der drei grundlegenden Elemente dar, die die in den Figuren 6 und 7 dargestellte Maschine ausmachen? der erste Anker 1" ist das innerste der drei Elemente und frei drehbar angeordnet und über eine Welle 40 mit einer anzutreibenden Last verbunden. Der zweite Anker 2^!l ist zwischen disen beiden anderen Elementen sandwichartig angeordnet und ebenfalls im Raum, d.h. auf dem Stator der Maschine stationär angeordnet. Der erste Anker enthält Wicklungen oder Spulen (die die Spulen einer üblichen Gleichstrommaschine sein können, die jedoch vorzugsweise modifizierte Spulen darstellen, um eine geeignete Kühlwirkung zu entfalten und um der Abwesenheit eines Ankerkerns Rechnung zu tragen). Diese Spulen oder Wicklungen sind über Bürsten 41 und 41A mit .einem Kollektor oder Kommutator 42 verbunden. Der zv/eite Anker 2* enthält Spufen, die elektrisch mit den Spulen des ersten Ankers identisch sind und diese Spulen sind ebenfalls über die Bürsten 41 und 4IA mit dem Kollektor verbunden. Auf diese Weise sind die die beiden Anker ausmachenden Spulen in Reihe geschaltet und. es können auch in dieser Schaltung einstellbare Reihenwiderstände vorgesehen sein. Wie weiter vorne schon wirken elektrische Ströme in den beiden Ankern mit dem hochintensiven Gleichstromfeld 7 zusammen bzw. sind damit verkettet, idealerweise liegt jedoch die Aktion-Reaktionswirkung wieder zwischen den normal leitenden Ankern 1' und 2'', so daß das Reaktionsdrehmoraent auf den Anker 1'

-309850/0871

A 40 O79 m

von dem Anker 2¹ aufgenommen ist und das Reaktionsdrehmoment auf die supraleitende Feldwicklung 3' stark reduziert oder zu Null reduziert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren und 7 kann der zweite Anker 2¹ auch ein drehbares Element sein, wobei die Verbindung zu dem Anker 1' durch weitere Bürsten und einen weiteren Kollektor erfolgt. Auch kann, wie dies für konventionellere Gleichstromraaschinen zutrifft, das in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel als Gleichstromgenerator mit den gleichen Vorteilen verwendet werden, wie dies für einen Gleichstrommotor zutrifft.

Die in der Figur 8 dargestellte Maschine 101"° stellt einen Synchrongenerator dar, ähnlich dem in der Doktorarbeit von Kirtley beschriebenen, mit der Ausnahme, daß zwischen der mit dem Bezugszeichen 3^5!· versehenen Feldwicklung urxidem ersten Anker I¹¹ ein leitender Träger schalenförmiger Anker 2¹¹¹ zwischengeordnet ist, der frei drehend ist und daher unter normalen Bedingungen mit der gleichen Geschv/indigkeit wie die Feldwicklung 3'¹ dreht. Im Falle eines Fehlers in der Schaltung des ersten Ankers I^s * oder in der hiermit verbundenen Last (die Maschine 1Ol ''' stellt einen Synchrongenerator dar, der an eine elektrische Last angeschlossen werden kann) verriegelt bzw. rastet das mit dem Anker I¹¹ verkettete Feld in die Wicklung l'¹ an der Position des Feldes ein, wenn die Fehlbedingung aufgetreten ist. Die mechanische Trägheit des Rotors 35' veranlaßt diesen jedoch, sich gegen das große Drehmoment { 7 bis 10 Mal soviel wie das volle Lastdrehmoment) zu drehen, welches notwendig ist, um die magnetischen Pole der Feldwicklung 3'' von den durch den Fehler in die Ankerwicklung eingerasteten Magnetpole wegzuziehen. Das Drehmoment erreicht nach einer Drehung von 90° ein Maximum, Nach einer 180°-Drehung sind die Pole entgegengesetzt und das Drehmoment

A 40 079 m
a - 123
17.Mai 1973

geht, auf Null. Jenseits der 180 -Drehung ziehen sich die Pole an und ein beschleunigendes Drehmoment entwickelt die Tendenz einer Drehgeschwindigkeitssteigerung, bis eine vollständige Umdrehung durchgeführt ist, woraufhin der Zyklus wiederum beginnt.

Bei der Maschine 101'"' jedoch wirkt sich das Fehldrehmoment auf die leitende Schale 2''' aus. In der anfänglichen ersten halben Umdrehung nach dem Fehler kommt die zum Auseinanderzielien der Magnetpole benötigte Energie von der kinetischen Drehenergie der Schale 2¹¹¹, was die Schale geringfügig verlangsamt, in der zweiten halben Umdrehung ziehen sich die Pole an und die Schale wird auf ihre ursprüngliche Drehgeschwindigkeit zurückbeschleiinigt.

Die Schale 2⁸"ist zusammengesetzt aus einer elektrischen Abschirmung und/oder einer Dämpfungsschale„ wie sie in der weiter vorn erwähnten Doktorarbeit von Luck beschrieben isto Zusätzlich dazu muß die Ankerschale 2'"" jedoch eine angemessene Trägheit haben und.muß sich relativ zu der Feldwicklung 3^ia frei drehen, wenn sie diesen starken Wechscldrehmomenten unterworfen ist, die bei der Maschinenfrequenz während Fehlern oder Fehlzuständen auftreten. Die Lagerung zwischen der Feldwicklung 3¹¹ und der Trägheitsschale/elektrische Abschirmung 2⁹'* ist so ausgelegt, daß die falschen Drehmomente die Schale relativ zu dem Rotor bewegen und dass der größte Teil des Drehmoments gegen die Schale 2¹¹¹ wirkt und ihren winkelmäßigen Drall bzw. ihr Winkelmoment verändert, derart, daß nur ein kleiner Bruchteil dieses Drehmoments über die Lagerung auf die Feldwicklung 3¹¹ übertragen wird. Um dies durchzuführen, ist der zweite Anker bzw. diese Schale 2^l!t an ihren Enden 50 und 5OA über Lager 51 und 5IA gelagert, die eine freie Drehung der Schale ermöglichen. Die Trägheitsschale ist groß genug, so daß die relative Verschiebung zwischen der Schale 2''''und der Feldwicklung 3"

HU9850/0871

A 40 079 m

relativ klein ist? so wird nur ein kleiner Bruchteil des falschen Drehmoments durch die elektromechanxsehe Zwischenwirkung oder Verkettung, die dem magnetischen Feld der Feldwicklung 3¹¹ zugeordnet ist, auf dieser Feldwicklung 3¹' übertragen.

Die Lagerung der Trägheitsschale kann verschiedentlich durchgeführt werden. Ist die Lagerung eine Torsionsfeder, dann muß die natürliche Frequenz, d.h'. die Eigenfrequenz dieser Lagerung beträchtlich geringer sein als die Maschinenfrequenz, jedoch ausreichend über der Schwingfrequenz des Generatorrotors liegen. Irgendeine mechanische Dämpfung zwischen dem Rotor 35* und der Schale 2¹¹¹ ist ebenfalls erwünscht. Der untere Grenzwert der Eigenfrequenz ist durch das Erfordernis bestimmt, daß die Schale als Dämpfungswicklung für.Maschinen-Rotorschwingungen oder Pendelungen dienen muß. Dies erfordert, daß der Rotor 35' und die Schale 2¹¹¹ im wesentlichen als steife Einheit wirken, wenn der Rotor während der Übergangsschv/ingungen oder Pendelungen beschleunigt und verzögert.

Auf der anderen Seite kann die Schalenaufhängung bzw. Lagerung eine ein plastisches Element um-fassende Kupplung sein, wobei diese Kupplung auf der Höhe der für die Maschinendämpfung und für die Abschirmung des..'iaschinenrotors von negativen FoI-

^ Denotlgüen Drehmomente ^

gen und höheren harmonischen FeldernAsteif ist, jedoch unter ernsthaften Fehlbedingungen aufgrund einer plastischen Abscherung drehbar ist. Ein weiches Metall,wie beispielsweise Indium oder andere Metalle oder Kunststoffe,können hier als Scherelement verwendet v/erden.

Der Vorteil dieser Methode des Fehlerschutzes ist darin zu sehen, daß die großen Torsionskräfte direkt auf die Trägheitswirkung der leitenden Abschirmung übertragen v/erden, welche die Spiegel- oder Bildströme führt, die durch den Fehlstrom

3Ü9850/0871

A 40 079 πι

a — 123

17.Mai 1973 232S7Q7 -

ar

in dem Anker bzw. den Wicklung^ elementen verursacht sind. Mit diesem Trägheitsschalen-Schutz ist es nicht notwendig, daß die hohen Fehlerdrehmomente über die Schale auf die Maschinenwelle und die Maschinanwelle entlang übertragen werden, um die Trägheit, der primären Bewegungsquelle zu beschleunigen. Das bedeutet, daß die Dämpfungsschale und die Maschinenv/elle nicht mit Bezug auf FehIerdrehmomente entworfen werden müssen, sondern nur für das Drehmoment des ein geschwungenen Zustandes, d.h. für statisches Drehmoment.

Es versteht sich auch im Hinblick auf die weiter vorn schon gemachten Ausfüllrungen, daß die besonderen, in den Äusführungsbeispielen beschriebenen Gestaltungen bevorzugte Ausbildungen nach dem gegenwärtigen Stand der Technik darstellen, daß jedoch eine unterschiedliche Positionierung verschiedener Elemente (beispielsweise Austausch der stationären und der rotierenden Elemente) Veränderung der Form und Position (beispielsweise Ersatz der konzentrischen, ineinandergebauten Konfiguration mit einer konzentrischen, angrenzenden Konfiguration, wenn beispielsweise die drei Elemente in der Form von Scheiben und weniger als längliche zylindrische Konfiguration, wie dargestellt, ausgebildet sind, sich möglicherweise auch als vorteilhaft erweisen könntenund deshalb zu späteren Zeitpunkten erwünscht sind. Es versteht sich daher, daß die Beschreibung im weitesten Sinne zu verstehen ist und auch Äquivalente und Gleichwerte sowie Umkehrungen des Wirkungsprinzips innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen.

309850/0871

Claims

A 40 079 m a - 123 17.Mai 1973 Patentansprüche :

1. !Mittels magnetischer Feldwirkung und unter Ausnutzung der Supraleitung arbeitende, elektrische Maschine, vorzugsweise Transformator, Generator, Elektromotor, Synchrongenerator u.dgl., wobei mindestens ein Teil eine Drehbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß ohne die Notwendigkeit des Vorhandenseins eines ferromagnetischen Kerns zur Erzeugung eines hochintensiven magnetischen Gleichstromfeldes (7) eine mit einer Energiequelle (6) verbundene, supraleitende Feldwicklung (3, 3', 3¹¹) vorgesehen ist, daß im Einflußbereich dieses magnetischen Gleichstromfeldes (7) ein erster, normal leitende Wicklungen (10, 11, 12) aufweisender Anker (1, l',l^ir) und ein zweiter, normal leitender, im Spalt zwischen der superleitenden Feldwicklung und dem ersten Anker angeordneter Reaktionsanker (2, 2¹, 2¹*, 2¹¹¹) vorgesehen ist, wobei die Flußlinien des magnetischen Gleichstromfeldes (7) die Wicklungen (10, 11, 12) des ersten Ankers und leitende BeisLche des zweiten Ankers verketten und die Feldwicklung (3, 3*, 3¹¹) und mindestens einer der Anker eine relative Winkelverschiebung zueinander durchführen können und die in jedem Anker fließenden Ströme mit dem Gleichstromfeld (7) zur Erzeugung von Reaktionskräften zwischen beiden zusammenwirken, derart, daß die von dem Strom in dem zweiten Anker (2, 2¹, 2'¹, 2¹¹¹) erzeugte Reaktionskraft der von dem Strom in dem ersten Anker erzeugten Reaktionskraft entgegenwirkt und daß im wesentlichen alle \Reaktionskräfte von den normal leitenden Ankern aufgenommen und die auf die Feldvficklung einwirkende Reaktionskraft reduziert ist.

30S850/0871

A 40 079 m

17. Mai 1973 23257Q7 - t

2. Maschine nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß sowohl erster (1, I¹, I¹¹JaIs auch zweiter Anker (2, 2', 2¹¹, 2¹¹¹) mehrphasige, miteinander elektromagnetisch verkettete Wicklungen (10, 11, 12? 13,14, 15) aufweisen, derart, daß jede Stromänderung in den Wicklungen des einen Ankers eine Stromänderung in den Wicklungen des anderen Ankers induziert, und daß der erste und der zweite Anker mechanisch miteinander verbunden sind. ,

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Anker (1) den Primärteil eines Transformators

und
(1O1) darstellt/mit einer elektrischen Eingangsenergiequelle verbunden ist, daß der zweite Anker (2) den Sekundärteil des Transformators bildet^ daß der Transformator (101) eine konzentrische Konfiguration aufweist^ wobei sich die in ihrer Form einem Zylinder ähnlich ausgebildete Feldwicklung (3) im Zentrum der konzentrischen Anordnung befindet und um ihre Achse (18_r 19) in Form eines freidrehbaren Rotors (35) drehbar ist und daß erster und zweiter Anker (1, 2) in ihrer Form ebenfalls zylinderähnlich ausgebildet und koaxial um die zylindrische Feldwicklung (3) angeordnet sind, daß der erste, mehrphasige Anker (1) bei Erregung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes eine synchrone Umdrehung der Feldwicklung (3) bewirkt, wobei im Drehfeld eine erste elektromotorische Rückkraft in dem ersten Anker induzierbar ist und durch Zusammenwirken des Drehfeldes mit den mehrphasigen Wicklungen (13, 14, 15) des zweiten Ankers (2) in diesen Wicklungen Spannungen erzeugbar sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei konzentrische und koaxial zueinander angeordnete Zylindrische Elemente (Feldwicklung 3, Anker 1 und 2)

;< U 9 850/08 7 1. .

A 40 079 m

17.Mai 1973 23257Q7

Xt

vorgesehen sind und daß der zweite (2) und der erste Anker CD in dieser Folge nach außen von der Feldwicklung (3) aus angeordnet sind.

5. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Feldwicklung (3) und zweiter Anker (2¹) frei drehbar und der erste mehrphasige Wechselstromwicklungen aufweisende Anker (1) stationär angeordnet sind, daß bei Erregung des ersten Ankers die darin fließenden Ströme mit dem hochintensiven Gleichstromfeld (7) zur Bewirkung einer synchronen Drehung der Feldwicklung (3) zusammenwirken und daß dessen GfeichstromdrehfeId derart mit leitenden Bereichen des zweiten Bereiches (2) verkettet ist, daß eine Drehbewegung desselben und der ihm zugeordneten Ausgangswelle (23A) zur Mitnahme einer äußeren Drehbelastung hervorgerufen ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anker (2¹¹) bewickelt ist und seine Wickelspulen über Schleifringe" (27) mit gegebenenfalls veränderbaren Widerständen (26) in Reihe geschaltet sind, derart, daß die Drehmomenteigenschaften der Maschine verändert v/erden können.

7. Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schleifringe (27) des zweiten Ankers (2¹¹) eine getrennte Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, derart, daß die winkelmäßige Drehgeschwindigkeit dieses zweiten Ankers eine Funktion entweder der Summe oder der Differenz der Frequenz der getrennten Wechselspannungsquelle und der Frequenz der den ersten Anker (1) speisenden Wechselspannungsquelle (31) ist.

309850/0871

A 40 079 m

a - 123

17. Mai 1973

8. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anker (2¹¹) ein Kurzschlüßanker oder Käfigläufer ist.

9. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anker eine leitende zylindrische Schale ist, die aufgrund der Verkettung zwischen dem magnetischen Drehfeld (7) und den in der Schale induzierten Wirbelströme zu einer Drehbewegung veranlaßt ist.

10. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Wicklung (3¹) stationär angeordnet und das äußerste der drei Elemente (Anker 1 und 2 und Feldwicklung) darstellt, daß der erste Anker (1) das inneste der koaxialen Elemente ist und über eine Welle (40) frei drehbar angeordnet ist und daß der zweite Anker (-2¹¹) sandwich artig zitfischen den beiden anderen Elementen stationär angeordnet ist, die Wickelspulen des ersten Ankers mit einem Kommutator (42) verbunden sind,der Teil des drehbaren ersten Ankers (1'5 isii daß die Wickelspulen des zweiten Ankers (2") über Bürsten (41) elektrisch mit dem Kommutator (42) verbunden sind so, daß die Wicklungen des ersten Ankers (l^r) mit den Wicklungen des zweiten Ankers (2') in Reihe geschaltet sind.

11. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die als innerste der drei konzentrisch ineinander gebauten Elemente angeordnete Feldwicklung (3·¹) über eine Welle zur Durchführung einer Drehbewegung mit einer primären Bev/egungsquelle verbunden ist.

309850/0871

A 40 079 m

a - 123 * * * -»

17.Mai 1973 2325707 _ χ

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anker (I¹¹) die mehrphasige Wicklung eines mit einer elektrischen Last zu verbindenden Synchrongenerators darstellt.

13. Maschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anker (2¹¹¹) gebildet ist von einer leitenden Hülle oder Schale, die zur Durchführung einer relativen Winkelbev/egung zu der Feldwicklung (3¹¹') auf deren Welle befestigt ist.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment des die Hülle oder Schale bildenden zweiten Ankers (2¹¹¹) so ausreichend groß bemessen ist, daß im Falle eines elektrischen Fehleri^der Schaltung des ersten Ankers (1 '¹J die relative Verschiebung, zwischen dem zweiten Anker (2¹¹¹) und der sich drehenden

Feldwicklung (3¹¹) verhältnismäßig gering ist, wodurch aufgrund der elektromagnetischen Verkettung zwischen dem Feld des Ankerfehlstroms und dem während des Fehlers von dem Feld des Ankerfehlstroms in der Schale induzierten Stromes der gesamte oder ein wesentlicher Teil des auf den Fehler zurückzuführenden Wechselstroms absorbiert wird.

15. Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anker (2'") eine leitende, sich auf der Welle der Feldwicklung frei drehende, träge Schale ist.

16. Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fehler aufgrund der elektromagnetischen Verkettung zwischen dem Feld des Ankerfehlstroms und den während des Fehlers in der Schale induzierten elektrischen Strome

das gesamte oder ein wesentlicher Teil des wechselnden Fehl drehmomentes absorbierbar ist.
. 309850/0871

Leerseite