DE2326595C3 - Unipolarmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Unipolarmaschine mit wenigstens zwei, jeweils elektrisch miteinander in Verbindung stehenden, scheibenförmigen Läufern, in deren einem eine zur Richtung nach größeren Radien hin und in deren anderem eine in Richtung zur Achse hin gerichtete Spannung induziert wird, und bei der die Stromabnahme wenigstens teilweise an Läuferwellen erfolgt.

Zur Zuführung oder Abnahme starker Ströme zu bzw. von schnell rotierenden Maschinenteilen, beispielsweise Unipolarmaschinenläufern, wurde bereits eine elektrische Kontakteinrichtung vorgeschlagen, bei welcher eine aus festen Stoffen bestehende, um eine Achse rotierende Kontaktrolle längs eines rotierenden Kontaktflüssigkeitsringes abrollt, der aus einer gut elektrisch leitenden Flüssigkeit, wie beispielsweise Quecksilber oder flüssiges Natriumkalium, besteht und durch Fliehkraftwirkung in einer rotierenden, am Läuferumfang der Unipolarmaschine angebrachten Rinne gehalten wiird. Die Umfangsgeschwindigkeit der möglichst durch einen eigenen Antrieb gesondert angetriebenen Kontaktrolle und die Geschwindigkeit am inneren Umfang des Kontaktflüssigkeitsringes werden dabei gleich groß oder nahezu gleich groß gehalten.

Fiüssigkeitskontakte haben insbesondere den Vorteil eines geringen elektrischen Widerstandes. Im Vergleich zu den Hertzschen Berührungsflächen normaler Kontakte sind nämlich bei Flüssigkeitskontakten die Berührungsflächen der Kontaktglieder mit der Kontaktflüssigkeit verhältnismäßig großflächig und erlauben eine Stromleitung über makroskopische Kontaktgliedoberflächenteile. Dadurch treten geringere Frittspdnnungen auf, und es können unzulässige lokale Erwärmungen an den Kontaktgliedoberflächen vermieden werden. Diese Vorteile lassen sich bei der vorgeschlagenen elektrischen Kontakteinrichtung wegen des geringen Rollreibungskoeffizienten ausnutzen, ohne daß nennenswerte Reibungsverluste entstehen, wie sie bei den bekannten Flüssigkeitskontakten auftreten, bei denen ein rotierender Kontaktflüssigkeitsring an einem in ihn längs seines ganzen Umfanges eintauchenden ortsfesten Kontaktring entlanggleitet.

Die vorgeschlagene, einen in einer Rinne am Läuferumfang gehaltenen Kontaktflüssigkeitsring aufweisende Kontakteinrichtung hat bei ihrer Verwendung in Unipolarmaschinen jedoch den Nachteil, daß entweder ein erheblicher Teil des Maschinenläufers zur Spannungserzeugung nicht voll ausgenützt werden kann, oder daß in den rotierenden Kontaktscheiben durch Streufelder Wirbelstromverluste entstehen.

Eine weitere Unipolarmaschine ist der österreichischen Patentschrift 2 848 zu entnehmen. Bei dieser bekannten Maschine werden in zwei, in einer Ebene liegenden scheibenförmigen Ankern Spannungen induziert, die in der einen Scheibe radial nach außen und in der anderen Scheibe radial nach innen gerichtet sind, wobei die Stromabnahme an den Wellen der beiden Scheiben geschieht.

Eine direkte leitende Verbindung zwischen den beiden Scheiben wird dadurch erreicht, daß diese an ihrem Umfang aneinanderliegen. Der erzeugte Strom wird mittels Schleifkontakten an den beiden Wellen der Scheiben abgenommen. Der Reibungswiderstand an der Berührungsstelle der beiden Scheiben ist jedoch verhältnismäßig groß, so daß die Umdrehungsgeschwindigkeiten der Scheiben entsprechend begrenzt sind. Außerdem sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um ein exaktes Anliegen der Scheiben in allen Geschwindigkeitsbereichen zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die aus der österreichischen Patentschrift bekannte Unipolarmaschine dahingehend zu verbessern, daß die genannten Schwierigkeiten vermieden werden.
Dabei sollen insbesondere durch eine Verwendung von Flüssigkeitskontakten deren Vorteile ausgenutzt werden.

Diese Aufgabe wird für eine Unipolarmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß je zwei Läufer über einen sie umfassenden, rotierenden, durch Fliehkraftwirkung gehaltenen Kontaktflüssigkeitsring miteinander elektrisch in Verbindung stehen, an dem sie mit der Umfangsgeschwindigkeit des Kontaktflüssigkeitsringes gleicher oder nahezu gleicher Umfangsgeschwindigkeit abrollen.

Zur Einstellung einer gleichen oder nahezu gleichen Umfangsgeschwindigkeit kann der Kontaktflüssigkeitsring vorteilhaft einen eigenen, gesonderten Antrieb aufweisen.
Zur Kompensation des durch den Läuferstrom erzeugten Magnetfeldes können bei der Unipolarmaschine ferner vorteilhaft geometrisch zu den beweglichen, stromdurchflossenen Maschinenteilen ähnlicr geformte Maschinenteile in unmittelbarer Nachbar schaft zu den stromdurchflossenen beweglichen Maschi nenteilen ortsfest derart angeordnet sein, daß sie von Maschinenstrom in umgekehrter Richtung wie di< beweglichen Maschinenteile durchflossen werden.
Ferner kann vorteilhaft auf den rotierenden Kontakt

riüssifkeitsringen eine ebenfalls durch Fliehkraft gehaltene "Schutzflüssigkeit geringerer Dichtv: vorgesehen

Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt .

Fiel eine beispielhafte Ausfuhrungsform einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die in Fig. Ί dargestellte Unipolarmaschine entlang der Schnittlinie 11-11,

Fig.3 e'^ne andere beispielhafte Ausführungsform einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt durch die in Fig. 4 dargestellte Unipolarmaschine entlang der Schnittlinie V-V,

F i g. 6 eine bevorzugte Ausführungsform des Flüssigkeitskontaktes bei einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung,

F i g. 7 einen Schnitt durch den in F i g. 6 dargestellten Flüssigkeitskontakt entlang der Schnittlinie VII-VII.

Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Unipolarmaschine wird in einem aus einem stählernen Joch 1 und einer Platte 2 gebildeten magnetischen Kreis durch den in einer Erregerwicklung 3 fließenden Strom ein Magnet- »$ fluß Φ erzeugt. Dieser Magnetfluß durchsetzt in Luftspalten zwischen dem Joch 1 und der Platte 2 angeordnete, durch Motoren gleichsinnig angetriebene Maschinenläuferscheiben 4 und 5, so daß in ihnen radial nach außen bzw. radial nach innen gerichtete elektrische *> Spannungen induziert werden. Die mit ihren Wellen 6 und 7 elektrisch gut leitend verbundenen Maschinenläuferscheiben 4 und 5 rollen dabei an einem sie beide umfassenden Kontaktflüssigkeitsring 8 ab, wobei sie etwas in ihn eintauchen. Der Kontaktflüssigkeitsring 8 )5 wird durch Fliehkraft in der Rinne 9 eines gesondert angetriebenen glockenförmigen Bauteiles 10 gehalten und besitzt an seinem inneren Umfang die gleiche oder nahezu die gleiche Umfangsgeschwindigkeit wie die Maschinenläuferscheiben 4 und 5.

Wird an die Enden der Wellen 6 und 7 über entsprechende Schleif- oder Flüssigkeitskontakte Π und 12 ein äußerer Stromkreis angeschlossen, so fließt ein Strom / in den durch Pfeile angedeuteten Richtungen über den Kontakt 11, die Läuferwelle 6 und die Läuferscheibe 4 zum Kontaktflüssigkeitsring 8. Über den Kontaktflüssigkeitsring 8 und gegebenenfalls das glockenförmige Bauteil 10 fließt der Strom dann zur Läuferscheibe 5, in dieser nach innen zur Läufe-welle 7 und über den Kontakt 12 über den Außenkreis zurück zum Kontakt 11.

Die Läuferwellen 6 und 7 sind in Lagern 13,14 und 15, 16 gelagert und gegen das Joch 1 und die Platte 2 des magnetischen Kreises beispielsweise durch die Isolierteile 17 und 18 elektrisch isoliert. Der in Lagern 19 gelagerte glockenförmige Maschinenteil 10 wird separat über eine Welle 20 mit einer solchen Tourenzahl angetrieben, daß die Umfangsgeschwindigkeit V₁ des Kontaktflüssigkeitsringes 8 mit der Umfangsgeschwindigkeit V₂ der Maschinenläufer 4 und 5 völlig oder nahezu völlig übereinstimmt. Zwischen dem Kontaktflüssigkeitsring 8 und den Maschinenläufern 4 und 5 herrscht dann praktisch keine gleitende sondern nur rollende Reibung.

Die Unipolarmaschine, die sowohl als Unipolarmotor f>5 als auch als Unipolargenerator verwendet werden kann, läßt sich beispielsweise auch mit vier Läuferscheiben ausbilden, von denen je zwei miteinander mechanisch fest verbunden und ebenso wie ihre Wellen elektrisch gegeneinander isoliert sind. Eine entsprechende Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind jeweils zwei Läuferscheiben 21 und 22 bzw. 23 und 24 sowie die zugehörigen Wellen 25 und 26 bzw. 27 und 28 mechanisch fest miteinander verbunden, aber durch elektrische Isolationen 29 und 30 bzw. 31 und 32 elektrisch gegeneinander isoliert. Die Läuferscheibe 21 ist mit der Läuferscheibe 23 über einen Kontaklflüssigkeitsring 33 und die Läuferscheibe 22 mit der Läuferscheibe 24 über einen Kontaktflüssigkeitsring 34 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktflüssigkeitsringe 33 und 34 werden in den Rinnen 35 und 36 eines rotierenden glockenförmigen Bauteiles 37 durch Fliehkraft festgehalten und sind durch eine elektrische Isolation 38 gegeneinander isoliert. Die Wellen 25 und 26 sind in den Lagern 39 und 40, die Wellen 27 und 28 in den Lagern 41 und 42 gelagert. Die Welle 43 des glockenförmigen Bauteiles 37 ist in Lagern 44 gelagert. Die Läuferscheiben 21 und 22 bzw. 23 und 24 und das glockenförmige Bauteil 37 werden wiederum mit solchen Drehzahlen angetrieben, daß die Umfangsgeschwindigkeiten der Kontaktflüssigkeitsringe 33 und 34 ganz oder nahezu mit den Umfangsgeschwindigkeiten der Läuferscheiben übereinstimmen. Der magnetische Kreis und die Erregerspule, die entsprechend zu Fig. 1 ausgebildet sein können, sind in F i g. 3 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Wie F i g. 3 ferner zeigt, fließt der über einen Schleifoder Flüssigkeitskontakt 45 in die als Vollwelle ausgebildete Welle 25 eintretende Strom über diese Welle und die Läuferscheibe 21 nach außen, dann über den Kontaktflüssigkeitsring 33 zum Außenumfang der Läuferscheibe 23, dann radial nach innen durch diese Läuferscheibe zur als Vollwelle ausgebildeten Welle 27 und von dort über einen Gleit- oder Flüssigkeitskontakt 46 und über eine feste Verbindungsleitung 47 zu einem Gleit- oder Flüssigkeitskontakt 48. Von dort fließt der Strom über die als eine die Welle 25 umschließende Hohlwelle ausgebildete Welle 26 zur Läuferscheibe 22 und in dieser radial nach außen zum Kontaktflüssigkeitsring 34. Über den Kontaktflüssigkeitsring 34 fließt der Strom zum Außenumfang der Läuferscheibe 24, dann in der Läuferscheibe 24 radial nach innen zu der als eine die Welle 27 umschließende Hohlwelle ausgebildete Welle 28 und von dort über einen Gleit- oder Flüssigkeitskontakt 49 zurück in den Außenstromkrei?..

Bei gleichen Abmessungen der Läuferscheiben, gleichen Läufergeschwindigkeiten und gleichen Kraftflußdichten läßt sich mit einer Unipolarmaschine nach Fig. 3 etwa die doppelte Spannung erzeugen wie mit einer Unipolarmaschine nach den F i g. 1 und 2.

Die Fig.4 und 5 lassen erkennnen, wie bei einer erfindungsgemäßen Unipolarmaschine die Kompensation des Magnetfeldes des Läuferstromes vorgenommen werden kann. Da die in den Fig.4 und 5 dargestellte Ausführungsfonn einer erfindungsgemäßen Unipolarmaschine mit Ausnahme der zur Kompensation des Magnetfeldes des Läuferstromes vorgesehenen Bauteile mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform übereinstimmt, sind die übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in den Fig. 1 und 2. Zusätzlich zu den rotierenden Läuferscheiben 4 und 5 und eng benachbart zu diesen sind bei der in den Fig.4 und 5 dargestellten Unipolarmaschine ortsfeste Scheiben 51 und 52 angeordnet. Diese Scheiben 51 und 52 sind über einen benachbart zum rotierenden Kontaktflüssigkeitsring 8

ortsfest angeordneten elektrisch leitenden Ring 53 so verbunden, daß der Stromfluß in den ortsfesten Scheiben 51 und 52 und im ortsfesten Ring 53 in entgegengesetzter Richtung zum Stromfluß in den rotierenden Läuferscheiben 4 und 5 und im rotierenden Kontaktflüssigkeitsring 8 erfolgt. Der vom äußeren Stromkreis kommende Strom / tritt über den Gleitoder Flüssigkeitskontakt 11 in die Welle 6 ein, um von dort über die Läuferscheibe 4 nach außen in den Kontaktflüssigkeitsring 8 zu fließen, fließt dann über den Kontaktflüssigkeitsring 8 in die Läuferscheibe 5 und in dieser nach innen zur Welle 7. Von da aus fließt der Strom über den Gleit- oder Flüssigkeitskontakt 12 und eine Verbindungsleitung 59 zu einem ortsfesten Rohr 54, das die Welle 7 umschließt und elektrisch leitend mit der ortsfesten Scheibe 52 verbunden ist. Über die ortsfeste Scheibe 52 fließt der Strom dann nach außen zum ortsfesten Ring 53, dann durch diesen ortsfesten Ring 53 zur ortsfesten Scheibe 51 und dann über ein mit dieser Scheibe verbundenes, die Welle 6 umschließendes ortsfestes Rohr 55 zurück in den äußeren Stromkreis. Die festen Verbindungsstellen 56 und 57 zwischen den ortsfesten Scheiben 51 bzw. 52 und dem ortsfesten Ring 53 sind möglichst eng benachbart zu den Kontaktstellen zwischen den Läuferscheiben 4 bzw. 5 und dem Kontaktflüssigkeitsring 8. Wie die F i g. 4 und 5 deutlich zeigen, sind die ortsfesten Maschinenteile 51 bis 55 geometrisch ähnlich zu den beweglichen stromdurchflossenen Maschinenteilen 4 bis 8 geformt und in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesen angeordnet. Wenn die in Fig.4 dargestellte Ansicht der Unipolarmaschine beispielsweise deren Seitenansicht darstellt, sind die ortsfesten Maschinenteile 51, 52 und 53 knapp unterhalb der rotierenden Maschinenteile 4, 5 und 8 angeordnet. Um einen unerwünschten Stromfluß über

das glockenförmige Bauteil 10 zu verhindern, ist in

F i g. 4 die Rinne 9, welche den Kontaktflüssigkeitsring 8 enthält, von den restlichen Teilen des glockenförmigen Bauteiles 10 durch eine elektrische Isolation 58 isoliert.

Die Fig. 6 und 7 lassen schließlich die Möglichkeit

ίο erkennen, die rotierende Kontaktflüssigkeit 61 durch einen auf ihr schwimmenden, durch Fliehkraftwirkung gehaltenen Ring 62 aus einer Schutzflüssigkeit gegenüber der Außenatmosphäre, d. h. gegen Oxidation oder Feuchtigkeitseinwirkung, zu schützen. Die Schut/.fiüv

i] sigkeit 62 hat dabei eine geringere Dichte als die Kontaktflüssigkeit 61. Die Schutzflüssigkeit 62 wirkt ferner dank des von ihr durch Fliehkraftwirkung auf den Kontaktflüssigkeitsring 61 ausgewirkten Druckes auch dahin, daß durch die rotierenden Kontaktrollen, d. h.

to Läuferscheiben, 63 und 64 bei geringer Abweichung der Geschwindigkeit Vi des Kontaktflüssigkeitsringes von der Umfangsgeschwindigkeit v₂ der Kontaktscheiben keine Kontaktflüssigkeit aus der Kontaktrinne mitgerissen wird. Das die Kontaktflüssigkeit aufnehmende

ij glockenförmige Bauteil ist in den Fig.6 und 7 mit 65 bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Unipolarmaschine kann natür lieh auch unter vermindertem Außendruck oder untei Schutzgas betrieben werden, um Oxidation unc

jo Feuchtigkeitseinwirkung auf die rotierende Kontakt flüssigkeit zu vermeiden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Unipolarmaschine mit wenigstens zw\ , jeweils elektrisch miteinander in Verbindung stehenden, scheibenförmigen Läufern, in deren einem eine zur Richtung nach größeren Radien hin und in deren anderem eine in Richtung zur Achse hin gerichtete Spannung induziert wird, und bei der die Stromabnahme wenigstens teilweise an Läuferwellen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Läufer (4, 5) über einen sie umfassenden, rotierenden, durch Fliehkraftwirkung gehaltenen Kontaktflüssigkeitsring (8) miteinander elektrisch in Verbindung stehen, an dem sie mit der Umfangsgeschwindigkeit des Kontaktflüssigkeitsringes gleicher oder nahezu gleicher Umfangsgeschwindigkeit abrollen.

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktflüssigkeitsring (8) gesondert angetrieben ist.

3. Unipolarmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß geometrisch zu den beweglichen stromdurchflossenen Maschinenteilen (4 bis 8) ähnlich geformte Maschinenteile (51 bis 55) in unmittelbarer Nachbarschaft zu den stromdurchflossenen beweglichen Maschinenteilen ortsfest derart angeordnet sind, daß sie vom Maschinenstrorn in umgekehrter Richtung wie die beweglichen Maschinenteile durchflossen werden.

4. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem rotierenden Kontaktflüssigkeitsring (61) eine ebenfalls durch Fliehkraft gehaltene Schutzflüssigkeit (62) geringerer Dichte vorgesehen ist.