DE2335135A1

DE2335135A1 - Homopolar generator with liquid metal current collection - with the outer contact in a low flux density region

Info

Publication number: DE2335135A1
Application number: DE19732335135
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Ing Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1973-07-06
Publication date: 1975-01-23
Also published as: JPS5038015A; DE2335135B2

Abstract

The application is to high output heavy current generators comprising a number of parallel discs which rotate in a magnetic field generated by the main excitation coil. To minimise the losses at the outer liquid metal contact additional excitation coils are added concentric with the main coil but on a smaller diameter. The resultant flux of the two coils produces a region of low flux density near the inner coils which can be positioned to coincide with the outer contact. The eddy currents in the contact area are thus reduced which results in a corresponding reduction in loss and a more satisfactory contact operation. The inner contact is not affected as the angular velocity here is low.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Unipolarmaschine, bestehend aus einem oder mehreren scheibenförmigen, auf einer Yfelle insbesondere isoliert angeordneten, innerhalb eines von gleichstromdurchflossenen Erregerspulen erzeugten Magnetfeldes rotierenden Teilen, die jeweils über Gleitkontakte, insbesondere Flüssigkeitsgleitkontakte, mit einem sie umgebenden, stehenden, ringförmigen Teil verbunden sind.The present invention relates to a unipolar electric machine, consisting of one or more disc-shaped, in particular arranged isolated on a Y-skin, inside one generated by excitation coils through which direct current flows Magnetic field rotating parts, each via sliding contacts, in particular liquid sliding contacts, with a them surrounding, standing, annular part are connected.

Da die Leistung einer Unipolarmaschine bekanntlich (siehe Zeitschrift "Elektrotechnik und Maschinenbau", 1972, Seite 439) dem Läuferradius, der Kraftflußdichte des Magnetfeldes, dem Strom und der Läufergeschwindigkeit direkt proportional ist, ist man bestrebt, neben der Verwendung eines sehr starken Magnetfeldes, das auch durch supraleitende Erregerspulen erzeugt sein kann, die Läufergeschwindigkeiten für Generatoren möglichst groß zu wählen, ebens.o wie den Radius des radial außenliegenden Gleitkontaktes. Da aber Bürsten als Gleitkontakte nur bis zu Geschwindigkeiten von 60 m/S betriebssicher eingesetzt werden können, verwendet man bei Unipolarmaschinen hoher Leistung Flüssigkeitskontakte, die so ausgebildet werden, daß möglichst geringe Reibungsverluste auftreten. Dennoch sind diese aber an den radial außenliegenden Gleitkontakten oft noch unerwünscht hoch. Die Verluste können noch durch elektrische Verluste infolge von Wirbelströmen innerhalb der Gleitkontakte, z.B. im Flüssigmetall, erhöht sein. Außerdem können bei Flüssigmetall noch nachteilige elektrodynamisch bedingte Strömungen auftreten. Die Erfindung vermeidet diese elektrischen und mechanischen Verluste.Since the performance of a unipolar machine is known (see the magazine "Elektrotechnik und Maschinenbau", 1972, page 439) the rotor radius, the force flux density of the magnetic field, the The current and the rotor speed is directly proportional, one strives to use a very powerful one Magnetic field, which can also be generated by superconducting excitation coils, the rotor speeds for generators to be chosen as large as possible, as well as the radius of the radially outer sliding contact. But since brushes as sliding contacts are only operationally reliable up to speeds of 60 m / s can be used, one uses in unipolar machines high performance liquid contacts that so be designed so that the lowest possible frictional losses occur. Nevertheless, these are on the radially outer ones Sliding contacts are often still undesirably high. The losses can still be caused by electrical losses due to eddy currents be increased within the sliding contacts, e.g. in the liquid metal. In addition, there can be disadvantageous effects in the case of liquid metal electrodynamically induced currents occur. The invention avoids these electrical and mechanical Losses.

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Bei einer elektrischen Unipolarmaschine der eingangs beschriebenen Art sind zur Lösung dieser Aufgabe gemäß der ; Erfindung jeweils konzentrisch zueinander liegende, von gleichsinnig gerichteten Gleichströmen durchflossene Erregerspulen mit verschiedenen Durchmessern verwendet, zwischen denen die radial außenliegenden Gleitkontakte im Bereich geringer Feldstärke angeordnet sind. Da sich die durch die konzentrischen Erregerwicklungen verschiedenen Durchmessers erzeugten magnetischen Felder überlagern, ergibt sich eine resultierende Feldstärkenverteilung, die im Bereich zwischen . beiden Erregerspulen Jeweils ein Minimum aufweist, bzw. bei entsprechender Erregung such durch KuIl geht. Bei den in diesem Bereich angeordneten Gleitkontakten können sich dann praktisch keine Wirbelströme bilden. Durch Änderung oder Regelung der Erregerströme in den Erregerspulen kann die Lage des Nulldurchganges des Feldstä'rkenverlaufes verschoben, oder es können sonstige gewünschte kleine Feldstärkenwerte eingestellt werden.In the case of an electrical unipolar machine, the one described above Kind are to solve this problem according to the; Invention each concentric to one another, of in the same direction direct currents flowing through excitation coils with different diameters used between which the radially outer sliding contacts are arranged in the area of low field strength. Since the Superimpose concentric excitation windings of different diameters generated magnetic fields, the result is a resulting field strength distribution in the area between. both excitation coils each has a minimum, or at corresponding excitement goes through KuIl. The in Sliding contacts arranged in this area can then form practically no eddy currents. By change or Regulation of the excitation currents in the excitation coils can shift the position of the zero crossing of the field strength curve, or other desired small field strength values can be set.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Figur 1 schematisch dargestellt ist. Diese zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Unipolarmaschine. Fig. 2 zeigt im Prinzip den Feldstärkenverlauf des durch die Erregerspulen erzeugten magnetischen Feldes.In the following, the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment which is shown schematically in FIG is. This shows a longitudinal section through an electrical unipolar machine. Fig. 2 shows in principle the field strength curve of the magnetic field generated by the excitation coils.

Die in Fig. 1 dargestellte elektrische Unipolarmaschine besteht im wesentlichen aus mehreren isoliert auf der rotierenden Welle 1 befestigten Ringscheiben 2, die in Wellennähe jeweils über Flüssigkeitsgleitkontakte 3 und am äußeren Umfang über die Flüssigkeitsgleitkontakte 4 elektrisch mit ebenfalls ringförmig ausgebildeten stehenden Teilen 5 und 6 verbunden sind. An den stehenden Teilen 6 sind die Erreger spulen 7 und 8 angeordnet, welche gleichsinnig von Gleichstrom durchflossenThe electrical unipolar machine shown in Fig. 1 consists essentially of several isolated on the rotating Shaft 1 fastened washers 2, which in the vicinity of the shaft in each case via liquid sliding contacts 3 and on the outer circumference the liquid sliding contacts 4 are electrically connected to standing parts 5 and 6, which are also ring-shaped are. On the stationary parts 6, the exciter coils 7 and 8 are arranged, which flows through the same direction of direct current

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werden und somit ein Magnetfeld erzeugen, in dem die Ringscheiben 2 rotieren. Dadurch wird in jeder Ringscheibe 2 eine Spannung induziert, die bei geschlossenem Außenkreis einen Strom I hervorruft, der jeweils bei dein radial innenliegenden Flüssigkeitskontakt 3 ein- und bei dem radial außenliegenden Flüssigkeitsgleitkontakt 4 austritt.and thus generate a magnetic field in which the ring disks 2 rotate. As a result, a voltage is induced in each ring disk 2, which when the outer circuit is closed Current I causes, which in each case at your radially inner Liquid contact 3 enters and exits at the radially outer liquid sliding contact 4.

Die Flüssigkeitsgleitkontakte 3 bzw. 4 können in beliebiger bekannter Form ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführung sbei spiel bestehen sie jeweils aus einem Ringspalt 9, dem über Bohrungen 10 in stehendem Teil 5 bzw. 6 Flüssigmetall unter Druck zugeführt wird, das den Ringspalt 9 der Flüssigkeitsgleitkontakte 3 bzw. 4 völlig auffüllt. Das an den Rändern des Ringspaltes 9 austretende Flüssigmetall wird in Kanälen aufgefangen und wieder über eine Pumpe dem Druckgefäß zugeleitet. The liquid sliding contacts 3 and 4 can be designed in any known form. In the embodiment shown For example, they each consist of an annular gap 9, to which liquid metal is fed under pressure via bores 10 in the standing part 5 or 6, which forms the annular gap 9 of the liquid sliding contacts 3 or 4 completely fills up. The liquid metal emerging at the edges of the annular gap 9 is in channels collected and fed back to the pressure vessel via a pump.

Die zur Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Erregerwicklungen 7 und 8 liegen konzentrisch zueinander und haben verschiedene Durchmesser. Sie v/erden von gleichsinnig gerichtetem Gleichstrom durchflossen, der in seiner Größe in beiden Spulen jeweils unabhängig voneinander regelbar" ist. Der Erregerstrom der Erregerspule 8 wird so eingestellt, daß diese Erregerspule 8 mit dem kleineren Durchmesser die,.in Fig. 2 als Kurve 12 dargestellte Feldstärkeverteilung erzeugt. Die Kurve 13 zeigt die-von der Erregerspule 7 mit dem größeren Durchmesser"erzeugte Feldstärkenverteilung. Beide Felder überlagern sich und ergeben den resultierenden, strichpunktiert gezeichneten Feldstärkenverlauf 15. Dieser geht in der Zone 16 durch Null und besitzt im benachbarten Bereich nur kleine Werte. An diesen Stellen sind die radial außenliegenden Flüssigkeitsgleitkontakte 4 angeordnet, so daß sich das Flüssigmetall in einer Zone befindet, in der das magnetische Feld stark herabgesetzt ist. Dadurch können sichThe excitation windings 7 and 8 used to generate the magnetic field are concentric to one another and have different ones Diameter. They are traversed by direct current directed in the same direction, the size of which in both coils independently controllable ". The excitation current the excitation coil 8 is set so that this excitation coil 8 with the smaller diameter. In Fig. 2 as Curve 12 generated field strength distribution shown. The curve 13 shows the of the excitation coil 7 with the larger Diameter "generated field strength distribution. Both fields superimpose and result in the resulting field strength curve 15, shown in dash-dotted lines. This goes into of zone 16 through zero and has in the adjacent area only small values. The radially outer liquid sliding contacts 4 are arranged at these points, so that the liquid metal is in a zone in which the magnetic field is greatly reduced. This allows you to

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innerhalb des Flüssigmetalls keine oder nur geringe Wirbelströme bilden, die sonst zusätzliche elektrische Verluste hervorgerufen hätten.No or only slight eddy currents form within the liquid metal, which would otherwise cause additional electrical losses would have caused.

Es empfiehlt sich, die Erregerspulen 8 mit dem kleineren Durchmesser möglichst symmetrisch zu den rotierenden Ringscheiben 2 anzuordnen, damit die radial außenliegenden Flüssigkeitsgleitkontakte 4 mit Sicherheit im feldschwachen Bereich 16 liegen.It is recommended that the excitation coils 8 with the smaller Diameter to be arranged as symmetrically as possible to the rotating annular disks 2, so that the radially outer liquid sliding contacts 4 are definitely in the weak field area 16.

2 Ansprüche
2 Figuren2 claims
2 figures

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Claims

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1./Electric unipolar machine, consisting of one or several disk-shaped, in particular arranged isolated on a shaft, within one of which direct current flows through Excitation coils generated magnetic field rotating parts, each of which has sliding contacts, in particular liquid sliding contacts, are connected to a standing, ring-shaped part surrounding them, characterized in that that in each case concentric to each other, traversed by direct currents in the same direction, excitation coils (7 »8) with different diameters are used, between which the radially outer sliding contacts (4) are arranged in the area (16) of low field strength »

2. Electrical unipolar machine according to claim 1, characterized in that · that the ones flowing in the excitation coils (7, 8) Direct currents can be regulated independently of one another.

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