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Elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, die insbesondere
als Motor mit wechselnden Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben wird Bei elektrischen
Unipolarmaschinen werden bekanntlich zur Ubertragung der hohen Ströme von den rotierenden
auf die stehenden Teile Flüssigkeitskontakte verwendet, um kleine Stromübergangsverluste
zu erhalten und Wartungsaufwand weitgehend auszuschalten. Eine der einfachsten Ausführungsformen
eines derartigen Flüssigkeitskontaktes besteht darin, an den rotierenden Teilen
der Unipolarmaschine offene Ringkanäle vorzusehen, in denen die metallische Flüssigkeit
im Betrieb durch Fliehkraft gehalten wird, wobei Kontakte des feststehenden Teiles
in dieses eintauchen (Zeitschrift Elektrotechnik und Maschinenbau, 1972, Seite 441).
Die Verwendung eines derartigen Flüssigkeitskontaktes empfiehlt sich aber nur bei
Betrieb der Unipolarmaschine als Generator, d.h. mit einer konstanten Drehzahl.
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Wird dagegen die Unipolarmaschine als Motor eingesetzt und mit wechselnden
Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben, so muß eine seitliche Abdichtung des als
Flüssigkeitskontaktes dienenden Ringspaltes vorgesehen sein, die auch bei Stillstand
der Maschine wirksam ist. Dabei ist zu beachten, daß die im Flüssigkeitskontakt
verwendete metallische Flüssigkeit, wie z.B. Natrium-Kalium, agressive Eigenschaften
haben kann und daß außerdem bei großen Durchmessern der rotierenden Teile erhebliche
Druckunterschiede zwischen den oben und unten befindlichen Teilen des Ringspaltes
auftreten, die zu einer zusätzlichen Belastung der Dichtungen führen. Der vorliegenden
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer
elektrischen Unipolarmaschine
mit horizontaler Welle eine seitliche Abdichtung des Flüssigkeitskontaktes zu finden,
welche die genannten Schwierigkeiten überwindet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer elektrischen
Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, die insbesondere als Motor mit wechselnden
Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben wird, mit Flüssigkeitskontakten zur Übertragung
der Strömung von den rotierenden, ringförmigen Teilen zu den sie umgebenden ringförmigen,
stehenden Teilen.
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Gemäß der Erfindung ist der als Flüssigkeitskontakt dienende, von
der metallischen Flüssigkeit ganz ausgefüllte Ringspalt auf jeder Seite durch einen
radial gerichteten oder schräg stehenden seitlichen Ringspalt begrenzt, der jeweils
auf der dem mittleren Ringspalt abgewandten Seite von einem kleineren Durchmesser
ausgeht und benachbart zum mittleren Ringspalt auf einen Durchmesser endet, der
größer als der Durchmesser der Verbindung zum mittleren Ringspalt ist, und durch
die die seitlichen Ringspalte ausfüllende metallische Flüssigkeit ist ein elektrischer
Strom geleitet, der mit der Richtung eines vorhandenen Magnetfeldes einen Winkel
bildet.
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Man sieht also zur seitlichen Abdichtung des mittleren Ringspaltes
ebenfalls mit metallischer Flüssigkeit gefüllte seitliche Ringspalte vor, in denen
aber durch die Hindurchleitung eines Stromes bei einem vorhandenen Magnetfeld auf
diese Flüssigkeit eine tangential gerichtete Kraft ausgeübt wird.
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Dadurch wird die in den seitlichen Ringspalten vorhandene metallische
Flüssigkeit in Rotation versetzt und infolge der dabei auftretenden Fliehkraft in
die radial am weitesten außenliegenden Teile des seitlichen Ringspaltes gedrängt.
Da die seitlichen Ringspalte benachbart zum mittleren Ring spalt auf einen Durchmesser
enden, der größer als der Durchmesser der Verbindung zum mittleren Ringspalt ist,
erreicht man somit eine sichere Abdichtung des mittleren Ringspaltes auch bei relativ
großen Spaltweiten, ohne daß sich feste Stoffe berühren. Die Rotation der metallischen
Flüssigkeit in den
seitlichen Ringspalt ist allein abhängig von
der Größe der Flußdichte B des Magnetfeldes und der des Stromes I. Durch Änderung
dieser Größen kann die Rotationsgeschwindigkeit verändert werden und somit eine
Anpassung an einen veränderlichen Innendruck im mittleren Ringspalt vorgenommen
werden. Die Rotation der metallischen Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten
wird allein durch die Speisung mit einem Strom aus einem Hilfsstromkreis aufrechterhalten
und ist somit auch völlig unabhängig von dem Betriebszustand der Unipolarmaschine
selbst, d.h. die Abdichtung ist auch bei Stillstand oder bei Drehrichtungswechsel
der Maschine voll wirksam. Da bei einer Abdichtung dieser Art die Gefahr einer Abnutzung
und-dadurch bedingte Wartungsarbeiten völlig entfallen, ist die Möglichkeit eines
Betriebsausfalls verhältnismäßig gering.
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Damit die rotationserzeugende Kraft möglichst groß wird, empfiehlt
es sich, daß der Winkel zwischen der Richtung des Stromes und des Magnetfeldes angenähert
900 beträgt. Als Magnetfeld läßt sich sowohl das Magnetfeld der Unipolarmaschine
selbst ausnutzen oder man kann dafür ein unabhängiges Magnetfeld erzeugen. Dieses
kann, bei Verwendung eines Gleichstroms, ein Gleichfeld sein oder bei Verwendung
eines Wechselstromes ein Wechselfeld, wobei beide möglichst gleichphasig sein sollen.
Die Größe der rotationserzeugenden Kraft läßt sich im letzteren Fall noch adurch
regeln, daß die Phasenlage von Wechselstrom und Wechselfeld gegeneinander verdreht
werden.
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Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Fig. 1 und 2
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt im Schema einen Längsschnitt durch einen Teil einer elektrischen
Unipolarmaschine. In Fig. 2 ist, ebenfalls im Schema, ein Schnitt durch die Umgebung
eines gemäß der Brfindung ausgebildeten seitlichen Ring spaltes zur Abdichtung des
Flüssigkeitskontaktes einer Unipolarmaschine dargestellt.
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Die in Fig. 1 zum Teil im Schema dargestellte elektrische Unipolarmaschine
soll als Motor mit veränderlichen Drehzahlen und auch umkehrbarer Drehrichtung,
z.B. bei einem Schiffsantrieb, eingesetzt werden. Sie besteht im wesentlichen aus
mehreren, auf einer horizontalen Welle 1 isoliert angeordneten Ringscheiben 2, die
in einem von insbesondere supraleitenden Spulen erzeugten magnetischem Feld rotieren.
Es induziert in jeder rotierenden Ringscheibe 2 eine Spannung, die bei geschlossenen
Außenkreis einen Strom hervorruft, der jeweils bei einem radial innenliegenden,
nicht dargestellten Flüssigkeitskontakt ein- und bei einem radial außenliegenden
Flüssigkeitskontakt 3 austritt. An diesen Stellen ist die Ringscheibe 2 jeweils
von einem gegenüberstehenden, ebenfalls ringförmigen Teil 4 umgeben, derart, daß
dazwischen ein als Flüssigkeitskontakt 3 dienender mittlerer Ringspalt 5 von mehreren
Millimetern Weite gebildet wird. Dieser Ringspalt 5 ist völlig mit einer zur Stromübertragung
dienenden metallischen Flüssigkeit ausgefüllt, wie z.B. Quecksilber, Gallium, Gallium-Indium
oder Natrium-Kalium.
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Der mittlere Ringspalt 5 ist auf jeder Seite durch einen schrägstehenden
seitlichen Ringspalt 6 begrenzt, der jeweils auf der dem mittleren Ringspalt 5 abgewandten
Seite von einem kleineren Durchmesser ausgeht und benachbart zum mittleren Ringspalt
5 zu einem Durchmesser geführt ist, der größer als der Durchmesser der Verbindung
7 zum mittleren Ringspalt 5 ist. Auch die seitlichen Ringspalte 6 sind mit einer
metallischen Flüssigkeit gefüllt.
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Aus einer Stromquelle 8 wird nun ein Strom I durch den seitlichen
Ringspalt 6 quer zum Spalt geschickt. Die Größe dieses Stromes I ist durch einen
im Stromkreis vorgesehenen veränderlichen Vorwiderstand 9 regelbar. Da nun außerdem
ein Magnetfeld
vorhanden ist, das mit einem Fluß von der Dichte
B die Scheibe 2 senkrecht zu ihrer Ebene durchsetzt, entsteht in der metallischen
Flüssigkeit, welche den seitlichen Ringspalt 6 ausfüllt, eine tangential gerichtete
Kraft, welche die metallische Flüssigkeit in Rotation versetzt. Die Flüssigkeit
rotiert mit einer Geschwindigkeit, die durch die auftretenden Reibungsverluste begrenzt
wird und der somit gebildete Ring aus rotierender metallischer Flüssigkeit entwickelt
eine Fliehkraft und bleibt dadurch im radial am weitesten außenliegenden Teil des
Ringspaltes 6. Dadurch wird aber der mittlere Ringspalt 5 abgedichtet, ohne daß
sich feste Stoffe berühren. Durch Änderung der Flußdichte D oder des Stromes I,
z.B. durch Änderung des Vorwiderstandes 9, kann die Rotationsgeschwindigkeit der
metallischen Flüssigkeit verändert werden und dadurch unterschiedlichen Druckverhältnissen
im mittleren Ringspalt 5 angepaßt werden.
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Da die Rotation der metallischen Flüssigkeit in dem seitlichen Ringspalt
6 allein von dem Magnetfeld und von dem Strom 1 abhängig ist, der ständig aus der
Stromquelle 8 gespeist wird, rotiert die metallische Flüssigkeit stets in der gleichen
Richtung unabhängig davon, ob die als Motor eingesetzte Unipolarmaschine rasche
Drehzahländerungen oder Drehrichtungsänderungen vornimmt oder gar zum Stillstand
gelangt ist. Bei Stillstand der Ringscheibe 2 sind allerdings die Reibungsverluste
im seitlichen Ringspalt 6, die infolge der Rotation der metallischen Flüssigkeit
auftreten, ungefähr doppelt so groß als bei Betrieb der Maschine. Es empfiehlt sich
deshalb, den seitlichen Ringkanal 6 möglichst reibungsarm auszuführen, d.h. mit
glatter Oberfläche und ohne Querschnittsveränderungen, um eine möglichst hohe Rotationsgeschwindigkeit
bei einem gegebenen Strom I und einer gegebenen Feldstärke B zu erreichen. Da die
Reibungsverluste zu einer Erwärmung der in dem seitlichen Ringkanal 6 rotierenden
metallischen Flüssigkeit führen, ist es zweckmäßig, Mittel vorzusehen, mit deren
Hilfe die Flüssigkeit zu einem Teil
aus dem Ringspalt 6 herausgeführt
und über einen Rückkühler geleitet werden kann. Sie wird dann wieder in den Ringspalt
6, falls erforderlich durch eine zusätzliche Pumpe, zurUckgeführt.
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Fig. 2 zeigt den konstruktiven Aufbau des seitlichen Ringkanals 6
etwas deutlicher. Für gleiche Teile amrden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.
1 verwendet.
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Der einen Flüssigkeitskontakt 3 einer Unipolarmaschine bildende mittlere
Ringspalt 5 ist an den Seiten durch einen Ringspalt 6 begrenzt. Dieser geht jeweils
von einem kleineren Durchmesser aus und endet auf der dem Ringspalt 5 zugewandten
Seite auf einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Verbindung 7
zum Ringspalt 5. Durch den seitlichen Ringspalt 6 soll ein elektrischer Strom quer
zur Spaltrichtung geführt werden. Zu diesem Zweck sind an den Rändern des Ringspaltes
6 Kontaktflächen 10 angeordnet, die von dem sie umgebenden Metall isoliert sind.
Diese Kontaktflächen können sich entlang des gesamten Umfanges des Ringspaltes 6
erstrecken, oder auch nur auf Teile des Umfanges. Die Verbindung der Kontaktflächen
10 mit der nicht dargestellten äußeren Stromquelle 8 erfolgt durch ebenfalls isoliert
angeordnete Zuleitungen 11 im stehenden Teil 4 und 12 in der Ringscheibe 2.
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Der Strom I versetzt die in dem Ringspalt 6 vorhandene metallische
Flüssigkeit in Rotation, so daß infolge der dann entstehenden Fliehkraft der im
Innern des Ringspaltes 5 herrschende Druck ausgeglichen werden kann, so daß eine
Abdichtung erzielt wird. Die Größe des erforderlichen Stromes I errechnet sich aus
dem im Innern des Ringspaltes 5 vorhandenen Druck der metallischen Flüssigkeit und
der notwendigen Rotationsgeschwindigkeit zur Erzeugung einer Fliehkraft, die diesen
unter Berücksichtigung der noch auftretenden Reibungsverluste ausgleichen kann.
Dieser Strom I ist verhältnismäßig klein,
so daß die Stromquelle
8, z.B. eine Batterie, keine sehr große Leistung zu haben braucht. Es empfiehlt
sich, die Zuleitung des Stromes I zu der rotierenden Ringscheibe 2 durch die Welle
vorzunehmen, da dann eine besondere Zuleitung über Schleifringe etc vermieden und
im Betrieb der Unipolarmaschine noch zusätzlich die in der Ringscheibe 2 induzierte
Spannung ausgenutzt werden kann. Mit Hilfe eines regelbaren Vorwiderstandes wird
der Strom I jeweils auf dem notwendigen Wert gehalten, wobei berücksichtigt wird,
daß bei Rotation der Ringscheiben 2 die Reibungsverluste in den Ringspalten 6 zurückgehen.
Sie steigen dagegen im Fall des Rü-ckwärtslaufes der Unipolarmaschine an, d.h. wenn
der zur Abdichtung dienende rotierende Ring aus metallischer Flüssigkeit eine andere
Drehrichtung hat als die Ringscheibe 2.
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Um den eigentlichen Flüssigkeitskontakt 3 von dem Magnetfeld B, welches
die Rotation der metallischen Flüssigkeit im Ringspalt 6 hervorruft, zu entlasten,
empfiehlt es sich, die unmittelbare Umgebung des mittleren Ringspaltes 5 aus magnetisch
leitenden Teilen 13 und 14 auszubilden, welche in die ansonsten aus unmagnetischem
Werkstoff bestehenden Ringscheiben 2 bzw.
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stehenden Teile 4 eingesetzt sind. Diese magnetischen Teile 13 bzw.
14 lenken den magnetischen Fluß ab, so daß die im mittleren Ringspalt 5 vorhandene
metallische Flüssigkeit nicht zur Rotation angeregt wird.
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6 Ansprüche ? Figuren