DE2534511C3 - Unipolarmaschine mit einer tiefstgekählten Erregerwicklung - Google Patents
Unipolarmaschine mit einer tiefstgekählten ErregerwicklungInfo
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K31/00—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Unipolarmaschine mit mindestens einem um eine Achse drehbaren,
scheibenförmigen Rotor, der radial verlaufende Strompfade für einen elektrischen Strom enthält, und
mit einem konzentrischen Stator, der mit einer tiefstgekühlten Erregerwicklung versehen ist deren
Magnetfeld zumindest annähernd dem einer torusförmig ausgebildeten Magnetspule entspricht sowie
zwischen dem Rotor und dem: Stator mit einer Inneren, achsnahen Stromübertragungsvorrichtung und einer
äußeren, achsfernen Stromübertragungsvorrichtung, die in einem zumindest annähernd feldfreien Raum im
Innern der Erregerwicklung angeordnet ist
Unipolare Maschinentypen, die auch als homopolare oder azyklische Maschinen bezeichnet werden, haben
rotierende Maschinenteile, die in einem Magnetfeld konstanter Polrichtung angeordnet sind; die in diesen
Maschinenteilen induzierte Spannung ist folglich stets gleichgerichtet Maschinen dieser Art arbeiten mit
scheiben- oder trommelförmigen Rotoren, benötigen keinen Kommutator und sind relativ einfach aufzubauen.
Die zur Erzeugung des Magnetfeldes erforderlichen Erregerwicklungen werden mit Gleichstrom gespeist
Für diese Wicklungen können deshalb insbesondere Hochfeldsupraleiter verwendet werden, da keine
Hystereseverluste bei technischen Frequenzen die Verwendung von supraleitendem Material beschränken.
Mit diesen Leitern lassen sich hohe Sixomdichten erreichen, und die damit verbundenen hohen Flußdichten
bieten die Möglichkeit die Grenzleistung, das Leistungsgewicht und den Wirkungegrad solcher
elektrischen Maschinen nennenswert zu verbessern.
Das Arbeitsprinzip einer Unipolarmaschine beruht auf einer bereits 1831 von Faraday entwickelten
Anordnung, die als Faradaysche Scheibe bekannt ist Wird nämlich eine solche Scheibe oder ein Scheibensegment
in einem rotationssymmetrischen Gleichfeld gedreht so entsteht eine reine, oberwellenfreie Gleichspannung,
die zur Drehzahl und zum magnetischen Fluß proportional ist Da eine Scheibe nur wie ein einziger
Leiter wirkt sind die erreichbaren Spannungen jedoch verhältnismäßig klein. Aus diesem Grund ergibt sich bei
Unipolarmaschinen das schwierige Problem, hohe Leistungen mit großen Strömen möglichst verlustarm
über rotierende Kontakte zu übertragen. Eine entsprechende Vorrichtung zur Übertragung des Stromes
zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil kann aus einer Festkontakt- oder
Flüssigkeitskontaktausführung bestehen.
Aus »Proc. of the 1972 Appl. Supercond. Conf.«,
Annapolis, (IEEE Pub. No. 72 CH 0682-5-TABSC, Seiten 16—25, insbesondere Seite 17) ist eine Unipolarmaschine
bekannt deren scheibenförmiger Rotor in Umfangsrichtung von einer ringförmigen supraleitenden Magnetspule
umgeben ist Diese Magnetspule ist in axialer Richtung verhältnismäßig kurz bemessen und hat einen
etwa rechteckigen Querschnitt Die von ihrer Wicklung hervorgerufene magnetische Feldstärke ist jedoch in
radialer Richtung nicht konstant d. h, sie nimmt in Richtung zur Rotorachse ab, und die Kraftlinien nehmen
in der Nähe der Spulenkanten einen radial stark nach außen hin gerichteten bzw. von außen kommenden
Verlauf. Bei Verwendung solcher Spulen ohne Eisenkern als Erregerwicklung für Unipolarmaschinen mit
scheibenförmigem Rotor muß deshalb versucht werden, die Rotorscheibe möglichst nahe an der Erregerwicklung
anzuordnen, um so das von ihr hervorgerufene Magnetfeld möglichst vollständig für die Spannungserzeugung
auszunutzen, bzw. das Magnetfeld, das die Scheibe nicht durchsetzt, das sogenannte Streufeld,
möglichst klein zu halten. Die in der Nähe der Erregerwicklung dicht verlaufenden Feldlinien, die die
Rotorscheibe weit von der Scheibenachse entfernt schneiden, sind nämlich für die Spannungserzeugung im
Rotor besonders wirkungsvoll, da die sie durchschneidenden Rotorteile im Gegensatz zu den achsennahen
Rotorteilen eine entsprechend hohe Geschwindigkeitskomponente
in Umfangsrichtung haben.
Ist eine Anordnung der Rotorscheiben nahe an der
Erregerwicklung schon bei Unipolarmaschinen mit normalleitenden Wicklungen herkömmlicher Bauart aus
technologischen Gründen nicht leicht möglich, so daß to ein gewhper Streufluß für die Spannungserzeugung
stets verlorengeht, so ergeben sich für die bekannte Unipolarmaschine mit tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden
Erregerwicklungen, in dieser Hinsicht viel größere Schwierigkeiten. Die Erregerwicklung der
bekannten Maschine muß nämlich in einem Kälteschutzsystem angeordnet sein, das die Erregerwicklung
in Form eines oder mehrerer Schutzmantel umgibt, zwischen denen sich evakuierte und gegebenenfalls
auch noch mit flüssigem Stickstoff gefüllte Räume befinden. Die Rotorscheibe kann deshalb nur in einem
entsprechend größeren Abstand vpn der Erregerwicklung angeordnet werden, und der für eine Spannungserzeugung
nicht ausnützbare magnetische Streufluß ist entsprechend groß.
Die radialen Strompfade des Rotors einer solchen Maschine haben im allgemeinen einen sehr niedrigen
elektrischen Widerstand, so daß sie vom starken Strömen durchflossen werden können. Es sind deshalb
Stromübertragungsvorrichtungen mit verhältnismäßig großen Kontaktflächen erforderlich, um dem Rotor
einen Strom zuzuführen oder zu entziehen. Liegt nun die Kontaktfläche, an der der Strom übertragen wird, im
Magnetfeld der Erregerwicklung, so bildet sich eine elektromotorische Kraft längs der Kontaktfläche der
Stromübertragungsvorrichtung aus. Diese elektromotorische Kraft ist in den meisten Fällen zwar verhältnismäßig
klein, sie kann jedoch aufgrund der hohen Feldstärke und des niedrigen Widerstandes der
Stromübertragungsvorrichtung verhältnismäßig starke Kreisströme hervorrufen, die zusätzliche Streuverluste
in der Maschine bewirken und somit den Wirkungsgrad der Maschine entsprechend herabsetzen.
Die genannten Schwierigkeiten werden bei einer Unipolarmaschine weitgehend vermieden, die aus der
US-Patentschrift 12 55 589 bekannt ist Diese Maschine ist nämlich mit einer torusförmig ausgebildeten
Magnetspule versehen, in deren ringförmigen Innenraum durch einen radial verlaufenden Spalt ein
scheibenförmiger Rotor hineinragt Am Außenrand der Rotorscheibe ist eine Stromübertragungsvorrichtung
vorgesehen. Da der ringförmige Innenraum der Magnetspule annähernd feldfrei ist, werden an der
Kontaktoberfläche der Stromübertragungsvorrichtung praktisch keine elektromotorischen Kräfte hervorgerufen,
die mit Streuverlusten verbunden sind. Da sich ferner bei dieser Maschine die Rotorscheibe in dem
Spalt in dem Bereich der größten Feldstärke erstreckt, ist der für eine Spannungserzeugung nicht ausnützbare
magnetische Streufluß entsprechend gering. eo
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese aus der US-Patentschrift 12 55 589 bekannte Unipolarmaschine
dahingehend zu verbessern, daß das von ihrer torusförmig ausgebildeten Magnetspule hervorgerufene
Magnetfeld stärker zur Spannungserzeugung ausge- 6>
nutzt wird.
Diese Aufgabe wird für eine Unipolarmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Rotor mittels eines zur Rotorachse konzentrischen Isolationsteils in ein kreisscheibenförmiges
und ein kreisringscheibenförmiges Teil unterteilt ist und das torusförmige Magnetfeld so durchschneidet,
daß (Jas Isolationsteil undί die. äußere Stromübertragungsvorrichtung
am äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Teils und eine weitere Strpmübertragungsvorrichtung
am inneren Rand des kreisringscheibenförmigen
Teils in dem feldfreien Raum angeordnet sind, und daß am äußeren Rand des kreisringscheibenförmigen
Teils ebenfalls eine Stromübertragungsvorrichtung vorgesehen ist
Eine solche Gestaltung einer Unipolarmaschine hat insbesondere den Vorteil, daß auch das sich von der
torusförmigen Erregerwicklung nach außen hin erstrekkende
Magnetfeld zur Spannungserzeugung herangezogen werden kann. Da sich die äußere und die innere
Stromübertragungsvorrichtung des kreisringscheibenförmigen Teils des Rotors in dem feldfreien Raum der
Magnetspule befinden, sind die an ihnen hervorgerufenen Streuverluste entsprechend gering.
Nach einer weiteren Ausbildung der Unipolarmaschine ist vorteilhaft konzentrisch zur Erregerwicklung eine
torusförmige Kompensationswicklung mit gegenüber der Erregerwicklung entgegengesetztem Erregersinn
angeordnet Es kann so ein Austritt eines starken Magnetfeldes in die Umgebung der Maschine und
insbesondere auf die außerhalb der Erregerwicklung angeordneten Stromübertragungsvorrichtungen verhindert
werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Unipolarmaschine gemäß der
Erfindung schematisch veranschaulicht ist
Der in der Figur teilweise ausgeführte Längsschnitt durch eine Unipolarmaschine verläuft in e.iner Ebene,
welche die Achse 2 der Maschine enthält Um die Achse rotiert ein an einer Welle 3 befestigter, scheibenförmiger
Rotor 4 in einem Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird von einer torusförmigen und konzentrisch um die
Achse 2 angeordneten Erregerwicklung 5 hervorgerufen, die tiefgekühlte, insbesondere supraleitende Leiter
enthält Die Leiter der Erregerwicklung werden mittels eines kryogenen Mediums, beispielsweise mit Hilfe von
flüssigem Helium, auf Tieftemperatur gehalten. Zur Reduzierung der auf die Leiter von außen eingeleiteten
Wärme ist die Wicklung von einem Kälteschutzsystem 6
umgeben.
Die Erregerwicklung 5 ist in einem vorgegebenen Abstand 8 von einer ebenfalls torusförmigen Kompensationswicklung
9 konzentrisch umschlossen. Die Kompensationswicklung, deren Aufbau dem der Erregerwicklung
5 im wesentlichen entspricht, hat einen gegenüber der Erregerwicklung entgegengesetzten
Wickelsinn und zumindest annähernd gleiche Ampere-Windungs-Zahl wie die Erregerwicklung. Mit Hilfe der
Kompensationswicklung kann das magnetische Feld, dessen Fluß durch in der Figur mit Φ\ und Φ2
bezeichnete Pfeile angedeutet ist, im wesentlichen auf den zwischen der Erregerwicklung 5 und der Kompensationswicklung
9 torusförmig ausgebildeten Raum 10 beschränkt werden. Ein Feldaustritt in die Umgebung
der Maschine wird somit weitgehend verhindert. Ein für die Kompensationswicklung 9 erforderliches Kälteschutzsystem
11 ist mit dem Kälteschutzsystem 6 der Erregerwicklung 5 vereinigt.
Die Erregerwicklung 5, die Kompensationswicklung 9
sowie deren Kälteschutzsystem 6 und 11 sind durch einen Spalt 13, der sich in einer radialen Ebene
senkrecht zur Achse 2 der Maschine erstreckt, in zwei gleiche Hälften unterteilt. Durch diesen radialen Spalt
ragt der scheibenförmige Rotor 4 aus der Kompensationswicklung 9 heraus. Der Rotor enthält eine
Kreisscheibe 14 und eine konzentrisch um diese angeordnete Kreisringscheibe 15. Die Kreisscheibe 14
und die Kreisringscheibe 15 sind durch einen Isolierring 16 elektrisch voneinander getrennt. Der Außendurchmesser
der Kreisscheibe 14 ist dabei so gewählt, daß der sie umschließende Isolierring 16 etwa in der Mitte des
von der torusförmigen Erregerwicklung 5 eingeschlossenen Raumes 17 verläuft Dieser im Querschnitt
ringförmige, konzentrisch um die A.chse 2 verlaufende
Raum 17 innerhalb der Erregerwicklung 5 ist zumindest annähernd magnetfeldfrei.
Bei dieser Ausbildung einer Unipolarmaschine kann sowohl der von der Erregerwicklung 5 hervorgerufene
magnetische Fluß Φ\ in dem Gebiet des Raumes 10, das der Rotorachse 2 zugewandt ist, mittels der Kreisscheibe
14 als auch der magnetische Fluß Φ2 in dem achsfernen Gebiet des Raumes 10 mittels der Kreisringscheibe
15 zur Spannungserzeugung ausgenutzt werden. Die in diesen beiden Teilen 14 und 15 des Rotors 4^
induzierten Spannungen, die in der Figur durch Pfeile 18 und 19 in den Stromflußrichtungen angedeutet sind,
lassen sich elektrisch hintereinander schalten. Deshalb ist eine innere, an der Rotorwelle 3 anliegende
Stromübertragungsvorrichtung 20 mit einer Stromübertragungsvorrichtung 21 verbunden, die im feldfreien
Raum 17 am Innenumfang der Kreisringscheibe 15 anliegt. Die gesamte Spannung kann dann an einer
Stromübertragungsvorrichtung 22 vom Außenumfang der Kreisscheibe 14 in dem feldfreien Raum 17 und an
einer Stromübertragungsvorrichtung 23 am Außenumfang der Kreisringscheibe 15 abgenommen werden.
Für die Stromübertragungsvorrichtungen 20 bis 23, die in der Figur nicht näher ausgeführt sind, können
vorteilhaft Flüssigkeitsgleitkontakte, die beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrifl 11 17 192 bekannt
sind, oder auch Flüssigkeitsrollkontakte, die z. B. der deutschen Offenlegungsschrift 23 26 595 zu entnehmen
sind, vorgesehen werden.
Ferner wird in dem feldfreien Raum 17 der aufgrund des von der Erregerwicklung 5 hervorgerufenen
magnetischen Flusses Φι in der Kreisscheibe 14 des Rotors 4 induzierte Strom mittels der Stromübertragungsvorrichtung
22 von dem äußeren Umfang der Kreisscheibe 14 zweckmäßig auf ein ortsfestes, elektrisch
leitendes Bauteil 25 übertragen. Dieses Bauteil besteht im wesentlichen aus einer in einer radialen
Ebene befindlichen Scheibe, die eng benachbart und parallel zu der Kreisscheibe 14 des Rotors 4_ angeordnet
ist. Am achsfernen Ende dieses ortsfesten Bauteils 25 befindet sich die Stromübertragungsvorrichtung 22. Ein
in der Kreisscheibe 14 induzierter Strom kann somit von deren äußeren Umfang mittels der Stromübertragungsvorrichtung
22 auf das Bauteil 25 übertragen werden und fließt von dort radial in entgegengesetzter Richtung
zu dem in der Kreisscheibe 14 induzierten Strom ab. Die Stromflußrichtung in dem ortsfesten Bauteil 25 ist durch
einen Pfeil 26 angedeutet. Das durch den Strom in der Kreisscheibe hervorgerufene zusätzliche Magnetfeld
kann so zumindest teilweise durch den in der ortsfesten Scheibe des Bauteils 25 fließenden Strom kompensiert
werden. In entsprechender Weise kann das Magnetfeld, das durch den in der Kreisringscheibe 15 erzeugten
Strom hervorgerufen wird, dadurch teilweise kompensiert werden, daß parallel zu der Kreisringscheibe 15 ein
weiteres ortsfestes, elektrisch leitendes Bauteil 27 vorgesehen wird, über das der an der Stromübertragungsvorrichtung
21 abgenommene, durch einen Pfeil 28 in der Figur angedeutete Strom aus dem feldfreien
Raum 17 durch den Spalt 13 nach außen abgeführt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ist davon
ausgegangen, daß die torusförmige Erregerwicklung der Unipolarmaschine durch eine torusförmige Gestalt
der entsprechenden Magnetspule erzeugt wird. Ein solches Magnetfeld läßt sich jedoch auch durch eine
Kombination von mehreren, beispielsweise konventionell gewickelten und in entsprechenden Kälteschutzsystemen
angeordneten Erregerwicklungen ausbilden, deren einzelne Magnetfelder sich zu dem torusförmigen
Erregerfeld überlagern.
Neben der in der Figur dargestellten Ausführungsform einer Unipolarmaschine kann die Unipolarmaschine
gemäß der Erfindung auch mehrere, auf einer Welle in axialer Richtung hintereinandergereihte, scheibenförmige
Rotoren aufweisen. Ferner können die Rotoren auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material
bestehen und mit stromführenden Teilen versehen sein. Die Vorrichtungen zur Übertragung des Stromes
zwischen den Rotorteilen und feststehenden Maschinenteilen können aus einer Festkontakt- oder Flüssigkeitskontakt-Ausführung
bestehen. Im Falle der Festkontaktausführung läßt sich die Stromübertragung durch Bürsten oder Schleifringe und im Falle der
Flüssigkeitskontaktausführung zwischen einem Festkontakt und einem Flüssigkeitskontakt, beispielsweise
mit Quecksilber oder Indium vornehmen. Bei Verwendung
von Flüssigkeitskontakten kann die in der Figur teilweise ausgeführte Maschine auch unter einem
verminderten Außendruck oder unter einem Schutzgas betrieben werden, um gegebenenfalls eine Einwirkung
von Feuchtigkeit oder oxidierenden Gasen auf die Kontaktflüssigkeit zu verhindern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Unipolarmaschine mit mindestens einem um eine Achse drehbaren, scheibenförmigen Rotor, der
radial verlauf ende Strompfade für einen elektrischen Strom enthält und mit einem konzentrischen Stator,
der mit einer tiefstgekühlten Erregerwicklung versehen ist deren Magnetfeld zumindest annähernd
dem einer torusförmig ausgebildeten Magnetspule entspricht sowie zwischen Rotor und Stator
mit einer inneren, achsnahen Stromübertragungsvorrichtung und einer äußeren, achsfernen Stromübertragungsvorrichtung,
die in einem zumindest annähernd feldfreien Raum im Inneren der Erregerwicklung angeordnet ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (4) mittels eines zur Rotorachse (2) konzentrischen, Isolationsteils (16) in
ein kreisscheibenförmiges und ein kreisringscheibenförmiges
Teil (14 bzw. 15) unterteilt ist und das torusförmige Magnetfeld so durchschneidet daß das
Isolationsteil (16) und die äußere Stromübertragungsvorrichtung (22) am äußeren Rand des
kreisscheibenförmigen Teils (14) und eine weitere Stromübertragungsvorrichtung (21) am inneren
Rand des kreisringscheibenförmigen Teils (15) in dem feldfreien Raum (17) angeordnet sind und daß
am äußeren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils (15) ebenfalls eine Stromübertragungsvorrichtung
(23) vorgesehen ist
2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß konzentrisch zur Erregerwicklung
(5) eine torusförmige Kompensationswicklung (9) mit gegenüber der Erregerwicklung (5) entgegengesetzter
Erregung angeordnet ist
3. Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Kompensationswicklung (9)
gegenüber der Erregerwicklung (5) entgegengesetzten Wicklungssinn und gleiche Ampere-Windungs-Zahl
wie die Erregerwicklung (5) aufweist
4. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromübertragungsvorrichtungen
(21, 22) in dem feldfreien Raum (17) Flüssigkeitsgleitkontakte oder Flüssigkeitsrollkontakte
vorgesehen sind.
5. Unipolarmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß maschinenfeste
Bauteile (25.27) vorgesehen sind, die zumindest zum
Teil eng benachbart zu dem kreisscheibenförmigen und kreisringscheibenförmigen Teil (14 bzw. 15) des so
Rotors (4) angeordnet sind und die zur Führung eines mittels der äußeren Stromübertragungsvorrichtung
(22) am äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Teils (14) von diesem Teil (14) und mittels der
weiteren Stromübertragungsvorrichtung (21) am inneren Rand des kreisringscheibenförmigen Teils
(15) von diesem Teil (15) abgenommenen Stromes in umgekehrter Richtung wie in den Strompfaden des
kreisscheibenförmigen bzw. kreisringscheibenförmigen Teils (14 bzw. 15) des Rotors (4) dienen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19752534511 DE2534511C3 (de) | 1975-08-01 | 1975-08-01 | Unipolarmaschine mit einer tiefstgekählten Erregerwicklung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19752534511 DE2534511C3 (de) | 1975-08-01 | 1975-08-01 | Unipolarmaschine mit einer tiefstgekählten Erregerwicklung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2534511A1 DE2534511A1 (de) | 1977-02-03 |
DE2534511B2 DE2534511B2 (de) | 1978-03-30 |
DE2534511C3 true DE2534511C3 (de) | 1978-11-23 |
Family
ID=5953040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19752534511 Expired DE2534511C3 (de) | 1975-08-01 | 1975-08-01 | Unipolarmaschine mit einer tiefstgekählten Erregerwicklung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2534511C3 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10164435A1 (de) * | 2001-12-29 | 2003-08-07 | Friedbert Schaefer | Flossenlose Mantelfeld-Homopolarmaschine mit integriertem Magnetlager |
DE102019111301A1 (de) * | 2019-05-02 | 2020-11-05 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Antriebssystem und Kraftfahrzeug |
-
1975
- 1975-08-01 DE DE19752534511 patent/DE2534511C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2534511B2 (de) | 1978-03-30 |
DE2534511A1 (de) | 1977-02-03 |
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