DE2626106C2 - Unipolargenerator-Motor sowie Verfahren zur reversiblen Speicherung und Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Unipolargenerator-Motor und einer Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unirv. iargenerator-Motor mit einem Stator und einem darin angebrachten Rotor, einer im Stator angeordneten Erregerwicklung, die einen den Rotor und Stator durchsetzenden Magnetfluß erzeugt, wobei der Rotor aus zumindest einer rotierenden Zy'mderhülse besteht und an im Stator bzw. in der Maschinenbasis gehalterten Lagerständern gelagert ist und daß innerhalb jeder Zylinderhülse ein ebenfalls an den Lagerständern gehalterten Eisenkern vorhanden ist und daß auf den Zylinderhülsen Schleif; Inge angebracht sind.

Ein derartiger Unipolargenerator-Motor ist durch die US-PS 38 46 653 bekannt und dient der Geschwindigkeitsregelung, um möglichst weiche Übergänge zwisehen verschiedenen Geschwindigkeiten möglich zu machen.

u'nipoiannaschinen werden in herkömmlicher Weise für die Lieferung eines sehr großen Gleichstromes bei verhältnismäßig niederer Spannung ausgeiegt, \/κ sie

z. B. in der Metallurgie oder für Forschungszwecke Anwendung finden. Da sich der Läufer in einem Feld mit niciit ändernder Polarität bewegt, entsteht eine Gleichbtromleistung ohne die Notwendigkeit eines Kommutators. Diese Eigenschaft macht die Unipolarmaschine besonders attraktiv, wenn an eine Last ein sehr großer Gleichstromimpuls geliefert werden soll.

Eine Last dieser Art stellt ein Fusionsreaktor dar, bei dem für die Plasmaerhitzung und die Plasmaeinschnürung Systeme mit sehr hoher Speicher- und Übertragungsenergie erforderlich sind. Derartige Systeme pulsen sehr rasch das magnetische Reaktorfeld bzw. die Lastwicklungen, die das Plasma zusammendrücken und zusammenhalten, wenn die Energie zwischen der elektpsch.n Energiequelle und den Lastwicklungen des Reaktors übertragen wird. Wenn die Energiequelle aus einer Unipolarmaschine bestehen soll, muß diese Maschine mit ungewöhnlich hohen Leistungsdichten arbeiten und die Energieimpulse mit äußerst geringen Verlusten in extrem kurzen Zeiten, z. B. in 1/10 Millisekunden übertragen werden. Diese kurze Übertragungszeit für die Energie beschreibt das Verhältnis der in der Unipolarmaschine gespeicherten Energie zu dem. mittleren Leistungsniveau während des Impulses. Bei herkömmlichen Unipolarmaschinen ist dieses Verhältnis bzw. die

Übertragungszeit un zwei Größenordnungen größer als die erforderliche Kurze Zeit, um die magnetischen Lastwicklungen eines Fusionsreaktors effektiv anzusteuern.

Es wurden bereits Überlegungen angestellt, um herkömmliche Unipolarmaschinen zum Pulsen von Reaktorlastwicklungen i:\i verwenden und um die erforderlichen Leistungsdaten zu erreichen. Bei der dabei gefundenen Lösung ist die Unipolarmaschine mit den Lastwicklungen des Fusionsreaktors über einen Serienschalter verbunden. Wenn der von der Maschine abgegebene Strom den gewünschten Wert erreicht und zu der Lastwicklung übertragen ist. wird ein parallel zur Lastwicklung liegender Schalter geschlossen, um die Wicklung über eine niedere Widerstandsstrecke kurzzuschließen und auf diese Weise den Strom zur Lastwicklung zu begrenzen. In diesem speziellen Augenblick eine«: Zyklus steht jedoch immer noch eine Spannung an der Rotorwicklung, da die Masse des Rotors ein kontinuierliches Weiterdrehen des Rotors bewirkt. Es ist offensichtlich, daß dabei bei erregter Feldwicklung die Leiterstrecken des Rotors magnetische Feldlinien schneiden und somit die Erzeugung einer Spannung bis zum Stillstand des Rotors fortdauert.

Deshalb ist es wünschenswert, daß im Augenblick, in dem der parallel zur Lastwicklung liegende Schalter geschlossen wird, der Sierienschalter geöffnet werden soll, um die Unipolarmaschine von der Last abzutrennen und zu verhindern, daß die Rotorwicklung durch den Parallelschalter kurzgeschlossen wird. Da jedoch dabei von der Maschine ein verhältnismäßig großer Gleichstrom bei hoher Spannung: abfließt, ist es offensichtlich, daß extrem große Trennschalter erforderlich sind, um den Schaltkreis zwischen Unipolarmaschine und der Last zu unterbrechen. Selbst wenn ein solcher Schalter konstruktiv möglich ist, würden die bei der Stromkreisunterbrechung auftretenden Energieverluste so groß sein, daß er den Wirkungograderfordcrnissen für das System nicht genügt Aus diesen Gründen sind herkömmliche Unipolarmaschinen nicht mit dem gewünschten Wirkungsgrad für die Ansteuerung der Lastwicklung von Fusionsreaktoren verwendbar, insbesondere, da die charakteristischen Eigenschaften der Unipolarmaschine und ihr Aufbau eine Anpassung der in der Maschine gespeicherten Energie an die auf die Lastwicklungen zu übertragende Energie ausschließt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Unipolarmaschine zu schaffen, bei der die in der Maschine gespeicherte Energie im wesentlichen gleich und zwar möglichst dem Verhältnis 1 : 1 nahekommend, der an die Last zu übertragenden Energie ist. Ferner soll ein Verfahren zur reversiblen Speicherung und Übertragung der elektrischen Energie /wischen einer Unipolarmaschine und einer Last geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird für einen Unipolargenerator-Motor erfindungsgernäß dadurch gelöst, daß der Rotor aus zumindest einer rotierenden Zylinderhülse besteht, die an gegenüberliegenden Enden an im Stator bzw. in der Maschinenbasis gehalterten Lagerständern gelagert ist. daß innerhalb jeder Zylinderhülse ein stationärer, ebenfalls an den Lagerständem genäherter Eisenkern vorhanden ist, daß auf den gegenüberliegenden Endabschnitten der Zylinderhülse Schleifringe angebracht sind, die mit am Stator isoliert gehalterten Kollektorbürsten zusammenarbeiten, und daß ferner stationäre Leiter isoliert am Stator gehaltert derart angebracht sind, daß sie mit zugeordneten Kollektorbürsten in Kontaktverbindung stehen und den Stromkreis zur Last über die Zylinderhülse und die stationären Leiter schließen.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Unipolargenerator-Motors sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein gemäß der Erfindung ausgestalteter Unipolargcnerator-Motor erzeugt und speichert Energie als kinetische Energie und liefert elektrische Energie an eine induktive Lastwicklung, um dann als Motor wirksam zu sein, indem von der induktiven Last zurückgeführte elektrische Energie zur Beschleunigung des Rotors und zum erneuten Aufbau der kinetischen Energie dem Unipolargenerator-Motor zugeführt wird, bevor sich der nächste Zyklus wiederholt. Dieser Unipolargenerator-Motor umfaßt einen in separate RotormoduL unterteilten Rotor, die in entgegengesetzten Richtungen umlaufen. Dabei besteht jedes Rotormodul aus der rotierenden Zylinderhülse mit einer verhältnismäßig dünnen Wand und daher einer verhältnismäßig geringen trägen Masse. Die Erregerwicklungen sind im Stator konzentrisch zu den Endbereichen der Zylinderhülsen angeordnet und liefern das magnetische Feld, welches für die Erzeugung der großen Gleichströme notwendig ist.

Das Verfahren zur reversiblen Speicherung und Übertragung der elektrischen Energie zwischen dem Unipolargenerator-Motor und der angeschlossenen Last sieht erfindungsgemäß vor, daß im Rotor des Unipolargenerators-Motors Energie durch Drehen des Rotors mit 100% der Drehgeschwindigkeit bei 100% Spannung an den Rotoranschlußklemmen gespeichert wird, daß ein Stromimpuls vom Rotor an die induktive Last durrh Schließen eines Serienschalters übertragen wird, daß während der Zeit 7",- ein Stromanstieg in der Last auf den Spitzenwert und gleichzeitig ein Abfall der Drehgeschwindigkeit und der Spannung auf Null zugelassen wird, daß die induktive Latt über einen Parallelschalter kurzgeschlossen wird, um für die Zeit Tb den Strom auf dem Spitzenwert zu halten und dadurch magnetische Energie in der induktiven Last zu speichern, daß am Ende der Zeit T_b der Parallelschalter geöffnet und während der anschließenden Zeit T, ein auf Null abfaiiender Strom zum Ünipoiargenerator-Motor zur Beschleunigung des Rotors auf im wesentlichen 100% Drehgeschwindigkeit bei 100% Spannung zurückübertragen wird, und daß der Serienschalter geöffnet und die Rotorgeschwindigkeil sowie die Spannung für eine Zeit Tf bis zum crncuien Schließen des Scrienschaltcrs und damit der Wiederholung des Zyklus T, aufrechterhalten wird.

Dieses Verfahren gcmiiU der Erfindung bidet in Verbindung mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Unipolarmaschine die Möglichkeil, eine solche zur Speisung von Lasten mit sehr hohen Glcichstromlcitiingen zu verwenden, wobei nur geringe lüncrgicverluste bei der Übertragung auftreten. Dies ist besonders vt..ieilhaft bei der Ansteuerung der Lastwicklungen von Fusionsreaktoren.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Unipolargenerator- Motors;

F i g. 2 eine geschnittene Teilansicht des Unipolargenerator-Motors, aus der die Anordnung der Rotormoduls und der durch die Statorerregerwicklungen bewirkte Verlauf des Magnetflusses.

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2,

b5 der die Ausgestaltung und Anordnung der Bürstenhalter im Endbereich benachbarter rotierender Module zeigt;
Fig.4 eine geschnittene Seitenansicht eines modifi-

zierten Bürstenhalters sowie der Bürstenanordnung, wie sie für den Stromabgriff am Ende der Rotormodule Verwendung finden;

F i g. 5 eine schematische Darstellung, welche den Anschluß von Unipolarmaschinen an die Kompressionswicklung bzw. die magnetische Lastwicklung eines thermonuklearen Reaktors zeigt;

F i j». bA einen Prinzipschallkreis für die Übertragung der /i/stcmcncrgie /wischen einer Unipolarmaschine und der magnetischen Lastwicklung des Reaktors;

I·' i g. bB ein Diagramm über den Strom- und Spannungsvcrlauf während der Zeil der Leistungsübertragung /.wischen der Unipolarmaschine und der magnetischen Lasiwickungdes Reaktors.

Nukleare Fusions-Leistungsreaktoren sind beispielhaft für Systeme, welche große Leistungen erfordern, jedoch gibt es auch andere Systeme, bei denen in extrem kurzen Zeitabständen hohe Leistungsimpulse erforderlich sind. Für die vorliegende Erfindung soll ein Fusions-Lcistungsgenerator beschrieben werden, wobei eine Anwendungsart ausgewählt wurde, die ganz generell eine zylindrische Ringkonfiguraiion mit einer magnetischen Feldspule hat, die schraubenförmig in Abschnitten auf die äußere Oberfläche aufgewickelt ist. Diese magnetische Feldspule wird auch als Kompressionswickiung oder magnetische Lastwicklung bezeichnet. In dem Ring ist ein Gas oder Plasma enthalten, welches verdichtet und eingeeng' wird, wenn die Komprcssionswicklung periodisch mit Impulsen hoher Energie,/. B. von einer Unipolarmaschine, beaufschlagt wird. Nach der Impulsbcaufschlagung wird die in der Feldwicklung verbleibende Energie reversibel zur Energiequelle zurückübertragen und der Impulszyklus wiederholt.

In der Zeichnung, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen die F i g. 1 und 2 einen Unipolargenerator-Motor, der sechs Module ver-

WCHuCt, uiC CiCrwtriSCii ΐΠ oSHc £.ϋ€!7ϊαΓιυ€Γ ητΊΓΚ5ΞΐΤϊ Siilu,

um ζ. B. eine Spannung von 10 Kilovolt zu erzeugen.

Die Unipolarmaschine 8 hat eine Basis 10, auf der ein aus massivem Eisen hergestellter Stator 12 angeordnet ist und ist je nach Maschinenlänge in Sektionen zusammengebaut. In den in der inneren Oberfläche angeordneten Kanälen 14 liegen die Erregerwicklungen 16. Wie aus Fig.2 hervorgeht, bestehen die rotierenden Elemente aus einer Vielzahl hohler Aluminiumhülsen bzw. Aliiminiumzylinder 18, die eine nicht durchbrochene äußere Umfangsfläche haben. Diese Zylinder haben eine inodulare Konstruktion, wobei, wie die Zeichnung zeigt, sechs Module über die Maschinenlänge vorgesehen sind.

Jeder Zylinder ist auf Lagergestellen 20 drehbar gehalten, wobei diese Lugergestelle an der Basis des Stators befestigt sind und einen Lagerständer 22 aufweisen, in welchem axial verlaufende Lagerstifte 24 angeordnet sind. Die Lagerstifte erstrecken sich jeweils in die Enden benachbarter Zylinder 18, wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist Bei einer Alternativanordnung, die nicht gezeigt ist, können die Zylinderabschnitte auf einer Welle montiert sein, welche an gegenüberliegenden Enden auf dem Stator abgestützt ist und durch das Zentrum der Zylinder verläuft. Bei der Verwendung langer Wellen für große Maschinen ist auch eine Abstützung in Zwischenbereichen der Welle wünschenswert. Die auf dem Lagerstift 24 gelagerte Nabe 26 ist mit Speichen 28 versehen, die auf der inneren Oberfläche des zugeordneten Zylinders angeschweißt bzw. in geeigneter Weise befestigt sind. Die Speichen 28 können aus Aluminium, Stahl oder einem anderen metallischen bzw. nicht metallischen Material hergestellt sein, das ein hohes Festigkeits-Gewichtsverhältnis hat. Ein möglichst hohes Verhältnis ist wünschenswert, da d,i. Gewicht in den rotierenden Zylindern möglichst klein gehalten werden muß. Da keine mechanische Leistung von den rotierenden Zylindern übertragen bzw. von diesen abgegriffen wird und da diese Zylinder auch nicht die herkömmlichen Schlitzleiter enthalten, sind keine weiteren Elemente erforderlich, um während des Betriebs einwirkende elektrische und zentrifugale Kräfte zu absorbieren. Um die Reibung zu verhindern, kann die Nabe 26 auf einem hydrostatischen Lager anstelle eines Hülsen- oder Rollenlagers montiert sein. Die Luft zum Abheben der Hülse von dem Lagerstift wird zweckmäßigerweise von einer Vorratsquelle aus über Luftleitungen, die in dem Lagergestell angeordnet sind, zugeführt.

Je nach der Art des verwendeten leitenden Materials für die Zylinder soll das Verhältnis des mittleren Radius zur Wandstärke in der Größenordnung von etwa 10:1 liegen. Für die dargestellte Ausführungsform ist bei einem Durchmesser von 2 m eine Wandstärke von 10 cm vorgesehen. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein kleines Verhältnis von gespeicherter kinetischer Energie zu elektrischer Nennleistung (Watt-Sekunden pro Watt), wobei man den hohen elektrischen Nutzen eines Aiuminiumzylinders aufrechterhalten kann, was für die Verringerung der Joule'schen Verluste wesentlich ist.
Aus der Darstellung kann man entnehmen, daß an

jo den Enden der Maschine zur Abstützung der äußersten Zylinder jeweils ein Lagergestell mit nur einem Lagerstift vorgesehen ist. Eine Abschlußplatte 30 an den gegenüberliegenden Enden dient der Abdichtung und ermöglicht das Einfüllen eines Gases geringer Dichte in den Zwischenraum, womit die Spaltreibung und die Reibungsverluste für die sich drehende Hülse verringert werden können.

Uni in der maschine eine niedere magnetische Widcfstandsstrecke für den Fluß vorzusehen, der durch die Erregerwicklung 16 erzeugt wird, ist ein stationärer massiver Eisenkern 32 vorzugsweise innerhalb jeder rotierenden Hülse 18 vorgesehen. Dieser Eisenkern ist auf den vorderen Enden der Lagerstifte 24 abgestützt und verläuft mit seiner äußeren Oberfläche in einem geringen Abstand von der Innenfläche des Zylinders 18, um eine freie Drehung des Zylinders während des Betriebs sicherzustellen.

Die über die Statorlänge verteilten Erregerwicklungen 16 werden abwechselnd in entgegengesetzter Richtung erregt, um eine Feldverteilung zu erzeugen, wie sich in Fig.2 dargestellt ist. Gemäß dieser Verteilung ve-läuft der Magnetfluß vom zweiten Zylinder in den ersten Zylinder und ebenso vom zweiten Zylinder in den dritten Zylinder, bezogen auf die Längserstreckung der Maschine. Bei dieser Flußverteilung dreht sich jeder Zylinder 18 jeweils in entgegengesetzter Richtung zu den benachbarten Zylindern. Um von den sich drehenden Zylindern Leistung an die Anschlußklemmen 34 und 36 der Maschine zu übertragen, sind Schleifringe 38 an den jeweiligen Enden der rotierenden Zylinder in Umfangsrichtung verlaufend angeordnet, wie aus den F i g. 2 und 3 hervorgeht Mit diesen Schleifringen arbeiten Kollektorbürsten 40 zusammen, die in einem größeren Luftspalt 42 im Bereich der Innenseite der Erregerwicklung 16 angebracht sind Die Anordnung ist in F i g. 3 im Detail erkennbar. Die über den Umfang der Innenfläche des Stators verteilten Kollektorbürsten sind am Stator gehalten und gegenüber diesem isoliert Ein stationärer,

nicht umlaufender Leiter 44, der ebenfalls vom Stator gehalten und gegenüber diesem isoliert ist, verbindet die den einzelnen Zylindern zugeordneten Kollektorbürsten, .ίο daß bezüglich der Zylinder eine Serienanordnung entsteht. Die Schleifringe, auf welchen die Kolleklorbürsten laufen, sind vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material hergestellt.

Da der größere Luftspalt 42 dem Luftspalt zwischen dem Zylinder und dem Stator, welcher vom magnetischen Fluß durchsetzt wird, nicht zuzuordnen ist, kann der größere Luftspalt 42 so dimensioniert werden, daß er die Kollektorbürsten mit ihrer Halterung und den Druckluftanschlüssen gemäß Fig.3 leicht aufnehmen kann. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen wird, werden die Kollektorbürsten während bestimmter Zeitabschnitte im Betrieb der Unipolarmaschine von den Schleifringen abgehüben. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig.3 die Kollektorbürste 40 mit einem Bürstenhalter 48 verbunden, der über einen Stift 50 an einem Kolben 52 befestigt ist. Dieser Kolben 52 ist innerhalb des Bürstenhaltergehäuses 56 verschiebbar, so daß der Bürstenhalter 48 und damit die Kollcktorbürste 40 von dem Schleifring 38 abgehoben werden kann. Eine Feder 54 innerhalb des Bürstenhaltergehäuses 46 sorgt dafür, daß die Bürste 40 von dem Schleifring 38 abgehoben wird, wenn sich dieser dreht, jedoch keinen Strom führt. Wenn Strom zu dem stationären Leiter 44 zur Übertragung an die Rotorklemmen 36 fließen soll, wird das Steuerventil 56 geöffnet und Luft von der Druckluftquelle 58 über eine Verteilerleitung 60 und eine Einlaßleitung 62 in das Bürstenhaltergehäuse 46 eingeführt, so daß diese auf den Kolben 52 einwirkende Druckluft die Kollektorbürste 40 mit dem Schleifring 38 in Kontakt bringt. Der Druck wird mit Hilfe eines Druckreglers 64 konstant gehalten. Das Steuerventil 56 bleibt während der gesamten Zeit der Energieableitung geöffnet. Danach wird das Steuerventil 56 geschlossen ursd das Auslaßventil 66 geöffncf, um den Druck irn Bürstenhaltergehäuse abzubauen und das Abheben der Kollektorbürste vom Schleifring durch die Einwirkung der Feder 54 zu ermöglichen.

Die Kollektorbürslen bleiben bis zum nächsten Zyklus, in welchem Energie von der Maschine abgeleitet wird, außer Eingriff mit dem Schleifring. Wie erwähnt, sind die Bürstenhaltergehäuse 46 in dem größeren Luftspalt 42 angeordnet und um den äußeren Umfang des zugeordneten Schleifringes verteilt angebracht. Somit verlaufen an den einander gegenüberliegenden Enden von zwei Zylindern 18 jeweils zwei Reihen von Bürstenhaltergehäusen. Das erwähnte und erläuterte pneumatische System zur Steuerung der Kontaktgabe zwischen den Kollektorbürsten und den Schleifringen kann, wie es für den Fachmann selbstverständlich ist, auch durch andere Betätigungssysteme ersetzt werden, wobei z. B. die Verschiebung der Kollektorbürsten mit Hilfe von Elektromagneten oder anderen Hilfsmitteln erfolgt, um den Kontakt mit den Schleifringen herzustellen.

In F i g. 4 ist eine solche andere Ausgestaltung einer Betätigungseinrichtung für die Kollektorbürsten dargestellt, bei der die Kollektorbürste 40 mit dem vorderen Ende eines Fingers 68 z. B. durch Löten verbunden ist, der von einem Statorzylinder 72 ausgeht. In dem Bürslenhaltergehäuse 46 ist wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ein Kolben 52 angeordnet, der Ober einen Stift 50 auf den Finger 68 einwirkt, wenn der Ko'ben durch über die EiniaSleitung 62 zugeführte Druckluft in Richtung auf den Rotor verschoben wird. Dibei wird der Finger 68 verbogen und die Kollektorbürste 40 gegen den Schleifring38 gedrückt. Diese fingerartige Aiisführungsform d.^-s Bürstenhalters ergibt einen Trägheitseffekt und eine mechanische Stabilität und hilft Rcibungseffekte zn eliminieren, die bei herkömmlichen Bürstenhaltern aufgrund der auf die Bürsten einwirkenden elektromagnetischen Kräfte vorhanden sind.

Der Statorzylinder 72 gemäß Fig.2 ist aus Kupfer ausgeführt und auf der Innenfläche des Stators 12 angeordnet. Dieser Kupferzylinder hat eine verhältnismäßig dünne Wandung, z. B. in der Größenordnung von etwa 5 cm, und ist gegenüber dem Stator 12 isoliert in der Statorbohrung angeordnet. Auf der einen Seite, und zwar in der Darstellung gemäß Fig. 1 auf der rechten Seite, ist dieser Statorzylinder mit dem stationären Zylinder 76 direkt verbunden und steht auch mit dem stationären Zylinder 78 und der Rotorklemme 36 auf der anderen Seite der Maschine gemäß Fig. 1 in Verbindung, um rückfließenden Strom von der Ringspulc 74 aufzunehmen, wenn über die Rolorklemme 36 ein l.aslstrom angelegt wird. Bei dieser Konfiguration, bei der die Zylinder 18 innerhalb des Statorzylindcrs 72 in enlgegengcsct/lcn Richtungen rotieren, wobei auch Ströme in entgegengesetzten Richtungen fließen, wird die Induktanz der Maschine auf ein Minimum gebracht und damit auch die magnetischen Verluste während der Energicübertragungszyklcn. Obwohl in der Darstellung der Statorzylinder 72 als zusammenhängender Zylinder innerhalb der Slatorbohrung dargestellt ist, wird vorteilhafterweise eine Vielzahl von parallelen Leitern für den Rückflußstromkreis vorgesehen, die gegeneinander isoliert und über die innere Oberfläche des Stators versetzt angeordnet sind. Dieses versetzte Anordnen von Leitern zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung ist bekannt.

Der stationäre Leiter 44 in dem größeren Luftspalt 42 verbindet die sechs Rotormodule bzw. Zylinder 18 miteinander in Serienanordnung, wenn die Kollektorbürsicfi 40 auf den Schleifringen 38 aufliegen. Die Schleifringe auf den Aluminiumzylindern sind vorzugsweise mit einem für den Stromabgriff geeigneten Material, z.B. Kupfer, plattiert. Die Kombination von Kupfer-Graphitbürsten, die mit einer Schleiffläche aus Kupfer zusammenwirken, wurde sehr erfolgreich bei Inipulsströmen verwendet, die eine Stromdichte bis zu 5000 Ampere pro 6,45 cm² bei einer Impulsdauer von 2 bis 5 Sekunden haben. Da die Zeit für die Stromübertragung von der Unipolarmaschine zur Ringspule 74 sehr viel kurzer ist und z. B. in der Größenordnung von 0.03 Sekunden liegt, kann die Stromdichte in naheliegender Weise bis 10 000 Ampere pro 6,45 cm² erhöht werden. Bei dieser Stromdichte liegt auf jedem Schleifring eine Kollektorbürstenfläche von etwa 7100 cm² (1100 square inches) auf. Als Alternative kann man auch ein flüssiges Metall für den Stromabgriff verwenden. Die konstruktive Ausgestaltung eines derartigen Stromabgriffes unter Verwendung eines flüssigen Metalls ist in vielfacher Weise möglieh. So können z. B. die Zylinderenden mit nach außen abstehenden Flanschen versehen sein, die in eine komplementäre Ausnehmung ragen, in der das flüssige Metall angeordnet ist und die Verbindung zwischen der Flanschoberfläche und der Oberfläche der Ausnehmung herstellt.

Die Erregerwicklungen 16 sind in radialer Anordnung außerhalb der Endbereiche der Rotorzylinder 18 angcordnet, wobei jede einzelne Erregerwicklung superleiiende Spulen aufweist, um die notwendige hohe magnetische Feldenergie zu erreichen. Zur Erzielung der Superleitfähigkeit sind die Erregerwicklungen ays einem

zusammengesetzten Leiter gewickelt, der vorzugsweise ims Niob-Titanlegierung besteht und in eine Kupfernialiix fingcbcltct ist, die in konventioneller Weise eine WindungMSolation und eine Masseisolation hat. Da ex-Ircm niedere Spulentcmperaiiiren benötigt werden, ist jede Wicklung in einem Thermosgefäß 80 untergebracht, das die z. B. mit Heliumgas gekühlte Wicklung umgibt und thermisch isoliert. Das Helium kann in einem geschlossenen Kreislauf entweder durch den toten Kaum, der sich durch die Wände des Thermosgefäßes ergibt, oder direkt in Kontakt mit dem Spulenkörper geführt werden, wobei durch ein geeignetes Kühlsystem dafür gesorgt wird, daß die niedere Temperatur aufrechterhalten werden kann. Die unterkühlten, aus einer Niob-Titaile.<»ierung bestehenden Spulenleiter sind in der Lage, einen Strom in der Größenordnung von 1000 Ampere zu führen, wobei jede Wicklung eine Magneto-Motorische-Kraft in der Größenordnung von etwa 5x10" Amperewindungen erzeugen kann.

Mit eiern am Stator in der dargestellten Weise angebrachten und relativ zu den Rotormodulen bzw. Zylindern 18 positionierten Wicklungen gemäß der Darstellung wird der Stator und der magnetische Kreis in einer Weise unterteilt, daß jede Erregerwicklung ein magnetisches Feld für benachbarte Zylinder 18 erzeugt. Die alternierende Erregung der einzelnen Erregerwicklung verursacht ein Alternieren der Fcldrichtung bezüglich jedes einzelnen Zylinders, womit der in F i g. 2 dargestellte Fcldvcrlauf entsteht. Beim Start, wenn die Rotorzylinder noch stillstehen, wird one Spannung von einer separaten Spannungsquellc aus ar. die Klemmen 34 und 36 angelegt, um einen Stromfluß durch jeden einzelnen Rotorzylinder und die stationären Leiter 44 zu erzeugen. Da die Rotorzylinder derart miteinander verbunden sind, daß ein Strom in einer einzigen Richtung fließt, wirkt das durch den Rotorzylinderstrom ausgelöste Feld mit dem Feld der alternierend erregten Erregerwicklungen zusammen und laut die Küiörzylinüer in jeweils einander entgegengesetzte Richtungen rotieren. Damit wird bei einer derartigen Anordnung das Reaktionsmoment bei einer raschen Beschleunigung bzw. einer raschen Verzögerung innerhalb der Maschine gehalten und muß nicht vom Fundament aufgenommen werden.

Wie bereits vorausstehend erwähnt, ist die beschriebene Unipolarmaschine besonders für die Verwendung in Verbindung mit Fusionsreaktoren geeignet, welche einen Ring bzw. Torus verwenden, um magnetisch das für die Wärmeerzeugung bzw. die Erzeugung der elektrischen Energie verwendete Plasma bzw. Gas zu komprimieren und zu begrenzen. Die beschriebene Unipolarmaschine speichert Systemenergie als Rotationsbzw, kinetische Energie und liefert kinetische Energie als Generator an die Kompressionswicklung bzw. nimmt nach der Kompressionsphase für das Plasma elektrische Energie von der Kompressionswicklung ab, um die Maschine anzutreiben und kinetische Energie wieder in Vorbereitung auf den nächsten Zyklus zu speichern. Unter diesen Betriebsbedingungen arbeitet die Unipolarmaschine, wenn sie an die Kompressions- bzw. Lastwicklung angeschlossen ist, im kapazitiven Bereich und ist als solche ein Äquivalent für einen LC-Schwingkreis.

In F i g. 5 ist die Schaltkreisanordnung für eine Unipolarmaschine mit sechs Rotormodulen und ihre Anschaltung an die Ringspuie 74, die die Lastwickiung darstellt, gezeigt Die Lastwicklung ist vorzugsweise kontinuierlich auf den Ring bzw. Torus über die gesamte Ringlänge aufgewickelt. Ferner ist die Lastspulc in ciiic Vielzahl von Segmentabschnitten 82 unterteilt. Jeder der vorzugsweise 59 Unipolargeneraior-Motore 8 mit sechs Rotormodulen speist cine IO kV-Versorgungsleitung, die 90 Segmcnlabschnitte der Kompressionswicklung versorgt. Die einzelnen Segmentab: jhnittc bzw. die ihnen zugeordneten Spulen sind über Umkehrschalter 84 parallel zueinander geschaltet. Der von der Maschine gelieferte Strom von 11,25 Mega-Ampere wirr!

ίο daher auf 90 Kreise verteilt, womit für jeden Kreis 125 Kilo-Ampere zur Verfügung stehen. Die entsprechende Energie pro Segmentabschnitt bei 15 Segmentabschnitten pro Meter beträgt 11,92 Megajoules, welche magnetisch in der Wicklung während des Kompressionszyklus gespeichert wird.

In F i g. 6A ist das Ersatzschaltbild dargestellt, das die Unipolarmaschine 8, einen Serienschalter 51, die Lastwicklung 74 und einen Parallelschalter 52 umfaßt. In Fig.6B ist die Zeitabhängigkeit von Strom und Spannung dargestellt. Bei 100% der Laufgeschwindigkeit und 100% Spannung ist das Steuerventil 56 geöffnet, so daß die Kollektorbürsten 40 auf den Schleifringen 38 aufliegen. Ort Schalter 51 ist dann geschlossen, so daß die Maschine auf die Lastwicklung 74 arbeitet. Gemäß Fig. 6B steigt der Strom auf den Scheitelwert /o in der Zeit T_c an, was bei der vorgesehenen Lastwicklung den den vorgesehenen Maschinenparametern etwa 0,03 Sekunden entspricht. Sobald der Scheitelstrom erreicht ist, wird der Schalter 52 geschlossen und der Strom in dem

jo Kreis aus Lastwicklung und Schalter 52 aufrechterhalten. Deshalb wird die Energie magnetisch in der Lastwicklung 74 für die Zeitdauer 7* gespeichert, was einer Zeit von etwa 0,07 Sekunden entspricht. Während der Zeitdauer T_c von 0,03 Sekunden wird alle Energie von der Maschine abgeleitet, so daß die Spannung auf Null abfällt und der Zylinder 18 in weniger als einer Umdrehung zur Ruhe kommt, da die gesamte Energie abgeführt ist. Während der Kompressionszeit Tb bleibt die Maschine in diesem Ruhezustand.

Am Ende der Kompressionszeit Tb wird der Schalter 52 geöffnet und der Strom während der Zeitdauer T_q von der Lastwicklung über die Anschlußklemmen 34 und 36 sowie den Statorzylinder zur Maschine zurückgeführt. Da dieser Strom nunmehr in Wechse »»irkung mit dem von den konstant erregten Erregerwicklungen 16 erzeugten Feld in Wechselwirkung tritt, werden die einzelnen Zylinder 18 in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt. Aufgrund der während des Zyklus wirksamen Verluste wird die Verringerung der zurückgeführten Energie durch zusätzlich zugeführtc Energie ausgeglichen, welche von der Energiequelle 73 während der Zeitdauer 7} zugeführt wird. Da diese Energie in verhältnismäßig geringem Umfang zugeführt wird, brauchen nur wenige Kollektorbürsten 40 zur Anlage an die Schleifringe 38 gebracht zu werden im Gegensatz zur Phase der Energiezuführung, während welcher alle Kontaktbürsten anliegen. Es läßt sich somit die Reibung wesentlich verringern, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Systems führt. Am Ende dieser Phase wird die Druckluft abgeschaltet und die Bürstenhaltergehäuse entlüftet, womit sich die Kollektorbürsten 40 aufgrund der Federkraft der Federn 54 von den Schleifringen abheben.

Es wird erwartet, daß die Last bzw. Kompressionswicklung 74 etwa alle 10 Sekunden gepulst wird, so daß diese Zeitdauer mehr ais angemessen ist, um die rotierenden Zylinder wieder zu beschleunigen und auf die gewünschte Geschwindigkeit und Spannung zu bringen.

Es wurde festgestellt, daß die Verluste im System bei einer Impulswiederholungsrate von 1 Impuls je 10 Sekunden etwa 5,18% der übertragenen Energie sind. Dies schließt die Verluste der Unipolarmaschine und Schalterverluste mit ein, die zusammen nahezu 5% der Gesamtverluste ausmachen können. Es wurden auch die Übertragungsverluste aufgrund des Spannungsabfalls auf den Anschlußleitungen sowie der Versorgungsleitungen als auch der Energiebedarf für das Kühlen der superleitenden Feldwicklungen berücksichtigt.

Aus der nachfolgenden Aufstellung gehen die Verluste im einzelnen und im gesamten hervor.

Energieverluste in Prozent pro Periode

Unipolarmaschine	3,42%
Schaltür	1,56%
Obertragungsleitungen	0,10%
Kühlung	0,10%
Gesamtsystemverluste	5,18%

Bei Impulsleistungsanwendungen und insbesondere, wenn die gespeicherte Rotationsenergie gleich der in der Zeit D zuübertragenden elektrischen Energie ist, lassen sich Minimalverluste im Rotor realisieren, wenn 100% der rotierenden Masse als effektiver elektrischer Leiter Verwendung findet Dies wird in der vorliegenden Erfindung im wesentlichen erzielt, indem alle Zylinder 1'8 der Rotormodule als Leiter Verwendung finden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Unipolargenerator-Motor mit einem Stator und einem darin angebrachten Rotor, einer im Stator angeordneten Erregerwicklung, die einen den Rotor und Stator durchsetzenden Magnetfluß erzeugt, wobei der Rotor aus zumindest einer rotierenden Zylinderhülse besteht und an im Stator bzw. in der Maschinenbasis gehalterten Lagerständern gelagert ist und daß innerhalb jeder Zylinderhülse ein ebenfalls an den Lagerständern gehalterten Eisenkern vorhanden ist und daß auf den Zylinderhülsen Schleifringe angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderhülse (18) an gegenüberliegenden Enden im Stator gelagert ist daß der sich innerhalb jeder Zylinderhülse befindliche Eisenkern (32) stationär gehaltert ist und daß die Schleifringe auf gegenüberliegenden Endabschnitten der ZylinderhüJsen (18) angebracht sind, wobei die Schleifringe (38) mit am Stator isoliert gehalterten Kollektorbürsten (40) zusammenarbeiten, und daß ferner stationäre Leiter (44) isoliert am Stator gehaltert derart angebracht sind, daß sie mit zugeordneten Kollektorbürsten in Kontaktverbindung stehen und den Stromkreis zur Last über die Zylinderhülse und die stationären Leiter schließen.

2. Unipolargenerator-Motor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einer Vielzahl von Zylinderhülsen (18) besteht, die jeweils an den beiden Enden über Speichen (28) mit einer Nabe (26) verbunden sind, daß die Naben auf am Lagerständer (22) axial verlaufend«· Lagerstiften (27) derart gelagert sind, daß sich die einzelnen Zylinderhülsen unabhängig voneinander c ehen können, daß ferner an den beiden Enden der modularen Rotoranordnung stationäre Zyünderhülsen (78) in einem Abstand vom Stator und axial auf die rotierenden Zylinderhülsen ausgerichtet angeordnet sind, wobei diese stationären Zyünderhülsen in elektrischer Kontaktverbindung mit den Kollektorbürsten stehen, die dem benachbarten Ende der rotierenden Zylinderhülsen zugeordnet sind, daß an einer der stationären Zylinderhülsen die Rotoranschlußklemmen (36) angebracht sind, so daß die stationären Zylinderhülsen und die rotierenden Zylinderhülsen über die Kollektorbürsten und die stationären Leiter in Serienschaltung zueinander liegen, daß ferner die Innenfläche der Statorbohrung mit einem gegen den Stator isolierten Statorzylinder (72) versehen ist, der an der den Statoranschlußklemmen (34) gegenüberliegenden Seite mit der stationären Zylinderhülse (76) elektrisch verbunden ist, und daß Einrichtungen vorhanden sind, um die Statorar.schlußklemrnen (34) und die Rotoranschlußklemmen (36) derart mit einer induktiven Last zu verbinden, daß die in den rotierenden Zylinderhülsen durch die Verknüpfung mit dem magnetischen Erregerfeld erzeugte kinetische Energie während des ersten Teils eines Übertragungszyklus an die Last abgegeben wird, wogegen während des zweiten Teils des Zyklus die elektrische Energie von der Last zurückgespeist wird, um ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, das die rotierenden ZylinderhUlscn erfaßt und mit dem Erregerfeld derart zusammenwirkt, daß die Zyünderhülsen be- m schlciinigt werden und dadurch erneute kinetische Energie für den nächsten Übcrtragungszyklus erzeugt wird.

3. Unipolargenerator-Motor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei jeweils benachbarten rotierenden Zylinderhülsen jeweils ein Lagerständer angeordnet ist. der mit nach in entgegengesetzte Richtungen ausgerichteten Lagerstiften versehen ist, auf weichen die Nabe (26) der Hülsenlagerung läuft

4. Unipolargenerator-Motor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstifte als in dem Lagerständer eingesetzte Lagerstummel ausgebildet sind, deren Längsachse durch die Mittelachse der Zylinderhülsen verläuft

5. Unipolargenerator-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daduich gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen aus einzeln voneinander unabhängigen Wicklungen bestehen, von weichen jede innerhalb des Stators in einer Radialebene außerhalb der Enden der Zylinderhülsen derart angeordnet, ist, daß bei einer Erregung das jeweils erzeugte magnetische Feld senkrecht durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator in ein Ende der Zylinderhülse verläuft um dann nach einem axialen Verlauf in die benachbarte Zylinderhülse radial aus dieser durch den Luftspalt in den Stator auszutreten.

6. Unipolargeneralor-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Erregerwicklungen in entgegengesetzter Richtung magnetisierbar sind, so daß Magnetfelder erzeugt werden, welche jede Zylinderhülse zwischen benachbarten Erregerwicklungen in derselben Richtung durchsetzen und ein Rotieren benachbarter Zylinderhülsen in entgegengesetzten Richtungen und damit einen gleichgerichteten Stromfluß zu den Anschlußklemmen auslösen.

7. Unipolargenerator-Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Eisenkern (32) im Innern der Zyünderhülsen auf den mit den Lagerständern verbundenen Wellenstummeln (24) gehaltert ist.

8. Unipolargenerator-Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyünderhülsen aus einem leichten elektrisch leitenden Material hergestellt sind und in der Lage sind, mehr als 90% der kinetischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche über die Koliektorbürsten und die Anschlußklemmen zur Last übertragbar ist.

9. Unipolargeneralor-Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zylinderhülse eine glatte, nicht unterbrochene Oberfläche aufweist und daß die Wandstärke der Zylinderhülse weniger als 10% des Hülsendurchmessers beträgt.

10. Unipolargenerator-Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Schleifringe (38) auf den Zyünderhülsen an den jeweiligen Enden gegenüberliegend zu den Kollektorbürsten angeordnet sind, die sich in einem größeren Luftspalt (42) zwischen dem Stator und dem Rotor befinden und am Stator abgestützt sind.

11. Unipolargenerator-Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koliektorbürsten (40) an einem Bürstenhalter (48) befestigt und in einem Bürstenhaltcrgchäuse (46) gehalten sind, cliis an der Statorinnenfläche befestigt ist, daß die Kollcktorbiirsicn über den Bürstenhalter und das Gehäuse elektrisch mit den stationären Leitern (44) in Serienschaluing verbunden sind, und daß EinrichiuiiKcn

vorhanden sind, mit welchen die Bürstenhalter und damit die Kollektorbürsten von den Schleifringen abhebbar sind, wenn diese während der Drehung keinen Strom führen.

12. Unipolargenerator-Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Leiter (44) an der Innenfläche des Stators im Bereich des vergrößerten Luftspalfes (42) derart isoliert gehaltert sind, daß sie eine elektrische Verbindung benachbarter Bürstenhalter in Serienschaltung bewirken.

13. Unipolargenerator-Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorzylinder aus einer Vielzahl parallel verlaufender Leiter besteht, die von den Statoranschlußklemmen längs des Stators zum anderen Ende verlaufen und mit der am anderen Ende angeordneten stationären Hülse (76) verbunden sind.

14. Unipolargenerator-Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an die Statoranschlußklemmen eine HilfsStromversorgung anschließbar ist, um den von der Last zurückgeführten Strom auf einen solchen Wert zu ergänzen, wie er iür die Beschleunigung der Zylinderhülsen benötigt wird, um eine Drehgeschwindigkeit von 100% und eine Spannung von 100% zu gewährleisten.

15. Verfahren zur reversiblen Speicherung und Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Unipolargenerator-Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 und einer angeschlossenen induktiven Last, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor des Unipolargenerator-Motors (8) Energie durch Drehen des Rotors mit 100% der Drehgeschwindigkeit bei 100% Spannung an den Rotoranschlußklemmen (36) gespeichert wird, daß ein Stromimpuls vom Rotor an die induktive Last (74) durch Schließen eines Serienschaiters ('Si) übertragen wird, daß während der Zeit T_c ein Stromanstieg in der Last auf den Spitzenwert (10) und gleichzeitig ein Abfall der Drehgeschwindigkeit und der Spannung auf Null zugelassen wird, daß die induktive Last (74) über einen Parallelschalter (S 2) kurzgeschlossen wird, um für die Zeit 7i den Strum auf dem Spitzenwert zu haken und dadurch magnetische Energie in der induktiven Last zu speichern, daß am Ende der Zeit Tt der Parallelschalter (S 2) geöffnet und während der anschließenden Zeit T_q ein auf Null abtauender Strom zum Unipolargenerator-Motor zur Beschleunigung des Rotors auf im wesentlichen 100% Drehgeschwindigkeit bei 100% Spannung zurückübertragen wird, und daß der Serienschalter (Sl) geöffnet und die Rotorgeschwindigkeit sowie die Spannung für eine Zeit Tr bis zum erneuten Schließen des Serienschalters und damit der Wiederholung des Zyk'us T/raufrechterhalten wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeit T_q ein zusätzlicher Strom von einer separaten Energiequelle dem Unipolargenerator-Motor zugeführt wird, um das Erreichen der 100% Drehgeschwindigkeit bei 100% Spannung sicherzustellen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Serienschaltung der einzelnen Rotormodule vorgesehenen Kollektorbürsten nur während der Zeit T_c plus Tb puls T_q, d. h. währenJ der Zeit der Stromübertragung zwischen der Maschine und der Last, eine Kontaktverbindung zu den Zylinderhülsen (18) herstellen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17^ dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Drehrichtung a's auch die Spannung am Rotor umgekehrt wird, um die Übertragung des Stromes während der Zeit Tc in umgekehrter Richtung durch die Maschine zu bewirken, um eine Stromumkehr und ein entsprechendes magnetisches Feld in der induktiven Last für jeden der aufeinanderfolgenden Impulse zu eliminieren.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorbürsten während der Zeit T₀ während welcher Strom zur Last übertragen wird, in Kontakt mit den Schleifringen (38) bleiben, und daß die Kollektorbürsten am Ende der Zeit T_q bis zum Beginn des nächsten Stromimpulses von den Schleifringen abgehoben werden.