DE2854026A1

DE2854026A1 - Gleichpolige dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DE2854026A1
Application number: DE19782854026
Authority: DE
Inventors: Adam M Janotik
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1979-06-28
Also published as: JPS54104917U; DE2854026C3; DE2854026B2; US4153868A; CA1102860A; GB2011188A; GB2011188B

Description

Patentanmeldung Gleichpolige dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine gleichpolige dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, bestehend aus einem Gehäuse und einer Feldspule, die konzentrisch zur Achse der Statoröffnung schraubenförmig gewickelt angeordnet ist und einem Rotor, dessen Rotorkopf einen ringförmigen Spalt bildend in der Statoröffnung angeordnet und über eine Welle um seine Achse drehbar im Gehäuse gelagert ist und wobei das Gehäuse und der Rotor aus ferromagnetischem Material bestehen.

Gleichpolige dynamoelektrische Maschinen sind bereits seit vielen Jahren bekannt und zum Beispiel in den ÜS-PS 3 185 877, 3 453 467, 3 916 235 und 3 984 715 beschrieben. Eine gleichpolige dynamoelektrische Maschine ist auch in der Veröffentlichung "A High Power Density Electric Machine Element" von F. L. Zeisler in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Ausgabe PAS-86, Nr. 7, Seiten 811 bis 818 aus dem Jahre 1967 beschrieben.

Die in den erwähnten amerikanischen Patentschriftm und in der Veröffentlichung beschriebenen gleichpoligen dynamoelektrischen Maschinen weisen zwar bereite einen durch ein flüssiges Metall gebildeten Kontakt

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Sitz der Gesellschaft: Köln · Registergericht Köln, HRB 84 · Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger

Vorstands Peter Weiher, Vbrsitzender - Horst Bergemann · Waldemar Ebers · Wilhelm inden · Alfred Langer Stellvertretend: Hermann Dederichs · Hans Wilhelm Gab · Paul A. Guckel · Hans-Joachim Lehmann · Dieter Ullsperger

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/.wischen dem Rotorkopf und der Statorttffnung auf, keiner dieser Veröffentlichungen ist jedoch ein Hinweis auf eine Steuerung des Maschinen-Stromes mit Hilfe einer gesteuerten Wider stands veränderung, wie sie nachfolgend erläutert wird, zu entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung des Maschinenstromes einer gleichpoligen dynamoelektrischen Maschine mit Hilfe einer gesteuerten Widerstandsveränderung innerhalb der Maschine zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine im Oberbegriff bestimmte, gleichpolige, dynamoelektrische Maschine die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgezeigten Merkmale aufweist. Die Patentansprüche 2 bis 6 beziehen sich auf zweckmäßige Ausführungen von Einzelteilen der Maschine.

Die .erfindungsgemäße, gesteuerte Wider stands ve ränderung innerhalb der Maschine wird auf überraschend einfache Weise dadurch erzielt, daß die Menge des flüssigen Metalles, die eine leitende Verbindung zwischen einem Steuerteil und dem Rotorkopf und dem Rotorkopf und dem Stator herstellt, willkürlich variiert wird.

Eine Gleichstrommotor soll, wenn er als Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug dienen soll, ein Drehmoment erzeugen, das in einer hyperbolischen Funktion von der Fahrzeug- und Motorgeschwindigkeit absinkt. Die gleichpolige dynamoelektrische Maschine gemäß der Erfindung erzeugt wenn sie als Motor verwendet wird, im zuvor erwähnten flüssigen Metall eine Verwirbelung, wodurch der Widerstand des Motors gegen einen Stromfluß in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Rotorkopfes ansteigt. Dieses Merkmal verbessert den Wirkungsgrad der Maschine und erleichtert wesentlich deren Steuerung.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten

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Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine gleichpolige dynamoelektrische Maschine mit einer Maschinenstromsteuerung mittels gesteuerter Widerstandsveränderung.

In der Figur ist eine gleichpolige dynamoelektrische Maschine mit 10 bezeichnet. Die Maschine 10 kann grundsätzlich sowohl als Generator als auch als Motor wirken, wird nachfolgend jedoch in ihrer Funktion als Motor beschrieben.

Der Motor 10 besteht im wesentlichen aus einem Stator 12 und einem Rotor 14. Weiterhin besteht er aus einem Steuerteil 16 und einer Elektrode oder einer Kontaktplatte 18. Der Steuerteil 16 und die Kontaktplatte können direkt mit den entgegengesetzten Polen einer Schwachstromquelle mit niedriger Spannung, wie z. B. einer Wärmemaschine oder einer Batterie verbunden sein. Die Wärmemaschine kann hierbei etwa der Bauart sein, bei der flüssiges Natrium bei unterschiedlichen Temperaturen in durch eine Membrane geteilten Bereichen angeordnet ist, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen. Die bevorzugte Batterie kann eine Natrium-Schwefel-Batterie sein, jedoch können ebensogut andere Batteriebauformen verwendet werden, die eine für den Motor benötigte niedrige Spannung liefern.

Der Stator 12 besteht aus einem ersten Gehäuseteil 20 und einem zweiten Gehäuseteil 22, die beide in elektrisch leitendem Kontakt mit der Kontaktplatte 18 stehen. Der Stator 12 weist weiterhin eine Feldspule 24 auf, die von einem leitenden Kupfer mantel 26 umfaßt ist, der aus zwei identischen, einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Ringteilen gebildet wird. Ein Rohr (nicht gezeigt) kann innerhalb des Kupfermantels 26 vorgesehen werden, um bei Bedarf eine Kühlflüssigkeit hindurchzuleiten. Selbstverständlich sind auch andere bekannte Kühltechniken anwendbar, um

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den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Motors 10 zu verbessern. Die Feldspule 24 ist schraubenförmig gewunden und erzeugt ein Magnetfeld, das in der Figur in gestrichelten Linien 28 angedeutet ist. Die Richtung dieses Magnetfeldes kann somit je nach Richtung des Stromflusses in der Feldwicklung 24 dem in der Figur eingezeichneten Pfeil ensprechen oder entgegegesetzt sein. Vorzugsweise bestehen der erste und zweite Gehäuseteil 20 und 22 des Stators 12 aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitenden Material. Eisen mit dem geringstmöglichen Anteil von Kohlenstoff ist ein geeignetes Material für diese beiden Bauteile. Der Gehäuseteil 22 des Stators 12 ist ringförmig und dient einerseits dazu, einen geeigneten Weg für den Magnetfluß des Magnetfeldes vorzusehen und andererseits dazu die für das Einbringen der Feldspule 24 mit dem Kupfermantel 26 erforderliche Montage Öffnung wieder zu verschließen. Der Gehäuseteil 20 ist mit einstückig angeformten Stützrippen 30 versehen.

Der Stator 12 ist mit einer zentralen, kreisförmigen Statoröffnung versehen, deren Achse mit 32 bezeichnet ist. Der Rotor 14 ist innerhalb dieser Statoröffnung um die Achse 32 drehbar angeordnet, wobei die Lagerung des Rotors 14 über Kugellager 34 und 36 im Gehäuseteil 20 erfolgt. Der Rotor 14 besteht aus einem Rotorkopf 38 und einer Abtriebswelle 40, die miteinander verschraubt sind. Vorzugsweise besteht der Rotorkopf 38 aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitenden Material wie Eisen mit einem Minimum an Kohlenstoff.

Der Rotorkopf 38 weist eine zylindrische und konische Rotoröffnung 42 auf, in der ein entsprechend angepaßter Steuerteil 16 angeordnet ist. Der Rotorkopf 38 ist gegenüber dem Steuerteil 16 drehbar.

Zwischen diesen konzentrisch zur Achse 32 liegenden Bauteilen wird ein erster, ringförmiger Spalt 44 zwischen dem zylindrischen Teil des Steuerteiles 16 und dem zylindrischen Teil der Rotoröffnung 42 gebildet. Ein

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zweiter, ringförmiger Spalt 46 wird zwischen dem zylindrischen Außenumfang des Rotorkopfes 38 und der Statoröffnung gebildet. Die Statoröffnung ist hierbei bis auf den den Kupfermantel 26 enthaltenden Bereich mit einer Hülse 48 aus isolierendem Material ausgekleidet. Ein Maschinen Stromfluß innerhalb des Motors 10 ist in der Figur in Strich-Punkt-Linien bei 50 angedeutet und erfolgt in dem Umfang, in dem in den ringförmigen Spalten 44 und 46 elektrisch leitendes Material vorhanden ist. Es wird darauf hingewiesen, daß der Stromfluß durch die im Bereich des Kupfermantels 26 unterbrochene Hülse 48 aus isolierendem Material in eine Richtung geführt wird, die nahezu senkrecht zu den Kraftlinien des Magnetfeldes 28 verläuft, so daß hierdurch der Wirkungsgrad des Motors 10 verbessert wird. Das vom Motor 10 erzeugte Drehmoment ergibt sich aus dem Produkt der Feldvektoren des Stromflusses und des Magnetfeldes und erreicht ein Maximum, wenn diese beiden Vektoren senkrecht zueinander stehen.

Ein leitendes flüssiges Metall 52 ist in einem Raum zwischen dem Rotorkopf 38 und dem Gehäuseteil 20 des Stators 12 angeordnet. Das bevorzugte flüssige Metall für diesen Anwendungsfall ist Quecksilber, jedoch können ebenso flüssiges Natrium, Thalium oder Gallium oder Gallium-Indium-Legierungen verwendet werden, wenn die Maschine bei Temperaturen eingesetzt wird, bei denen diese Metalle in ihrem flüssigen Zustand gehalten werden können.

Der zweite ringförmige Spalt 46 ist radial außerhalb des ersten ringförmigen Spaltes 44 angeordet und der Raum mit dem flüssigen Metall 52 steht mit dem äußeren ringförmigen Spalt 46 unmittelbar und mit dem inneren ringförmigen Spalt 44 über Kanäle 54 in Verbindung.

Eine Verdr ä ngungseinrichtung 56 ist innerhalb des Raumes zwischen dem Rotorkopf 38 und dem Gehäuseteil 20 angeordnet. Die Verdrängungseinrichtung 56 besteht aus einem axial del?baren, ringförmigen Falten-

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balg 60 und oberen und unteren Dichtringen 62 und 64. Der obere Dichtring 62 besteht aus Metall und weist aus hochtemperaturfestem Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehende Dichtringe 66 und 68 auf, die ein Austreten des flüssigen Metalles 52 verhindern. Der untere Dichtring 64 ist über O-Ringe 70 abgedichtet.

Sobald Druckluft oder ein anderes Druckmittel über ein Anschlußrohr 58 in den Faltenbalg 60 gedrückt wird, dehnt sich dieser axial aus und wirkt über den oberen Dichtring 62 auf das flüssige Metall 52 ein. Das flüssige Metall 52 wird somit je nach Steuerung der Verdrängungseinrichtung 56 mehr oder weniger in die ersten und zweiten ringförmigen Spalten 44 und 46 gedrückt.

Befindet sich das flüssige Metall 52 in der in der Figur gezeigten Lage, so besteht zwischen dem Steuerteil 16 und dem Stator 12 ein nahezu unendlicher Widerstand. Wird jedoch das flüssige Metall 52 durch die Verdrängungseinrichtung 56 soweit verdrängt, daß es sowohl in den ringförmigen Spalt 44 zwischen dem Steuerteil 16 und dem Rotorkopf 38 und in den ringförmigen Spalt 46 zwischen dem Rotorkopf 38 und dem Stator 12 verlagert wird, so kann ein elektrischer Strom vom Steuerteil 16 zum Stator 12 oder entgegengesetzt fließen. Dadurch, daß die Hülse 48 aus isolierendem Material die Statoröffnung bis auf den Bereich des Kupfer mantels 26 auskleidet, muß das flüssige Metall 52 im zweiten ringförmigen Spalt 46 zunächst soweit axial verlagert werden, bis es in tatsächlichen Kontakt mit dem Kupfermantel 26 gelangt.

Je größer die Menge des flüssigen Metalles 52 in den ersten und zweiten ringförmigen Spalten 44 und 46 ist, um so geringer ist der Widerstand zwischen dem Steuerteil 16 und der Kontaktplatte 18. Die für dm Betrieb des Motors 10 am Steuerteil 16 und an der Kontaktplatte anzulegende Spannung kann eine Höhe von etwa 1 1/2 Volt haben. Der Steuerteil 16 ist vorzugsweise aus einem im wesentlichen leitenden Material herge-

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stellt, d.h. das Material soll nicht ein guter Leiter sein sondern ein Material, dessen Widerstand im wesentlichen dem Widerstand der anderen Materialien der Bauteile des Motors 10 entspricht. Die Menge des flüssigen Metalles 52 in den ringförmigen Spalten 44 und 46 bestimmt selbstverständlich den Motorstrom, da sich die Widerstandsveränderung gegen einen Stromfluß in Abhängigkeit von der Größe der vom flüssigen Metall 52 benetzten Fläche zwischen dem Steuerteil 16, dem Rotor 14 und dem Stator 12 verändert.

Sobald sich der Rotor 14 dreht, entwickelt sich ein Einfluß, der die Menge des flüssigen Metalls 52 im ersten inneren ringförmigen Spalt 44 zu verringern und die Menge des flüssigen Metalles 52 im zweiten, äußeren ringförmigen Spalt 46 zu vergrößern sucht. Mit anderen Worten, die Menge des flüssigen Metalls 52 im ringförmigen Spalt 44 ist umgekehrt proportional der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 14 und die Menge des flüssigen Metalles 52 im ringförmigen Spalt 46 ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors 14. Dieser Einfluß ergibt sich durch die auf das flüssige Metall 52 einwirkende Zentrifugalkraft, die das flüssige Metall 52 aus dem inneren ringförmigen Spalt 44 in den äußeren ringförmigen Spalt 46 zu verlagern sucht. Bei dieser Verlagerung des flüssigen Metalls 52 tritt eine Verwirbelung auf, die durchaus wünschenswert ist, weil dadurch der Motorwiderstand erhöht wird und dies wieder zu einer erwünschten Reduzierung des Motorstromes bei steigender Motor drehzahl führt.

Da durch die oben erwähnte Verlagerung und Verwirbelung die Höhe des flüssigen Metalles 52 im inneren Spalt 44 und die Höhe des flüssigen Metalles 52 im äußeren Spalt 46 in Abhängigkeit einer hyperbolischen Funktion von der Rotordrehzahl stehen und sich hieraus ergibt, daß der einem Stromfluß entgegenstehende Motorwiderstand sich in Abhängigkeit einer hyperbolischen Funktion von der Rotordrehzahl ändert, eignet sich der

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beschriebene Motor 10 insbesondere als elektrischer Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug.

Das Material der Hülse 48 besteht vorzugsweise aus einem nicht leitenden Keramikmaterial oder einem hochtemperaturfesten Polyamidmaterial. Der Kupfermantel 26 kann in seinem zum Rotor 14 liegenden Bereich mit einem Nickelüberzug oder einer Rodiumaufdampfung versehen sein, um einerseits den Widerstand gegen einen Stromfluß und andererseits einen Verschleiß durch das flüssige Metall 52 möglichst niedrig zu halten. Der ringförmige Faltenbalg 63 kann hierbei vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung bestehen. Das ferromagnetische Material des Stators 12 besteht aas Eisen mit möglichst geringem Kohlenstoff, das auch unter der Bezeichnung Armco-Eisen bekannt ist.

Wird der Motor 10 in einem Kraftfahrzeug als Antriebsmotor benutzt, so kann zum Beispiel die Beaufschlagung der Verlagerungseinrichtung mit einem Druckmittel in Abhängigkeit von der Stellung eines Fahrfußhebels erfolgen, der vom Fahrer des Fahrzeuges betätigt wird.

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Claims

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1. ) Gleichpolige dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, bestehend aus einem Gehäuse und einer Feldspule, die konzentrisch zur Achse der Statoröffnung schraubenförmig gewickelt angeordnet ist und einem Rotor, dessen Rotorkopf einen ringförmigen Spalt bildend in der Statoröffnung angeordnet und über eine Welle um seine Achse drehbar im Gehäuse gelagert ist und wobei das Gehäuse und der Rotor aus ferromagnetischem Material bestehen, da du r c h gekennzeichnet, daß ein Steuerteil (16) aus einem Material mit einem bestimmten elektrischen Widerstand in eine Rotoröffnung (42) im Rotorkopf (38) einragt und einen ersten ringförmigen Spalt (44) bildet, der konzentrisch zur Achse (32) radial innerhalb eines zweiten ringförmigen Spaltes (46) zwischen dem Rotorkopf (38) und der Statoröffnung liegt und ein flüssiges Metall (52) in einem Raum zwischen dem Rotor (14) und dem Stator (12) angeordnet und über eine steuerbare Verdrängungseinrichtung (56) mehr oder weniger in die beiden ringförmigen Spalten (44 und 46) verlagerbar ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungseinrichtung (56) einen axial bewegbaren Dichtring (62) in unmittelbarer Einwirkung auf das flüssige Metall (52) aufweist.

3. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verlagerung des flüssigen Metalls (52) senkrecht entgegen der Schwerkraft erfolgt.

4. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungseinrichtung (56) aus einem über ein Druckmittel (bei 58) beaufschlagbaren, axial dehnbaren, ringförmigen Faltenbalg (60) besteht.

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5. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da/3 der erste, radial innere ringförmige Spalt (44) mit dem zweiten konzentrisch hierzu radial außen liegenden ringförmigen Spalt (46) und mit dem Raum für das flüssige Metall (52) über Kanäle (54) verbunden ist.

6. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) einen die Feldspule (24) umfassenden Kupfermantel (26) aufweist, der in dem dem Rotorkopf (38) unmittelbar gegenüberliegenden Bereich mit einer Nickel- oder Rodiumschicht versehen ist, während der übrige Bereich der Statoröffnung von einer Hülse (48) aus hochtemperaturbeständigem, nicht leitendem Keramik- oder Polyamidmaterial ausgekleidet ist.

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