DE3427920A1

DE3427920A1 - Selbsterregter unipolar-impulsgenerator

Info

Publication number: DE3427920A1
Application number: DE19843427920
Authority: DE
Inventors: Henry W. Saratoga Calif. Miller
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1984-07-28
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3427920C2; AU3030584A; US4503349A; GB2144276B; GB8417044D0; GB2144276A; AU573595B2

Description

Selbsterregter Unipolar-Impulsgenerator

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Impulsgenerator für hohe Stromimpulse, bestehend aus einem Stator und einem darin konzentrisch gelagerten Rotor, einer Statorhauptwicklung mit zwei koaxialen sowie schraubenförmig um den Rotor gewickelten Wicklungsabschnitten, welche in Serie geschaltet sind, und ausjeinem Bürstenpaar, welches gleitend am Rotor anliegt.ünipolar-Generatoren dieser Art werden erfolgreich zur Erzeugung kurzer Stromimpulse verwendet, deren Spitzenstrom über 1 Million Ampere liegen kann. Derartige Unipolargeneratoren haben in der Regel einen trommeiförmigen oder scheibenförmigen zylindrischen Rotor, der in einem Stator montiert ist und sich um eine Achse dreht, die durch das Zentrum des Zylinders verläuft. Eine Stator-Wicklung bzw. Feldwicklung umgibt den Rotor und ist an eine externe Stromversorgung angeschlossen, die für eine Felderregung mit einem durch den Rotor ver- laufenden Magnetfeld sorgt. Die angelegte Felderregung ist in der Regel begrenzt und durch ein elektromagnetisches Joch ausgerichtet, welches die Feldspule und den gesamten Rotor umgibt oder zumindest einen Teil desselben. Wenn sich der Rotor dreht, erfahren die freien Elektronen im Rotor eine elektromotorische Kraft, die sich aus der Reaktion zwischen dem sich drehenden Rotor und der angelegten Felderregung ergibt. Mit Hilfe von Bürsten, welche innerhalb der Feldspulen bzw. der Statorhauptwicklung oder zwischen zwei

Haften

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Hälften dieser Spule angesetzt werden, wird von dem sich drehenden Rotor ein elektrischer Strom abgegriffen, der unter dem Einfluß der elektromotorischen Kraft über Leitungen zur externen Schaltung und über weitere Bürsten an einer anderen Stelle des Rotors wieder zurück zum Rotor fließt. Während der Endladung erzeugt die Wechselwirkung des Entladestroms mit der Felderregung eine Kraft, die den Rotor so lange abbremst, bis er zum Stillstand kommt und die Entladung aufhört. Es wurde festgestellt, daß extrem hohe Stromimpulse erzielbar sind, nachdem mit einem konventionellen Antrieb verhältnismäßig geringer Leistung oder eine Energiequelle, welche bei niederer Spannung einen geringen Strom liefert, der Rotor mit einer Anfangsenergie beaufschlagt und schrittweise auf die gewünschte Drehzahl gebracht wird.

Man hat festgestellt, daß Unipolar-Generatoren besonders zweckmäßig für das Starten von Projektilen mit elektromagnetischen Antriebseinheiten geeignet sind, wobei eine Hochstromquelle in Serie mit einem Unipolar-Generator und einem induktiven Energiespeicher geschaltet wird, wobei diese Anordnung an die Startschienen des Systems angeschlossen werden. Zwischen den Startsehienen ist ein leitender Anker gleitend angeordnet, so daß - sobald der Strom von der Hochstromquelle aus an die Startschienen angelegt wird - dieser über die Schienen und über den Anker fließt, wobei eine elektromagnetische Kraft am Anker angreift und diesen entlang den Startsehienen verschiebt. Derartige elektromagnetische Startsysteme wurden unter Verwendung von Kompensationswicklungen und nebenschlußerregten Unipolar-Generatoren aufgebaut, die eine sehr geringe Impedanz in Serie zu einer Ringspule mit Luftkern haben, um den Strom in die parallel laufenden Startsehienen einzuspeisen. Wenn ein großes Zuladegewicht, z.B. ein bemannter Flugkörper zu starten ist, ist es wünschenswert, die Beschleunigung graduell über eine Zeitdauer von mehreren Sekunden aufzubauen. Für eine solche Anwendung wird die Serienschaltung der als Ringspule ausgeführte Induktivität mit dem Unipolar-Generator sehr unhandlich, da die Größe der Induktivität eine Begrenzung des anfänglichen Stromanstieges und eine Verlängerung der Impulsdauer fordert. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Hochstrom-Unipolar-Generator zu schaffen, bei welchem die Funktion der Ring-Induktivität und des Unipolar-Generators in einer einzigen Einheit verwirklicht ist.

Diese

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Gleichstrom-Impulsgenerator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß das Bürstenpaar auf gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung angeordnet ist und mit dieser in elektrischer Verbindung steht, und daß eine dritte Bürstenanordnung in einem Mittelbereich des Rotors zwischen dem Bürstenpaar angeordnet ist und eine elektrische Verbindung vom Mittelbereich zu einem externen Anschluß herstellt. Bei einem derartigen Aufbau gemäß der Erfindung wird das Feld der Ringspule dazu benutzt, um im Unipolar-Generator das Feld aufzubauen. Dadurch kann die externe Stromversorgung kleiner ausgeführt werden. Durch eine geeignete Festlegung der Zeitkonstante der Serienfeldspule ist es möglich, einen verhältnismäßig langsamen Aufbau des Feldflusses und des Ankerstromes zu erzielen, womit man einen geregelten Stromaufbau erhält und ein verbessertes Verhältnis des Effektivstromes zum Spitzenstrom. Wenn ein Permanentmagnet oder eine Pilotwicklung zusätzlich vorgesehen wird, kann der anfängliche Reststrom vermehrt werden und eine weitere Verringerung, wenn nicht gar eine Eliminierung der Notwendigkeit einer externen Stromversorgung erzielt werden. Damit wird durch die Erfindung ein sich selbst erregender Gleiehstrom-Impulsgenerator für hohe Stromimpulse geschaffen, der nur ein Minimum an externem Aufwand erforderlich macht. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird die externe Last zwischen die dritte Bürstenanordnung und einem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Wicklungsabschnitte der Statorhauptwicklung geschaltet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Unipolargenerators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführung eines Unipolargenerators gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform eines Unipolargenerators mit einem Doppelrotor.

Der Unipolar-Generator

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Der Unipolar-Generator gemäß Fig.l umfaßt einen Stator 10, der einen Rotor 16 umgibt und einen Öffnungsbereich 12 hat, der eine innen liegende Oberfläche 14 definiert. Innerhalb des Stators ist ein Rotor 16 zentrisch angeordnet und drehbar in Lagern 18 und 20 montiert. Eine Statorhauptwicklung, welche aus zwei Wicklungsabschnitten 22 und 24 besteht, ist schraubenförmig neben der innen liegenden Oberfläche 14 gewickelt und derart angeordnet, daß sie den Rotor 16 koaxial umgibt, wobei die Wicklungsabschnitte 22 und 24 elektrisch über einen Verbindungspunkt 26 in Serie geschaltet sind. Die von den Wicklungsabschnitten 22 und 24 gebildete Spule ist derart gewickelt, daß der erzeugte Magnetfluß gleichgerichtet verläuft, wenn durch die Wicklung ein Strom in Richtung des Pfeiles I fließt. Ein Bürstenpaar 28 und 30, welches am Umfang des Rotors und auf diesem mit elektrischem Kontakt gleitend angeordnet ist, liegt außerhalb und an gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung, mit welcher die Bürsten über Kompensationsleiter 32 und 34 verbunden sind. Die Kompensationsleiter laufen durch den Öffnungsbereich 12. Eine dritte Borstenanordnung 36 steht ebenfalls mit dem Rotor 16 in elektrisch leitender Gleitverbindung und ist einem Mittelbereich des Rotors zwischen den beiden Bürsten 28 und 30 zugeordnet. Eine Anschlußklemme 38 ist mit dem Verbindungspunkt 38 und eine Anschlußklemme 40 mit der Bürstenanordnung 36 verbunden. Über diese beiden Anschlußklemmen wird eine externe Last an den Unipolar-Generator angeschlossen. Der Rotor wird über eine Welle 42 intern angetrieben oder kann auch als Motor geschaltet angetrieben werden. Diese Motorfunktion erhält man dadurch, daß ein Magnet 44 einen Magnetfluß 48 erzeugt, der den Rotor 16 durchsetzt. Ferner wird die Bürste 28 und die Bürstenanordnung 36 an eine externe Stromversorgung über die Anschlußklemmen 50 und 52 angeschlossen. In diesem Fall wirken die von den Wicklungsabschnitten 22 und 24 erzeugten Felder einander entgegen, da der Strom in Serie die Wicklungsabschnitte durchfließt. Der Magnet 44 kann als Permanentmagnet oder als Elektromagnet ausgebildet sein, der von einer Spule 54 erregt wird. Es ist auch möglich, einen Elektromagneten mit einem Permanentmagnet zu kombinieren.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform für einen Unipolar-Generator mit einem Rotor gezeigt. Dieser Generator ist entsprechend dem Generator

gemäß Fig.l WS411P-2843

gemäß Fig. 1 aufgebaut und unterscheidet sich von diesem durch die Ausbildung des Stators 56 und des Rotors 58, der eine zylindrische Form hat und nicht an den beiden Enden abgeschrägt ist. Die Bürsten 28 und sowie die Bürstenanordnung 36 gleiten auf dem Rotor und stehen mit diesem in elektrischer Kontaktverbindung, so daß über den Rotor und über die Serienschaltung der Wicklungsabschnitte 22 und 24 kein Strom fließen kann. Diese Wicklungsabschnitte wirken wie Feldspulen und sind derart gewickelt, daß sie den durch den Rotor verlaufenden Magnetfluß verstärken, wenn ein Strom durch eine Lastschaltung fließt, die an die Klemmen und 40 angeschlossen ist. Sobald der Rotor in einem Feld gedreht wird, entsteht zwischen den Bürsten eine Spannung. Der Magnet 44 ist derart angeordnet, daß ein anfänglicher Magnetfluß wirkt, der in dem Rotor eine Anfangsspannung erzeugt. Der Magnetkreis kann derart ausgebildet sein, daß er einen in der Statorhauptwicklung bzw. der Feldwicklung zugeordneten magnetischen Restfluß verstärkt, indem der magnetische Widerstand der Leckfeldstrecke verringert wird. An die Klemmen 50 und 52 kann eine externe Stromversorgung angeschlossen werden, damit ein Gleichstrom über die Bürsten und den Rotor sowie die in Serie liegende Feldwicklung fließt. Bei offenen Anschlußklemmen 38 und 40 und ferner an eine externe Gleichstromquelle angeschlossene Klemmen 50 und 52 ist es möglich, den Rotor im Sinne eines Motors zu beschleunigen, indem eine Wechselwirkung zwischen dem angelegten Gleichstrom und dem Rest magnetfeld aufgrund der magnetischen Einrichtungen wirksam ist. In diesem Fall wirkt der Magnetfluß der beiden Wicklungsabschnitte 22 und 24 einander entgegen, so daß kein Nettofluß entsteht.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Unipolar-Generators mit einem Doppelrotor dargestellt. Der Stator 62 hat einen Öffnungsbereich 64, der die innen liegende Oberfläche 66 definiert. Zwischen dieser Oberfläche 66 und der Peripherie der Rotoren ist ein Spalt 67 ausgebildet. Die beiden Rotoren 68 und 70 sind innerhalb des Stators 62 positioniert und drehbar gelagert, wobei sie sich in entgegengesetzten Richtungen um eine gemeinsame Achse relativ zum Stator drehen können. Eine Statorhauptwicklung 72 ist in schraubenform benachbart zur inneren Oberfläche 66 und koaxial zu den Rotoren 68 und 70 angeordnet. Bürsten 74 und 76 sind

am Rotor 68 WS411P-2843

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am Rotor 68 in axial auseinanderliegenden Bereichen angeordnet und gleiten in elektrischer Kontaktverbindung auf dessen Oberfläche. Entsprechend sind Bürsten 78 und 80 am Umfang des Rotors 70 montiert und gleiten in elektrischer Kontaktverbindung auf dessen Oberfläche, wobei die Bürsten ebenfalls axial voneinander entfernt liegen und die Bürste 78 mit dem anderen Ende der Statorhauptwicklung 72 verbunden ist. Eine externe Last wird an die Bürsten 74 und 80 über Anschlußklemmen 82 und 84 angeschlossen. Die Verbindung zwischen den Anschlußklemmen 82 und 84 sowie den Bürsten 74 und 80 erfolgt über Kompensationsleiter 85 und 87, die in dem Luftspalt 67 verlaufen. Die Rotoren 68 und 70 drehen sich in entgegengesetzter Richtung aufgrund eines externen Antriebs, der nicht dargestellt ist. Ferner ist ein Magnet 86 vorgesehen, dessen Fluß 88 die Rotoren 68 und 70 durchsetzt, so daß eine Motorwirkung entsteht, wenn an den Klemmen 82 und 84 eine externe Gleichstromquelle angeschlossen wird. Der Magnet 86 kann als Permanentmagnet ausgebildet sein, er kann jedoch auch als Elektromagnet mit einer Spule 90 aufgebaut werden und aus einer Kombination beider bestehen.

Wenn die Anschlußklemmen 82 und 84 mit der externen Last verbunden sind und sich die Rotoren 68 und 70 in entgegengesetzter Richtung drehen, durchsetzt das "Leckfeld 92 der Spule 72 die Rotoren und erzeugt durch Induktion eine Spannung in den Rotoren. Die auf den Rotoren angeordneten Bürsten 74, 76, 78 und 80 sind derart angeordnet, daß die induzierten Spannungen abgegriffen werden. Die Bürsten sind mit der Spule 72 in Serie geschaltet und ι ebenfalls mit der Last, die an die Klemmen 82 und 84 angeschlossen ist.Die Anschlüsse an die Spule sind derartig gestaltet, daß, wenn ein-Strom über die Leitungen und die Spulen fließt, das Leckfeld der Spule ^ansteigt und die Spannungen erhöht, die in den Rotoren induziert werden. Die Bürsten und die Verbindungsleitungen können so ausgebildet sein, daß sie sich über die Rotoren in einem Ausmaß erstrecken, was notwendig ist, um die Stromdichte in den Bürsten zu verringern und den Rotorstrom zu kompensieren. Entsprechend kann auch der Magnet 86 die Rotoren in einem gewissen Bereich umspannen, um den Leckfluß der Spule 72 zu vergrößern und dadurch die Selbsterregung des Unipolar- Generators zu verbessern.

Die beschriebenen WS411P-2843

Die beschriebenen Unipolar-Generatoren gemäß der Erfindung können in einer Weise aufgebaut sein, daß sie einen langsamen Aufbau des Feldflusses und des Ankerstromes bewirken, so daß der Stromaufbau kontrolliert ist und ein verbessertes Verhältnis zwischen dem Effektivstrom und dem Spitzenstrom entsteht. Dies wird insbesondere durch eine geeignete Festlegung der Zeitkonstante der in Serie liegenden Feldspulen bewirkt. Die Zeitkonstante der in Serie liegenden Feldspulen kann modifiziert werden, indem beabsichtigt Kurzschlußwindungen eingefugt werden, die mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung treten und den Grad der Kopplung beeinflussen. Durch das Vorsehen eines permanenten Magneten oder einer Hilfswicklung, um den Restfluß zu verstärken, ist es möglich, den Bedarf für eine externe Leistungsversorgung zu verringern, wenn nicht gar zu eliminieren. Der Unipolar-Generator nach einem solchen Aufbau ermöglicht, das verwendete Material maximal auszunützen und kann mit geringerem Gewicht aufgebaut werden, um Funktionen zu erfüllen, die gegenwärtig nur durch separate Komponenten verwirklicht werden können.

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Claims

Patentansprüche

1. ) Gleichstrom-Impulsgenerator für hohe Stromimpulse, bestehend aus einem Stator und einem darin konzentrisch gelagerten Rotor, einer Statorhauptwicklung mit zwei koaxial sowie schraubenförmig um den Rotor gewickelten Wicklungsabschnitten, welche in Serie geschaltet ist und mit einem Bürstenpaar, welches gleitend am Rotor anliegt, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Bürstenpaar (28, 30; 74, 80) auf gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung (Wicklungsabschnitte 22, 24) angeordnet sind und mit dieser in elektrischer Verbindung stehen;

- und daß eine dritte Bürstenanordnung (36; 76, 78) in einem Mittelbereich des Rotors (16; 58; 68, 70) zwischen den Bürstenpaaren (28, 30; 74, 80) angeordnet ist und eine elektrische Verbindung vom Mittelbereich zu einem externen Anschluß herstellt.

2. Gleichstrom-Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsabschnitte (22, 24) derart gewickelt sind, daß ein Magnetfluß in gleicher Richtung entsteht, wenn die Wicklungsabschnitte parallel geschaltet sind.