DE4021588A1

DE4021588A1 - Unipolarmaschine als gleichstrom-hochspannungserzeuger, gleichstromumspanner und hochspannungsgleichstromgenerator- oder motor

Info

Publication number: DE4021588A1
Application number: DE4021588A
Authority: DE
Inventors: Zacharias Johann Dr Ing Neag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1992-01-09
Also published as: US5278470A

Description

Anwendungsgebiete

Die Erfindung kann auf folgenden Gebieten angewandt werden:

- überall wo Gleichstrom unter Hochspannung benötigt wird, zum Beispiel auf dem Gebiet der Gleichstrom-Energieübertragung,
- in elektrischen Anlagen, wo die Umspannung des Gleichstroms von großem Vorteil sein kann (zum Beispiel in elektrischen Netzen),
- überall wo Hochspannungs-Gleichstromgeneratoren und Hochspannungs-Gleichstrommotoren benötigt werden (zum Beispiel für elektrische Verkehrs mittel).

Stand der Technik

Die Unipolarmaschinen (siehe Quellen 1, 2, 3) sind bisher nur als Niederspannungs-Hochstrommaschinen oder als Gleichstrom-Klein- und Kleinstmotoren (zum Beispiel Gleichstromscheibenmaschinen) realisiert worden.

Quellen

1. K. Küpfmüller: "Einführung in die theoretische Elektrotechnik", Springer-Verlag, 1984,
2. Th. Boedefeld, H. Sequenz: "Elektrische Maschinen", Springer-Verlag, 1971,
3. F. Ollendorf: "Über unipolare Induktion", Archiv für Elektrotechnik, XLIV-Band, Heft 2, 1959.

Kritik am Stand der Technik

Wie bekannt, können alle bisherigen Unipolar maschinen wegen der äußerst kurzen Längen der mehreren einzelnen Läuferleiter nur Niederspannung erzeugen (Generator) oder aufnehmen (Motor). Deshalb ist das Anwendungsgebiet der bisherigen Unipolarmaschinen begrenzt (siehe Quelle 2). Dazu gibt es bisher (ausgenommen von Umformern, die nur unter niedrigen Spannungen arbeiten oder von Stromrichteranlagen, die kompliziert und sehr teuer sind) keine Lösung zur direkten Umspannung des Gleichstroms.

Aufgabe

Die Aufgaben, die der Erfindung zugrundeliegen, sind:

- die Erzeugung einer hohen Gleichstrom-Spannung,
- die direkte Umspannung der Gleichströme,
- der Betrieb als Generator und Motor unter Hochspannung.

Lösung

Der Ständer der Maschine besitzt zwei Erregerspulen zylindrischer Art, die koaxial zur Maschinendrehachse liegen und zwei entgegengesetzte magnetische Flüsse erzeugen (siehe Abb. 1a). Der Läufer der Maschine, in Scheibenform, trägt eine Wicklung aus einem einzigen durchlaufenden Leiter, der die ganze Scheibe rundum umwickelt von der Scheibenmitte aus nach außen, so daß beliebig viele radiale und frontale nichtunter brochene Leiterabschnitte entstehen (Abb. 1). Durch Drehung des Läufers ändert sich für jeden radialen Leiterabschnitt der magnetische Fluß mit dem Dreh winkel, so daß eine Quellenspannung gemäß dem Induktionsgesetz entsteht (siehe Quelle 1, Seiten 233 und 234). Da die zwei magnetischen Flüsse entgegen gesetzt sind, sind die Richtungen der Quellenspannungen in jeweils zwei radialen Leiterabschnitten (der eine auf der einen Seite, der andere auf der anderen Seite der Scheibe und über die Scheibenkante kontinuierlich gebunden) gleich. Das bedeutet, daß die Quellen spannungen aller Leiterabschnitte sich arithmetisch zu einer Gesamtspannung addieren und daß die resultierende Spannungshöhe proportional zur Gesamt länge der Leiterabschnitte ist. Die Erregerspulen werden aus einer Gleichspannungsquelle gespeist. Die Läuferspule erzeugt auch eine Gleichspannung. Die Spannungen und die Ströme könmnen je nach Auslegungsparametern der Maschine in einem weit reichenden Bereich liegen.

Erzielbare Vorteile

Die Erfindung bietet neben den Vorzügen der bisher bekannten Unipolarmaschinen (wie Erzeugung einer reinen Gleichspannung, Fehlen eines Stromwenders, einfacher Aufbau, hohe Überlastbarkeit) die folgenden Vorteile:

- Erzeugung von Hochspannungs-Gleichströmen,
- direkte Umwandlung von Niederspannungs-Hochströmen in Hochspannungs-Niedrigströme oder umgekehrt,
- Anwendung als Gleichstromgenerator oder als Gleichstrommotor in einem weitreichenden Bereich der Strom- und Spannungshöhen,
- die Möglichkeit, den Bereich der Spannungs überproportionalität zu erreichen (wo die Spannung resonanzhaft ansteigt) durch ein wesentlich höheres Verhältnis zwischen der Länge des Läuferleiters und der Breite des Luftspaltes oder durch ein wesentlich höheres Verhältnis der Umfangs geschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit im Sinne der beschränkten Relativitätstheorie (siehe Quellen 2 und insbesondere 3).

Weitere Erläuterungen

Eine Skizze der Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Einzelkomponenten sind:

1. - Ständer aus Dynamoblech oder aus Materialien mit höherer magnetischer Permiabilität,
2. - Erregerspulen,
3. - Läufer aus Dynamoblech wie beim Ständer,
4. - Läuferwicklung aus einem einzigen durchlaufenden Leiter,
5. - Maschinenachse, die die Läuferpole herausführt,
6. - Pole + und - des Läufers,
7. - Umlauf des magnetischen Flusses,
8. - Luftspalt.

Ein Anwendungsmodell, wie in Abb. 2 dargestellt, wurde mit einfachen Mitteln aufgebaut. Bei einem sehr schwachen magnetischen Fluß (im Freien) und mit relativ kleinen Abmessungen wurde eine Spannung gemessen, die proportional zur Drehgeschwindigkeit des Läufers (wie erwartet) lief.

Claims

1. Unipolarmaschine als Gleichstrom-Hochspannungserzeu ger, Gleichstromumspanner und Hochspannungsgleich stromgenerator- oder Motor, dadurch gekennzeichnet, daß ein scheibenförmiger Läu fer eine Wicklung aus einem einzigen durchlaufenden Lei ter trägt, der die ganze Scheibe rundum umwickelt, von der Scheibenmitte aus nach außen; dadurch entstehen be liebig viele radiale Leiterabschnitte auf beiden kreis förmigen Breiten der Scheibe sowie frontale Leiterab schnitte auf den Scheibenkanten, nacheinanderstehend und elektrisch gebunden (Abb. 1a und 1b).

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei entgegengesetzte durch Ständerspulen erzeugte magnetische Flüsse senkrecht auf die Läuferwicklung wirken und durch Läuferdrehung Spannungen in gleicher Richtung in den radialen sich auf beiden Seiten der Läuferscheibe befindlichen Lei terabschnitten entstehen (Abb. 1a und 1b).

3. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen die in den radialen Leiterabschnitten erzeugt werden, sich arith metisch zu einer Gesamtspannung addieren und daß die resultierende Spannungshöhe proportional der Gesamt läuferleiterlänge ist.

4. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklungsenden durch die Maschinenachse herausgeführt werden, so daß die erzeugte Spannung über axiale punktförmige ein fache Kontakte (kein Stromwender) entnommen werden kann (Abb. 1a).

5. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch gezielte konstrukti ve Maßnahmen (wie z. B. ein sehr hohes Verhältnis zwi schen der Länge des Läuferleiters und der Breite des Luftspaltes) der Spannungsüberproportionalitätsbe reich erreicht werden kann.

6. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach der Konstruktions art der Maschine, von niedrigen Spannungen und Hoch strömen im Ständer ( mit geringer Windungszahl und großem Leiterquerschnitt) hohe Spannungen und entspre chend niedrige Ströme im Läufer (mit großer Win dungszahl und kleinem Leiterquerschnitt) erhalten wer den können; oder umgekehrt, von hohen Spannungen und niedrigen Strömen im Ständer (mit großer Windungs zahl und kleinem Leiterquerschnitt) niedrige Spannungen und entsprechend hohe Ströme im Läufer (mit geringer Windungszahl und großem Leiterquerschnitt) erhalten werden können.

7. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Konstruktions- und Betriebsart beide Funktionen, Generator und Motor, verwendbar sind, wobei sowohl die Spannungen als auch die Ströme in einem weitreichenden Bereich (von Nie derspannungen bis zu sehr hohen Spannungen oder von Niedrigströmen bis zu sehr hohen Strömen) liegen können.