HU188489B - Homopolar dc machine with ball collectors - Google Patents

Abstract

A találmány tárcsás forgórészű homopoláris egyenáramú gép, melyben a tárcsák (1) sorbakapcsolását a közöttük gördülő' vezető golyók (4) biztosítják. A tárcsák (1) váltakozva rögzítettek a gép tengelyéhez (8), illetve a forgórészt magában foglaló serlegalakú belső házhoz (2) . A belső ház (2) az álló részhez (10) van rögzítve, vagy fogaskerekes kényszerkapcsolatban van a tengelylyel. A golyókban fellépő örvényáramú veszteséget a mágneses kör különleges kialakítása csökkenti. A találmány alkalmazási köre megfelel a közép- és nagyteljesítményű egyenáramú gépekének. -1-

Description

A találmány tárgya szerkezeti megoldás tárcsás forgórészű homopoláris egyenáramú gépre, amely szerint a gép főáramkörében a mozgó alkatrészek között gördülő érintkezőket, célszerűen golyókat alkalmazunk az áramfolyás biztosítására.

A találmány szerinti egyenáramú gép előnyösen alkalmazható minden olyan helyen, ahol néhány kW-nál nagyobb teljesítményű egyenáramú gépre van szükség, és a gép súlyának, térfogatának, tehetetlenségi nyomatékának csökkentése, valamint megbízhatóságának növelése elsőrendű fontosságú.

Az egyenáramú gépek jelentősége mellett közismertek a ina általánosan használt dobtekercselésű armatúrájú és kiálló pólusú állórészű egyenáramú géppel kapcsolatos problémák. A kiálló pólusú állórész helyigényes. A forgórész méretét jelentősen megnövelik a tekercsfejek. Az armatúravisszahatás és a kefeszikrázás segédpólusok alkalmazását kívánja meg. Az egész gép legkényesebb eleme a kommutátor, ez legfőbb hibaforrás. A kommutátor és a kefék gyakori ellenőrzésre szorulnak. Rossz beállítás vagy túláram esetén körtűz keletkezhet. A gyártás körülményes, emiatt az egyenáramú gépek lényegesen drágábbak, mint a hasonló teljesítményű váltakozóáramú gépek.

A hátrányok kiküszöbölésére több irányban folyik kutatás. Az egyik tendencia a mechanikus kommutátort helyzetérzékelőkkel vezérelt félvezetős kapcsolókkal kívánja felváltani, az alapkonstrukció megtartásával. A másik fő irányzat gyökeresen eltérő konstrukciót alkalmazva a homopoláris indukciót használja fel. Geometriailag a homopoláris gépeknek két alaptípusuk van: a hengeres és a tárcsás forgórészűek. A homopoláris gép egy hengerében vagy tárcsájában hasonló nagyságrendű feszültség indukálódik, mint a hagyományos (heteropoláris) egy vezetőjében; ugyanakkor az áramerősség igen nagy lehet. Nagyobb feszültséget csak több tárcsa, ill. henger sorbakapcsolásával kaphatunk. A sorbakapcsolás kivitelezésére a tárcsás változat alkalmasabbnak tűnik.

A homopoláris konstrukció számos előnyt rejt magában a hagyományoshoz képest, ezeket azonban csak akkor lehet kiaknázni, ha a tárcsákat erőteljesen mágneses tér járja át és az áramszedők nagy áramokat képesek kis mechanikus és villamos veszteség árán megbízhatóan átvinni. A fenti követelményeket igen nehéz összeegyeztetni. Pl. ha áramszedőnek szénkefét vagy egyéb szilárd csúszóérintkezőt alkalmazunk, akkor ennek áramterhelhetősége elmarad a tárcsák terhelhetőségétől, jelentős lesz a súrlódási veszteség és az átmeneti feszültségnek a tárcsafeszültséghez viszonyított aránya is nagy lesz. A tárcsaátmérő növelésével ez utóbbi csökkenthető ugyan, ekkor azonban a kefekopás lesz jelentős. Emellett az ilyen áramszedőknek nagy a helyigénye, elhelyezésük a légrés növekedésével jár, ami viszont maga után vonja a gerjesztő teljesítmény növekedését.

Az „Acta Polytechnica Scandinavica - Electrical Engineering” folyóirat 1982. 48. számában megjelent „Homopoláris gépek szupravezetéssel (Folyékony fémes áramszedés és tervezési irányelvek” c. cikk felsorolja az elmúlt két évtized kísérleti eredményeit és részletesen tárgyalja a témában folyó legújabb kutatásokat. A cikk szerint mindezideig nem sikerült olyan áramszedőt kidolgozni, amely minden tekintetben megfelel a követelményeknek. Jelenleg előtérbe kerültek a folyékony fém áramszedők a szilárd, csúszó áramszedőkkel szemben; az előbbiek alkalmazását összekapcsolják a gerjesztőtekercs folyékony héliumos hűtésével, hogy szupravezetést elő2 idézve fedezzék a gerjesztés igényt. Számos probléma még megoldásra vár, főként a folyékony fémes áramszedőkkel kapcsolatban, hogy a módszer ipari méretekben alkalmazható legyen. A szerző 1 MW-on felüli teljesítményeket - hajó és hengerművi hajtásokat, fém-elektrolízist — jelöl meg várható alkalmazási területekként.

A fenti megoldásnak az a hátránya, hogy bonyolult és drága, ilyen módon csak igen nagy gépek gazdaságos megvalósítása képzelhető el.

A találmány célja olyan konstrukció kialakítása, amely kiaknázva a homopoláris elvben rejlő előnyöket, mentes a hagyományos egyenáramú gépek hátrányaitól, széles teljesítménytartományban alkalmazható és gazdaságosan gyártható.

A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép azon a felismerésen alapul, hogy ha a tárcsák kerülete mentén elosztva gördülő érintkezőket, célszerűen vezető golyókat helyezünk el, akkor nagy áramterhelhetőségű, kis helyigényű, egyszerű és olcsó áramszedőkhöz jutunk. Ily módon a tárcsák közötti légrés is kicsivé tehető, ami előnyös a gerjesztés szempontjából. A golyókat golyókosarakba ágyazzuk. A golyósorokat felváltva helyezzük el a tárcsák külső és belső kerülete mentén, így a tárcsák rugalmas alakváltozása biztosítja a jó érintkezéshez szükséges egyenletes erőt. A golyók és a pálya érintkezése pontszerű, így a nagy felületi nyomás kenőanyag jelenléte esetén is biztosítja a fémes érintkezést. A golyósorok váltakozó elhelyezésével a tárcsafeszültségek sorbakapcsolása is biztosított. A tárcsák váltakozva rögzítettek mechanikusan a tengelyhez, illetve a tárcsaköteget körülvevő serlegalakú belső házhoz. Ez a megoldás azért is előnyös, mert így a belső ház a tengellyel és a tárcsákkal egy szerelési egységet alkot. Akkor kapunk maximális forgórészfeszültséget, ha az állórészhez képest a tengely és a belső ház azonos fordulatszámmal, de egymással ellentétes irányban forog. Ez az állapot ideális a tárcsák közötti golyókra is, mert így nem „vándorolnak”, centrifugális erő nem hat rájuk.

A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép együk lehetséges kiviteli alakjában a belső ház az állórészhez rögzített. Ebben az esetben a tárcsákon termelődő nyomatéknak csak a felét tudjuk felhasználni és a fordulatszám is korlátozott a golyóvándorlás miatt. Előny viszont a konstrukció egyszerűsödése.

A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép egy másik lehetséges kiviteli alakjában a belső házat elfordulóan ágyazzuk és 1:1 áttételű, ellentétes forgásirányt biztosító közlőmű - célszerűen fogaskerékáttétel - segítségével a gép tengelyéhez kapcsoljuk.

Mágneses térben forgó vezető golyókban örvényáramú veszteség keletkezik. Nagyobb fordulatszám igénye esetén bármelyik kiviteli alaknál olyan megoldást alkalmazunk e veszteségek csökkentésére, mely egyrészt csökkenti a golyókat átjáró mágneses teret, másrészt azt a golyók forgástengelyével egyirányúvá teszi. Ezt oly’ módon érjük el, hogy a tárcsák peremét nem ferromágneses fémből készítjük, a nem ferromágneses golyókosárba pedig ferromágneses betéteket építünk be.

A találmány a továbbiakban egy kiviteli példa kapcsán rajzok alapján ismertetjük. A mellékelt rajzokon az

1. ábra a találmány szerinti homopoláris egyenáramú gépnél a tárcsák és a golyók kapcsolatát mutatja be vázlatos formában, a

2. ábra a találmány szerinti homopoláris egyenáramú

188 489 gép egy lehetséges kiviteli alakjának vázlatos hosszmetszete, a

3. ábra a találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép bármelyik kiviteli alakjában az áramszedők olyan kivitelezését mutatja, amely biztosítja az örvényáramok csökkentését (szintén a gép tengelyén átahaldó vázlatos hosszmetszetben).

A 2. ábrán bemutatott kiviteli alaknál a 2 belső házhoz, ill. a 8 tengelyhez szigeteken rögzített 1 tárcsák egymással szemben képesek elfordulni azonos fordulatszámmal. A 10 állórészben elfordulóan ágyazott 2 belső ház és a 8 tengely közötti kényszerkapcsolatot az itt nem részletezett, célszerűen fogaskerekes 5 közlőmű biztosítja. Ily módon az 1 tárcsák közötti 4 golyók nem „vándorolnak” és az összes 1 tárcsa résztvesz az energiaátalakításban. Természetesen a forgórészáram kivezetésére szolgáló golyókra hat centrifugális erő, ennek hatását a pálya alkalmas kialakításával ellensúlyozzuk. Az 1 tárcsák az áram vezetésén kívül résztvesznek a fluxus vezetésében is, mivel anyaguk ferromágnes. A közöttük lévő légrés minimális. A mágneses kör a 10 állórészen keresztül záródik, a gerjesztést az állórészpólusokon elhelyezett 11 tekercsek biztosítják. A 4 golyók helyzetét a 3 golyókosarak határozzák meg.

Az 5 közlőmű elhagyásával és a 2 belső háznak a 10 állórészhez való rögzítésével egy másik kiviteli alakhoz jutunk. A konstrukció egyszerűsödésének ára azonban a teljesítmény csökkenése.

A 3. ábrán látható elrendezés a 4 golyókban keletkező örvényáramú veszteség csökkentésére hivatott. A 4 golyókat a fő fluxuson kívül helyeztük el azáltal, hogy a ferromágneses anyagból készült 1 tárcsák 6 peremeit nem ferromágneses fémből alakítjuk ki. A nem ferromágneses 3 golyókosárba beépített ferromágneses 7 betétek egyrészt rövidrezárják a szórt fluxust, másrészt a 4 golyókon áthaladó maradék szórt fluxus irányát úgy befolyásolják, hogy az a 4 golyók forgástengelyével egyirányú lesz.

A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép előnye a hagyományos egyenáramú gépekhez képest a nagyobb fajlagos teljesítmény, valamint a nagyobb megbízhatóság a kommutátor elmaradása miatt. A fordulatszám kevéssé függ a terheléstől, armaturareakció gyakorlatilag nincsen. Tehetetlenségi nyomatéka kicsi. A fenti tulajdonságai miatt előnyösen alkalmazható járművek (különösen személygépkocsi) hajtásánál, szerszámgépek szabályozott hajtásainál, az űr- és repüléstechnikában. Űrtechnikai alkalmazásoknál külön előnyt jelenthet, hogy elmarad az állórészen fellépő indítási rántás. A gyártás egyszerűen automatizálható az egyszerű geometriájú alkatrészek miatt. Az áramszedők kialakításánál fel10 használhatók a golyóscsapágy-gyártás technológiai tapasztalatai. A forgórész igen kevés rezet tartalmaz, a gerjesztőtekercselés viszont anyagigényesebb a többszörös légrés miatt, mint a hagyományos gépeké. Az egyszerű formájú gerjesztőtekercset készíthetjük a réznél jóval ol15 esőbb alumíniumból is. Kisebb gépeknél szóba jöhet permanens mágneses gerjesztés alkalmazása.

Claims (4)

1. Szabadalmi igénypontok

   20 1· Homopoláris egyenáramú gép, melynek gerjesztése tengelyirányú, forgórésze körgyűrű alakú tárcsákból áll, azzal jellemezve, hogy a tárcsákat (1) körülforgó belső háza (2) van, a tárcsák (1) szigetelten rögzítettek váltakozva a gép tengelyéhez (8), illetve a belső házhoz (2), a

   25 Tárcsák (1) között pedig gördülő érintkezők, célszerűen golyókosárba (3) ágyazott vezető golyók (4) vannak elhelyezve.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti homopoláris egyenáramú gép, azzal jellemezve, hogy a belső ház (2) az állórészhez (10) rögzített.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti homopoláris egyenáramú gép, azzal jellemezve, hogy az állórészben (10) elfordulásra képesen ágyazott belső ház (2) cső tengelyként ki van vezetve és azonos fordulatszámot, valamint ellentétes forgásirányt biztosító közlőmű (5), előnyösen fogaskerékáttétel segítségével kényszerkapcsolatban van a gép tengelyével (8).
4. 4. Az 1—3. igénypontok bármelyike szerinti homopoláris egyenáramú gép, azzal jellemezve, hogy a ferromágneses anyagból készült tárcsák (1) külső és belső peremei (6) nem ferromágneses fémből vannak kialakítva, a nem ferromágneses golyókosarak (3) pedig ferromágneses árnyékoló betétekkel (7) vannak ellátva.