Opublikowano dnia 21 wrzesnia 1961 r tfoo* BIBLK Urzeoo r..'tenlov-ec'" |hlsLiei foeczfpKM1''*' i Ufo*9| £ *< POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 44923 KI. 21 d\ 6 Stefan Janiczek Kraków, Polska Homopolarna maszyna pradu stalego dowolnie wysokiego napiecia, zwlaszcza generator lub silnik duzej mocy Patent trwa od dnia 8 grudnia 1959 r.Przedmiotem wynalazku jest rozwiazanie techniczne konstrukcji bezkolektorowych ma¬ szyn pradu stalego, umozliwiajace uzyskiwanie dowolnie wysokich napiec tych maszyn, „wzgled¬ nie bardzo duzych natezen pradu przy bardzo duzej sprawnosci i stosunkowo malych wy¬ miarach maszyn. Rozwiazanie to stanowi od¬ miane w budowie maszyn unipolarnych.Maszyny unipolarne o dotychczas znanych konstrukcjach nie znalazly szerszego zastoso¬ wania pomimo duzych zalet w stosunku do maszyn kumutatorowych, jaka jest wieksza sprawnosc oraz stosunkowo prostsza budowa.Przyczyna tego sa rosnace trudnosci konstruk¬ cyjne z uzyskiwaniem wyzszych napiec, wyni¬ kajace z wymaganej wiekszej szybkosci obro¬ towej wzglednie liczby osobnych obwodów, które doprowadzane do pierscieni slizgowych laczy sie w szereg za posrednictwem odpowied¬ niej • liczby* szczotek i przewodów. Przewody laczace wyprowadzane sa na zewnatrz korpu¬ sów maszyn. v Maszyny te, majace zastosowanie glównie w galwanotechnice, budowane sa dla stosun¬ kowo malych mocy i o napieciach rzedu 10—40 wolt. Praktycznie stosowany jest jeden rodzaj tych maszyn, to jest ze stalym magnesem, a wirujacym twornikiem, przy czym twornik moze miec konstrukcje cylindryczna, czyli ty¬ pu poosiowego, wzglednie tarczowa, czyli typu promieniowego.Najczesciej budowane sa maszyny unipolarne tyipu poosiowego konstrukcji Noeggerath'a i Lamme'a. W' celu uzyskania wyzszego napiecia maszyny te wyposaza sie w duza ilosc pierscie¬ ni slizgowych i szczotek, zas przewody laczace poszczególne obwody wyprowadzane byc musza na zewnatrz#korpusów maszyn/^A-lj- Homopolarne maszyny dowolnie wysok: napiec wzglednie bardzo duzych natezen pr;wedh^^yn^azku, sa pozbawione wymienio- hym^n&ly a*jWnoczesnie posiadaja wyjatkowe zalety, jak znacznie wieksza sprawnosc elek¬ tryczna niz którakolwiek z. dotychczas znanych maszyn elektrycznych, znacznie mniejsze wy¬ miary oraz mozliwosc rozwiazania konstrukcji tych maszyn w nowym ukladzie. Oprócz sto¬ sowanych ukladów jak w znanych dotychczas maszynach unipolarnych, to jest z wirujacym twornikiem i nieruchomym magnesem maszyna 'wedlug wynalazku moze miec rozwiazanie konstrukcyjne z nieruchomym twornikiem i wi¬ rujacym magnesem.Maszyna z wirujacym twornikiem wedlug tego rozwiazania moze posiadac tylko jedna pare pierscieni slizgowych, gdyz dla uzyskania wyzszego napiecia poszczególne zezwoje nowej konstrukcji beda laczone ze soba szeregowo na czolowej czesci twornika, zatem nie bedzie zachodzic potrzeba zwiekszania ilosci pierscieni i szczotek, czy tez szybkosci obrotowej.W maszynach z wirujacym magnesem pier¬ scienie slizgowe moga miec zastosowanie je¬ dynie do zasilania uzwojen wzbudzenia.W przypadku zastosowania magnesów sta¬ lych, stana sie zbedne wszelkie pierscienie.Wyzsze napiecie bedzie uzyskiwane w analo¬ giczny sposób jak w maszynach z wirujacym twornikiem, to jest przez szeregowe laczenie poszczególnych zezwoi.Zasada dzialania homópolarnych maszyn we¬ dlug wynalazku oraz uzyskanie wymienionych walorów technicznych jest rezultatem zasto¬ sowania specjalnych rozwiazan technicznych.Uzwojenie maszyn wedlug wynalazku sklada sie z jednozwojowych zezwoi, przy czym po¬ szczególne zezwoje wykonane sa w formie elementów z tak zwanym jednym aktywnym bokiem zezwoju, poniewaz drugi bok zezwoju jest ekranowany od wplywu pola magnetycz¬ nego. A zatem dzialanie elektrodynamiczne wzglednie indukowana sila elektromotoryczna moze powstac tylko w tym aktywnym boku zezwoju tj. w maszynie z wirujacym tworni¬ kiem, przez przecinanie pola magnetycznego statora przez zezwoje wirnika, zas w maszy¬ nie z wirujacym magnesem — przez przeci¬ nanie przez wirujace pole magnetyczne wirnika zezwoi stanowiacych uzwojenie statora.Ekranowanie uzyskuje sie przez koncen¬ tryczne wzajemne usytuowanie boków zezwoju , oraz zastosowanie ekranu magnetycznego dla oslony od wplywu pola magnetycznego we¬ wnetrznego przewodu bedacego drugim bokiem zezwoju.Ekran w postaci rury, wykonany z materialu uzyskujacego wlasnosci nadprzewodnictwa w niskich temperaturach, umieszczony jest po¬ miedzy zewnetrznym rurowym przewodnikiem stanowiacym aktywny bok zezwoju a wewne¬ trznym ,przewodnikiem, bedacym nieaktywnym bokiem zezwoju. Chlodzenie skroplonymi ga¬ zami wzglednie chlodzenie termoelektryczne przewodów wiodacych prad i tak zwanego ekranu umozliwia uzyskanie wlasnosci nad¬ przewodnictwa ekranu i zwiazanej z tym wlas¬ ciwosci ekranowania od wplywu pola magne¬ tycznego, zwiekszenie przewodnosci aktywnych boków zezwoi oraz uzyskanie stanu nadprze¬ wodnictwa nieaktywnego» ekranowego boku zezwoju. Przez uzyskanie zwiekszonej przewod¬ nosci i nadprzewodnosci przewodów, straty energetyczne na cieplo Joule'a sa praktycznie równe zeru.Nadprzewodnikami staja sie niektóre czyste metale, stopy metali jak i zwiazki metali z substancjami nieprzewodzacymi — w niskich temperaturach. Nadprzewodniki, charakteryzuja sie specjalnymi wlasnosciami, ich opornosc wlasciwa i natezenie pola elektrycznego we¬ wnatrz nadprzewodnika jest praktycznie równa zeru.Pole magnetyczne i wspólczynniki przenikal- nosci magnetycznej wewnatrz nadprzewodnika sa tez praktycznie równe zeru.Pole to nie ulega zmianom pomimo zmian zewnetrznego pola. Nadprzewodniki stanowia idealny ekran pól magnetycznych.Stan nadprzewodnosci moze zachowac sie nawet w stosunkowo wysokich temperaturach, gdyz nadprzewodzace zarodzie moga przetrwac w znacznie wyzszych temperaturach od tem¬ peratur w których powstaly, zatem po urucho¬ mieniu maszyny temperatura jej moze byc podwyzszona tak, ze zamiast chlodzenia jej trudnymi do skroplenia gazami, jak hel lub wodór, moze byc chlodzona w dalszej pracy skroplonym azotem lub tlenem, czy tez innymi tp. gazami.Zastosowanie komory prózniowej umozliwia izolowanie maszyny od zewnetrznych wplywów termicznych oraz likwiduje straty wirujacej maszyny na wentylacje. Wentylacja jest zby¬ teczna z uwagi na minimalne straty cieplne i nowy sposób chlodzenia.Zastosowanie specjalnych materialów dosto¬ sowanych do warunków pracy maszyny, na- przyklad na przewody uzwojen takich metali, stopów metali wzglednie ich zwiazków z su- — 2 —bstancjami nieprzewodzacymi, które uzyskuja znacznie zwiekszona przewodnosc wzglednie nadprzewodnosc, jak zwiazków lub stopów niobu na przewody nieaktywnych boków ze- zwoi i ekran, a zwiazków molibdenu lub hafnu — na przewody aktywnych boków zezwoi.Wykonanie obwodów magnetycznych maszyn z materialów o wlasnosciach ferromagnetycz¬ nych w niskich temperaturach, jak naprzyklad zwiazków cynku z cyrkonem, które to zwiazki staja sie ferromagnetycznymi w niskich tem¬ peraturach.Zastosowanie w maszynach lozysk nie wy¬ magajacych smarowania, odpowiednich do pra¬ cy w niskich temperaturach.Wykonanie konca walu maszyny z materialu o malej przewodnosci termicznej z uwagi na róznice temperatur, jakie zachodza pomiedzy temperatura w komorze a zewnetrzna.Fig. \ przedstawia przykladowo uklad homo- polarnej maszyny wedltig wynalazku z twor- nikiem wirujacym typu poosiowego. W maszy¬ nie tej uzwojony jest wirnik, przy czym po¬ szczególne jednozwojowe zezwoje 1, wykonane w formie elementów o koncentrycznym wza¬ jemnym usytuowaniu boków tego zezwoju i z ekranem magnetycznym przewodu wewne¬ trznego, laczone sa sezregowo wzglednie rów¬ nolegle w czesci czolowej 2 twornika.Chlodzenie uzwojen oraz tak zwanego ekranu magnetycznego uzyskuje sie przez przeplyw, w rurowych przewodach uzwojen skroplonego helu lub innych gazów, wzglednie przez chlo¬ dzenie termoelektryczne. Podobnie wykonane jest chlodzenie obwodów magnetycznych stato- ra i* wirnika. W tym celu dwie pary rur 4 do¬ prowadzaja i odprowadzaja skroplony gaz z urzadzenia chlodniczego 3 do statora i wir¬ nika, chlodzac zarówno obwody magnetyczne, jak i przewody wiodace prad.Cala maszyna znajduje sie w komorze próz¬ niowej, wykonanej z materialu o malej prze¬ wodnosci cieplnej 5. Równiez wal maszyny w czesci koncowej 6 wykonany jest z materia¬ lu o malej przewodnosci cieplnej i duzej wy¬ trzymalosci mechanicznej, naprzyklad z two¬ rzywa sztucznego typu „Derlin'\ 2 Lozyska w maszynie dostosowane odpowied¬ nio do warunków pracy w niskich temperatu¬ rach, naprzyklad lozyska kulkowe 7 z kulek z pseudoporcelany typu „Pyroceram" — nie- wymagajace smarowania, zas lozyska slizgowe komory prózniowej, na przyklad z polimety- styrenów, bez uzycia smarów 8. Dlawiki w tym lozysku utrudniaja przedostanie sie powietrza do komory prózniowej. ** Fig. % przedstawia przykladowo uklad homo- polarnej maszyny wedlug wynalazku z wiruja¬ cym magnesem i nieruchomym twornikiem.W maszynie tej uzwojony jest stator, przy czym poszczególne jednozwojowe zezwoje 9 laczone sa szeregowo wzglednie równolegle w czesci czolowej tego statora 10. Wirnik sJ^JFf&s. nowi jednobiegunowy magnes. Pozostale /wfSjp^ menty oznaczone cyframi 3, 4, 5, 6, 7, 8 fWfe^^^\( byc analogiczne jak na fig. %H* VV^^^/^ Homopolarne ^maszyny wedlug wynalazKuj^ll^' z uwagi na swoje duze zalety, jakimi sa: bar¬ dzo duza sprawnosc, stosunkowo prosta kon¬ strukcja, male wymiary i maly ciezar w sto¬ sunku do mocy, beda mogly miec barzo szero¬ kie zastosowania, a miedzy innymi jako ge¬ neratory . i silniki wysokiego napiecia duzej mocy w urzadzeniach dla przesylu energii pra¬ du stalego na duze odleglosci. PL