DE1253802B - Elektrische Unipolarmaschine - Google Patents

Description

• Elektrische Unipolarmaschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Unipolarmaschine mit einem Stator und einem mindestens zweifach gelagerten Rotor, dessen Lager eine elektrisch gut leitfähige Flüssigkeit enthalten und als Stromabnahmekollektoren vom Rotor zum Stator dienen.
• Es ist bereits eine derartige Unipolarmaschine bekannt, bei der die Lager Teile aufweisen, die während des Laufs der Maschine eine schleifende Verbindung zur Welle herstellen und beispielsweise aus Kohle bestehen, so daß etwa dieselben Stromabnahmeverhältnisse herrschen, wie sie bei den auf dem Läufer schleifenden Kohlebürsten vorliegen. Bei einer weiteren Ausführungsform der bekannten Unipolarmaschine ist die Welle im Bereich der Lager hohl und zeigt Bohrungen zwischen dem Hohlraum und der Lagerstelle, durch die die leitende Flüssigkeit an die Gleitflächen der Lager herangeführt werden soll. Dabei befinden sich diese Kollektoren ebenso wie die Lager weit außerhalb der sich einander gegenüberstehenden elektromagnetisch aktiven Flächen von Rotor und Stator. Dies entspricht auch der herkömmlichen Bauweise von Elektromaschinen. bei der die Lager für den Rotor außerhalb des Stators angeordnet sind. Diese bekannte Ausführung zeigt aber den Nachteil, daß der bauliche Aufwand und der Raumbedarf verhältnismäßig groß sind.
• Bei einer anderen bekannten Unipolarmaschine sind auf einer Welle drei verschiedene Rotoren angeordnet. Einer dieser drei Rotoren ist im Hauptluftspalt des Stators, die beiden anderen in den Nebenluftspalten angeordnet, wobei jeder Rotor mit drei konzentrischen Trommeln versehen ist, von denen jeweils Teilströme durch besonders gestaltete Kollektoren abgenommen werden. Die drei Rotoren sind elektrisch voneinander isoliert, wobei die Hilfsluftspalte die Erregerwicklungen reduzieren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden, den Wirkungsgrad von Unipolarmaschinen zu vergrößern, ohne daß ein konstruktiver Mehraufwand erforderlich ist, und den Raumbedarf zu verkleinern.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Unipolarmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß sämtliche Kollektoren im wesentlichen in der gleichen radialen Ebene wie die sich gegenüberstehenden elektromagnetisch aktiven Flächen des Rotors und Stators angeordnet und als reine Flüssigkeitslager ausgebildet sind, indem die elektrisch leitfähige Lagerflüssigkeit den sich über den ganzen Umfang der Lager erstreckenden ringförmigen Zwischenraum als Flüssigkeitsschicht ausfüllt. Hierdurch bieten sich größere Flüssigkeitslagerflächen und Kollektorflächen an, da der Lagerdurchmesser im wesentlichen dem Rotordurchmesser entspricht. Außerdem wird das Bürstenfeuer vollständig vermieden, so daß infolge des stark reduzierten elektrischen Übergangswiderstandes der erstrebte höhere Wirkungsgrad erreicht wird.
• Darüber hinaus ergeben sich auch konstruktiv erhebliche Vereinfachungen dadurch, daß keine zusätzlichen Lager außerhalb des Stators erforderlich sind, so daß die ganze Maschine einen wesentlich geringeren Raum beansprucht und billiger herzustellen ist, weil eine Reihe von Arbeitsgängen in Wegfall kommen und die entsprechenden Teile eingespart werden. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Unipolarmaschine durch eine größere Lebensdauer der Lager aus, die auch höhere Drehzahlen gestatten, wobei die spezifische Lagerbelastung infolge der vergrößerten Lagerdurchmesser geringer ist.
• Schließlich weisen auch die Kollektoren eine größere Lebensdauer auf, da sie vollständig als Flüssigkeitslager ausgebildet sind.
• Nach einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind je ein Paar zusätzliche Kollektoren beiderseits der zwei seitlichen Luftspalte angeordnet. Besonders die Kombination der beiden genannten Ausführungsformen ist sehr günstig, weil hierdurch eine Verdoppelung der EMK ohne vergrößerten Raumbedarf und ohne besondere Zusatzeinrichtungen erzielt werden kann.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben sind. Es stellt dar F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Unipolarmaschine gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab als Ausschnitt der in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsform, F i g. 3 einen schematischen Querschnitt der Maschine nach F i g. 1, F i g. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
• Der dargestellte elektrische Unipolarstromerzeuger besitzt einen Rotor 1 und ein ringförmiges, den Stator bildendes, mit einem Erregersystem 2 a ausgerüstetes Magnetgestell 2, wobei diese beiden Teile zusammen einen mittleren Luftspalt 3 und zwei seitliche Luftspalte 3 a und 3 b definieren.
• Diese Maschine wird nun, wie in F i g. 1 schematisch dargestellt, mit zwei ringförmigen Flüssigkeitsstromabnehmern ausgerüstet, welche beiderseits des mittleren Luftspalts 3 angeordnet sind und im wesentlichen je durch einen von dem Stator 2 getragenen Ring 4 gebildet werden. Dieser Ring hat die Form einer auf der Seite des Rotors 1 offenen Rinne und ist mit einer die Elektrizität leitenden Flüssigkeit, z. B. Quecksilber, Natrium oder einer Mischung aus Natrium und Kalium, angefüllt.
• Jeder Stromabnehmer ist so ausgebildet, daß die leitende Flüssigkeit gezwungen wird, die Form einer Flüssigkeitsschicht anzunehmen, welche sich längs des entsprechenden Ringes 4 erstreckt und örtlich die Aufgabe eines Stromabnehmers erfüllt, wie dies weiter unten näher erläutert ist, wobei diese Flüssigkeitsschicht außerdem für den Rotor ein Druckmittellager bildet.
• Damit die Flüssigkeitsschicht örtlich die Aufgabe eines Stromabnehmers erfüllen kann, wird sie gezwungen, an den Stellen, an welchen der Kontakt zur Stromabnahme hergestellt werden soll, die Form einer dünnen Flüssigkeitsschicht anzunehmen, wofür zweckmäßig der Boden der Rinne eine solche Form erhält, daß er in den Zonen, in welchen die Stromabnehmerwirkung erzeugt werden soll, in F i g. 3 deutlich sichtbare Vorsprünge 4 a aufweist, deren jeder eine Drosselstelle zwischen einer Kammer A, welcher die leitende Flüssigkeit durch eine in dem Stator 2 ausgebildete Leitung 5 zugeführt wird, und einer mit dem Leitungssystem 5 a zur Abfuhr der Flüssigkeit verbundenen Abflußkammer B bildet.
• Es können z. B. vier derartige Vorsprünge vorcesehen werden.
• ~ Obwohl bei einem derartigen Stromabnehmer gegebenenfalls nur mit einem genügend hohen Speisedruck mit dem flüssigen Leiter gearbeitet werden kann (rein hydrostatisches Lager), werden zweckmäßiger die Vorsprünge 4 a am Umfang so ausgebildet, daß das Lager entweder als rein hydrodynamisches Lager oder mit einer gemischten hydrostatischen und hydrodynamischen Wirkung arbeiten kann.
• Es können dann zweckmäßig unabhängig von der Art des Druckmittellagers zur Erzielung einer Selbstzentrierung des Rotors 2 in an sich bekannter Weise örtliche Drosselstellen 6 in den in die Kammern A mündenden Leitungen 5 zur Zufuhr der Flüssigkeit vorgesehen werden.
• Die Ringe 4 und die Leitungen 5 und 5 a bestehen aus einem die Elektrizität gut leitenden Material, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, und sind elektrisch von dem Stator 2 durch einen entsprechenden Isolierstoff 2 b isoliert, wie in F i g. 2 dargestellt. Oben ist angenommen, daß der Unipolarstromerzeuger nur zwei flüssige, den mittleren Luftspalt 3 einfassende Kontakte aufweist, was offenbar nur gestattet, die an der Stelle des mittleren Luftspalts 3 induzierte elektromotorische Kraft abzunehmen.
• Man kann jedoch auch, entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung, die an der Stelle der seitlichen Luftspalte 3 a und 3 b induzierten elektromotorischen Kräfte abnehmen, indem man an den Enden des Stators 2, wie in F i g. 4 dargestellt, zwei zusätzliche Stromabnehmer 7 vorsieht, welche, wie die beiderseits des mittleren Luftspalts 3 angeordneten Hauptstromabnehmer 4, mit leitender Flüssigkeit ausgebildet sind, wobei jeder dieser zusätzlichen Stromabnehmer 7 mit dem dann zwischen dem mittleren Luftspalt und dem entsprechenden seitlichen Luftspalt liegenden Hauptstromabnehmer 4 einen Stromkreis bildet. in welchem die an der Stelle des entsprechenden seitlichen Luftspalts 3 a oder 3 b induzierte elektromotorische Kraft ausgenutzt wird.
• Außer der Ausnutzung der an der Stelle der seitlichen Luftspalte induzierten elektromotorischen Kräfte erhält man noch zwei weitere Druckmittellager zur Lagerung des Rotors 1.
• Ferner können gegebenenfalls, statt die zusätzlichen Stromabnehmer mit den Hauptstromabnehmern zusammenwirken zu lassen, in der Nähe der Hauptstromabnehmer weitere zusätzliche Stromabnehmer vorgesehen werden, welche zusammen mit den zusätzlichen Stromabnehmern 7 an den Enden die an der Stelle der seitlichen Luftspalte induzierten elektromotorischen Kräfte isoliert aufnehmen.
• Unter sonst gleichen Umständen erhält man durch die zusätzlichen Stromabnehmer an den Enden eine doppelte elektrische Leistung, da zu der mittleren elektromotorischen Kraft die seitlichen elektromotorischen Kräfte hinzutreten.
• Es ist zu bemerken, daß es das Vorhandensein von vier Stromabnehmern (zwei Hauptstromabnehmern und zwei Stromabnehmern an den Enden) entsprechend dem Anschluß der Arbeitsmaschine an diese Stromabnehmer gestattet, über die folgenden drei elektromotorischen Kräfte zu verfügen: E/2, E und E/2.
• Die zusammen mit einem derartigen Unipolarstromerzeuger benutzte Arbeitsmaschine kann eine beliebige Bauart aufweisen, welche hohe Stromstärken erfordert, und insbesondere, wie in F i g. 4 dargestellt, durch eine Gruppe von drei Gleichpolmotoren Ml, M.., und M.3 gebildet werden, welche die gleiche Bauart wie der Stromerzeuger haben und mit den Spannungen E/2, E und E/2 gespeist werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Elektrische Unipolarmaschine mit einem Stator und einem mindestens zweifach gelagerten Rotor, dessen Lager eine elektrisch gut leitfähige Flüssigkeit als Schmiermittel enthalten und als Stromabnahmekollektoren vom Rotor zum Stator dienen, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kollektoren im wesentlichen in der gleichen radialen Ebene wie die sich gegenüberstehenden elektromagnetisch aktiven Flächen des Rotors (1) und Stators (2) angeordnet und als reine Flüssigkeitslager ausgebildet sind, indem elektrisch leitfähige Lagerflüssigkeit den sich übet den gesamten Umfang der Lager erstreckenden ringförmigen Zwischenraum als Flüssigkeitsschicht ausfüllt.
2. 2. Elektrische Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Lagerflüssigkeit in einem rinnenförmigen, dem Stator (2) zugeordneten, elektrisch gut leitfähigen Ring (4) geführt ist, daß der Boden der Ringrinne (4) Vorsprünge (4a) in den im wesentlichen die Kollektorwirkung erzielenden Bereichen aufweist und daß jeder Vorsprung (4 a) mit dem Rotor (1) eine Staustelle zwischen einer Eingangskammer (A), in die die Lagerflüssigkeit durch eine im Stator (2) befindliche Leitung (5) zugeführt ist, und einer Abflußkammer (B), die einem Flüssigkeitsabführungssystem (5a) zugehört, bildet.
3. 3. Elektrische Unipolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Ringrinne (4) mindestens vier Vorsprünge (4 a) aufweist.
4. 4. Elektrische Unipolarmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuführungsleitungen (5) jeweils eine örtliche Verengung (6) aufweisen, die vorzugsweise in der Nachbarschaft des in die jeweilige Eingangskammer (A) führenden Leitungsausgangs liegt.
5. 5. Elektrische Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Paar zusätzliche Kollektoren beiderseits von zwei seitlichen Luftspalten (3 a, 3 b) angeordnet sind.
6. 6. Elektrische Unipolarmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei an den inneren Enden der seitlichen Nebenluftspalte (3 a, 3 b) angeordneten Kollektoren mit den entsprechenden beiderseits des Hauptluftspaltes (3) angeordneten Kollektoren vereint sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 305 706, 934 899; schweizerische Patentschrift Nr. 346 281; französische Patentschrift Nr. 656 584; »Elektrotechnik und Maschinenbau«, H.3/1961, S. 128 bis 143; »The Institution of Electrical Engineers«, Paper 2606 U, vom Juni 1958, S. 234; Buch von Bödefeld-Sequenz »Elektrische Maschinen«, 6. Auflage, Verlag Springer, Wien 1962, S. 400 bis 405, 500 bis 507.