DE1942986A1 - Dynamoelektrische Maschine - Google Patents

Description

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Dr.-Ing. Wilhelm Reiche!

Frcmkfurt/Main-1
Pcnkairaße 13

INTERiIATIONAI RESEARCH & DEVELOPMENT COMPANY LIMITED, Newcastle upon Tyne, England

Dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere eine Unipolarmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung und vorzugsweise einem. Scheibenläufer, -die,,einen Läufer und einen Stator und eine Stromübertragungsvorrichtung mit feststehenden und sich bewegenden Teilen, die miteinander über eine gemeinsame Grenzfläche in Kontakt sind, enthält.

Die Erfindung- befaßt sich mit der Stromübertragung bei dynamoelektrischen Maschinen. Sie ist anwendbar auf Unipolarmaschinen mit Scheiben- oder Trommelläufer, wie sie z.B. in der britischen Patentschrift 1 133 724 und in der Schweizer Patentschrift 470 795 beschrieben sind. Dort sind Unipolarmaschinen beschrieben, in denen ein sehr starkes Magnetfeld durch eine Statorwicklung mit öiner oder :mehreren supraleitenden Spulen erzeugt wird.

Der oder die Leiter des Läufers dieser Maschinen haben gewöhnlich einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand, so daß sie von starken Strömen durchflossen werden können und Bürsten mitverhältnismäßig großen Kontaktflächen erforderlijjh^seiifTcönnen, um dem Läufer Strom zuzuführen oder zu entziehen. Diejenige Stelle der Grenzfläche zwischen Bürste

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und Schleifring, an der. der Strom übertragen wird, liegt in vielen Fällen so, daß das Magnetfeld der Statorwicklung elektromotorische Kräfte (EMKs) mit sich ändernder Größe über eine Fläche der Schleifringoberfläche ausbildet, die mit der Bürstenvorrichtung in Berührung steht. Diese elektromotorischen Kräfte sind in den meisten Fällen zwar verhältnismäßig klein, doch können aufgrund der hohen Feldstärke und des niedrigen Widerstands des Schleifrings, an dem die elektromotorischen Kräfte angreifen, verhältnismäßig starke Kreisströme hervorgerufen werden, die?Streuverluste in der Maschine hervorrufen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch vermieden, daß die Grenzfläche derart in einem Magnetfeld der Maschine angeordnet ist, daß die Anzahl der die Grenzfläche schneidenden Kraftlinien minimal ist.

Das feststehende Teil der Stromübertragungsvorrichtung kann ein Kontaktring auf dem läufer sein, der koaxial zum Läufer verläuft, und die Oberfläche dieses Rings kann entweder so gekrümmt sein, daß sie den Kraftlinien folgt, oder aus einem oder mehreren axial aneinandergrenzenden kegelstumpfförmigen Teilen hergestellt sein, die hinreichend genau an die gekrümmte Oberfläche angenähert sind und die" Ausbildung des feststehenden Teils mit weitgehend ebenen Kontaktflächen gestatten, so daß, beispielsweise auf einer Kohlebürste, keine konkave Kontaktoberflache ausgebildet zu werden braucht.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen ^werden im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsb.eispiels näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Längsschnitt durch eine dynamoelektrische Scheibenläufer-Unipolarmaschine, wie sie in der britischen Patentschrift 1 133 724 beschrieben ist»

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Pig. 2 zeigt im vergrößerten Maßstäbe einen Teil X der Pig. 1 im Bereich, der Stromübertragung zwischen -einem Kontaktring und Bürsten·.

Pig. 3 zeigt eine ähnliche Ansicht wie Pig. 2 von einem Kontaktring mit einem Profil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Pig. 4 zeigt eine ähnliche Ansicht wie Pig. 3 von einem Kontaktring gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. -

Der in Pig. 1 gezeigte Schnitt verläuft in einer Ebene, die die Achse einer Scheibenläufer-Unipolarmaschine enthält, in der ein Scheibenläufer 1 mit einer Welle 2 in einem Magnetfeld rotiert, das von einer ringförmigen PeIdwicklung oder Statorspule 3 erzeugt wird, die koaxial zum Läufer angeordnet ist. Die Windungen der Statorspule können aus einem supraleitenden Material oder aus einem herkömmlichen Leiter bestehen, doch erzeugt die Statorspule in jedem Palle ein stationäres Magnetfeld, deren Kraftlinien

4 stromleitende Bahnen im Läufer schneiden, wenn sich dieser dreht. Die Läuferscheibe kann entweder selbst den Läuferleiter bilden oder in Segmente unterteilt sein oder,, wie es in Pig. 1 gezeigt ist, eine isolierte Stützscheibe 1 sein, an der Rücken an Rücken zwei scheibenförmige Anordnungen 5 und 6 aus leitendem Material befestigt sind« ■

Die Anordnungen 5 und 6 sind jeweils mit äußeren Endteilen 5a und 6a und inneren Endzeilen 5b und 6b versehen, die Kontaktringe zur Übertragung des in den Anordnungen fließenden Stroms bilden. Die._Endteile 5a, 5b und 6a, 6b können mit den radialen Hauptteilen in einem Stück hergestellt oder an diesem, z.B. durch Schrauben, befestigt sein. Die Anordnungen

5 und 6 lcönnen jeweils einen einzigen Leiter in Porm einer kontinuierlichen Scheibe oder, wie dies in der Schweizer

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Patentschrift 470 795 beschrieben ist, mehrere radial verlaufende Leiter umfassen, in welchem Falle die Kontaktringe aus gegenseitig isolierten Segmenten bestehen.

.Pig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab den in dem Kreis X nach Fig. 3 liegenden Bereich. . _;

Wie man sieht, hat die Kontaktringoberfläche, die die Bürsten 8 berührt, von denen vier über den Kontaktring auseinanderliegend angeordnet und parallel geschaltet sind, ein geradliniges Profil 7» das parallel zur Läuferachse ver-^: läuft. Zwei aufeinanderfolgend dargestellte gekrümmte Kraft* linien 4a, 4b schneiden die Bürstenkontaktoberfläche des Kontaktrings an zwei Stellen, die durch Kreise A und B dargestellt und auf der Kontaktringoberfläche auseinanderliegen. Wenn sich der Kontaktring während des Betriebs der Maschine dreht, werden z.B. an den Stellen A und B verschiedene Potentiale ausgebildet, so daß zwischen diesen Punkten eine Spannung oderEMK anliegt, und da die miteinander verbundenen Bürsten 8 und der Teil 5a des Kontaktrings zusammen einen geschlossenen Stromkreis bilden, treibt die EMK in diesem Stromkreis einen Kreisstrom, was durch die striche punktierte Linie 9.angedeutet ist. Diese Kreisströme haben unerwünseb.te Verluste in der .Maschine zur Folge.

Um das Entstehen dieser Kreisströme, z.B. den durch die Linie 9 angedeuteten, in dem Kontaktring und der Bürstenanordnung zu verhindern, ist das Profil vorzugsweise so ausgebildet, daß es möglichst genau dem Verlauf einer Kraftlinie, z.B. der Linie 4b in Fig. 2, folgt. Das erforder-" liehe Profil läßt sich- in Abhängigkeit von den Abmessungen und Nenndaten der Maschine beispielsweise mit Hilfe eines Rechners berechnen, und ein Kontaktring mit diesem Profil kann ohne große Schwierigkeiten hergestellt werden, doch kann es in einigen Fällen, insbesondere bei Festkörper-

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Bürsten, äußerst kompliziert und kostspielig sein, die Kontaktoberflächen der Bürsten 8 so zu formen, daß sie komplementär zur Form der Kontaktoberfläche des Rings sind. Vorzugsweise ist das Profil 7 daher so geformt, daß die Kreisstromstärke minimal ist, obwohl ebene Oberflächen verwendet werden, die keine komplizierte Formgebung der Bürstenoberflächen erfordern. .

Dies wird bei der Ausführung nach Fig. 3 durch ein einziges geradlinies Profil 7 erreicht, das dem nach Pig. 2 ähnlich ist, jedoch gegenüber der Achse der Maschine um einen Winkel geneigt ist. Der Verlauf der Maschinenachse ist in Pig. 3 durch die strichpunktierte Linie 10 dargestellt, doch ist der Abstand zwischen der Linie 10 und dem Teil 5a des Kontaktrings nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

Der Winkel, den die Linie 7 mit der Maschinenachse bildet, "ist so gewählt, daß die Linie 7 etwa parallel zur Sehne einer Kraftlinie verläuft, die sich über die Breite der Kontaktringoberfläche erstreckt, an der die Bürste anliegt. Obwohl immer noch in entgegengesetztem Sinne fließende Kreisströme, wie dies durch die Linien 11 und 12 angedeutet ist, bei einem Kontaktringprofil erzeugt werden, das so ausgebildet ist, wie es in Pig. 3 gezeigt ist, läßt sich doch der Betrag der EMKs,, die auf der Kontaktoberfläche ausgebildet werden, im Vergleich zu den bei dem Profil nach Pig. 2 ausgebildeten erheblich verringern.

Der Betrag der EMKs läßt sich noch weiter dadurch verringern, daß man ein Kontaktringprofil verwendet, wie es in. Pig. 4 dargestellt ist. Bei diesem bevorzugten Ausfüh-

besteht ^das Profil aus zwei geradlinigen Tei len7a und 7b, die jeweils unter verschiedenem Winkel zur Maechinenachse 10 verlaufen und zwei in axialer Richtung

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aneinandergrenzende kegelstumpfförmige Oberflächen bilden. - -. .

Der Punkt, in dem sich die Linien 7a und 7b schneiden, liegt etwa in der Mitte der Bürstenkontaktbreite des Kontaktrings, und die Winkel, die die linien mit der Linie 10 bilden, können_ao_gewählt sein, daß der Mittelwert der beiden-Winkel etwa gleich der Steigung einer Sehne einer Kraftlinie ist, die über die Bürstenkontaktbreite des Kontaktrings - in Bezug auf die Maschinenachse verläuft.

Die die Profile 7a und 7b des Kontaktrings jeweils berührenden Bürsten 8a und 8b sind in ihrem Bürstengehäuse unter einem Winkel zueinander angeordnet, der so gewählt ist, daßsie senkrecht zu den jeweiligen Schleifringoberflächen stehen, jedoch alle Bürsten 8a und 8b nach wie vor in der dargestellten Weise parallel geschaltet werden können.

Obwohl in Pig. 4 ein Profil mit nur zwei geradlinigen Teilen dargestellt ist, umfaßt die Erfindung irgendeine Anzahl geradliniger Teile, die eine Kraftlinie oder 3?eldlinie annähern. In der Praxis kann jedoch die Kompliziertheit der für ein Profil mit mehr als zwei geradlinigen Teilen erforderlichen Bürstenanordnung die durch die Verringerung der Kreisstromstärken erzielten Vorteile aufheben.

Die sich durch die Profile nach der Erfindung ergebenden Formen der Kontaktringoberflächen sind kegelstumpfförmig und können daher leicht maschinell hergestellt werden und· auch die Herstellung komplementärer Bürstenoberflächenformen ist nicht schwierig.

Wenn die Kontaktringoberfläche dicht in der Nähe der Ebene der Statorspule liegt, kann ein Teil eines aus mehreren

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geradlinigen Teilen· bestehenden Profils parallel zur Maschinenachse verlaufen, so daß sich also ein zylindrischer Teil einer Kontaktoberfläche mit einem daran angrenzenden konischen Teil ergibt. Im entgegengesetzten Extremfall kann ein Teil des Profils eine senkrecht zur Masehinenachse verlaufende Linie sein, so daß sieh also eine*Kontaktoberfläche· mit einem Ringscheibenteil und einem daran angrenzenden konischen Teil ergibt. .

Obwohl bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung nur die Profile des in radialer Richtung- außen liegenden Kontaktringteils 5a betrachtet worden sind, gilt ähnliches für den Teil 6a und auch für die in radialer Richtung innen liegenden Teile 5b und 6b.

Die Erfindung ist nicht nur auf Seheibenläufer-, sondern auch auf Trommelläufer-TJnipolarmaschinen anwendbar, die als Motor oder Generator betrieben werden können, und kann auch bei heteropolaren Maschinen angewendet werden, bei denen starke Magnetfelder unerwünschte Verluste durch das Auftreten von Kreisströmen infolge der angegebenen Gründe verursachen können.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   !Dynamoelektrische Maschine, insbesondere eine Unipolar- _: iaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung und Vorzugs— weise einem Scheibenläufer, die einen läufer und einen Stator und eine Stromubertragungsvorrichtung mit feststehenden und sich bewegenden Teilen, die miteinander über eine ge— meinsame Grenzfläche in Kontakt, sind, enthält» dad u r oh ge kenn ze ic h η e t, daß die Grenzfläche (7; 7a, 7b) derart in einem "Magnetfeld der Maschine angeordnet ist, daß die Anzahl der die Grenzfläche schneidenden Kraftlinien minimal ist. -:'"■'■
2. 2. Maschine nach-Anspruch 1, dadurch g e k e η n,- ^: ζ ei c h η e -t, daß das sich bewegende Teil der Stromüber'-tragungsvorrichtung ein auf dem läufer angeordneter koaxial zum Läufer verlaufender Kontaktring ist. ·
3. 3. Maschine nach Anspruchs, dadurch g e k e η η ζ e i c h-n e t, daß die Kontaktoberfläche des Kontaktrings:in einer Schnittansicht,.bei der die Schnittebene mit der Läuferachse- zusammenfällt, ein Profil hat, das so gekrümmt ist, daß es einer Kraftlinie des Magnetfeldes folgt.
4. 4. Maschine nach Anspruch !,dadurch g e k e η ή - ζ e i eh η et, daß die Kontaktoberfläche des Rings zumindest einen Teil enthält, der kegelstumpfförmig ist.
5. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennz e lehnet, daß die Kontaktoberfläche des Rings aus' zwei in axialer Richung aneinandergrenzenden kegelstumpfförmigen Teilen mit verschiedenen Neigungswinkeln besteht.

   OOItfÖ/0479 - . ■■
6. 6. Maschine nach einem der Ansprüche 2 - -5, d a d u r c h

   g e k e η η ζ ei ohne t, daß der Kontaktring aus mehreren gegenseitig isolierten Segmenten besteht, die zu einem Ring zusammengesetzt sind.
7. 7. Maschine nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennze i ohne t, daß das feststehende Teil der Stromübertragungsyorrichtung zumindest einen Satz von Festkörper-Bürsten umfaßt, die über die Kontaktoberfläche des Rings in eine/ mit der läuferachse zusammenfallenden Ebene auseinanderliegend angeordnet und parallel geschaltet sind.
8. 8. Maschine nach einem der Ansprüche 2 -7, dadurch g ekenn ζ ei ohne t, daß der Kontaktring auf dem äußeren Umfang des Läufers und seine Kontaktoberfläche auf der Innenseite d&s Rings vorgesehen ist. -

   f'.,, 009810/0479