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Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine
mit einem Rotori der innerhalb eines die Statorfeldwicklungen tragenden Gehäuses
möglichst reibungsfrei gelagert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer derartigen elektrischen
Maschine, die infolge der reibungsfreien Lagerung nahezu keine mechanischen Verluste
aufweist, auch die bei der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen dem Stator
und dem Rotor auftretenden elektrischen Verluste zu beseitigen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß mindestens die
den Statorwicklungen gegenüberliegenden Rotorabschnitte aus supraleitendem Material
bestehen, das bis auf die Sprungtemperatur abgekühlt ist, und daß die Rotorabschnitte
achsen.-symmetrische Unregelmäßigkeiten aufweisen.
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Durch diese Maßnahmen kann dem Rotor beim Motorbetrieb eine in Umfangsrichtung
wirkende magnetische Druckkraft aufgeprägt werden, deren Ort sich entsprechend einem
Drehfeld in den Statorfeldwicklungen zeitlich ändert. Umgekehrt kann beim Generatorbetrieb,
also beim Antrieb des Rotors, in den Statorfeldwicklungen ein sich zeitlich ändernder
elektrischer Strom induziert werden, dessen Frequenz der Drehzahl des Rotors proportional
ist und dessen Stärke linear vom Drehmoment abhängt. Da die dem Magnetfeld ausgesetzten
Rotorabschnitte supraleitend sind, kann das Magnetfeld nicht in den Rotor eindringen
und dort Wirbelströme erzeugen, die eine Erwärmung hervorrufen. Es treten daher
keine elektrischen Verluste auf, die zu einem gewissen Grad die Größe und die Gestalt
der herkömmlichen elektrischen Maschinen festlegen und deren Leistungskauazität
begrenzen.
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nter Ausnutzung der Supraleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen können
auch die elektrischen Verluste von magnetischen Lagern herabgesetzt werden, so daß
man zusammen mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine nahezu verlustfreie elektrische
Maschine erhält. Außer als Motor und Generator kann der Erfindungsgegenstand beispielsweise
auch als mechanischer Energiespeicher oder Energieumsetzer benutzt werden. Ferner
findet die erfindungsgemäße elektrische Maschine auch bei Kreiselgeräten Anwendung.
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Die achsensymmetrischen Unregelmäßigkeiten des Rotors können verschiedenartig
gestaltet sein. Die supraleitenden Rotorabschnitte bilden vorzugsweise einen aus
ebenen Platten hergestellten vieleckigen Ring. Statt dessen kann aber auch ein plattenförmiger,
rnit Öffnungen versehener Ring auf den Rotor aufgeschoben sein, wobei sich dann
die Statorwicklungen oberhalb und unterhalb dieses durchbrochenen Ringes befinden.
Ferner kann der zylindrische Rotor gegenüber den Statorwicklungen längs seines Umfangs
achsensymmetrische Öffnungen aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen an Hand von Abbildungen
beschrieben werden.
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Fig. 1 ist eine geschnittene perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform der Erfindung als Elektromotor, F i g. 2 und 3 sind
ein elektrisches Schaltbild und ein magnetisches Feldlinienbild, die die Arbeitsweise
einer nach der Erfindung aufgebauten elektrischen Maschine veranschaulichen.
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F i g. 4 zeigt eine andersartige Rotorkonstruktion. F i
g. 4 a und 4 b sind magnetische Feldlinienbilder zur Erläuterung der
Arbeitsweise des Rotors nach F i g. 4.
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F i g. 5 zeigt eine weitere Rotorkonstruktion.
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F i g. 6 a und 6 b zeigen verschiedene Strom-Drehmoment-Kennlinien.
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Wie allgemein bekannt ist, werden bestimmte reine Metalle supraleitend,
wenn sich ihre Temperatur dem absoluten Nullpunkt sehr stark annähert. In diesem
supraleitenden Zustand besitzen die Stoffe eine etwa unendliche elektrische Leitfähigkeit
und einen etwa unendlichen magnetischen Widerstand, der das Eindringen eines magnetischen
Flusses in den betreffenden Werkstoff verhindert. Richtet man ein magnetisches Feld
gegen einen derartigen magnetischen Isolator, dann wird wegen der magnetischen Undurchdringbarkeit
des Körpers eine besondere
magnetische Druckkraft hervorgerufen.
Die Art und die Wirkung dieser besonderen Kraft unterscheidet sich von den gewöhnlichen
magnetischen Kräften; folglich lassen sich die üblichen Konstruktionen von Elektromotoren,
Generatoren usw. nicht einfach heranziehen, wenn man die einzigartigen Eigenschaften
dieser supraleitenden Stoffe ausnutzen möchte.
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In F i g. 1 ist eine Motorkonstruktion 10 mit einem
ortsfesten Statorgehäuse 11 zu sehen, in dem ein zylindrisch geformter Rotor
12 derart gehalten wird, daß er um seine vertikale Achse umlaufen kann. Der Rotor
12 ist aus einem supraleitenden Material, z. B. Niob angefertigt, während das Gehäuse
11 vorzugsweise aus starkleitendem, sauerstofffreiem Kupfer aufgebaut ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform dieser Motorkonstruktion hat das Gehäuse
11 einen Durchmesser von 76 mm und eine Länge von 152 mm. Der
Durchmesser des Rotors 12 beträgt 44,5 mm und sein Gewicht 69 g. In dem Raum
innerhalb des Gehäuses 11 wird der Rotor 12 mit Hilfe von magnetischen Druckfeldem
schwebend gehalten und über einen Ankerring 13 in Umlauf gesetzt, der rund
um den Mittelabschnitt des Rotorkörpers befestigt ist. Der Ankerring 13 wird
von mehreren durch Schweißen oder auf andere Weise befestigten und verbundenen,
ebenen Platten gebildet, die alle aus supraleitendem Stoff hergestellt sind und
die Seitenflächen eines vieleckigen Ringes 13 rund um den Mittelabschnitt
des Rotors 12 bilden. Zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes, das auf den Ankerring
13 zum Antrieb des Rotors 12 einwirkt, ist eine zweiphasige Statorwicklung
mit zwei Spulen 14 und 15 vorgesehen, die innerhalb des Gehäuses
11 konzentrisch gehaltert sind und den Ankerring 13
umschließen. Die
Statorwicklungen 14 enthalten eine Reihe hintereinandergeschalteter Spulen 14
a, 14 b,
14 c usw., die abwechselnd entgegengesetzt gewickelt
sind, wie es durch Pfeile in F i g. 2 angegeben ist. In ähnlicher Weise sind
die Statorwicklungen 15 a, 15 b,
15
c usw. ausgebildet, die ebenfalls abwechselnd entgegengesetzt gewickelt sind.
Durch überlappung der einzelnen Spulen der Statorwicklung 15 mit den benachbarten
Spulen der Statorwicklung 14 wird die Zweiphasenwicklung gebildet, wie es in F i
g. 2 gezeigt ist. Alle Spulen können etwa 55 Windungen aus Niobdraht
von 0,25 mm Durchmesser aufweisen, der mit einem Vinylformaldehydkunststoff
überzogen ist und auf einem ringförmigen Stätzkörper aus einem phenolhaltigen Isolierinaterial
mit Hilfe einer gehärteten, tonartigen Verbindung festgehalten wird. Der Stützkörper
kann mit Schwalbenschwanznuten (nicht gezeigt) zusammenwirken und die Statorwicklungen
14 und 15 an ihrem Platz im Gehäuse 11 festhalten. Zur Erregung der
Statorfeldwicklungen 14 und 15
können elektrische Signale über Supraleiter
(nicht gezeigt) zugeführt werden, die vom Boden des Gehäuses 11 aus durch
abgeschirmte Gehäuserillen nach oben laufen, um eine Verbindung zu den Wicklun-gen
14 und 15 herzustellen.
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Wie später erklärt wird, können die Wicklungen 14 und 15 durch
Wechselströme erregt werden, die vorzugsweise zeitlich um 90' phasenverschoben
sind und ein zweiphasiges magnetisches Drehfeld erzeugen, wie es dem Fachmann auf
dem Gebiet der Elektromotoren bekannt ist. Dreiphasige Wicklungen oder eine andere
mehrphasige Erregung können in gleicher Weise benutzt werden; es kann auch eine
Einphasenwicklung mit einer entsprechenden Startvorrichtung vorgesehen sein. Um
den Fluß, der von den Statorfeldwicklungen 14 und 15 erzeugt wird, auf den
unmittelbaren Bereich des Ankerringes 13
zu beschränken, können die Spulenhalterungen
für die Feldwicklungen eine dünne supraleitende Schicht, z. B. Niobfolie
11 a (F i g. 1) enthalten, die zwischen der Spulenhalterung
und dem Gehäuse 11 eingelegt ist.
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Da der Rotor 12 und der Ankerring 13 aus supraleitenden Stoffen
bestehen, die bis auf äußerst niedrige Temperaturen nahe beim absoluten Nullpunkt
abgekühlt werden, weisen diese Teile keinen elektrischen Widerstand auf. Ein in
diesen Teilen infolge des von den Wicklungen 14 und 15 erzeugten, umlaufenden
Magnetfeldes induzierter Strom wird auf eine äußerst dünne Schicht nahe an der Oberfläche
beschränkt, so daß der magnetische Fluß an einem Eintritt in den Ankerring gehindert
ist. Da der magnetische Fluß nicht das supraleitende Material durchdringen kann,
übt das um den Ankerring 13
herumlaufende Feld eine magnetische Druckkraft
gegen den Ring aus. Wenn der Ankerring kreiszylindrisch und die Wicklungen 14 und
15 symmetrisch zu diesem angeordnet wären, würde die Druckkraft nach innen,
genau in Richtung auf die Drehachse 16
einwirken, so daß kein Drehmoment zur
Drehung des Rotors zustande käme. Nach der Erfindung ist der Ankerring
13 jedoch nicht kreiszylindrisch, sondern so ausgebildet, daß er eine unregelmäßige
Oberfläche darstellt, so daß eine senkrecht zu dieser Oberfläche wirkende Kraft
nicht in Richtung auf die Drehachse 16 des Motors gerichtet ist, sondern
gegenüber der Drehachse versetzt einwirkt. Dadurch entsteht ein Drehmoment, das
den Rotor 12 um seine Achse 16 zu drehen sucht. Das von den Wicklungen 14
und 15 erzeugte Magnetfeld bringt also ein Drehmoment hervor, das zu einer
synchronen Drehung des Rotors 12 dient.
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Wie das von den Feldwicklungen 14 und 15 erzeugte umlaufende
Magnetfeld zur Drehung des Rotors 12 verwendet wird, läßt sich am besten in Verbindung
mit der F i g. 3 erkennen, in der der Rotor 12 und der Ankerring
13 im Querschnitt dargestellt sind. In F i g. 3 ist der Zustand des
Motors in demjenigen Augenblick aufgezeichnet, bei dem der Strom in den Feldwicklungen
14 a, 14 b usw. ein Maximum erreicht hat und der Strom in den Feldwicklungen
15 a, 15 b usw. um 90' nacheilt. Die Feldwicklungen
14 a bis 14 h werden gemeinsam gleichzeitig von einem Feldsteuerstrom erregt,
der so zugeführt wird. daß ein stärker werdendes Magnetfeld erzeugt wird wie es
durch die kreisförmigen Feldlinien angegeben ist. Wenn der Rotor 12 in der angegebenen
Lage erregt wird, erzeugen die Wicklungen 14 a, 14 b usw. ein Drehmoment,
das den Rotor 12 gegen den Uhrzeigersinn zu drehen sucht. Die das Drehmoment erzeugende
Kraft ist als Vektor 17 in F i g. 3 eingezeichnet. Gleichzeitig werden
die Feldwicklungen 15 a bis 15 h mit einem
Strom erregt, der um 90'
gegenüber dem Strom durch die Phasenwicklungen 14
verschoben ist, so daß ein abklingendes Magnetfeld von geringerer Größe als dasjenige
der Wicklungen 14 a, 14 b usw. erzeugt wird, das nicht der von den
Wicklungen 14 a, 14 b usw. verursachten rehung entgegengerichtet ist.
Nach einer Drehung des Rotors 12 um ein halbes Ankerringsegment, bei der die Ecken
des Ankerringes, die sich zuvor unter den Wicklungen 14 a, 14 b usw.
befunden haben, unter
die Wicklungen 15 a,
15 b usw. gebracht werden, kehrt sich die Phase des den Feldwicklungen
zugeführten trregerstroms um, so daß das von den Wieklungen 15
a, 15 b usw. erzeugte Magnetfeld sich ,verstärkt und das von den Feldwicklungen
14 a, 14 b
usw. erzeugte Feld abnimmt. Auf diese Weise wird der Rotor
12 dazu veranlaßt, sich gegen die Uhrzeigerrichtung synchron mit dem umlaufenden
Magnetfeld mit einer Drehzahl zu drehen, die von der Frequenz des den Feldwicklungen
zugeführten Erregerstroms abhängt.
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Beim Anlaufen des Rotors wird vorzugsweise die Drehzahl des Magnetfeldes
von Null bis zum gewünschten Wert langsam gesteigert, wobei das Magnetield ziemlich
langsam die Bewegung in Gang bringt und allmählich die Drehzahl steigert. Der Rotor
folgt dem Magnetfeld ohne Schlupf. Dieses allmähliche Anlassen wird vorzugsweise
dadurch erreicht, daß die Erregerwicklungen 14 und 15 zu Anfaftg mit einem
niederfrequenten Wechselstrom erregt werden, der von einem veränderbaren Frequenzregler
18 (F i g. 2) geliefert wird, worauf man die P-tregerfrequenz zur
Beschleunigung des Rotors 12 fortlaufend steigert, bis die gewünschte Drehzahl erreicht
ist. Sobald dies eintritt, kann der den Wicklungert 14 und 15 von einer Quelle
19 zugeführte Strom so weit verringert werden, wie es zum Antrieb
der Motorlast und zur überwindung der Gasreibung im Spalt notwendig ist,
da kaum eine mechanische Reibung noch elektrische Verluste vorhanden sind.
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In der F i g. 4 ist eine andersartige Konstruktion des Rotors
und des Antriebsmechanismus gemäß der Erfindung zu sehen. Der Rotor enthält einen
um seuie Achse drehbaren Zylinder 24 mit einem Ring 29 mit mehreren Öffnungen
26. Bei einer speziellen Rotorkonstruktion ist dieser Ring etwa
12,7 mm breit und etwa 3,2 mm dick. Die Fenster sind etwa 4,8 mm X
9,5 mm groß. Oberhalb des Rings 25 sind mit axialem Abstand mehrere
untereinander verbundene Statorwicklungen 27 a, 27 b usw. und
28 a, 28 b
usw. angeordnet; hierbei sind die Wicklungen des
zweiten Satzes um einen gewissen Winkel gegenüber dem ersten Satz versetzt, so daß
ein Zweiphasensystem entsteht. Zwei weitere Sätze identischer Wicklungen sind symmetrisch
zur Ringebene unterhalb des Rings angeordnet, wie es in F i g. 4 a zu sehen
ist, und dort mit 29 a, 29 b usw. und 30 a, 30
b usw. bezeichnet.
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Dadurch, daß die beiden Phasenwicklungen von Wechselstromquellen,
deren Phase zeitlich verschoben ist, erregt werden, wird ein zweiphasiges umlaufendes
Magnetfeld mit Magnetflußlinien 32 erzeugt, die durch die öffnung
26 des Rings 25 laufen. Da der Magnetfluß 32 nicht die supraleitenden
kompakten Abschnitte durchdringen kann, wenn das Magnetfeld z. B. im Uhrzeigersinn
um den Ring 25 herumläuft, wird er am linken Rand der Fenster 26 konzentriert;
dort wird also eine Kraft F erzeugt, die den Ring und den Rotor nach links zu drehen
sucht, wie es in F i g. 4 a angegeben ist.
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In F i g. 5 ist eine andere, der F i g. 4 ähnliche Ausführungsform
zu sehen, bei der jedoch die Fensteröffnungen 35 im zylindrischen Körper
eines Rotors 36 liegen und bei der mehrphasige Wicklungen 37, 38 mit
radialem Abstand den Fensteröffnungen 35 gegenüberstehen. Die Arbeitsweise
dieser Ausführungsform ist im wesentlichen dieselbe wie bei der Ausführungsform
nach F i g. 4. Bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen. ändert sich das
von der magnetischen Druckkraft Hera vorgerufene Drehmoment mit der zweiten Potenz
des Feldstromes. Der Rotor erfährt daher eine sehr geringe Drehmomentänderung, wenn
der Strom im Bereich kleiner Feldströme betrieben witd. Im Bereich großer Feldströme
ist eine Stromänderung mit einer großen Drehmomentänderung verbunden. Dies geht
aus F i g. 6 a hervor. In vielen Fällen ist eine lineare Änderung des Drehmomentes
mit den! Strom in einem weiten Bereich gemäß F i g. 6 b erwünscht, deren
Charakteristik der des gewöhnlichen Synchronmotors ähnelt.
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Um mit dem Erfindungsgegenstand diese andersartige Kennlinie zu erhalten,
kann der Ring25 nach F 1 g. 4 mit mehreren permanenten Elektromagneten versehen
werden, so daß die Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten des Rotorrings
und dem umlaufenden Magnetfeld eine lineare Drehmomentänderung bei Änderung des
Feldstromes hervorruft, wie es in F i g. 6 b aufgetragen ist.
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Um am Rotor 24 derartige permanente elektromagnetische Pole herzustellen,
muß man den Rotor nach F i g. 4 derart erregen, wie aus F i g. 4
b hervorgeht. Hierbei werden die Speichen des Rings 25 im Stillstand
so eingestellt, daß sie zwischen die Wicklungen 27 a, 27 b usw. und
29 a, 29 b usw. zu liegen kommem Die Temperatur des
Rings 25 wird dann soweit erhöht, bis gich das Material nicht mehr in seinem
supraleitenden Zustand befindet. Die Wicklungen 27 a, 27 b usw. und
29 a, 29 b usw. werden dann von einem Gleichstrom erregt, so daß ein
Fluß 39 zustande kommt, der die Speichen des Rings 25 einschließt. Die Temperatur
wird anschließend gesenkt, bis der Ring 25 wieder supraleitend wird; der Gleichstrom
durch die Wicklungen 27 wird dann abgeschaltet. Die Abschaltung des Stromes
bzw. der Durchflutung dient zur Induktion eines In! Ritig 25
zirkulierenden
Stroms; die Wiederherstellung der Supraleitfähigkeit im Ring 25 dient dazu3
den zirkulierenden Strom in dem nun supraleitenden Ring aufrechtzuerhalten, wobei
ein widerstandsloser Weg für diesen Strom entsteht. Auf diese Weise erhält der Ring
25 des Rotors eine Anzahl permanenter Elektromagnete. Wenn die Feldwicklungen
27 bis 30
später von einer mehrphasigen Wechselstromquelle erregt werden,
ist infolgedessen ein Synchromnotor hergestellt, der eine lineare Charakteristik
zwischen dem Drehmoment und dem Feldstrom zeigt, die in F i g. 6 b zu sehen
ist.
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biese andersartige Ausführungsform mit permanenten Elektromagneten
ist natürlich nicht nur auf Motoren allein anwendbar, da bei einem unabhängigen
Antrieb des Rotors 24 der magnetische Fluß der permanenten Elektromagnete die Wicklungen
der Feldspule schneidet und dort eine Spannung induziert, also als Generator arbeitet.
Außerdem kann diese Ausführungsform auch als synchroner Kondensator verwendet werden.
Kuppelt man zwei nach der Erfindung aufgebaute Maschinen mit verschiedener Polzahl
zusammen und betreibt die eine als Motor und die andere als Generator, dann kann
man diese Anordnung als Frequenzwandler benutzen.
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Abgesehen von der zur Kühlung in den supraleitenden Zustand und für
die magnetischen Traglager notwendigen Energie werden gemäß der Erfindung praktisch
alle Verluste, gleichgültig ob sie mechanischer oder elektrischer Art sind, ausgeschaltet.
Auf
diese Weise erhält man eine Maschine, die als Motor bis auf eine gewünschte Geschwindigkeit
beschleunigt werden kann und nach dem Abschalten der Antriebskraft im Leerlauf weiterläuft,
solange die Kühlune, unter der Sprungtemperatur aufrechterhalten wird oder die andererseits
im Falle einer Belastung nur eine solche Energiezufuhr benötigt, wie sie durch die
Belastung und die Wirkungen der Spaltreibung bedingt ist. Dementsprechend sind vorzugsweise
alle Abschnitte der Maschine, auf die die magnetischen Felder einwirken, die dem
Anker, den Statorwicklungen oder den magnetischen Drucklagern zugeordnet sind, aus
einem supraleitenden Material angefertigt.
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Der Rotor12, der Ankerring13 und die Lager können gemeinsam mit den
anderen zuvor besehrie.-benen Körpern an Stelle von ausschließlich supraleitendem
Material auch aus einem gewöhnlichen billigen Material (z. B. Kupfer oder Eisen)
aufgebaut sein, das mit einer Schicht Niob oder einem anderen supraleitenden Material
bedeckt ist. Da eine besondere Eigenschaft eines supraleitenden Materials darin
besteht, daß alle elektrischen Ströme sehr nahe an der Oberfläche fließen, reicht
eine äußerst dünne Außenschicht aus einem supraleitenden Material aus, um eine unendliche
elektrische Leitfähigkeit und einen unendlichen magnetischen Widerstand herzustellen.
Die tatsächlichen Messungen haben gezeigt, daß diese Schicht in den meisten Fällen
nicht dicker als 0,0025 mm zu sein braucht, da etwa der gesamte Strom dicht
an dieser Oberfläche fließt; dickere Schichten können natürlich mit demselben Ergebnis
verwendet werden.