DE1538243B2

DE1538243B2 - Seitenleiter bei induktiven mhdgeneratoren sowie ihre herstellung

Info

Publication number: DE1538243B2
Application number: DE19651538243
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-02-03
Filing date: 1965-02-03
Publication date: 1973-06-20
Also published as: DE1538243A1; GB1134208A; US3453459A; CH477119A

Description

Unter dem Begriff Magneto-Hydro-Dynamischer Generator, abgekürzt MHD-Generator, wird eine Einrichtung zur direkten Umwandlung von kinetischer Energie einer Strömung in elektrische Energie ^ verstanden. Man bedient sich dabei der Wechselwir- * kung zwischen elektrisch leitfähigen, strömenden Medien und magnetischen Feldern. Als Medium kann dabei ein Gas bzw. ein Gasgemisch oder auch eine Flüssigkeit verwendet werden.

In ersterem Falle sind die Generatoren in der Regel als Gleichfeld-MHD-Maschinen ausgeführt. Ein heißes elektrisch leitendes Gas von etwa 3000° C oder auch mehr strömt hier mit hoher "Geschwindigkeit durch einen Kanal. Dieser wird von einem Magnetfeld so durchsetzt, daß senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrichtung eine elektrische Feldstärke induziert wird. Zur Abnahme der elektrischen Leistung muß dann in der leitfähigen Zone des Gasstrahles eine Elektrodenanordnung vorgesehen werden.

Bei den Wanderfeld-MHD-Maschinen sind im Gegensatz zu den eben beschriebenen Anordnungen keine Elektroden notwendig; die Leistung wird auf induktive Weise in der Ständerwicklung erzeugt. Für die technische Verwendbarkeit der Wanderfeld-MHD-Generatoren spielt die elektrische Leitfähigkeit des Strömungsmediums eine noch größere Rolle als bei Gleichfeld-MHD-Maschinen. Sie bestimmt zusammen mit anderen Konstruktionsparametern wesentlich die für Wirkungsgrad und Leistungsfaktor erreichbaren Werte. Es wird daher bei diesen Maschinen meist als Strömungsmedium ein Flüssigmetall verwendet, welches durch geeignete Materialwahl schon bei niedrigeren Temperaturen als -ein Gas eine höhere Leitfähigkeit aufweist.

Der Aufbau eines derartigen Wanderfeld-MHD-Generators sei an Hand der F i g. 1 der Zeichnung prinzipiell beschrieben.

Im Strömungskanal 1 fließt das Plasma oder Strömungsmedium in der durch den Pfeil 2 angedeuteten Strömungsrichtung. Die Seitenwände des Strömungskanals 1 bestehen an zwei Seiten aus lameliierten Blech, gewissermaßen einem Statorblechpaket 3, welches mit Nuten 4 für die aufzunehmende, nicht gezeichnete Wicklung versehen ist. Wird an die Wicklung eine — vorwiegend dreiphasige — Wechselspannung angelegt, dann wird, entsprechend der vorgesehenen Polteilung 5 (s. F i g. 2), ein entsprechend der F i g. 3 ausgebildetes Magnetfeld erzeugt. Dabei

stellt die F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Parallelschnitt durch den Strömungskanal 1 der F i g. 1 dar mit den Seitenleitern 6, über welche weiter unten noch zu sprechen sein wird. Die gestrichelten Linien stellen die induzierten Strombahnen 9 im Strömungsmedium und in den Seitenleitern 6 das. Bei der F i g. 3 handelt es sich um einen Schnitt Senkrecht zu dem nach der F i g. 2, wobei der Punkt 7 die Flußrichtung des Strömungsmediums entsprechend der Darstellung bei elektrischen Strömen angeben soll. Die in dieser Figur dargestellten gestrichelten Linien geben das magnetische Hauptfeld an.

Die an die Wicklung, welche in den Nuten 4 angeordnet ist, angelegte Wechselspannung bedingt also einen Sinusverlauf des Hauptfeldes entsprechend der Linie 8, wobei dessen Wellenlänge selbstverständlich in üblicher Weise von der Polteilung 5 abhängig ist.

Bewegt sich nun das Strömungsmedium unter dem

enge Grenzen gesetzt; es werden dadurch nämlich die Strombahnen 9 so verändert, daß ihre Wirksamkeit für die Energieumwandlung sehr stark verringert wird.

Der beschriebene Zusammenhang zwischen Wirbelstromverlusten und Breite des Seitenleiters 6 macht deutlich, daß die Verkleinerung des Widerstandes in den Seitenleitern 6 an der Stelle sinnvollerweise ihre Grenze findet, wo das Minimum der Summe aus Gleichstrom- und Wirbelstromverlusten liegt. Eine Verbreiterung des Seitenleiters über dieses Maß der kritischen Leiterbreite hinaus bewirkt dann also eine Vergrößerung der Gesamtverluste.

Die Erfindung bezieht sich nun auf Seitenleiter bei induktiven MHD-Generatoren, die aus einzelnen voneinander isolierten Lamellen bestehen. Solche Seitenleiter sind aus der britischen Patentschrift 699 925 bekannt. Dort sind die Lamellen aber quer zur Flüssigkeitsströmung, d.h. nur in Richtung des

Einfluß äußerer Kräfte langsamer als das magneti- 20 Stromes im MHD-Kanal angeordnet, und es sind weische Wanderfeld, so entstehen motorische oder tere Teilseitenleiter notwendig, die die Strombahnen Pumpwirkungen; das Gegenteil ist der Fall, wenn quer dazu schließen. Zudem werden durch derart ansich das Strömungsmedium schneller als das Wan- geordnete Lamellen Wirbelströme, die vom zwischen derfeld bewegt, dann entstehen generatorische Wir- den beiden Statorhälften verlaufenden Hauptfeld in kungen. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung 25 den Seitenleitern induziert werden, nicht verhindert, einer derartigen Maschine kann dadurch verbessert Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei den beschriewerden, daß die im Strömungsmedium induzierten benen Seitenleitern die Erzeugung von Wirbelströ- und im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung men wesentlich zu verringern.

verlaufenden Ströme sich möglichst widerstandslos Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die La-

über einen in Richtung der Strömung verlaufenden 30 mellen in der Hauptströmungsrichtung des MHD-Leiter schließen können. Dieser Leiter ist in den bisher behandelten drei Figuren als Seitenleiter 6 bezeichnet. Ein derartiger Seitenleiter ist möglichst nahe
am Außenrand des Statorblechpaktes 3 anzuordnen.
Der wirksame Widerstand des dem Kurzschlußring 35
der Käfigwicklung einer normalen Asynchronmaschine entsprechenden Seitenleiters 6 verkleinert sich
mit wachsendem Querschnitt und zunehmender spezifischer Leitfähigkeit seines Materials; dieses unter

der Voraussetzung einer gleichmäßigen Stromvertei- 4° lierte und in Richtung der Feldlinien verlaufende lung über den Leiterquerschnitt. Teilleiter 10 zerlegt ist. Dieser Teilleiter 10 verläuft

Dem Bemühen nach Ausführung von Seitenleitern im wesentlichen in Richtung der Feldlinien 11 des mit möglichst großem Querschnitt bei gegebenem magnetischen Hauptfeldes. Eine vollkommene Ausspezifischem Widerstand ist aber durch die Wirkung richtung der Teilleiter 10 entsprechend dem Verlauf der ungleichmäßigen Stromverteilung (Wirbelstrom- 45 der Feldlinien 11 stößt auf Schwierigkeiten:
effekt) eine Grenze gesetzt. Zum besseren Ver- Die Bedingung, daß jeder Teilleiter elektrischen

ständnis sei dazu nochmals besonders auf die F i g. 3 Kontakt mit dem zwischen den Statorblechpaketen 3 hingewiesen, welche einen Teil der Feldlinien des und den Seitenleitern 6 verlaufenden Strömungsmezwischen den beiden Statorhälften (Blechpaketen 3) dium haben muß, ist nämlich nicht bei jeder Querverlaufenden magnetischen Hauptfeldes (gestrichelte 5° schnittsform der Seitenleiter 6 bzw. Teilleiter 10 voll Linien) zeigt. Im Seitenleiter 6 werden also von dem erfüllbar.

ihn durchdringenden magnetischen Wanderfeld elek- Es wird dazu auf eine andere nach der Erfindung

irische Feldstärken induziert, welche Wirbelströme ausgebildete Anordnung in der F i g. 5 hingewiesen, zur Folge haben. Diese Wirbelströme sind dem sich Hier ist die Form der Teilleiter 10 und damit auch über den Seitenleiter 6 schließenden Induktorstrom 55 des Seitenleiters 6 halbkreisförmig, womit die Bedin-(s. die Strombahnen9 der F ig. 2) überlagert und be- gung des direkten Kontaktes mit dem Strömungsmedingen als Folge der ungleichmäßigen Stromvertei- dium erfüllt ist. Andererseits ist aber dadurch die lung eine Widerstandserhöhung. Die weitere Folge ist Idealformgebung der Teilleiter 10 entsprechend dem eine unerwünschte Vergrößerung der Verluste in den Verlauf der Feldlinien 11 nicht mehr erreicht. An Seitenleitern 6. Aus dem Elektromaschinenbau ist 60 dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die gezeichbekannt, daß die zusätzlichen Wirbelstromverluste nete Mittellinie 12 von Strömungskanal 1 und Seitenproportional dem Quadrat des Produkts aus Leiter- leiter 6 die Symmetrieebene für den Verlauf der breite, Frequenz und magnetischer Induktion sind. Ströme, sowohl im Strömungskanal 1 als auch im

Die Wirbelstromverluste werden naturgemäß dann Seitenleiter 6, darstellt. Bei symmetrischem Aufbau kleiner werden, wenn man die Seitenleiter 6 mög- 65 der Anordnung treten keine Ströme durch die Trenn-

Kanals verlaufende Teilleiter bilden, deren Querschnittsform im wesentlichen dem Verlauf des im Bereich der Seitenleiter vorhandenen Teils des magnetischen Hauptfeldes angepaßt ist.

Ein prinzipielles Beispiel der Anordnung nach der Erfindung wird in der F i g. 4 dargestellt. Zwischen den beiden Statorpaketen 3 ist an deren seitlichen Begrenzung ein Seitenleiter 6 angeordnet, welcher nach der Erfindung in einzelne voneinander iso-

liehst weit von den Statorblechpakten 3 entfernt anordnet, also in einem Raum mit möglichst kleinem magnetischem Feld. Dieser Möglichkeit sind aber

ebene, so daß an dieser Stelle eine aus konstruktiven Gründen unter Umständen zweckmäßige Aufteilung der einzelnen Teilleiter 10 möglich ist.

In F i g. 6 wird in Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung eine Anordnung dargestellt, durch welche für die Führung der Ströme ein größerer Querschnitt erhältlich wird. Die Abschrägung der Innenflächen 13 des Seitenleiters 6 ergibt eine Vergleichmäßigung des Gleichstromwiderstandes aller Teilleiter 10. Für die Fertigung eitles derartigen Seitenleiters 6 ist in Weiterbildung deVGegenstandes der Erfindung das Wickeln einer isolierten Kupferfolie entsprechenden Querschnitts, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Verklebung der einzelnen Schichten entsprechend F i g. 7, denkbar. Dabei wird die Schrägung der Innenflächen 13 dadurch nach dem Wikkeln erreicht, daß man die Teile 14 entsprechend den Linien 15 herausschneidet und somit gleich zwei Seitenleiter 6 erhält, die dann links und rechts des Strömungskanals 1 entsprechend der, hier allerdings nur einseitigen Darstellung der Fig. 6 angeordnet werden können. Bei. einer solchen Anordnung verkleinert sich die dem magnetischen Feld dargebotene Breitenausdehnung, senkrecht zur Richtung der Feldlinien, gegenüber dem quadratischen Querschnitt auf etwa die Hälfte. Dem entspricht dann eine Reduktion der Wirbelstromverluste auf ein Viertel.

Zu einem ähnlichen Ergebnis führt auch eine Anordnung, wie sie in einer weiteren Ausbildung des Gegenstandes der Erfindung in der F i g. 8 dargestellt wird. Sie kann für manche Anwendungsfälle aus konstruktiven Gründen besonders empfehlenswert sein. Dabei ist zusätzlich vorgesehen, daß der mittelste Teilleiter 16 mit dickerem Querschnitt ausgebildet ist als die übrigen Teilleiter 10, und zwar zur verbesserten Führung der Ströme.

Bei der Herstellung der Seitenleiter 6, wie sie besonders in den F i g. 6 und 8 dargestellt sind, ist es besonders zweckmäßig, eine bereits isolierte Kupferfolie zu verwenden, wobei die Folie beim Wickeln dann gleichzeitig verklebt werden kann. Um die verschiedene Dicke der Teilleiter 10, 16 in besonders einfacher Weise zu erhalten, kann man eine Folie verwenden, welche von vornherein mit verschiedener Dicke versehen ist. Durch derartige Herstellungsverfahren ist die Fertigung der nach der Erfindung ausgebildeten Seitenleiter besonders vereinfacht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Seitenleiter bei induktiven MHD-Generatoren, die aus einzelnen voneinander isolierten Lamellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen in der Hauptströmungsrichtung des MHD-Kanals verlaufende Teilleiter (10) bilden, deren Querschnittsform im wesentli- xo chen dem Verlauf des im Bereich der Seitenleiter (6) vorhandenen Teils des magnetischen Hauptfeldes (11) angepaßt ist.

2. Seitenleiter^! nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Enden der einzelnen Teilleiter Kontakt mit dem Strömungsmedium haben. ;|

3. Seitenleiter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilleiter durch Auftrennen ihrer Mittelebene, also senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zur resultierenden Richtung des in ihrem Bereich vorhandenen magnetischen Hauptfeldes, halbiert sind.

4. Seitenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die halbierten Teile der Teilleiter jeweils zueinander symmetrisch ausgebildet sind.

5. Seitenleiter nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Mittelebene aufgetrennten Teilleiter unter Zwischenlegung von Isoliermaterial wieder zusammengefügt sind. .-, _r_ _ , ..'...

6. Seitenleiter"nach den Ansprüchen 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilleiter untereinander durch geeignete Formgebung in ihrer parallel zur magnetischen Hauptfeldrichtung zu ermittelnden Länge weitgehend angenähert gleich sind.

7. Seitenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichmäßigung der Länge der Teilleiter durch von der Mittelebene ■^; ausgehende Verkürzung ihrer Seitenflanken erfolgt.

8. Seitenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter mit ungleicher Dicke ausgebildet sind.

9. Seitenleiter nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter im mittleren Bereich der Seitenleiter am dicksten ausgebildet sind.

10. Verfahren zur Herstellung der Seitenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie gewickelt und danach symmetrisch aufgetrennt wird, wodurch die einzelnen Lagen der Folie zu den einzelnen Seitenleitern werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln der Folie die einzelnen sich bildenden Schichten gleichzeitig verklebt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickeln unter Bildung eines Rechtecks erfolgt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftrennen mit zwei Schnitten unter Bildung eines spitzen Winkels mit Scheitelwinkel und so erfolgt, daß eine Vergleichmäßigung der Länge der einzelnen Teilleiter erreicht wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte aus einem elektrischen Leitermaterial bestehende Folie verwendet wird.

15. Folie für das Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie verschieden groß ist.

16. Verfahren unter Verwendung der Folie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der dickere Teil der Folie zuerst gewickelt wird.