DE1538243B2 - Seitenleiter bei induktiven mhdgeneratoren sowie ihre herstellung - Google Patents
Seitenleiter bei induktiven mhdgeneratoren sowie ihre herstellungInfo
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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
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
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.
Claims (16)
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.
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