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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- ΛΙ 261401 -KLASSE 21 d. GRUPPE

. ALFRED LAMPL in BERLIN. Gleichstrom-Unipolarmaschine mit zylindrischem Läufer. Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. August 1910 ab.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, den Leistungskoeffizienten, d. h. die Materialausnutzung von Unipolarmaschinen, wesentlich zu erhöhen und die bei Erzeugung höherer Spannungen auftretenden Schleifringschwierigkeiten — hohe mechanische und elektrische Verluste, großer Raumbedarf und Bürstenverschleiß — zu beseitigen.

Der Erfindungsgegenstand ist in den Fig. ι

ίο bis 4 in zwei beispielsweisen Ausführungen dargestellt. Die gestrichelten Linien zeigen den Verlauf der Kraftlinien, die strichpunktierten denjenigen des Stromes und die Pfeile den Weg der Kühlluft an.

Nach Fig. ι und 2 ist das Feldsystem (Ständer) 4 in der bisher gebräuchlichen Weise als massiver Guß körper ausgeführt. Ein solcher bietet wegen der vielen starken Rückleitungen, die aus ihm heraus oder durch ihn hindurchgeführt werden müssen, erhebliche konstruktive Schwierigkeiten und erfordert große Mengen an Kupfer o. dgl. Der in Fig. 3 und 4

, dargestellte Ständer zeigt demgegenüber einen prinzipiell gleichen Aufbau wie der Läufer, indem er aus vielen voneinander isolierten und durch Lüftungsschlitze getrennten Stahl-Sektoren zusammengesetzt ist. Letztere können zur Stromrückleitung verwendet werden, wodurch eine gute Ausnutzung und Kühlung erzielt und die Anbringung besonderer Stromrückleiter vermieden wird.

Durch Fig. 5 ist veranschaulicht, in welcher Weise die spiralförmige Feldverzerrung durch die Ankerströme infolge des hohen magnetischen Widerstandes der Luftschlitze auf gehoben wird.

Um zu verhindern, daß je zwei benachbarte Segmente des Läufers oder des Ständers eine höhere gegenseitige Spannungsdifferenz als die Einzel- (Elementar-) Spannung des Läufers aufweisen, können gemäß Fig. 2 die zu demselben Schleifringpaar gehörigen (parallel geschalteten) Leitergruppen in zwei gleich große Teile geteilt und je um einen gemeinsamen Durchmesser symmetrisch angeordnet werden. Die mit α a_v b b_v c C₁ usw. bezeichneten Leiterelemente sind demnach jeweils denselben Schleifringpaaren zugeordnet und gehören zu ebenso vielen Rückleitern im Ständer, die gleichfalls symmetrisch um einen gemeinsamen Durchmesser verteilt sind. Zwischen je zwei benachbarten Sektoren a, b, c usw. der einen Hälfte, ebenso wie zwischen den benachbarten Elementen a_v b_x, C₁ usw. der anderen Hälfte herrscht jeweils die Elementarspannung des Ankers. Dagegen herrscht zwischen den beiden ersten Sektoren a Ci₁ sowie zwischen den ihnen diametral gegenüber angeordneten zwei letzten Sektoren f /\ jeweils die Potentialdifferenz Null. Das gleiche gilt für die entsprechenden Sektoren des Ständers. Diese Anordnung sowie die zum größten Teil durch Luft erfolgende Isolierung bewirken, daß der Aufwand an Isoliermaterial sowie dessen Beanspruchung gering sind.

Die Betrachtung der Fig. 7, 8 und 9 läßt erkennen, daß trotz dieser neuartigen Leiteranordnung in genau gleicher Weise eine Korn-

pensierung der Ankerrückwirkung eintritt, als wenn die Leitergruppen in der bisher üblichen Weise, d. h. ohne Zweiteilung und symmetrische Anordnung nebeneinandergereiht wären. Ist auf dem Umfang L (Fig. 7) des Läufers einer Zylinder-Unipolarmaschine ein Leiter^, auf der Polfläche 5 des zugehörigen Ständers der Rückleiter A₁ verlegt und sind diese beiden Leiter mit dem Schleifring R durch kurze, radial verlaufende Stromwege // verbunden, so teilt sich der Hauptstrom / im Schleifring allgemein in zwei Teilströme I₁ und i₂, die je nach ihrer Größe und Richtung auf das Erregerfeld der Maschine eine Rückwirkung ausüben.

Schließen in einem beliebigen Augenblick die durch A und A₁ gelegten Radialebenen den Winkel α ein, so ergeben sich diese Teilströme zu:

2 7Γ — o. . a

^J ⁷

im zugehörigen Schleifring dieselben Ströme i_l i₂ hervor, die jedoch gegen R um den •Winkel α verschoben sind usw.

Sind insgesamt η vom Strom / durchflossene Leiter am Umfange L und ebenso viele Rückleiter am Umfange 5 derart verteilt, daß je zwei aufeinanderfolgende Leiter bzw. Rückleiter um den Bogen

_ 2/T

voneinander entfernt sind, so ergibt sich bei einem beliebigen Verdrehungswinkel α zwischen Läufer und Ständer das in Fig. 8 angedeutete Strombild. Mißt man den Winkel α durch den Bogen a, so ergibt sich:

27Γ

Ist im Bogenabstand α von A und A₁ ein zweites, mit dem ersteren in Reihe geschaltetes Leiterpaar B B₁ angeordnet, so ruft dieses ma = m · —

wo m die auf den Winkel α entfallende Anzahl von Leitern bedeutet. Dann ist, wie aus der Figur ersichtlich, die Summe aller einen beliebigen Querschnitt im Sinne des Uhrzeigers

; durchfließenden Teilströme i_x gleich^

Σ I₁ = mi_x =

no,

27Γ

27Γ—α 2πηα —

Die denselben Querschnitt durchfließenden, entgegengesetzt gerichteten Ströme i₂ dagegen ⁹° ³⁰ betragen:

i I₂ = (n - m) -1₂ =

2 πη — na.

2π

Die algebraische Summe aller jenen beliebigen Querschnitt durchfließenden Teilströme (das gesamte Stromvolumen) ist demnach gleich Null, d. h. es findet bei dieser Anordnung unter normalen Verhältnissen keine Haupt-Stromerregung (Ankerrückwirkung) statt.

Der Nachteil dieser Bauart ist folgender: Während zwischen zwei beliebigen benachbarten Leitern stets nur die Elementarspannung auftritt, kommt zwischen dem ersten und letzten Leiter sowohl im Läufer wie im Ständer (1 und n, i' und n') die Summenspannung des Ankers in Betracht. Dies bedingt nicht allein eine Unsymmetrie in konstruktiver Hinsicht, sondern bringt zugleich eine betriebstechnisch schwache Stelle in die Maschine hinein.

Werden hingegen an Stelle eines Leiters oder Leiterbündels pro Schleifringpaar, wie oben angegeben, je zwei gleiche, parallel geschaltete Teilleiter (Teilleitergruppen) vorgesehen (1 und I, 2 und II usw., 1/ und I', 2' und II' usw.) und je zwei zusammengehörige Teilleiter oder Teilleitergruppen um einen einzigen Durchmesser sowohl im Läufer als auch im Ständer symmetrisch angeordnet (Fig. 9), wobei diese beiden Durchmesser nicht zusam-27Γ

iitncx.—

Ma²
/.

menfallen, so wird die erwähnte schwache Stelle vermieden. Die Spannungsdifferenzen zweier benachbarter Leiter 1, 2, 3 bis n, I, II, III bis N usw. entsprechen dann allgemein der Elementarspannung des Läufers. Dagegen besteht zwischen den zusammenstoßenden ersten Teilleitern 1 I und ι' Γ, ebenso auch zwischen den diametral gegenüberliegenden letzten Teilleiterpaaren η N und n' N' (in der Figur nicht mehr enthalten) die Spannungsdifferenz Null, da die beiden Teilleiter eines jeden dieser Paare parallel geschaltet sind.

Zugleich lehrt aber Fig. 9, daß die Verteilung der Schleifringströme in jeder gegenseitigen Lage des Läufers und Ständers genau die gleiche ist wie bei der normalen Leiteranordnung der Fig. 8, so daß auch in diesem Falle ein vollständige Aufhebung der Ankerrückwirkung stattfindet. Der Vorteil der neuen Anordnung besteht also darin, daß unter Wahrung der vollständigen Aufhebung der Ankerrückwirkung seitens der Schleifringströme die Spannungsdifferenz zwischen je zwei benachbarten Leitern im Ständer und Läufer an keiner Stelle größer ist als die Einzelspannung des Ankers.

Die Erzielung einer hohen Materialausnut-

zung ist indessen nur dann mit Erfolg durchführbar, wenn gleichzeitig die der Unipolarmaschine bisher eigentümlichen Schleifringschwierigkeiten — hohe mechanische und elektrische Verluste bei großem Raumbedarf — beseitigt oder wesentlich verringert werden. Dies kann in nächstehend beschriebener Weise geschehen : An Stelle der breiten und schweren Schleifringe werden, wie Fig. 6 beispielsweise veranschaulicht, auf dem Läufer schmale, von diesem und voneinander isolierte Metallringe 6 hochkant angeordnet, welche mit den ihnen zugeordneten Ankersektoren in geeigneter Weise, z. B. durch Kupferbänder, verbunden sind.

Die Stromabnahme erfolgt mittels eines Quecksilberringes 7, der durch einen den Ring 6 umgreifenden Hohlring 8 gehalten wird, dessen Flanken 9 sich mit elastischem Druck an die beiden Seiten des Ringes 6 anlegen. Zur besseren Abdichtung des Quecksilberraumes können Dichtungsleisten 10 aus Filz, Leder o. dgl. vorgesehen werden. Dieselben unterliegen praktisch keiner Abnutzung, da das Aufliegen nur im Ruhezustande stattfindet.

Wenn nämlich der Anker und damit Ring 6 rotiert, so wird das Quecksilber 7 durch Reibung mitgenommen und nimmt ungefähr die halbe Geschwindigkeit des Ringes 6 an. Dies hat unter normalen Verhältnissen die Entstehung eines so hohen Fliehkraftdruckes im Quecksilberraum 7 zur Folge, daß die Anbringung kleiner Schaufeln am Umfange des Ringes. 6 nur bei sehr niedrigen Umlaufsgeschwindigkeiten erforderlich sein wird. Der Montagedruck der Flanken 9 gegen den Ring 6 muß nun gleich oder kleiner sein als die Fliehkraftpressung des Quecksilbers auf die Innenflächen von 9 bei der niedrigsten Betriebsdrehzahl, damit bei Überschreitung der letzteren die Dichtungsflächen durch den Quecksilberdruck von den Seitenflächen des Ringes 6 abgehoben werden und reine Flüssigkeitsreibung auftritt. Da Quecksilber eine geringe Viskosität besitzt, die überdies bei Temperaturzunahme beträchtlieh sinkt, so ist seine innere Reibung sehr klein. Anderseits liegt das Quecksilber während des Betriebes mit sehr hohem Druck an den Kontaktwänden an, so daß der Übergangswiderstand für den Strom zu vernachlässigen ist. Als weiterer, sehr wichtiger Vorteil kommt hinzu, daß sich die ganze Anordnung äußerst gedrängt ausführen läßt und trotzdem eine sehr große Kontaktfläche unterzubringen gestattet, wie dies die Anordnung 11 der Fig. 6 schematisch veranschaulicht.

Das Ausfließen des Quecksilbers erscheint dadurch ausgeschlossen, daß es selbst bei plötzlichem Festbremsen des Läufers mit wenig verminderter Geschwindigkeit weiter umläuft und lange Zeit vor seinem Stillstand ein festes Aufliegen der Dichtungsleisten 10 auf dem Ring 6 stattfindet. Für die Wirkungsweise ist es hierbei belanglos, auf welche Weise die elastische Anpressung der Hohlringflanken an den Vollring bewirkt wird, ob der Hohlring ferner ein- oder mehrteilig ausgeführt ist usw.

Aus der Beschreibung der Stromabnehmervorrichtung geht ohne weiteres hervor, daß diese in gleicher Weise und ebenso vorteilhaft auch für jede andere Ausführungsform der Zylinder- sowie auch der Scheiben-Unipolarmaschine verwendbar ist. Die gleiche Anordnung kann schließlich an Stelle der Schleifringe von Wechselstrommaschinen unter Umständen mit Vorteil angewendet werden und eignet sich ganz allgemein für die Herstellung eines dauernden elektrischen Kontaktes zwischen zwei um eine gemeinsame Achse in relativer Drehbewegung befindlichen Leitern.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Gleichstrom-Unipolarmaschine mit zylindrischem Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur, wie bekannt, der Läufer, sondern auch der Ständer unter Benutzung isolierender Zwischenlagen und unter Wahrung radialer Luftschlitze nach Art eines Stromwenders unterteilt ist, und daß sowohl die Läufer- als auch die Ständerelemente zur Fortleitung der Kraftlinien und des Stromes dienen, zu dem Zwecke, besondere Stromrückleiter zu sparen, die Kühlwirkung zu verbessern und den magnetischen Widerstand in tangentialer Richtung zu erhöhen'

2. Unipolarmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einem Stromabnehmerpaar zugeordnete Leiter des Läufers und. des Ständers in je zwei gleich große, parallel geschaltete Teilleiter (oder Teilleitergruppen) geteilt ist, und daß diese beiden Teile jedes Leiters sowohl im Läufer als auch im Ständer zu je einem gemeinsamen Durchmesser symmetrisch angeordnet sind, zu dem Zwecke, unter Wahrung der Aufhebung der Ankerrückwirkung zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Teilleitern keine größere Potentialdifferenz als die Elementarspannung des Läufers zu haben.

3. Flüssigkeits- (Quecksilber) Kontakt zur eleksrischen Verbindung der Ständer- und Läuferelemente bei Unipolarmaschinen nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen mit einem der beiden Körpersysteme verbundenen metallischen Vollring .und einen gleichfalls metallischen, diesen von außen federnd umgreifenden, mit dem anderen System verbundenen, die Kontaktflüssigkeit enthaltenden Hohlring, dessen

Flanken im Zustande der Ruhe oder bei geringer Drehzahl mit solcher Pressung gegen die Seitenflächen des Vollringes anliegen, daß ein Ausfließen der leitenden Flüssigkeit unmöglich ist, während bei höherer Drehzahl durch die zunehmende Fliehkraftpressung der Kontaktflüssigkeit die Hohlringflanken abgehoben werden, zu dem Zwecke, die Reibung zwischen festen Körpern bei größeren Relativgeschwindigkeiten zu vermeiden, das Ausfließen der Flüssigkeit bei niederen Drehzahlen zu verhindern und eine große Stromübergangsfläche bei kleinem Raumbedarf zu erzielen.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.