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Nutenlose elektrische Hochspannungsmaschine Es ist bereits eine elektrische
Hochspannungsmaschine bekannt, bei der die Hochspannungswicklung durch magnetische
Wechselflüsse induziert wird, die in Ebenen parallel zur Drehachse liegen. Bei dieser
bekannten Hochspannungsmaschine ist für die Hochspannungswicklung eine Ringspule
verwendet. Dies hat den Nachteil, daß man bei den heute geforderten Leistungen zur
Herstellung einer ausreichenden Isolation.Trockenöfen bzw. Vakuumkessel von bisher
noch nicht vorhandenen Abmessungen benötigt. F@:rner kann eine Ringspule von den
bei großen Leistungen erforderlichen Ausmaßen maschinell nicht hergestellt werden.
Die Herstellung einer solchen Ringspule durch Handwicklung ist aber zeitraubend
und teuer.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Hochspannungsmaschine
dadurch, daß bei einer nutenlosen elektrischen Hochspannungsmaschine eine als Röhren-
oder Scheibenwicklung ausgebildete und auf U-förmigen Magnetkernen des Ständers
angeordnete Hochspannungswicklung verwendet wird, die durch magnetische, von einem
einzigen Polrad erzeugte Wechselflüsse induziert wird, die in an sich bekannter
Weise in Ebenen parallel zur Drehachse verlaufen.
Die Verwendung
einer Röhren- bzw. Scheibenwicklung erlaubt bei Anwendung großer Isolationsabstände
eine gute Isolierung und damit die Erzielung höchster Spannungen. Die Isolation
der Hochspannungswicklung kann äußerst sparsam und wirtschaftlich hergestellt werden,
da jede einzelne Teilspule nur für das betreffende Potential isoliert werden muß.
Ferner besteht hei der erfindungsgemäßen Hochspannungsmaschine die Möglichkeit,
die einzelnen Spulen der Hochspannungswicklung wie beim Transformatorhau in (`51
oder Gasen zu isolieren und so die Spannungsgrenze weiter heraufzusetzen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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Die Fig. i und 2 zeigen im Schnitt hzw. Grundriß das Schema einer
gemäß der Erfindung ausgebildeten zweipoligen, dreiphasigen Maschine- Hierbei ist
R das auf der Welle f' angeordnete Polrad mit den beiden kreisringförmig ausgebildeten
Nordpolen PN1, PN2 und den Südpolen PS" Pst, die durch die Erregerwicklungen
Et" mit Gleichstrom erregt werden. Entsprechend der dreiphasigen, zweipoligen Ausführung
sind auf dem Ständer sechs einzelne U-förmige Magnetkerne Mk vorhanden, die die
Hochspannungswicklungen tragen. Die einander diametral gegenüber in einer Ebene
angeordneten Kerne gehören derselben Phase an. Die einzelnen Hochspannungswicklungen
U1 x 1-u., X, T-1 I'1-V2 Ij2, II'1 Zl-I'2 Z2 können in Reihe oder
parallel geschaltet «-erden. Die drei Phasen sind gegeneinander um i2o elektrische
Grade versetzt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine 3 X 6-polige, dreiphasige
Maschine ist im Schnitt und im Grundriß in den Fig.3 und 4. dargestellt, wobei jede
der drei Phasen in einer Ebene angeordnet ist und die drei Polräder um 120 elektrische
Grade gegeneinander versetzt sind. Diese Versetzung ist in den Figuren der übersichtlichkeit
halber nicht angedeutet. Die drei PolräderR1, R2, R" sind auf einer gemeinsamen
Welle W angeordnet, und die Polfolge auf jedem der Polräder ist fortlaufend Nord-Süd.
Die Gleichstromerregung der Pole erfolgt durch die Erregerwicklungen El". Gemäß
der sechspoligen, dreiphasigen Ausbildung sind achtzehn U-förmige Magnetkerne 141k
vorhanden, wobei jeweils die in der gleichen Ebene angeordneten Kerne und ihre zugehörigen
Hochspannungswicklungen, z. B. Lr1 Xi bis U6 X6, derselben Phase angehören. In Fig.
4. sind nur die magnetischen Kerne des obenliegenden Polrades R1 zu sehen. Die sechs
Hochspannungswicklungen jeder Phase können untereinander in Reihe, parallel oder
reihenparallel geschaltet werden, während die aus I den einzelnen je sechs Hochspannungswicklungen
der drei Ebenen gebildeten drei Phasen in Stern oder Dreieck oder in jeder sonst
bekannten Drehstromschaltung geschaltet werden können.
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Anstatt wie bei einer Anordnung nach den 1# ig. 3 und .I die Polräder
bei mehrphasiger Ausführung um einen entsprechenden Winkel gegeneinander zu versetzen,
ist es auch möglich, bei gleicher Phasenlage der Polräder, d. h. bei gegenseitig
nicht versetzten Polrädern, die jedem Polrad zugeordneten einzelnen magnetischen
Kerne und Hochspannungswicklungen um den entsprechenden elektrischen Winkel gegeneinander
zu versetzen, Wie es z. B. für ein Polrad in den Fig. i und z gezeigt ist.
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Bei der mechanischen Ausführung der 1laschine, z. B. bei der Ausbildung
der Polräder mit ihren Polen, der Lagerung, Kühlung usw., wird man zweckmäßigerweise
insbesondere die Erfahrungen des Generatorbaues verwerten. Bei der Auslegung, dem
Aufbau und der Isolierung der Hochspannungswicklungen und der magnetischen Kerne
dagegen wird man vorzugsweise die vom Transformatorbau 'her b:kamiten Erfahrungen
und Anordnungen benutzen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Hochspannungsmaschine
deshalb besonders leicht möglich, weil die auf jedem .Magnetkern des Ständers angeordnete
Hochspannungswicklung stets nur einer Phase angehört. Es kann infolgedessen, wiee
dies im Transformatorhau üblich und bekannt ist, jeder Magnetkern mit seiner nur
einer Phase angehörenden Hochspannungswi@cklu,n:g in einen, heso,tid@er@eli rehälter
eingebaut werden, der mit 01 oder Gasen mit erhöhtem Druck gefüllt ist.
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U m die umlaufenden Pole bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten gegen
schädliche Einwirkungen der Zentrifugalkraft zu sichern, «-erden sie am Polrad zweckmäßigerweise
an zwei oder mehr Stellen befestigt, wobei zur Vermeidung von magnetischen Nebenschlüssen
der Polkern von seiner Tragkonstruktion durch unmagnetische Werkstoffe isoliert
wird, wie aus Fig.5 ersichtlich ist. Die Zentrifugalkräfte der Erregerwicklung können
ebenfalls abgefangen werden, indem man die Erregerwicklung selbst in unmagnetischem
Material !kapselt, wie es. die Fing. 6 zeigt. In den Fig. 5 und 6 bedeuten IIj die
Welle des Polrades R, Pk den Polkern, P, die Polschuhe, E" die Erregerwicklung und
M" das unmagnetische Material, das die Ausbildung eines magnetischen Nebenschlusses
zwischen Polkern Pk, der Tragkonstruktion T und der Welle II% verhindert.
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Eine hohe Sättigung des gesamten magnetischen Kreises oder eines Teiles
desselben
ist zweckmäßig, um bei Belastungsänderungen möglichst
kleine Spannungsschwankungen zu erhalten. Um die Luftspaltinduktion und damit den
Amperewindungsbedarf möglichst gering zu halten, werden außer den Polen des Polrades
auch die U-förmigen Magnetkerne des Ständers mit Polschuhen versehen, die einen
größeren Querschnitt besitzen als der übrige magnetische Kreis. Die Form der Polschuhe
wird man natürlich so. wählen, daß die Spannungskurve der Maschine sinusförmig verläuft.
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Die Erregung kann in an sich bekannter Weise erfolgen, d. h. mittels
einer Erregermaschine und unter Umständen einer Hilfserregermaschine, die auf der
gleichen Welle sitzen wie das oder die Polräder des Generators, oder aber auch mit
Hilfe eines besonderen Erregeraggregates. Dabei wird die Erregerstromstärke selbsttätig
so. gesteuert, daß die Spannung der Maschine bei Laständerungen konstant bleibt,
wobei es zweckmäßig ist, den Erregerstrom in bekannter Weise in ungesteuerten Leerlaufstrom
und gesteuerten Zusatzerregerstrom für Belastung zu zerlegen, um dadurch eine kleinere
Steuerleistung zu erhalten. Die Spannungsregelung kann z. B. mittels Tirrillregler
in an sich bekannter Weise vorgenommen werden.
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Eine andere MöglilchlDeit, Erregung und Spannung zu regeln, die sich,
alis b°-sonders vorteilhaft dann- erweist, wenn die Erregerwicklung des Polrades
auf Potential gebracht wird, bestehlt in folgender Maßnahme. Wie aus Fi:g. 7 ersichtlich
Ist, werden am Umfang des feststehenden Teils. gleichstromerregte Hilfspole i mit
am Umfang wechselnder Polarität angeordnet, die durch ein Schaltglied mit solcher
Charakteristik erregt werden, daß bei an der Hochspannungswicklung O", steigender
Wechselspannung die Erregeramperewindungen der Pole i kleiner werden. Als derartiges
Schaltglied ist z. B. eine gittergesteuerte Entladungsröhre 2 geeignet. Das Gitter
der Entladungsröhre wird von einer Hilfswicklung 3, die vom magnetischen Hauptfluß
im Kern lblk induziert wird und deren Spannung proportional der Spannung der Hochspannungswicklung
O", ist, über ein Gleichrichterventil q. gesteuert. Die Erregerwicklung 5 des Hilfspols
i ist im Anodenkreis der Entladungsröhre 2 angeordnet. Die Wirkungsweise der Anordnung
ist folgende: Bei Belastung des Generators wird der magnetische Fluß des Kernes
MIt infolge der Gegenamperewindungen des Belastungsstromes kleiner, so. daß die
in der Hilfswicklung 3 induzierte Spannung sinkt. Infolgedessen sinkt auch der Strom
im Gittexü"reiis der Entladungsröhre 2, und die am Gitter liegende negative Vorspannung
wird gegenüber der -Kathode kleiner. Damit steigt aber der Anodenstrom der Röhre
z und somit die Erregung des Pols i. Auf dem umlaufenden Teil der Maschine sind
nun, zweckmäßig auf dem Polrad selbst, weitere magnetische Kerne mit Wicklungen
6 angeordnet, die beispielsweise wie der Anker und die Ankerwicklung einer normalen
Gleichstrommaschine ausgebildet sein können. In dieser Wicklung 6 wird bei umlaufendem
Polrad eine Wechselspannung induziert, deren Größe bei konstanter Drehzahl nur noch
von der Erregung der feststehenden Pole i abhängig ist. Diese Wechselspannung wird
der Wicklung 6, z. B. über einen normalen Kommutator, als Gleichspannung entnommen
oder auch mittels eines anderen Ventils 7, z. B. eines Trockengleichrichters, gleichgerichtet.
Mit der so erzeugten Gleichspannung wird die Haupterregerwicklung E," der Maschine
erregt. Die magnetische Charakteristik des Hilfserregerkreises, die Kennlinie der
Röhre usw. müssen derart ausgebildet sein, daß die Erregung der umlaufenden Pole
um die gleiche Zahl der Amperewindungen zunimmt, um die die treibende magnetische
Spannung infolge der Belastungsamperewindungen abnimmt. Werden diese Bedingungen
erfüllt, dann bleibt die Spannung der Maschine bei allen Belastungen konstant.
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Die Anordnung der Erregung nach Fig. 7 kann noch bei gleichbleibender
Wirkungsweise gemäß Fig. 8 vereinfacht werden. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird der Anodenkreis des Entladungsrohres z über eine Ventilanordnung
8 von einer zweiten Hilfswicklung 9, die ebenfalls vom Hauptfluß der Maschine induziert
wird, gespeist, so daß eine besondere Stromquelle für den Anodenkreis des Entladungsrohres,
wie sie bei der Anordnung nach Fig.7 notwendig ist, entfällt. Auch die Heizung der
Entladungsröhre 2 kann über eine auf dem Magnetkern "1k vorgesehene Hilfswicklung
1o erfolgen. Die Anordnung besonderer Hilfserregerpole (Teil i der Fig. 7) ist nicht
erforderlich, wenn man den Magnetkern Mk dazu ausnutzt, in ihm einen magnetischen
Gleichfluß Og. zu erzeugen, der dem Hauptwechselfluß 0", überlagert ist. Der Gleichfluß
wird dabei vom Anodengleichstrom des Entladungsrohres erregt. Diese dem Magnetkern
Mk überlagerte Gleichstrompolarität wechselt am Umfang des feststehenden Teils,
so daß -!\To@rd- und Südpole aufeinanderfolgen. Beim Vorbeilauf des Polrades an
den aufeinanderfolgenden Nord- und Südpolen wird in einer weiter; n, auf dem Polrad
R angeordneten Erregerspeisewicklung 6 eine Wechselspannung induziert, die über
einen Kommutator oder ein geeignetes Ventil 7 zur
Speisung der Haupterregerwi:cklumg
E", benutzt wird.
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Wenn man auf eine besondere umlaufende Erregerspeisewicklung 6 verzichtet,
so kann die Erregung in noch weiter vereinfachter Weise erfolgen, wie es in Fig.9
dargestellt ist. Hier wird die beim Vorbeilaufen an den Polen wechselnder Gleichstrompolarität
in der Haupterregerwicklung E", selbst induzierte Wechselspannung zur Erregung ausgenutzt.
In den Kreis der Haupterregerwicklung ist ein Ventil 7 eingeschaltet, so daß sich
in ihr nur ein Gleichstrom auebidden kann. Durch geeignete Schaltung lassen sich
bei der Gleichrichtung beide Halbwellen des Wechselstroms ausnutzen, wobei die Welligkeit
durch Parallelschaltung eines Kondensators beliebig klein gehalten «erden kann.
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Wird in den Magnetkern Mk ein Werkstoff mit hoher Remanenz eingeschaltet,
so erregt sich die Maschine selbst.
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Bei mehrpoliger Anordnung und Reihenschaltung der auf den einzelnen
magnetischen Kernen angeordneten Hochspannungswicklungen ist es nii:cht notwendig,
sämtliche Wicklungen egen das Eisen für die volle Klemmen,-Z, spannung, d. h. die
Übertragungshochspannung, zu isolieren. Vielmehr ist es nur erforderlich, die einzelnen
Hochspannungswicklungen für die ihnen zugeordnete Spannung gegen Eisen zu isolieren.
Sind z. B. die einzelnen Hochspannungswicklungen 0",1 bis 0", einer sechspoligen,
einphasigen Maschine nach Fig. io in Reihe geschaltet und ist die Gesamtwicklung
einpolig geerdet, so wird man die dem Erdungspunkt der Gesamtwicklung zunächst liegende
Teilwicklung 0",1 nicht für die Gesamtspannung U, sondern nur für die ihr zugeordnete
Teilspannung, nämlich 1/" U, gegen. das in dieisem Beispiel geerdete Eisen E isolieren.
Entsprechend sind die übrigen Teilwicklungen für 2/E U, 3/s U usw.
zu isolieren. Durch diese Staffelung der Isolation wird es ermöglicht, die Spulen,
die nicht für die volle Spannung gegen Eisen isoliert zu werden brauchen, näher
an das Eisen heranzurücken, so daß nunmehr auf dem an sich zur Verfügung stehenden
Raum mehr Kupfer untergebracht werden kann.
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Um bei den hohen Spannungen die Isolationswandstärken noch weiter
herabzusetzen und dadurch den zur Verfügung stehenden Wicklungsraum noch besser
auszunutzen, kann man, wie z. B. in F'ig. i i dargestellt, das Eisen der in einer
Ebene liegenden einzelnen Magnetkerne kIkl bis 111k" durch geeignete Isoliermittel
J1 bis J, gegeneinander isolieren und an das mittlere Potential der sie umschließenden
Wicklungen 0",i bis 0",c legen, so daß jewei s die einzelnen Hochspannungswicklungen
gegen ihren zugehörigen Eisenkern nur noch für 1/12 der Gesamtspannung U isoliert
zu werden brauchen, während die einzelnen Eisenkerne für 1/s der Gesamtspannung
gegeneinander isoliert werden müssen. Die Isolation der einzelnen Eisenkerne gegen
Erde muß dann gestaffelt derart vorgenommen -,werden, d@aß mit von 1/s U 1>i"s 6/s
U wachsender Teilspannung ihr Isolationswert entsprechend ansteigt, wie es in Fig.
i i zum Ausdruck kommt.
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Diese Anordnung erweist sich dann als besonders vorteilhaft, wenn
die einzelnen in Reihe geschalteten Teile der Wicklung in mehreren Ebenen übereinander
angeordnet und so geschaltet werden, daß mit ihrer räumlichen Entfernung von Erde
auch ihr Potential zunimmt. Eine derartige Kaskade, beispielsweise in einphasiger
Ausführung, ist in Fig. 12 dargestellt, wobei die Teilspannungswicklungen 0",1 bis
0",3 in drei übereinander angeordneten Ebenen liegen. Legt man das gesamte, in einer
Ebene vorhandene Eisen der einzelnen Magnetkerne llkl bis Mk3 wieder an die Mitte
der zugeordneten Hochspannungswicklungen, so braucht man jede einzelne Wicklung
gegen Eisen nur für 1/s der Gesamtspannung U zu isolieren, während die Eisenkerne
gegeneinander sowie der der Erde zunächst liegende Eisenkern gegen diese für 1/3
der Gesamtspannung isoliert werden müssen.
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Selbstverständlich können die in den Fig. i i und 12 dargestellten.
beiden Anordnungen auch zusammen vorgesehen «-erden.
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Bei der in Fig. i i dargestellten Anordnung, wo die gesamte Wicklung
in einer Ebene liegt, müssen die sechs umlaufenden Pole gegeneinander für 1/E der
gesamten Spannung und gegen die Welle für die gesamte Spannung L,' isoliert werden,
während bei einer kaskadenartigen Anordnung nach Fig. 12 dies nicht erforderlich
ist, sondern nur die einzelzne:n Polräder gegene,hnander, und zwar für 1/,3 Lj zu
isolieren sind. Bei gleichzeitiger Anwendung der in Fig. ii und 12 dargestellten
Anordnung müssen sowohl die Pole als auch die einzelnen Polräder gegeneinander isoliert
sein.
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I n den Fällen,. wo das Eisen der Magnetkerne und die Pole an Potential
liegen, ist es notwendig, auch deren Erreger- und Regelanordnungen an das gleiche
Potential zu legen. Zweckmäßig wird man diese elektrostatisch vollständig abschirmen
und die Abschirmung an Potential legen, so daß sie in einem feldfreien Raum ungestört
arbeiten können. Werden die auf den Polen angeordneten Erregerwicklungen von Erregermaschinen
gespeist, so wird man diese an das gleiche Potential wie die umlaufende Erregerwicklung
legen und über eine isolierte Welle von einem
an Erde liegenden
Motor antreiben. Sind bei großen Erregerleistungen außer den Haupterregermaschinen
noch besondere Hilfserregermaschinen notwendig, so gilt für sie das gleiche.
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Liegen alle Pole derselben Ebene an gleichem Potential, so kann man
ihre zugehörigen Erregermaschinen bzw. Erregerwicklungen direkt auf dem ebenfalls
an gleichem Potential liegenden Polrad anordnen.