188489. lajstromszámú szabadalom • Homopoláris egyenáramú gép golyós áramszedőkkel
1 1 88 489 2 A találmány tárgya szerkezeti megoldás tárcsás forgórészű hűtnopoláris egyenáramú gépre, amely szerint a gép főáramkörében a mozgó alkatrészek között gördülő érintkezőket, célszerűen golyókat alkalmazunk az áramfolyás biztosítására. A találmány szerinti egyenáramú gép előnyösen alkalmazható minden olyan helyen, ahol néhány kW-nál nagyobb teljesítményű egyenáramú gépre van szükség, és a gép súlyának, térfogatának, tehetetlenségi nyomatékának csökkentése, valamint megbízhatóságának növelése elsőrendű fontosságú. Az egyenáramú gépek jelentősége mellett közismertek a ma általánosan használt dobtekercselésű armatúrájú és kiálló pólusú állórészű egyenáramú géppel kapcsolatos problémák. A kiálló pólusú állórész helyigényes. A forgórész méretét jelentősen megnövelik a tekercsfejek. Az armatúravisszahatás és a kefeszikrázás segédpólusok alkalmazását kívánja meg. Az egész gép legkényesebb eleme a kommutátor, ez legfőbb hibaforrás. A kommutátor és a kefék gyakori ellenőrzésre szorulnak. Rossz beállítás vagy túláram esetén körtűz keletkezhet. A gyártás körülményes, emiatt az egyenáramú gépek lényegesen drágábbak, mint a hasonló teljesítményű váltakozóáramú gépek. A hátrányok kiküszöbölésére több irányban folyik kutatás. Az egyik tendencia a mechanikus kommutátort helyzetérzékelőkkel vezérelt félvezetős kapcsolókkal kívánja felváltani, az alapkonstrukció megtartásával. A másik fő irányzat gyökeresen eltérő konstrukciót alkalmazva a homopoláris indukciót használja fel. Geometriailag a homopoláris gépeknek két alaptípusuk van: a hengeres és a tárcsás forgórészűek. A homopoláris gép egy hengerében vagy tárcsájában hasonló nagyságrendű feszültség indukálódik, mint a hagyományos (heteropoláris) egy vezetőjében; ugyanakkor az áramerősség igen nagy lehet. Nagyobb feszültséget csak több tárcsa, ill. henger sorbakapcsolásával kaphatunk. A sorbakapcsolás kivitelezésére a tárcsás változat alkalmasabbnak tűnik. A homopoláris konstrukció számos előnyt rejt magában a hagyományoshoz képest, ezeket azonban csak akkor lehet kiaknázni, ha a tárcsákat erőteljesen mágneses tér járja át és az áramszedők nagy áramokat képesek kis mechanikus és villamos veszteség árán megbízhatóan átvinni. A fenti követelményeket igen nehéz összeegyeztetni. Pl. ha áramszedőnek szénkefét vagy egyéb szilárd csúszóérintkezőt alkalmazunk, akkor ennek áramterhelhetősége elmarad a tárcsák terhelhetőségétől, jelentős lesz a súrlódási veszteség és az átmeneti feszültségnek a tárcsafeszültséghez viszonyított aránya is nagy lesz. A tárcsaátmérő növelésével ez utóbbi csökkenthető ugyan, ekkor azonban a kefekopás lesz jelentős. Emellett az ilyen áramszedőknek nagy a helyigénye, elhelyezésük a légrés növekedésével jár, ami viszont maga után vonja a gerjesztő teljesítmény növekedését. Az „Acta Polytechnica Scandinavica — Electrical Engineering” folyóirat 1982. 48. számában megjelent „Homopoláris gépek szupravezetéssel:Folyékony fémes áramszedés és tervezési irányelvek” c. cikk felsorolja az elmúlt két évtized kisérleti eredményeit és részletesen tárgyalja a témában folyó legújabb kutatásokat. A cikk szerint mindezideig nem sikerült olyan áramszedőt kidolgozni, amely minden tekintetben megfelel a követelményeknek. Jelenleg előtérbe kerültek a folyékony fém áramszedők a szilárd, csúszó áramszedőkkel szemben; az előbbiek alkalmazását összekapcsolják a gerjesztőtekercs folyékony héliuinos hűtésével, hogy szupravezetést előidézve fedezzék a gerjesztés igényt. Számos probléma még megoldásra vár, főként a folyékony fémes áramszedőkkel kapcsolatban, hogy a módszer ipari méretekben alkalmazható legyen. A szerző 1 MW-on felüli teljesítményeket — hajó és hengerművi hajtásokat, fém-elektrolízist — jelöl meg várható alkalmazási területekként. A fenti megoldásnak az a hátránya, hogy bonyolult és drága, ilyen módon csak igen nagy gépek gazdaságos megvalósítása képzelhető el. A találmány célja olyan konstrukció kialakítása, amely kiaknázva a homopoláris elvben rejlő előnyöket, mentes a hagyományos egyenáramú gépek hátrányaitól, széles teljesítménytartományban alkalmazható és gazdaságosan gyártható. A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép azon a felismerésen alapul, hogy ha a tárcsák kerülete mentén elosztva gördülő érintkezőket, célszerűen vezető golyókat helyezünk el, akkor nagy áramterhelhetőségű, kis helyigényű, egyszerű és olcsó áramszedőkhöz jutunk. Ily módon a tárcsák közötti légrés is kicsivé tehető, ami előnyös a gerjesztés szempontjából. A golyókat golyókosarakba ágyazzuk. A golyósorokat felváltva helyezzük el a tárcsák külső és belső kerülete mentén, így a tárcsák rugalmas alakváltozása biztosítja a jó érintkezéshez szükséges egyenletes erőt. A golyók és a pálya érintkezése pontszerű, így a nagy felületi nyomás kenőanyag jelenléte esetén is biztosítja a fémes érintkezést. A golyósorok váltakozó elhelyezésével a tárcsafeszültségek sorbakapcsolása is biztosított. A tárcsák váltakozva rögzítettek mechanikusan a tengelyhez, illetve a tárcsaköteget körülvevő serlegalakú belső házhoz. Ez a megoldás azért is előnyös, mert így a belső ház a tengellyel és a tárcsákkal egy szerelési egységet alkot. Akkor kapunk maximális forgórészfeszültséget, ha az állórészhez képest a tengely és a belső ház azonos fordulatszámmal, de egymással ellentétes irányban forog. Ez az állapot ideális a tárcsák közötti golyókra is, mert így nem „vándorolnak”, centrifugális erő nem hat rájuk. A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép egyik lehetséges kiviteli alakjában a belső ház az állórészhez rögzített. Ebben az esetben a tárcsákon termelődő nyomatéknak csak a felét tudjuk felhasználni és a fordulatszám is korlátozott a golyóvándorlás miatt. Előny viszont a konstrukció egyszerűsödése. A találmány szerinti homopoláris egyenáramú gép egy másik lehetséges kiviteli alakjában a belső házat elfordulóan ágyazzuk és 1:1 áttételű, ellentétes forgásirányt biztosító közlőmű — célszerűen fogaskerékáttétel — segítségével a gép tengelyéhez kapcsoljuk. Mágneses térben forgó vezető golyókban örvényáramú veszteség keletkezik. Nagyobb fordulatszám igénye esetén bármelyik kiviteli alaknál olyan megoldást alkalmazunk e veszteségek csökkentésére, mely egyrészt csökkenti a golyókat átjáró mágneses teret, másrészt azt a golyók forgástengelyével egyirányúvá teszi. Ezt oly' módon érjük el, hogy a tárcsák peremét nem ferromágneses fémből készítjük, a nem ferromágneses golyókosárba pedig ferromágneses betéteket építünk be. A találmány a továbbiakban egy kiviteli példa kapcsán rajzok alapján ismertetjük. A mellékelt rajzokon az 1. ábra a találmány szerinti homopoláris egyenáramú gépnél a tárcsák és a golyók kapcsolatát mutatja be vázlatos formában, a 2. ábra a találmány szerinti homopoláris egyenáramú 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
