Unipolargeneratoren für Kleinwindenergieanlagen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel

2. Wirkungsweise eines Unipolargenerators
2.1 Effektbetrachtung an einem Modell
2.2 Die Unipolarinduktion

3. Nutzung der Unipolarinduktion in technischen Anwendungen
3.1 Unipolargenerator
3.2 Energiespeicher
3.3 Drehzahlmesser

4.Realisierte Generatortypen
4.1 Generator nach Poirson
4.2 Generator nach DePalma
4.3 Generator nach Trombly und Kahn
4.4 Generator nach Valone
4.5 Generator nach Stampa
4.6 Zusammenfassung der Generatoreigenschaften

5.Auslegung eines Unipolargenerators
5.1 Entwurf eines Unipolargenerators
5.2 Randbedingungen fu¨r den Unipolargenerator einer Kleinwindenergieanlage
5.3 Auslegung des Magnetkreises

6. Experimentelle Untersuchung einzelner Komponenten
6.1 Aufbau des Messstandes
6.2 Aufbau der spiralf¨ormigen Leiterscheibe
6.3 Messung des Leiterwiderstandes
6.3.1 Messergebnisse
6.3.2 Auswertung des Versuches
6.4 Messung der Leerlaufspannung
6.4.1 Messergebnisse
6.4.2 Auswertung des Versuches
6.5 Zeitliche Signalverl¨aufe der Leerlaufspannung
6.5.1 Messergebnisse
6.5.2 Auswertung des Versuches
6.6 ahme der Lastkennlinien
6.6.1 Messergebnisse
6.6.2 Auswertung des Versuches
6.7 Belastungsmessung
6.7.1 Messergebnisse
6.7.2 Auswertung des Versuches

7. Zusammenfassung und Ausblick

A. Anhang
A.1 Liste der Formelzeichen

B. Materialeigenschaften
B.1 Materialkonstanten
B.2 Magnetkonstanten

C. Erg¨anzendes Formelwerk

D. Platinenmaße und -entwurf

E. Messwerte
E.1 Messung der Leerlaufspannung
E.2 Zeitliche Signalverl¨aufe der Leerlaufspannung
E.3 Aufnahme der Lastenkennlinien
E.4 Belastungsversuch

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

1.1 Motivation

Als Teil der nachhaltigen Energieversorgung leisten Kleinwindenergieanlagen (KWEA) einen wertvollen Beitrag. Die Generatoren stellen dabei einen wichtigen und ausschlag- gebenden Bestandteil des Systems dar. Aus diesem Grund ist es wu¨nschenswert, ver- schiedene Generatortypen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit fu¨r diesen Anlagentyp zu untersuchen.

Unipolargeneratoren sind im Vergleich zu anderen Generatoren relativ einfach aufge- baut und liefern zudem ohne einen zus¨atzlichen Gleichrichter direkt einen Gleichstrom und eine Gleichspannung. Diese Aspekte machen Unipolargeneratoren attraktiv und be- trachtenswert fu¨r die Verwendung in Kleinwindenergieanlagen.

1.2 Ziel

Ziel dieser Arbeit ist es einen Generator auf Grundlage des Unipolarprinzips auszuw ¨ahlen und anschließend auszulegen. Im Rahmen dessen werden die Grundprinzipien der Uni- polarinduktion aufgezeigt, bereits konstruierte Unipolargeneratoren ermittelt und ein- gesch¨atzt.

Ein Generator soll anschließend ausgew¨ahlt und ausgelegt werden. Des Weiteren sol- len einzelne Komponenten des ermittelten Unipolargenerators experimentell verifiziert werden.

2. Wirkungsweise eines Unipolargenerators

Bei der Auseinandersetzung mit dem Unipolargenerator ist zun¨achst die Frage nach der Wirkungsweise desselben zu kl¨aren. Das Unipolarprinzip, dem der Generator seinen Namen verdankt, erscheint auf den ersten Blick sehr simpel, konnte allerdings lange Zeit nicht bis ins letzte Detail erkl¨art werden. Die Quellen, die herangezogen werden, sind [1, 2, 3, 4].

2.1 Effektbetrachtung an einem Modell

Das erste Modell eines Unipolargenerators geht auf Michael Faraday aus dem Jahr 1831 zuru¨ck und ist in Abbildung 2.1 dem Original nachempfunden zu sehen [3]. Es sind ein fester Magnet, eine leitende Scheibe sowie die Bu¨rsten und Leiter, welche zur Strom- und Spannungsabnahme dienen, an der leitenden Scheibe zu erkennen (siehe Prinzipdarstel- lung in Abbildung 2.1). Der magnetische Fluss tritt immer in gleicher Richtung aus der leitenden Scheibe aus, woraus sich der Name der Maschine ableitet (Einpol=Unipol). Die Bu¨rsten, welche die Schleifkontakte darstellen, sind auf die Drehachse und den Rand der leitenden Scheibe aufgesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: links: historisches Modell nach Faraday [3], rechts: Prinzipdarstellung

Fu¨r die Veranschaulichung des Unipolareffektes ist es gegenw¨artig u¨blich einen zwei- teiligen Aufbau, wie in Abbildung 2.2 dargestellt, zu verwenden. Der feste Magnet des historischen Modells von Faraday wird hierbei durch eine Magnetscheibe ersetzt, die sich auf der gleichen Achse wie die leitende Scheibe befindet und bei Bedarf ebenfalls rotieren kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Modell des zweiteiligen Aufbaus

Vier Zust¨ande k¨onnen mit Hilfe dieses Modells erzeugt werden, wobei der vierte Zu- stand nicht von Interesse ist und von daher nicht weiter betrachtet wird:

- Zustand 1: Magnet- und Leiterscheibe drehen sich zur gleichen Zeit
- Zustand 2: Die Magnetscheibe rotiert, w¨ahrend die Leiterscheibe still steht
- Zustand 3: Die Magnetscheibe steht still, w¨ahrend die Leiterscheibe rotiert
- Zustand 4: Beide Scheiben stehen still

In Zustand 1 sind eine Spannung und ein Strom an den Bu¨rsten messbar. Im ruhenden System des Zustandes 4 treten beide Gr¨oßen erwartungsgem¨aß nicht auf.

Im Zustand 2 treten ebenfalls keine Spannung und kein Strom auf. Auf Grundlage des Magnetfeldlinienmodells mu¨sste sich dieser Umstand auch in Zustand 3 ergeben. Dies ist jedoch nicht der Fall: Im Zustand 3 sind eine Spannung und ein Strom vorhanden. Diese Beobachtung hat viele Jahrzehnte fu¨r Diskussionen gesorgt, ließ am Ende jedoch nur eine Schlussfolgerung zu: Das Magnetfeld ist scheinbar nicht an den Bewegunsgzustand des Magneten gebunden. Vielmehr verh¨alt sich das Feld wie eine Raumgr¨oße, denn als ein starres Gebilde aus Feldlinien. Es stellt sich die Frage, wie Strom und Spannung in den jeweiligen Zust¨anden erzeugt werden. Aus diesem Grund wird die Unipolarinduktion im n¨achsten Abschnitt genauer betrachtet.

2.2 Die Unipolarinduktion

Zur weiteren Verdeutlichung werden in diesem Abschnitt die gegenw¨artigen Modell- ans¨atze erl¨autert, mit deren Hilfe das Prinzip der Unipolarinduktion veranschaulicht werden kann. Dadurch kann die Strom- und Spannungserzeugung gem ¨aß [1] nachvollzo- gen werden. In Abbildung 2.3 ist der zun¨achst betrachtete Aufbau gem¨aß [1] zu sehen. Es handelt sich dabei um einen zweiteiligen Aufbau, wie er auch in Abschnitt 2.1 be- schrieben wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Zweiteiliger Aufbau gem¨aß [1]

Im Zustand 3 und 1 des Abschnittes 2.1 (ruhende bzw. rotierende Magnetscheibe, rotierende Leiterscheibe) entstehen eine messbare Spannung und ein messbarer Strom. Die Leiterscheibe bewegt sich mit der Winkelgeschindigkeit ΩS, w¨ahrend die Winkelge- schwindigkeit des Magneten ΩM Null oder ungleich Null ist. Die magnetische Flussdichte B ist in beiden Zust¨anden konstant. Jeder Punkt im Abstand r auf der leitenden Scheibe besitzt nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

eine Geschwindigkeit v. Sind eine Geschwindigkeit und eine magnetische Flussdichte vorhanden, so wirkt die Lorentzkraft FL auf die Ladungstr¨ager q in der leitenden Scheibe nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es findet eine Trennung der Ladungstr¨ager statt, woraus die Erzeugung eines elektrischen Feldes auf Grundlage des Coulomb’schen Gesetzes folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzt man nun Gleichung (2.3) und Gleichung (2.2) entsprechend des Impulserhaltungs-satzesgleich,so erh¨altman mit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

eine Bewegungsfeldst¨arke, die radial von innen nach außen gerichtet ist. Die Geschwin- digkeit v ist im rechten Winkel zum Radius, also in Umfangsrichtung, orientiert und die magnetische Flussdichte tritt axial senkrecht durch die Leiterscheibe. Demnach liegen v und B senkrecht zueinander und es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Infolgedessen findet eine positive Aufladung des ¨außeren Randes der Leiterscheibe statt und es bildet sich eine, der Bewegungsfeldst¨arke entgegengesetzte, Quellenfeldst¨arke EQu. Die induzierte Spannung Uiberechnet sich u¨ber das Wegintegral:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darausfolgtfu¨rdas Modell:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der innere (ri) und der ¨außere Radiuspunkt (ra) in der Berechnung werden in technischen Konstruktionen durch die Bu¨rstenkontakte realisiert. Ist die magnetische Flussdichte l¨angs des Radius (B(r) = B) konstant, so ergibt sich schließlich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass sich die induzierte Spannung durch drei Gr ¨oßen beeinflussen l¨asst: Durch die Winkelgeschwindigkeit ΩS der leitenden Scheibe, durch die magnetische Flussdichte B und durch den Abstand der beiden Kontaktpunkte zueinan- der. Eine Proportionalit¨at zur Winkelgeschwindigkeit ΩM der Magnetscheibe liegt indes nicht vor, wie der Zustand 2 aus Abschnitt 2.1 eindrucksvoll verdeutlicht.

Die vorherigen Betrachtungen basieren auf einer Darstellung auf Grundlage der Lor- entzkraft und den damit verbundenen Effekten. Es ist eine zweite Betrachtung mit Hilfe der Maxwellgleichungen m¨oglich, die unter anderem die Frage kl¨art, wo sich in der An- ordnung die ver¨anderliche Fl¨ache befindet, die fu¨r die Erzeugung einer Spannung n¨otig ist (konstantes B vorausgesetzt).

Bei konstanter magnetischer Flussdichte vereinfacht sich die Maxwell’sche Gleichung, die den elektrischen Wirbel mit der zeitlichen Ableitung des Magnetfeldes gleichsetzt, zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abbildung 2.4 ist die Leiterscheibe bei zwei verschiedenen Zeitpunkten t1 und t2 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: links: Anordnung zum Zeitpunkt t1,rechts: Anordnung zum Zeitpunkt t2

Wertet man das Ringintegral zum Zeitpunkt t1 aus, so erh¨alt man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die elektrische Feldst¨arke ~E l¨asst sich wiederum über die Stromdichte ~ J und den spezifischen Widerstand ρ ausdr¨ucken:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

eingesetzt in Gleichung (2.9) und (2.8) ergibt sich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Fluss φ wird dabei in einen Eigen-(induktiven) und einen Fremdanteil getrennt, die B¨ursten¨ubergangsspannung UBue wurde vernachl¨assigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Definitionsgem¨aß ist die induzierte Spannung gleich dem zeitlich ver¨anderlichen Fremdflussanteil:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit ist die induzierte Spannung rechnerisch isoliert und als n¨achstes folgt die Bestimmung der ver¨anderlichen Fl¨ache. Die Fl¨ache nimmt von t1 nach t2 zu und die Grenzbildung ergibt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzt man nun das Ergebnis der Gleichung (2.13) in Gleichung (2.7) ein, so erh¨alt man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

F¨ur die Spannung zwischen den Schleifringen gilt dann, wie bei der Berechnung ¨uber die Lorentzkraft, wiederum nach dem Gleichsetzen von Gleichung (2.7) und Gleichung (2.12) :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

An dieser Stelle sei angemerkt, dass es weitere Theorien gibt, wonach für die vollst¨andige Beschreibung der Unipolarinduktion die spezielle Relativit¨atstheorie herangezogen werden muss (siehe [5]). Dieser Gedankengang r¨uhrt daher, dass sich die Geschwindigkeiten am ¨außeren und inneren Schleifpunkt der leitenden Scheibe unterscheiden. Daraus resultiert eine Relativbewegung, die nach Meinung mehrerer Wissenschaftler zus¨atzlich ber¨ucksichtigt werden muss.

Zum Verst¨andnis der Unipolarinduktion reichen jedoch die in diesem Abschnitt aufgef ¨uhrten Beispiele und Gleichungen, weshalb in der vorliegenden Arbeit nicht weiter auf den Zusammenhang mit der speziellen Relativit¨atstheorie eingegangen wird.

3. Nutzung der Unipolarinduktion in technischen Anwendungen

In diesem Kapitel soll es vor allem darum gehen, die Ideen und Ans¨atze aufzugreifen, die in der Vergangenheit entstanden sind und sich des Prinzips der Unipolarinduktion bedienen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die wirklich realisierten technischen Projekte gelegt, um sich dann im folgenden Kapitel speziell den Unipolargeneratoren anzun¨ahern. Die folgenden Abschnitte beschreiben dabei jeweils eigene Anwendungsfelder.

3.1 Unipolargenerator

Unipolargeneratoren sind Energiewandler, die mechanische in elektrische Energie mit Hilfe der Unipolarinduktion umsetzen. Des Weiteren zeichnen einen Unipolargenerator speziell die folgendende Elemente (nach [1]) aus:

- Die unipolare Feldrichtung im Aktivteil der Maschine.
- Der Feldr¨uckschluss außerhalb des Aktivteils.
- Die induzierte Gleichspannung in der Ankerwicklung (echte Gleichstrommaschine ohne zus¨atzlichen Kommutator).
- Die Gleitkontakte zum Abgriff der Ankergleichspannung.
- Die fehlende M¨oglichkeit einer Serienschaltung von Ankerspannungen innerhalb
der Maschine, wodurch die Ankerspannung klein ist, w¨ahrend hohe Ausgleichsstr ¨ome fließen.

Abgesehen von den ersten Modellen, zu denen auch das Modell von Faraday aus Abschnitt 2.1 geh¨ort, und die reinen Demonstrationszwecken dienten, sind Unipolargeneratoren im gr¨oßeren Maßstab zu Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt worden.

Zu dieser Zeit waren die kommutierenden Elektromaschinen (Synchron- und Asynchronmaschinen) zumeist noch in der Erprobung, w¨ahrend Dampfturbinen den weitverbreitetesten Antrieb darstellten. Deshalb ist es kaum verwunderlich, dass die ersten Versuche darin m¨undeten, einen Dampfturbinenantrieb mit einem Unipolargenerator zu kombinieren [6]. Die ersten gr¨oßeren Firmen, die sich an Projekten zu Beginn des 20. Jahrhunderts beteiligten, waren unter anderem General Electric Co., die Siemens- Schuckertwerke und dieWestinghouseMfG. Co. Abbildung 3.1 zeigt einen solchenWerksgenerator, der an eine Turbine angeschlossen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Unipolargenerator angeschlossen an Dampfturbine [6]

In Abbildung 3.2 sind der L¨angs- und der Querschnitt der Maschine zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: links: L¨angsschnitt der Werksmaschine, rechts: Querschnitt [6]

Zahlreiche technische Umsetzungsprobleme und die zunehmende Verbesserung der Kommutatormaschinen ließen die Unipolarmaschine in den Hintergrund treten. Es wurden keine passenden Anwendungen gefunden. Aus diesem Grund geriet der Unipolargenerator in Vergessenheit.

Anfang der 1980er Jahren erhielt die Unipolarmaschine vor allem dadurch einen erneuten Auftrieb, dass von einigenWissenschaftlern behauptet wurde, dass einWirkungsgrad von ¨uber 100% bei gleichzeitiger R¨uckwirkungsfreiheit erreicht werden k¨onne. Dementsprechend sollte die Unipolarmaschine in der Lage sein, deutlich mehr Energie zu erzeugen, als sie zum Antrieb ben¨otigte. Begr¨undet wurde diese Theorie unter anderem damit, dass die Unipolarmaschine m¨oglicherweise zus¨atzliche Energie aus dem sie umgebenden Raum abzieht: Die Theorie der freien Energie des Raumes war geboren.

Die Versuche mit den umstrittensten Ergebnissen wurden unter Bruce DePalma beim sogenannten Sunburst-Projekt durchgef¨uhrt. DePalma entwarf eine Unipolarmaschine, der er den Namen ’N-Maschine’ verlieh, da es n Anordnungsm¨oglichkeiten g¨abe. In den Abbildungen 3.3 und 3.4 ist die N-Maschine nach DePalma zu sehen. Es handelt sich dabei um eine Unipolarmaschine, die aus einer Leiterscheibe und mehreren Ringmagneten bzw. einer elektrischen Erregung besteht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Aufgebaute N-Maschine [7],

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Prinzipdarstellung N-Maschine [8]

In den folgenden Jahren nach dem Sunburst-Projekt wurden weitere N-Maschinen entwickelt, um die Ergebnisse von DePalma zu verifizieren. Sie wurden beispielsweise Diskussionsbestandteil des Symposiums über Gravitationsfeldenergie im Jahr 1980 in Hannover. Weitere Wissenschaftler und Redner auf dem Symposium, die ebenfalls Unipolarmaschinen bauten, waren beispielsweise Adam Trombly, Hans Nieper, TimWilhelm und Thomas Valone [8]. Bei allen Konstruktionen wurden verschiedene L¨osungen für das Problem der Bürstenkonstruktion erprobt, keine konnte jedoch nachweisbar DePalmas Ergebnisse best¨atigen. Die Unipolarmaschine wurde ein weiteres Mal at acta gelegt.

3.2 Energiespeicher

Die F¨ahigkeit innerhalb kürzester Zeit eine Impulsleistung zur Verfügung zu stellen, hat Unipolargeneratoren auch im Bereich der Energiespeicherung sehr attraktiv gemacht. Anwendungsgebiete waren und sind beispielsweise Energiespeicher für so genannte Railguns im milit¨arischen Bereich, f¨ur Teilchenbeschleuniger in Forschungsinstituten und f¨ur das Schweißen im Industriebereich.

Dabei wurden zumeist Schwungmassenspeicher eingesetzt, die in der Lage waren kurzzeitig sehr hohe Str¨ome bei relativ kleinen Spannungen zu liefern. Angedacht waren zeitweise sogar Abschussrampen f¨ur Raketen. In Abbildung 3.5 ist solch eine realisierte Energiequelle zu sehen. Dabei handelt es sich um eine Entwicklung des Center of Electromechanics an der Universit¨at von Texas in Austin (CEM-UT) aus dem Jahr 1985. Das Patent wurde dann an die Firma Parker Kinetic Inc. in Austin im selben Jahr vergeben [8], [9].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: links: Fara-Drum 10, rechts: Fara-Lab 60 [8]

Der sogenannte Fara-Lab 60 setzt sich aus sechs Einheiten der Fara-Drum 10 -Einheit zusammen und ist für eine maximale Energiespeicherung von 60 Megajoule ausgelegt. Die Bezeichnung Fara-Drum 10 leitet sich dabei aus dem Aufbau (Trommelbauweise) und der maximal speicherbaren Energie (10 Megajoule) ab.

3.3 Drehzahlmesser

Gegenw¨artig wird das Prinzip der Unipolarinduktion im großen Maßstab fast nur im Bereich der Drehzahlmessung genutzt. Dabei wird der Umstand genutzt, dass die induzierte Spannung proportional mit der Drehzahl zusammenh¨angt. Die Ausgangsgleichspannung ist relativ gering und der große Vorteil ist in der guten Dynamik zu sehen, da jegliche Drehzahlschwankung schnell erfasst wird. Des Weiteren kommen Unipolargeneratoren bei geeigneter Ausführung ohne eine zus¨atzliche Stromversorgung aus. Führend im Bereich der Drehzahlmesser, die mittels Unipolarinduktion messen, ist in Deutschland die Firma Baumer Hübner in Berlin, die mehrere sogenannte Tachogeneratoren anbietet. Ab gr¨oßeren zu messenden Spannungen werden die Generatoren zus¨atzlich mit einem Explosionsschutz ausger¨ustet.

Mittlerweile werden Inkrementalgeber den Unipolargeneratoren allerdings vermehrt vorgezogen, da diese kostengünstiger sind und bereits bei Drehzahlen nahe des Stillstands reagieren.

4. Realisierte Generatortypen

In diesem Kapitel werden die Generatoren aufgeführt, welche tats¨achlich konstruiert und technisch umgesetzt wurden. Daraus ergibt sich eine Auswahl an Generatortypen, die dann bewertet und für die Anwendung in Kleinwindenergieanlagen geprüft werden k¨onnen. Dabei wird mit der ¨altesten Konstruktion begonnen.

4.1 Generator nach Poirson

Der in Abbildung 4.1 dargestellte Generator von Poirson wurde 1937 erstmals auf der Pariser Weltausstellung vorgestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Unipolargenerator nach Poirson [10]

Bei dieser Konstruktion handelt es sich um einen Unipolargenerator, der eine elektrische Erregung besitzt und sich durch eine ungew¨ohnliche Anordnung der Schleifkontakte auszeichnet. Die Schleifkontakte sind durch Kohlenstoffb¨ursten realisiert worden und befinden sich rechts und links der Leiterscheibe. In der Regel werden die stromabnehmenden Elemente an der Außenseite und auf der Welle des Unipolargenerators platziert.

Gem¨aß Gleichung (2.2) aus Kapitel 2.2 nimmt die induzierte Spannung im Falle des Poirson- Generators also zu, wenn die Leiterscheibe horizontal und nicht wie sonst ¨ublich vertikal verl¨angert wird. Des Weiteren zeichnet die Maschine aus, dass sie über geringe Luftspalte und über einen guten Eisenr¨uckschluss verfügt. Da der ungenutete L¨aufer gleichzeitig Anker, stromf¨uhrender Leiter und Schleifring ist, weist der Aufbau eine günstige K¨uhlungsstruktur auf, bei der eine w¨armestauende Isolation nicht vorhanden ist. Effekte durchW¨armeausdehnungen und mechanische Auswirkungen werden dadurch verringert, dass der L¨aufer ein Ganzes bildet und somit relativ robust ist. Aufgrund des geringen Konstruktionsaufwandes und der wenigen hochwertigen Materialien (Kupferwicklungen und Dynamobleche) ist der Aufbau sehr g¨unstig.

Nachteile des Generators sind vor allem sein h¨oheres Gewicht, da sehr viel Eisen verwendet wird, und die Unf¨ahigkeit die Spannung durch Serienschaltungen zu erh¨ohen, da ansonsten die genannten Vorteile nicht mehr vorhanden sind.Weiterhin sind aufgrund der Kohleb¨ursten ¨Ubergangsspannungen und Abnutzungserscheinungen zu ber¨ucksichtigen.

4.2 Generator nach DePalma

Der Unipolargenerator von DePalma ist in Abbildung 4.2 zu sehen und auf Grundlage von [8] untersucht worden, da die originalen Entw¨urfe von DePalma nicht zug¨anglich sind. Die Konstruktion von DePalma stammt aus dem Jahr 1979.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Unipolargenerator (N-Maschine) nach DePalma [8]

Der Unipolargenerator besitzt eine elektrische Erregung und die Schleifkontakte sind mit Hilfe von Kohlebürsten umgesetzt worden. Die Welle und die stromführende Leiterscheibe bestehen aus Bronze- neben Kupfer und Eisen das am meisten verwendete Material für den Rotor in Unipolarmaschinen. Eine Stabilisierung der Konstruktion wird durch Epoxidharz erreicht.

Der Aufbau der Maschine ist einfach gehalten und das Gewicht ist geringer als bei massiven Einsenkonstruktionen. Nachteilig hingegen wirkt sich der fehlende Eisenrückschluss und die Kohlebürstenanordnung aus. Durch den fehlenden Rückschluss verh¨alt sich die Umgebung wie ein einziger großer Luftspalt, wodurch die Feldlinien schlecht geführt werden. Kohlebürsten f¨uhren, wie bereits im vorherigen Abschnitt angedeutet, zu Bürsten- übergangsspannungen und müssen aufgrund von Abnutzungen ausgetauscht werden.

4.3 Generator nach Trombly und Kahn

Die wahrscheinlich ausgefeilteste und am besten finanzierte Arbeit hinsichtlich Unipolargenaratoren lieferten die Wissenschaftler Trombly und Kahn zu Beginn der 1980er Jahre ab. Abbildung 4.3 ist dem Aufbau auf Grundlage von [8] nachempfunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.3: Unipolargenerator nach Trombly und Kahn [8]

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