Als zu Beginn unseres Jahrhunderts die damaligen Gleichstromzentralen immer höhere Maschinenleistungen erforderten und die Entwicklung der Gleichstrom-Turbogeneratoren noch in den Anfängen steckte, glaubte man im Elektromaschinenbau mit dem raschen Aufschwung der Dampfturbinen besser Schritt halten zu können, wenn man kommutatorlose Gleichstrommaschinen verwendet. Man erinnerte sich der Entdeckung Faraday’s aus dem Jahre 1831, daß bei Rotation eines Metallzylinders in einem Magnetfeld um seine Achse in einem Draht, der mit dem einen Ende auf der Mantelfläche, mit dem anderen auf der Achse schleift, bei geschlossenem Stromkreis ein Gleichstrom fließt. Im Jahre 1853 baute Jedlik nach dieser Idee einen Unipolarmotor. Es herrschte lange Unklarheit über das Wesen der unipolaren Induktion. Die Ursache ist darin zu sehen, daß die Unipolarmaschine als einzige Maschine eine veränderliche Windungsfläche besitzt. Im Gegensatz zur üblichen Gleichstrommaschine mit Stromwender hat der Kraftfluß hier am ganzen Läuferumfang die gleiche Richtung (Einpol), was der Maschine den Namen gab [3].

Um 1900 beschäftigt sich Noegerath, der an der technischen Hochschule Hannover studierte, schon während des Studiums mit dem Bau einer Unipolarmaschine. Das Interesse an der Unipolarmaschine ist aus dem Bestreben entstanden, den Stromwender durch Schleifringe zu ersetzen und dadurch Kommutierungsproblemen aus dem Wege zu gehen. Während bis dahin Stromerzeuger auf dieser Grundlage nur für kleine Spannungen zu Laboratoriumszwecken hergestellt worden waren, machte 1903 Noeggerath als erster den Versuch, damit durch Hintereinanderschalten einzelner Leiter über Schleifringe die Spannung der Gleichstromzentralen zu erreichen.

Er baute im Jahre 1904 die erste Maschine vom Unipolartyp für 500 Volt und 300 Kilowatt. Ihr Bau wurde von mehreren Firmen aufgenommen. In Amerika wurde sogar eine 2000 kW-Maschine hergestellt. Auch in DeutschIand wurden mehrere Unipolarmaschinen ausgeführt. Bürsten- und Schleifringschwierigkeiten mit unerwartet hoher Erwärmung hemmten jedoch die Entwicklung derart, daß die Unipolarmaschine bald von dem Gleichstrom- und später noch mehr von dem Drehstrom-Turbogenerator an Betriebssicherheit, Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit übertroffen wurde [3].

Nach dem zweiten Weltkrieg trat die um 1904 entwickelte, aber dann verlassene Unipolarmaschine mit den gewöhnlichen Gleichstrommaschinen und Gleichrichtern in Wettbewerb, und zwar als Niederspannungs-Hochstrommaschine für Elektrolyseanlagen für Spannungen von 6 bis 40Volt und Stromstärken von 6 000 bis 50 000 Ampere, zum Teil bis zu 300 000 Ampere.

Der Aufbau dieser Maschinen lehnte sich stark an den der Vorkriegsmaschinen an; denn sie besaßen wie diese in Nuten gebettete isolierte Leiter und Schleifringe [4].

Wesentlich einfacher ist die Konstruktion von Poirson, der 1930 eine Unipolarmaschine für 7Volt, 15 000Ampere, 1800U/min baute und eine zweite, bedeutend größere Maschine für 14Volt, 50000Ampere, 750 U/min im Jahre 1937 auf der Pariser Weltausstellung im Betrieb vorführte. Bei ihr wurde ein ungenuteter Läufer verwendet, der zugleich als Anker, stromführender Leiter und Schleifring diente. Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile: Da jegliche wärmestauende Isolation im Läufer fehlt, sind die Abkühlungsverhältnisse, vor allem die der Schleifflächen, sehr günstig. Ein Schlagen oder Unrundwerden der Schleifflächen kann kaum eintreten, ebensowenig ein Verziehen infolge von Wärmedehnungen, da der Läufer ein einheitliches Ganzes bildet. Wirbelstromverluste sind praktisch nicht vorhanden. Die Bürsten laufen auf dem massiven Läufer wesentlich ruhiger als auf aufgeschrumpften Ringen und werden wegen der guten Wärmeabfuhr zum Läufer hin besser gekühlt. Die Ausführung einer solchen Unipolarmaschine ist höchst einfach, da der Läufer weder Wicklung noch Schleifringe besitzt. Im Gegensatz zur üblichen Gleichstrommaschine besteht die Unipolarmaschine in der Hauptsache aus Eisen und ist deshalb schwerer. Da sie jedoch keine hochwertigen Baustoffe, wie Dynamobleche, enthält, Kupfer nur für die Erregerwicklung benötigt, die ohne weiteres aus Aluminium ausgeführt werden kann und ihr Bau verhältnismäßig wenig Arbeit verlangt, ist ihr Preis niedriger. Für kleine Ströme von nur einigen tausend Ampere jedoch verschwindet dieser preisliche Vorteil [7].

Nichts ist am Läufer durch Kurzschlüsse gefährdet. Die einzige empfindliche Stelle bilden die Bürsten. Zwar fehlen jegliche Kommutierungsschwierigkeiten, und auch mechanische Störungen durch unruhigen Lauf der Bürsten fallen bei Ausbildung der Schleifflächen als Scheiben nicht mehr ins Gewicht, aber es bleiben doch die jeder Hochstrommaschine anhaftenden Anfälligkeiten der Bürsten infolge Erwämung und Reibung. Ausreichende Belüftung und sorgfältige Wartung der Bürsten und Halter sind daher notwendig. Überlastung einzelner Bürsten und ihrer Anschlußlitzen oder -bänder muß durch gleichmäßige Verteilung von Bürstendruck und Kühlluft vermieden werden.

Diese einzige schwache Stelle der Unipolarmaschine, nämlich die Bürsten, von der nicht nur die Betriebsfähigkeit, sondern auch der Wirkungsgrad fast ausschIießlich abhängen, fordert geradezu heraus, eine vollkommenere Lösung der Stromabnahme zu suchen. Reibungs- und Übergangsverluste würden bei Stromabnahme über Quecksilber zu einem unbedeutenden Wert absinken, die Gesamtverluste der Unipolarmaschine auf etwa 1/5 zurückgehen.

In den letzten Jahren ist durch die Einführung von Flüssigkeitskontakten, wie Quecksilberstrahlkontakten, Natrium - Kalium - Flüssigkeitsringkontakten, die Unipolarmaschine als Erzeuger hoher Gleichströme für die Speisung von Magnetspulen von Teilchenbeschleunigern, für Elektrolyseanlagen, für Laboratorien der Reaktor-, Raumfahrt- und Raketentechnik und für elektromagnetische Pumpen wieder auf den Plan getreten. Auch Unipolarmotoren mit supraleitenden Feldwicklungen werden entwickelt und sollen für Antriebe von Kompressoren, Schiffen und in Walzwerken verwendet werden. Ein 2,2 MW-Motor mit einer supraleitenden Erregerwicklung wurde in England gebaut. Die Spannung beträgt 430V, der Vollaststrom 5,8kA, bei 200U/min [4].

Bruce de Palma, Instruktor am Massachussetts Institute for Technology (M.I.T.) in Boston, befaßt sich seit 1977 mit den Eigenschaften von Unipolarmaschinen, deren Erregerwicklung sich mit dem Anker mitdrehen. Seinen Ausführungen nach zeigt eine derart betriebe Unipolarmaschine, von ihm N-Maschine genannt, nicht das dualistische Verhalten anderer elektrischer Maschinen, darin gekennzeichnet, daß sowohl motorischer als auch generatorischer Betrieb möglich ist. Die abgegebene elektrische Leistung dieses Unipolargenerators sei unabhängig von der zugeführten mechanischen Leistung, was einen Wirkungsgrad von über 100% möglich mache [2]

De Palma vermeidet daher den Begriff Wirkungsgrad, da dessen Berechnung sich auf ein geschlossenes System bezieht. Seine N-Maschine stelle ein offenes System dar, das aus einem Energiefeld, Tachyonenfeld genannt, Energie absorbiert und in elektrische Energie umwandelt. Demzufolge verhalte sich ein Unipolargenerator, dessen Errgegerspule mit dem Läufer rotiert, ähnlich wie eine Wärmepumpe, für die statt des Wirkungsgrades eine Leistungsziffer angegeben wird.

Die Theorie des Tachyonenfeldes, eines Energiefeldes mit sehr großer Dichte, welches den gesamten Raum erfüllt und Ursache für die Gravitation sein soll, läßt sich nicht in den Lehrbüchern der Schulphysik wiederfinden. Namhafte Wissenschaftler in der ganzen Welt beschäftigen sich mit dieser Theorie, die dort Erklärungen liefert, wo die Schulphysik versagt [1].

Das Prinzip der Unipolarmaschine läßt sich einfach anhand des bewegten Leiters im Magnetfeld verstehen:

Wird ein stabförmiger Leiter wie in Abbildung 1 mit der Geschwindigkeit durch ein Magnetfeld bewegt, so wird zwischen seinen Enden eine Spannung induziert. Ursache für die Induktionsspannung ist die Lorentzkraft, die allgemein auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld wirkt. Die freien Ladungsträger im Leiter werden durch die Lorentzkraft getrennt, so daß sich im oberen Teil des Leiters die negativen Ladungsträger sammeln und im unteren die positiven.

Wird der Stromkreis durch einen Verbraucher anstelle des Spannungsmessers geschlossen, so fließt ein Strom. Da der Strom aus bewegten Ladungsträgern besteht, die sich im Magnetfeld bewegen, verursacht der Stromfluß wiederum eine Lorentzkraft, die der Ursache, also der Bewegung des Leiters, entgegenwirkt. Die elektrische Leistung, die sich aus dem Produkt von Spannung und Strom im Verbraucher ergibt, muß als Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit als mechanische Leistung aufgebracht werden. Das ist das Prinzip eines elektrischen Generators, der einen konstanten Gleichstrom liefert, solange sich Richtung und Größe der Geschwindigkeit nicht ändern.

Schließt man anstelle des Spannungsmessers in Abb. 1 eine Spannungsquelle an, so verursacht der Stromfluß durch den Leiter im Magnetfeld eine Lorentzkraft, die den Leiter in Bewegung versetzt. Es wird elektrische in mechanische Energie umgewandelt. Das ist das Prinzip des Motors.

Der Übergang zur Unipolarmaschine ergibt sich, wenn der Leiter am unteren Ende drehbar gelagert ist und das obere Ende um diese Drehachse rotiert wie die Speiche eines Rades. Da sich bei der Drehung die Zuleitungen an den Enden verwinden würden, werden Schleifkontakte eingesetzt, die auf der Achse und einer äußeren Schleifbahn aufgesetzt sind (Abb. 2). Die Anzahl der Speichen kann beliebig erhöht werden, ohne das sich die Größe der induzierten Spannung ändert, da in jedem Leiter die gleiche Spannung induziert wird und die Leiter parallelgeschaltet sind. Durch den Grenzübergang zu unendlich vielen Speichen erhält man eine leitende Scheibe, zwischen deren Mittelpunkt und dem äußeren Rand die Induktionsspannung anliegt. Wird die Scheibe in Rotation versetzt, also angetrieben, und der Spannungsmesser wieder durch einen Verbraucher ersetzt, fließt ein Strom, der dem Antrieb ein Bremsmoment entgegensetzt.

Schließt man wiederum anstelle des Spannungsmessers eine Spannungsquelle an, dreht sich die Scheibe durch die vom Stromfluß verursachte Lorentzkraft, die an jeder Stelle der Scheibe tangential in der gleichen Richtung angreift.

Auf der ganzen Scheibe tritt die magnetische Flußdichte in gleicher Richtung aus, so daß diese Seite der Scheibe einem Nordpol gleichkommt. Aus diesem Grund heißt die Maschine Einzelpol- oder Unipolarmaschine.

Im Gegensatz zur Wirbelstrombremse, bei der die Induktionsscheibe nur teilweise vom Magnetfeld durchsetzt ist, können sich bei der Anordnung wie in Abbildung 2 keine Wirbelströme ausbilden, wenn das Magnetfeld homogen und zeitlich konstant ist. Die Summe der Lorentzkräfte auf einer beliebigen geschlossenen Kurve, auf der ein Wirbelstrom in der Scheibe fließen könnte,ist immer Null [8].

Betrachtet wird eine elektrisch leitende Scheibe, die sich in einem konstanten homogenen Magnetfeld dreht (Abb. 3). Die Scheibe wird von dem Magnetfeld parallel zur Flächennormalen durchsetzt. An der Drehachse und dem Rand der Scheibe sind Schleifkontakte angebracht, zwischen deren Zuleitung die Spannung U abgegriffen werden kann.

Wie bereits im Abschnitt 1.2 erwähnt, resultiert die induzierte Spannung aus der Lorentzkraft auf die Ladungsträger im Leitermaterial. Auf einen positiven Ladungsträger q, der sich mit der Geschwindigkeit in einem Magnetfeld bewegt, wirkt die Lorentzkraft

(1)

in negative radiale Richtung. Durch die Lorentzkraft werden die Ladungsträger getrennt. In Abb. 3 sammeln sich die positiven Ladungsträger in der Mitte der Scheibe, die negativen auf dem Rand. Auf einen Ladungsträger q in einem durch die Ladungsträgertrennung erzeugten elektrischen Feld wirkt die Kraft

(2)

in positive radiale Richtung. Wenn der stromlose Zustand betrachtet wird, kompensieren sich die beiden Kräfte und es gilt nach dem Kürzen der Ladungsträger

(3)

Das elektrische Feld ist positiv radial gerichtet, und die induzierte Spannung U_i ergibt sich durch Integration der Feldstärke über den Radius der Scheibe zwischen den Schleifkontakten, wobei ra der Radius des äußeren Randes und ri der Radius der Achse ist

.(4)

Das Magnetfeld sei nach der Voraussetzung überall konstant und homogen, die Geschwindigkeit einer Elementarladung ist abhängig von ihrem Abstand vom Drehpunkt und läßt sich über die Winkelgeschwindigkeit bzw. über die Drehzahl n mit ausdrücken.

Das Kreuzprodukt ist negativ radial gerichtet und damit ist der Betrag der Spannung positiv

(5)

Die induzierte Spannung muß sich auch über die Maxwell’sche Theorie herleiten lassen. Das 2. Maxwell’sche Gesetz, welches aussagt, daß der Wirbel des elektrischen Feldes mit der zeitlichen Ableitung des magnetischen Feldes gleich ist [6],

lautet in Differentialform oder in Integralform (6)

Es wird eine Anordnung wie in Abbildung 3 betrachtet, bei der der Anschauung wegen die Integrationswege bzw. die Richtung der Umlaufspannung zu zwei beliebigen Zeitpunkten eingezeichnet sind (Abb. 4 und 5) [4].

Der Teil des Integrationsweges, der sich auf der rotierenden Scheibe befindet, ändert sich mit der Drehung. Zu beiden Zeitpunkten ist die magnetische Flußdichte konstant, die Gleichung (6) vereinfacht sich zu

(7)

Zum Zeitpunkt t1 beträgt die Größe der Fläche , zum Zeitpunkt t2 hat sie sich auf vergrößert.

Die Änderung der Fläche D A in der Zeit D t entspricht demnach der Differenz der beiden Flächen

(8)

und nach dem Grenzübergang

(9)

Der Flächennormalenvektor ist mit bezeichnet.

Die Änderung des Winkels nach der Zeit ist gleich der Winkelgeschwindigkeit, die sich wieder durch die Drehzahl ausdrücken läßt. Die Umlaufspannung lautet dann

(10)

Die Spannung, die zwischen den Schleifringen gemessen werden kann, ist dann positiv radial gerichtet und lautet

(11)

Wie zu erwarten war, ist die Gleichung zur Bestimmung der induzierten Spannung nach

Maxwell die gleiche wie die nach Lorentz.

Die in Abschnitt 1.3 gebrauchten Theorien zur Erklärung der induzierten Spannung legen nicht fest, wie die Erregung der magnetischen Flußdichte beschaffen sein muß. Denkbar ist eine zylinderförmige Spule mit Eisenkern, deren Wicklung von einem konstanten Strom durchflossen ist. Den gleichen magnetischen Fluß könnte auch ein Permanentmagnet erzeugen. Es hat auch keinen Einfluß auf die Rechnung, wenn sich der Magnet bewegt. Entscheidend ist lediglich das konstante homogene Magnetfeld.

Dreht sich eine elektrisch leitfähige Scheibe in einem Magnetfeld, das sie selbst durch geeignete Magnetisierung oder durch eine an der Scheibe angebrachte stromdurchflossene Wicklung erregt, so kann zwischen Schleifkontakten auf dem Rand und der Achse eine Spannung abgegriffen werden. Die Berechnung dieser Spannung kann wieder über die Lorentzkraft oder die 2. Maxwell’sche Gleichung wie in Abschnitt 1.3 erfolgen.

Es ergeben sich also zwei Möglichkeiten, eine Unipolarmaschine zu konstruieren. Die eine Konstruktion besteht, wie im elektrischen Maschinenbau üblich, aus feststehendem Ständer mit Erregerwicklung und einem Läufer mit der Ankerwicklung. Diese Art der Konstruktion soll als stehend erregt bezeichnet werden. Die andere Kostruktionsart besteht nur aus einem Läufer, der sowohl Erregerwicklung als auch Ankerwicklung trägt. Diese soll rotierend erregt genannt werden. Sofern sich in der physikalischen Funktion kein Unterschied zwischen stehender und rotierender Erregung feststellen läßt, ist die rotierende Erregung technisch nicht sinnvoll, da aufwendiger. Es müssen zusätzlich zu den Schleifringen, die den elektrischen Strom von der Induktionsscheibe abnehmen, zwei weitere Schleifringe auf dem Läufer angebracht werden, die die Erregerspule mit Strom versorgen.

Es sollen beide Erregungsarten untersucht werden.

Es wird ein Unipolarmotor betrachtet, der durch einen rechteckigen Magneten statisch erregt wird (Abb.6). Der Läufer besteht aus einer elektrisch leitfähigen Scheibe auf einer drehbar gelagerten Achse. Die Achse soll zuerst durch eine Bremse festgehalten werden. Die Spannungsquelle Uq verursacht einen Stromfluß, also bewegte Ladungsträger in negativ radialer Richtung von Außen nach Innen durch die leitfähige Scheibe.

Die Lorentzkraft auf eine beliebige Ladung dQ, die sich mit der Geschwindigkeit in einem Magnetfeld bewegt, lautet

(12)

Da die Richtung der Geschwindigkeit und des Magnetfeldes senkrecht aufeinander stehen, wirkt die Lorentzkraft in jedem Punkt auf der Scheibe tangential linkswendig und es genügt, mit Beträgen weiterzurechnen. Die Ladung läßt sich durch den Strom ausdrücken

(13)

und die Geschwindigkeit durch die radial zurückgelegte Strecke

(14)

Es ergibt sich nach dem Kürzen der Zeit für die Kraft

(15)

Es läßt sich ein Drehmoment angeben

(16)

(17)

Dieses Drehmoment versucht den Läufer in eine Drehbewegung zu versetzen. Wird die Bremse gelöst, beschleunigt der Läufer. Das Motormoment M wirkt dem Trägheitsmoment entgegen. Damit die Summe aller Kräfte am gesamten Motor gleich null ist, muß am Motor eine weitere Kraft angreifen. Diese Kraft hat die gleiche Größe wie das Motormoment und wirkt auf den rechteckigen Magneten. Der Motor stützt sich an seiner Befestigung ab.

Nun wird ein rotierend erregter Motor betrachtet. Der Läufer besteht aus einer magnetisierten, elektrisch leitfähigen Scheibe (Abb.7). Das Drehmoment auf den Läufer ergibt sich rechnerisch auf die gleiche Weise wie beim stehend erregten Motor. Da aber kein in der Umgebung befestigter Magnet vorhanden ist und im leeren Raum keine Kräft angreifen können, stellt sich die Frage, ob der Motor überhaupt anläuft.

Es wird angenommen, das der Motor in Abbildung 7 kein Moment entwickelt, weil es keinen feststehenden Ständer gibt, an dem ein Gegenmoment angreifen kann.

Ein Unipolargenerator, der rotierend erregt wird, liefert eine Spannung, die nach Lorentz oder Maxwell berechnet werden kann. Ein zwischen den Schleifkontakten angeschlossener Verbraucher wird dann von einem Strom durchflossenen. Wenn der Motor in Abbildung 7 kein Moment entwickelt, so erzeugt ein belasteter Generator der gleichen Bauart kein elektrisches Gegenmoment. Die zugeführte mechanische Leistung müßte nur die Reibverluste decken, die abgegebene elektrische Leistung wäre dann unabhängig von der zugeführten mechanischen Leistung. Ein Wirkungsgrad als Quotient aus abgegebener und zugeführter Leistung könnte jeden beliebigen Wert annehmen.

Bei der oben gemachten Betrachtung wurde von Verhältnissen ausgegangen, wie sie im Elektromaschinenbau üblich sind, nämlich, daß der die Erregerwicklung tragende Körper der Ständer ist und das Gegenmoment aufnimmt. In diesem Fall könnte es anders sein. Die einzigen Körper, an denen hier ein Gegenmoment angreifen könnte, sind die Schleifkontakte und deren Zuleitungen. Diese sind vom gleichen magnetischen Fluß durchsetzt wie die Induktionsscheibe, da der Fluß aus der vorderen Stirnseite der Scheibe austritt, durch die Umgebung verläuft und in die hintere Stirnseite wieder eintritt.

Es wird deutlich, daß die Verhältnisse nicht so einfach zu beschreiben sind, wie es auf den ersten Blick scheinen mag.