Internationale Patentanmeldung

Vier Deutsche Patentanmeldungen: Patente

Zum Thema: Höchsteffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und höchstdynamische Antriebe, nach dem Luftspulenprinzip

Sehr geehrte/r Interessent/in,

dies ist eine Kurzinformation über eine der elektrischen Maschinen, die aus dem von mir neu entwickelten Maschinenkonzept, dem ich den Namen "Luftspulenprinzip" gab, hervorgeht.

Das Luftspulenprinzip ist ein Konzept, das die von M. Faraday im Zeitraum von 1821-1851 erforschten Idealbedingungen zur optimalen Energieumsetzung zwischen freiem Leiter und magnetischem Feld erstmals zu 98% umsetzt und so zu hocheffizienten und hocheffektiven elektrischen Maschinen führt. Die daraus hervorgehenden Maschinen sind im Vergleich zu bestehenden Luftspulenmaschinen und deren Anwendungen ein riesiger Entwicklungssprung bezüglich aller Maschinenkennwerte.

Die Maschinen erreichen nach dem Luftspulenprinzip so hohe Wirkungsgrade bei zudem kleinen Abmessungen, daß das Luftspulenprinzip, auch über die klassischen Anwendungsgebiete herkömmlicher Luftspulenmaschinen hinaus, in Zeiten der Energieknappheit und des gesteigerten Umweltbewustseins, auch die zeitgemäßen alternativen Maschinen zu herkömmlichen Eisenankermotoren, in allen Leistungsbereichen liefert.

Das Luftspulenprinzip kann in jeder herkömmlichen Maschinenart als:

in den Konstruktionsformen:

Hierbei können die magnetischen Pole elektromagnetisch oder permanentmagnetisch erregt, sowohl Außen-, als auch Innenpole sein.

Zunächst möchte ich Ihnen ergänzend zu meinen drei Fachaufsätzen eine kleine Kurzübersicht über verschiedene Aufbaumöglichkeiten am Beispiel einer Konstruktionsform geben.

Der neue Maschinentyp wird nun im folgenden anhand einer Doppel-Scheibenmaschine (Axialfeldmaschine mit zwei parallel verlaufenden Luftspalten (Anlage 1) vorgestellt:

1. Synchronmaschinen

1.1. Das Prinzip der Doppel-Scheibenmaschine anhand eines Generators

Fig.1/2 zeigt den Aufbau eines Doppel-Scheibengenerators nach dem Luftspulenprinzip, der z.B. für kleine Windturbinen für Batterieladung geeignet ist [weierführend Gewinnbeispiel 2]. Jede Luftspule 3 der Wicklung ist um eine mittlere Scheibe 6 (in diesem Fall berührungslos) herumgefaltet und verläuft beidseitig dieser, in jeweils einem Luftspalt 4', 4'', bis vorzugsweise in Achsnähe.

Dies hat den Vorteil, daß die Wickelköpfe oder wenig wirksamen, evolventen Leiter herkömmlicher Scheibenspulen im hochwirksamen Umfangsbereich (hohe Geschwindigkeit) völlig entfallen und durch ideal (rechtwinklig zur Bewegungsrichtung) verlaufende Leiter ersetzt werden, die zudem und in vollem Umfang (d.h. über die volle Maschinenfläche) genutzt werden können. So wird eine ca. 90%ige ideale Nutzung des Leiters erreicht. Im Vergleich dazu liegt die wirksame Länge der Spulen der herkömmlichen Scheibenmaschinen bei ca. 50%, die sich außerdem noch im Bereich geringerer Geschwindigkeiten befindet.

Bei dem neuen Maschinenkonzept besteht zusätzlich die Möglichkeit die noch ungenutzten Leiter 20 im umfänglichen Faltbereich 18 der Spule, die zwar kurz aber hocheffektiv [siehe z.B. Gewinnbeispiel 2, Bild 2 und 3] sind, mit Extrapolen mit radialem Magnetfeld auszustatten. Die schematischen axialen Schnittzeichnungen der Fig. 3 bis 7 zeigen dazu verschiedene Möglichkeiten, die eine Spulennutzung von ca. 98% [siehe auch Fachaufsatz 1, Bild 15 und 16 und Fachaufsatz 2, Doppel-Scheibenmaschine] und dadurch eine weitere Effizienzsteigerung und u.a. eine weitere Leistungssteigerung von mehr als 118% (bei dieser Spulengeometrie) ergeben.

D

Das Luftspulenprinzip führt dazu, daß nicht nur der Leiter, sondern auch das Magnetmaterial und die Maschinenfläche hocheffizient genutzt werden, woraus sich viele Vorteile für Motoren und Generatoren ergeben:

- Die Maschinen brauchen, um die gleiche Leistung herkömmlicher Scheibenwicklungen (mit dem Durchmesser von Fig.2) zu erreichen, nur etwa den halben Durchmesser (Maschinenumfang 8 in Fig.2) und sparen dabei sogar noch Magnetmaterial ein [Gewinnbeispiel 2, Bild 4 und Gewinnbeispiel 1, Doppel-Scheibenmaschine 3].

- Die Motoren sind wesentlich dynamischer, da die mechanische und elektrische Zeitkonstante kleiner ist.

- Der Wirkungsgrad steigt erheblich aufgrund der eingesparten Kupferverluste.

- Die Maschinen sind leichter (geringe Gesamtmasse).

- Durch die Faltung der Spule ist ein flexibler konstruktiver Aufbau möglich.

- Die Maschinen erreichen aufgrund der idealen Leiternutzung im Umfangsbereich hohe Drehmomente.

- Die lineare Spannungsdrehzahlkennlinie, ist ideal für Drehzahlregelung, Batterieladung und Sensierung der Motorkennwerte zur Fehlererkennung.

- Gegenüber Eisenankermotoren werden zusätzlich Eisenverluste eingespart, die in etwa 30% der Verluste eines Motors klein und mittlerer Leistung ausmachen.

- Bei gleichem Durchmesser haben die Motoren eine Leistungssteigerung gegenüber herkömmlicher Luftspulenmotoren von mindestens 300%, so daß mit Scheibenmaschinen nun wesentlich höhere Leistungen erreicht werden können, ohne unzumutbare Durchmesser oder Fliehkraftprobleme zu bekommen. Dies eröffnet ganz neue Einsatzbereiche, wie z.B. als Fahrzeugantriebe höherer Leistung, wie für Gabelstabler und Autos mit der Energiespeicherung durch Brennstoffzellen oder als Startergeneratoren für Autos der nächsten Generation.

- Weitere Vorteile sind in meinen Fachaufsätzen I und II und in den anderen Angeboten, sowie in den Gewinnbeispielen beschrieben.

1.2. DC-Doppel-Scheibenläufermotor

In Fig.8/9 zeigen Ansichten als schematischen Schnitt durch eine Weiterbildung eines DC-Scheibenläufermotors nach dem Luftspulenprinzip.

Hier handelt es sich um eine Zweischichtwicklung im Magnetbereich, die schon bei herkömmlichen Scheibenläufern in ungefalteter Spulenform verwendet wird.

Hier bei der gefalteten Luftspule ist der ideale Verlauf der Spulenseiten, bis hin in den Umfangsbereich, gut zu sehen. Die magnetischen Pole (gestrichelt in Fig 9) sind kreissegmentförmig, wobei die volle Maschinenfläche zum wirksamen Bereich gehört und nicht wie bei herkömmlichen Maschinen dieser Wickeltechnik kreisrunde Flächen der Pole nur einen Teil der Maschinenfläche, mit Ausnahme des kleinen achsnahen Bereichs, nutzen [Fachaufsatz 1, Bild7]. In Achsnähe sind die magnetischen Pole abgerundet, so daß auch da die maximal mögliche Maschinenfläche genutzt wird. Der Gewinn einer ähnlichen Doppel-Scheibenmaschine gegenüber eines herkömmlichen Scheibenläufers wird in Gewinnbeispiel 5 ermittelt.

1.3. EC-Doppel-Scheibenmotor

Fig.10 zeigt einen schematischen Aufbau eines EC-Scheibenmotors nach dem Luftspulenprinzip im Schnitt, mit sechs Spulen 3 und acht kreissegmentförmige Polen 27, sowie mit mehreren Magnetfeldsensoren 17. Dies ist eine Weiterbildung von Motoren, die z.B. in CD-Playern, DVD-Geräten, Disketten- und CD-Laufwerken eingesetzt wird und zu leichten, kompakten und leistungsstarken Geräten mit u.a. hohem Wirkungsgrad führt. Hier ist auch eine Zweischichtwicklung mit zueinander um eine halbe Spulenweite verdrehten Spulenschichten möglich, so dass eine optimale Maschinenflächennutzung erreicht wird.

1.4 Neue Wicklungsarten für Scheibenmaschinen

Desweiteren können durch die erfindungsgemäße Faltung der Spule bzw. Wicklung um die mittlere Scheibe ganz neue Wicklungsarten z.B. für Scheibenmaschineneingesetzt werden:

Hierzu gehören Zweischicht-Schrägwicklungen, die bisher nur in DC-Glockenläufern (Korbankermotoren) und in EC-Glockenmotoren eingesetzt werden konnten (Fachaufsatz 2, Bild 4). Diese Wicklungen haben einerseits einen einfachen Aufbau, sind selbsttragend und darüber hinaus werden nun auch noch die Leiter, die Maschinenfläche und das Magnetmaterial durch die Spulenfaltung hocheffizient genutzt.

Erstmals können diese Schrägwicklungen nun auch für Scheibenmaschinen eingesetzt werden und führen zu dem noch zu hocheffizienten Maschinen (Fachaufsatz 2, zum Bild 9).
Für einen achtpoligen DC-Scheibenmotor sind die beiden axialen Wicklungsansichten der beiden Luftspalte in Fig.11/12 als Wickelschema zu sehen . Die mit N, S gekennzeichneten Flächen 32 sind die wirksamen Polflächen, die wie man sieht bis zum Umfangsbereich reichen und da höchste Erträge bringen. Die Leiter verlaufen sehr effektiv zur Bewegungsrichtung.

In Fig.13/14 ist das Prinzip so einer Zweischicht-Schrägwicklung als Wickelschema für einen zweipoligen Scheiben-Motor zu sehen.

Bei der Herstellung der Maschine der Fig.11-14 wird der mittlere Körper 29 von der Spule eingewickelt. Diese Wickelmethode wird seit 30 Jahren erfolgreich bei herkömmlichen Glockenläufern praktiziert, bei denen allerdings nur der zylindrische Umfangsbereich der Wicklung mit einem Magnetfeld ausgestattet wird, wodurch sehr viel Leiter als Wickelkopf ungenutzt bleibt. Einen großen Fortschritt bietet dagegen die Stirnflächennutzung.

Bei Glocken-Scheiben- oder Trommel-Scheibenmaschinen nach dem Luftspulenprinzip werden auch die Stirnflächen der Wicklung hocheffektiv genutzt. Der Umfangsbereich kann sogar als Einschichtwicklung mit rechtwinklig zur Bewegungsrichtung liegenden Leitern ausgestattet sein, was zu besonders leistungsstarken Maschinen führt.

2. Asynchronmaschinen

2.1. Die teilweise Anwendung des Luftspulenprinzips bei Asynchronmaschinen (AS) (Luftspulen ohne Faltung)

Ein weiteres innovatives Gebiet für das Luftspulenprinzip ist das der Asynchronmotoren. Durch die schon teilweise Anwendung des Luftspulenprinzips bei AS- Motoren entfallen durch Verwendung von Luftspulen in Verbindung mit einem mitrotierenden Rückschluß, minderstens die Hälfte der hohen Eisenverluste. Eisen und Kupferverluste bilden etwa zu gleichen Teilen ca. einen 2/3-Anteil der Gesamtverluste herkömmlicher Eisenankermotoren mittlerer Leistung. Die Dezimierung dieser Eisenverluste bringt vielfältige Vorteile, so daß dadurch in Verbindung mit der idealen Kupfernutzung nun effizientere AS-Motoren zur Verfügung stehen.

Der höhere Konstruktionsaufwand der zwei Läufer und damit die gestiegenen Anschaffungskosten amortisieren sich im Betrieb dieser Motoren durch den geringen Energieverbrauch, aufgrund des hohen Wirkungsgrades sehr schnell [Fachaufsatz 1, Einführung].

Zu diesem Thema gibt es in den letzten Jahren viele Veröffentlichungen und die Firma Siemens hat aufgrund dieses sich vollziehenden Bewustseinswandels und der Notwendigkeit solcher Motoren einen ganz neuen Zweig von Energiesparmaschinen aufgebaut, der allerdings nur eine letzte Optimierung der Eisenankermotoren ist, so daß der Fortschritt vergleichsweise gering ausfällt.

In Fig.15/16 ist das Prinzip eines AS-Scheibenmotors zu sehen, der eine Primär-Drehfeldwicklung 30, eine drehmomenterzeugende Asynchron-Läuferwicklung 29 und einen synchronen Läufer 33, der den Rückschluß für das Drehfeld bildet, aufweist. So werden im Rückschluß 33 keine Wirbelstromverluste erzeugt. Für diesen Synchron-Läufer gibt es viele Varianten des Aufbaues, die bei Anwendung von Drehstrom vorzugsweise einen asynchronen Anlauf gewährleisten, wobei er im Betrieb in den synchronen Lauf fällt.

Eine dieser Varianten ist im Prinzip in Fig.20 dargestellt. Hier können die Flächen 36 aus Permanentmagneten bestehen oder aus Hysteresematerial, sowie aus Rückschluß Plateaus, die Reluktanzmomente erzeugen.

Einen großen Vorteil bringt die Verwendung von Hochenergiemagneten in diesem Synchron-Läufer 33, so daß die Primärleistung nur zu einem Teil durch die verlustbehaftete Drehfeldwicklung 30 zur Verfügung gestellt werden muß. Im vollen Maß kann dies geschähen, wenn das primäre Drehfeld elektronisch kommutiert wird. In diesem Fall kann auf einen asynchronen Anlauf verzichtet werden, so daß die volle Läuferfläche mit Hochenergiemagneten 27 (in Fig.21) ausgestattet sein kann. Dies mindert die Wirbelstromverluste im Blechpaket 34 der drehfelderzeugenden Wicklung 30 in Fig.15 erheblich.

Fig.16 stellt die schematische Schnittansicht eines Kurzschlußläufers 29 der Fig.15 dar. Ein weiterer Vorteil ist, daß dieser drehmomentbildende Asynchron-Läufer 29 ein geringes Trägheitsmoment hat
Die so viel geschätzte Robustheit der herkömmlichen Asynchronmaschinen gegen Überlastung bleibt bei diesen Maschinen erhalten, da auch hier der Überlastungsstrom auf Primär- und Sekundärwicklung verteilt liegt. Züsätzlich ist die Rückwirkung auf die Primärwicklung kleiner, da sie aufgrund des Einsatzes von Permanentmagneten, kleiner ausgelegt wurde. Statt dessen wird vermutlich deren Feld kurzzeitig bei Überlastung geschwächt. Dies steigert die Robustheit der Maschine zusätzlich.

2.2 Die vollständige Anwendung des Luftspulenprinzips bei Asynchronmaschinen

Die vollständige Anwendung des Luftspulenprinzips bei AS-Motoren, indem auch hier die Spulen um eine mittlere Scheibe herumgefaltet werden, führt dann zu hocheffizienten AS-Motoren, da nun auch hier die Wicklung vollständig und optimal genutzt wird.

Dazu sei hier nur ein Beispiel anhand von Fig.17/18/19 gezeigt:

In jedem Luftspalt 4',4'' ist die primäre Drehfeldwicklung 30 angeordnet. Die Kurzschlußwicklung 29 ist um die mittlere Synchron-Läuferscheibe 6 herumgefaltet und bildet gleichfalls einen drehmomentbildenden Asynchronläufer. Eine Ausführung der mittleren Scheibe 6 für Drehstromanwendung ist in Fig.19 vorgestellt und entspricht der Funktion betreffend der Scheibe von Fig.17. Die Scheibe 6 in Fig.17 ist schmal ausgeführt, dies ist nur möglich, wenn sie aus Hysteresematerial besteht. Daneben gibt es viele andere in der 3. Patentanmeldung angegebenen Ausführungsmöglichkeiten.

2.3 Die teilweise Anwendung des Luftspulenprinzips bei Asynchronmaschinen
(mit Rückschlussverbindung)

Weitere Motoren und Generatoren ergeben sich durch eine teilweise Umsetzung des Luftspulenprinzips, bei der die Wicklung zwar um die mittlere Rückschlußscheibe gefaltet, aber mit ihr fest verbunden ist. Herkömmliche EC-Motoren, deren Wicklung auch fest mit dem Rückschluß verbunden ist, werden durch die Faltung der Spulen in ihren Motorkennwerten wesentlich verbessert.Dies ist für eine Trommel-Scheibenmaschine in (3. Patentanmeldung, Fig.31) zu sehen.

Motoren mit Schrägwicklungen der Fig.11-14 können so besonders leicht hergestellt werden, in dem sie einfach auf den Rückschlußkörper gewickelt werden.

3. Herstellung der gefalteten Spulen

Für die Herstellung der gefalteten Spulen gibt es verschiedene Verfahren. Bei einem wird die Spule sofort in die gefaltete Endform gewickelt und bei einem anderen wird die Spule in einer Ebene gewickelt und anschließend gefaltet. Für eine besonders genaue und effiziente Wicklungsart ist ein gesondertes Patent (5. Patentanmeldung) angemeldet. Im übrigen ist die Konstruktion der Maschinen so nahe am Stand der Technik, dass sich alle Konstruktionsmerkmale in der Praxis auch unter Kostengesichtspunkten bewährt haben.

Mit Ausnahme der Asynchronmotoren mit zwei Läufern sinken die Herstellungskosten der Maschinen, durch die Verwendung des Luftspulenprinzips, sogar gegenüber denen von herkömmlichen Luftspulenmaschinen, da das Material effizienter verwendet wird.

4. Patentanmeldung

Im Zusammenhang mit dem Luftspulenprinzip sind fünf Patente angemeldet. Die internationale 1.Patentanmeldung, die im wesentlichen das Luftspulenprinzip abdeckt, hat das vorläufige internationale Prüfungsverfahren bestanden.

5. Anwendungen des Luftspulenprinzips

Die Anwendung des Luftspulenprinzips bringt eine Fülle technische, wirtschaftlicher und ökologischer Verbesserungen mit sich, die alle schon heute benötigt werden und dessen Einsatz in Zukunft dringlich sein wird.

6. Neue Entwicklungen

Im Angebot 3 (bzw. Gewinnbeispiel 4) ist das Luftspulenprinzip auf Synchronmaschinen mit Drehfeldwicklung angewendet. Im Gewinnbeispiel 6 wird das Luftspulenprinzip im hohen Leistungsbereich von ca. 300 bis mindestens 2,5MW gezeigt. Die hohe Effizienzsteigerung wird in diesen Anwendungsbeispielen auch immer an Doppelscheibenmaschinen nachgewiesen.

Ich freue mich auf einen Kontakt mit Ihnen und verbleibe

Mit freundlichem Gruß

Jörg Bobzin

Autor:
Dipl.-Ing. Jörg Bobzin ist Forscher und Entwickler von hocheffizienten elektrischen Maschinen und ganzheitlicher Wissenschaft und Technik