Dipl.-Ing. Jörg Bobzin,
Kiel
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Hocheffiziente Elektrische Maschinen
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Zum Thema: Höchsteffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und höchstdynamische Antriebe nach dem Luftspulenprinzip Anhand der Hocheffizienten Elektischen Glocken-Scheibenmaschine wird das Luftspulenprinzip und deren Ausgestaltungsmöglichkeiten als DC-, EC- Motor und deren hoher Gewinn gegenüber klassischen Glockenmotoren vorgestellt. |
Bei meiner Forschung und Entwicklung im Bereich hocheffizienter elektrischer Maschinen bin zu grundlegenden neuen Erkenntnissen gekommen.
Es handelt sich dabei um ein neues Maschinenkonzept, das ich "Luftspulenprinzip" nenne, dass u.a. Luftspulenmaschinen in linearer, trommelförmiger und scheibenförmiger Ausführung beinhaltet.
Diese Luftspulenmaschinen sind hocheffizient und bringen, z.B. neben anderen Vorteilen, bei annähernd gleicher Baugröße, wie der von herkömmlichen Glockenmaschinen, bei einer reinen Schrägwicklung eine ca. 50-200%ige Leistungssteigerung und bei einer nur teilweisen Schrägwicklung eine bis zu 600%ige Leistungssteigerung und erreichen Wirkungsgrade bis zu ca. 98%.
Der Wirkungsgrad hat in Zukunft eine sehr große Bedeutung für elektrische Maschinen, da man festgestellt hat, dass mit Energiesparmaschinen, die einen hohen Wirkungsgrad haben, erhebliche Betriebskosten eingespart werden können und die Bedeutung der einmaligen Anschaffungskosten der Maschinen dabei in den Hintergrund rückt.
Luftspulenmaschinen spielen dabei eine bisher unerkannt große Rolle und sie werden sich andere neue Anwendungsbereiche erschließen und sich dabei viele Anwendungsbereiche, die bisher "Eisenmaschinen" vorbehalten waren, eröffnen. Bisherige Makel, wie Leistungsbegrenzung und unpraktische Formen, von Luftspulenmaschinen sind durch die Neuentwicklungen nicht nur überwunden, sondern sie führen in ganz neue Dimensionen.
Der gerade stattfindende Bewusstseinswandel bezüglich der Bedeutung des Wirkungsgrades und der damit verbundenen Einsparungen hat auch eine grundlegende Veränderung in der Entwicklung von Maschinen zur Folge. So spielen Herstellungskosten in Zukunft eine sehr untergeordnete Rolle. Diese Sichtweise bewirkt auch eine Umstellung in der Entwicklung und Fertigung, bei der das erreichen eines hohen Wirkungsgrades eine sehr hohe Priorität einnimmt, so dass Luftspulenmaschinen nun für viele Anwendungen in Betracht kommen. Die Weichen sind in Richtung Energiesparmaschinen neu gestellt, und in Anbetracht der drohenden Energieknappheit, der Umweltprobleme und der schnelllebigen Zeit und nicht zuletzt, um Kosten zu sparen, wird sich dieses neue Bewusstsein auch sehr schnell durchsetzen.
Scheiben und Glockenläufer kommen dem neuen Maschinenkonzept am Nächsten und deshalb liegen diese Maschinen voll im Trend, was auch an den stark gestiegenen Umsatzzahlen im Bereich der Mikromaschinen der letzten Jahre zu sehen ist. Dies hat nicht nur mit dem hohen Wirkungsgrad der Luftspulenmaschinen zu tun, sondern auch mit den anderen hervorragenden Eigenschaften der Luftspulenmaschinen, die alle durch das Luftspulenprinzip noch wesentlich verbessert werden.
Da das Luftspulenprinzip konstruktiv sehr nahe am Stand der Technik und am Maschinenkonzept von Glockenmaschinen liegt, hat den Vorteil, dass nicht viel an der Konstruktion und in der Fertigung verändert werden muss, um diesen technischen Fortschritt zu integrieren, wodurch eine schnelle Produktion aufgenommen werden kann.
Wie Sie anhand der quantitativen Betrachtung in Anlage 1 und der weiteren Konstruktionsformen in Anlage 2 ersehen können, birgt die Erfindung auch für den Anwendungsbereich von Glockenmaschinen noch ein enormes Verbesserungspotential. Dies schlägt sich nicht nur im Wirkungsgrad nieder, sondern in allen entscheidenden Motorkennwerten und auch in geringen Herstellungskosten gegenüber herkömmlichen Luftspulenmaschinen.
In Anlage 1 sind eine Reihe von Konstruktionsbeispielen und Wicklungsmöglichkeiten für Glocken- und Trommelmaschinen, die in den Fachaufsätzen nicht so ausführlich besprochen wurden und auf den Anwendungsbereich von Glockenmaschinen abgestimmt sind. Hier werden auch die hohen Gewinne für diese Konstruktionsformen deutlich.
Darüber hinaus birgt das Maschinenkonzept weitere neue konstruktive
Formen, die durch die Erfindung erst ermöglicht wurden und das bestehende
Maschinenprogramm sinnvoll ergänzen.
Diese sind in den Fachaufsätzen
I und
II beschrieben. Hier sind z.B. Mikroflachmaschinen (Doppel-Scheibenmaschinen),
Trommelläufer mit beidseitiger Achsannäherung und Doppel-Glockenmaschinen
zu nennen, die die Mikromaschinen in Leistungs- und Wirkungsgradbereiche
führen, die bisher undenkbar waren. Eine beispielhafte Maschinenübersicht
dazu finden Sie in Anlage
2.
Die internationale PCT- Patentanmeldung, die die vorläufige internationale europäische Prüfung kürzlich bestanden hat, ist in allen europäischen Ländern, sowie in den USA und in Japan angemeldet.
Im abschließenden nationalen Prüfungsverfahren werde ich weitere neue Patentansprüche hinzufügen, die sich auf die Feldverteilung und auf Wicklungen von Scheibenmaschinen beziehen.
Neben dieser Patentanmeldung kann ich Ihnen noch weitere zum 2.Patent angemeldete Erfindungen (Weiterentwicklungen) zur Lizenznahme anbieten,
die u.a. das Luftspulenprinzip nur zum Teil auf die mit Eisen hinterlegten
Spulen der EC-Motoren anwendet und deren Erfindung ihren Schwerpunkt in
der Wicklung hat. Eine vollständige Darstellung dieser Erfindungen
würde den Rahmen dieses Angebotes sprengen, jedoch sind einige Weiterentwicklungen
auch hier enthalten.
Zwei konstruktive Maschinenformen sind in Fig.3
und 4 und die dazugehörigen
Wicklungen in Anlage 1 auf Seite 6 in den Bildern
1-4 und weitere in Anlage 2 auf Blatt
2 zu sehen. Somit ist es möglich, dass das gesamte Maschinenprogramm,
von herkömmlichen DC-Motoren bis zu EC-Motoren, einen großen
Entwicklungssprung macht.
Luftspulenglockenmaschinen nach dem Luftspulenprinzip sind auch Asynchronmaschinen
weiterentwickelt und als 3. Patent angemeldet. Auch deren Darstellung würde den Rahmen dieses Angebotes
sprengen. Einige Asynchronmaschinen mit ungefalteten Trommelwicklungen
sind in der Anlage 2 auf Blatt 2 zu sehen.
Aus Gründen der Verantwortung für diese Welt, sind die von mir entwickelten Maschinen nur für friedliche Zwecke bestimmt.
Ich freue mich auf einen Kontakt mit Ihnen und verbleibe bis dahin
Mit freundlichem Gruß
Anlagen:
1. Konstruktions- und Wicklungsbeispiele für Glocken- und Trommelmaschinen
(8 Seiten)
2. Maschinenübersicht (2 Blatt)
Autor:
Dipl.-Ing. Jörg Bobzin ist Forscher und Entwickler von hocheffizienten
elektrischen Maschinen und ganzheitlicher Wissenschaft und Technik
In den Figuren 1 und 2 sind Konstruktionsbeispiele für eisenlose DC-Glockenläufer zu sehen, deren Wicklung 29 einerseits im Trommelbereich verläuft und sich andererseits der Welle 1 einseitig annähert (Scheibenbereich der Wicklung) und mit dieser verbunden ist. Diese Annäherung passiert in Fig.1 im Bereich des Kommutators 25 mit den Bürsten 26 und in Fig.2 auf der dem Kommutator gegenüberliegenden Seite der Wicklung. Der Luftspalt 4 ist in Abschnitte 4’, 4’’geteilt. Die Welle 1 ist in den Lagern 13 gelagert.
Fig.3 zeigt einen EC-Glockenmotor, bei dem sich die Wicklung 29 einseitig der Welle 1 nähert. Die magnetischen Pole 27 sind fest mit der Welle verbunden und sind rechtwinklig zum Luftspalt (4’,4’) magnetisiert. Die Wicklung 29 ist mit dem Rückschluss 22 außenseitig hinterlegt und im festen Kontakt. Das Magnetfeld wird durch Magnetfeldsensoren 17, die auf der Leiterplatte 35 angebracht sind, sensiert.
Fig.4 zeigt das Prinzip einer Maschine mit einer Wicklung 29 mit beidseitiger Annäherung an die Achse 24. Die Wicklung ist fest mit dem Rückschluss 22 innenseitig verbunden, sowie mit der Hohlachse. Die magnetischen Pole 27 sind außenseitig von der Wicklung angebracht. Eine Ausführung dieser Wicklung wird in Bild 4 gezeigt.
Die Bilder 1 bis 4 zeigen in der oberen Figur jeweils eine herkömmliche Wicklung als Abwicklung, jeweils in unterschiedlichen Wicklungsabmessungen d/C, sowie Spannungen und Drehmomente, die auf die Werte der herkömmlichen Wicklung mit gleichen Abmessungen, gleicher Windungszahl, gleichem Leiterquerschnitt, gleicher Luftspaltbreite, gleicher Luftspaltinduktion und gleicher Polzahl, normiert sind.
Die erfindungsgemäße Wicklung teilt sich jeweils in einen dargestellten Trommel- und Scheibenbereich. Außerdem ist die Wicklungsabmessung d/C einer schematischen Seitenansicht gezeigt.
Eingezeichnet sind die wirksame Leiterfläche 33, die Wicklungsabmessungen d und C, sowie der Strom I mit seiner Richtung. Bei den Wicklungsabmessungen d/c sind gängige Größen gewählt worden. Die Wicklungen in Bild 1-3 sind für die Konstruktionsformen der Fig. 1-3 geeignet. Die Wicklung in Bild 4 gehört zur Konstruktionsform in Fig.4.
In den Bildern 1 bis 4 ist zu sehen, dass im scheibenförmigen Bereich diametral eine Aussparung im wirksamen Polbereich ist, die Platz für Schleifkontakte bietet, die z.B. in Fig.1 in Blickrichtung liegen. Wenn der Platz nicht ausreichend sein sollte können die Leiter auch weniger nah an die Welle gelegt werden, so dass die Aussparung breiter wird, wodurch die Leiter allerdings etwas weniger effektiv werden. Dies wäre sicherlich zu verkraften, wie man anhand der hohen Gewinne in der Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Drehmomentzunahme bei gleichzeitiger Minderung oder geringfügiger Erhöhung der Wicklungslänge an den angegebenen Zahlenwerten erkennen kann.
Bild 1 zeigt die Abwicklung einer erfindungsgemäßen
Glockenwicklung mit den Abmessungen d/c=1,11 im Vergleich zu einer herkömmlichen
Glockenwicklung mit gleichen Abmessungen. Die Werte für Leistung
und Drehmoment steigen um 53% gegenüber der herkömmlichen Glockenwicklung.
Die Leiterlänge der Wicklung verkürzt sich sogar noch etwa um
3%. Die Wicklung ist in den Konstruktionsformen von Fig.1-3 einsetzbar.
Bild 2 zeigt die Abwicklung einer erfindungsgemäßen
Glockenwicklung mit den Abmessungen d/c=0,65 im Vergleich zu einer herkömmlichen
Glockenwicklung mit gleichen Abmessungen. Die Werte für Leistung
und Drehmoment steigen um ca. 34% gegenüber der herkömmlichen
Glockenwicklung. Die Leiterlänge der Wicklung bleibt nahezu gleich
lang. Die Wicklung ist in den Konstruktionsformen von Fig.1-3 einsetzbar.
Bild 3 zeigt die Abwicklung einer erfindungsgemäßen
Glockenwicklung mit den Abmessungen d/c=0,41 im Vergleich zu einer herkömmlichen
Glockenwicklung mit gleichen Abmessungen. Die Werte für Leistung
steigen um ca. 49% und für das Drehmoment um ca. 26% gegenüber
der herkömmlichen Glockenwicklung. Die Leiterlänge der Wicklung
verlängert sich um ca.7%. Die Wicklung ist in den Konstruktionsformen
von Fig.1-3 einsetzbar.
Bild 4 zeigt die Abwicklung einer erfindungsgemäßen
Trommelwicklung mit beidseitiger Achsannäherung im Vergleich zu einer
herkömmlichen Wicklung mit gleichen Abmessungen d/C= 1,11. Der dargestellte
Wicklungsverlauf bietet eine Leistungssteigerung von 195% und eine Drehmomentsteigerung
von 79,5%, wobei sich die Leiterlänge um 9% verlängert. Die
Wicklung ist in der Konstruktionsform von Fig.4 einsetzbar.
Eine beidseitige Wellenannäherung (Fig.4) bei diesen Maschinen bietet
noch weitaus höhere Gewinne bis zu einer Größenordung
um 700%, die bei rechtwinklig zur Bewegungsrichtung liegenden Leitern
im Trommelbereich und einer Leiterführung, wie in den Bildern 1-3
im Scheibenbereich erreicht werden. Unter Trommel-Scheibenmaschine
in den Figuren 7 und 8 sind die Scheibenwicklungsteile so einer Maschine
zu sehen.
Die Luftspaltabschnitte in den Maschinen der Figuren 1 - 4 verlaufen im
Scheibenbereich gleichmäßig, mit der gleichen Luftspaltbreite, wie im
Umfangsbereich. Dieser gleichmäßige Verlauf gilt, wenn die Maschinenfläche
im Umfangsbereich nicht voll mit Leitern belegt ist, so dass keine Überlappungen
im achsnahen Bereich entstehen, wie es z.B. bei den Wicklungen mit separaten
Spulen der Trommel-Scheibenmaschine Fig.1
und der Glocken-Scheibenmaschine Fig.3
der Fall ist.
Werden Gleichstromschrägwicklungen verwendet, deren Wickelschema in den
Bildern 1 - 4 zu sehen sind, werden die Leiter im achsnahen Bereich dicht
nebeneinander liegend in einer Zweischichtwicklung gewickelt. Bei ihrem
Verlauf Richtung Außenradius entstehen Abstände zwischen benachbarten
Leitern, die sich bis zum Umfang der Wicklung vergrößern. Werden die Leiter
im Trommelbereich schräg gewickelt, entsteht eine siebförmige Wicklung,
die den Vorteil hat, dass sie eine sehr gute Kühlung der Leiter gewährleistet.
Gegenüber einer herkömmlichen Glockenwicklung, deren Leiter im Umfangsbereich
dicht nebeneinander liegen, ist die Windungszahl im gleichen Luftspaltbereich
kleiner. Dieser dadurch bedingte Leistungsverlust kann aber durch die
effiziente Wicklungsnutzung der gefalteten Spule, mit der beschriebenen
Leistungssteigerung von ca.50-700%, in Abhängigkeit von der Wickelschemaaufteilung,
der Leiterdichte im Umfangsbereich und dem Maße der Achsannäherung, aufgefangen
werden.
Bringt eine Stirnbereichsnutzung einen Leistungsgewinn von beispielsweise
100%, kann die Windungszahl auf 50% herabgesetzt werden und man erreicht
immer noch die gleiche Leistung, wie die herkömmliche Wicklung. So kann
im Umfangsbereich zwischen benachbarten Leitern entsprechend viel Platz
gelassen werden, was viel Luft für den Stirnbereich schafft, damit dort
eine Zweischichtwicklung gewährleistet ist und zusätzlichen Überlappungen
benachbarter Leiter entstehen.
Vorteilhaft ist es, eine vierpolige Wicklung zu wählen, die im Umfangsbereich
eine Leiterbreite zwischen benachbarten Leitern Platz lässt und die Leiter
im Stirnbereich nur bis auf 50% des zur Verfügung stehenden Radius an
die Achse heran verlaufen. So ist der Umfangsbereich durch die Leiterbelegung
gut genutzt und im Stirnbereich ist eine Zweischichtwicklung gewährleistet.
Will man bei gleicher Umfangsbereichnutzung eine Wickelschemaaufteilung
von 50% des Wickelschemas für den Stirnbereich wählen, wie in den Bildern
1 - 4, bei denen der Leiter bis in Achsnähe verläuft, bekommt man ab dem
halben Radius im achsnahen Bereich Überlappungen benachbarter Leiter.
Dieser Bereich kann dann beispielsweise als Wickelkopf aus dem Magnetfeldbereich
ausgespart werden und nur der äußere halbe Radius wird dann mit Magnetpolen
belegt.
Werden Schrägwicklungen verwendet, deren Leiter dicht nebeneinander liegend
im Trommelbereich gewickelt sind, entstehen Überlappungen im Scheibenbereich,
die den Luftspalt Richtung Achse aufweiten. Um hier dann eine ausreichende
Luftspaltinduktion zu gewährleisten, ist die Höhe der Magnetpole im, sich
der Achse annähernden Luftspaltabschnitt, zu vergrößern.
Eine Gestaltungsvariante ist hier, nur den Außenradius des sich der Achse
annähernden Leiters zu nutzen und ihn mit den Magnetpolen mit der doppelten
Magnethöhe zu versehen.
Weitere Wicklungsvarianten sind unter Glocken-Scheibenmaschine
zu finden.