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Fachaufsatz 2 zum Luftspulenprinzip



Das Luftspulenprinzip ist das neue Maschinenprinzip

Grundlegend neues Maschinenkonzept erfüllt alle Anforderungen
an moderne Antriebe und Generatoren


Jörg Bobzin

Für die Entwicklung und den Einsatz von elektrischen Maschinen spielten in der Vergangenheit die Anschaffungskosten, in Verbindung mit der Leistungsfähigkeit, eine uneingeschränkt dominante Rolle. Mit den neuesten Erkenntnissen, dass die Energieverbrauchskosten eines Motors an seinen Betriebskosten ca. 95% gegenüber nur wenigen Prozenten seiner Anschaffungskosten ausmachen, und sich damit hocheffiziente Maschinen nur in wenigen Monaten amortisieren [1], sind statt der Anschaffungskosten der Energieverbrauch und der Wirkungsgrad ins Rampenlicht gerückt. Dies leitet nicht nur bei den Auswahlkriterien von elektrischen Maschinen eine große Wandlung ein, sondern auch bei den Herstellungskriterien, sowie in der Forschung und Entwicklung, deren Ausmaß bis jetzt kaum erkannt und angenommen wurde. Wenn der Wirkungsgrad der Maschine die Gesamtkosten senkt und darüber hinaus eine große volkswirtschaftliche und umweltschützende Bedeutung hat, und der Anschaffungspreis der Maschinen kaum mehr eine Rolle spielt, eröffnen sich für die Forschung und Entwicklung ganz neue Möglichkeiten.
Ein neues Konstruktionskonzept, dass zunächst für Synchronmaschinen wie Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommaschinen hier vorgestellt wird, liefert die Basis für diese Entwicklungsarbeit. Die daraus hervorgehenden Maschinen erreichen nicht nur höchste Wirkungsgrade, sondern befriedigen alle Anforderungen an moderne elektrische Maschinen in einem Höchstmaß, bei zumeist geringen Herstellungskosten gegenüber herkömmlichen Luftspulenmaschinen.





Um das Ausmaß der Veränderung zu erfassen, ist es nötig eine geschichtliche Betrachtung vorzunehmen

Trend zu Eisenmaschinen

Im 19ten Jahrhundert waren die Prioritäten bei der Entwicklung von elektrischen Maschinen, wie eingangs erwähnt, anders gelegt als heute. Diese bestanden in der Notwendigkeit die elektrische Leistung von Maschinen auf einfache Weise zu verstärken und führte damit zum Einsatz von Eisen, welches zum Leiten und Vermehren von Feldlinien und zur Verkürzung des Luftspaltes genutzt wurde, was zusätzlich zu robusten und mit den damaligen Mitteln einfach herzustellenden Maschinen führte.

Damit wich man von der direkten Induktion zwischen Leiter und Magnetfeld ab und koppelte Leiter und Magnetfeld indirekt über das Eisen, wodurch man eine Relativbewegung zwischen Magnetfeld und Eisenflächen bekam, was zwar leistungsstarke (elektrische oder mechanische Abgabeleistung) und billige Maschinen hervorbrachte, worunter jedoch die Qualität der Maschine aus heutiger Sicht und nach heutigen Anforderungen litt und man eine Vielzahl von Kompromissen und Zugeständnissen, mit dem derartigen Einsatz von Eisen, machte. Um deren Vorteile nutzen zu können, wurde in den letzten 150 Jahren viel Aufwand getrieben, um die negativen Folgen dieses Einsatzes einzugrenzen und erträglich zu machen, der weitestgehend bis heute fortgeführt wurde. Als Nachteile sind z.B. die große Ankerrückwirkung und ihre vielfältigen negativen Auswirkungen, die Entstehung von Reluktanzmomenten aufgrund der Zahnung, die hohe Induktivität der Spule und ihre negativen Auswirkungen und die hohen Eisenverluste, und als aufwändige Gegenmaßnahmen z.B. die Lamellierung der Spulenkerne zu nennen.

Auch Luftspulenmaschinen wurden verwendet

Luftspulenmaschinen waren in der historischen Entwicklung meistens eher eine Randerscheinung, obwohl deren Qualitäten schon immer von einigen Entwicklern und Anwendern zunächst als Dynamomaschinen, später auch als Wechselstrommaschinen erkannt und sehr geschätzt wurden. Bis ca.1910 wurden eisenlose Scheibenluftspulenwicklungen, mit ausgeprägten Erregerpolen z.B. in Wechselstrommaschinen bis zu 1MW (Bild 1), erfolgreich eingesetzt, die den Eisenmaschinen in nichts nachstanden, sondern sogar noch einige Vorteile boten, wie ca. das halbe Gewicht und eine hohe Zuverlässigkeit.

Bild 1: Wechselstromgenerator von Ferranti (1000KW) als Spulenläufer (ca. Jahr 1890)
Scheibendurchmesser 4,50m, Scheibendicke 19mm (aktiver Bereich)

Als die Drehfeldtechnik (später Drehstrom) aufkam und damit auch die Asynchronmaschinen, die erstmals ideale Anlaufeigenschaften für Motoren lieferte und die Übertragbarkeit von Energie über große Entfernungen erstmals ermöglicht war, was eine große Euphorie in den Industrieländern auslöste, weil nun die Elektrifizierung der Welt gesichert war, verschwanden die Luftspulengeneratoren im Strudel der Zeit und überließen das Feld der Drehstromtechnik. Als Asynchronmaschinen überdauerten die Luftspulenmaschinen zunächst nur als Stromzähler (Induktionsmaschine).

Erst mit der Entwicklung von Servoantrieben gegen Ende des zweiten Weltkrieges fanden Luftspulenmaschinen, zunächst als Asynchron- und später als Synchronmaschinen, wieder ein größeres Anwendungsfeld, wobei die Eigenschaften dieser Maschinen gerade heute sehr aktuell sind. Ihr hoher Wirkungsgrad im Bereich kleiner und mittlerer Leistungen, der weit über den von Eisenmaschinen hinausgeht, hat bisher kaum Beachtung gefunden. Daneben verfügen die Luftspulenmaschinen über hohe Dynamik, gute Regelbarkeit, geringes Gewicht, kleine elektrische und magnetische Zeitkonstante, großes Leistungsgewicht und Leistungsvolumen, hohe Elektro-magnetische Verträglichkeit, geringe Störabstrahlung, geringe Drehmomentschwankungen, geringen Kommutierungsverlusten, spezielle praktische Abmessungen und eine gerade

Spannungs-/Drehzahlkennlinie, die das Verhalten der Maschine sehr gut berechenbar macht, so daß sehr genau über sensierte Motorenkennwerte auf Fehler im System geschlossen werden kann.

Makel herkömmlicher Luftspulenmaschinen

Einige Makel haben bisherige Luftspulenmaschinen jedoch. Ihre Bauform, in Scheiben und Glockenform, schränkt ihren Leistungs- und Einsatzbereich stark ein. Die Kupferverluste innerhalb jeder Spule sind sehr groß und die großen Wickelköpfe im Umfangsbereich mindern die Qualität der Maschinen sehr.

Späte Entwicklung des Luftspulenprinzips

Nachdem die Entwicklung des Luftspulenprinzips in wesentlichen Teilen abgeschlossen war, stellte sich die Frage, warum die Forschung und Entwicklung nicht vorher auf diese Maschinenart gestoßen war, da sie doch so hohe Gewinne in jeder Hinsicht liefert und auch nicht so weit von grundsätzlich bekanntem Wissen entfernt ist.

Das Ergebnis der daraufhin gemachten Untersuchung ist in einem weiteren Fachaufsatz "Erforschung des Luftspulenprinzips" [2] vorgestellt und kommt u.a. zu der Erkenntnis, dass sich aufgrund unserer Spezialisierung der Welt auch eine Spezialisierung im Denken und in der Herangehensweise an Forschung und die Fixierung auf bekannte und vor allem abstrakte Gesetzmäßigkeiten eingeschlichen hat, die uns in die heutige Sackgasse führte, so dass es heute bei der Entwicklung neuer Maschinen notwendig ist nicht ausschließlich am Stand der Wissenschaft und Technik fortzufahren, sondern zurückzukehren zur Quelle (die wesentlichen grundlegenden Erkenntnisse) und die Maschinen von da ausgehend neu zu entwickeln, mit den neuen Prioritäten, aber mit Einsatz der heutigen technischen Mittel und Möglichkeiten.

Diese Quelle ist vor allem, die von Michael Faraday gemachten Untersuchungen von 1829 bis 1852 und die von ihm anschaulich formulierten Gesetzmäßigkeiten über die Erscheinungen der Induktion [3] zwischen bewegtem Leiter und einem konstanten Magnetfeld.

Die mathematische Formulierung, aus der Vielzahl der zumeist abstrakten Darstellungsweisen des Induktionsgesetzes, die die unmittelbare Energieumsetzung zwischen mechanischer und elektrischer Energie mit Hilfe des magnetischen Feldes exakt beschreibt, ist die Rechtwinkligkeitsbedingung der Vektoren B, l, v zueinander, und die in der Induktion der Ruhe F = I (l x B) (Motorbedingung) und in der Induktion der Bewegung U = (v x B) l (Generatorbedingung) für die Relativbewegung zwischen freiem Leiter gegenüber einem ihn durchdringenden Magnetfeld, beschrieben ist.

Wenn man die Anschauung und diese Auslegung des Induktionsgesetzes als grundlegendste Gesetzmäßigkeit der Energieumwandlung versteht und die beschriebenen Erfahrungen Faraday's dieser Induktionsart [3] als Grundlage der Maschinenentwicklung nimmt, mit dem Hintergrund heutiger technischer Möglichkeiten und Materialien und unter Berücksichtigung der Anforderungen der heutigen Zeit, ist es selbstverständlich freie Leiter im Feld für die Energieumsetzung zu verwenden, für die die Rechtwinkligkeitsbedingungen in Qualität und Quantität optimal umzusetzen sind. Das Ideal für elektrische Maschinen der heutigen Zeit ist erreicht, wenn diese Bedingungen für die gesamten Spule (Wicklung) erfüllt ist.

Dieses ist mit der vorliegenden Entwicklung in einem Höchstmaß gelungen!

Das neue Konstruktionsprinzip

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen in:

  • der Verwendung einer eisenfreien Luftspaltwicklung, bzw. dass kein Eisen relativ gegenüber magnetischen Polen bewegt wird,

  • der Optimierung des Spulenausnutzungsgrades x Sp, der in dem Verhältnis, der wirksamen Länge lw gegenüber der Gesamtleiterlänge l einer Spulenwindung der Spule, besteht,
x Sp = lw / l
Der Spulenausnutzungsgrad x Sp stellt, neben der Verwendung von eisenfreien Luftspulen und der Nutzbarmachung hoher Umfangsgeschwindigkeiten, das entscheidende Kriterium als Maß zur Verbesserung der elektrischen Maschinen dar.

Bekannte Luftspulenmaschinen als Glocken- oder Scheibenläufer haben schon hohe Wirkungsgrade zwischen 80 und 90% bei kleinst, klein und mittleren Leistungen. Der Wirkungsgrad wird hier nur noch durch mechanische Verluste, wie Luftreibung, Lagerreibung, ggf. Bürstenreibung, und durch Kupferverluste, wie ohmsche Verluste, induktive Verluste, Wirbelstromverluste in der Wicklung und ggf. weitere Kommutierungsverluste gemindert.

Alle diese Verluste werden durch die Steigerung des Spulenausnutzungsgrades,
gegenüber einer herkömmlichen Wicklung gleicher geometrischer Abmessungen, durch das neue Maschinenkonzept gemindert, was insgesamt nicht nur zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades führt, sondern aller entscheidenden Maschineneigenschaften.

  • dem die Wickelköpfe oder unwirksamen Leiter der Spule in Maschinenbereiche verlegt werden, in denen sie weniger störend wirken als im hochenergetischen Umfangsbereich, so daß deren Platz von wirksamen Leitern eingenommen werden kann (d.h. Berücksichtigung des energetischen Zustandes des Ortes innerhalb einer Maschine),

mit dem Ziel kompakte, leistungsstarke Maschinen hoher Effizienz und bester Maschinenqualitäten zu entwickeln.

Dies wird durch die Faltung der eisenfreien Luftspule, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, erreicht, wobei die Spule möglichst im Luftspalt verläuft [4].

Die Erfindung betrifft zunächst nahezu alle mechanisch und elektronisch kommutierten Gleichstrommaschinen, sowie die synchronen Wechselstrom- und Drehstrommaschinen mit all ihren Ausgestaltungen und Wicklungsformen für linear und rotierende Motoren und Generatoren.

Weil eine Darstellung der Verbesserung all dieser Varianten den Rahmen dieses Aufsatzes sprengt, und um hier auf anschauliche Weise die wesentliche Spulennutzung hervorzuheben, werden in den folgenden Darstellungen der Erfindung, nur einzelne Spulen oder Wicklungslagen der Maschine schematisch gezeigt. Der vollständige Aufbau ist für verschiedene Ausgestaltungen bekannt.

Ausgewählt, aus der Vielzahl der neuentwickelten Konstruktionsformen [4][5][6], wurden für diesen Aufsatz Maschinen, in Anlehnung an die bekannten Glocken- und Scheibenmaschinen, die hauptsächlich in der Feinwerk-, Mikro- und Servotechnik als Luftspulenmaschinen schon zum Einsatz kommen.

Für die vergleichenden Berechnungen wurde für die herkömmlichen Maschinen und die erfindungsgemäßen Maschinen die gleichen geometrischen Abmessungen, wie, gleicher Durchmesser, gleiche Polweite, gleiche Luftspaltbreite, gleicher Leiterquerschnitt und auch die gleiche Luftspaltinduktion und die gleiche Windungszahl genommen. Die Werte der herkömmlichen Maschinen wurden als 100% angenommen und die erfindungsgemäßen Maschinen darauf bezogen.

 

Einige neue Konstruktionsformen des Luftspulenprinzips

Die Doppel-Glockenmaschine

Die genannten Merkmale des Konstruktionskonzeptes werden schon zu einem größeren Teil durch den Spulenaufbau der Doppel-Glockenmaschine in Bild 2 umgesetzt.


Bild 2: Doppel-Glockenmaschine

Hier ist eine Luftspule 3 um einen mittleren Hohlzylinder 2 berührungslos herumgefaltet, wobei der Luftspalt sich auf zwei Luftspaltabschnitte beidseitig des mittleren Hohlzylinders verteilt. Die wirksame Leiterlängen lw und die unwirksame Leiterlänge lu ist hier anhand einer mittleren Leiterlänge fett hervorgehoben.

Der Gewinn dieses Spulenaufbaues (Bild 3b) gegenüber dem eines herkömmlichen Glockenläufers (Bild 3a) liegt darin, dass man bei gleicher axialer Länge c, die aus Fliehkraftproblemen bei Glockenläufern nicht erhöht werden kann, mindestens die doppelte wirksame Länge lw bei nahezu gleichbleibender unwirksamer Länge lu bekommt, wobei es zudem noch, hier nicht dargestellte, Ausgestaltungen [4][5] gibt, die den ungenutzten Faltbereich 4 der Luftspule ebenfalls in nahezu optimaler Weise nutzen. Eine Vergrößerung der Polweite wirkt sich hier durch den Zuwachs an Wickelkopflängen nur halb so stark aus. Die Polfläche verdoppelt sich mindestens, allerdings ist hier der Durchmesser auch vergrößert.

 

Bild3: Spulen von Glocken-Maschinen

Der Spulenausnutzungsgrad x Sp steigt im Vergleich zu einem herkömmlichen Glockenläufer, mit einer Spule in einer der beiden Spulenlagen der Luftspaltabschnitte des Bildes 2 und gleicher Polweite, von ca. x Sp= 0,56 auf 0,7345 / 0,755 (teilweise/ volle Nutzung des Faltbereiches), also eine Steigerung um 31-35%.

Die Maschine hat von vornherein die doppelte Leistung, wenn die herkömmliche Wicklung im gleichen Radius des Rückschlusses 2 liegt, weil sich die Spulenfläche ca. verdoppelt hat. Die Verbesserung des Spulenausnutzungsgrades x Sp von angenommen 35% wirkt sich u.a. auf Spannung, Strom- und Widerstand aus. Das bedeutet, dass die gefaltete Spule nicht nur die doppelte Leistung hat, sondern zusätzlich noch mal ca.126% der Leistung der einfachen Glockenmaschine. Würde z.B. eine herkömmliche Glockenmaschine 100W haben, so hat diese erweitert zu einer Doppel-Glockenmaschine eine Leistung von 326W. Im gleichen Verhältnis steigt das Drehmoment. Hier wurden ungefähre Werte ermittelt, um die Größenordnung zu zeigen. Genaue Angaben hängen bei dieser Konstruktionsform davon ab auf welchen Radien die Luftspaltabschnitte oder der Luftspalt verläuft. In jedem Fall ist der Gewinn durch eine verbesserte Spulenausnutzung sehr groß, da sie sich auf alle Maschinenkennwerte und damit mehrfach positiv auswirkt.

Bei Glockenläufern ist der Einsatz von Schrägwicklungen (Bild 4a) aus Festigkeitsgründen der selbsttragenden Wicklung sehr verbreitet. Der Spulenausnutzungsgrad x Sp liegt allerdings hier nur bei ca. x Sp=0,259, da weniger als 50% des Leiters im wirksamen Bereich (Rautenflächen) liegt und zu dem aufgrund des schrägen Verlaufes nur ein Teil dieses Leiters wirksam ist. Die relativ guten Wirkungsgrade von 70-90% kommen hier allein durch die Anwendung von eisenfreien Luftspulen (also des Verzichtes auf Eisen in den Spulen) zustande.

Bild 4: Schrägwicklungen von Glocken-Maschinen

Im Vergleich dazu erreicht man mit der Doppel-Glockenmaschine [6] einen Spulenausnutzungsgrad von x Sp= 0,335/0,415 (teilweise/volle Faltbereichsnutzung) bei gleicher Maschinenbreite und Polweite (Bild 4b), was einer Verbesserung von 29%/59% entspricht. Hier werden die Verbesserungen deutlich sichtbar. Die wirksame Polfläche verdoppelt sich und wird durch die Polfläche im Faltbereich noch wesentlich ergänzt. Die Leiter verlaufen steiler zur Bewegungsrichtung und sind damit sehr viel wirksamer (wirksamer Anteil lw ). Zu dem verkürzt sich im Verhältnis die eingesetzte Leiterlänge l. Bei gleicher axialer Wicklungslänge c, und das ist für Glockenläufer die wichtige Größe, wird mit diesem Spulenaufbau die Leistung ca. verdreifacht (290% volle Faltbereichsnutzung/ 190% teilweise Faltbereichsnutzung) und darüber hinaus verhältnismäßig der ohmsche Widerstand und die Induktivität, so wie die Masse der Spule drastisch verringert, so daß die Wicklung, als Läuferspule eingesetzt, beste bisher unbekannte dynamische Eigenschaften erreicht. Dies gilt für die folgenden Maschinen gleichermaßen.

Die Glocken-Scheibenform

Noch eine wesentliche Verbesserung des Spulenausnutzungsgrades x Sp der Maschinen erreicht man mit der verkürzenden Wirkung der Achsannäherung der Spule auf unwirksame Leiter (Wickelköpfe). Dies kann für einen Wickelkopf geschehen, so dass die Wicklung teilweise in einem trommelförmigen und teilweise z.B. in einem scheibenförmigen Luftspaltbereich verläuft, so dass die Wicklung eine Glockenform erhält, was auch hier vielfältige Vorteile im Vergleich zum herkömmlichen Glockenläufer bietet. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Bild 5 ist der Spulenausnutzungsgrad
xSp =0,8354, gegenüber einem Spulenausnutzungsgrad von x Sp =0,694 einer herkömmlichen Trommelwicklung, gemäß Bild 3a und gleicher Geometrie, wie in Bild 5

Bild 5:Glocken-Scheibenmaschine

Das entspricht einer Verbesserung von 20%. Trotzdem der Leiter, des sich der Welle annäherndem Spulenteiles, sehr kurz ist und zu dem noch in einem Bereich geminderter Geschwindigkeit liegt, ergibt sich eine Leistungssteigerung von 36% gegenüber einer einfachen herkömmlichen Trommelwicklung gleicher Abmessungen und Maschinengeometrie. Der Gewinn steigt hier nochmals beträchtlich, bei Verwendung größerer Polweiten und/oder wenn das Verhältnis Maschinendurchmesser zur axialen Wicklungslänge d/C größer gewählt wird.

Dies gilt auch bei der Verwendung von Schrägwicklungen (Bild 6), bei denen noch wesentlich höhere Gewinne im Vergleich zu einer herkömmlichen Schrägwicklung gleicher Abmessungen erzielt
werden [6].

Bild 6: Glocken-Scheibenmaschine mit Schrägwicklung

Die hier gezeigte Wicklung, die sich aus Trommelteil und Scheibenteil zusammensetzt, hat z.B. eine Steigerung des x Sp von 49% gegenüber der gezeigten herkömmlichen Schrägwicklung, was eine Leistungssteigerung von 80% ergibt, wobei die Leiterlänge sogar gleich bleibt, sowie auch der Polflächeneinsatz (wirksame Polfläche) im Trommelteil. Bei Verwendung von Polen innerhalb der Wicklung, die im Stirnbereich ebenfalls magnetisiert sind, ist sogar die Menge des eingesetzten Polmaterials gleich groß.

Die Doppel-Scheibenmaschine

Einen sehr guten Spulenausnutzungsgrad x Sp erreicht man mit einer Achsannäherung beider Wickelköpfe. Hier gibt es vielfältige Ausführungen, die von einer Zylinderform über eine Doppel-Kegelform oder Kugelform bis zur Scheibenform reichen. Mit der Doppel-Scheibenform in Bild 7 erreicht man einen x Sp =0,89 und bei einer vollständigen Nutzung

des Faltbereiches sogar einen Wert über 0,95, was eine fast vollständige ideale Nutzung bedeutet.

Bild 7: Doppel-Scheibenmaschine

Bild 8a zeigt die teilweise Nutzung des Faltbereiches gemäß Bild 7. Vergleichsweise dazu erreicht eine herkömmliche Scheibenmaschine bei gleicher Polweite, Durchmesser und kreissegmentförmigen Spulen (Wickelkopf im Umfangsbereich) einen x Sp= 0,605 und bei schrägen und evolventen Verläufen sogar nur einen Wert unter 0,50 (Bild 8b), was sich noch drastisch verschlechtert bei größeren Polweiten.

Bild 8: Kupfernutzung bei Scheibenmaschinen

Die Steigerung des Spulenausnutzungsgrades gegenüber kreissegmentförmigen Spulen liegt bei Maschinen von Bild 7 bzw. 8a (teilweise Nutzung des Faltbereichs) bei 47,6%.

Als Generator betrieben, würde die erzeugte Spannung 2,3 mal so groß sein wie in der herkömmlichen Maschine gleicher Geometrie und der dadurch bewirkte Strom ist auch, wegen des verhältnismäßig reduzierten Spulenwiderstandes, um 37% größer, was insgesamt eine Leistungssteigerung von 237% bewirkt. Als Motor betrieben, ist die Leistungssteigerung und die Steigerung des Drehmomentes ebenfalls jeweils 237%. Die Nutzung des Faltbereiches geht hier sehr stark in die Verbesserung ein. So bekommt man ohne Nutzung des Faltbereiches (Poldurchmesser=Innenscheibendurchmesser) nur eine Leistungssteigerung von 159%. Bei einer Teilnutzung gemäß Bild 7 bekommt man eine Leistungssteigerung von 237% und bei einer vollständigen Nutzung sogar eine Steigerung von 277%. Das heißt, eine Vollnutzung des Faltbereiches bei der Maschinengeometrie von Bild 7 ergibt eine Leistungssteigerung von 118% gegenüber einer Nichtnutzung dieses Bereiches. Der große Einfluss dieser kurzen Leiter ist auf deren idealen Lage im Feld in Verbindung mit der hohen Umfangsgeschwindigkeiten zurückzuführen.

Um diese mehr als dreifache Leistung zu erreichen, muss nur doppelt so viel Magnetvolumen aufgewendet werden.

Will man durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschine statt einer Leistungssteigerung eine Durchmesserminderung bei gleichbleibender Leistung erreichen, so kann der Durchmesser bei der Maschinengeometrie von Bild 7 um 28% gemindert werden, so dass sich der in Bild 7 gestrichelt eingezeichnete Wicklungsumfang ergibt. Über den Durchmesser hinaus mindert sich ebenfalls dabei der Magnetmaterialbedarf um 8% und der Leitermaterialeinsatz sogar um 16% gegenüber der herkömmlichen Maschine gleicher Leistung. Wird der Faltbereich voll genutzt, liegen diese Werte noch höher.

Der Maschinenkonstrukteur hat also die Möglichkeit den Gewinn an Effizienz, durch die hohe Spulennutzung, an der Stelle zum Ausdruck zu bringen, wo sie gebraucht wird. So kann die Maschine z.B. bei gleicher Leistung erheblich kleiner sein oder bei gleicher Größe die mehr als dreifache Leistung haben, oder sie kann beispielsweise auf das Spannungs-, Drehmomentmaximum oder die größte Dynamik optimiert sein.

Schrägwicklungen bei Doppel-Scheibenmaschinen

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass scheibenförmige Luftspaltbereiche nun auch durch reine Schrägwicklungen sehr effektiv genutzt werden können [6]. Dies war bisher nicht möglich, weil die wirksame Fläche 5, aufgrund der Wicklungsart, in der herkömmlichen Scheibenform (Bild 9a) sich verkleinernd, in Richtung wenig energiereichem achsnahen Bereich, verzerrte, so dass der Spulenausnutzungsgrad nur x Sp=0,3503 betrug. Die Schrägwicklung in einem scheibenförmigen Luftspaltabschnitt der erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschine (Bild 9b) hingegen verläuft wesentlich steiler und die wirksamen Bereiche 5 verzerren sich sogar vergrößernd und liegen insgesamt mehr im energiereichen Umfangsbereich, wobei der unwirksame Maschinenfläche zum Kleineren verzerrt wird und mehr im energieschwachen achsnahen Bereich liegt.

Bild 9: Vergleich der Schrägwicklung bei Scheibenmaschinen

Der so erreichte Spulenausnutzungsgrad von xSp=0,6312 bedeutet eine Verbesserung von 80% gegenüber der herkömmlichen Scheibenwicklung von Bild 8a. Der Spulenausnutzungsgrad berücksichtigt noch nicht die Geschwindigkeitsverbesserung, die hier eine gravierende Rolle spielt. So ist die Spannung beispielsweise so eines erfindungsgemäßen Scheibengenerators von Bild 9b, 340% höher und der Strom 136% höher, gegenüber der herkömmlichen Maschine von Bild 9a, so dass sich nahezu die 10fache Leistung (983%) bei gleichem Außendurchmesser einstellt. Für diese Leistungssteigerung muss nur 6,5 mal so viel Magnetmaterial und 1,76 mal so viel Leitermaterial zur Verfügung gestellt werden. Wenn eine Maschine in Bild 9a eine Leistung von 10W hat, hat die erfindungsgemäße Doppel-Scheibenmaschine von Bild 9b eine Leistung von 98,3W bei gleichem Durchmesser.

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass schon herkömmliche eisenlose Luftspulenmaschinen generell sehr gute Qualitäten der Maschinen und insbesondere hohe Wirkungsgrade bis 90% liefern. Die bei ihnen noch verbliebenen Verluste werden durch das neue Maschinenkonzept der Faltung stark dezimiert, so dass sich Wirkungsgrade bis 98% einstellen.

Darüber hinaus wirken sich die eingesparten Verluste auf unterschiedlichste Weise positiv aus und können der Anwendung entsprechend zur Optimierung verwendet werden. So wird z.B. die Leistungsfähigkeit der Maschine bei gleichen Abmessungen stark heraufgesetzt und eine flexible Gestaltung der geometrischen Form, angepasst an die Erfordernisse der Anwendung, ermöglicht.

Der Anwendungsbereich dieses Maschinenkonzeptes erstreckt sich mindestens im gesamten Leistungsbereich von Mikromaschinen bis hin zu Maschinen mittlerer Leistung von ca. 200KW. Um den Leistungsbereich darüber und die genauen Grenzen des Maschinenkonzeptes auszuloten ist noch Forschungsarbeit zu leisten, und überhaupt bietet das neue Konzept noch ein großes Entwicklungspotential, was dem ganzen Maschinenbereich einen innovativen Schub geben wird.

Abwandlungen des Luftspulenprinzips

In einer konstruktiven Abwandlung, die hier nicht vorgestellt wurde, sind die Luftspulen, wie es von EC-Motoren bekannt ist, einseitig mit dem Rückschluss im festen Kontakt. Auf diese Weise wurden die Vorteile der Faltung auch dieser Maschinenart nutzbar gemacht. Außerdem haben diese Motoren gegenüber Nutenmaschinen einen sehr abgeschwächter Anteil von Eisenverlusten, wobei auch deren negative Auswirkungen, wie die Ankerrückwirkung oder der Reluktanzmomente mindestens sehr eingeschränkt sind und teilweise auch ganz verschwinden.

In einer Weiterentwicklung wurde das Maschinenkonzept als Asynchronmaschine ausgelegt [7], die u.a. auch aus zwei Läufern bestehen kann, wobei einerseits die Drehfelderregerwicklung und andererseits ein Rückschluss (ggf. mit Permanentmagneten) als ein synchroner Läufer den Luftspalt begrenzt. Die eisenfreie Luftspaltwicklung liegt als zweiter (asynchroner) Läufer im Luftspalt. Auch hier sind enorme Einsparungen, sowohl für Anwender, als auch für Strom-Kraftwerksbetreiber z.B. durch die weitgehende Aufhebung der induktiven Belastung des öffentlichen Stromnetzes durch herkömmliche Asynchronmaschinen möglich, wenn diese durch Luftspulenasynchronmaschinen ersetzt werden.

Diese Erfindungen werden zu einem späteren Zeitpunkt ausführlich vorgestellt.

Schlußbetrachtung

Das hier auszugsweise vorgestellte neue Maschinenkonzept, was international und zu mehreren Patenten angemeldet wurde [5,6,7,8,9], bietet die vollständige Umsetzung der Idealbedingungen der unmittelbaren Induktion zwischen freiem Leiter und Magnetfeld.

Diese unmittelbare Induktion ist der Wesenskern der Energieumsetzung zwischen mechanischer und elektrischer Energie. Die Erfordernisse der heutigen Zeit bringen es mit sich, dass wir zu diesen essenziellen Erkenntnissen zurück gelangen, um neue zeitgemäße Maschinen zu entwickeln.

Für die Maschinen des Luftspulenprinzips ist nicht nur aufgrund der großen Bedeutung des Wirkungsgrades, sondern auch des gesteigerten Bedarfs an Schnelligkeit und Mobilität, des batteriebetriebenen Einsatzes und der anderen ihrer hervorragenden Eigenschaften zumindest im Bereich bis 200KW, eine schnelle und breite Anwendung zu erwarten, was sowohl dem Anwender, der Volkswirtschaft und dem Erhalt unserer Lebensgrundlage zu Gute kommt.


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Bildnachweis:

Bild 1: Thompson, Sivanus P.; Dynamoelektrische Maschinen zweiter Teil, sechste Auflage 1901, Verlag Wilhelm Knapp, S. 589

Literaturhinweise:

  1. Heinze, R.; Ökologie und Ökonomie in Symbiose; etz Elektrotech. + Autom. Heft 11-12/2000,
    S. 6-8

  2. Bobzin, Jörg; Erforschung des Luftspulenprinzips, 21 Seiten

  3. Faraday, M; Experimental-Untersuchungen über Elektricität, Reihe I bis XXX insbesondere
    Reihe I,II,XXVIII,XXIX, Ostwalds Klassiker, Herausgeber: Arthur Joachim von Oettinger, Verlag Engelmann, Leipzig 1897-1903

  4. Bobzin, Jörg; Neue eisenfreie Luftspulenmaschinen mit größter Dynamik und höchsten Wirkungsgraden, 21 Seiten

  5. Internationale Patentanmeldung Nr.1

  6. Deutsche Patentanmeldung Nr.2

  7. Deutsche Patentanmeldung Nr.3

  8. Deutsche Patentanmeldung Nr.5

  9. Deutsche Patentanmeldung Nr.4



Autor:

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

 



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