Vergleich der erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschine mit einem herkömmlichen Scheibengenerator zur Batterieladung

Es wurden verschiedene Ausführungen der Doppel-Scheibenmaschine mit einem herkömmlichen Scheibengenerator zur Batterieladung, der aus einer eisenlosen Luftspaltwicklung mit beidseitig angebrachten rotierenden magnetischen Polen besteht, rechnerisch verglichen.

Bei den Vergleichsberechnungen wurden für die Doppel-Scheibenmaschinen die gleiche Luftspaltbreite, die gleiche Luftspaltinduktion, die gleiche Leiterdicke und Windungszahl und je nach Maschine der gleiche Wicklungsdurchmesser angenommen.

Der herkömmliche Scheibengenerator qualitativ

Bild 1 zeigt einen herkömmlichen achtpoligen Scheibengenerator einer Kleinwindanlage, wobei die eine Hälfte der Scheibenfläche vier der acht magnetischen Pole zeigt und die andere Hälfte vier der acht Spulen. Der Wicklungsumfang 4 des herkömmlichen Scheibengenerators ist zum Vergleich in allen Bildern dargestellt.

Da die herkömmliche Scheibenmaschine die Vergleichsmaschine bildet, sind hier alle Werte als 100% angenommen. Die Werte der erfindungsgemäßen Maschinen sind auf diese Werte normiert. Der angegebene Spulenausnutzungsgrad xSp einer Spule entspricht:

xSp = wirksamer Leiter lw / gesamter Leiter lges einer Spule

(näheres zum Spulenausnutzungsgrad siehe Fachaufsatz 2 )

Die erfindungsgemäßen Doppelscheibenmaschinen qualitativ

Bild 2 zeigt eine erfindungsgemäße Scheibenmaschine, die ähnlich der in Fig.1 und Fig.2 in der Patentanmeldung gezeigten und auf der Internetseite als Doppel-Scheibenmaschine bezeichnet ist, wobei die mittlere Rückschlußscheibe genauso dick, wie die axiale Wicklungsdicke der Generatoren, gewählt wurde. Diese wird in der Praxis eher dünner ausgeführt.

Die Spulen 3 sind um die Rückschlußscheibe 5 herumgefaltet. Der Wicklungsumfang 4 und die Polfläche 6 entsprechen der von Bild 1.

Die wirksame Magnetfläche der Maschine von Bild 2 ist doppelt so groß (200%), wie die vom herkömmlichen Scheibengenerator, da die Wicklung in zwei Luftspalten verläuft, wobei hier nur einer dargestellt ist. Die Zahlen beziehen sich aber auf die komplette Maschine. Die Leiterlänge l nimmt, aufgrund der hohen Effizienz, nur um 49% zu. So hat die Maschine letztendlich eine Leistungssteigerung von 167,8% und kommt damit schon auf eine Leistung von 563W gegenüber einer Leistung von 200W des herkömmlichen Scheibengenerators.

Die Maschine würde so nicht gebaut werden, da aufgrund der fehlenden Pole im Umfangsbereich noch viel, ideal zur Bewegungsrichtung liegender Leiter, verloren geht. Obwohl der verlorengegangene Radius sehr klein ist und nur 1cm beträgt, bringt die Nutzung dieses Leiterbereiches einen enormen Gewinn, wie aus Bild 3 ersichtlich wird.

Bild 3 Die gezeigte erfindungsgemäße Maschine hat den gleichen Wicklungsumfang, wie der herkömmliche Scheibengenerator aus Bild 1. Hier wird der Umfangsbereich der Spulen gemäß der Fig.1 und Fig.2 in der Patentanmeldung teilweise genutzt, indem der Außendurchmesser der Pole genauso groß gewählt wurde wie der der Spulen. Auftretende

Streuverluste wurden hier nicht berücksichtigt und werden noch eine kleine Leistungsminderung verursachen.

Obwohl die gewonnene wirksame Leiterlänge sehr kurz ist (ca.1cm in jedem Luftspalt), bringt sie aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit eine noch zusätzliche Leistungssteigerung von 169% bzw. 311W gegenüber der Maschine von Bild 2, so daß diese Maschine insgesamt auf eine Leistungssteigerung gegenüber des herkömmlichen Scheibengenerators von 336,9% kommt, und der Generator eine Leistung von 874W hat. Auch die Ladespannung wird so wesentlich früher erreicht.

Bild 4 zeigt eine erfindungsgemäße Scheibenmaschine, die darauf ausgelegt ist, die gleiche Leistung des herkömmlichen Scheibengenerators zu erreichen, mit dem Ziel möglichst am Außendurchmesser und am Magnetmaterial zu sparen, wobei der achsnahe Bereich der Wicklung unverändert blieb.

Vergleichsweise wurde der Spulenumfang 4 des herkömmlichen Scheibengenerators eingezeichnet, wobei die Durchmessereinsparung hier bei 33% liegt und dies nicht der einzige Gewinn ist. Auch an Leiterlänge wird 6,4% gespart, sowie an 6,2% Polfläche. Die Werte sind insgesamt noch etwas besser, da hier die Leistung noch 6,4% erhöht liegt. Neben der wesentlichen Verkleinerung des Durchmessers ist auch hier der Wirkungsgrad der Maschine zum herkömmlichen Scheibengenerator erhöht, da der Spulenausnutzungsgrad auch hier noch um 22,6% gegenüber dem herkömmlichen Scheibengenerator erhöht liegt.

Zu den Vergleichsberechnungen

Die große Steigerung des Wirkungsgrades ist nicht im einzelnen aufgeführt, da es der meßtechnischen Ermittlung bedarf. Aber sie versteht sich von selbst, da alle Komponenten offensichtlich wesentlich besser ausgenutzt werden und damit unwirksame Leiter nahezu entfallen und ohmsche Verluste drastisch gemindert sind und Eisenverluste hier völlig entfallen.

Das relative Maß der Wirkungsgradsteigerung kann aber an der Steigerung des Spulenausnutzungs-grades xSp abgelesen werden. Die Wirkungsgradsteigerung ist somit bei einer Spulenkonfiguration von Bild 3 mit der Steigerung des Spulenausnutzungsgrades von 57,7% am größten. Eine weitere Erhöhung ist durch die verbesserte Spulenausnutzung im achsnahen Bereich möglich.

Da im herkömmlichen Scheibengenerator beidseitig der Wicklung magnetische Pole liegen und in der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Maschine nur einseitig, ist die Magnethöhe in jedem Luftspalt der angegebenen Doppel-Scheibenmaschine zu verdoppeln. Um mit einseitig angebrachten Polen auf die gleiche Luftspaltinduktion, wie mit beidseitig angebrachten Polen, zu kommen ist, nach der Dissertation [1] noch 10% der Magnethöhe auf diese zuzuschlagen. Dieser Zuschlag muß bei dem Magnetbedarf noch berücksichtigt werden.

Da die Ströme aufgrund der besseren Ausnutzung in den verschiedenen Modellen variieren, ist dies noch bei der Maschinenauslegung zu berücksichtigen, in dem größere oder kleinere Leiterquerschnitte gewählt werden.

Die Verhältnisse der Spulen und magnetischen Pole in Achsnähe sind in allen Konstruktions-ausführungen der Bilder 1-4 gleich, wobei hier weitere Verbesserungen möglich sind, die Bestandteil zwei weiterer Patentanmeldungen sind. Diese Erfindungen wurden aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Darstellungen nicht berücksichtigt, werden anschließend kurz erläutert.

Weitere Patentanmeldungen neben der Internationalen Patentanmeldung:

Die erste Patentanmeldung bezieht sich auf die bessere Leiternutzung im achsnahen und im Umfangsbereich herkömmlicher Luftspulen und auf die bessere Leiternutzung im achsnahen Bereich der Luftspulen des Luftspulenprinzips.

Die zweite Patentanmeldung bezieht sich auf eine neue Wickeltechnik, sowohl von herkömmlichen Luftspulen als auch von den neuen gefalteten Luftspulen des Luftspulenprinzips, durch die der Ein- und Ausgang der Luftspule am Außenrand der Spule ansetzen, so dass die üblichen Leiterführungen über das ganze Spulenbündel hinweg, um zwei Spulen miteinander zu verbinden, vermieden werden. Beide Erfindungen bedeuten auch einen Fortschritt für herkömmliche Luftspulen, was sich aber durch den Einsatz des Luftspulenprinzips weitestgehend erübrigt.

[1] Lindner Jürgen, "Beitrag zu elektronisch kommutierten Gleichstromscheibenmotoren mit Seltenerd-Magneten", Dissertation TU-Berlin 1981

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