Großer Gewinn durch Leiter, die sich der Maschinenachse annähern (Stirnleiternutzung)

Beispielhaft für permanentmagneterregte dreiphasige Drehfeldwicklungen einer Synchronmaschine dargestellt:

Einführung:

Bei allen Maschinen der Bilder 1-12 liegen gleiche Werte für Maschinendurchmesser, Luftspaltbreite, Drehzahl, Luftspaltinduktion, Windungszahl und Leiterquerschnitt vor.

Die angegebenen Zahlen für Strom, Spannung und Leistung sind keine absoluten Werte, sondern basieren auf eine Normierung der Maschinen der Bilder 1-12 und können aber zum relativen Vergleich der Maschinen untereinander herangezogen werden.

Die Fläche, das Volumen und der Spulenausnutzungsgrad sind dagegen absolute Werte, die sich aus der Geometrie ergeben.

1. Vergleich einer herkömmlichen Trommelwicklung mit einer Trommelscheibenwicklung mit gleichen Abmessungen in Bild 1 und 2:

Bild 1 zeigt eine herkömmliche Trommelmaschine mit Luftspaltwicklung, deren Wickelköpfe im Umfangsbereich außerhalb des Luftspaltes liegen. Diese Maschine bildet die Vergleichsmaschine, dessen Maschinenwerte als 100% angenommen werden.

Bild 2 zeigt eine Maschine nach dem Luftspulenprinzip in der Konstruktionsform der Trommel-Scheibenform. Durch die beidseitige Achsannäherung der Wickelköpfe der Maschine von Bild 2 bei gleichzeitigen Teilnutzung dieser Leiterbereiche (Pole im Bereich der Einschichtwicklung) in dem scheibenförmigen Luftspaltbereichen, ergeben sich wesentlich verbesserte Maschinenkennwerte. So beträgt die Leistungssteigerung, gegenüber der herkömmlichen Wicklung von Bild 1, 63% und die generelle Effizienzsteigerung kann an der Steigerung des Spulenausnutzungsgrades z _Sp von 30% abgelesen werden.

Spulenausnutzungsgrad einer Spule

Diese Gewinne werden durch einen Mehreinsatz von 35% Magnetmaterial erreicht.

2. Vergleich einer herkömmlichen Trommelwicklung mit einer Doppelscheibenwicklung gleicher Leistung in Bild 3 und 4:

In Bild 3 und 4 wird ein weiteres Beispiel für den Gewinn durch die Faltung gezeigt. Hier werden eine herkömmliche Trommelwicklung mit einer Doppel-Scheibenmaschine verglichen.

Bild 3 zeigt die herkömmliche Trommelmaschine, die hier die Vergleichsmaschine ist.

Bild 4 zeigt eine Doppel-Scheibenmaschine mit gleichem Außendurchmesser D, gleichem Magnetaufwand, der gleichen Leistung, mit im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gleicher Spulenausdehnung 2*l₁ , wie eine Trommelmaschine von Bild 3. Darüber hinaus hat die Doppel-Scheibenmaschine einen knapp 70% besseren Spulenausnutzungsgrad und benötigt dabei nicht einmal das halbe Maschinenvolumen oder die halbe axiale Länge.

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass eine Achsannäherung der Spulen zu einer erheblichen Leistungssteigerung und Effizienzsteigerung der Maschine führt. Diese Leistungssteigerung kann zu einer Verkleinerung der Maschine verwendet werden, wodurch die Maschine um etwa 50% kleiner wird, bei gleicher Leistung, als die herkömmliche Trommelmaschine. Das dieser Leistungsgewinn auch zu 50%igen Verkleinerung des Durchmessers der Scheibenwicklung genutzt werden kann, zeigen die [Gewinnbeispiele I und II] . Derartige Gewinne werden bei Glocken-Scheibenmaschinen im [Angebot 2] vorgestellt.

Der Wirkungsgrad macht in jedem Fall durch die verbesserte Spulenausnutzung einen großen Sprung Richtung 100%. Mit der herkömmlichen Gleichstrommaschine (30KW) mit kernloser Luftspaltwicklung, die aber eine schlechtere Spulenausnutzung hatte, wurde immerhin schon ein Wirkungsgrad von bis zu 92% erreicht [Gewinnbeispiel 1].

Besonderheit bei der erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschine von Bild 4 ist, dass der zweischichtige achsnahe Spulenbereich hier auch mit einem Feld ausgestattet ist. Dieser Aspekt wird anschließend im Zusammenhang mit Bild 7 ausführlich besprochen.

3. Die Optimierung der sich der Achse annähernden Leiter der Dreiphasen Synchron-Drehfeldmaschine wird nun anhand der Konstruktionsform der Doppel-Scheibenmaschine weiterführend vorgestellt:

Die Grundform dieser Maschine zeigt Bild 5, wobei sie nur den Bereich der einschichtigen Wicklung, wie schon aus Bild 2 bekannt, zur Drehmomenterzeugung nutzt. Sie wird im Folgenden als Vergleichsmaschine herangezogen, so dass die ermittelten Maschinenwerte dieser als 100% gelten und die weiterentwickelten Maschinen darauf bezogen werden. Aufgrund der beidseitigen Achsannäherung der Wickelköpfe hat diese Maschine schon einen beachtlichen Spulenausnutzungsgrad von z _Sp = 0,5793.

Einer Weiterbildung zeigt Bild 6, bei der auch die Wickelköpfe mit Polen belegt sind, die die doppelte Magnethöhe aufweisen, um eine entsprechende Luftspaltinduktion im vergrößerten Luftspaltbereich zu erzeugen.
Durch diese Wickelkopfnutzung steigt der Spulenausnutzungsgrad schon um 35% auf z _Sp = 0,78416 und die Leistung um 50% gegenüber der Vergleichsmaschine in Bild 5, wobei der Mehraufwand an Magnetvolumen 48% beträgt.

Wird der Polflächenbereich, wie in Bild 7, Richtung Achse noch um 8% vergrößert kann der achsnahe Leiter noch besser genutzt werden und liegt wirksamer im Feld. So erhöht sich die Steigerung des z _Sp auf 43% und die der Leistung auf 60% gegenüber der Vergleichsmaschine von Bild 5, bei 64% Mehraufwand an Magnetvolumen.

Soll das Drehmoment absolut konstant sein, wird die Spulenform aus Bild 8 gewählt, bei der im Winkelbereich von j=30° keine Drehmomentschwankungen existieren und dabei der achsnahe Polbereich so gut wie unter diesen Bedingungen möglich genutzt wird und gegenüber der Maschine in Bild 7 kaum Einbußen hingenommen werden müssen.

Soll die Maschinen- und Polfläche noch besser genutzt werden, wird die Wicklung aus Bild 5 zur Wicklung aus Bild 9 oder auch die Wicklung von Bild 7 zur Wicklung von Bild 10 verändert.

Dies verbessert die Motorwerte, durch die leicht verkürzte Gesamtleiterlänge einer Spule, nur gering. Der eigentliche positive Effekt hierbei ist die Schaffung der Freiräume zwischen den Spulen. Dieser Freiraum kann nun durch kleine aber hocheffektive Spulen aus Bild 11 aufgefüllt werden, die selbst einen Spulenausnutzungsgrad von z _Sp = 0,823324 ( 142% v. Bild 5) haben.

Die Wicklung aus Bild 10 wurde durch die Spulen aus Bild 11 ergänzt

und führt zu der Wicklung von Bild 12.

Bild 13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung der Maschine von Bild 9 (bzw. Bild 5), deren Leistung über den Winkel von 30° konstant ist. Wird die Wicklung aus Bild 9 durch die Spule aus Bild 11 ergänzt, liefert diese Spule im Winkelbereich von 14,5° das obige Leistungsdreieck zusätzlich, welches ca.11% Leistungssteigerung (Flächenanteil) bedeutet.

Bild 14 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung der Maschine von Bild 10 (bzw. Bild 7), die über den Winkel von j=30° nahezu konstant ist. Wird hier die Spule von Bild 11 ergänzt zu Bild 12 ergibt sich ein Leistungsverlauf inklusive des kleinen Leistungsdreiecks im Winkelbereich von 14,5°. Diese Leistungssteigerung über die Gesamtzeit durch die zusätzliche Spule macht ca.7 % der Leistung (Flächenanteil) von der Maschine von Bild 10 (bzw. Bild 7) aus und dies ohne Mehraufwand an Magnetmaterial.

Für den Motorbetrieb ist der Einsatz der Spule aus Bild 11 wegen der hohen Gleichlaufschwankungen nicht geeignet. Für den Generatorbetrieb ist dies jedoch anders. Soll ein gemischter Generator-/ Motorbetrieb erfolgen, könnte die ergänzte Spule aus Bild 11 für den Generatorbetrieb jeweils im niedrigen Drehzahlbereich leistungssteigernd und im hohen Drehzahlbereich umgepolt zur Feldschwächung oder besser gesagt zur Stromschwächung leistungsmindernd zugeschaltet werden.

Autor:

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