Zum Thema:
Hocheffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und hochstdynamische Antriebe, nach dem Luftspulenprinzip

(weiteres zu Gewinnbeispiel 6 und Informationen zum Luftspulenprinzip (homepage))


Aus dem Gewinnbeispiel 6:


3. Die Doppel-Scheibenmaschine mit Drehstromwicklung

Einführung:

Bei dieser Maschine (Bild 1a) wurde ein Maschinenaußendurchmesser von einem Meter angenommen, welcher ein vergleichbarer Durchmesser zu herkömmlichen Eisenmaschinen (Synchron- und Asynchronmaschinen) mit einer Leistung von 550-1500KW ist.


Der mittlere Wicklungsdurchmesser der Drehstromwicklung beträgt Dw= 2* 0,3136 . Der mittlere Wicklungsdurchmesser der wirksamen Leiter Dw= 2* 0,3533 liegt etwas höher, da der achsnahe Bereich der Wicklung von dem Feld ausgespart wurde.
Für die vergleichenden Berechnungen wurden für diese Drehstrommaschine die gleichen Luftspaltverhältnisse (1) und zunächst die gleiche Drehzahl (120 1/min), wie für die Ferranti-Maschine angenommen. Diese Drehzahl entspricht bei den hier ausgewählten 12 Spulen und 8 Polen einer Frequenz der Spannung von f = 8Hz.

In einem zweiten Schritt wird die Drehzahl heraufgesetzt auf 750 1/min. Dies entspricht bei 12 Spulen und 8 Polen einer Frequenz der Spannung von 50Hz und einer Umfangsgeschwindigkeit von 36m/sec.

Die Windungszahl wurde aus Platzgründen im achsnahen Bereich um 14% herabgesetzt, d.h. die Spulenbündel haben statt 70mm nur eine Breite von 60mm in Bewegungsrichtung.

3.1. Berechnung der einzelnen Spule:

nach (37) in der Berechnungsmethode [2] gilt:

3.2. Berechnung der Wicklung (12 Spulen):

14% Minderung der Windungszahl:

3.3. Berechnung der Generatorwerte (Uind , Iind , P ):

nach (7) in der Berechnungsmethode gilt:

Normiert auf den Ferranti-Generator nach (19):

nach (17) in der Berechnungsmethode gilt:

Normiert auf den Ferranti-Generator nach (21):

nach (26) in der Berechnungsmethode gilt:

Normiert auf den Ferranti-Generator nach (23):

3.4. Die Ermittlung der Windungszahl der Spulen

Zur Berechnung der Windungszahlen wird gemäß Punkt 1.4. auch hier eine Luftspaltinduktion von 0,4T angenommen.

nach (25) gilt:

Da bei der Berechnung für die Drehstromwicklung gleiche Verhältnisse für die Spule (Punkt 3.Einführung) angenommen wurden wie bei der Ferranti-Maschine (mit Ausnahme der 14% Minderung der Windungszahl) ist auch die Windungszahl mit N = 51,339 realistisch, in der sich diese 14% Minderung niederschlägt.

Folgende weitere Optimierungen bringen eine weitere Leistungssteigerung und die Verbesserung der Maschineneigenschaften.


3.5. Weitere Möglichkeiten der Leistungssteigerung sind:

3.5.1. Die Erhöhung der Induktion B:
Die Höhe der Induktion B ist mit 0,4T nicht ausgeschöpft .

3.5.2. Die Erhöhung der Drehzahl:

Für Spulenläufer gilt nach [4] aus mechanischen Gründen eine maximale Umfangsgeschwindigkeit von 200m/sec.

Der Außenradius der Drehstromwicklung ist:

r = 46 cm

Es gilt für die Bahngeschwindigkeit:

Für Spulenläufer kann die Drehzahl aus mechanischer Sicht noch um den Faktor 5,54 auf
n=4155 1/min bei gleichem Wicklungsradius erhöht werden. Dadurch würde die Spannung auf
U = 29051,33V und der Strom auf I = 318,675A und die Leistung auf P = 9,2579MW gegenüber (59), (63), (68) steigen.

Durch diese hohen Spannungs- und Stromwerte muss die Windungsisolierung aufwendiger ausgeführt werden, so dass die Windungszahl für den gleichen Bauraum niedriger liegt.

Dies mindert auch die erreichten Spannungs-, Strom- und Leistungswerte bei der hohen Drehzahl, so dass sie niedriger ausfallen werden oder aus Spannungsfestigkeitsgründen oder um den maximalen Strombelag nicht zu überschreiten, die Drehzahl niedriger angesetzt werden muss. Dies ist noch zu ermitteln.


3.5.3. Eine Änderung der Polzahl:

Der damit verbundene Anstieg des Spulenausnutzungsgrades führt zu einer Leistungssteigerung. Denn die vorgestellte Drehstromwicklung hat mitz Sp = 0,57793 (51) noch einen relativ geringen Spulenausnutzungsgrad, da die Wickelköpfe aufgrund des großen Abstandes zur Achse lang sind.


3.5.4. Den achsnahen Bereich effizienter nutzen:

In dem Gewinnbeispiel 4, Bild 5 bis Bild 7 [7] wird gezeigt, dass so die Leistung um weitere 60% und der Spulenausnutzungsgrad um weitere 43% gesteigert wird.

Allein durch diese Maßnahme erhöht sich die Leistung bei einer Drehzahl von n=750 1/min auf
P = 482,63KW gegenüber (68).


3.5.5. Eine optimale Nutzung der hochenergetischen Umfangsleiter:

Siehe dazu: Fachaufsatz 1, S.14,15 [8], Konstruktionsformen, Fig.3,4, Fig.5,6, Fig.7,8, Fig.18,19 [9], Gewinnbeispiel 2, Bild 2 u. 3


Durch ein oder mehrere dieser Maßnahmen ist die Leistung der Doppel-Scheibenmaschine mit Drehstromwicklung, mit einem Wicklungsdurchmesser von D= 92 cm, auf eine Leistung von mindestens 500kW auszulegen, ohne eine Durchmesservergrößerung in Kauf nehmen zu müssen. Die axiale Baulänge der Maschine ist zumindest in der permanenterregten Version wesentlich geringer als die von leistungsgleichen Eisenmaschinen (mehr dazu in der 6.Schlussbetrachtung)