Zum Thema: Höchsteffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und höchstdynamische Maschinen




7. Deutsche Patentanmeldung: DE 103 35 688

Luftspule für rotierende elektrische Maschinen
und deren Herstellungverfahren

(Erweiterte Patentanmeldung v. 26.02.03 (4. DE 102 08 564) innerhalb des Prioritätsjahres unter Berücksichtigung des Prüfungsbescheides)

Titel: Luftspule für rotierende elektrische Maschinen und deren Herstellungverfahren

Die Erfindung betrifft Luftspulen, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, deren Spulenseiten sich mindestens einseitig der Achse oder Welle nähern. Sie sind vor allem aus Maschinen mit einem Axialfeld in einem ebenen Luftspalt bekannt und sie werden als Scheibenmaschinen u.a. im Bereich der Antriebe für Diskettenlaufwerke elektronisch als kommutierte Gleichstrommotoren oder Mehrphasenmotoren und auch seit Kurzem als Generatoren z.B. für kleine Windkraftanlagen eingesetzt. Die Luftspulen verlaufen über beide Pole und haben mehrere Windungen, wobei sie auch Teile einer Wellenwicklung sein können.

Luftspulen, die für Axialfeldbereiche ausgeführt sind, haben z.B. eine Kreissegmentform, eine Kreisform, eine ovale Form oder die Form eines Abschnittes dieser Formen. Sie liegen nebeneinander oder axial verdreht, sich gegenseitig teilweise überlappend, zueinander über einen Kreisumfang verteilt, und sind so Teil einer scheibenförmigen, ein oder mehrschichtigen oder treppenförmigen Wicklung. Sie werden als geschlossene oder offene Spulen mit Einfach- oder Mehrfachwindungen verwendet. Die Spulen werden entweder aus Leiterdraht hergestellt, der über einen Wickeldorn zu einer Spule mit Mehrfachwindungen aufgewickelt wird, wobei der Draht entweder direkt auf einen separaten Wickelkörper gewickelt oder mit Draht gewickelt und anschließend vergossen oder unter Verwendung von Backdraht zu einer selbsttragenden Spule verbacken wird.

Definition Spulenseite: Eine Spulenseite ist der wirksame Leiter einer Spule, der im Polflächenbereich einer Polart verläuft, der schräge zur Bewegungsrichtung verlaufen kann, und der so eine wirksame Länge bzw. Leiterkomponente und eine unwirksame Länge bzw. Leiterkomponente enthalten kann.

Aus DE 3231966 A1 ist eine Flachspule bekannt, die segmentförmig in Spiralform oder die Teil von mehreren offenen segmentförmig verlaufenden Spulen einer meanderförmigen Wicklung, auf einer Leiterplatte verläuft. Bei diesen Spulen verlaufen die Spulenseiten zwar, den von
M. Faraday erforschten Idealbedingungen entsprechend, rechtwinklig zur Bewegungsrichtung, wobei aber die Leiter, die die Spulenseiten verbinden, außerhalb der Polflächen angebracht sind und keinen Beitrag zur Energieumwandlung bringen. Zudem verlaufen diese Leiter größtenteils außerhalb des Feldes. Daraus resultieren Effektivitätseinbußen, bezüglich der Maximierung der Drehmomente oder Spannungen, sowie der Leistung. Auch werden bei der Maschine die verkürzende Wirkung der Achsannäherung, der die Spulenseiten verbindenden Leiter, nicht voll ausgenutzt, so dass die verbindenden Leiter im achsnahen Bereich, mit ihrem großen Abstand zur Achse oder Welle relativ lang sind und damit die Kupferverluste innerhalb einer Spule groß sind.

Aus DE 3217283 C2 sind eisenlose Einzelspulen für eine scheibenförmige Gleichstrom-kollektormaschine bekannt, die kreissegmentförmig oder rund in einer Ebene ausgeführt sind, wobei ein Teil der Leiter außerhalb des Feldes angebracht sind und die Spulenseiten nicht ideal, den Idealbedingungen für die Anwendung einer Teilwinkelnutzung der Spule entsprechend, zur Bewegungsrichtung liegen. Außerdem sind die Spulen als Einzelspulen stramm gewickelt mit großem Kupferfüllfaktor, was zum Nachteil hat, dass die Spulenseiten nicht die volle radiale Länge, die die Maschinen und Polfläche zulässt, nutzen, bevor sie mit in Bewegungsrichtung verlaufenden, die Spulenseiten verbindenden Leitern, verbunden sind oder in eine andere Spulenseite übergehen, die auf einem anderen Radius liegt und unter dem entgegengesetzten Pol verläuft. Außerdem sind die Spulen so ausgeführt, dass sie in dem aktiven Winkelbereich Drehmomentschwankungen aufweisen. So wird nicht die maximale Polfläche genutzt und auch nicht das maximale Drehmoment, die maximale Spannung und Leistung erreicht und die Maschineneigenschaften sind für die meisten Anwendungen nicht geeignet.

Aus PCT WO 00/30238 sind Luftspulen bekannt, die im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gebogen oder gefaltet sind und sich dabei der Achse oder Welle ein- oder beidseitig mit dem jeweiligen Wickelkopf nähern. Dies sind zwar hochwirksame Spulen, da bei ihnen der Wickelkopf im Umfangsbereich entfällt, aber im achsnahen Bereich der Spulenwindungen ist die Effizienz noch zu verbessern. Wird die Breite der Spulenbündel in Bewegungsrichtung groß gewählt, ist keine Achsnähe zu erreichen, ähnlich wie bei der Maschine in dem zuvor beschriebenen Patent. Die Maschinenflächennutzung in Achsnähe bleibt so auch hier begrenzt.
Luftspulen, die sich einseitig der Achse oder Welle nähern, verlaufen im axialen Schnitt in einem rechtwinklig oder gebogenen oder schräg zur Achse liegenden Luftspalt oder Luftspaltbereich. Alle Betrachtungen der Luftspulen eines rechtwinklig zur Achse liegenden Luftspaltes also eines Axialfeldbereiches im ebenen Luftspalt, können auf solche schräg oder bogenförmig verlaufenden Spulen, mit ein oder beidseitiger Achsannäherung, im nicht ebenen Luftspalt übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich in jüngster Zeit die Einsatzgebiete der Luftspulenmaschinen aufgrund ihrer guten Eigenschaften, die die Anforderungen an moderne elektrische Maschinen in einem hohen Maße erfüllen, immer mehr ausweiten. Die Effizienz der eingesetzten elektrischen Maschinen wird immer wichtiger. Es werden Antriebe mit hoher Leistung, geringem Durchmesser, mit hoher Dynamik, geringem Gewicht, großem Leistungsgewicht und Leistungsvolumen, sowie hohem Wirkungsgrad verlangt. Im Bereich der Generatoren hat der Durchmesser, das Leistungsvolumen, das Anlaufverhalten und der Wirkungsgrad eine immer größere Bedeutung.

Ein Problem dieser bekannten scheibenförmigen Luftspulenmaschinen und Luftspulenmaschinen mit ein- oder beidseitiger Achsannäherung besteht allerdings darin, dass die Leistung, das Drehmoment und die Spannung nicht beliebig erhöht werden können, weil dies zu unpraktischen Maschinendurchmessern und Fliehkraftproblemen führt. Deshalb müssen andere Wege gefunden werden eine Steigerung diesbezüglich für diese Maschinen zu erreichen.

Außerdem ergaben neuere Untersuchungen, dass die Anschaffungskosten nur wenige Prozent der Betriebskosten einer elektrischen Maschine ausmachen und 70% des industriellen Stromverbrauches durch elektrische Antriebe entstehen. Dadurch hat ein hoher Wirkungsgrad der Maschinen eine große betriebswirtschaftliche, volkswirtschaftliche und umwelterhaltende Bedeutung. Die Anschaffungs- und Konstruktionskosten der Antriebe spielen in Zukunft kaum mehr eine Rolle, so dass nun auch aufwendigere Konstruktionen und Herstellungsverfahren möglich sind, wenn sie zu energiesparenden Maschinen führen. Hohe Wirkungsgrade werden erreicht durch optimale Energieumsetzung, was eine effiziente Nutzung der eingesetzten Maschinenmittel voraussetzt.

Um allen diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss die zur Verfügung stehende Maschinen- und Polfläche und das eingesetzte Leitermaterial optimal genutzt werden.
Dies geschieht bei den bekannten segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitten, die in Luftspaltbereichen oder Luftspalten verlaufen, die sich ein- oder beidseitig der Achse nähern, nur unzureichend. Oft werden sogar nur, wie bei Scheibenläufern, die im mittleren radialen Bereich liegenden Abschnitte der Kreissegmentflächen der Maschinen genutzt.
Die Spulen werden aus Leitern, die dicht nebeneinander liegen und/oder zu Bündeln aufgewickelt sind, ausgeführt. Dabei wird nicht die maximal mögliche Maschinenfläche genutzt und nicht möglichst viel Leiter innerhalb jeder Spule wirksam ins Feld maximalen Ausmaßes gelegt. Insbesondere im Umfangsbereich und/oder im achsnahen Bereich der Maschine, je nach Ausführung, wird Maschinenfläche, die mit magnetischen Polen und wirksamen Leitern gefüllt sein könnte, verschenkt. Auch in den Ecken der jeweiligen Leiterlage der kreissegmentförmigen Maschinenflächenabschnitte geht wertvolle Maschinenfläche ungenutzt verloren, sowie wertvolle, hocheffektive Leiterlänge.

Im Bereich der Luftspulenmotoren, in dem derzeit kaum drahtgewickelte Einzelspulen eingesetzt werden, besteht erhöhter Entwicklungsbedarf in anbetracht der unvergleichlich hohen Wirkungsgrade von Luftspulenmaschinen und der nötigen Energieeinsparungen für die Zukunft. Bisher geleistete Entwicklungsarbeit von 1975 bis 1990 galt vor allem Gleichstromscheibenläufermotoren für Stellantriebe und Motoren mit Einzelspulen in Mehrphasenwicklungen für den Einsatz in Diskettenlaufwerken.
Bei den Luftspulen dieser Motoren liegen bestenfalls die mittigen (Erweiterte Patentanmeldung v. 26.2.03, Fig.3, Spule 16) und schlechtestenfalls nur die äußeren Spulenseiten (Erweiterte Patentanmeldung v. 26.2.03, Fig.1, Spule 1) des Bündels der Spulenseiten auf dem Radius. Dies hat den Nachteil von hohen Kupferverlusten, da bei reinen Mehrphasenmotoranwendungen die Spulen nur im Arbeitswinkel a genutzt werden.
Bei der Entwicklung herkömmlicher Kreissegmentspulen ist man wahrscheinlich vom allgemeinen Induktionsgesetz ausgegangen und hat die Flussänderung pro Zeit durch eine Fläche optimiert, wobei die Fläche entweder die volle Kreissegmentfläche in dem die Spule liegt und/oder die Fläche, die die Spule umspannt hat und diese zur Berechnung herangezogen, was in beiden Fällen nicht zum optimalen Ergebnis führt.

Beim gängigen Verfahren zur Wicklung von Spulen, mit Hilfe eines Wickeldornes, wird der Draht um einen kantigen Wickelkörper, in der Regel für kreissegmentförmige Spulen mit dreieckigem Querschnitt, der die Spulenform vorgibt, gewickelt. Bei diesem Verfahren schleift sich die Form der Spule ab, je mehr Leiterlagen übereinanderliegen, was sich beim Zusammensetzen in eine kreisförmige Scheibenwicklung zusätzlich nachteilig in der mangelhaften Maschinenflächenausnutzung im achsnahen Bereich und im Umfangsbereich der Segmentform bemerkbar macht. Für im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen besteht das Problem in ähnlicher Weise.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit und Spulenformen zu finden, die die Maschinenfläche und die darin enthaltene maximal mögliche magnetische Polfläche, bezogen auf die Leistungs-, Spannungs-, Drehmoment, Wirkungsgradmaximierung und der Maximierung der Kupfernutzung innerhalb jeder Spule, optimal anwendungsbezogen nutzt und die beschriebenen Grenzen der Maschineneigenschaften ausweitet und die genannten Nachteile beseitigt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Leiter so gelegt oder gewickelt werden, dass sie die kreissegmentförmigen Teile der Maschinenfläche, in denen die segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitte liegen, aber von ihnen nur teilweise oder unvorteilhaft ausgenutzt werden, im Sinne der Idealbedingungen, die M. Faraday von 1821 bis 1851 erforschte, die sich aus der Faraday'schen Anschauung und seiner exakten Beschreibung ergeben und die mathematisch ausgedrückt in der Rechtwinkligkeit der Vektoren B, l,v zueinander bestehen und sich in der Maximierung der
Induktion der Ruhe (Motorbedingung)

und der Induktion der Bewegung (Generatorbedingung)

für die Relativbewegung von freien Leitern gegenüber einem sie durchdringenden Magnetfeld ausdrücken, anwendungsbezogen optimal ausgenutzt werden und damit eine sich lohnende Maximierung der Polflächen ermöglichen.

Die Faraday'schen Anschauungen werden nicht in ihrer Gesamtheit gesehen, so dass sich die daraus ergebenen Idealbedingungen nicht, unter diesem Namen mit dieser Bewertung, bekannt sind und deshalb hier als solche definiert sind, und es bis jetzt nicht Ziel war sie in ihrer Gesamtheit umzusetzen. Mathematisch gesehen ist die dargestellte Ausdrucksform des Induktionsgesetzes zwar bekannt, aber sie findet in ihrer Gesamtheit keine Beachtung in der Maschinenentwicklung, weil sich die Wissenschaft und Maschinenentwicklung auf andere Ausdrucksformen des Induktionsgesetzes, die die Funktion von Eisenmaschinen (mit Spulen mit Eisenkern) erklären und durch die sich deren Anwender vor allem auf die Maximierung der Flußänderung d pro Zeit dt innerhalb einer Spulenfläche A sowie auf die Verkürzung des Luftspaltes und einer Maschinenverstärkung durch Einsatz von Eisen konzentrieren.

Ein hilfreiches Maß, um den Grad der Umsetzung der Idealbedingungen die M. Faraday erforschte zu messen, ist der Spulenausnutzungsgrad x Sp , der hier folgendermaßen definiert wird:

x Sp = lw / l

Der Spulenausnutzungsgrades x Sp ist das Verhältnis, der wirksamen Länge lw gegenüber der Gesamtleiterlänge l einer Spulenwindung der Spule.

Er besagt, wie viel Leiter innerhalb der Spule ideal, den Idealbedingungen entsprechend, bezogen auf den Gesamtleiter der Spule, im Feld liegt.
Hinzu kommen für optimale Umsetzung der Idealbedingungen die Berücksichtigung der anwendungsbezogenen Randbedingungen, wie, welche Maschinenfläche für die Spule zur Verfügung steht und ob die Spannung (Generator) oder das Drehmoment (Motor) innerhalb eines Winkels a konstant bleiben soll.
So muss zwischen verschiedenen Anwendungen unterschieden werden.
1. Maschinen, bei denen jede Spule nur in einem begrenzten Winkelbereich a aktiv ist, in dem z.B. die Spannungs- und Stromwerte bzw. Leistungs- und Drehmomentwerte für diesen begrenzten Winkel maximiert und vor allem konstant sein sollen, wie bei Mehrphasenmotoren.
2. Maschinen, bei denen jede Spule über den vollen Winkel g des Kreissegmentes, in dem die Spule liegt, aktiv ist und bei denen es darauf ankommt, die Maschine und Polfläche in der Hinsicht des Arbeitsvermögens der Maschine optimal zu nutzen, wie z.B. bei einphasige Motoren und Generatoren.
3. Maschinen, die wechselweise mehrphasig motorisch und generatorisch arbeiten und/oder Maschinen, die wechselweise zwischen Vollwinkelnutzung und Teilwinkelnutzung umschalten. Hierzu gehören Motoren, die beim Bremsen über eine Energierückspeisung verfügen und dabei von der Teilwinkelnutzung auf Vollwinkelnutzung umschalten, wie z.B. bei einem Energiesparantrieb für Elektrofahrzeuge.


Die Lösung der Aufgabe besteht darin möglichst die Maschinenfläche und die eingesetzten Materialien den Idealbedingungen entsprechend anwendungsbezogen optimal zu nutzen.
Dies geschieht für Spulen, die nur in einem Teilwinkel a genutzt werden in unterschiedlicher Weise zu denen, die den vollen Kreissegmentwinkel g nutzen.
Die folgenden Betrachtungen der unterschiedlichen Spulen und Lösungsmöglichkeiten unterliegen der Annahme, dass das Magnetfeld, in dem die Spulen in der Maschine verlaufen, bei allen gezeigten Spulen gleich stark ist und die Spulen alle die gleiche Windungszahl, so wie den gleichen Leiterdurchmesser haben und die Relativgeschwindigkeit zwischen Leiter und Magnetfeld bei allen Spulen gleich groß ist.

Bei der ersten Anwendung soll bei der Spule innerhalb des Winkels a kein wirksamer Leiteranteil liegen. Da, während der Polübergang des magnetischen Feldes den Winkel a überstreicht, das Feld welches die Spulenseiten im Winkelbereich ß durchdringt, konstant bleibt, ist es für diese Anwendung nur wichtig, dass die Spulenseiten der Spule die mögliche volle radiale Ausdehnung im Winkelbereich ß ausschöpfen und somit die wirksame Leiterlänge innerhalb dieses Winkels ß maximal ist. Dies ist für diese Anwendung von Mehrphasenmotoren besonders effektiv, wenn dafür möglichst wenig Leiterlänge verbraucht wird.
Dies ist der Fall, wenn der Innenleiter und/oder die Innenleiterlage 40 des Spulenbündels der Spulenseiten auf dem Radius der Scheibe liegt und alle anderen dazu äußeren Leiter und/oder Leiterlagen so eng wie möglich an dem Leiter oder der Leiterlage 40 herangewickelt werden und die Spulenseiten sich auf den Winkel ß begrenzen, d.h. keine wirksamen Leiteranteile außerhalb des Winkels ß vorhanden sind (Spule 9). So verlaufen zwar die Spulenseiten im achsnahen und im Umfangsbereich außerhalb des Winkels a bogenförmig, welches aber die wirksame Länge der Spulenseiten während des aktiven Winkels a nicht ändert. Auf diese Weise werden für den aktiven Winkelbereich a des Motors konstante und maximale Werte der mechanischen Leistung, der Arbeit und des Drehmoments erreicht.
Für eine Generatornutzung oder für die Nutzung in einem Einphasenmotor, bei denen die Spule über den vollen Kreissegmentwinkel g aktiviert ist, währe diese Spule relativ leistungsschwach und würde zu hohen Drehmoment- und Spannungsschwankungen führen, da sie im Winkelbereich ß nur eine kleine und zum Winkelbereich a hin eine steil ansteigende Drehmoment- oder Spannungsbildung bewirkt.

Eine verbesserte Umsetzung der Idealbedingungen innerhalb einer Spule und damit ein erhöhter Spulenausnutzungsgrad und eine effizientere Maschinenflächennutzung über den vollen Kreissegmentwinkel g wird erreicht, indem die Spulenseiten der äußeren Windung und/oder Windungslage die reale oder radial projizierte Kreissegmentform der Maschinenfläche einer Spulenweite voll ausnutzen. So verlaufen sie entweder bis nahe der Umfangs- und der Achsgrenze im wesentlichen radial, bis sie abknicken und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder eine andere Spulenseite sind, übergehen, oder die Spulenseiten verlaufen im wesentlichen radial oder radial projiziert von einem axialen Bereich zum Umfangsbereich und darüber hinaus vorzugsweise zum zweiten axialen Bereich und sie in jedem axialen Bereich entsprechend abknicken und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder die eine andere Spulenseite sind, übergehen. Die innenliegenden Spulenwindungen oder axialen Spulenlagen, als Einzelleiter oder als Leiterbündel der Spule, werden im Bereich der Spulenseiten vorzugsweise parallel zu den äußeren Spulenseiten nach innen versetzt ausgeführt und folgen diesem, im wesentlichen radialen, Verlauf, so weit, wie die sie umgebende axiale Spulenlage dies zulässt, um dann ebenfalls in gleicher Weise abzuknicken, oder um einen sehr kleinen Radius zu verlaufen und dabei in die, die Spulenseiten verbindenden, Leiter oder direkt in eine andere Spulenseite überzugehen.

Bei einer Ausgestaltung, mit von Draht gewickelten Spulen, sind die Spulen vorzugsweise so aufgebaut, dass nicht jeder einzelne Leiter soweit wie möglich in den Kreissegmentecken verläuft, sondern ein ganzes Leitungsbündel, genau gesagt, mehrere radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzte Windungen und/oder Windungslagen. So entstehen zwischen den einzelnen Windungsbündeln oder den einzelnen Lagen solcher Leiterbündel in den Segmentecken der Spulenlage Freiräume, die auch für ein Wickelverfahren mit Wickelstiften notwendig sind, um diese Wickelpfosten oder Stifte aufzunehmen und den Wickelvorgang in dieser Weise zu ermöglichen, ohne Maschinenflächenverluste zwischen den im wesentlichen radial, verlaufenden axialen Wicklungslagen in Kauf nehmen zu müssen. Anders gesagt, wird bei gewickelten Spulen die optimale Nutzung erreicht, indem die Leiter um Pfosten, Stifte, Wickelpilze oder ähnliches gewickelt werden, die in kurzen Abständen in den Eckbereichen der jeweiligen Spulenlage stehen. Damit die Anzahl der Pfosten nicht zu groß wird und sie auch einen ausreichend stabilen Durchmesser haben müssen, ist es für dieses Wickelverfahren zu bevorzugen nur nach mehreren Wicklungslagen oder nach mehreren radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzten Windungen Pfosten in den Ecken zu platzieren, um die die Leiter gewickelt werden. Ein Wickelverfahren um Pfosten ist grundsätzlich zur Herstellung von Wellenwicklungen bekannt, und für die Wicklung von Einzelspulen in besonderer Weise weiterentwickelt. Neben der besseren Flächen-, Magnetpol- und Kupfernutzung wird hier das beschriebene Abschleifen der Spulenform vermieden, weil die Spule nur nach wenigen axialen Lagen um neue Stifte gewickelt wird, die den Verlauf der Leiter erneut ideal ausrichten.
Neben Wickelpfosten können auch Schiebe-, Zug- oder Haltevorrichtungen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Spulen eingesetzt werden, die die Wicklungslagen oder Windungen in geeignete Position bringen und/oder halten. Siehe dazu die gleichzeitig angemeldete deutsche Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32, Fig.21,22, wobei anstatt mit Wickelpfosten auch Abstandshalter (z.B. in Form eines einschaligen Rotationshyperboloid mit der Höhe des Drahtdurchmessers) zwischen den Leitern in jeder Leiterlage separat und verbleibend eingeführt werden können.

Eine Weiterbildung besteht darin, verschiedene Leiterbündel mehrerer radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzter Windungen und/oder Windungslagen individuell dem Radius entsprechend im Umfangsbereich auszurichten, damit sie jeder für sich dem idealen, radialen Verlauf nahe kommen. Dies optimiert den Wirkungsgrad für die Anwendungen über den vollen Kreissegmentwinkel g.
Eine Weiterbildung in diesem Zusammenhang, aber auch auf das Gesamtspulenbündel bezogen, besteht darin, dass das gesamte Leiterbündel der Spulenseiten oder deren einzelnen Leiterbündel jedes für sich, entweder
- mittig auf dem Radius liegen oder
- die innen liegende Leiterlage und/oder der innenliegende Leiter auf dem Radius liegt oder
- die außen liegende Leiterlage und/oder der außen liegende Leiter auf dem Radius liegt,
wobei die Regel gilt:
Je weiter der Leiter die Maschinenfläche der Kreissegmentform in Bewegungsrichtung nutzt, desto mehr ist die Maschine für eine Vollwinkelnutzung (z.B. Generatoranwendung) ausgeprägt und desto weniger für eine Teilwinkelnutzung der Spule, wie bei einer Mehrphasenmotoranwendung.

Für einige Anwendungen, insbesondere für einen Generatorbetrieb, bei den es nicht auf eine konstante Ausgangsspannung ankommt, wie für eine Batterieladung, ist es vorteilhaft die Spulen auch in ihrem Flächenzentrumsbereich mit Leitern auszufüllen, was bei allen Ausgestaltungen leicht durchgeführt werden kann.

Bei der effizientesten Form der Luftspule für Anwendungen, bei denen der volle Kreissegmentwinkel g, in dem die Spule liegt, genutzt wird, ist die, bei der jede einzelne Spulenseite auf dem Radius liegt und dabei die mögliche volle radiale Ausdehnung des Kreissegmentes nutzt. Da der Raum zur Achse immer schmaler wird und man die Fläche des Kreissegmentes mit möglichst vielen Leitern nutzen will, ist hier die idealste Form die Leiter parallel versetzt zum Radius nebeneinander zu legen. Im Umfangsbereich der Spule wird der Raum weiter und die Leiter können dem idealen radialen Verlauf einzeln oder als Spulenbündel, wie obig beschrieben in verschiedener Weise folgen.
Dem Ideal der Umsetzung der Idealbedingungen und zwar für jede Anwendungsart kommen Spulen mit beidseitiger Achsannäherung von Vornherein sehr nahe, da bei ihnen die umfangsseitigen unwirksamen Verbindungsleiter entfallen und die Spulenseiten bis zum Umfangsbereich ideal, d.h. radial oder im wesentlichen radial verlaufen können. Dadurch ist die unwirksame Länge innerhalb einer Windung sehr klein und die wirksame Länge aufgrund des Verlaufes in zwei Luftspaltabschnitten doppelt so groß bei gleichem Maschinendurchmesser, wodurch der Spulenausnutzungsgrad nahezu 1 werden kann, in Abhängigkeit von der Nutzungsweise der achsnahen Leiter und der Leiternutzung im umfangsseitigen Faltbereich der Spule.
Die Nutzung des achsnahen Bereiches dieser Spulen wird durch diese Erfindung mit ihren Ausgestaltungsformen optimiert.

Die erfindungsgemäßen drahtgewickelten Ausgestaltungen entfalten ihren Gewinn in der Anwendung einer weiteren gleichzeitig angemeldeten Erfindung, einer speziellen Spulenwicklung. Denn bei den herkömmlichen Luftspulen besteht das Problem, dass der Anfang des Leiters innerhalb der Spule liegt und das Ende an ihrem Außenumfang der Spule. Hier ist es notwendig das innenliegende Leiterende über das ganze Spulenbündel hinweg z.B. zum axial sitzenden Kommutator zu leiten. Dies wird bisher über den axialen Wickelkopf gemacht, der dann von dem Luftspalt ausgenommen wird, weil sonst der gesamte Luftspalt um die Leiterdicke erweitert werden müsste, was jedoch in beiden Fällen Verluste verursacht. Dieses Problem hat man auch bei den hier vorgestellten, quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten, erfundenen Spulen, wenn man die Spuleninnenfläche ohne Luftspalterweiterung nutzen will. Bei gefalteten Spulen besteht dieses Problem zumeist nicht, weil diese Leiterführung in den meisten Ausführungen im Faltbereich stattfinden kann. Durch die gleichzeitig mit dieser eingereichten deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 wird dieses Problem auf elegante Weise auch für die ungefalteten Spulen gelöst, indem jeder Spule aus gegensinnig gewickelten Spulen, die deckungsgleich zusammengesetzt und die Leiteranfänge innerhalb der beiden Spulenteile miteinander verbunden werden, und so Stromein- und Stromausgang am Umfang der Spule zugänglich sind.

Ein Verfahren der Wicklung der quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten Spulen mit Leiterdraht wird mit einem speziellen Wickeldorn vorgenommen, der einerseits die Spule in axialer Richtung des Wickeldornes beidseitig begrenzt und andererseits in dieser Begrenzung Löcher aufweist, in die die Wickelpfosten oder Wickelstifte während des Wickelvorganges eingesetzt werden oder von außen durchgeschoben werden, wobei die Löcher vorteilhafterweise in beiden axial gegenüberliegenden Spulenbegrenzungen des Dornes ausgeführt sind, so dass die Stifte durch die deckungsgleichen Löcher beider Begrenzungen geschoben werden können. So sind im Falle der kreissegmentförmigen Spulen, am Anfang des Wickelvorganges drei Pfosten im Zentrum der Spule fest eingebaut oder ein Körper mit dreieckförmiger Schnittfläche ist zwischen den Begrenzungen vorhanden. Während des Wickelvorganges werden die Pfosten lagenweise vom Innenbereich der Spule zum Außenbereich axial eingesetzt oder eingeschoben. Soll die Spule freitragend sein, wird sie durch Erhitzen anschließend verfestigt (verbacken) oder sie wird vergossen.
Der gleiche Wickelvorgang wird, in einer Ausgestaltung dieses Herstellungsverfahrens, auf einem separaten Wickelkörper, auf dem Dorn sitzend, vorgenommen, der die gleichen Löcher aufweist für die Stifte, wie die axialen Spulenbegrenzungen des Dornes, wobei die Stifte in diesem Fall nach der Wicklung vorzugsweise in der Wicklung bleiben. Um die fertige Spule oder die Spule samt Wickelkörper zu entnehmen, ist die eine axiale Spulenbegrenzung des Dornes abnehmbar.
Der Wickelvorgang für eine Spule, die nur einen umfangsseitigen Abschnitt der Kreissegmentform belegt, wird im Unterschied zur kreissegmentförmigen Spule mit 4 Stiften pro Spulenbündellage vorgenommen. Auch mehr Stifte pro Lage sind in einer anderen Ausgestaltung ausgeführt, um beispielsweise den umfangsseitigen Kreisbogen zu gestalten.
Die gleichen Wicklungsverfahren können angewendet werden für die quer zur Bewegungsrichtung gefalteten Spulen mit z.B. beidseitiger Achsannäherung, in dem die Spulen aufgeklappt in einer Ebene auf einem rautenförmigen Wickelgrundkörper gewickelt und anschließend in die Endform gefaltet und gepresst werden.

Die drahtgewickelten Spulen bieten durch die Löcher, wo beim Wickelvorgang die Stifte platziert waren, die Möglichkeit der effektiven Kühlung, in dem durch die Löcher Kühlmittel während des Betriebes geleitet wird, so dass größere Stromdichten erreicht werden können.
Einige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung und eine Herstellungsvorrichtung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben.





Figuren


Sie zeigen in
Fig.1 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte erfindungsgemäße kreissegmentförmige Spulen, mit ihren Polflächen, auf einer kreisförmigen Maschinenfläche angeordnet; und in
Fig.2 einen axialen Querschnitt durch einen Wickelkörper eines Wickeldornes, mit fertig gewickelter kreissegmentförmiger Spule, und in
Fig.3 vergleichsweise eine herkömmliche Spule 16 mit erfindungsgemäßen Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel g der kreisförmigen Maschinenfläche belegen, und in
Fig.4 vergleichsweise zu der herkömmlichen Spule 16 von Fig.3 weitere erfindungsgemäße Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel g der kreisförmigen Maschinenfläche belegen, und in
Fig.5 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte erfindungsgemäße Spulenabschnitte von gebogenen und/oder gefalteten Spulen, die sich der Achse nähern, und in
Fig.6 und 7 zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine, die die Vergleichsmaschine zu den erfindungsgemäßen Luftspulen innerhalb der in Fig.8 bis 15 gezeigten Maschinen ist, wobei die Fig.6 einen Querschnitt durch Fig.7 und Fig.7 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig.6 darstellen, und in
Fig.8 und 9 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die Fig.8 einen Querschnitt durch Fig.9 und Fig.9 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig.8 darstellen, und in
Fig.10 und 11 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die Fig.10 einen Querschnitt durch Fig.11 und Fig.11 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.10 darstellen, und in
Fig.12 und 13 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die Fig.12 in Fig.6 und 7, einen Querschnitt durch Fig.13 und Fig.13 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.12 darstellen, und in
Fig.14 und 15 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die Fig.14 einen Querschnitt durch Fig.15 und Fig.15 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig.14 darstellen.


Fig.1: Zeigt verschiedene kreissegmentförmige Spulen für Axialfeldbereiche und eine Nutzung über den vollen Segmentwinkelbereich g, die kreisförmig als Teil einer Scheibenwicklung angeordnet sind. Zum Vergleich der Flächennutzung sind herkömmlich gewickelte Spulen 1 auf der linken Kreishälfte und deren Polfläche 13 zusammen mit der erfundenen gewickelten Spule 3 und deren Polfläche 10 auf der rechten Kreisfläche angeordnet. Bei den herkömmlichen Spulen sind die großen ungenutzten Bereiche 7, 8 der Polfläche gut sichtbar, wobei die Leiter in diesen Bereichen bogenförmig oder in Bewegungsrichtung verlaufen und damit, selbst, wenn die Pole diese gesamte Spulenfläche abdecken, eine geringe Wirksamkeit aufweisen. Denn ihre maximal wirksame Länge im achsnahen Bereich ist begrenzt und wird nur in einem Punkt der Maschinendrehung (entlang des Radius R1)wirksam und im Umfangsbereich nur im Bereich der in Bewegungsrichtung verlaufenden geraden Leiter (Winkel a). Hingegen bei den erfindungsgemäßen Spulen 3, verlaufen die Leiter in den Ecken der Kreissegmentform im wesentlichen weiter gerade und sind damit hochwirksam, wobei die Kreissegmente der Maschinenfläche in den Ecken voll genutzt werden, so wie auch die maximal möglichen Polflächen bis hin in den achsnächsten Bereich.
Weiterhin ist eine Wirksamkeitsberechnung (z.B. Spannungserzeugung im Generatorbetrieb) für die Spulenseiten des äußeren Spulenbündels eingezeichnet. Der Gewinn an wirksamer Leiterlänge ist im achsnahen Bereich zwar größer als im Umfangsbereich, dafür sind die Umfangsgeschwindigkeiten dort größer, so dass hier auch nur kurze Gewinne von wirksamen Leiterlängen eine wesentliche Steigerung der Effizienz der Maschine zur Folge haben.
So liefert beispielsweise beim äußeren Spulenbündel 31 der Spule 3 der herkömmlich genutzte Polbereich 13 (bzw. Maschinenflächenbereich) 58,3% der Spannung, wohin gegen der erfindungsgemäße Spulenaufbau zur Folge hat, dass im relativ langen Leitergewinn des achsnahen Bereiches 19,76% und im relativ kurzen Leitergewinn des Umfangsbereiches 21,94% der Gesamtspannung dieses Spulenstranges erzeugt werden, und dies über die volle Polweite. Dies entspricht vergleichsweise einem Spannungsgewinn von 70% gegenüber dem entsprechenden äußeren Spulenbündel der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13. Der Spulenausnutzungsgrad der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13 beträgt x Sp= 0,42 und bei Verwendung der Polfläche 14 aus Fig.4 x Sp= 0,59. Der Spulenausnutzungsgrad steigert sich erheblich durch die Verwendung der Spule 3 mit der Polfläche 10 zu x Sp= 0,74. Hinzu kommt, dass wesentlich mehr Maschinenfläche und Polfläche auf effizientere Weise genutzt wird. Werden die Spulen 1 und 3 spulenbündelweise verglichen, ergibt dies, dass das äußere Spulenbündel, welches bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) bis zum achsnahen Bereich reicht und welches bei der Spule 1 einen weiten Bogen außerhalb der Polflächen vollzieht, bei der Spule 3 eine 2,31 mal so große Leistung ergibt wie bei der Spule 1. Das zweite Spulenbündel, welches als nächstes daran anschließend innen liegt, erreicht bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) noch eine 1,78-fache Leistung gegenüber dem gleichen Spulenbündel der Spule 1.
Das dritte Spulenbündel (33 bei Spule 3), welches dann als nächstes daran anschließend innen liegt, ist bei beiden Spulen 1 und 3 gleich, so dass es bei beiden eine gleich große Leistung erbringt.
Insgesamt hat die Spule 3 eine ca. 1,65-fach größere Leistung als Spule 1, wobei 1,9 mal so viel Polfläche bei gleicher Maschinenfläche belegt wird und 1,57 mal so viel Leiter innerhalb der gleichen Maschinenfläche genutzt wird. Bei der Spule 4, die ein viertes Spulenbündel im Zentrum nutzt, steigt die Leistungsamplitude noch einmal um 21,4% gegenüber der von Spule 1 in diesem Spulenweitenbereich, so dass sich bei Spule 4 eine 1,84-fache Leistungsamplitude einstellt, ohne dass zusätzliche Polfläche verwendet werden muss.
Außerdem wird in Fig.1 eine Ausgestaltung der Erfindung mit der Spule 11 gezeigt. Die Verbesserungen treffen hier in abgeschwächter Form zu.
Einfachheitshalber sind die Lagen der Spulen 3 und 11 hier, sowie auch in den anderen Figuren, nicht spiralförmig gezeichnet, sondern konzentrisch.


Fig.2: Zeigt einen Querschnitt durch die Spulenhalterung eines Wickeldornes 16, zwischen einer fertig gewickelten Spule 3 und Halterungsrahmen, der als axiale Spulenbegrenzung wirkt und abnehmbar ausgeführt ist (hier nicht sichtbar), wobei der Betrachter in axialer Richtung des Wickeldornes blickt. Hier sind die Stifte 17 der Wickelvorrichtung gut sichtbar, um die die Spulen mit jeweils mehreren axialen Lagen gewickelt sind, wobei der andere Halterungsrahmen 19 sichtbar ist.




Fig. 3

Fig.3: zeigt Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel g belegen. Neben der herkömmlichen Spule 16 mit der Polfläche A, die in Motoren von Diskettenlaufwerken eingesetzt wird, sind erfindungsgemäße Spulen zu sehen. Es sind weitere Polflächen B, C hier schraffiert hervorgehoben zu sehen, die für die erfindungsgemäßen Spulen in Fig.3 und Fig.4 gelten.
Die Spule 9 ist eine Spule, die nur im Winkelbereich a genutzt wird, was bei Mehrphasenmotoren der Fall ist, da so ein konstantes Drehmoment gewährleistet ist. Die Spule ist für diese Anwendung optimiert (ähnlich, wie die Spule 43 in Fig.4) in dem die Innenleiter und/oder Innenleiterlage der Spulenseiten auf dem Radius liegt und die anderen Spulenseiten dazu außen parallel versetzt eng anliegen. Eine weitere Besonderheit der Spule 9 ist die Nutzung des achsnahen Bereichs im Rahmen der Motoranwendung. Da im Winkelbereich a das Drehmoment konstant sein soll, dürfen hier keine wirksamen Leiteranteile liegen, so dass die Spulenseiten, die parallel versetzt zum Außenleiter, der sich an den Radius anlehnt, beim Erreichen des Winkelbereiches g abknicken und in Verbindungsleiter übergehen. Auf diese Weise wird der achsnahe Bereich optimal im Rahmen der Anwendung in einer Mehrphasenmaschine genutzt.
Die Spule 6 und die Spule 28 nutzen den achsnahen Raum in gleicher Weise. Sie nutzen jedoch den Umfangsbereich unterschiedlich. So sind in der Spule 6 drei Wickelpfosten in dem Spulenbündel zumindest bei der Wicklung eingefügt, wodurch erreicht wird, dass die äußeren Windungen und/oder Windungslagen über einen größeren Winkelbereich, als den des Winkels a, ihre volle wirksame Leiterlänge beitragen. Dadurch sinkt zwar die Leistung im Winkelbereich a der Spule, jedoch steigt die Gesamtleistung der Spule. Diese Spule 6 ist für eine Mischanwendung z.B. eine Motoranwendung im Winkelbereich a und eine Generatoranwendung über den vollen Winkel g geeignet. Die Spule 28 ist auch für solche Mischanwendungen und schwerpunktmäßig für eine Generatoranwendung mit begrenzter maximaler Ausgangsspannung konzipiert. Das Leistungsvermögen über den vollen Winkel g dieser Spule 28 ist gegenüber der von Spule 6 noch erhöht, da die Spulenseiten die volle Segmentwinkelbreite mit ihrer vollen wirksamen Leiterlänge nutzen. Der Dachwert der Leistung im Winkelbereich a ist jedoch kleiner als der von Spule 6.
Spule 27 ist mit der Spule 28 vergleichbar, die jedoch gegenüber dieser, nur einen äußeren Abschnitt des Kreissegments der Maschine nutzt. Auch hier ist die Gesamtleistung der Spule über den vollen Winkel g vergleichsweise zu Spule 16 und auch zur Spule 12 hoch.
Spule 12 entspricht der Spule 6, nur dass, wie in Spule 27 und Spule 12 nur ein äußerer Teil der Maschinenfläche genutzt wird. Die in Spule 12 und Spule 27 eingefügten Wickelpfosten im achsnahen Bereich bewirken, dass die äußeren Leiter und/oder Leiterlagen der Spulenseiten in einem größeren Winkelbereich aktiv Nutzen bringen.



Fig. 4

Fig.4 zeigt mit der Spule 43 eine für die Mehrphasenanwendung bzw. für die Teilwinkelnutzung innerhalb des Winkels a konzipierte Spule. Im Unterschied zur vergleichbaren Spule 9 in Fig.3, wird hier der achsnahe Maschinenbereich nicht genutzt. Gegenüber der herkömmlichen Spule 16 ist diese Spule 43 wesentlich leistungsstärker, da für den gleichen Nutzwinkelbereich a die gleiche wirksame Länge bei jedoch wesentlich verkürzter Windungslänge erreicht wird.
Mit den Spulen 30,25,26 sind Spulen für Mischanwendungen mit Nutzung des axialen Bereichs gezeigt.
Die Besonderheit der Spule 30 ist die, dass die mittlere Windung des gesamten Spulenseitenbündels, in ihrem umfangsseitigen Teil, auf dem Radius liegt und die anderen Spulenseiten dazu parallel versetzt. Die Spulenseiten nutzen die maximale radiale Ausdehnung. Im Umfangsbereich wurde dies durch Aufteilung in drei Spulenbündel erreicht, die z.B. um unterschiedliche Wickelpfosten gewickelt wurden. Der achsnahe Bereich entspricht der, von Spule 9. Aufgrund der breitwinkligen umfangsseitigen Spulennutzung ist der Nutzungsbereich außerhalb des Winkels a gestärkt, was bei einem generatorischen Betrieb über den vollen Kreissegmentwinkel g eine höhere Leistung ergibt als bei der Spule 6.
Die Besonderheit der Spule 25 liegt in der umfangsseitigen Aufteilung der Spulenseiten in die Spulenbündel 37,38,39, ähnlich, wie bei der Spule 30. Im Unterschied dazu verlaufen die Spulenseiten der Bündel entlang verschiedenen Radien, wobei der innere Leiter und/oder die innere Leiterlage eines jeden Spulebündels innenseitig an den Radius anliegt. Auf diese Weise ist der Verlauf jedes Spulenbündels den Idealbedingungen bei einer Nutzung des vollen Segmentwinkels g sehr nahe. Das gleiche gilt auch für die Lage der Spulenbündel im Außenbereich der Spulen 26 und 29, wobei in Spule 26 die vergleichbaren Spulenbündel 37,38,39 mit ihrer mittleren Windung auf dem Radius liegt und bei der Spule 29 jedes Spulenbündel mit der äußeren Windung sich an den Radius anlehnt. Wie zu sehen ist steigt die Flächennutzung des Kreissegments im Umfangsbereich mit der Spule 25 beginnend, über die Spule 26 hin zur Spule 29. Je größer diese Flächennutzung bei der Spule in Bewegungsrichtung ist, desto mehr ist sie schwerpunktmäßig auf den Betrieb über den vollen Segmentwinkel g ausgelegt und desto geringer ist die Motorleistung bei einer Nutzung nur über den Winkel a. Die Spule 29 ist ebenfalls im achsnahen Bereich für diesen Betrieb ausgelegt und deshalb für eine Generatoranwendung wie z.B. zur Batterieladung prädestiniert.
Die Spule 5 zeigt im Umfangsbereich die gleich Nutzung, wie die Spule 25 und im achsnahen Bereich die gleiche, wie die der Spule 43. Somit ist auch die Spule 5 für eine Mischanwendung geeignet.



Fig. 5


Fig.5: zeigt in ähnlicher Weise wie Fig.1 einen Vergleich von Spulenbereichen, die sich der Achse nähern, zwischen herkömmlich gefalteten Spulen 23 und der erfindungsgemäßen Spule 21. Hier ist der Gewinn im achsnahen Bereich der Spulenwindungen und in der Maschinenflächennutzung zu sehen. Zum Beispiel liefert das äußere Spulenbündel des dargestellten Spulenabschnittes der Spule 21 im gewonnenen axialen Bereich ca. 20% seiner Leistung und das entspricht einem Spannungszuwachs von ca. 25% gegenüber dem gleichen Spulenbündel der Spule 23 mit der Polform 14. Der Spulenausnutzungsgrad des dargestellten Spulenabschnittes der Spule 23 mit der Polfläche 14 liegt bei x Sp= 0,82 und bei der Spule 21 bei x Sp= 0,98.
Die Spule 22 zeigt im achsnahen Bereich die gleiche Nutung wie die Spule 21 und im Umfangsbereich eine Nutung ähnlich der von Spule 29 in Fig.4, die auf im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen angewendet wurde.
Außerdem wird der Spulenabschnitt der Spule 20 gezeigt, für den die Vorteile der Spule 21 in abgeschwächter Form gelten.

In den Figuren 6 bis 15 ist die erfindungsgemäße achsnahe Nutzung der Spulen auf Einzelspulen einer Drehstromwicklung einer Doppel-Scheibenmaschine (Scheibenmaschine mit beidseitiger Achsannäherung) der Patentanmeldung PCT WO 00/30238 angewendet.


Fig.6 und 7 zeigen Schnittansichten einer Doppel-Scheibenmaschine mit einer Dreiphasenwicklung bestehend aus Einzelluftspulen. Wie bei herkömmlichen Scheibenmaschinen ist die Achsannäherung auch hier begrenzt und die Verbindungsleiter verlaufen als Wickelköpfe außerhalb des Magnetfeldes. Die Spule 36 hat an sich schon einen sehr hohen Spulenausnutzungsgrad von
x
Sp=0,5793. Eine vergleichbare Spule einer herkömmlichen Scheibenwicklung mit einem Wickelkopf im Umfangsbereich hat dagegen nur einen Spulenausnutzungsgrad von x Sp=0,34314. In Fig.7 ist eine Polfläche 35 schraffiert hervorgehoben.



Fig.8 und 9 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der Maschine von Fig. 6 und 7, in der der achsnahe Bereich durch die Spulen 39 und eine vergrößerte Polfläche 35 genutzt wird. Innerhalb des Winkels a sind die Maschinenwerte dieser Spule konstant. In Fig.8 ist ersichtlich, dass auch der achsnahe Bereich mit Magnetpolen belegt ist, die die doppelte Polhöhe haben, um den erweiterten Luftspalt der sich überlappenden Spulen auch mit einem starken Feld auszustatten. Die Magnetpolfläche steigt dadurch um 32% und das Magnetvolumen um 64% gegenüber der der Maschine in Fig. 6 und 7, wobei aber ein Leistungsgewinn von 60% bei einer Steigerung des Spulenausnutzungsgrades von 43% zu verzeichnen ist.


Fig.10 und 11 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der Fig.8 und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 40 genutzt wird. Die Besonderheit hier gegenüber der Spule 39 liegt darin innerhalb eines Winkels von a=30° keine wirksamen Leiteranteile zu haben, damit die Maschinenwerte innerhalb dieses Winkels konstant sind. Dies wird durch die in Fig.3 zur Spule 9 beschriebenen Technik erreicht. Dadurch mindert sich der Spulenausnutzungsgrad gegenüber der Spule 39 geringfügig.


Fig.12 und 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante der Fig.8 und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 41 ähnlich, wie durch die Spule 39 in Fig. 9, genutzt wird. Darüber hinaus wird auch der Umfangsbereich optimiert auf einen Nutzungswinkel von a=30° effizienter genutzt, in dem der innere Leiter und/oder die innere Leiterlage der Spule 41 an den Radius angelehnt ist. Durch diese Veränderung passiert ein weiterer positiver Effekt gegenüber der Spule 39 oder der Spule 40, der darin besteht, dass Freiräume zwischen den Spulen geschaffen werden.
Diese Freiräume werden wie in Fig.14 und 15 gezeigt durch eine kleine Spule 42 genutzt.
Diese Spule selbst hat einen Spulenausnutzungsgrad von x Sp=0,77 und bringt in ihrem Winkelbereich eine erhebliche Leistungssteigerung, wenn sie mit der Hauptspule 41 sich ergänzend zusammengeschaltet wird. Die Spule 42 kann aber auch zur Leistungsminderung der Leistung der Spule 41 eingesetzt werden, wenn die hohe Leistung der Spule 41 von der Leistungselektronik nicht nutzbringend eingespeist werden kann oder deren hohen Werte eine Zerstörung verursachen kann, sondern durch eine aufwendige äußere Zuführung eines entgegengesetzten Stromes gedrosselt wird, was den Wirkungsgrad der Maschine erheblich mindert. Das würde bei dem Einsatz der Spule 42 als Leistungsminderer nicht der Fall sein.

Des weiteren können alle Varianten der Umfangsbereichsnutung und der Nutzung des achsnahen Bereichs kombiniert werden.



Zusammenfassung

Bei der Erfindung handelt es sich einerseits um verschiedene Arten der Gestaltung von Luftspulen, die innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen vollkommen vom magnetischen Feld durchdrungen werden, wobei die Luftspulen sich mindestens einseitig der Maschinenachse oder -welle annähern und andererseits um deren Herstellungsverfahren.
Diese Gestaltung führt zu hocheffizienten elektrischen Maschinen mit höchster Materialausnutzung, höchstem Wirkungsgrad und höchstem Drehmoment bei Motoren und höchsten Spannungen bei Generatoren, sowie zu höchster elektrischer oder mechanischer Leistung.
Die Erfindung basiert auf die von Faraday erforschten Idealbedingungen für die direkte Energieumsetzung zwischen magnetischem Feld und elektrischem Leiter, wobei die Idealbedingungen in den Spulen, für verschiedenen Betrieb der Spulen in Abhängigkeit von der Anwendung jeweils in einem Höchstmaß umgesetzt sind. Bei dem unterschiedlichen anwendungsbezogenen Betrieb handelt es sich darum, ob die Spule über ihre volle Spulenweite aktiv ist oder nur innerhalb eines Winkels davon.
Das Wesen der Erfindung ist die volle Nutzung der Maschinen- und/oder Polfläche in radialer Richtung insbesondere im Umfangsbereich und im achsnahen Bereich und die anwendungsbezogene optimale Nutzung der Maschinen- und Polfläche in Bewegungsrichtung mit Leitern hoher Wirksamkeit.

Figur zur Zusammenfassung: Fig.4



Neue Patentansprüche vom 26.02.03

1. Luftspule (3) innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, die als Einzelspule aus Draht gewickelt ist und deren Spulenseiten im Luftspalt sich mindestens einseitig der Achse oder Welle nähern und bei diesen elektrischen Maschinen sich vorzugsweise magnetische Pole alternierend im gleichen Abstand um eine Achse (24) oder Welle (1) gruppieren, die rechtwinklig zum Luftspalt vorzugsweise axial magnetisiert sind und die axial den Luftspulen gegenüberliegen, die ebenfalls konzentrisch in etwa im gleichen Abstand zur Achse angebracht sind, wie die magnetischen Pole (10 oder 13 oder 14), und axial gesehen die magnetischen Pole in radialer Richtung die gleiche Fläche abdecken, wie die Luftspulen, die vom Magnetfeld der Pole durchdrungen werden, und die magnetischen Pole relativ zu den Spulen (3) rotieren, und jede Luftspule bei maximaler Energieumsetzung gleichzeitig im Wirkungsbereich beider, mindestens einseitig von der Spule angebrachter, entgegengesetzter magnetischer Pole verläuft, sie als ganze Spule oder Spulenteil in Kreissegmentform, Dreiecksform oder eines Abschnittes davon, als Einzelspule ausgeführt ist, wobei die Spulenseiten im sich der Achse oder Welle annähernden Bereich, im wesentlichen radial oder radial projiziert verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftspule (3) so ausgeführt ist, dass die äußeren Spulenseiten jeder Spule, mindestens als Einzelleiter, an ihren beiden Enden, ihren, im wesentlichen radialen oder radial projizierten, Verlauf kontinuierlich bis zum äußeren, achsseitigen und/oder umfangsseitigen Randbereich oder bis zu den beiden äußeren achsseitigen Randbereichen, der zur Verfügung stehenden Maschinenfläche oder eines Abschnittes von ihr, fortsetzen, und sie an diesem Randbereich durch einen scharfen Knick oder Richtungswechsel in Leiter übergehen, die jeweils zwei Spulenseiten miteinander verbinden und die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen, und/oder die Spulenseiten im Achsbereich eine Biegung in einem stumpfen Winkel vollziehen und danach im wesentlichen parallel oder parallel versetzt zu dem Radius weiter Richtung Achse verlaufen,
und/oder die Spulenseiten im Achsbereich einen sehr scharfen Knick oder eine enge Kurve vollziehen und danach direkt im wesentlichen auf einen anderen Radius oder auf einer Projektion von diesem verlaufen, der bei maximaler Energieumsetzung im Wirkbereich des entgegengesetzten Poles (10 oder 13 oder 14) liegt,
und die in Umfangsrichtung, benachbart liegenden Spulenseiten der Spule in ähnlicher Weise verlaufen, so weit die sie umgebenden Spulenseiten oder ein Raum innerhalb des Winkels a, der frei von Spulenseiten bleiben soll das zulassen und die Grenze für deren Ausdehnung bilden.

2. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen nach dem Oberbegiff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Luftspule mehrere zueinander in Luftspaltebene versetzt liegende Leiterwindungen und/oder Leiterwindungslagen umfasst und dass die Spulenseiten der inneren Leiter und/oder Leiterlage auf dem Radius liegen oder sich an diesen anschmiegenund alle äußeren Leiter und/oder Leiterlagen so eng wie möglich an den inneren Leiter oder die innere Leiterlage herangewickelt sind und die Windungen innerhalb eines Winkels a, auf dessen Schenkeln die inneren Leiter und/oder Leiterlagen liegen, keine wirksamen Leiteranteile, sondern nur unwirksame Verbindungsleiter der Spulenseiten, enthält.

3. Luftspule innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Spule mehrere die Spulenachse betreffende, radial zueinander versetzt liegende, sich berührende Leiter oder Leiterlagen als Spulenbündel einer Leiterschicht oder als Spulenbündel mehrerer Leiterschichten die maximale umfangsseitige und/oder achsseitige radiale Ausdehnung vollziehen.

4. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im achsnahen Bereich die Leiter oder die Leiterlagen der Spulenseiten entlang eines Radius und somit in unterschiedlichem Abstand zur Maschinenachse, in einem kurzen Bogen abknicken und in Verbindungsleiter, die in Bewegungsrichtung verlaufen, über gehen.

5. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter oder Leiterbündel sich bezogen auf unterschiedliche Radien dem Umfangsbereich Bereich nähern in dem
- der Innenleiter oder die innere Leiterlage auf dem Radius liegt und die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels dazu parallel versetzt außen daran angeschmiegt liegen oder
- der Mittelleiter oder die mittlere Leiterlage auf dem Radius liegt und die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels dazu parallel versetzt innen und außen daran angeschmiegt liegen oder
- der Außenleiter oder die äußere Leiterlage auf dem Radius liegt und die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels dazu parallel versetzt innen daran angeschmiegt liegen.

6. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule auf einen Wickeldorn (16) gewickelt wird, dessen Wickelgrundkörper von zwei axial zueinander versetzten Körpern (19), vorzugsweise in Plattenform, begrenzt ist, die über dessen Querschnittsfläche hinaus ragen, und einen Wickelraum begrenzen zur Aufnahme der zu wickelnden Spule oder eines entnehmbaren Wickelkörpers als Träger für die zu wickelnde Spule, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wickelgrundkörper des Dornes eine kreissegmentförmige oder kreissegmentabschnittsförmige oder rautenförmige Querschnittsfläche im Radialschnitt hat oder Stifte (17), die so angeordnet sind, dass sie beim Wickelvorgang eine solche Querschnittsfläche in der Mitte der Spule freihalten, wobei die plattenförmigen Begrenzungen (19), sowie auch der entnehmbare Wickelkörper, wenn er verwendet wird, axial deckungsgleich sind und Löcher aufweisen, in die beim Wickelvorgang lagenweise vom Innenbereich der Spule zum Außenbereich dieser, Wickelstifte oder -pfosten (17) axial eingesetzt oder durchgeschoben werden, um die ein oder mehrere Spulenlagen gewickelt werden, bevor wieder eine Lage Stifte in die Ecken der nächst größeren kreissegmentförmigen Spulenfläche in Achsnähe und/oder im Umfangsbereich der Spule eingesetzt oder eingeschoben werden.

7. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Spule (z.B.(3) oder (11)) direkt auf dem Dorn oder nachdem sie vorfixiert ist und vom Dorn, durch Abnehmen einer Begrenzung (19), entfernt wurde, zu einer selbsttragenden Spule verbacken oder vergossen wird.

8. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Spule (z.B. 3,11,20 oder 21) auf dem Dorn vorfixiert wird, vom Dorn, durch Abnehmen einer Begrenzung (19), genommen wird, und anschließend durch eine formgebende Einrichtung dem, in und/oder quer zur Bewegungsrichtung, gebogenen oder gefalteten Luftspalt entsprechend in Form gebracht wird, und sie anschließend die Endfixierung vorzugsweise durch verbacken erhält oder sie vergossen wird.

9. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen und deren Herstellungsverfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen aus, in der gleichzeitig angemeldeten deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 vorgestellten, axial zueinander versetzten einschichtigen, abwechselnd links- und rechtsgewickelten Teilspulen besteht und/oder
die Spulen nach einem der in der gleichzeitig angemeldeten deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 vorgestellten Herstellungsverfahren gewickelt werden, wobei anstatt mit Wickelpfosten auch Abstandshalter (z.B. in Form eines einschaligen Rotationshyperboloid mit der Höhe des Drahtdurchmessers) zwischen den Leitern in jeder Leiterlage separat und verbleibend eingeführt werden können.