AT16004U1

AT16004U1 - Multi-layer magnetic field electric motor / generator for energy generation and energy optimization

Info

Publication number: AT16004U1
Application number: ATGM73/2017U
Authority: AT
Inventors: Ing Dr Norbert Ramaseder Dipl; Ing Friedrich Aichmair Dipl; Ing Johann Prigl Dipl; Ing Andreas Probst Dipl; Ramaseder Christoph; Reitinger Philipp; Steinbrecher Viktor; Steinbock Alexander
Original assignee: Ing Dr Norbert Ramaseder Dipl
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-10-15

Abstract

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Erzeugung von magnetischen Feldern in mehreren Ebenen das Drehmoment und die Leistung erhöht werden. Die Wicklungen tragenden Teile sind vordringlich starr angeordnet während die rotierenden Teile die Dauermagnete tragen. Zur Leistungssteigerung werden zwei oder mehrere getrennte Antriebssysteme genutzt. Dabei bestehen die Antriebsysteme aus dem die Außenspule 23 tragenden äußeren Ring 16 (einschließlich Außenring für Feldschluss) und dem die innere Spule 24 tragenden lnnenring1 17. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring1 20. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den äußeren Ring und über den lnnenring1. Das Antriebssystem 2 besteht aus dem die Spule 25 tragenden lnnenring2 18 und dem die innerste Spule 26 tragenden lnnenring3 19. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring2 21. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den lnnenring2 und über den lnnenring3. Je nach Platzverhältnissen kann auf mehr als zwei getrennte Ebenen erweitert werden.The invention is characterized in that the torque and the power are increased by the generation of magnetic fields in several levels. The windings bearing parts are arranged urgently rigid while the rotating parts carry the permanent magnets. To increase performance, two or more separate drive systems are used. In this case, the drive systems consist of the external coil 23 supporting the outer ring 16 (including outer ring for field closure) and the inner coil 24 supporting Innenring1 17. Between these two rings is the permanent magnets 7 carrying Trägerring1 20. The resulting field closes over the outer ring and the inner ring1. The drive system 2 consists of the inner ring 2 18 supporting the coil 25 and the inner ring 3 carrying the innermost coil 26. Between these two rings is the carrier ring 2 21 carrying the permanent magnets 7. The resulting field closes over the inner ring 2 and over the inner ring 3. Depending on the space available can be extended to more than two separate levels.

Description

Beschreibungdescription

MEHRSCHICHT-MAGNETFELD ELEKTROMOTOR/-GENERATOR ZUR ENERGIEERZEUGUNG UND ENERGIEOPTIMIERUNG VORDRINGLICH FÜR DEN KFZ-BEREICHMULTILAYER MAGNETIC FIELD ELECTRIC MOTOR / GENERATOR FOR ENERGY GENERATION AND ENERGY OPTIMIZATION FOR THE FIELD OF CAR

[0001] Die Erfindung beschreibt eine Anordnung und Generator- /Motorkonzept, das sich dadurch auszeichnet, dass die Anordnung der Erregerwicklungen bzw. Dauermagnete in mehreren Ebenen angebracht sind. Ziel der Erfindung ist einerseits die Energieoptimierung der elektrischen Aggregate und andererseits die Größenoptimierung.The invention describes an arrangement and generator / motor concept, which is characterized in that the arrangement of the field windings or permanent magnets are mounted in several levels. The aim of the invention is on the one hand the energy optimization of the electrical units and on the other hand size optimization.

[0002] Um den Ansprüchen der Zukunft in Bezug auf Energieeinsparung gerecht zu werden ist es notwendig, speziell im Individualverkehr sämtliche Einsparungspotentiale zu nutzen. Im Motorenbereich hat sich in den letzten Jahren immens viel getan. Die gewonnene Gewichtseinsparung durch Verwendung neuartiger Materialien, die vermehrte Verwendung von Kunststoffteilen, der Einsatz von Aluminium, wurde durch den Einbau zusätzlicher Komponenten zur Hebung des Komforts und aufwändiger Sicherheitskomponenten wieder wett gemacht.In order to meet the demands of the future in terms of energy savings, it is necessary to use all saving potential, especially in private transport. In the engine sector, a lot has happened in recent years. The weight savings achieved by using new materials, the increased use of plastic parts, the use of aluminum, has been made up for by the installation of additional components to increase comfort and complex safety components.

[0003] Da in nächster Zukunft die Antriebsform basierend auf den Einsatz von Elektromotoren herkömmliche Verbrennungsmotoren nicht ablösen werden, wird es notwendig sein, einerseits den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren zu verbessern beziehungsweise die Reichweite von Elektrofahrzeugen bedeutend zu erhöhen.Since the drive form based on the use of electric motors will not replace conventional internal combustion engines in the near future, it will be necessary, on the one hand to improve the efficiency of internal combustion engines or to significantly increase the range of electric vehicles.

[0004] Ziel der Erfindung ist es durch geeignete Motorkonzepte sämtliche nicht bzw. schwach genutzten „Quellen" in die Energiegewinnung einzubinden. Unter Nutzung der Bremsenergie kann der Wirkungsgrad bedeutend erhöht werden. Diesbezüglich gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die auch gangbare Lösungsvorschläge enthalten. Entwicklungen und ausgiebige Versuche haben gezeigt, dass die Kombination Verbrennungsmotor - E-Motor noch ein immenses Entwicklungspotential enthält.The aim of the invention is to incorporate all non or weakly used "sources" into the energy production by means of suitable engine concepts., By using the braking energy, the efficiency can be significantly increased In this regard, there are a variety of publications and patent applications, which also feasible solutions Developments and extensive tests have shown that the combination combustion engine - electric motor still contains an immense development potential.

[0005] In der vorliegenden Anmeldung wird das Ziel verfolgt, einerseits die Energieeffizienz von Elektroantrieben zu optimieren und andererseits durch optimalen Einbau des Aggregats die Reichweite zu erhöhen.In the present application, the goal is pursued, on the one hand to optimize the energy efficiency of electric drives and on the other hand to increase the range by optimal installation of the unit.

[0006] Um die Effizienz zu erhöhen ist es notwendig, folgende Ressourcen zu nutzen [0007] - Nutzung der Bremsenergie (Stand der Technik) [0008] - Nutzung der Rotationsenergie im Bereich der Kurbelwelle [0009] - Nutzung der Bewegungsenergie der Pleuelstange [0010] - Nutzung der Rotationsenergie im Bereich der Antriebswelle [0011] - Nutzung der Schwingungsenergie (Patente vorhanden) [0012] Aus der Patentanmeldung DE102009060999 (A1) ist bekannt, dass teilweise elektrische Energie und Elektromotoren als Antriebsaggregate benutzt und die verwendete elektrische Energie überwiegend oder zu einem wesentlichen Teil fahrzeugintern hergestellt wird aus Umwandlung von Sonnenstrahlung und kinetischer Energie beim Bremsen, durch Fahrtwind und durch Komponenten der kinetischen Energie von Gravitations-Einwirkungen auf die Fahrzeug-Karosserie, sowie Komponenten der kinetischen Energie aus Fliehkräften und Beschleunigungs-Bewegungen der Fahrzeug-Karosserie, und diese gewonnene Elektrizität bis zur Verwendung in geeigneten Speichermedien zwischengespeichert wird.In order to increase efficiency, it is necessary to use the following resources: - Use of braking energy (prior art) [0008] - Use of rotational energy in the crankshaft [0009] - Use of the kinetic energy of the connecting rod [0010 [0011] Use of the rotational energy in the area of the drive shaft [0011] Use of the vibration energy (patents available) It is known from patent application DE102009060999 (A1) that partial electrical energy and electric motors are used as drive units and the electrical energy used is predominantly or too a substantial part of the vehicle is made of conversion of solar radiation and kinetic energy during braking, by wind and by components of the kinetic energy of gravitational effects on the vehicle body, as well as components of kinetic energy from centrifugal forces and acceleration movements of the vehicle body, and this recovered electricity until the Use is cached in appropriate storage media.

[0013] In der Patentanmeldung AT510357 (A2) wird ein verbesserter Elektromotor beschrieben dahingehend, dass die durch Wirbelströme verursachte Abwärme weitgehend vermieden werden muss, um den Wirkungsgrad des Elektromotors zu erhöhen.In the patent application AT510357 (A2), an improved electric motor is described in that the waste heat caused by eddy currents must be largely avoided in order to increase the efficiency of the electric motor.

[0014] Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Motoren bekannt, die allesamt einen mit magnetisch leitfähigem Material aufgefüllten inneren Stator bzw. Rotor aufweisen, um einen guten Wirkungsgrad und besonders geringe Verluste zu erzielen. Hierdurch ergibt sich einer seits der erhebliche Nachteil, dass die Elektromotoren gemäß dem Stand der Technik ein höheres Gewicht aufweisen. Weiters ergibt sich auch beim Innenläufer der Nachteil, dass der Elektromotor eine erhöhte Trägheit aufweist.A variety of motors are known from the prior art, all of which have a filled with magnetically conductive material inner stator or rotor to achieve good efficiency and very low losses. This results on the one hand, the significant disadvantage that the electric motors according to the prior art have a higher weight. Furthermore, the internal rotor also has the disadvantage that the electric motor has an increased inertia.

[0015] Zur optimalen Nutzung der Energie wird aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse ein neues Elektrogenerator- /Elektromotorenkonzept eingesetzt. Dabei werden in mehreren Ebenen Erregerfelder zur Energieoptimierung angeordnet. Zusätzlich werden an geeigneten Positionen schnell laufende Motoren zusätzlich eingesetzt. Vorteil liegt darin, dass Gewicht eingespart werden kann.For optimal use of energy, a new electric generator / electric motor concept is used due to the limited space. Here, exciter fields for energy optimization are arranged in several levels. In addition, high-speed motors are additionally used at suitable positions. The advantage is that weight can be saved.

[0016] Das neue Generator- und Motorkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass die Anordnung der Erregerwicklungen bzw. Dauermagnete so erfolgt, dass diese in mehreren Ebenen angebracht werden.The new generator and engine concept is characterized in that the arrangement of the field windings or permanent magnets is made so that they are mounted in several levels.

[0017] Dadurch wird eine Mehrfacherregung auf engstem Raum genutzt, Zwischen den Erregerwicklungen bzw. Dauermagneten befinden sich auf mehreren Ebenen die Statorwicklungen. Die Spulenanordnung wird dabei so gewählt, dass das durch die Wicklung erzeugte Magnetfeld sich über mehrere Ebenen schließt.As a result, multiple excitation is used in a confined space, located between the excitation windings or permanent magnets are on several levels, the stator windings. The coil arrangement is chosen so that the magnetic field generated by the winding closes over several levels.

[0018] In Figur 1 ist schematisch das optimierte elektrische Antriebsprinzip dargestellt. Auf einer mit dem Lager 1 versehenen Welle 2 wird an einem der Enden der Welle mit dem Durchmesser d das System so aufgebaut, dass zwei oder mehrere das Erregersystem tragende Zylinder 5 und 8 so montiert werden können, dass die Statoraufbauten 3, 4 mit der Statorwicklung 6 in Achsrichtung verschiebbar eingebaut werden kann.In Figure 1, the optimized electric drive principle is shown schematically. On a shaft 2 provided with the bearing 1, at one of the ends of the shaft of diameter d, the system is constructed such that two or more cylinders 5 and 8 carrying the exciter system can be mounted so that the stator assemblies 3, 4 are connected to the stator winding 6 can be installed slidably in the axial direction.

[0019] Auf den das Erregersystem tragenden Zylinder werden in der Regel Dauermagnete 7 so angeordnet, dass die Magnete in den unterschiedlichen Zylinderebenen sich verstärken. Um die optimale Wirkung zu erzielen schließt sich das Feld einerseits über die die Magnete tragenden Zylinder und über die Verbindungsscheibe 9 zwischen den einzelnen Zylinder 5 und 8.On the exciter system supporting cylinder 7 permanent magnets are usually arranged so that the magnets in the different cylinder levels reinforce each other. In order to achieve the optimum effect, the field closes on the one hand on the cylinders carrying the magnets and on the connecting disk 9 between the individual cylinders 5 and 8.

[0020] Die Spule tragende Scheibe 3 wird so ausgelegt, dass die entlang der Wellenachse verschiebbar angeordnet wird. Dadurch kann die Spannung reguliert werden.The coil-carrying disc 3 is designed so that it is slidably disposed along the shaft axis. This allows the voltage to be regulated.

[0021] Figur 2 zeigt eine Antriebseinheit, die direkt in das Wellensystem 2 eingebaut wird. In KFZ kann das vordringlich die Antriebswelle sein. Der Vorteil liegt darin, dass die Verluste durch den Einbau direkt in der Achse der Antriebswelle minimal sind.FIG. 2 shows a drive unit which is installed directly in the shaft system 2. In the car this can be the drive shaft. The advantage is that the losses due to installation directly in the axis of the drive shaft are minimal.

[0022] Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die die Spule 6 tragende Haltevorrichtung 3 zentrisch angeordnet ist wodurch die Verluste minimiert werden. Die Versorgungsleitung 10 für die Spulen 6 wird durch einen Kanal nach außen geführt. Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Spulenanschlüsse nicht verdreht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass auf Schleifringe verzichtet werden kann. Der Abstand zwischen den Dauermagneten und die Wicklung tragenden Eisenkern wird dabei so gewählt, dass die magnetischen Verluste hervorgerufen durch den Luftspalt minimal sind.Another advantage is that the coil 6 supporting the holding device 3 is arranged centrally whereby the losses are minimized. The supply line 10 for the coils 6 is guided through a channel to the outside. Advantage of this arrangement is that the coil terminals are not twisted. Another advantage is that slip rings can be dispensed with. The distance between the permanent magnet and the winding-carrying iron core is chosen so that the magnetic losses caused by the air gap are minimal.

[0023] Die beiden Wellenteile 2 und 11 werden mit einem Verbindungsteil 5, vordringlich mit an der Innenseite montierten Dauermagneten 7 fix verbunden. Zur Kühlung werden Lüftungsschlitze 14 so vorgesehen, dass weitgehend keine Verschmutzung erfolgen kann.The two shaft parts 2 and 11 are fixedly connected to a connecting part 5, urgently connected to the inside mounted permanent magnet 7. For cooling vents 14 are provided so that largely no pollution can occur.

[0024] Der innerste zylinderförmig ausgeführte die Dauermagneten 7 tragende Wellenstumpf 8 ist so ausgeführt, dass die die Spulen tragende Haltevorrichtung 3 und 4 die Spulen 6 zentrisch zwischen 5 und 8 eingepasst wird.The innermost cylindrical running the permanent magnet 7-bearing stub shaft 8 is designed so that the coils supporting the holding device 3 and 4, the coils 6 is fitted centrally between 5 and 8.

[0025] In Figur 3 ist schematisch die die Spule 6 tragende Haltevorrichtung 3 mit dem Führungsrohr 15, vordinglich als Hohlzylinder ausgeführt, dargestellt. Das Führungsrohr wird dabei innerhalb des gelagerten Wellenteils 11 zentrisch geführt.In Figure 3, the coil 6 carrying the holding device 3 is shown schematically with the guide tube 15, vordinglich executed as a hollow cylinder shown. The guide tube is thereby guided centrally within the mounted shaft part 11.

[0026] Zur Regelung der Leistung kann das Führungsrohr 15 in der Achse beweglich ausgeführt werden.To regulate the power, the guide tube 15 can be made movable in the axis.

[0027] Das die Statorwicklungen tragende Ringmaterial 16,17,18 und 19, wie in Figur 4 dargestellt, wird vorzugsweise mit Kühlbohrungen (=Lüftungsbohrungen) versehen, um die entste hende Wärmeenergie abführen zu können. Die Art der Kühlung (Flüssigkeitskühlung, Gaskühlung etc.) hängt dabei vom Einbauort ab.The stator windings bearing ring material 16,17,18 and 19, as shown in Figure 4, is preferably provided with cooling holes (= ventilation holes) to dissipate the entste rising heat energy can. The type of cooling (liquid cooling, gas cooling, etc.) depends on the installation location.

[0028] In Figur 4 ist schematisch ein Elektromotor dargestellt. Dabei sind sämtliche eine Wicklung tragenden Teile starr angeordnet. Die rotierenden Teile (=Trägerbauteile für Magnete; zum Beispiel nicht magnetisierbares Material) tragen ausschließlich beidseitig die Dauermagnete 7. Der Vorteil des in Abbildung 4 beschriebenen Aufbaus liegt in der Erhöhung der elektrischen Leistung. Zwei getrennte Antriebssysteme können genutzt werden. Antriebsystem 1 besteht aus dem die Außenspule 23 tragenden äußeren Ring 16 (einschließlich Außenring (z.B. Fe-Material) für Feldschluss) und dem die innere Spule 24 tragende Innenringl 17. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring 1 20. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den äußeren Ring 16 und über den Innenringl 17. Das Antriebssystem 2 besteht aus dem die Spule 25 tragenden Innenring2 18 und dem die innerste Spule 26 tragenden Innenring3 19. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring2 21. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den Innenring2 18 und über den Innenring3 19. Durch diese Anordnung kann das Antriebssystem optimiert werden.In Figure 4, an electric motor is shown schematically. In this case, all parts carrying a winding are rigidly arranged. The rotating parts (= carrier components for magnets, for example non-magnetizable material) only carry the permanent magnets 7 on both sides. The advantage of the structure described in FIG. 4 lies in the increase in electrical power. Two separate drive systems can be used. Drive system 1 consists of the outside coil 23 bearing outer ring 16 (including outer ring (eg Fe material) for field closure) and the inner coil 24 supporting Innenringl 17. Between these two rings is the permanent magnets 7 bearing support ring 1 20. Das The resulting field closes over the outer ring 16 and the inner ring 17. The drive system 2 consists of the coil 25 supporting Innenring2 18 and the innermost coil 26-bearing inner ring3 19. Between these two rings is the permanent magnets 7 bearing carrier ring2 21. The resulting field closes over the inner ring 2 18 and over the inner ring 3 19. By this arrangement, the drive system can be optimized.

[0029] Zwischen dem Antriebsystem 1 und dem Antriebssystem 2 befindet sich ein Luftspalt 22.Between the drive system 1 and the drive system 2 is an air gap 22nd

[0030] Eine weitere nicht näher ausgeführte Anordnung (abhängig von der Baugröße) ist die energetische Nutzung mehrerer wie oben beschriebener Antriebsysteme. Die Trennung zwischen den Antriebsystemen erfolgt wieder durch Luftspalte.Another unspecified arrangement (depending on the size) is the energetic use of several drive systems as described above. The separation between the drive systems is again through air gaps.

[0031] In Figur 5 ist schematisch ein Elektromotor dargestellt. Dabei sind sämtliche eine Wicklung tragende Teile starr angeordnet.In Figure 5, an electric motor is shown schematically. In this case, all parts carrying a winding are rigidly arranged.

[0032] Die rotierenden Teile (=Trägerbauteile für Magnete; nicht magnetisierbares Material) tragen ausschließlich die Dauermagneten 7. Der Vorteil des in Abbildung 5 beschriebenen Aufbaus liegt in der Erhöhung der elektrischen Leistung. Zwei getrennte Antriebssysteme können genutzt werden. Antriebsystem 1 besteht aus dem die Außenspule 23 tragenden äußeren Ring 16 (einschließlich Außenring (z.B. Fe-Material) für Feldschluss) und den Trägerring 1 20 tragenden Innenring 27. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring 1 20. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den äußeren Ring 16 und über den Innenring 27. Das Antriebssystem 2 besteht aus dem die Spule 25 tragenden Innenring 2 18 und den Trägerring 2 21 tragenden Innenring 28. Zwischen diesen beiden Ringen befindet sich der die Dauermagnete 7 tragende Trägerring2 21. Das dabei entstehende Feld schließt sich über den Innenring 18 und über den Innenring 28. Durch diese Anordnung kann das Antriebssystem optimiert werden. Zwischen dem Antriebsystem 1 und dem Antriebssystem 2 befindet sich ein Luftspalt 22.The rotating parts (= carrier components for magnets, non-magnetizable material) carry only the permanent magnets 7. The advantage of the structure described in Figure 5 is the increase in electrical power. Two separate drive systems can be used. Drive system 1 consists of the outside coil 23 bearing outer ring 16 (including outer ring (eg Fe material) for field closure) and the support ring 1 20 supporting inner ring 27. Between these two rings is the permanent magnets 7 bearing support ring 1 20. Das The resulting field closes on the outer ring 16 and the inner ring 27. The drive system 2 consists of the coil 25 supporting the inner ring 2 18 and the support ring 2 21 supporting inner ring 28. Between these two rings is the permanent magnets 7 bearing Trägerring2 21st The resulting field closes over the inner ring 18 and the inner ring 28. By this arrangement, the drive system can be optimized. Between the drive system 1 and the drive system 2 there is an air gap 22.

[0033] Eine weitere nicht näher ausgeführte Anordnung (abhängig von der Baugröße) ist die energetische Nutzung mehrerer wie oben beschriebener Antriebsysteme. Die Trennung zwischen den Antriebsystemen erfolgt wieder durch Luftspalte.Another unspecified arrangement (depending on the size) is the energetic use of multiple drive systems as described above. The separation between the drive systems is again through air gaps.

[0034] Eine weitere Ausführungsform (nicht dargestellt) besteht darin, dass die Magnete durch stromführende Leiter ersetzt werden. Zur Stromzufuhr muss jedoch auf Schleifringe o.ä. zurückgegriffen werden.Another embodiment (not shown) is that the magnets are replaced by current-carrying conductors. For power supply, however, o.ä. be resorted to.

Claims

claims

1. Arrangement for increasing the output and torque of an electric drive, primarily in the motor vehicle sector, characterized in that the electrical energy is generated by a plurality of excitation fields in several planes, in particular by space-saving arrangement of coil and permanent magnet combinations all a winding bearing parts are rigidly arranged and the rotating parts urgently carry the permanent magnets 7, wherein • the drive systems 1 from the outer coil 23 bearing outer ring 16 and the inner coil 24 supporting Innenringl 17 is between these two rings of the permanent magnets 7 bearing support ring 1 20 is • the drive system 2 from the inner ring 2 carrying the coil 25 and the inner ring 3 carrying the innermost coil 26 and between these two rings the carrier ring 21 carrying the permanent magnets 7, there is an air gap 22 b between the drive system 1 and the drive system 2 LAB

2. Arrangement for power and torque increase according to claim 1, characterized in that the stator coils are arranged repeatedly fixed.

3. Arrangement for power and torque increase according to claim 1 and / or 2, characterized in that the rotating exciter fields are caused in several levels by permanent magnets.

4. Arrangement for power and torque increase according to claim 1 to 3, characterized in that the exciter discs and / or the coils are designed to be displaceable.

5. Arrangement for power and torque increase according to claim 1 to 4, characterized in that the electric motor is fed by x (x> 2) separate drive systems simultaneously.

6. Arrangement for power and torque increase according to claim 1, characterized in that the arrangement of the magnets in a fixedly connected to the shaft carrier material takes place in several planes and the arrangement of the bobbin in a coil supporting the holder also takes place in several levels.

7. Arrangement for power and torque increase according to claim 1, characterized in that the magnets are replaced by current-carrying conductors. For this 3 sheets of drawings