CN111937488A - 具有直流激励、极小电/动能效率和极高热cop的旋转感应热发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热固体、液体或气体物质的具有直流激励的旋转感应热发生器，由DC线圈产生感应目的，即，用于产生感应热所需的交变磁场，产生静磁场，并且该静磁场通过旋转机械部件而被转换成交变磁场，其中，DC线圈由磁环(20)收纳，并且优选地固定地连接到所述后者，其中，所述磁环(20)静态地连接到旋转感应热发生器(1)的壳体(17)，并且其中，由DC线圈(29)产生的静磁场(51)通过旋转机械部件，特别是磁极轮(19)而被转换成交变磁场(52)，其中，所述磁极轮(19)由内磁极环(53)、外磁极环(54)和磁极环支架(21,24)组成，通过所述磁极轮(19)，所述静磁场(51)在与磁极轮(32)轴向相邻的感应环(18)中被转换成交变场(52)，其中，所述内磁极环和所述外磁极环具有多个径向定向的磁极延伸部(46,47)，优选地多于十个，所述磁极延伸部(46,47)：a)彼此啮合，即，部分径向彼此相邻排列，或者彼此重叠(图5a)，或者b)不重叠，但是所述内磁极环(53)的所述磁极延伸部(46)与所述外磁极环(54)的所述磁极延伸部(47)径向间隔开，其中，所述内磁极环和所述外磁极环的所述磁极延伸部彼此具有预定距离(A)，并且优选地，所述内磁极环(53)的磁极延伸部的数量大致对应于或等于所述外磁极环(54)的磁极延伸部的数量。

Description

具有直流激励、极小电/动能效率和极高热COP的旋转感应热 发生器

技术领域

本发明涉及一种通过直流激励利用涡流形式的磁感应产生热能的旋转感应热发生器以及一种用于产生交变磁场的机械装置。热发生器可用于为所有类型的加热系统产生热水以及用于家用热水加热，并且通过单独的装置用于将热能有效地转换成动能以及将热能有效地转换成冷却能。

背景技术

涡流是将电导体中的电能转化为热能的短路电流。除了较低的对流损失外，这种能量100％被传递到固体、液体(优选为油)或气体传热介质中。

已经存在利用涡流产生热能的已知技术的热发生器。其中一些是，例如，感应炉或电磁炉。

在此，只在要加热的介质中产生热能。介质形成通向加热单元的磁桥或导电桥，在加热单元中，由于涡流的作用，介质加热。在加热单元本身中，只记录微小的磁滞和涡流损耗。

为了使所述系统能够运行，必须向励磁线圈提供交流电(即，交流电压)。

该交流电在线圈中产生交变磁场，其中，产生感应电流，该感应电流根据已知的感应规律与施加的电流相反。

为此，某些技术措施是必要的，例如，由导电性差的薄的、有涂层的和绝缘的钢板制成的磁芯或对涡流具有高电阻的铁氧体磁芯以及匝数少、对感应电抗具有低欧姆电阻的线圈。交流线圈的精确操作模式在此将不再赘述。

除了已知技术的加热系统之外，还应该提到以类似的方式产生热能的涡流制动器。同样的问题在此也很明显。尽管涡流制动器采用直流电来操作，并且具有高电效率水平，但是它们仍然需要等效的动能以便产生热能，即，以便使系统保持运转。

这意味着对于所有所述系统，要引入的电能和/或动能大于可利用的热能。这些加热系统不允许任何节能，并且有时不太适合，或者有时根本不适合用于加热和家用热水领域中的热量产生。

参考作为现有技术的WO2011/125485A1、US2014/110938A1、US3014116A、DE2620236A1、DE2647741A1、FR2864369A1、WO2008028673A1、EP00071046、US2014/0231414、DE3129817、US-A-4,423,344以及EP-A2-0 062 706。

到目前为止，已知技术的系统因为太低的热效率值(COP)导致其没有完全被接受。此外，由于其不利的结构构造，该系统仅被定期设计用于相对较低的功率输出，特别是例如作为车辆加热系统而用于车辆。

COP因子也已知为性能系数(在德语中为“Leistungszahl”，缩写为LZ)，也已知为能效比(EEER)，表示产生的热功率与使用的电功率之比。例如，性能系数为4意味着所提供的热输出是所使用的电功率的4倍。换言之，COP因子为4的热泵从所提供的1kW电功率中提供4kW的热输出。

EP 0071046A1描述了一种液冷式交流发电机，该液冷式交流发电机耦合额外部件以便进一步加热冷却水，并且该额外部件还用于加热驾驶室。该热量产生部件是带有集成励磁线圈的爪极转子，其中，必须经由滑环向旋转线圈提供激励电流。此外，使用用于磁场传输的涂层钢板来构造定子，并且具有良好导电性的固体材料附接到相应的定子端部。该现有技术还公开了产生连续的制动扭矩，并且这相当于产生的热能。最后，该现有技术公开了产生静电场的线圈处于恒定旋转中，并且经由易磨损的滑环提供线圈的激励电流。

US 2014/0231414公开了一种涡流制动器，在该涡流制动器中，通过永磁体产生磁场，并且感应盘由良好的电导体组成。该现有技术与传统涡流制动器的不同之处在于，不是通过旋转磁极组来控制功率；相反，磁极组通过旋转装置相对于感应盘向内或向外旋转。

在所有所述系统的情况下，引入的能量通常大于从系统中获得的有用能量。有用的能量被理解为例如在欧姆电阻将100％的电能(电流x电压＝以W为单位的E)转换成热能时。从这可以看出，这些加热系统不允许任何节能，因此这种系统迄今为止不太适合，或者根本不适合用于加热和家用热水领域中的热量产生。

发明内容

本发明的目的是避免所述热发生器的缺点，并提供一种显著改进的热发生系统。

最后，本发明的旋转感应热发生器还应该能够提供大于10kW，优选大于20或50kW，或者甚至超过100-500kW的输出。

根据本发明，通过具有根据权利要求1所述的特征的旋转感应热发生器来实现该目的；在附属权利要求以及本说明书和附图中描述了有利的发展。

本发明基于这样的认识：即感应所需的交变磁场不是通过交流电，而是通过直流电并利用励磁线圈产生，其中，励磁线圈优选不旋转，而是静态固定的。因此，可以省略滑环。最后，本发明为磁环和磁极轮的配置提出了一种替代性结构，通过这种结构可以实现所希望的非常高的COP因子，这是现有技术的旋转感应热发生器迄今为止还没有实现的。最后，本发明还旨在确保旋转感应热发生器具有故意非常低的电能(励磁线圈)/动能(驱动电机)效率，这意味着其是小于10％，优选甚至小于2％的值。然而，同时，本发明的旋转感应热发生器具有非常高的COP因子。COP因子通常被称为“性能系数”，根据本发明，该COP因子的值大于2，优选大于5，例如，具有6至50范围内的任何优选值。

在此处，重要的是，不要误将效率等同于COP。COP表示更好地利用输入能量的因子。在现有技术已知的应用形式中，COP因子通常非常小，即，低于2，通常为1或更小，这是因为所提供的能量仅略高于所释放的能量，以便实现故意的高效率。即，已经很高的效率水平表示无法实现利用率的进一步有效提高。

与本发明的情况一样，若效率极低，并且涡流不被认为是有用的能量，而是被认为是无用的能量，则情况就不同。在此处，释放的能量(能量输出)是动能分量，这是因为磁过程能够利用驱动能量或制动能量。供应的能量(能量输入)被视为DC线圈的激励功率和驱动电机的动能。这两者一起给出了能量的度量，在转换为正和/或负扭矩时，该能量与实际有用能量相反。

涡流制动器的设计使得涡流具有“三轴”效应。利用本发明，现在可以解耦涡流的作用，使得涡流不再主要沿旋转轴(Z轴)作用(>90％)并有力制动磁极轮，而是在某些情况下，实际上，主要沿无效的X轴和Y轴引导。

DC线圈的感应电抗比交流线圈的感应电抗低很多倍。这允许使用低激励电流和多匝。因此，磁势(矢量势)相当于电流x匝数。高激励电流和几匝(N)(例如，100A x 1N＝100AW(磁动势))或者低激励电流和许多匝(例如，1A x 100N＝100AW)大小相同。因为静磁场不产生任何感应，所以也在下面的附图中解释和描述了本发明。

附图说明

附图示出了本发明实施例的可能示例，具体如下：

图1示出了本发明的旋转感应热发生器的平面图；

图2示出了本发明的旋转感应热发生器的主要部件的分解图；

图3a、b是本发明的热发生器的分解图；

图4a示出了一侧的磁环和另一侧的DC线圈的分解图；

图4b示出了具有DC线圈的磁环和短路环的分解图；

图4c示出了穿过图4b中磁环结构的横截面；

图5a示出了由内磁极环、外磁极环和磁极环支架组成的磁极轮的分解图；

图5b示出了磁极轮的替代实施例的分解图；

图6a示出了由多个部件构成的感应环的分解图；

图6b示出了感应环的替代实施例的分解图；

图6c示出了感应环的侧视图；

图6d示出了感应环的另一侧视图以及横截面图；

图7示出了本发明的旋转感应热发生器的平面图以及通过旋转感应热发生器的横截面图；

图8示出了磁环、磁极轮和感应环的分解图以及部件之间的磁场的表示。

具体实施方式

图1示出了本发明的旋转感应热发生器1和与其连接的热交换器以及用于提供热水/冷水的混合箱2的基本设计。从图1中可以看出，在基架3上支撑着设备的所有部件。该基架具有隔热隔音垫4，并且隔热隔音罩可以安装在图1所示的装置上，其中，该罩具有显示和控制元件，并且罩本身也具有可移除或打开的门。从图1中还可以看出，在热发生器的后侧具有后壁6，后壁6的背面也配备有隔热隔音垫，并且该单元还具有控制器件5。

图2示出了图1所示的本发明的旋转感应热发生器的一些部件的分解图。此处，该图示出了下部热交换器壳体12、油水分离器13、上部热交换器壳体11、旋转感应热发生器单元10、用于喷油量的控制器16、典型驱动器形式的驱动电机14以及连接旋转感应热发生器单元10和驱动电机14的联轴器。

图3a示出了旋转感应热发生器单元10的分解图细节，包括(从左到右)油泵24、支撑轴承22、支撑轴承夹紧螺母23、支撑轴承轮毂21和具有DC线圈29(静态)的磁环20、磁极轮19(旋转)、感应环18(静态)、旋转感应热发生器单元10的壳体17、导向轴承25和导向轴承夹紧螺母26以及前盖27。

图3b示出了具有直流激励的旋转感应热发生器的细节的分解图，其设计与图3a中所示的设计略有不同，但相当。

下面解释磁环20、磁极轮19和感应环18的设计和功能。根据本发明，在图4a中，DC线圈29容纳在磁环20的磁环壳体28中。在此处，DC线圈优选地固定地连接到磁环壳体，其中，磁环20连同其磁环壳体28本身静态地连接到旋转感应热发生器1的壳体17，并且由DC线圈29产生的静磁场51通过旋转机械部件，具体是磁极轮19，被转换成交变磁场52。

图4b示出了图4a中实施例的替代形式，其中，DC线圈29由短路环44容纳，短路环44又设置在磁环20的壳体28中。

短路环44由具有良好导电性或具有磁性的材料组成，或者由具有良好导电性且非磁性的材料(例如，铝)组成。短路环44和DC线圈29在磁环20中的整体容纳旨在增加磁环中涡流的表现，从而增加热效率值(COP)。在此处，必须注意确保短路环44在电导率和/或磁导率方面具有比磁环壳体更高的值。从图4a和4b中可以看出，磁环壳体28由具有U形横截面的环形成，并且由铁磁材料，优选为纯铁，组成。通过该U形环，形成凹槽87，参见图4a，DC线圈29位于该凹槽87中，或者参见图4b，短路环44与DC线圈29一起位于该凹槽87中。就其本身而言，DC线圈29也具有环形设计。

DC线圈29具有卷绕的线圈，例如，该卷绕线圈可以由钢板带、圆线材或者甚至矩形线材组成。通过静磁场，磁环20可以由固体材料、层状钢板或烧结金属组成。磁环20具有内部和外部不间断的平坦表面，其中，磁场交替出现，例如，当南极和相对的极即北极，进入轴向相邻磁极轮19的结构相同的表面。

或者，也可以考虑将永磁体代替DC线圈插入磁环中进行磁化。永磁体的可能缺点是制造成本高、居里温度低以及用于设定热量输出的控制技术复杂。图4a还示出了DC线圈29的电源连接线89。该电源连接线通过磁环20中的开口90通向外部，以便为DC线圈提供外部电源连接线。

图4c示出了图4b中的磁环20的结构的横截面图。在此处，可以看出，磁环20被设计成U形环，U形环本身容纳短路环44，并且在短路环44内容纳DC线圈29。图4c还示出了具有侧部49的磁环20的侧视图的细节，通过侧部49形成凹槽87，DC线圈29位于凹槽87内。

为了将静态场转换成感应所需的交变场，本发明提供了旋转机械部件，具体地，提供了磁极轮19，如图5所示。当磁极轮19旋转经过静态(即，固定的)磁环20时，可以满足这一要求。

图5中的磁极轮19优选由多个部件组成，例如，三个部件，例如，内极环53、由铁磁材料制成的外极环54(优选为纯铁)以及由例如抗磁材料(但优选为具有良好导电性的材料，例如，铝、铜或不锈钢)制成的磁极环支架55。内外磁极环可以由固体材料、层状钢板或铁氧体组成。

在磁环和磁极轮的组装中，磁环20和磁极轮19轴向相邻，并且在它们之间形成尽可能小的气隙(未示出)。

如功能所确定的，穿过尽可能小的磁环20和磁极轮19之间的气隙的静磁场51通过磁极轮19的旋转从磁极轮19转换成固定(静止)感应环18上的交变磁场52，该感应环18例如用螺栓固定就位。在此处，磁极轮相对于磁环是动态还是刚性地运行并不重要。除了小的气隙损耗之外，无损耗地传输静磁场51，并且在磁极轮中更靠近磁环的区域中也保持为静磁场。在固体材料的情况下，磁极轮的交变场侧52服从矫顽力或再磁化损耗、趋肤效应或涡流损耗的规律。

图5a和5b示出了本发明的磁极轮19的实施例的两种替代形式。

在第一变型中，即，在图5a中，多个磁极延伸部46和47设置在磁极轮19面向感应环18的一侧，即，设置在磁极轮19背离磁环20的一侧。

磁极延伸部的数量优选多于10个，优选多于12个。

在图5a中，可以清楚地看到，磁极轮的内磁极环53具有从内侧向外侧径向延伸的超过十个的磁极延伸部46、47。

磁极轮19的外磁极环54也具有类似地从外侧向内侧径向延伸的超过十个的磁极延伸部。

从图5a中可以清楚地看出，内磁极环53的磁极延伸部46和外磁极环54的磁极延伸部47相对于彼此偏移设置，使得它们彼此啮合(即，更靠近地定位)，从而在径向方向上重叠，如图5a所示，从而将磁环的静磁场转换成相邻感应环18中的交变场。这导致在感应环18中产生取决于旋转方向的“北极和南极”关系，即，磁极轮每转一圈，并且作为磁极数量的函数，极性相应地经常改变。通过这种方式，在磁极轮19和感应环18中感应出涡流。在图5a所示的变型中，与正扭矩相比，负扭矩总是起主导作用。

在图5a中，还可以看出，磁极环19具有带有轴承短柱21a的磁极环支架55。磁极环支架55相应地具有凹槽，以容纳内外磁极环的磁极延伸部46和47。

如上所述，磁极环支架55优选由抗磁性材料组成，优选由良好导电的材料(例如，铝、铜或不锈钢)组成。然而，根据本发明，塑料的实施例也是可以想象到的。

图5b示出了磁极轮19的替代设计变型。

内磁极环53和外磁极环54及其相应的磁极延伸部46和47再次清晰可见。在该变型中，磁极延伸部的数量明显高于图5a中变型中的数量(10个)。

从图5b中可以看出，再次对各磁极延伸部46、47沿着径向定向，且其纵向轴线对准，因此内磁极环53的磁极延伸部46和外磁极环54的磁极延伸部47彼此径向间隔开(以预定的距离)。

因此，在图5b所示的变型中，磁极延伸部46、47的长度保持比图5a所示的各磁极延伸部的长度要短，如此，内外磁极环的磁极延伸部46和47不重叠，但是如上所述，对于与图5a所示的变型相同的构造尺寸(磁极轮的外径)，磁极数量明显更多。

在图5b所示的变型中，磁极延伸部的数量远远超过20个，优选40个或更多，或者在10和100之间的范围内的数量或者更多。

在图5b所示的磁极轮的变型中，没有产生典型的交变磁场(感应环中的北场/南场交替)；相反，磁路根据转速和磁极数而暂时中断(斩波)。因此，磁场的不断建立和破坏可以类似地在磁极轮19和感应环18中产生涡流。与图5a所示的变型相比，图5b所示的变型可以周期性地在正扭矩和负扭矩之间交替，由此，负扭矩作用超过正扭矩。

从图5b中还可以清楚地看出，磁极环支架55相应地装配有凹槽，内外磁极环的磁极延伸部46和47精确地容纳在凹槽中，使得磁极环53、54保持在磁极环支架55中。相应的底座21a也清晰可见。

由于其内部刚性，磁极环支架55需要吸收作用在磁极环53、54上的所有磁力。

因此，金属特别适合作为磁极环支架55的材料；一种是抗磁性的材料，但是优选由具有良好导电性的材料组成。

在磁极延伸部46和47的横截面的配置中存在一定的自由度。

从图5a和5b所示的变型中可以清楚地看出，磁极延伸部46和47的横截面是锥形的，但是也可以设想到将它们设计成具有矩形横截面。也可以将磁极数(即，内磁极环和外磁极环的磁极延伸部的数量)设计成不对称的，即，不相等的。

如上所述，磁极环支架55可以由非磁性材料制成，但是也可以由导电或电绝缘材料制成。这样的材料选择对于磁极环也是可能的，但是这些磁极环应该是导电的或者不导电的。

这取决于所需的特定热性能潜力。利用导电材料和固体部件，在磁极轮中也像在感应环中一样感应出涡流；这大大增加了热量输出。

图6a示出了感应环18的第一变型的分解图。可以看出，图6a中的感应环18具有三部分结构，并且具有与磁极环类似的结构形式。

在此处，凹陷33a也形成为凹穴，如此防止了磁场的均匀表现。磁场在感应环中表现得越均匀，就越倾向于制动模式，即，倾向于负转矩。

如图6a所示，感应环18的第一部分33(盘形)由具有导电特性的铁磁材料制成。

对应于感应环18的第一部分33，磁性电绝缘体50作为第二部分沿着轴向跟随，该第二部分与第一部分33相邻(但在空间上与其分开)。该绝缘体50不是绝对必要的，但是如果使用的话，该措施的结果是正转矩分量增加，但是涡流在整个系统中的表现有所减少。

图6b示出了也可以将感应环18的第一部分33设计成均匀盘，与图6a中的变型不同，该均匀盘不具有任何凹陷33a。

图6c示出了感应环的另一种变型，其不是由铁磁材料制成，而是由具有良好电性能的材料制成。

尽管如此，也可以将铁磁材料用于感应环18，尽管这并不总是有利的。

在图6a和6b中，可以看出，由具有良好导热性的材料制成的另一盘63(第三部分)附接到感应环18的背离磁极轮19的一侧。该盘的厚度不受任何特定规格的限制。盘材料的导热性越好，从感应环18到盘63的热传递就越好。液体传热介质围绕盘63清洗，并确保系统中几乎无损失的传热。同时，盘63是感应环的机械支架，并且用螺栓固定在壳体17上，因此静态地设置在本发明的装置内。

也可以考虑将面向传热介质的一侧成型，以增加对流表面。

感应环(图6)具有与磁极环相似的结构形式。

为了增加涡流强度，感应环18中的凹槽或凹穴(图6a，标号33a)填充有具有良好导电性和导热性的材料。此外，如上所述，由相同材料制成的盘附接到背离磁极轮19的一侧。凹穴33a由图6a所示的凹穴边缘33b(腹板)限定。

也可以设想设计没有任何填充材料的感应环。虽然这将导致相同一次能量输入的热输出降低，但不会影响基本功能本身。

图7再次示出了根据本发明的整个装置的视图和横截面，即，装置的所有部分具有紧凑设计的旋转感应热发生器的视图。

关于本发明装置的功能，应该注意以下几点。

为了表示磁空间中的磁通量，图8中的分解图显示了磁环20、磁极轮19和感应环18的轴向并排设置。在本发明的旋转感应热发生器中，具有DC线圈29的磁环20和感应环18静态地(即以固定的方式)设置在机体中，而作为动态部分的磁极轮19可以执行旋转运动。

在此处，在磁环20和磁极轮19之间形成静磁场区51，而在磁极轮19和感应环18之间形成交变磁场区。

如果基本相反的特征，即，正(驱动模式)和/或负(制动模式)扭矩在相同的时间序列中处于平衡，则实现了本发明装置的最佳系统动作。虽然这是最佳的，但是并不总是可实现的，这是因为在其系统行为中，本发明的装置倾向于负扭矩占优势。每次旋转的系统动作由磁极轮的磁极延伸部的数量和感应环中的凹穴的数量决定。在此处，磁极环53、54的磁极延伸部46、47的边缘优选与感应环18中的凹穴边缘33b平行或相对。各个边缘相对于彼此的角位置决定了正扭矩和/或负扭矩之间的差值。在磁极环的内部和外部磁极面之间的磁力矩中和到感应环的磁极面之前，正转矩总是占优势。然后，在相反的方向上负扭矩占优势。当这两个扭矩处于时间和动力平衡时，能源效率最高。如果这种平衡转变为负扭矩方向的时间和动力不平衡，则热能效率会降低；在相反的情况下，热能效率增加。

理想情况下，正扭矩和/或负扭矩之间的关系不应超过有利于负扭矩的1:1.03。磁极轮的这种轻微制动意味着热发生器可以设定全励磁功率水平，由此可以实现最大的热输出。磁极轮的制动和驱动在制动方面的差异越大，热发生器的热效率就越差。

如果负扭矩占优势，则来自所有旋转部件的质量惯性的旋转能量可以有效地用于减少磁极轮的连续制动，直到正扭矩再次占优势。

如果正扭矩优势持续超过负扭矩，则磁极轮将稳定地加速到临界速度以上，热发生器将被损坏。为此，必须降低励磁功率水平，直到速度调整到规定水平。这导致热输出水平等于正扭矩和负扭矩之间的差值。还可以设想制动磁极轮，激活全励磁功率水平，并因此将由此提取的能量返回到系统中。这是通过额外的装置实现的，在该装置中，传热介质被注入磁极轮和感应环之间的气隙中，因此，由于摩擦阻力而发生制动。可以通过适当的控制器根据要求精确地调节注入的液体量。

本发明的旋转感应热发生器具有至少三个热源；在每种情况下，这些都是产生热量的来源，因此可以被填充。这些来源是磁环、磁极轮以及感应环。磁极轮中产生的热量比磁环中产生的热量少，而感应环中产生的热量可以大于磁环中产生的热量，但是对于特定的设计，磁环中产生的热量也可以大于感应环中产生的热量。

DC线圈是欧姆电阻，其可以将引入的100％的电能转化为热能。

为了经由传热介质从感应环和磁极轮的热源(温度源)有效地传递热量，本发明提供了例如泵。该泵优选地被设计为G转子泵，其中，内泵轮经过磁极轮的轴线通过适配器支架直接驱动。

标准化、优选温度稳定的高温油是热回路热发生器/热交换器中的优选传热介质(图2，标号11-13)。任何其他润滑液也是可以想象的。油的优点是底座和泵的润滑不必分开进行，并且不需要使油密封防水。此外，油的沸点比水高得多。油的高沸点使得热回路中存在高温，因此不会出现过压。这有利地节省了昂贵的过压措施。如果部件设计适当，并且采取措施密封以防止过压，则也可以考虑使用具有较低沸点的传热介质，例如，水。

本发明还提供了加热系统中的温度级联。热发生器可以形成油温可能高达250℃的级联1，热交换器和混合箱形成水温可能高达99℃的级联2，而实际的加热回路形成常规水温为30-60℃的级联3。以上基于以下事实：即与当前最大正常循环温度60℃相比，不需要消耗更多的能量(扣除更高的热辐射能量)来产生过温。级联技术也提高了能效。

通过传统的热交换器使得热量从第一级联中的高温油向第二级联中的另一种介质例如水传递。特别地，还为此目的提供了油水分离器13，使得各种热介质回路彼此没有实际连接，因此热介质不能彼此混合。

具有隔热覆层的罩还减少了来自本发明加热装置的热辐射。

本发明基于必须持续供应外部电能和动能这一事实。传统的电动机45优选地用作电动能供应源，但是也可以设想选择任何其他形式的外部动能供应源，例如，内燃机。电机将磁极轮加速至预定(有效)转速；3000转/分是优选的。电机的主要任务是不断引入制动和驱动模式之间的差分动能。如果能量倾向于在制动模式中占优势，则电机是活动的；如果能量倾向于在驱动模式中占优势，则电机是不活动的。

电机优选地是液冷的，并且电机的冷却回路被集成到例如加热回路中。这意味着这种损失的能量也可以用于加热系统。

提供直流电，作为电磁能量供应源。电动机和DC线圈都优选使用传统的电源作为来源。

电能源的来源不是本发明的主题。

然而，再生能源是优选的，例如，风力涡轮机、光伏系统等。

3000转/分是优选的转速，例如，在没有控制措施的情况下，由2极电动机以50Hz的电源频率产生的转速。根据本发明，还可以设想例如通过逆变器控制来增加或降低速度。就降低转速而言，这不会产生能量问题，因为电动机中的再磁化损耗会随着频率的降低而降低，从而使系统受益。如果旋转速度增加，则机械措施更有利，如果速度通过逆变器的频率转换而增加，则电动机中的再磁化损耗和激励电流增加。这意味着能源消耗大于能源利用。因此，本发明可以提供机械齿轮箱，优选行星齿轮箱。在输入侧，齿轮箱取代了驱动器的驱动轴，在输出侧，例如，齿轮箱直接驱动磁极轮。

随着旋转速度的增加，本发明在相同的构造尺寸下提供了更多的热量输出。与频率的增加总是导致再磁化损耗增加和能源效率降低的电气机械相比，在此处，涡流密度增加，因此热效率也增加。

还可以设想通过自学习软件来提高热发生器的效率，从而不断地对其进行调整。在燃烧化石能源或可再生能源的传统“加热系统”中，燃烧温度只受到轻微影响，或者根本不受影响。热泵和太阳能技术也是如此；在此处，储存在载体介质(空气、水、地球和太阳)中的能量也不会受到热发生器本身的影响。

与已知技术的系统相比，这里的情况根据本发明来表现。在此处，通过对基本机械和物理结构的干预，确实可能提高能源效率。在电动机的情况下，主电能可以通过转速和负载特性而受到有效影响。这同样适用于也有机会提高能源效率的热发生器。在再磁化损失达到最低的转速测试中，很容易发现，提供了最大的磁穿透深度，因此涡流的最佳表现随之而来。综上所述，这将进一步提高能源效率。

具有DC激励器的本发明的旋转感应热激励器的热效率最高为98％，所以，一些对流损失是不可避免的。

本发明实现了达到高能效COP(性能系数)>10的目标。高性能系数基于直流激励的磁势(矢量势intB x Hdiv或intH x Bdiv)，即铁特性，在系统中其以磁力F＝FE+FB的形式转化为动能。此外，驱动器可提供动能来保持磁极轮运行。

这两者共同产生扣除了驱动损失的动能。

动能转化为正扭矩和负扭矩。这导致产生增量(差值)，根据该增量计算需要从外部引入的能量(或功率水平)的值。

为了以最佳可能的方式实现该系统，磁性材料、静磁场以及通过机械装置将静磁场转换成交变磁场均起着重要作用。

利用低磁场强度的高磁饱和导致窄磁滞曲线。窄磁滞曲线意味着磁势小。相反，磁势越高，要引入的外部激励功率(电流x电压)越高，因此性能下降越大。

同样，高磁势也导致高磁滞损耗(再磁化损耗)，这在系统中是不利的，并且减少了感应环中涡流的表现，但是有利地是在系统中几乎没有影响。

根据欧姆定律，涡流密度决定热功率密度。

以下是一些示例：通过利用纯铁可以实现性能系数COP>10。利用变压器钢板或铸钢，可以实现性能系数COP＝1.5，利用合金钢板，可以实现最大性能系数COP＝1.3。

与传统磁性材料相比，纯铁的固有磁性值如下：

对于纯铁，在1.6T(特斯拉)下，要求大约10A/m，对于变压器钢板和铸钢，在1.6特斯拉下，要求4,000A/m，对于合金钢板，在1.6特斯拉下，要求6,000A/m，对于铸铁，在1.2特斯拉下，要求21,000A/m。

该列表清楚地显示了在相同匝数的情况下，在每个情况下实现1.6T(特斯拉)的磁通量密度还需要多大的激励功率。

如上所述，纯铁具有非常高的饱和度(在变压器钢板的情况下，2.5T至1.7T)、窄磁滞曲线和低磁势。

基于以下事实纯铁尤其被表征为一种理想的磁性材料：其磁饱和度、磁导率和记忆性很高，而矫顽磁场强度很低。当激励电流被切断时，高的记忆性导致磁通量密度仅略微下降。该特性可用于激励电流的脉冲调制电路中，并在电源处产生超过50％的节电效果。在高频下，低矫顽磁场强度导致仅出现较小的再磁化损耗。这使得能够使用小激励电流。在某些情况下，还有非常接近甚至可能超过纯铁的其他高频磁性剂。因此，在本申请中，术语“纯铁”还包括在磁饱和度大于1.5T时初始磁导率μA>6,000的材料。

磁极轮和感应环的几何形状起着同样重要的作用。这些决定了驱动和制动的比例。因为只有增量决定了要施加的动能，所以实现最小可能的增量很重要。磁力产生的内部动能水平对性能系数没有影响，在这种情况下也无关紧要。涡流只决定热能，而不是动能。由于几何形状的矢量从属关系(Epot＝-mxB＝-mBcosθ)，涡流也决定了磁力矩的势能。

这意味着不可能辨别磁力矩和扭矩之间的任何直接相关性。这种自由也是可取的，因为它决定了性能效率的水平。

附图标记

1旋转感应热发生器

2混合箱

3基架

4隔热隔音垫

5控制电子设备

6后壁

7后壁隔热

9显示和控制元件

10旋转感应热发生器单元

11上部热交换器壳体

12下部热交换器壳体

13油水分离器

14驱动电机(例如，电动机)

15联轴器

16控制器

17壳体

18感应环

19磁极轮

20磁环

21支撑轴承轮毂

21a底座/轴承短柱

22支撑轴承

23支撑轴承

24油泵

25导向轴承

26导向轴承(支撑轴承)

27前盖

28磁环壳体

29 DC线圈

30盘

31外磁极环

32磁极轮

33感应环的第一部分(盘)

33a凹陷

33b凹穴边缘

38凹陷

44短路环

45电动机

46磁极延伸部

47磁极延伸部

48盘

49侧部

50绝缘体、感应环的第二部分(盘)

51静磁场

52交变磁场

53内磁极环

54外磁极环

55磁极环支架

63感应环的第三部分(盘)

87凹槽

88 DC线圈

89电源端子

90开口

Claims (16)

1.一种用于加热固体、液体或气体物质的具有直流激励的旋转感应热发生器，其特征在于，由DC线圈产生感应目的，即，用于产生感应热所需的交变磁场；产生静磁场，并且该静磁场通过旋转机械部件而被转换成交变磁场，其中，DC线圈由磁环(20)收纳，并且优选地固定地连接到所述后者，其中，所述磁环(20)静态地连接到旋转感应热发生器(1)的壳体(17)，并且其中，由DC线圈(29)产生的静磁场(51)通过旋转机械部件，特别是磁极轮(19)而被转换成交变磁场(52)，其中，所述磁极轮(19)由内磁极环(53)、外磁极环(54)和磁极环支架(21,24)组成，通过所述磁极轮(19)，所述静磁场(51)在与磁极轮(32)轴向相邻的感应环(18)中被转换成交变场(52)，其中，所述内磁极环和所述外磁极环具有多个径向定向的磁极延伸部(46,47)，优选地多于十个，所述磁极延伸部(46,47)：

a)彼此啮合，即，部分径向彼此相邻排列，或者彼此重叠(图5a)，或者

b)彼此不重叠；替代地，所述内磁极环(53)的所述磁极延伸部(46)与所述外磁极环(54)的所述磁极延伸部(47)径向间隔开，其中，所述内磁极环和所述外磁极环的所述磁极延伸部彼此具有预定距离(A)，并且优选地，所述内磁极环(53)的磁极延伸部的数量大致对应于或等于所述外磁极环(54)的磁极延伸部的数量。

2.根据权利要求1所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述旋转感应热发生器的电/动能效率优选地小于10％，优选地甚至小于2％，并且COP(性能系数)因子大于3，优选地为在6和50之间的范围内的值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述感应环(18)由以下内容组成：

a)铁磁材料，所述铁磁材料也可以具有良好的电性能，或者

b)导电但非铁磁材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，在所述磁环(20)中、在所述磁极轮(19)中如在所述感应环(18)中一样产生热量，其中，在所述磁极轮(19)中产生的热量小于在所述磁环中产生的热量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述感应环(18)由多个彼此连接的盘组成。

6.根据权利要求5所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述感应环(18)具有凹陷(凹穴)(33a)，所述凹陷(33a)填充有导电材料，优选为铝。

7.根据权利要求5所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述感应环具有凹陷，所述凹陷填充有不导电材料(绝缘体)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，所述磁环(20)具有短路环(44)，并且该短路环(44)优选地由比所述磁环(20)具有更高电导率值和/或更高磁导率值的材料组成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的具有直流激励的旋转感应热发生器，其特征在于，在级联中发生静磁场向交变磁场的转换，其中，相关部件的几何形状、磁导率(ìB/H)和电导率(σS/m)将从所述磁环(20)到所述磁极轮(19)的磁通量密度(B特斯拉)优选地降低0.7特斯拉，并且将从所述磁极轮(19)到所述感应环(18)的磁通量密度优选地降低0.7特斯拉，其中，

由于磁场或磁势的级联形式的减小，由所述磁极轮(19)的旋转产生的交变场引起的、并且在所述磁极轮(19)和所述感应环(18)之间的气隙中显著减小的、在所述磁环(20)和所述磁极轮(19)之间的气隙中的高寄生磁场，在所述磁环(20)中形成高涡流，在所述磁极轮(19)中减小，并且在所述感应环中进一步减小。

10.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，通过机械部件将静磁场转换成交变磁场需要动能，并且总动能被分成驱动能和制动能，其中，总动能优选地被转换成涡流形式的电能，并且涡流中的电能优选地被完全或尽可能地转换成热量。

11.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，主要在感应环部件(18)中产生热量，其次在磁极轮部件(19)中产生热量。

12.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，热量从所述感应环(18)和所述磁极轮(19)传递到液体或气体物质中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，通过外部驱动器(14)，优选地通过电动机，施加用于保持所述磁极轮(19)的旋转的差分动能。

14.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，高温油优选地用作传热介质，并且优选地可能加热至250℃，而不会形成蒸汽。

15.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，出于热辐射原因，具有循环泵和热/冷水混合装置的热/冷水混合单元被集成到加热系统中。

16.根据前述权利要求中任一项所述的旋转感应热发生器，其特征在于，热输出功率大于10kW，优选地大于20或50kW，或特别优选地大于100至500kW。

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