DD252933A5

DD252933A5 - Leichter elektromagnetischer hochleistungsumformer

Info

Publication number: DD252933A5
Application number: DD86298294A
Authority: DD
Inventors: Gene A Fisher
Original assignee: ��@��k��Kk��
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1987-12-30
Also published as: ZA869543B; FI865263A0; NO865229L; FI102864B; IL81087A; HUT43442A; CA1312646C; JPS62189954A; KR870006699A; US5004944A; DK173855B1; US5311092A; DK622986D0; IN167623B; EP0230639A2; JP2831348B2; EP0230639B2; DK622986A; CN86108648A; IE71653B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen leichten elekromagnetischen Hochleistungsumformer mit hohem Leistungs-Gewichts-Verhaeltnis, der als Elektromotor, Wechselstrom- oder Gleichstromgenerator, insbesondere fuer selbstgetriebene Fahrzeuge, wie z. B. Personenfahrzeuge, einsetzbar ist. Der Umformer kann schalenfoermig aufgebaut sein, wodurch die Waermeableitung gefoerdert wird; er besitzt eine magnetflusserzeugende Baugruppe mit einer Vielzahl von im bestimmten Abstand zueinander angeordneten magnetischen Bauteilen (Magneten) und eine Ankerbaugruppe, die aus einer Wicklungsanordnung aus Drahtbuendelleitern besteht, die durch magnetflussfuehrende Elemente (Bauteile bzw. Ueberzuege) voneinander getrennt sind, die, sofern sie selbst elektrisch leitend sind, in einer, zwei oder drei Dimensionen zu den magnetflussfuehrenden Elementen dispergiert sind. Die Ankerleiter und die magnetflussfuehrenden Bauteile bzw. Ueberzuege sind dispergiert, wodurch die Entstehung entgegengesetzter Induktionsstroeme bzw. Wirbelstroeme - je nachdem, welcher Effekt beim Umformen entsteht - verhindert wird. Diese Dispersion ermoeglicht einen hohen Wirkungsgrad, wobei ein hohes Drehmoment sogar bei hoher Drehzahl zwischen magnetflusserzeugender Baugruppe und Anker beibehalten wird. Die Kombination von hohem Drehmoment und hoher Drehzahl bewirkt eine hoehere Leistung pro Gewichtseinheit. Fig. 1

Description

LEICHTER ELEKTROMAGNETISCHER HOCHLEISTUNGSUMFORMER ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Umformer und insbesondere einen leichten elektromagnetischen Hochleistungsumformer, der als Motor, Wechselstrom- oder Gleichstromgenerator eingesetzt werden kann.

CHARAKTERISTIK DES BEKANNTEN STANDES DER TECHNIK

Elektromagnetische Umformer sind bekannt, die sowohl für die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie sowie für die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt werden. In beiden Fällen ergibt sich die Fähigkeit, Energie zu erzeugen, aus der Bewegung der magnetischen Bauteile, der Magneten, und der elektrisch leitenden Bauteile zueinander, wie dies durch die Anwendung dieses Phänomens auf Motore, Wechselstrom- und Gleichstromgeneratoren hinlänglich bekannt ist.

Während es hinlänglich bekannt ist, daß Umformer für Motore, Wechselstrom- und Gleichstromgeneratoren hergestellt werden können, die ganz leicht sind, und während zumindest einige bekannte leichte Umformer mit hohen Drehzahlen betrieben werden können, waren diese Umformer nicht geeignet, um bei hohen Drehzahlen eine hohe Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel sind Hochleis.tungsumformer mit einem Leistungs-Gewichts-Verhältnis von 0,6 PS pro Pound für den intermittierenden Betrieb bekannt, aber solche Umformer können mit Leistungsdichten oberhalb 1,0 PS pro Pound nicht kontinuierlich betrieben werden. Bekannte

U187- M6386

2b2

elektromagnetische Umformer können auch nicht gleichzeitig mit hoher Drehzahl und hohem Drehmoment betrieben werden und/oder weisen keinen adäquaten Wirkungsgrad beim Betrieb auf. Darüber hinaus wurden bei den dem Stand der Technik entsprechenden Umformern der Schalenkonstruktion keine Drahtbündelleiter und kein magnetflußführendes Material disperser Phase eingesetzt, so daß diese Umformer auch auf niedrige Drehzahlen begrenzt waren, die selbst bei hohem Drehmoment eine geringere Leistungsdichte ergeben.

Es ist ebenfalls hinlänglich bekannt, daß ein elektromagnetischer Umformer eine Anker- und Läuferanordnung einschließen kann, die ihrerseits sich ausrichtende Magnete am Läufer (siehe z. 8. USA-Patent Nr. 3 663 850, 3 858 071 und 4 451 749) sowie am Anker (siehe z. B. USA-Patent Nr. 3 102 964, 3 312 846, 3 602 749, 3 729 642 und 4 114 057) einschließen kann. Es wurde hierzuvor auch vorgeschlagen, einen Doppelsatz von Polstücken zu verwenden (siehe z. B. USA-Patent Nr. 4 517 484).

Darüber hinaus wurde hierzuvor auch ein schalenförmiger Läufer vorgeschlagen (siehe z. B. USA-Patent Nr. 295 368, 3 845 338 und 4 398 167) und es wurde eine Doppelschalenläuferanordnung vorgeschlagen (siehe z. B. USA-Patent Nr. 3 134 037).

Hierzuvor wurde auch vorgeschlagen, ein Drahtbündel anstelle eines massiven Einzelleiters in der Ankerbaugruppe eines Motors zu verwenden (siehe z. B. USA-Patent Nr. 497 001, 1 227 185, 3 014. 139, 3 128 402, 3 538 364 und 4 321 494 sowie britisches Patent Nr. 9 557), wobei Drähte angegeben werden, die für Hochspannung und hohen Strom eingesetzt werden können und bzw. oder die den Stromflußverlust, den sogenannten Skineffekt und die Erwärmung infolge von Wirbelströmen reduzieren, und wobei solche Drähte in Verbindung mit massiven und bzw. oder Schichtblechkernen Verwendung finden (siehe z. 3. USA-Patent Nr. 3 014 139, 3 128 402 und britisches Patent Nr. 9 557).

£s wurde hierzuvor dann auch ein elektromagnetischer Umformer mit einem Leistungs-Gewichts-Verhältnis von bis zu etwa 1 PS pro Pound vorgeschlagen (siehe z. B. USA-Patent Nr. 3 275 863). Des weiteren ist das Kühlen eines Motors zur Erhöhung seiner Leistungsfähigkeit unter Verwendung eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Gemisches aus einem Gas und einer Flüssigkeit hinlänglich bekannt (siehe z. B. USA-Patent Nr. 4 128 364).

Während deshalb hierzuvor verschiedene Anordnungen für elektromagnetische Umformer vorgeschlagen wurden und/oder Anwendung fanden, waren solche Umformer nicht vollständig zufriedenstellend, was zumindest einige Anwendungen betrifft, einschließlich der Schaffung eines leichten elektromagnetischen Umformers, der in der Lage ist, eine hohe Leistung zu liefern.

Insbesondere lehrt der Stand der Technik nicht die Notwendigkeit der Verwendung von Drahtleitern zur Ermöglichung des Betriebs mit hohen Drehzahlen, was zumindest teilweise auf die weit verbreitet gelehrte Theorie zurückzuführen ist, daß das Magnetfeld in den Leitern sehr gering sei. Bei Leitern, die in herkömmlicher Weise ausgeführt sind, wurde festgestellt, daß bei konstantem Strom das Drehmoment mit zunehmender Geschwindigkeit¹ abnimmt, ein Ergebnis, das im Gegensatz zur herkömmlichen Erwartung steht, daß das Drehmoment groß bleibt, wenn die Drehzahl zunimmt (was mit dieser Erfindung erreicht wird).

DARLEGUNG DES WESENS DER ERFINDUNG

Die Erfindung schafft einen verbesserten elektromagnetischen Umformer, der leicht ist und doch für eine hohe Energieumwandlung infolge der hohen Leistungsdichte des Umformers sorgt, wobei der Umformer für den Betrieb eines Motors, Wechselstromoder Gleichstromgenerators mit hohem Wirkungsgrad geeignet ist, wobei der erfindungsgemäße Umformer für den kontinuierlichen Betrieb bei hohen Leistungsdichten oberhalb 1.0 PS pro Pound geeignet ist.

Die hohe Leistungsdichte pro Gewichtseinheit wird durch die Nutzung einer Ankerbaugruppe mit Drahtbündelleitern bewirkt, die durch magnetflußführende Elemente (Oberzüge) in einer Weise getrennt sind, daß geringe entgegengesetzte.Induktionsströme sowie auch geringe Wirbelströme erzeugt werden, wodurch der Umformer mit hohem Wirkungsgrad und hohem Drehmoment bei hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Wenn sich der Läufer in' bezug auf eine magnetflußerzeugende Baugruppe bewegt, werden Ströme (die allgemein als Wirbelströme bezeichnet werden) in den elektrisch leitenden Teilen des Ankers aufgebaut, wobei diese Ströme zur Erwärmung und zum Skineffekt (zu Wirbelstromverlusten) führen. Diese Ströme erzeugen jedoch auch einen hierzuvor nicht zur Kenntnis genommenen Effekt, dessen Ströme hierin als entgegengesetzte Induktionsströme bezeichnet werden, da diese Ströme das Magnetflußmuster verändern und bei Drehzahlzunahme drehmomentreduzierend in Aktion treten. Die Reduzierung dieses Energieumwandlungsvermögens bei Drehzahlzunahme kann selbst dann auftreten, wenn Verluste infolge dieser Ströme akzeptabel sind, trotzdem wurden bisher keine aus Drahtbündeln bestehende Leiter - wie dies beim elektromagnetischen Umformer dieser Erfindung der Fall ist - vorgeschlagen.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen*

Es ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der leicht ist und trotzdem eine hohe Leistung erbringt, so daß der Umformer eine hohe Leistungsdichte aufweist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten

elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der eine hohe Leistungsdichte pro Gewichtseinheit aufweist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der ein hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis aufweist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der als Motor, Wechselstromoder Gleichstromgenerator mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden kann.

Es ist noch ein anderes Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der für den kontinuierlichen Betrieb mit hohen Leistungsdichten - die oberhalb 1 PS pro Pound liegen - einsetzbar ist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der eine Ankerbaugruppe mit Drahtbündelleitern besitzt, von denen unterschiedliche Abschnitte dazwischen magnetflußführendes Material angeordnet haben, wobei die Leiter und das magnetflußführende Material so gestaltet und positioniert sind, daß geringe Gegenströme induziert werden. ,.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetischen Umformer zu schaffen, der eine Ankerbaugruppe optimaler Dicke umfaßt, die ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen den Effekten der Wärmeüberführung zum Kühlmedium, der Wärmeerzeugung auf Grund der Widerstandserwärmung und anderer Quellen und der Drehmomenterzeugung aufweist. Mit diesem und anderen Zielen im Blick wird es den Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der weiteren Beschreibung offenbar, daß diese Erfindung, die neue Konstruktion, Kombination und Anordnung von Teilen, wie sie hierin nachfolgend beschrieben und insbesondere durch die

mitanhängigen Patentansprüche genauer definiert werden, beinhaltet, wobei es selbstverständlich ist, daß Änderungen der präzisierten Ausführungsformen der hierin offenbarten Erfindung im Rahmen des Geltungsbereiches der Patentansprüche möglich sind.

AUSFÜHRUNGS3EISPIELE

Die zugehörige Zeichnung veranschaulicht komplette Ausführungsbeispiele der Erfindung entsprechend der besten bisher vorgeschlagenen Art für die praktische Anwendung ihrer Prinzipien. In der Zeichnung zeigen:

FIGUR 1 eine auseinandergezogene isometrische·(maßgleiche) Ansicht der Läuferausführung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers;

FIGUR 2 eine Seitenansicht im Schnitt des zusammengebauten elektromagnetischen Wandlers gemäß FIGUR 1 zusammen mit zusätzlichen Bauteilen, die zur besseren Darstellung der Erfindung in Blockschrift bezeichnet sind;

FIGUR 3 eine isometrische Teilansicht zur Darstellung der Anwendung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers in Form eines Fahrmotors für den Antrieb einer Welle eines zugehörigen Fahrzeuges;

FIGUR 4 eine isometrische Teilansicht zur Darstellung der Anordnung der Drahtbündelleiter und der magnetflußführenden Bauteile des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers gemäß FIGUR 1 und FIGUR 2;

FIGUR 5 ein Diagramm zur Darstellung einer typischen Anordnung einer Zwei-Lagen-Wicklung, die aus Drahtbündelleitern gebildet werden, sowie zur Veranschaulichung der magnetflußführenden Bauteile, die zwischen den Windungen der Wicklungen positioniert sind;

FIGUR 6 eine Ansicht im Schnitt längs der Linien 6-6 gemäß FIGUR 2, wobei der Weg des Magnetflusses im Wandler auch dargestellt wird;

FIGUR 7 eine teilweise Schni.ttdarstellung· ähnlich der gemäß FIGUR 6, die jedoch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers darstellt;

FIGUR 8 eine teilweise Schnittdarstellung ähnlich der gemäß FIGUR 6, die jedoch eine weitere andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers veranschaulicht;

FIGUR 9 eine teilweise Schnittdarstellung ähnlich der von FIGUR 6„ die jedoch noch eine weitere andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers darstellt;

FIGUR 10 eine teilweise Schnittdarstellung ähnlich der gemäß FIGUR 6, die aber noch eine weitere andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers veranschaulicht;

FIGUR 11 einen Querschnitt zur Darstellung eines Drahtes des Drahtbündelleiters, wie er am besten in FIGUR 4 gezeigt wird, und zur Darstellung der Isolationsschicht um einen solchen Einzeldraht;

FIGUR 12 einen Querschnitt ähnlich dem gemäß FIGUR 11 zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Ankerleiterdrahtes, der darüber mit einem magnetflußführenden Metall (Eisen) überzogen ist, das die magnetflußführenden Bauteile gemäß der FIGUREN 4 bis 10 überflüssig macht;

FIGUR 13 eine Querschnittsdarstellung ähnlich der von FIGUR 11 und FIGUR 12 zur Darstellung einer anderen weiteren Ausführungsform des Ankerleiterdrahtes, der über Isolationsschicht und Metallüberzug eine weitere Isolationsschicht hat, so daß die magnetflußführenden Bauteile gemäß der FIGUREN 4 bis 10 überflüssig sind;

FIGUR 14 eine Teilansicht zur Darstellung der Anwendung der Ausführungsform gemäß FIGUR 12 oder FIGUR 13 als Anker ohne die Verwendung von gesonderten magnetflußführenden Bauteilen;

FIGUR 15 eine Teilansicht ähnlich der gemäß FIGUR 14 zur Darstellung von abwechselnden Abschnitten von Drahtbündelleitern ohne und mit Oberzug, wie dies mit der Ausführungsform gemäß FIGUR 12 oder FIGUR 13 veranschaulicht wird;

FIGUR 16 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer anderen Ausführungsform des elektromagnetischen Umformers, wie er in FIGUR 2 gezeigt wird, zur Darstellung des auf der Welle befestigten Ankers, wie dies für einen bürstenkomrautierten Umformer zweckmäßig ist;

FIGUR 17 ist eine auseinandergezogene isometrische Ansicht einer weiteren anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Umformers zur Darstellung einer zylindrischsymmetrischen linearen Ausführung desselben;

FIGUR 13 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht noch einer anderen weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Umformers zur Darstellung einer flachen linearen Ausführung desselben;

FIGUR 19 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl für einen herkömmlichen Umformer b) und für den erfindungsgemäßen Umformer a); und .

FIGUR 20 ein Diagramm zur Darstellung des geprüften VVirbelstromes, der Hysterese und der Lüftungsverluste bei unterschiedlichen Drehzahlen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Umformers.

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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein neuer elektromagnetischer Umformer einschließlich anderer Ausführungsformen desselben werden hierin speziell beschrieben. Aus der Beschreibung soll hervorgehen, daß der elektromagnetische Wandler dieser Erfindung als Motor (WS-Motor, oder GS-Motor) und als Wechselstrom- oder Gleichstromgenerator genutzt werden kann, je nachdem ob ein elektrisches Signal zum Anker geleitet wird (gewöhnlich durch einen Kommutator oder eine äquivalente Einrichtung: für die Erzeugung einer Kraft, die die Bewegung einer magnetflußerzeugenden Einrichtung in bezug auf den Anker verursacht und somit die Welle antreibt, oder, wenn die Welle rotiert, zur Bewegung der magnetflußerzeugenden Einrichtung zur Schaffung einer elektromotorischen Kraft, die wiederum eine Bewegung des Stroms längs der Leiter des durch die Leiter zu koppelnden Ankers in Form eines elektrischen Signals verursachen kann, wie dies hinlänglich bekannt ist.

Der elektromagnetische Wandler 35, wie er am besten in den FIGUREN 1 und 2 gezeigt wird, ist leicht und doch für die Bereitstellung einer hohen Leistung geeignet, wobei der Umformer ein Gerät hoher Leistungsdichte ist, das insbesondere .gut beispielsweise für die Anwendung in Verbindung mit selbstgetriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise für Personenwagen eingesetzt werden kann, obwohl es selbstverständlich ist, daß sich die Erfindung nicht auf diese Fahrzeuge beschränkt.

Wenn ein elektromagnetischer Hohlzylinderwandler 35 mit Permanentmagnet für den Fahrzeugantrieb eingesetzt wird, so kann dieser als ein wirksamer auf der Welle montierter Fahrmotor genutzt werden und er kann, wie in FIGUR 3 gezeigt, direkt an den Rädern 37 neben der Achse 39 montiert werden, wobei der Antrieb vorzugsweise durch das Untersetzungsgetriebe 41 erzielt wird.

Wie in den FIGUREN 1 und 2 dargestellt, schließt der elektromagnetische Wandler 35 ein zylindrisches Außengehäuse 43 ein, wobei dieses Gehäuse- an seinen gegenüberliegenden Wänden eine

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Frontplatte 45 und eine Rückwandplatte 46 aufweist, die mittels Schnappringen 48 und 49 auf den gegenüberliegenden Seiten in ihrer Lage gehalten werden.

Eine Welle 51 hat einen Mittenabschnitt .52, der sich durch das zylindrische Gehäuse hindurch erstreckt, wobei die Welle in zentralen Naben 54 und 55 (Nabe 55 wird nur in FIGUR 2 gezeigt) der Abschlußplatten 45 und 46 mit Hilfe von Lagern 57 und 58 so montiert ist, daß der zentrale Abschnitt der Welle in bezug auf das zylindrische Gehäuse koaxial gelagert ist, wobei der verminderte Durchmesser des hinteren Abschnitts 60 der Welle im Lager 58 montiert ist und der vordere Abschnitt 62 der Welle sich nach vorn durch die Frontabschlußplatte 45 erstreckt, wobei die Abdichtung 64 in der Nabe 54 neben dem Lager 57 positioniert ist.

Wie in FIGUR 2 auch dargestellt, ist das Gebläse 65 neben der hinteren Abschlußplatte 46 angeordnet, wobei die Platte eine versetzte Lufteintrxttsöffnung 66 und eine Vielzähl von Austrittsöffnungen 67 einschließt ,^ die in einem Abstand ringsherum in der Nähe des Umfangs der Abschlußplatte vorhanden sind. Bei dieser Anwendung des Umformers wird ein ^gasförmiges Medium (Luft) - im Gegensatz zu einem Fluid, das öl oder dergleichen enthalten könnte - wie dies bei einigen Wandlern der Fall ist, als Kühlmittel eingesetzt. Zusätzlich ist eine sich verjüngende öffnung 68 so angeordnet, daß die Ankerleiter durch die Abschlußplat.te 46 hindurch angeschlossen werden können.

Wie es in FIGUR 2 am besten dargestellt-ist, hat der Rotor 70 - auf Grund der inneren und äußeren, in einem bestimmten Abstand angeordneten zylindrischen Abschnitte 72 und 73, die sich normalerweise von der Montagescheibe 75 aus erstrecken - einen Doppelhüllenaufbau, so daß die zylindrischen Abschnitte 72 und 73 koaxial zum zylindrischen Gehäuse 43 verlaufen und sich in diesem befinden. Die Montagescheibe 75 hat einen ringförmigen Montageabschnitt 77, der auf einem Keilabschnitt 78 der Welle 51, die im Lager 57 steckt, aufsitzt.

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Der innere zylindrische Abschnitt 72 des Rotors 70 hat an diesem befestigte Magnete 80, die - wie aus der Zeichnung hervorgeht - Permanentmagnete sind - wobei auf Wunsch jedoch auch Elektromagnet^ benutzt werden können. Die zylindrischen Abschnitte 72 und 73 sind aus stark magnetisch permeablem magnetischem Material mit geringem Hystereseverlust (z. B. aus Eisen oder Stahl) gefertigt, und die Montagescheibe 75 ist aus nichtmagnetischem Material (wie beispielsweise aus Plast oder Aluminium) hergestellt, wogegen die Magnete 80 sehr starke Permanentmagnete sind, die vorzugsweise aus Neodymborferrit (NdFeB) bestehen, jedoch auch aus Bariumferritkeramik (BaFe-.Keramik), Samariumkobalt (SmCo) oder dergleichen gefertigt werden können.

Anker 82 ist in bezug auf das Gehäuse 43 feststehend und an der hinteren Abschlußplatte 46 montiert, wie dies in FIGUR 2 gezeigt wird, so daß sich der Läufer 70 in bezug auf den Anker 82 (sowie in bezug auf das Gehäuse 43) dreht. Anker 82 ist somit ein stationäres zylindrisches Schalenteil, das sich zwischen den inneren und den äußeren zylindrischen Teilen 72 und 73 des Läufers längs durch das zylindrische Gehäuse 43 erstreckt. -

Es ist für diese Erfindung wichtig, daß der Anker 82 Drahtbündelleiter 84 einschließt, wie dies am besten in FIGUR 4 dargestellt wird, von denen verschiedene Abschnitte 85 zwischen den magnetflußführenden Bauteilen 86 positioniert sind, wie dies am besten in FIGUR 6 dargestellt ist. Drahtbündelleiter 84 werden vorzugsweise aus einem Bündel dünner Kupferdrähte 87 hergestellt, die von Isolationsmaterial 88 (siehe FIGUR 11) umgeben sind, wobei die Leiter 84 nach einem Verkettungsmuster, das anhand dines Beispiels in FIGUR 5 dargestellt wird, gewickelt sind und die entgegengesetzten Enden des Drahtbündels mit den Anschlußteilen 89, die sich durch die öffnung 68 in der Abschlußplatte 46 erstrecken (siehe FIGUR 2), angeschlossen werden

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Die Drahtbündelleiter 84 gemäß FIGUR 4 werden durch den gesamten Anker als Drahtbündel geführt (sie werden z. B. ringförmig gewickelt), und zwischen jeder Windung der Drahtwicklungen ist ein magnetflußführendes Bauteil 86 angeordnet, wie dies in den FIGUREN 5 und 6 dargestellt wird, wobei eine typische Wicklung in FIGUR 5 schematisch veranschaulicht wird.

Die magnetflußführenden Bauteile 86 bestehen vorzugsweise aus Eisen (zumindest zum Teil) und erstrecken sich zwischen der aktiven Länge der Leiter 84. Die Leiter 84 haben auch Windungsendabschnitte, die sich., über die aktiven Längen hinaus erstrecken und für die Verbindung der aktiven Längen untereinander in einem zweckmäßigen Muster wie z. B. in Form einer Wellenwicklung, wie sie beispielsweise in FIGUR 5 dargestellt.wird, bestimmt sind. Die magnetflußführenden Bauteile bestehen zur Bewerkstelligung der hochfrequenten Umpolarisierung des Magnetfeldes unter Bildung geringer entgegengesetzter Induktionsströme und geringer Wirbelstromverluste vorzugsweise aus dispersem Material. Da Eisen elektrisch leitend ist, muß es fein verteilt sein, um die Bildung von entgegengesetzten Induktionsströmen zu verhindern , (oder zumindest so gering wie möglich zu halten). Es wurde festgestellt, daß ein geeignetes magnetflußführendes 3auteil aus feinem Eisenpulver (10...100 Mikron), das vorzugsweise reaktiv mit einer Phosphatisolation überzogen ist und unter Verwendung eines B-Stufen-Epoxids und eines Wachses als Bindemittel, gepreßt werden kann.

Durch die Bereitstellung von Drahtbündelleitern aus einer Vielzahl von dünnen .Drähten und Anbringung von gesinterten magnetflußführenden Bauteilen zwischen den Windungen der Drähte werden die entgegengesetzten Induktionsströme hinreichend klein gehalten, so daß der Betrieb der elektromagnetischen Umformer bei hohen Drehzahlen und hohem Drehmoment möglich ist, wobei ein solcher Umformer mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird. Bei einer funktionierenden Ausführungsform wurde eine stationäre Ankerschale einschließlich der Kupferwicklungen mit den aus Ei-

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senpulver gepreßten Blechstreifen für die Führung des Magnetflusses und dem glasverstärkten Novolac-Epoxidharzisolationsmaterial, das zwischen Wicklungen und Eisenblechstreifen gegossen wurde, erfolgreich genutzt.

Es wurde festgestellt, daß, wenn diese Erfindung als Motor bei konstantem Strom Anwendung findet, das Ausgangsdrehmoment nahezu konstant gehalten werden kann, und zwar selbst dann, wenn die Drehzahl des Läufers erhöht wird, wie dies in FIGUR 19 durch die Linie a dargestellt wird. Dies ist gans anders als bei den dem Stand der Technik entsprechenden Motoren, bei denen das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl schnell abfiel, wenn massives Material als Leiter und magnetflußführende Bauteile verwendet wurde, wie dies in FIGUR 19 durch Linie b¹ dargestellt wird. Die Kombination von hohem Drehmoment und hoher Drehzahl, die durch den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Umformer möglich gemacht wurde, erzeugt eine hohe Leistungsdichte.

Wie in FIGUR 6 dargestellt, ist der Anker 82 (bestehend aus Drahtbündelleitern 84 und magnetflußführenden 3auteilen 86) in nur geringem Abstand von den Magneten 80, die um die innere Zylinderwand 72 herum angeordnet und ebenfalls in geringem Abstand von der Zylinderwand 73 positioniert sind, wobei die Wände 72 und 73, die für den Magnetfluß für innere und äußere Rückwege sorgen,-angeordnet. Einige typische Magnetflußwege sind in FIGUR 6 dargestellt. Wie gezeigt, sind diese Flußwege Schleifen, die den Anker jeweils zweimal durchdringen, wobei sie prinzipiell durch die magnetflußführenden Bauteile 86 hindurchgehen. Die magnetflußführenden Bauteile ermöglichen es somit einem dicken Anker, eine hohe Flußdichte aufrechtzuerhalten, die für das hohe Drehmoment wesentlich ist.

Wie in FIGUR 7 dargestellt, kann der elektromagnetische Umformer auch so gestaltet werden, daß Magnete 80 auf der Außenwandung 73 (statt auf der Innenwandung 72) angeordnet werden. Wie "

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in FIGUR 8 gezeigt, kann der elektromagnetische Umformer auch so gestaltet werden, daß die Magnete 80 sowohl auf der Innenwandung 72 als auch auf der Außenwandung 73 angeordnet "werden können.

Wie in FIGUR 9 dargestellt, kann ein Anker 82 auch beiderseits der Magnete 80 angeordnet sein. Darüber hinaus - obwohl nicht speziell dargestellt - ist es auch möglich, den elektromagnetischen Umformer so zu gestalten, daß zusätzliche Schichten von Anker-Läufer-Bauteilen (wie sie in der Zeichnung dargestellt sind) radial nach innen und/oder nach außen - angebracht werden.

Die magnetflußführenden Bauteile können auch in einer anderen als der rechteckigen Form gestaltet werden, nämlich, beispielsweise wie die I-förmigen Teile 91 (siehe FIGUR 10), zwischen denen sich die Drahtbündelleiter 84 erstrecken.

Der Ankerleiter kann^ auch entsprechend der Darstellung in FIGUR 12 gestaltet sein, wobei die magnetflußführenden Bauteile 93 als eine Schicht aus stark permeablem Magnetmaterial (wie beispielsweise Eisen) auf einigen oder allen Drähtbündelleitern 94 ausgebildet sind. Wie in FIGUR 13 dargestellt, können die Leiter 94 auch eine Isolationsschicht 95 aufweisen, die zwischen dem Leiter und dem magnetflußführenden Oberzug angebracht ist. In beiden Fällen ist der magnetflußführende Überzug mit einer Isolationsschicht 96 versehen (es sei denn, der magnetflußführende Oberzug ist selbst elektrisch nichtleitend.

Wenn die magnetflußführenden Bauteile auf den Drahtbündelleitern als Oberzüge ausgebildet sind (siehe FIGUREN 12 und 13), dann sind die magnetflußführenden Eisenbleche, die in den FIGUREN 4 bis 10 gezeigt werden, überflüssig. Die Drahtbündelleiter 94 mit den magnetflußführenden Überzügen auf den Drähten können als ausschließliche permeable "Bauteile" des Ankers

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(siehe FIGUR 14) oder im Wechsel mit Drahtbündelleiterabschnitten 85, d. h. mit Drahtbündelleitern, die keine magnetflußführenden Oberzüge aufweisen (siehe FIGUR'15), Verwendung finden.

Die aus gepreßtem Eisenpulver hergestellten magnetflußführenden Bauteile 86 gemäß FIGUR 6 sorgen für dreidimensionale Phasendispersion, wogegen die magnetflußführenden Überzüge 93 auf den Drahtbündelleitern (wie in den FIGUREN 12 und 13 dargestellt) für zweidimensionale Phasendispersion sorgen (Ankereisenbleche andererseits sorgen, sofern sie als magnetflußführende Bauteile eingesetzt werden, nur für eine zweidimensionale Phasendispersion) .

Die elektromagnetischen Umformer dieser Erfindung schließen somit eine magnetflußerzeugende Baugruppe (mit zumindest einem Polpaar, das aus Permanentmagneten oder Elektromagneten bestehen kann) sowie eine Ankerbaugruppe, die den Magnetfluß unterbricht, der durch die magnetflußerzeugende Baugruppe erzeugt wird, und aus im Wechsel angeordneten leitenden Wicklungen und magnetflußführenden Bauteilen besteht, ein, wobei die magnetflußführenden Bauteile als Ankereisen bezeichnet werden können. Die Wicklung kann als Grundbestandteil des Ankers betrachtet (eingesetzt) werden, wobei die Wicklung aus Bündeln von gesonderten Drähten besteht, die hierin als Drahtbündelleiter bezeichnet werden, wobei diese aus feinen Drähten bestehenden Leiter höhe Läuferdrehzahlen ermöglichen, wenn sie in Verbindung mit magnetflußführenden Bauteilen aus dispersem Material verwendet werden.

Es wurde die Verwendung von Leitern aus einer Vielzahl von parallelen isolierten Drähten für die Reduzierung der vVärmeverluste bei hohen Strömen hierzuvor vorgeschlagen (siehe z. B. US-Patent Nr. 497 001), und sie ist auf dem Gebiet der Motore als Methode zur Reduzierung der Skineffektverluste im Motor hinlänglich bekannt. Der Skineffekt jedoch verursacht nur Verluste bei Belastung, wogegen die Wirbelstromverluste nur im Leerlauf

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entstehen, was in Erfahrung gebracht werden kann, wenn man bekannte Geräte mit hoher Drehzahl drehen läßt. Dieser Unterschied ist beim Mechanismus dieses Effektes zu berücksichtigen.

Im Falle von Leitern großen Querschnitts oder magnetflußführenden Bauteilen großen Querschnitts, wie sie zumindest bei einigen herkömmlichen Geräten Anwendung finden, nimmt:die Stärke der in den Ankerblechen induzierten Ströme bei Zunahme der Frequenz der Magnetfeldumpolung zu, und.die Induktionsströme reagieren mit dem Magnetfeld zur Schaffung eines widerstrebenden Drehmomentes, das der Drehzahlerhöhung entgegenwirkt.

Auf diese Weise sind die bekannten schalenförmig aufgebauten . Umformer an sich durch das Gegendrehmoment auf niedrige Drehzahlen beschränkt und können nicht mit hoher Drehzahl betrieben werden, so daß sie deshalb für den Einsatz als Zugmotore in den meisten praktischen Anwendungen nicht geeignet sind.

Wird der Umformer als Motor eingesetzt, muß natürlich auch eine Einrichtung für die Verschiebung (d. h. Drehung) des Magnetfeldes in bezug auf den Anker bei hoher Drehzahl vorgesehen, sein, so daß die elektrische Energie in einer Weise, die der bei bekannten Motoren angewendeten Methode ähnlich ist, in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Wie in FIGUR 2 dargestellt, kann dies durch Anschließen der Zuleitungen 97 zwischen den Anschlußteilen 89 des Ankers 82 und dem Stromgenerator und dem Regler 98 bewerkstelligt werden, so daß der Regler 98, der Strom zu den Drahtbündelleitern 84 leitet, um die Drehung-des Läufers 70 zu erzeugen, mit der Drehung von Rotor 70 die Drehung der Welle 51 für den Antrieb einer Last 99 bewirkt.

Wird der Wandler als Wechselstrom- oder Gleichstromgenerator eingesetzt, verursacht ein Kraftantrieb 99 die Drehung von Welle 51, die den Läufer 70 dreht,-damit eine Spannung an den Drahtbündelleitern-34 erzeugt wird, wodurch ein elektrischer Strom, der auf diese Weise erzeugt wird, von den Drahtbündel-

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leitern 84 zu einer Last 98 fließt. Obwohl in den FIGUREN 1 bis 15 nicht speziell dargestellt, ist zu beachten, daß der Stromgenerator und der Regler (oder andererseits der Anker) erforderliche elektrische Kommutationseinrichtungen einschließt, und zwar einschließlich jener Einrichtungen, bei denen die Kommutation elektronisch durchgeführt wird (wie beispielsweise bei einem bürstenlosen GS-Motor), sowie auch jene Einrichtungen, bei denen Gleichrichter anstelle der Kommutatoren verwendet werden (wie dies häufig bei Anwendungen der Energieerzeugung der Fall ist).

FIGUR 16 veranschaulicht eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Umformers dieser Erfindung, bei dem der Anker 82 mit der Welle 51 durch die Montagescheibe 101 verbunden ist und die innere zylindrische Wandung 72 und die äußere zylindrische -Wandung 73 am Gehäuse 43 befestigt sind. Bei dieser Ausführungsform wird somit aus dem Anker der Läufer, wobei die elektrische Energie mit Hilfe von Bürsten oder Schleifringen 102 mit dem Anker in Verbindung gebracht wird (wobei die Bürsten im Fall einer Gleichstrommaschine und die Schleifringe im Fall einer Wechselstrommaschine eingesetzt werden). Die in FIGUR 16 dargestellte Ausführungsform wird für einige Anwendungen bevorzugt, und zwar insbesondere im Fall der kommutierten Gleichstrommaschine.

Der erfindungsgemäße Umformer hat gegenüber einem herkömmlichen Motor durch den Einsatz eines Minimums an Eisen, das der Magnetflußumkehr ausgesetzt ist, einen bedeutenden Vorteil. Das heißt, nur die magnetflußführenden Eisenbleche im Anker sind dem umkehrenden Magnetfluß bei Vorbeibeweguag an den Polen ausgesetzt, so daß die entstehenden Hystureseverluste gering sind. Darüber hinaus.wird die Wirkung der Kraftlinienstreuung reduziert, so daß alle Ankerwicklungen der gesamten Kraftlinienänderung ausgesetzt und somit für die Erzeugung des Drehmomentes in gleicher Weise nützlich sind.

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Der erfindungsgemäße Umformer hat auch bedeutende Vorteile bezüglich der Wärmeableitung. Aus diesem Grund wird das hervorragende Verhältnis zwischen hoher Leistung und Gewicht weiter verbessert. Dadurch, daß der Anker nur aus isolierten Drahtbündelleitern und dem erforderlichen magnetflußführenden Eisenmaterial hergestellt wird, ist ein schmaler Ankeraufbau möglich. Deshalb ist es möglich, sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Ankers für Kühlung zu sorgen.

Auf Grund der Prinzipien der Wärmeableitung ist die im Anker entstehende Wärme bei konstanter Temperatur der Außenfläche und gleichmäßiger innerer Erwärmung pro Volumeneinheit vom Quadrat seiner Dicke abhängig. Es soll beispielsweise ein Anker, der 0,25 Zoll dick ist (wie dies entsprechend dieser Erfindung möglich ist) mit einem massiven Läufer, 'dessen Durchmesser fünf Zoll beträgt, (wie dies bei bekannten Umformern üblich ist) verglichen werden. Die bei solchen bekannten Umformern entstehende Wärme ist etwa 400mal so groß wie die des erfindungsgemäßen Umformers mit einem solchen Anker. Es ist klar, daß der erfindungsgemäße Umformer mehr Wärme als jeder andere bekannte herkömmliche Umformer ähnlicher Leistungsnennwerte ableiten kann. ' -

Der elektromagnetische Umformer dieser Erfindung kann in mehreren geometrischen Gestaltungsvarianten der Grundausführung hergestellt werden. Neben der rotierenden-zylindrischen Schalenausführung kann der Motor dazu gebracht werden, eine lineare Bewegung zu erzeugen, indem die räumliche Ausrichtung von Magneten und Wicklungen verändert wird. Andere (nicht dargestellte) geometrische Gestaltungsvarianten schließen flache und konische Ausführungen ein.

FIGUR 17 veranschaulicht eine lineare sich hin- und herbewegende Ausführung des erfindungsgemäßen Umformers, wobei sich der magnetflußerzeugende Abschnitt in bezug auf den zylindrisch ausgeführten Anker linear bewegt. Zur Erreichung dieses Zieles

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weist der Anker 105 Drahtbündelleiter 106 und magnetflußführende Bauteile 107 auf, die radial um die Welle 51 verlaufen (und nicht parallel zu dieser, wie dies in der Ausführungsform gemäß FIGUR 1 .gezeigt wird), wobei der Läufer 109 mit Magneten 110 ausgerüstet ist, die sich rings um den Umfang der inneren zylindrischen Wandung 72 erstrecken (und nicht parallel zur Welle 51, wie dies bei der Ausführungsform in FIGUR 1 gezeigt wird).

In FIGUR 13 wird eine weitere lineare sich hin- und herbewegende Ausführungsform des elektromagnetischen Umformers dieser Erfindung gezeigt, der einen flachen Aufbau hat. Wie dargestellt, sind die Magnete 113 auf einer flachen unteren Rückkehrplatte 114 aufgebracht. Der Anker 115 ist in derselben hierin zuvor für die anderen dargestellten Ausführungsformen beschriebenen Weise mit Drahtbündelleitern 116 und magnetflußführenden Bauteilen 117 ausgestattet, mit der Ausnahme, daß der Anker im wesentlichen flach und nicht zylindrisch ist). Auch ist eine obere Rückkehrplatte 118 vorgesehen, und der Anker 115 ist in bezug und zwischen der unteren Platte 114 und der oberen Platte 118 mittels an den Rändern der oberen Platte IIS montierten Rollen

120 und mittels in Befestigungsgehäusen 122 montierten Rollen

121 (die von der unteren Platte 114 getragen werden) linear bewegbar.

Die Grundausführung und geometrische Gestaltung eines erfindungsgemäß aufgebauten Prototypumformers, die,auf Computerberechnungen (basierend auf der Verwendung von 24 Magneten, Leitern mit einem Durchmesser von 0,008 Zoll und 144 magnetflußführenden Elementen, wie hier nachfolgend ausführlicher festgelegt) beruhen, sind wie folgt:

Leistung (bei 10 000 U/min.) 40 PS

Spannung 72 Volt GS

Strom 425 Ampere GS

Durchmesser 6,5 Zoll

Anker, Gesamtdicke 0,28 Zoll

Länge 3,5 Zoll

Gewicht 15,0 Pound

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Wirkungsgrad (berechnet für 10 000 U/min.) 97,6%

Insbesondere beruhen die oben angeführten Motorberechnungen auf den hier nachfolgend angeführten fiotorberechnungen:

Geometrische Parameter

Ll » 0,125 L2 = 0,02 L3 = 0,25 L4 = 0,02

L5 = 0,3 L6 = 0,125 L9 = 2 Rl = 2,438

Ml = 0,684 M2 = 0,513 M3 = 0,171 M5 = 0,109 M6 = 0,054

XI s 0,5 M4 a 0,75

Materialeigenschaften

R9-= 0,075 U9 = 0,0000004 DE = 0,054 RO = 1,7241 BR = 11500 UR = 1,05 HD = 5000 MD =0,3

VJD = 0,323 KM-" 0,0000001 Nl = 2

Wicklungsvariable

DW = 8,00000IE-03 PF =.0,42 . VO = 72 IM = 425 NP = NM = 24 NS = 2 NL = 2 SR =1 YD = 2 NT = 1 S MI =2'

Magnetfelder

3A = 8000 BM = 10053 HM = 1373 BS = 16000 B - RP(innen) = 15131 3 - RP(außen) - 17136 3 - Rückweg, Magnetfluß bei 425 Ampere = 754 Max. Strom bei HD

a 2042

P(I) = 7,3 P(2) = 1,2 P(3) = 0,3 P(4) » 3,7 Gewichte der"Bauteile

Kupfer = 0,72 Epoxid = 0,30 Magnete = 2,22 Ankereisen = 1,11 Rückwege = 2,32 Gehäuse = 5,87 Welle = 2,46 Gesamtgewicht =15,0

£0

22

Elektrische Parameter

Widerstand = 0,0027 R pro Phase = 0,004 Leerlauf-Drehzahl = 11164,7 U/min.

Fluß-Pound bei Stillstand (36154 Ampere) = 1644 Drähte/Leiter = 56 Effektive Länge = Stat. Volumen = 7,S Leitergröße = 0,054 χ 0,125

Berechnete Betriebseigenschaften als Funktion der Drehzahl

Verluste in IVatt

U/min.	ft-lb	A	123	Wirbel strom	Hyste rese	Lüftungs verlust	PS	eff. (%)
1116	19,3	425	359,6	2,5	9,3	0,1	4,1	89,2
2233	19,3	425	359,6	10,2	18,6	0,6	8,2	94
3349	19,3	425	359,6	22,9	27,9	• 1,3	12,3	95,7
4466	19,3	425	359,6	40,7	37,2	2,6	16,4	96,5
5582	19,3	425	359,6	63,6	46,5	4,3	20,5	97
6699	.1'9,3.	425	359,6	91,6	55,8	6,5	24,6	97,3
7815	19,3	425	359,6	124,6	65,1	13,3	28,7	97,4
8932	19,3	425	359,6	162,8	74,4	18,6'	32,9	97,6
10043	19,3	425	359,6	206	83,7	25	37	97,6
11033	19,3	425	359,6	248,4	91,9	31,7	40,6	97,6
11099	9,7	213	89,9	251.3	92,5	32,2	20,4	97

wobei:

Einheit der Länge gleich Zoll, Magnetfelder in Gauß (B), Oersted (H), Verluste in Watt,

Kräfte in Pound (Ib), wie auch das Gewicht, P() = Gauß-Zoll/Oersted, Permeanz (magn. Leifähigkeit) der Magnetflußwege,

R = Widerstand in Ohm

und wobei:

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Parameter Definition

Ll Innerer Rückweg 72, Dicke

L2 Innerer Luftspalt

L3 Anker 32, Dicke

L4 Äußerer Luftspalt

L5 Magnet 30, Dicke

L6 Außenrückweg 73, Dicke

L9 Magnet 30, Länge

MI Kundenwunsch-Variante 1 für Magnete Innenseite,

2 für außen, 3 sowohl für die Innenseite als auch für die Außenseite

Ml Magnet-Wicklungsschritt

M2 Magnetbreite

M3 Spalt zwischen den Magneten an der "Flankenlinie"

M4 M2 als Bruchteil von M3

M5 Ankereisenabstand

M6 Ankereisenbreite

XI Eisenbruchteil

NS Ankereisen 38 pro Phase und Pol

NT Anzahl der Drahtbündelleiter 84 pro Ankereisen

NL Anzahl der Lagen pro V/icklung

NC Gesamtanzahl der Drahtbündelleiter 64 pro Phase

SR Anzahl der Drahtbündelleiter pro Phase (in Reihe)

NP Anzahl der Phasen

YD Kundenvvunschvariante 1 für Sternschaltung und

für Dreieckschaltung

NvV Anzahl der Drähte pro Drahtbündelleiter

NM Anzahl der Magnete

PF Drahtpackungsfaktor

DVV Drahtdurchmesser

WD Dichte des Drahtmaterials

DE Dichte der Epoxidharzvergußmasse

VO Angelegte Spannung

IM Maximaler Strom

NR ist die Leerlaufdrehzahl

Rl Mittlerer Ankerdurchmesser

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Parameter Definition

RO spezifischer Widerstand des Drahtes, Mikroohm-Zentimeter

KM Hystereseverlustkonstanten

R9 Gas/Fluiddichte, Ibm/Kubikfuß

U9 Viskosität, 1 bf s/Quadratfuß

HG . Magnet, Kundenvvunschvariante 1 für Keramikausführung, 2 für NdFeB

HC Pseudo-Koerzitivkraft = 3R/UR

BR Restflußdichte

MD Dichte des Magnetmaterials

UR Rückstoßpermeabilität

HD. Koerzitivstärke am Knie

Für den Nachweis des Motordrehmo'mentes wurde die elektromagnetische Kraft bei einer Prüfung unter realen Einsatzbedingungen an einem Motor in linearer Ausführung ähnlich der Darstellung gemäß FIGUR 18 gemessen, an einem Motor, der für die Prüfung der Computersimulation einer Rotatidnsausführung gebaut wurde. Ein Strom von 125 Ampere erzeugte eine Kraft von 50 Ib.

Das gemessene Magnetfeld (bei Verwendung von Keramikmagneten vom Typ 8) betrug 3500 Gauß. Die aktive Leiterlänge erstreckte sich über drei der vier Pole und bestand aus zwanzig Kupferdrahtbündeln, die jeweils einen Querschnitt von 0,150 χ 0,3125 Zoll hatten. Jeder der 3 χ 20 = 60 Drahtbündelleiter hatte eine aktive Länge von drei Zoll. Somit betrug die gesamte aktive Leiterlänge 3 χ 60 = 180 Zoll. Unter Heranziehung dieser Werte wurde eine Kraft von 45 Pound (Ib) errechnet. Die gemessene Kraft von 50 Ib ist vergleichbar mit der berechneten Kraft von 45 Ib - berücksichtigt .man die Genauigkeit der Prüfung (z. B

ist das Magnetfeld nicht überall absolut gleichförmig, wobei die Wirkungen der Streufelder unberücksichtigt blieben).

Die gemessenen Wirbelstrom-, Hysterese- und Lüftungsverluste für einen Umformer, der entsprechend der hierin dargelegten Prinzi-

/V

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pien und Beschreibung gebaut wurde, werden in der graphischen Darstellung gemäß FIGUR 20 gezeigt. Dieser Motor lieferte bei der Vorprüfung eine Leistung von 16 PS bei 7800 U/min.

Anhand der Ausführungen kann eingeschätzt werden, daß der elektromagnetische Umformer dieser Erfindung somit in der Lage ist, ein Ausgangsleistungs-Gewichts-Verhältnis bereitzustellen, das größer als ein P3 : ein Pound ist, wenn ein Kühlgasmedium (Luft) verwendet wird, und es wird angenommen, daß es wenigstens für einige Kühlmedien größer als fünf PS : ein Pound ist (wobei ein Verhältnis'von fünf zu eins für den Prototyp-Motor berechnet wurde, der hierin vorgestellt wurde). Anhand des Vorangegangenen muß weiterhin eingeschätzt werden, daß diese Erfindung einen verbesserten elektromagnetischen Umformer bereitstellt, der leicht, kompakt, effektiv und denn'och in der Lage ist, eine hohe Leistung zu liefern.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Leichter elektromagnetischer Hochleistungsumformer, gekennzeichnet durch:

eine magnetflußerzeugende Einrichtung;

eine Ankereinrichtung im Weg des durch die magnetflußerzeugende Einrichtung verursachten Magnetflusses, wobei die Ankereinrichtung im bestimmten Abstand voneinander angeordnete Abschnitte von Drahtbündelleitern und magnetflußführende Einrichtungen, die. zwischen den Abschnitten der Drahtbündelleiter angeordnet sind, einschließt; und

eine Antriebseinrichtung für die Bewegung einer magnetflußerzeugenden Einrichtung und einer Ankereinrichtung in bezug auf eine andere magnetflußerzeugende Einrichtung und Ankereinrichtung, wobei die relative Bewegung zwischen diesen mit einer Drehzahl erfolgt, die hinreichend hoch ist, damit die Ausgangsleistung dieses elektromagnetischen Umformers größer als ein PS pro Pound des Umformers ist, wobei der Umformer in einem kühlenden Gasmedium betrieben wird.
2. Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Drahtbündelleiter und magnetflußführende Einrichtungen, die so gestaltet sind, daß die induzierten Gegenströme und Wirbelströme gering sind und der Umformer somit mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
3. Umformer nach Anspruch. 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung, die eine Bewegung mit hinreichend hoher Drehzahl bewirkt, so daß der Leistungsausgang des Umformers zumindest fünf PS pro Pound des Umformers beträgt.
4. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetflußerzeugende Einrichtung aus einem Neodymborferrit, 3ariumferritkeramik und Samariumkobalt hergestellt wird.
5. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetflußführenden Einrichtungen aus magnetflußführendem dispersem Material bestehen und zwischen den Windungen dieser Wicklung positioniert sind.
6. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetflußerzeugenden Einrichtungen und die Ankereinrichtung von zylindrischer Form sind und daß die magnetflußerzeugende Einrichtung und die Ankereinrichtung gegeneinander bewegt werden, so daß die besagte Ausgangsleistung des Umformers erzielt wird.
7. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetflußerzeugende Einrichtung und die Ankereinrichtung zylindrisch sind und die magnetflußerzeugende Einrichtung und die Ankereinrichtung linear gegeneinander hin- und herbewegt werden, um die betreffende Ausgangsleistung des Umformers zu erzielen.

S. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetfluSerzeugende Einrichtung und die Ankereinrichtung im wesentlichen flache benachbarte Flächen aufweisen und die magnetflußerzeugende Einrichtung und die Ankereinrichtung so bewegt werden, daß sich die flachen benachbarten Flächen linear gegeneinander bewegen, um die besagte Ausgangsleistung des Umformers zu erzielen.
9. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der des weiteren eine Läufereinrichtung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetflußerzeugende Einrichtung an dieser Läufereinrichtung befestigt ist, damit sich diese auf einem vorgegebenen Rotationsweg der Läufereinrichtung bewegt, und daß die Ankereinrichtung in Form einer dünnen Schale gestaltet ist.
19. Umformer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Umformer als Motor betrieben wird und die Antriebseinrichtung

geeignete Einrichtungen aufweist, die den Drahtbündelleitern Strom zuführen, so daß die Rotation der Läufereinrichtung mit hinreichend hoher Drehzahl mit dem Ziel bewirkt wird, daß die Ausgangsleistung des Motors größer als ein PS pro Pound des Motors ist, wenn dieser in einem Kühlgasmedium betrieben wird.
11. Umformer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Umformer als Elektroenergieerzeuger betrieben werden kann und daß die den Antrieb bewirkende Einrichtung eine Einrichtung für die Erzeugung der Rotation der Läufereinrichtung einschließt, wobei die Drehzahl der Läufereinrichtung so hoch sein muß, daß der Umformer mit besagter hoher Leistungsdichte betrieben werden kann»
12. Umformer nach Anspruch 9, der des weiteren ein Gehäuse, eine Welle, von der ein Abschnitt in das Gehäuse hineinragt, und eine Montageeinrichtung für die Befestigung der Läufereinrichtung an der Welle einschließt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Läufereinrichtung eine zylindrische Einrichtung einschließt, die in bezug auf die Welle koaxial so positioniert ist, daß die zylindrische Einrichtung und die Welle zu gemeinsamer Rotation gezwungen und die Drahtbündelleiter als Wicklung in einem dünnen Ring angeordnet sind und die magnetflußführende Einrichtung in Form einer Vielzahl von zumindest zweidimensionalen Bauteilen gestaltet ist, von denen unterschiedliche zwischen unterschiedlichen Windungen der aus den Drahtbündelleitern gebildeten Wicklung positioniert sind.
13. Umformer nach Anspruch 12> gekennzeichnet dadurch, daß die Läufereinrichtung eine zweite zylindrische Einrichtung einschließt und daß die zylindrische Einrichtung und die zweite zylindrische Einrichtung für die Magnetflußrückwege sorgt.
14. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von magnetflußführenden Einrichtungen einschließlich gepreßten Eisenpulvers.

252 ?
15. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die im bestimmten Abstand angeordneten Abschnitte der Drahtbündelleiter aus Drähten bestehen, deren magnetflußführenden "Einrichtungen" (Überzüge) aus hoch magnetisch permeablem Material auf diesen Drähten bestehen.

-t
16. Umformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Drähte eine Isolationsschicht aufweisen und die Überzüge aus hoch permeablem Material auf jenen Isolationsschichten-aufgebracht sind.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen