DE102005050446A1

DE102005050446A1 - Antriebssystem

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Publication number: DE102005050446A1
Application number: DE102005050446A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, Flugobjekte und sogar Raumschiffe. Durch Ausnutzung thermodynamischer Effekte eines Elektromotors kann der Wirkungsgrad eines Systems erheblich verbessert werden. Optimal ist eine Batteriekombination aus Li-Ion, NiCd-Batterien und Superkondensatoren, weil diese Kombination nach dem Energiespeicherprinzip des menschlichen Körpers arbeitet. Eine spezielle 380 kV-Hochspannungsleitung liefert für eines dieser Systeme Energie.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere ein System nach Anspruch 1.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, Flugobjekte und sogar Raumschiffe. Durch Ausnutzung thermodynamischer Effekte eines Elektromotors kann der Wirkungsgrad eines Systems erheblich verbessert werden. Optimal ist eine Batteriekombination aus Li-Ion-, NiCd-Batterien und Superkondensatoren, weil diese Kombination nach dem Energiespeicherprinzip des menschlichen Körpers arbeiten. Eine spezielle 380kV-Hochspannungsleitung liefert für eines dieser Systeme Energie.

Antriebssysteme im Weltall benötigen Treibstoff und nutzen Raketenantriebe. Dieser muss von der Erde aus geliefert werden und begrenzt die Reichweite eines Fluges im Weltraum.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, hohe Reichweiten und eine hohe Reisegeschwindigkeit im Weltall zu erreichen.

Durch die Erfindung werden die elektrischen Verluste des Elektromotors für den thermischen Antrieb genutzt. Der Motor kann mit hohen Überströmen genutzt werden, ohne dass viel Energie verloren geht. Eine Lenkung eines Flugobjektes kann über Klappen im Bereich der Austrittsöffnung erreicht werden.

Vorteilhaft ist es wenn kosmische Strahlung, die auf Metall und ähnliches trifft, zu nutzen, um ein hohes thermisches Potential eines Antriebes zu nutzen. Strahlungsenergie kann z.B. Metall sehr effektiv erwärmen, zum Beispiel in einer Haushaltsmikrowelle. Material wie Kunststoff, Glas oder Keramik wird kaum erwärmt. Durch Schichten, Abschnitte bzw. verschiedene sich immer mehr in Richtung einer Austrittsöffnung erwärmende Bereiche, kann ein hoher Antriebsdruck erzeugt werden. Durch einen vorzugsweise im Strömungskanal angeordneten Elektromotor, der z.B. einen relativ geringen Durchmesser durch eine längliche Ausführung haben kann und der sich vorzugsweise selbst durch die Strahlung erwärmt, kann auch Energie gewonnen werden, zum Beispiel als Rekuperationsenergie beim Bremsen im Weltall, die durch Batterien wieder gespeichert werden kann. Der Motor läuft dann als Generator und die Düse als Turbine. Der Elektromotor kann auch zur Steuerung der Geschwindigkeit durch Motorregelung in einfacher Weise genutzt werden. Auch kann der Elektromotor aufgrund eines hohen Druckes die Temperatur an der Austrittsöffnung der Düse stark erhöhen und somit einen sehr hohen Antriebsimpuls schaffen, so dass beispielsweise eine Reise zum Mond, Mars und zurück mit diesem Prinzip möglich ist.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich eine optimale Energiekombination aus einem Energiespeicher mit hoher Speicherkapazität und geringem Gewicht (Li-Ion-akku), einem Speicher mit geringem Innenwiderstand für hohe Ströme (Ni-Cd) und einem Speicher für sehr hohe Ströme (Kondensator). Aus der Erkenntnis, dass der Mensch unterschiedliche Energielieferanten, wie Adensintriphosphat (Kondensator), Kohlenhydrate (NiCd), Fett (Li-Ion) für Schnellkraft (Gewichtheben), Kraft (bodybuilding), Ausdauerkraft (Marathon) benötigt, so benötigt ein elektrisches System für z.B. ein Kraftfahrzeug-, Flugzeugantrieb und. dgl. ebenfalls diese Kombination.

Durch eine Kühlung nach Anspruch 5 kann der Elektromotor sehr hohe Drehmomente erzeugen, ohne überlastet zu werden.

Durch eine Antriebskombination (Brennstoff/Elektromotor) kann Rekuperationsenergie (Turbinen/Generatorbetrieb) genutzt werden und ist außerdem auf Dauer kostengünstig. So können Flugobjekte bei Wiederkehren in die Erde die kinetische Energie nutzen und eine Erdlandung ist weniger gefährlich, da weniger Temperatur erzeugt wird.

Ein Propeller oder Düsenrad nach Anspruch 8 erlaubt hohe Zentrifugalkräfte und ist segmentartig fertigbar. Leichte kleine Einheiten können radial gesehen außen angeordnet werden und können außen durch Ringe z.B. aus Stahl gegen Herausfliegen geschützt werden. Ein großer Propeller kann somit als eine Art Fallschirm beim Wiederkehren eines Flugobjektes in die Erdatmosphäre genutzt werden und erlaubt eine Energierückgewinnung bei Batteriespeicherung in einem Generatorbetrieb.

Durch eine Stromversorgung mit einem System nach Anspruch 9 und/oder 10 muss weniger Treibstoff bis kein Treibstoff zum All befördert werden und ist auch umweltfreundlich und ungefährlich. Erfahrungen in Bezug auf z.B. 380kV-Leitungen sind nutzbar. Eine bis zum All verlaufende Leitung erlaubt einen bidirektionalen Energieaustausch. Werden Trägersysteme eingesetzt, die Wind-, Sonnen- bzw. Strahlungsenergie sowie eine kinetische und/oder potentielle Energie der Welt-All-Leitung und der Leitungssysteme nutzen, können Flugobjekte energiesparend eingesetzt werden. Eine Teilstrecke kann auch vom Weltraum aus in Richtung Erde verlegt werden. Baustrecken können mittels eines Systems nach Anspruch 7 überbrückt werden. Die Energie der Stromleitung kann wie bei einer Zugverbindung genutzt werden. Die Leitungen können mittels Kontaktmittel, wie Kontakträder, von einem Flugobjekt Richtung Erde/Weltall oder umgekehrt zur Stromversorgung des Flugobjektes genutzt werden. Trägerraketen die explodieren können, können zumindest teilweise entfallen. Erforderliche Schwingungsdämpfungen, Zugkraftbeherrschung, Blitzschutzmaßnahmen, Hochspannungsschutz, und dgl. können mit Computern leicht projektiert und z.B. in den eingesetzten Vorrichtungen automatisch geregelt werden.

Besonders wichtig ist die Erkenntnis bzw. die Erfindung, dass eine Nutzung von Verlusten von Elektromotor, Versorgungsbatterien, Leistungshalbleiter und sonstiger Elektronik, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems erheblich verbessern und sogar Probleme eines thermischen Antriebes löst, z.B. bei kalten Düsenantrieben, Motoren und dgl. Besonders wichtig ist eine Leistungserhöhung eines Motors um ein Vielfaches durch Elektromotorkühlung.

Die Vorteile eines Elektromotors wie Energierekuperation, Generatorbetrieb, hohes Drehmoment, schnelle Drehmomentregelung, ist auch für andere Objekte nach Anspruch 12 nutzbar. Dieser kann leicht als Magnetbremse durch Umkehr vom Motor in den Generatorbetrieb oder umgekehrt eingesetzt werden.

Eine sehr effektive Nutzung der Strahlungsenergie mit hohem Wirkungsgrad ist durch Nutzung hoher Temperaturen, durch hohe Strahlungserwärmung und durch niedrige Weltall-Temperatur möglich. Dieser Temperaturunterschied schafft eine hohe Antriebsenergie. Durch eine im Vergleich zur Erde hohe Strömungsgeschwindigkeit im Lufteintrittskanal kann die mangelnde Teilchendichte im Weltall kompensiert werden. Wie ein großer Staubsauger kann ein Flugobjekt im Weltall mit sehr hoher Geschwindigkeit fliegen und somit ohne Treibstoff im günstigsten Fall bekannte und fremde Planeten erreichen. Grundsätzlich ist es auch möglich, nur eine Erwärmung des Elektromotors und/oder seinen Propellern bzw. Düsenräder durch einen strahlungsdurchlässigen Düsenkanal z.B. aus Glas in Verbindung mit dem Propellerdruck zu nutzen. Hohe Geschwindigkeiten mit Elektromotoren im Weltall mit einem geringen Läuferdurchmesser, der vorzugsweise mindestens das doppelte, vorzugsweise mindestens das Zehnfache oder sogar mindestens das Hundertfache beträgt, sind möglich. Auch eine magnetische Lagerung und/oder eine kompassnadelförmige (am Ende spitz) Läuferform (bei Permanentmagnetantrieb) ist möglich.

Erfindungsgemäße Flugobjekte können zum Meteoritenschutz im All eingesetzt werden (Anspruch 15).

Die Erfindung betrifft auch ein Hybridfahrzeug, insbesondere mit einer Elektro/Pflanzenöl-Motor-Kombination.

Die Ölvorkommen sind begrenzt. Daher werden Benzinpreise in Zukunft steigen.

Bekannt sind Fahrzeuge, die mit regenerativer Energie betrieben werden, insbesondere durch Energie aus nachwachsenden Rohstoffen. Pflanzenölbetriebene Fahrzeuge haben jedoch den Nachteil, dass zwei Brennstofftanks für Pflanzenöl und Diesel erforderlich sind, da ein Pflanzenölmotor erst ab einer bestimmten Temperatur betrieben werden kann. Daher startet man diesen Motor zunächst mit Diesel, der sich im zweiten Tank befindet.

Bekannt sind Hybridfahrzeuge mit z.B. Benzin und Elektromotor.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Hybridfahrzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen zu schaffen, das zu 100% aus regenerativer Energie, insbesondere nur mit Pflanzenöl und elektrischer Energie, betrieben werden kann.

Die Erfindung beruht auf den Gedanken, Verlustwärme des Elektromotors, die ansonsten verloren gehen würde, für den Brennkraftstoffmotor zu nutzen. So kann der Kraftstoff, insbesondere ein Pflanzenöl und/oder der Brennkraftstoffmotor erwärmt werden, so dass beispielsweise der Brennkraftstoffmotor gut gestartet und/oder sein Wirkungsgrad z.B. bei niedriger Außentemperatur gesteigert werden kann. Als Verlustwärme des Motors wird auch Verlustwärme seiner Steuerungseinrichtung, wie eine Brückenschaltung mit Leistungshalbleitern, gezählt. So ist auch im Rahmen der Erfindung, wenn nur die Wärme einer Brückenschaltung genutzt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist dieses durch ein erstes mit dem Elektromotor verbundenes Kühlsystem, ein zweites mit dem Brennkraftstoffmotor verbundenes Kühlsystem und ein drittes mir dem Kühler verbundenen Kühlsystem gekennzeichnet. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität. So kann der Elektromotor und/oder der Brennkraftstoffmotor bedarfsweise durch den Kühler gekühlt werden. Durch die Kühlung des Elektromotors ist eine höhere Leistung möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Hybridfahrzeug ein elektrisches Enegiespeicher-System für den Elektromotor mit mindestens einer Batterie und mindestens einem Hochleistungskondensator umfasst. Der Hochleistungskondensator kann hohe Ströme bereitstellen, die zur gewünschten Erwärmung des Elektromotors führen. So kann der Elektromotor wegen eines geringen Innenwiderstandes des Kondensators auch mit einer höheren Leistung betrieben werden.

Um eine bedarfsgerechte Nutzung von elektrischer Energie und Brennenergie zu ermöglichen, ist es günstig, wenn das Fahrzeug durch eine mit einer Fahrzeugantriebswelle verbindbaren Kraftkopplungsvorrichtung gekennzeichnet ist, die wahlweise mit einer Antriebswelle des Elektromotors und/oder wahlweise mit einer Antriebswelle des Brenkraftstoffmotors verbindbar ist. Dadurch kann das Fahrzeug bei ausgeschaltetem Brennkraftstoffmotor, also nur mit Elektromotor gefahren werden, wobei auch ein Betrieb nur mit Brennkraftstoffmotor möglich ist, und zwar ohne Bewegung des Elektromotors. Wenn beide Motoren zugeschaltet sind, kann eine hohe Leistung eingesetzt werden. Eine Computerlösung wird dadurch geschaffen, dass die Kraftkopplungsvorrichtung durch eine elektrische Steuerung betätigbar ausgebildet ist. Der Computer ermittelt, wann welcher Motoreinsatz möglich bzw. sinnvoll ist. Auch kann der Elektromotor für einen Generatorbetrieb zugeschaltet werden.

Um einen optimalen Motoreneinsatz und Wirkungsgrad zu erreichen, ist es zweckmäßig, dass die elektrische Steuerung als Eingangsparameter Temperaturen des Brennkraftstoffmotors (bzw. des Brennkraftstoffes) und/oder des Elektromotors umfasst.

Wenn der Elektromotor derart ausgebildet ist, dass er eine Leistung im gekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb abgibt, die ein Vielfaches, vorzugsweise etwa das Dreifache der Leistung im ungekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb ist, ist der Motor besonders leicht und kompakt konstruierbar. Durch die Kühlung wird Verlustwärme schnell abgeführt. Gekühlt werden können ein Statorpaket, Motorwicklungen, Kupferleitungen der Motorwicklungen (z.B. Kupferhohlleitungen mit Kühlmittel im Hohlkern) und/oder elektronische Komponenten des Motors (z.B. Leistungshalbleiter einer Brückenschaltung, z.B. Kühlbleche davon). Durch diese bevorzugte Ausführung kann die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges erhöht werden. Beträgt die Motorleistung des Ölmotors z.B. 30kW und die des Elektromotors 5kW (ungekühlt), dann wird die maximale Dauer-Leistung von 35kW auf z.B. 45kW durch Kühlung erhöht. Vorzugsweise wird eine Leistungserhöhung durch Kühlung so gewählt, dass mindestens die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges um mindestens 10km/h erhöht wird (z.B. von 150km/h auf 160km/h).

Um ein kurzzeitiges Drehmoment und somit hohe Fahrzeugbeschleunigungen zu ermöglichen, sind der Elektromotor sowie der elektrische Energiespeicher bevorzugterweise derart ausgebildet, dass eine kurzzeitige Spitzenleistung von mindestens das Fünffache der Leistung, vorzugsweise das 8–15-fache von der in einem ungekühlten Dauerbetrieb gegeben ist. Beträgt die Leistung z.B. 5kW im ungekühlten Dauerbetrieb des Elektromotors, dann können kurzzeitig (z.B. 1–10 Sekunden) für Beschleunigungszwecke z.B. 50KW mit einem sehr leichten und kompakten Elektromotor genutzt werden. Der zusätzliche Strombedarf wird vorzugsweise durch Hochleistungskondensatoren und/oder anderen Batterien mit sehr geringem Innenwiderstand, insbesondere NiCd-Batterien geliefert, die sofort nach der Beschleunigung (zumindest teilweise) wieder aufgeladen werden.

Dadurch, dass der Brennkraftstoffmotor bevorzugterweise zur Lieferung einer Grundlast und der Elektromotor zur Lieferung von Spitzenlast dient, wobei insbesondere bei einem Leistungsüberschuss des Brennkraftstoffmotors der Elektromotor in einem Generatorbetrieb läuft, um elektrische Energie zu speichern, ist es möglich den Brennkraftstoffmotor mit seinem optimalen Drehmoment und damit kraftstoffsparend zu betreiben. Wird dieser Drehmoment nicht benötigt, dann kann die überschüssige Energie des z.B. Ölmotors zum Laden des oder der elektrischen Energiespeicher durch den Generatorbetrieb genutzt werden. Analog ist dies zur Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperationsbetrieb) möglich, wobei der Elektromotor durch sein Generatorbetrieb praktisch das Fahrzeug abbremst. Umgekehrt wird elektrische Energie eingesetzt, wenn eine Leistung des z.B. Ölmotors nicht ausreichend ist. Vergleichbar ist dieser Betrieb etwa mit dem Einsatz eines Grundlastkraftwerkes (z.B. Kohle- oder Kernkraftwerk) und eines Spitzenlast- Kraftwerkes (z.B. Pumpspeicher-Wasserkraftwerk), wobei der z.B. Ölmotor das Grundlastkraftwerk und der Elektromotor das Spitzenlast-Kraftwerk ist, wobei der Unterschied ist, dass praktisch als Endprodukt ein Fahrzeugdrehmoment zu liefern ist. Ermöglicht wird dieser Betrieb z.B. durch eine entsprechende elektrische Steuerung (z.B. Computersteuerung).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
Es zeigen:
1–39 verschiedene Antriebssysteme und Vorrichtungen zur Verwendung für wenigstens eines dieser Systeme.
1 zeigt ein Motorsystem mit einem Elektromotor 1, mit einem Brennkraftstoffmotor, insbesondere mit einem Pflanzenölmotor 2. Der Brennkraftstoffmotor kann auch ein Diesel-, Benzin-, Mischbenzin-(Diesel/Benzin, Kraftstoff aus Biomasse und einem anderen Kraftstoff, insbesondere Benzin oder dgl.), Ethanol-, Gas- oder Wasserstoff-Motor sein oder zusätzlich einen der derartigen Motoren aufweisen.
Weiterhin zeigt 1 das Motorsystem mit einem Kühlsystem 3 (Gesamtsystem) mit einem Kühler 4 und mit einem Wärmetauscher 5. Der Wärmetauscher 5 weist ein erstes mit dem Elektromotor 1 verbundenen Kühlsystem 6, ein zweites mit dem Ölmotor 2 verbundenen Kühlsystem 7 und ein drittes mit dem Kühler 4 verbundenen Kühlsystem 8 aufweist. Die Kühlsysteme 6–8 werden mittels Pumpen 10–12 betrieben. Der Wärmetauscher 5 tauscht Wärmeenergie in Abhängigkeit der Pumpleistungen der – insbesondere elektrischen – Pumpen 10–12, die vorzugsweise durch eine elektrische Steuerung (z.B. Computersteuerung) betätigt werden.
Der Ölmotor kann mittelbar durch den Wärmetauscher 5 durch den Kühler 4 gekühlt werden.
Erfindungsgemäß ist das Wärmesystem derart ausgebildet, dass die Verlustwärme des Elektromotors 1 an den Ölmotor und/oder das (zu verbrennende) Öl 15 übertragen wird. Das Öl 15 ist in einem Öltank 16 gelagert und wird durch eine Kraftstoffpumpe 17 in den Ölmotor 2 zum Verbrennen gepumpt.
Alle Kühlsysteme sind Wasserkühlsysteme. Alternativ oder zusätzlich können zumindest teilweise Luft-, Öl-, Fluid- oder andere Kühlsysteme eingesetzt werden. Auch können Kompressoren (Klimaanlage) oder dergleichen eingesetzt werden, um den Elektromotor weiter zu kühlen. Grundsätzlich kann auch über eine Klimaanlage Wärmeenergie vom Elektromotor zum Ölmotor übertragen werden, um den Ölmotor aufzuheizen (nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, dass eine Motorkühl-Temperatur für den Elektromotor unterhalb der Außentemperatur einsetzbar ist und der Elektromotor 1 eine höhere Leistung somit liefern kann. Auch können Motorwicklungen direkt durch ein Fluid der Kimaanlage direkt gekühlt werden, wodurch Kupferleiter besonders leitfähig sind und sehr hohe Spitzenwerte erlauben. So kann eine Klimaanlage, die zunächst nicht genutzt wird, weil erst die Innenraumtemperatur z.B. durch Öffnen von Fenstern gesenkt wird, zur Kühlung des Elektromotors 1 eingesetzt werden. Auch ist es möglich, das Öl 15 zunächst durch den Elektromotor 1 direkt zu pumpen, so dass es erhitzt und damit besser (oder überhaupt) im Ölmotor 2 verbrennen kann. Dadurch kann auch Wärmeenergie vom Elektromotor 1 zum Ölmotor übertragen werden.
Das Hybridfahrzeug umfasst bevorzugterweise ein elektrisches Energiespeicher-System für den Elektromotor 1 mit mindestens einer Batterie 18 und mindestens einem Hochleistungskondensator 19, insbesondere einem Superkondensator bzw. mehreren Superkondensatoren. Das Energiespeicher-System liefert z.B. 12–220 Volt, vorzugsweise 48 Volt. Höhere Spannung sind auch möglich. Zur Spannungserhöhung oder -anpassung können auch DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Batterie 1 und Kondensator 19 sind unmittelbar oder nur mittelbar mit einer Brückenschaltung 20 verbunden. Die Gleichspannung wird dadurch in eine Wechselspannung z.B. drei- oder sechsphasige Spannung gewandelt. Das Batteriesystem liefert insbesondere einen maximalen Motorstrom von insbesondere 50A–500A (vorzugsweise etwa 2,5kW–25kW), z.B. 100A bzw. etwa 5kW. Das Kondensatorsystem liefert einen Motorstrom z.B. max. 200A–2000A (vorzugsweise etwa 10kW–100kW), z.B. 1000A bei z.B. 48V entspricht etwa 50kW.
Zum Vergleich liefert der Ölmotor eine Leistung von insbesondere 20kW–200kW, z.B. etwa 30kW. Somit sind durch Elektro/Ölkombination bis zu 300kW (100kW + 200kW) kurzzeitig möglich. Da höhere Leistungen (über 200kW) selten auf Dauer wegen einer möglichen Geschwindigkeits-Begrenzungsautomatik nötig sind, sind derartige Werte ausreichend. Derartige Leistungskombinationen sind auch unabhängig von der Erfindung einsetzbar.
Mit der Elektro/Kraftstoffkombination ist nicht nur für ein ökologisches Fahren bzw. ein „3-Liter-Auto" auf kostengünstige Weise möglich, sondern es sind auch nach Wunsch sehr leistungsstarke Fahrzeuge möglich. Beispielsweise ist so ein Antrieb für Sportwagen wegen guter Beschleunigungswerte oder auch für Geländewagen wegen einer Bereitstellung von hohen Leistungsspitzen sehr geeignet. Dies wird insbesondere durch eine hohe Energiebereitstellung durch Hochleistungskondensatoren und/oder Elektromotorkühlung erreicht.
Der Elektromotor 1 ist somit derart ausgebildet, dass er eine Leistung im gekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb abgibt, die ein Vielfaches, z.B. etwa das Dreifache, der Leistung im ungekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb ist.
Weiterhin sind der Elektromotor 1 sowie der elektrische Energiespeicher 18 bzw. 19, jedoch insbesondere der Speicher 19, bevorzugterweise derart ausgebildet, dass eine kurzzeitige Spitzenleistung von mindestens das Fünffache der Leistung, z.B. etwa das 9-fache (z.B. 45kW), in einem ungekühlten Dauerbetrieb (z.B. 5kW) gegeben ist.
Die Wärmeübertragung von Elektromotor 1 zu dem Kraftstoffmotor ist nicht nur in einer Aufwärmphase des Motors für einen Kraftstoffverbrauch günstig, sondern auch an sehr kalten Tagen und insbesondere bei Temperaturen unterhalb von –10°C oder sogar erheblich darunter z.B. unter –25°C. Sind z.B. die Hochleistungskondensatoren 19 und/oder andere Batterien mobil ausgeführt und werden diese vor einer Fahrzeugbenutzung an einem warmen Ort gelagert, so liefert der Elektromotor 1 zunächst mit den warmen Hochleistungskondensatoren 19 und/oder anderen Batterien eine extrem hohe Leistung, weil Kupferleiter Kaltleiter sind. Dieser Vorgang ist in Verbindung mit einer Fluidkühlung der Motorwicklung sehr effektiv, weil die Motonrwicklung trotz hoher Ströme sich nur sehr langsam erwärmt.
2 zeigt ein Antriebsprinzip eines Hybridfahrzeuges. Dieses umfasst Räder 20, mindestens eine Radwelle 21, ein System mit Getriebe, z.B. Automatikgetriebe (nicht gezeigt) und den Motorwellen 22, 23.
Bevorzugterweise ist eine mit einer Fahrzeugantriebswelle (z.B. Welle 21 oder eine andere Welle) verbindbare Kraftkopplungsvorrichtung 24 vorhanden. Diese ist mit einer Antriebswelle 22 des Elektromotors 1 wahlweise und/oder mit einer Antriebswelle 23 des Brennkraftstoffmotors 2 verbindbar. So ist ein Elektrobetrieb oder ein Ölbetrieb (Kraftstoffbetrieb) oder beides möglich. Vorzugsweise ist die Kraftkopplungsvorrichtung 24 als Kupplungsvorrichtung mit Kupplungsscheiben 25–27 und/oder als Kraftschluss, Formschluss und/oder Kraftformschlussvorrichtung z.B. mit Ritzellösung, Zahnrad-, Riemen-, und/oder Kettenlösung ausgeführt.
Die Kraftkopplungsvorrichtung 24 ist vorzugsweise durch eine elektrische Steuerung 30 betätigbar ausgebildet ist. Die elektrische Steuerung 30 umfasst als Eingangsparameter Temperaturen 31, 32 des Brennkraftstoffmotors 2 und/oder des Elektromotors 1 und/oder weitere Parameter. Dies erlaubt ein automatisches Schalten bzw. Kuppeln zwischen Öl-, Elektro- oder Kombibetrieb.
Ein weiterer Gedanke sieht vor, dass der Brennkraftstoffmotor 2 zur Lieferung einer Grundlast und der Elektromotor 1 zur Lieferung von Spitzenlasten dient, wie 3 veranschaulicht, wobei insbesondere bei einem Leistungsüberschuss des Brennkraftstoffmotors 2 der Elektromotor 1 in einem Generatorbetrieb läuft, um elektrische Energie zu speichern. So können die Hochleistungskondensatoren 19 schnell geladen und nach Bedarf entladen werden. In diesem Betrieb sind beide Motoren 1, 2 nahezu ständig z.B. durch die Kopplungsvorrichtung 24 miteinander gekoppelt.
In 3 ist die Fahrzeugleistung P in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt. Ein Anfahren erfolgt hier im Elektromotorbetrieb (bis t1), d.h. bis der Kraftstoffmotor 2 durch den Elektromotor 1 bis zu einer bestimmten Temperatur und/oder Temperaturdifferenz erwärmt worden ist. Bis t1 liefern Batterie 18 und Kondensator 19 (B + SC = Batterie + Superkondensator) die Energie. Von t1 bis t2 wird der Elektromotor 1 abgeschaltet und der Kraftstoffmotor 2 zugeschaltet. Das Fahrzeug fährt anschließend im Kraftstoffmotorbetrieb (z.B. Dieselmotorbetrieb DMB) konstant mit einer Grundlast GL, bei der beispielsweise ein optimaler Kraftstoffverbrauch in der Motorkennlinie des Kraftstoffmotors 2 gegeben ist (z.B. 3000 Umdrehungen pro Minute). Von t2 bis t3 erfolgt eine Spitzenlast SL zum Beispiel für einen Überholvorgang. Der zusätzliche Energiebedarf wird durch den Elektromotor geliefert, der sich vorzugsweise automatisch dazu schaltet. Von t3 bis t4 wird die Fahrzeuggeschwindigkeit verringert. Hier erfolgt ein Generatorbetrieb des Elektromotors 1, um Batterie 18 und Kondensator 19 zu laden. Alternativ kann für einen Generatorbetrieb auch ein zusätzlicher Generator dienen. Von t3 bis t4 wird der Kraftstoffmotor 2 durch den Generatorbetrieb belastet, wobei aber seine Motordrehzahl jedoch konstant gehalten werden kann (z.B. Umdrehungen pro Minute). Die Geschwindigkeitsverringerung wird bevorzugterweise durch ein Automatikgetriebe oder durch manuelles Schalten in einen kleineren Gang bewirkt. Ohne weiteres kann diese Betriebsart (vorzugsweise ab t1) mit einem Start-Stopp-Betrieb des Kraftstoffmotors kombiniert werden, bei dem der Kraftstoffmotor 2 bedarfsweise abgeschaltet und innerhalb einer Sekunde wieder angelassen und mechanisch zugeschaltet wird. Der Kraftstoffmotor 2 kann zuerst angelassen und dann mechanisch zugeschaltet werden oder umgekehrt. Anlassen und Zuschalten kann auch gleichzeitig bzw. synchron erfolgen. Analog kann ein Start-Stopp-Betrieb des Elektromotors 1 erfolgen.
Auch kann ein zuschaltbarer Vierradantrieb z.B. für Geländewagen dadurch geschaffen werden, dass ein zusätzlicher Leistungsbedarf des Vierradantriebs durch eines der Motoren, insbesondere des Elektromotors 1 gedeckt wird.
Das Hybridfahrzeug kann nicht nur einen Pflanzenölmotor aufweisen, sondern natürlich auch alternativ oder zusätzlich einen Benzinmotor, einen Dieselmotor, einen Alkoholmotor, Wasserstoffmotor, einen vorher erwähnten Motor und/oder einen Gasmotor (z.B. Erdgasmotor) umfassen.
Der Elektromotor kann ein Innen- oder Außenläufermotor, ein Wechselstrommotor, ein Phasenstrommotor, ein Gleichstrommotor, ein Motor mit einer Erregerspannung, ein Käfigläufermotor, ein Motor mit Permanentmagneten oder auch ein anderer Elektromotor sein.
Besonders vorteilhaft ist auch ohne den gezeigten Erfindung die Kombination Elektro/Wasserstoff/Kraftstoff wie Benzin, Pflanzenöl oder Diesel oder Benzin und Diesel oder anderes Gemisch (Ökogemisch).
4 veranschaulicht ein solches Beispiel. Das Fahrzeug umfasst z.B. einen Dieselmotor DM, den Elektromotor 1 und/oder einen anderen Elektromotor EM und einen Wasserstoffmotor HM. Diese sind durch ein ein Radsystem RS antreibendes Kraftkopplungssystem KS miteinander koppelbar bzw. miteinander kombinierbar und insbesondere wahlweise zuschaltbar.
Bevorzugterweise hat der Kraftfahrzeugmotor bzw. der Dieselmotor DM die größte Nennleistung, der Wasserstoffmotor die geringste Leistung und der Elektromotor oder Elektromotorsystem eine dazwischenliegende Leistung. Hierdurch ergeben sich optimale Fahrleistungen und ein optimaler Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit, Energieverfügbarkeit und Umweltverträglichkeit.
Das Verhältnis beträgt vorzugsweise 50%–80% (insbesondere etwa 60–70%) Dieselmotor-Nennleistung (Diesel oder dgl.), 10–50% (insbesondere etwa 15–30%) Elektro- und 3–20% % (insbesondere etwa 5–10%) Wasserstoffmotor-Nennleistung. Dadurch ist ein Fahren ohne Diesel oder dgl. auch auf längeren Strecken möglich, wobei der drehmomentstarke Elektromotor für das Anfahren usw. sorgt und die Leistung des Wasserstoffmotors höhere Fahrzeuggeschwindigkeiten und Reichweiten erlaubt.
Sehr vorteilhaft ist der Einsatz eines im Fahrzeug einsetzbaren Wasserstoff-Generators HG, der elektrischen Strom in Wasserstoff H2 umwandelt und in einem Wasserstofftank HT des Fahrzeugs speicherbar ist. Der Tank HT ist vorzugsweise auch von außen befüllbar und vorzugsweise auch wieder entleerbar, um es für andere Zwecke oder zum Verkauf oder dgl. zu nutzen. Für die Umwandlung wird Wasser H2O eines internen Wasserstofftanks WT benutzt. Der benötigte Strom (vgl. Schalter S6) wird durch die Batterie B (vgl. Schalter S3) und/oder durch den Elektromotor EM (vgl. Schalter S7) oder einen anderen Elektrogenerator geliefert.
Dies hat den Vorteil, dass erheblich mehr Energie, z.B. Rekuperationsenergie, gespeichert werden kann. Auch kann eine Befüllung des Wasserstofftanks durch „Laden aus der 220V-Steckdose" (Laden durch beliebiges externes Netz) erfolgen, wenn z.B. ein Netzteil bzw. AC/DC-Wandler (vgl. Schalter S2) eingesetzt wird, das intern oder extern sein kann. Ein Solargenerator SG von vorzugsweise 10–200 W des Fahrzeugs kann dann nicht nur die Batterie B laden, sondern auch zur Wasserstoffherstellung eingesetzt werden, so dass bei voller Batterie keine Solarenergie verloren geht. Externe Solargeneratoren sind vorzugsweise auch anschließbar, z.B. 3 kW (nicht dargestellt). Dadurch kann über den Wasserstoffmotor HM, den Elektromotor (Generatorbetrieb im Fahrzeugstillstand) und der Batterie B als Zwischenspeicher eine Notstromerzeugung oder Wohnwagen/Wohnmobil-Strom-Erzeugung oder dgl. mit hoher Energiespeicherkapazität geschaffen werden (vgl. Schalter S5). Besonders vorteilhaft ist, dass keine Abgase entstehen.
Weiterhin zeigt 4 eine Drehstrombrückenschaltung (vgl. S7). Diese ist vorzugsweise bidirektional. Diese kann durch eine PWM-Steuerung betrieben werden, was mit dem System gemäß 1 sehr vorteilhaft ist. Beim Anfahren durch den Elektromotor 1 bzw. EM im kalten Zustand sind rechteckförmige Spannungsblöcke vorhanden. Dadurch sind Oberwellen vorhanden, die für gewünschte Verluste sorgen, um den Brennkraftstoffmotor schnell zu erwärmen, wie 5a zeigt (Stromphase IV des Drehstromsystems). Die Oberwellen werden bei Senkung des Motorstromes dadurch reduziert, dass eine PWM-Sinusannäherung durch Anpassung der Pulsweise an eine Sinusfunktion eintritt, wie 5b zeigt. Dadurch läuft der Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad und geringer Erwärmung. 6 zeigt eine mögliche Anordnung der Komponenten.
7. zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Düsenantriebes bzw. eines Antriebsystems für ein Düsenflugzeug, insbesondere zur Verwendung im Weltall. Dieser umfasst einen Elektromotor 100, der vorzugsweise als Innenläufermotor mit Permanentantrieb ausgeführt ist. Der Motor 100 ist in einem Düsenkanal 101 zwischen einer Düseneintrittsöffnung 102 und einer Düseneintrittsöffnung 103 angeordnet, wobei mehrere Düsenpropeller 104–105 mit einer Antriebswelle 108 des Motors 100 verbunden sind, um eine Art Luftstrom (Allstaub und andere Teilchen und Gase) vom Propeller 104 zum Propeller 107 zu erzeugen. Die Propeller bestehen im Wesentlichen beispielsweise aus Kunststoff (Propeller 104), und/oder einer Metall- und Kunststoffkombination (Propeller 105), wobei Metall eine gute Strahlungsabsorption) hat (Propeller 106) und Keramik wegen hoher Temperaturbeständigkeit (Propeller 107), so dass der „Luftstrom" durch die Propellermaterialwahl bis zur Temperaturverträglichkeit der Materialien wegen vorhandener Strahlungsabsorption (Metall) erwärmt wird.
Der Luftstrom verjüngt sich in Richtung der Öffnung 101, so dass eine zusätzliche Druckerhöhung und ein weiterer Temperaturanstieg eintritt.
Der Motor 100, vorzugsweise ein Drehstrom-Synchronmotor, ist mit Batterien 109, vorzugsweise Lithium-Ion-Batterien, Ni-Cd und Superkondensatoren und einer Ansteuerelektronik 110 (über eine Leistungselektronik) verbunden, die durch eine Schutzkammer strahlungsgeschützt sind. Die Batterien sind z.B. konzentrisch um die Düsenachse verteilt. Die Schutzkammer liegt in einem Düsenmantel, wobei die Temperatur von den Batterien und der Elektronik durch den Düsenmantel abgeführt und größtenteils zur „Luftstromerwärmung" genutzt wird.
Der Düsenmantel besteht aus mehreren Segmenten. Ein inneres Segment 111 ist zum Beispiel aus Kunststoff und hat eine geringere Strahlungsabsorptionseigenschaft als ein äußeres wärmeisolierendes Segment 112. Im Segment 111 sind weitere Segmente 112, 113 aus Metall, die z.B. ringfömig, scheibenartig oder beides ausgeführt sind, um ein Teil der Strahlungsenergie gezielt aufzunehmen bzw. um den Elektromotor vor zu hoher Strahlung zu schützen und um den Düsenkanal zu erwärmen. Die Segmente 113 und 114 sind konzentrisch um die Antriebswelle des Systems angeordnet, um eine gleichmäßige Strahlungsverteilung zu schaffen. Am Ende hoher Temperaturen ist ein Segment 113 aus Keramik angeordnet, welches jedoch durch ein äußeres Glassegment 116 vor Wärmeverlust nach außen geschützt ist z.B. mit Hilfe eines Luftspaltes 118. Die einzelnen Teile sind mit Verbindungselementen 119 oder auf anderer Weise miteinander verbunden.
Durch Steigerung oder Verringerung der Motordrehzahl ist eine Änderung der Reisegeschwindigkeit möglich.
Diese Anordnung sorgt dafür, dass der Druck nach außen zunimmt und wie bei einem bekannten Düsenantrieb an der Austrittsöffnung 101 expandiert. Hierbei wird die Strahlungsenergie, die durch Pfeile veranschaulicht ist, zum Antrieb genutzt. Die Batterien können durch Solarzellen oder durch Generatorbetrieb wieder aufgeladen werden. Im Generatorbetrieb wird die Motorspannung soweit reduziert bis der Motorstrom seine Richtung ändert und die kinetische Energie des Flugobjektes in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Temperatur beträgt vor der Eintrittsdüse z.B. 0° Kelvin, im Motorbereich z.B. 100°C und kurz vor der Austrittsöffnung z.B. 1500°C. Ohne weiteres kann der Düsenmantel aus einer einzigen Glasschicht bestehen oder zusätzlich einen Glasbereich aufweisen, der den Elektromotor zusätzlich erwärmen lässt. Auch können nur Teile des Elektromotors, z.B. nur der Läufer dem Düsenstrom ausgesetzt werden und/oder eine im Wesentlichen über die gesamte Düsenlänge sich erstreckende zusätzliche Glasschicht vorgesehen sein, die wie ein wärmeisolierender Mantel wirkt.
Die Motorleistung kann z.B. 1kWatt bis 100kWatt betragen. Größere Leistungen sind jedoch auch möglich, um zum Beispiel ganze Weltraumstationen schnell zu bewegen. Auch geringere Leistungen sind möglich, um Mess- oder Erkundungsfahrten mit Testfluggeräten zu ermöglichen. Durch Superkondensatoren und/oder Energiespeicher mit niedrigem Batterieinnenwiderstand wie Ni-Cd-Akkus kann kurzfristig ein hoher Strom bereitgestellt werden. Längere Antriebsphasen mit reduzierter Leistung können mit Hilfe von Li-Ion-Akkus bereitgestellt werden.
Grundsätzlich kann auch ein übliches Düsenflugzeug für Höhen auch unterhalb von 10km mit diesem Elektromotor und Düsenanordnung betrieben werden, wobei sämtliche Verlustwärme der Batterien und der Leistungselektronik in kinetische Energie umgewandelt werden.
8 zeigt eine Hochspannungsleitung HL, die von der Erde R in Richtung höherer Luftschichten schwebend verlegt ist. Diese ist in Verlegungsabschnitten VA1, VA2 unterteilt, die an die unterschiedlichen Höhenerfordernissen angepasst sind. Ziel ist es, eine möglich lange Stromverbindung zu einer Schicht oberhalb von 400km, um zum Beispiel Raumstationen RS mit elektrischem Strom zu versorgen, Energie von Weltall in die Erde zu speisen, Informationen zu übertragen (z.B. Satelliteninformationen), Solarenergie vom All durch ein oder mehrere Solarkraftwerke SWK usw. zu erhalten. Die Leitung HI ist eine fliegende Leitung, die in Drehrichtung der Erde mitfliegt. Am Ende der Leitung kann ein Einspeisungspunkt vorhanden sein.
Damit eine möglichst geringe Energie zur Aufrechterhaltung des Betriebs mit niedrigen elektrischen Verlusten möglich ist, ist eine bestimmte Konstruktion erforderlich, die in einem Beispiel anhand der 9 und 10 veranschaulicht ist. Um einen schwebenden Zustand zu erhalten, sind fliegende Masten vorhanden. Die einzelnen Leiter werden durch Leitungsabschnitte L1, L2, L3 von insbesondere 100m bis 5km, vorzugsweise 250m bis 1 km verlegt. Dehnungs- und/oder Dämpfungsabschnitte an den Leitungsabschnittenden gleichen Temperatur-Längenänderungen und/oder Leitungsschwingungen durch z.B. Winde aus. Um eine tragende Konstruktion zu erhalten, sind leichte Ballons BAL mit einer elektrisch isolierenden Tragstruktur, die ein Nachoben- und Nachuntenfliegen des Ballons BAL verhindert. Die Ballons werden vorzugsweise z.B. mittels Sonnenenergie versorgt. Preiswert ist es, eine untere Hälfte strahlungsabsorbierend (z.B. schwarz) und eine obere Hälfte transparent oder weiss zu machen. Bevorzugterweise sind die Ballons BAL beheizbar z.B. mittels eines Strahlers, vorzugsweise eines Infrarotstrahlers, der oben im Inneren des Ballons angeordnet ist und z.B. durch eine aufladbare Batterie durch Solarzellen am Ballon BAL gespeist wird. Die Ballons haben vorzugsweise eine zylinderartige Form und eine wellenartige Außenform, die dazu dient, einerseits Luftschwingungen und Leitungsschwingungen zu dämpfen (Dämpfer) und andererseits eine Kriechstrecke für Ströme zu bilden, damit am oberen Ende ein Null- bzw. Erdungsleiter befestigt werden kann. Zusätzlich werden die Ballons BAL durch Flugobjekte P stabilisiert, die hubschrauberartig ausgeführt und elektromotorisch vorzugsweise auch im Generatorbetrieb betrieben werden, um einerseits den Eigenverbrauch zu senken und andererseits die Ballonbatterie zu speisen, die auch dazu dient, die Flugobjekte zu speisen. In höheren Schichten haben die Hubschrauber eine der Lufthöhe entsprechende angepasste Propellerform, um z.B. auch in 100km Höhe eine Kraft ausüben zu können, z.B. durch eine höhere Propellergeschwindigkeit. Auch die Ballons können an die Höhe angepasst sein z.B. durch Heliumbefüllung und/oder ein kleineres Volumen in höheren Luftschichten. Die Ballons können außerdem elektrische Kondensatorflächen aufweisen, indem z.B. ein Boden und eine Decke des Ballons metallisch ausgebildet sind, die z.B. eine Metallschicht haben. Dadurch werden einerseits Blitze aufgefangen und andererseits eine Blindleistung der Leitung kompensiert.
10 und 11 zeigen die Leiter L1 L2 L3 und vorzugsweise eine 380kV Leitung in Dreiecksanordnung mit einem Nullleiter. Leitungsabschnitte des Nullleiters werden an den an Punkten PN1-PN3 am Ballon, der als Hochspannungsisolator dient, befestigt. So werden die Leitungen mit einem Nullteil umhüllt, der geerdet ist. Zusätzlich kann dieser als Antenne dienen.
12 zeigt eine Leitung im Querschnitt. Die Leitung hat einen Querschnitt von 10–60cm, insbesondere etwa z.B. etwa 30cm. Der Leiter besteht aus einer Außenschicht von vorzugsweise 0,01–1 mm, z.B. 0,05–0,25 mm, vorzugsweise eine Aluminiumschicht AS, die auf einem Träger TR, insbesondere einem Kunststoff aus z.B. PVC liegt. Dieser ist vorzugsweise mit einem Schaumstoffring SST1 z.B. aus Polyurethan verbunden, der einen durch Reibung an einem Innenteil oder Innenring SST2 verschiebbar geführt ist, der auch aus Schaumstoff bzw. Polyurethan besteht. Die Schaumstoffteile dienen als weitere Dämpfer. Dieser hat eine oder mehrere Längsöffnungen LO zum Einführen eines oder mehrerer Trägerseile aus Stahl oder Kunststoff, vorzugsweise einem zugfesten Kunststoff, der durch elastische Seilelemente z.B. Längenänderungen zulässt, um z.B. Winde zu kompensieren.
13a zeigt einen Dehnungsausgleich DA, der z.B. innen angeordnet ist. Wie der Pfeil zeigt, kann die Leitung sich ausdehnen. 13c zeigt einen Zugseil im gedrehten Zustand, wobei ein elastisches Stück aus Gummi, Bungee-Seil oder dgl. die Zugleitung dehnbar hält (13d).
In 14 ist ein Hybridfortbewegungsobjekt, das insbesondere zum Fliegen in hohe Luftschichten geeignet ist und auch weltraumtauglich ist. Es nutzt Rotations- und kinetische Energie, einen thermodynamisch-elektrischen Antrieb mit Speicher und verschiedene Energieumwandlungssysteme. Dadurch ist es sehr flexibel und energiesparend. Es kann dadurch sogar tauchen und schwimmen. Das Fortbewegungsobjekt umfasst einen rotationssymetrischen Grundkörper, insbesondere in Form eines Rugby-Balls mit einem oberen und einen unteren Abschnitt 100, 101 und einen oberen großen und einen kleinen unteren Propeller 102, 103, die jeweils mit einem Läufer eines Elektromotors 104, 105 gekoppelt sind, wobei die Motorwellen 106, 107 unabhängig gelagert und beide Motorständer spiegelsymmetrisch starr gekoppelt sind, so dass sie sich auch gegenläufig drehen können. Bei gleichem Drehsinn dreht sich der Körper, was bei unbemannten Missionen nicht störend ist. Innerhalb des Körpers findet eine turbinenartige Luftbewegung statt unter Ausnutzung thermodynamischer Prozesse statt, um jede Verlustwärme in kinetische Energie umzuwandeln. Daher sind auch Batterien 108 und eine Leistungselektronik im thermischen Prozeß eingebunden, wie 14 zeigt, um ein geringes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad und Wärmespeichervermögen zu schaffen. Dieser erhöht durch Wärme den Luftdruck von oberen Lufteintrittsöffnungen 110 zu den unteren Öffnungen 111. Die Wärme der Motoren ist ebenfalls im Prozess eingebunden und wegen der hohen Wärmespeicherfähigkeit der Motoren wichtig, wie der Strömungsverlauf zeigt. Dieser verläuft insbesondere über ein oberes Zwischenpropellerrad, über Verbindungsdüsen 113 beider geschlossener Hälften (100, 101) und über ein unteres Zwischenpropeller nach unten. Die Luftströmung kann auch umgekehrt verlaufen und es kann Über- und Unterdruck im Grundkörper erzeugt werden, wenn die Motoren 104, 105 gegensinnig laufen. Weiterhin sind obere Bereiche strahlungsreflektierend und untere absorbierend z.B. schwarz u. weiss, wie 14 zeigt, um in Höhen Strahlungsenergie zu tanken, die in elektrischer und Rotationsenergie gespeichert werden kann. Hier liegt der Gedanke zugrunde, dass in einem geschlossenem System keine Energie verloren geht sondern nur umgewandelt wird. Durch die Rotation des Körpers ist die Flugbewegung stabil wie eine moderne Gewährkugel. Diese kann bei bemannten Missionen dadurch ausgeglichen werden, dass eine z.B. ringförmige Passagierkanzel an Motorwelle und/oder frei drehbar gelagert ist, so dass die Passagiere nicht der Rotation ausgesetzt sind. Im Notfall kann auch diese Masse genutzt werden z.B. zum Abbremsen. Daher ist die Verwendung eines oder mehrerer Airbags (Seiten/Frontairbag) bei einem thermodynamisch-elektrischen System und insbesondere bei einem Rotationssystem vorteilhaft. Auch kann eine Rotation der Kanzel vorteilhaft sein, um den Ring bei einem Brand oder sonstiger Katastrophe auseinanderzusprengen, wodurch durch die Rotation die Passagiere und/oder Piloten diese nach außen geschleudert werden, ähnlich wie bei einem Flugzeugschleudersitz. Zudem können Systeme wie Batterien zur Zentrifugalkraftregelung eingesetzt werden. z.B. durch elastische Schichten.
Bevorzugterweise besteht der untere Propeller 103 aus Metall, der obere Propeller aus glasfaserverstärktem Kunststoff und der Grundkörper aus elastischem Material, elektrostatischem Material, insbesondere Gummi, um auch statische Aufladungen zum Speichern und Erzeugen von Energie zu nutzen. Eine solche Schaltung zeigt 18. Die Ladungen z.B. mittels eines AC/AC Wandlers in eine geringere Spannung reduziert, gleichgerichtet und durch Kondensatoren vorzugsweise die Superkondensatoren Csc des Antriebssystems gespeichert, so dass elektrostatische Aufladungen praktisch aufgesogen werden. Um eine Überspannung zu vermeiden, können Ableiter ABL z.B. zwischen Gummimantel und der Lagerwelle z.B. des oberen Motors vorhanden sein, wobei der Grundkörper und ein Wellenlager WE elektrisch isoliert sind. Bei Überspannung entsteht ein Blitz, welches thermische Energie erzeugt, die ebenfalls zum Antrieb genutzt wird, weil es die Lagerwelle bzw. den Motor erwärmt.
Zusätzlich öffnet bei einer Überspannung eine Zehnerdiode, die eine Spule mit beweglichem Magnet bestromt. Dieser schiebt und/oder zieht eine Masse bestehend z.B. aus einem Peltierelement PE einer Bremskachel aus Keramik und einer Antenne, die durch ein Verbindungselement vereint sind. Dadurch wird weitere Energie in Form von Erhitzung der Spule und Bewegungsenergie umgewandelt. Die Bremskachel wird nur bei Zuschalten eines Stromimpules in die Spule über den Grundkörper hinausgeschoben, z.B. wenn beim Fallen eine zu hohe Hitze am Grundkörper entsteht. Die Zehnerdiode, die eine höhere Sperrspannung als die Kondensatoren Csc hat, pumpt jede Bewegungs-energie des Magneten, z.B. infolge von Windstößen von außen, so dass diese eine Stoßdämpferfunktion hat. Das Peltierelement kann wahlweise Wärme von dem Grundkörper über die mit dem Grundkörper rotierende Antenne nach außen pumpen oder umgekehrt. Dadurch ist es möglich, Wärmeenergie von außen in den Grundkörper zu pumpen, um für den Düsenantrieb zu nutzen.
Das Prinzip des Systems beruht auf der Erkenntnis, dass ein Düsenantrieb durch Luftexpansion an der Austrittsdüse thermische Energie verliert, die aus einer oder mehreren Systemkomponenten besteht, wie Batterie, Motor, Elektronik und Bauelemente, Blitzentladungen, Windbewegungen, Reibung und/oder elektromagnetische Wellen. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es wichtig das System auf ein hohes the modynamisches Potential zu halten. Ein Antennensystem, z.B. aus drei Antennen, die rotieren, Empfangen ein dreiphasiges elektromagnetisches Feld mit einer hohen Trägerfrequenz im MHz oder Giga-Hz-Bereich, vgl. 19. Sie verwerten die von der Erde oder einem Satelliten übertragene Energie als Antriebsenergie. Bestimmte Frequenzen, die z.B. für TV- und sonstigen Empfang dienen, können herausgefiltert werden, um keine Störungen zu verursachen. Auch können die Antennen zum Abgriff einer Hochspannungsleitung (11) dienen, so dass das Flugobjekt auch ein Schienenfahrzeug ist. Daher kann nach dem Prinzip von Aufsammeln von vielen kleinen Energiemengen und Nutzung von Synergien eine relativ kleine Speicherkapazität ausreichen, um hohe Höhenunterschiede (bis zum Weltall) zu überwinden.
So kann das Objekt von der Energie aufgeladen mit elektrischer Energie (Batterie), thermischer Energie (Infrarotstrahler), Rotationsenergie (mechanisch oder durch Luftdruck), statischen Aufladungen sehr hoch fliegen und beim Herunterfliegen wieder speichern (Rekuperation), was eine Landung sehr sicher macht. Die zum Weltall benötigte kinetische Energie ist gleich der potentiellen Energie, so dass durch Umwandlung z.B. von Strahlungsenergie ab 100 km Höhe (z.B. durch schwarze und weisse Flächen) sogar ein Energieüberschuss entstehen kann. Dieses System ist wesentlich effizienter als ein Raketensystem, welches Raketen abstoßen muss, um überhaupt zum Weltall zu gelangen. Außerdem ist es sehr gefährlich, was einer zivilen Nutzung entgegensteht.
Beispielsweise kann das Objekt so fliegen:
Höhe, Außentemperatur, Einsatzart,
Betrieb des Flugobjekts:
0-2km, 20–0°C, (Flugballonhöhe)
gespeicherte kinetische Energie
2–10km, 0°C bis –50°C, (Verkehrsflugzeughöhe)
gespeicherte thermische + elektrische Energie mit Rekuperationsphasen
10–50km, –50°C bis –10°C (Überschallflugzeughöhe)
elektrischer Antrieb mit gespeicherter elektrischer Energie + thermisch mit Batterie und Motorwärme.
50–90km, –10°C bis –80°C
gespeicherte thermische Energie + Rotationsenergie
90–400km, hohe Strahlung (Raumschiffhöhe)
Strahlungsenergie aus dem Weltall, Richtungssteuerung durch Motoren.
20 zeigt eine Schaltungsanordnung mit der beide Motoren 104, 105 (hier Gleichstrommotoren) steuerbar sind. Jede Art von Motor kann eingesetzt werden. Über vier Schaltelemente, insbesondere Leistungshalbleiter, die auch getaktet werden können, lassen sich Motor-, Generatorbetrieb, Richtungsumkehr, Gegenläufigerbetrieb, Leerlauf und Kurzschluss (Magnetbremse) realisieren. So laufen bei Öffnen der Schalter S1 uns S4 beide Motoren gleichsinnig vorwärts. Bei S2, S3 laufen die Motoren rückwärts, und S1, S2 bzw. S3, S4 gegensinnig zur Unter- oder Überdruckerzeugung.
21 zeigt eine Batterieschaltung mit Li-Ion-Batterien mit etwa 150 Wh/kg, NiCd-Zellen mit z.B. 4mOhm pro 1,2V-Zelle für 40A–70A und Superkondensatoren mit Spitzenströmen von über 500A. Eine dieser Anordnungen liefert z.B. 96 V × 600 A (10 sec) und etwa 6kW (thermisch und elektrisch) bei 100 Parallelschaltungen 0,6 MegaWatt.
22 zeigt ein Flügelrad für eine beliebiges Objekt zu Wasser und/oder zu Luft, insbesondere für das Objekt gemäß 14. Es besteht aus mehreren radial nach außen in der Höhe abnehmenden Ringen r1–r3 unterschiedlicher Radien (23) und/oder radial nach außen abnehmender Flügelzahl von Flügel fl1–fl3 (4, 8, 16). So können hohe Zentrifugalkräfte die Flügelstruktur nicht beschädigen. Die Dicke der Ringe kann ebenfalls abnehmend sein. Entsprechend der Außenposition sind die Flügel geneigt. Vorzugsweise sind sie symmetrisch, um Rückwärtsfliegen zu ermöglichen. Die Ringe r1–r3 können aus Stahl sein, während die Flügel aus glasfaserverstärktem Kunststoff sein können. Diese Konstruktion ist daher sehr leicht, stabil bzw. weist eine relativ kleine Massenträgheit und hat Kreiseleigenschaften. Wie 24 zeigt, können die Flügel segmentartig (a, b) mit außen- und/oder Kreissegmentabschnitten versehen sein, wodurch große Flügendurchmesser kostengünstig herstellbar sind. Die Segmente können zwischen den Ringen aus Metall (c) befestigt und zu einem Kreis angeordnet werden. Diese Struktur hat den Vorteil, dass Zugkräfte der äußeren Flügel nicht auf die inneren Flügel übertragen werden.
Das obige Fluggerät kann natürlich auch mit einem Raketenantrieb kombiniert werden und/oder eine Art elektrische Trägersysteme, die ab einer Höhe vom Objekt, wie bei Raketen abgestoßen werden und z.B. im Meer landen können.
Anstatt den Wirkungsgrad eines einzelnen Systems (elektrisch oder thermisch) zu erhöhen, kann durch thermische Kopplung, wie gezeigt, die Verluste eines Systems dem anderen übertragen werden, wodurch Wirkungsgrad und Gewicht leicht verbessert werden kann. So können andere Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, z.B. Düsenflugzeuge, mit einer thermischen Kopplung eines elektrischen Systems dazu dienen, adiabatische Verluste zu reduzieren und die Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen.
Da mit einem solchen Flugobjekt Flüge zum All kostengünstig, sicher und ohne Brennstoff ausführbar sind, können natürliche Allkapseln z.B. als Überlebenskapseln für Astronauten oder Zivilpersonen geschaffen werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kapsel zeigen die 24 – 28. Hierbei wird ein elastischer Ballon 200 in die Erdumlaufbahn (Erde E) gebracht, wie 24 zeigt (S = Sonne).
Mittels zweier Antriebe, insbesondere Elektromotoren A1, A2 zur Zentrifugalkrafterzeugung (damit Massen an der Ballonwand gedrückt werden), vorzugsweise mit Permanentmagnet und mindestens dem zu einem großen Volumen aufblasbaren Ballon 200, der strahlungsabsorbierend, vorzugsweise schwarz, z.B. aus schwarzem Gummi ist, sowie natürlichen Grundstoffen, insbesondere Wasser und Luft, wird ein Startgebilde geschaffen. Die Luft kann als Pressluft in einem Behältnis aus gefrorenem Wasser untergebracht sein, wobei das Wasser im All im Ballon schmilzt und die Luft freigibt. Dieser wird im Weltall insbesondere unseres Sonnensystems plaziert, wie 25 zeigt. Ein Behältnis 202, z.B. aus gefrorenem Wasser mit Druckluft im Inneren, wird durch eine Ballonöffnung 203, die mit Ventilöffnungen versehen ist, durch die vorzugsweise eine Person hindurchgehen kann, eingeführt. Vorzugsweise wird ein Gegengewicht 204 befestigt und/oder angeformt, um eine Zentrifugalkraft zu kompensieren.
Die Motoren A1, A2 können als Düsenantriebe und/oder Propellerantriebe ausgeführt sein und/oder von einer Batterie gespeist und/oder strahlungsangetrieben sein (z.B. durch den vorgenannten Düseneffekt). Die Motoren A1, A2 haben die Aufgabe den Ballon 200 in Rotation zu versetzen. Das Versetzen in eine Rotation und das Aussetzen der Sonne bewirkt, dass sich der Ballon, wie eine Seifenblase vergrößert und an Volumen zunimmt, weil die strahlungsabsorbierende Fläche größer wird. Dieser Vorgang findet nur langsam statt (z.B. mehrere Tag/Nacht-Zyklen, weil das Eis erst geschmolzen werden muss).
Im Inneren sind vorzugsweise zentrische Kondensatorelektroden CZ (26), die elektrostatische Spannungen aufnehmen, wie 2 zeigt, wobei Steine STAI oder änhliches im Inneren und Staub STAA von außen diesen Vorgang unterstützen (26b). Bei Erreichen einer Spannung finden im Kondensator oder einer anderen Vorrichtung Entladungsvorgänge bzw. Blitze statt, die Kondenswasser KWA verdampfen lassen und eine gewitterähnliche Wasserentladung bewirken, wobei das Wasser durch die Zentrifugalkraft zur Äquatorebene des Ballons geschleudert wird. Das elektrische Massepotential (Null Volt) kann in einfacher Weise durch die Massen der elektrisch leitenden Motoren geschaffen werden. Auch können AC/AC, AC/DC, DC/DC-Wandler eingesetzt werden, um ein Spannungspotential anzuheben oder zu verringern, um definierte Blitze zu erzeugen. Materialwanderung der Elektroden durch Abbrand (ähnlich wie Kontaktabbrand bei Schaltkontakten) sind bei der Materialauswahl der Elektroden zu berücksichtigen, um das Wasser im Ballon nicht zu verseuchen. Wird der Ballon analog zur Erde aufgestellt, so dass an den Polkappen eine geringere Strahlung auftrifft und/oder die Düsenantriebe einen Unterdruck auf der Ballonseite erzeugen, so bilden sich an den Polkappen Eis analog zur Erde. Die einzelnen Ringe stellen unterschiedliche Elemente wie Wasser, Sand, Erde, Sand, Erde, Wasser dar und dienen als Basis zum Anlegen von Pflanzen und/oder Tieren.
Wie 27 zeigt, bildet der Ballon eine Staub- und Gesteinskruste infolge der statischen Aufladung, die durch perforierendes Wasser und/oder durch Alterungsprozesse des Ballons eine feste Struktur bildet. Der Ballon kann mehrschichtig ausgebildet sein oder mehrere Ballons mit unterschiedlichen Eigenschaften besitzen, wie schwarz, weiss, strahlungsabsorbierend, strahlungsreflektierend und dgl., um ein vollständiges Platzen zu verhindern. Auch kann das Aufblasen von neuen inneren Ballons eine Art Mehrkammer-Druckschutz bilden, so dass eine Überlebenseinrichtung auch für Personen geschaffen werden kann, so z.B. wenn ein Raumschiff durch z.B. Meteoriteneinschlag beschädigt ist und/oder zur Erholung der Astronauten. Auch kann das Balloninnere mit Messvorrichtungen, Stromerzeugungsvorrichtungen und sonstige erdähnliche Vorrichtungen versehen sein. Das an den Polkappen gebildete Eis dient in vorteilhafter Weise zur Klimastabilisierung im Ballon. Die Ballonvorrichtung kann auch als Urlaubsinsel für Touristen, als Attraktionspark usw. ausgebildet sein. Die Zentrifugalkraft in Verbindung mit der Anziehungskraft des Ballons auf den Menschen kann entweder der Erde angepasst sein oder absichtlich einen schwerelosen Zustand bewirken, damit Menschen das Gefühl der Schwerelosigkeit ohne Gefahr erleben dürfen. Besonders günstig ist es, dass an der Ballonwand kondensiertes Wasser und/oder an den Polkappen geschmolzenes Wasser sauber und trinkbar ist, so dass ein Wasserspeicher mit trinkbarem Wasser und Luft zum Atmen entsteht.
Eine Fortführung des Verfahrens zeigt 28, der sich praktisch automatisch fortsetzt. Durch die immer größere Masse infolge der Verstaubung und Meteoriteneinschlägen perforiert die Ballonkruste, wobei Pflanzen- und/oder Tiere sich von innen zur Sonne richten und nach außen wachsen. Das Wasser perforiert durch die Zentrifugalkraft des Ballons ebenfalls von innen nach außen, so dass eine Außenwelt möglich ist. Die Pflanzen- und sonstige Verdunstungen verbleiben in einer Ringzone, weil ein Austreten ins All durch Abkühlungsvorgänge ab einem gewissen Volumen und gespeicherter Ballonenergie (insbesondere Rotationsenergie und thermische Energie) dann nicht möglich ist.
Das Aufblasen des Ballons von 25 bis 26 ist energiesparend, da die Düsen- und Drehantriebe vorwiegend durch Solarenergie betreibbar sind. Zusätzlich oder ausschließlich können Photovoltaikelemente zur Energiedeckung eingesetzt werden. Auch können Anlagen zur Energieerzeugung an der Außenfläche des Ballons aufgestellt werden, um z.B. die Erde mittels einer Leitung, wie gezeigt, zu versorgen. Wie 28 zeigt, können sich aufgrund des vergrößerten Ballondurchmessers Plattenverschiebungen und eine erdähnliche Struktur einstellen. Da der Ballon ein geschlossenes System ist, kann Verdunstungswasser von Personen und Pflanzen nicht verloren gehen und ein eigenes geschlossenes Energiesystem sein.
Auch können die Motoren und Propeller die Motoren des Flugobjekts (14) sein, so dass praktisch ein kostengünstiger Motoren- und Komponententransport möglich ist.
Es ist also festzustellen, dass eine solche Überlebensvorrichtung Menscheitsträume erfüllen kann. Durch die mitgeführten Antriebe A1, A2 kann die Kapsel leicht zu Reisezwecken eingesetzt werden, so z.B. zu Mondreisen, zu Marsreisen oder ähnliches.
Die erfindungsgemäße Wärmekopplung des elektrischen Antriebes lässt sich auch auf andere elektrische Einrichtungen übertragen. 29 zeigt ein Radsystem eines Fahrzeuges mit einem Reifen 250, vorzugsweise mit einer Luftkammer und einem gummiartigen Reifenmantel, welcher auf einer Radfelge 251 montiert ist. Die Radfelge ist durch ein oder mehrere Lager 252 an einem Läufer eines Elektromotors befestigt, der vorzugsweise als Außenläufermotor ausgebildet ist. An der Radfelge sind Permanentmagnete angeordnet, die durch ein Wechsel- oder Drehfeld des Stators 254 bewegbar sind. Durch ein Drehfeld bewegt sich das Rad synchron zur Drehfeld, wie bei einem Synchronmotor. Auch andere Motortypen sind einsetzbar. Durch den Stator 254 fließt ein fluides oder gasförmiges Kühlmedium (z.B. Luft oder Wasser) und entzieht dem Reifen und dem Motor Wärmeenergie, was bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten oder beim Bremsen vorteilhaft ist, da so keine Überhitzung des Reifens möglich ist. Das Kühlmedium fließt vorzugsweise durch als Hohlleiter ausgebildete Motorwicklungen (mindestens eine Teilwicklung). Vorzugsweise ist der Reifen zusätzlich thermisch isoliert, z.B. nach außen mit transparentem Material 255, wie Glas, und innen mit einem leichten, vorzugsweise strahlungsabsorbierenden Material, so dass z.B. Sonneneinstrahlung dort gefangen wird, wobei diese Wärme durch das Kühlmedium abtransportiert wird. Somit werden im Wesentlichen die Reibungsverluste des Reifens zumindest teilweise rekuperiert. Vorzugsweise ist der Kühlkreislauf geschlossen. Der Kreislauf ist teilweise elektrisch isoliert (Punkte a-b), so dass der gezeigte Reifenantrieb elektrisch entkoppelt ist. Ein solches Reifensystem ist auch für Flugzeuge interessant, die sehr warm werden können. Der Motor kann die thermische und/oder kinetische Energie rekuperieren (bei Landung). Nach dieser Lehre kann auch ein Flugzeug leicht als Hybridflugzeug ausgebaut sein.
Eine Reifenkühlung mit einer Wärmekopplung zum thermischen Antrieb (z.B. Verbrennungsmotor) kann auch ohne einen im Reifen bzw. Rad integrierten elektrischen Motor erfolgen. Die dem Reifen entzogene Energie dient zur Steigerung des Wirkungsgrades des Antriebes.
Solche Motoren können die Fahreigenschaften durch entsprechende Steuerung verbessern und vermindern den Verschleiss von Teilen. Sie können kombiniert werden mit ABS, Magnetbremsfunktion, ESP, Traktionssteuerung. Durch Schlupfüberwachung bzw. Schlußregelung des Motors können solche Funktionen kostengünstig durch Steuerung einer Brückenschaltung umgesetzt werden, so dass z.B. ABS lediglich durch eine Programmierung der Motorelektronik (also ohne zusätzliche Hardware geschaffen werden kann).
Verluste durch Stoßdämpfer können teilweise kompensiert werden, wenn ein elektrischer Stoßdämpfer 260 eingesetzt wird, der z.B. einen stabförmigen oder scheibenförmigen Permanentmagneten 261 umfasst. Um den Magneten 261 ist eine relativ zum Magneten bewegliche Spule 262 angeordnet. Der Stoßdämpfer wird durch eine Kühlleitung (Fluid oder Gas, Luft, usw.) gekühlt, vorzugsweise durch die Spule, die auch ein Kühl-Hohlleiter sein kann. Vorzugsweise sind mehrere Spulen vorhanden, um z.B. ein dreiphasiges System zu schaffen. Die Spulen sind z.B. an einem AC/DC-Wandler (z.B. Brückenschaltung) geschaltet, um infolge der Fahrzeugbewegungen Ströme in eine durch eine Batterie, vorzugsweise die Antriebsbatterie, zu speichern. Durch Steuerung der Ströme kann eine weiche und/oder eine weiche Dämpfung z.B. durch Steuerung einer Brückenschaltung eingestellt werden, z.B. geschwindigkeitsabhängig und/oder in Anpassung an die Fahrbahnbeschaffenheit (manuell oder automatisch). Auch kann das Fahrzeug leicht tiefergelegt (Sportwagenfunktion) oder angehoben werden (Geländewagenfunktion), indem eine Gleichspannung auf das Spulensystem überlagert wird.
30 zeigt einen Wärmekreislauf für ein Kraftfahrzeug. Der Kreislauf durchströmt mindestens ein Radsystem RA, mindestens einen Stoßdämpfer SD (29), eine Batterie B (vorzugsweise mit Superkondensatoren), eine Pumpe P, mindestens eine Elektronik E, mindestens einen Antriebsmotor (z.B. im Motorraum), einen Verbrennungsmotor VM, einen Kühler und eine Klimaanlage. Mindestens jedoch vier dieser Komponenten, vorzugsweise mindestens fünf oder sechs.
Wie 31 zeigt, sind die Komponenten im Wärme- bzw. Kühlkreislauf so angeordnet, dass ein möglichst hoher thermodynamischer Potentialunterschied von mindestens 100 °C, vorzugsweise über 200°C (z.B. 380°C) erreicht wird, ohne dass Komponenten beschädigt werden. Komponenten mit höherer Temperaturverträglichkeit (EM, VM) sind möglichst am Ende der Wärmekette und zu kühlende Komponenten (RA, SD, B, E) am Anfang der Kette. Zur Gewinnung von Wärmeenergie, z.B. Sonnenenergie, die ein Fahrzeuginnenraum aufgeheizt hat, kann eine Wärmepumpe, insbesondere eine Klimaanlage des Fahrzeugs eingesetzt werden. Die Wärmeenergie wird im Verbrennungsmotor in kinetische Energie umgewandelt.
Ein Abkühlung des Kühlmediums, z.B. Luft, kann durch adiabatische Expansion erreicht werden, wie 32 zeigt. Die Luft durchströmt einen Kanal 300 in Kolbennähe, der in ein Großvolumenraum 301 übergeht, der vorzugsweise als Unterdruckkammer (vgl. Pumpe in 30) betrieben wird. Dadurch kann die Luft stark expandieren. Die Wärmeenergie der elektrischen Komponenten unterstützt im Kanal 300 den Verbrennungsprozeß, der weniger Kraftstoff benötigt, weil ein hohes thermodynamisches Potential im Motor VM gehalten werden kann. Je höher die Temperaturdifferenz in einem adiabatischen Zustand ist, umso höher ist der Wirkungsgrad. Es wird nicht nur die Wärmeenergie des Systems genutzt, sondern auch der Wirkungsgrad durch Anhebung der Motortemperatur im Motorinneren. Außen ist der Motor kalt, wenn die Expansionskammer den Kolbenraum umhüllt. Isolierschichten zur thermischen Isolierung im Motorraum zwischen den Kammern sind vorteilhaft. Günstig ist es, wenn möglichst viele Komponenten möglichst gut wärmeisoliert sind, um einen hohen Wirkungsgrad bzw. einen hohe Leistung zu schaffen. Die Wärme bzw. Kühlleitungen im Motorblock (VM) können z.B. aus einem anderen Motorblockmaterial sein und/oder eingegossen sein.
Der thermische und/oder elektrische Speicher erhöht nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die Verkehrssicherheit erheblich. Die kinetische Energie vor einem Aufprall kann leicht in elektrische-, thermische, und kinetische Energie (insbesondere Rotationsenergie umgewandelt werden). Die thermische Energie (Reifen, Motor usw.) kann mit dem Kühlsystem absorbiert werden. Ein oder mehrere Elektromotoren können in Generatorfunktion Energie umwandeln und auch Energie in Rotationsenergie aufnehmen.
Eine Vorrichtung mit der eine hohe Energiemenge absorbiert werden kann zeigen 33. und 34. Die Masse des Läufers des Elektromotors wird benutzt, um Rotationsenergie aufzunehmen. Hierbei wird der Motor vom System mechanisch (automatisch) entkoppelt und in eine schnelle Drehbewegung versetzt. Die aufgenommene elektrische Energie wird für andere Systeme frei, so dass ein kleiner Energiespeicher ausreichend ist.
Mindestens ein Elektromotor M1-1 (z.B. 29) übernimmt beim Bremsen, insbesondere beim Notbremsen eine Generatorfunktion durch Steuerung einer Brückenschaltung DBS2, die durch Kühlung einen sehr hohen Strom liefern kann. Dieser Strom wird z.B. durch Superkondensatoren aufgesaugt. Etwa gleichzeitig wird ein Hauptantriebsmotor M5 mechanisch vom Antriebssystem entkoppelt und z.B. durch eine Brückenschaltung DBS1 kurzgeschlossen. Hierbei reduziert sich Drehgeschwindigkeit (vgl. 34 rechts) in kurzer Zeit (z.B. 1 ms). Anschließend sorgt eine stromimpulsliefernde Hochspannungseinrichtung TK, dass impulsartig der Motor M5 in eine hohe Rotationsbewegung (vorzugsweise ein Vielfaches der Nenndrehzahl) versetzt wird. Die Einrichtung TK umfasst einen Hochspannungstransformator, vorzugsweise einen Lufttransformator, der vorzugsweise nur bei Notbremsung gezündet wird, und zwar vorzugsweise mit pyrotechnischen Zündsätzen (PS), die Schalter betätigen. Die Primärseite besteht vorzugsweise aus einer, jedoch maximal zehn Wicklungen, um eine geringe Induktivität zu schaffen. Z.B. bei einem hohen Stromanstieg wird an der Primärwicklung bei Erreichen einer günstigen Läuferposition die Sekundärseite dazu geschaltet bzw. gezündet, wobei die hohe Spannung von z.B. 10kV bzw. die Energie der Kondensatoren für eine impulsartige Beschleunigung des Läufers sorgt. Die Zündimpulse können abhängig gemacht werden von z.B. einem Airbagimpuls und/oder von Radarsensoren. Insbesondere sind mehrere Einrichtungen, z.B. für Motorwicklungen L1, L2, L3 günstig, um stets eine optimale Rotorposition vorzufinden. Diese können auch nacheinander gezündet werden.
Günstig ist eine Kombination mit mindestens einem Abstandssensor, insbesondere ein Radarsensor, wie 35 zeigt. Diese können nach vorne, nach hinten und/oder nach unten gerichtet sein. Wird eine Aufprallsituation durch z.B. den vorderen Sensor erfasst, dann können rechtzeitig Motoren in Generatorbetrieb und/oder Kurzschlußbetrieb und/oder Richtungsumkehr betrieben werden, wodurch einerseits Wärmeenergie in Batterien, Elektronik, Reifen, Stoßdämpfer usw. entsteht, die jedoch durch das Kühlsystem (z.B. 30) zwischengespeichert wird. Weiterhin kann die kinetische Energie (siehe v1) durch Kräfte F1, F2 an den Stoßdämpfern (z.B. 29, Gleichspannungsüberlagerung) eine Druckerhöhung der Reifen auf den Fahrbahnbelag an die Reifen und eine vertikale Komponente (v1) reduziert werden. Zusätzlich entzieht eine zusätzliche Rotation (v3) der Motoren (bei negativer Energiebilanz der elektrischen Speicher) weitere Energie. Auch der Verbrennungsmotor wird durch die Wärmekopplung gemäß 32 Bewegungsenergie übernehmen können. Dadurch kann z.B. ein Totalschaden des Fahrzeugs und/oder eine Personenverletzung verhindert werden. Der nach unten gerichtete Abstandssensor dient zum Erkennen von Bodenunebenheiten und zur Einstellung der, insbesondere elektrischen Stoßdämpfer. Auch nach hinten kann ein solcher Sensor gerichtet sein, um das z.B. Fahrzeug auf ein Aufprall eines von hinten kommenden Fahrzeugs einzustellen. Eine ähnliche Sensorik kann auch für Flugobjekte eingesetzt werden, so dass kinetische Energie (Translation) in eine andere Energieform (Rotation, Elektrizität, Wärme) umwandelbar ist.
Hier liegt der Gedanke zugrunde, mehrere Systeme gleichzeitig einzusetzen, um kinetische Energie in mehrere Energiearten umzuwandeln. Bei der Auswahl der Energiespeicher ist dieser Aspekt zu berücksichtigen. So können z.B. Superkondensatoren und NiCd-Batterien in gezeigter Kombination zusammen eine sehr hohe Energie zwischenspeichern. In explosionsgeschützten Kammern eingebettet dürfen diese sogar explodieren, vorzugsweise zielgerichtet explodieren (insbesondere mit Druckentlastungsklappen und/oder -Öffnungen, was auch genutzt werden kann, um eine definierte Aufprallbewegung und/oder Gegenkraft bzw. Gegenimpuls zu erzeugen.
36 zeigt eine Fortbewegungsobjekt, das einen elektrischen Antrieb oder eine Kombination aus Elektromotor und Verbrennungsmotor und/oder Düsenantrieb nach dem vorgenannten Prinzip nutzt. Zur Fortbewegung auf Land hat es Reifen 400. Zum Fliegen hat es eine oder mehrere, vorzugsweise einfahrbare Propeller 401, 402 und/oder eine oder mehrere Düsen, sowie rotierende Teile (z.B. Karosserie) zur Energiespeicherung und Flugstabilisierung und einen Fahrgastraum 403, vorzugsweise mit Druckausgleich, der sich zur Karosserie entgegengesetzt dreht, damit Fahrgäste nicht der Rotation ausgesetzt sind. Auch hat es einen elektrischen Energiespeicher, vorzugsweise nach dem vorgenannten Prinzip. Wie 37 zeigt, kann eine Überfüllung der Verkehrsstraßen z1 dadurch gelöst werden, dass es auf Luftstraßen ausweichen kann. Z.B. z2 = 1–2km, z3 = 20–40km, z4 = 200–400km. So kann ein Material und Personentransport effektiv erfolgen.
Effektive Systeme nutzen die von elektrischen Systemen erzeugte Verlustwärme und/oder erzeugen gezielt solche Wärme, um ein thermodynamisches Antriebssystem zu verbessern, wobei der thermodynamische Potentialunterschied des Verbrennungsmotors und/oder Antriebes (insbesondere Düsenantrieb) stark angehoben wird.
37 zeigt ein Hybridantrieb für Flugobjekte, insbesondere Flugzeuge, mit einem Düsenkanal, Düsenpropellern PROP, einen der Düseneintrittsöffnung nahen Elektromotor FM und einer der Austrittsöffnung nahen Brennstoffdüse FB mit einer Brennstoffzuführung BZF. Elektrische Systeme, wie Batterie, Elektronik können in den Düsen integriert sein, insbesondere im Bereich des Motors FM, z.B. an der Düseninnenwand oder in der Nähe davon. Durch diese Anordnung können elektrische Wärmeverluste in kinetische Energie umgewandelt werden. Außerdem ist Energierekuperation durch Generatorbetrieb möglich und es können alle Vorteile eines Elektromotors, wie hohes Drehmoment zum Starten voll ausgenutzt werden. Die Sender können außerdem als Richtsender (z.B. Parabolsender) ausgeführt und zum Flugobjekt gerichtet sein.
Bei allen Beispielen können auch die Stromleitung in dem Kühl- bzw. Wärmesystem Eingebungen sein (z.B. Hohlleiter), so dass eine Materialersparnis und Gewichtsreduzierung der Stromleiter eintritt. Auch können die Leiter (vorzugsweise Hohlleiter) mit einem druckbeständigem Träger ummantelt sein und/oder im Kern mit einem Träger versehen sein (z.B. Druckluftleitung). Das Stromsystem und/oder das Wärmesystem kann als Bus und/oder als Schiene ausgeführt sein, so dass z.B. ein Abgriff an unterschiedlichen Stelle (z.B. in flexibler Weise zum Ausbau) möglich ist. Auch ein Bernoulli-Effekt kann zum Abgriff bei Abgriffstellen eingesetzt werden, so dass ein definierter Fluss in der zu kühlenden Komponente entsteht.
38 zeigt ein Energiezuführungssystem für einen dreiphasigen Sendersystem mit drei nicht gezeigten Hochfrequenzsendern mit z.B. drei unterschiedlichen Trägerfrequenzen, z.B. 1,1 GHz, 1,2 GHz und 1,3 GHz für Phasen L1, L2, L3. Das Sendersystem übertragt niederfrequente Antriebsenergie mit Trägerfrequenzen 1,1 GHz, 1,2 GHz und 1,3GHz, wobei das in 38 gezeigte Empfangssystem mit entsprechenden Empfangsantennen L1, L2, L3, die als Rotor bzw. als Flügelrotor ausgebildet sind und zur Erzeugung eines niederfrequenten magnetischen Drehfeldes angeordnet sind, welches durch die Trägerfrequenz oder Trägerfrequenzen übertragbar ist. Ein Permanentmagnet-Stator in der Mitte dreht sich relativ zu z.B. Stäben aus ferromagnetischem Material analog zu üblichen Elektromotoren. Die Motorwicklungen sind in Resonanz (parallel oder in Reihe) mit einer Kapazität (z.B. Superkondensatoren) geschaltet, und zwar in Abstimmung mit der jeweiligen Trägerfrequenz (1,1 GHz, 1,2 GHz und 1,3GHz). Motorwicklung und Kondensator bilden ein elektrisches Resonanzsysteme. Dadurch können z.B. Flugobjekte durch elektrische Energie von der Erde und/oder Weltall (z.B. durch Satellit) aus versorgt werden. Möglich ist eine Kodierung, insbesondere digitale Kodierung, der Energieübertragung, analog zur Informationsübertragung. Der Sender kann ein mechanisch und/oder elektrischer rotierender Sender sein, das sich synchron und parallel zur den Empfangsantennen dreht. Die Antennen können in einem Propellerrad integriert sein. Zur Frequenzfilterung können Quarze und andere Filter, z.B. digitale Filter eingesetzt werden. Dies erlaubt eine leichte Bauweise von Flugobjekten. Da die Energie durch genaue Resonanz fast vollständig vom Flugobjekt absorbiert wird, treten keine elektromagnetische Störungen bei einer Informationsübertragung auf, insbesondere bei digitaler Übertragung.
Die Erfindung ist nicht nur auf die drei Beispiele beschränkt. So können beschriebene und/oder gezeigte Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden, z.B. Flugzeugantriebe und Kraftfahrzeugantriebe.

Claims

Hybridfahrzeug mit einem Antriebssystem mit mindestens einem elektromotorischen Antrieb und mindestens einem thermodynamischen Antrieb, dadurch gekennzeichnet dass zumindest Teile des elektromotorischen Antriebes thermisch mit dem thermischen Antrieb gekoppelt sind.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Batteriesystem für das Antriebssystem mit mehreren Energiespeichern mit insbesondere unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf den inneren Batteriewiderstand und/oder Speicherkapazitätsfähigkeit insbesondere mit aufladbaren Lithium-Ion-, Ni-Cd und oder Superkondensatoren, insbesondere aus einer Kombination aller drei Akkus, die vorzugsweise zumindest zeitweise parallelgeschaltet sind.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Elektromotor für das Antriebssystem, bei dem Motorwicklungen gekühlt werden, wobei diese vorzugsweise als Hohlleiter ausgeführt sind, in denen ein gas- und/oder flüssigartiges Medium strömbar ist.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (5), welcher einen ersten mit dem Elektromotor (1) verbundenen Kühlsystem (6), einen zweiten mit dem Brennkraftstoffmotor (2) verbundenen Kühlsystem (7) und einen dritten mit dem Kühler (4) verbundenen Kühlsystem (8) aufweist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlsystem, insbesondere alle Kühlsysteme (6–8) Wasserkühlsysteme sind.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elektrisches Energiespeicher-System für den Elektromotor (1) mit mindestens einer Batterie (18) und mindestens einem Hochleistungskondensator (19).
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einer Fahrzeugantriebswelle verbindbaren Kraftkopplungsvorrichtung (24), die mit einer Antriebswelle (22) des Elektromotors (1) wahlweise und/oder mit einer Antriebswelle (23) des Brenkraftstoffmotors (2) verbindbar bzw. koppelbar ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftkopplungsvorrichtung (24) durch eine elektrische Steuerung (30) betätigbar ausgebildet ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung (30) als Eingangsparameter einen oder mehrere Temperaturen des Brennkraftstoffmotors (2) und/oder des Elektromotors (1) umfasst.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) ein fluidgekühlter, insbesondere Wasser- und/oder ölgekühlter Drehstrommotor ist, insbesondere ein Drei- oder Sechs-Phasen-Motor ist, der mittels einer Brückenschaltung durch den elektrischen Energiespeicher (18, 19) mit Gleichstrom versorgt wird.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) derart ausgebildet ist, dass er eine Leistung im gekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb abgibt, die ein Vielfaches, vorzugsweise etwa das Zwei- bis Vierfache der Leistung im ungekühlten Elektromotor-Dauer-Betrieb ist.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) sowie der elektrische Energiespeicher (18, 19) derart ausgebildet sind, dass eine kurzzeitige Spitzenleistung von mindestens das Fünffache der Nennleistung, vorzugsweise das 8–15-fache der Nennleistung in einem ungekühlten Dauerbetrieb gegeben ist.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Elektro- und Brennkraftstoffmotor (1, 2) und einem mit dem Brennkraftstoffmotor (2) über einen Kühler (5) wirkverbundenen Kühlsystem, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug derart ausgebildet ist, dass der Brennkraftstoffmotor (2) zur Lieferung einer Grundlast und der Elektromotor (1) zur Lieferung von Spitzenlast dient, wobei insbesondere bei einem Leistungsüberschuss des Brennkraftstoffmotors (2) der Elektromotor (1) in einem Generatorbetrieb läuft, um elektrische Energie zu speichern.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Antriebssystem, mit einem Reifen, einer Radfelge und einem im Reifen und/oder der Radfelge integrierten Antriebsmotor, der insbesondere als Außenläufermotor mit Permanentmagneten ausgebildet ist, die vorzugsweise an der als einen mit dem Reifen verbundenen Läufer angeordnet sind, wobei der Läufer vorzugsweise durch ein Kühlmittel kühlbar ist.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Stoßdämpfer für das Antriebssystem mit einem linearen elektromagnetischen Generator und/oder Linearmotor, mit vorzugsweise mindestes einem Magneten und einer Spule, um Stoßenergie als elektrische Energie zu liefern und/oder zur Verstellung der Stoßdämpfereigenschaft und/oder zur Höhenverstellung eines Fahrzeugs, wobei der Läufer vorzugsweise durch ein Kühlmittel kühlbar ist.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verbrennungsmotor für das Antriebssystem mit einer einem Zylinderkolben nahen Hochdruck-Kühlkammer und/oder -Kühlleitung sowie einer vorzugsweise den Motor zumindest teilweise umhüllenden Niederdruck- und/oder Expansionskammer zur Abkühlung eines Kühlmittels, insbesondere Luft.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von kinetischer Antriebsenergie eines Fahrzeugs in Rotationsenergie eines Elektromotors für ein Antriebssystem mit einem zuschaltbaren elektrischen Transformator und/oder Spannungswandler, der den mechanisch Elektromotorläufer impulsartig in eine schnelle Rotation versetzt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit mindestens das Doppelte der Nenndrehgeschwindigkeit beträgt, vorzugsweise mindestens das Fünffache.
Hybridfahrzeug der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kühlsystem mit einer oder mehreren Kühlleitungen, der mehrere elektrische Komponenten eines Hybridantriebes, insbesondere Batterie, Elektronik, ein oder mehrere Elektromotoren, und/oder mehrere Stoßdämpfer, mit einem Verbrennungsmotor und/oder Düsenantrieb thermisch verbindet, wobei vorzugsweise auch Klimaanlage zur Kühlung eines Fahr- oder Fluggastraumes an das Kühlsystem anschließbar ist.