DE102008032666A1

DE102008032666A1 - Kapazitive Wicklung für Elektromotoren, Transformatoren und Elektromagneten

Info

Publication number: DE102008032666A1
Application number: DE200810032666
Authority: DE
Inventors: Pavel Imris
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-14
Also published as: DE112009002191A5; WO2010003394A3; WO2010003394A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Wicklung aus Kupferdraht, deren induktiver Widerstand Null ist, und besteht aus zwei parallel angeordneten Leitern (1, 2), die am weichmagnetischen Magnetkern (8) nach Art einer Spule gewickelt sind und daß beide Leiter (1, 2) am Anfang der Spule durch einen Kondensator (3) elektrisch verbunden sind und daß beide Leiter (1, 2) am Ende der Spule ebenso mit einem Kondensator (4) elektrisch verbunden sind. Der erste Leiter (1) ist am Anfang der Spule mit einem Pol eines oszillierenden Stromgenerators (5) verbunden und der zweite Leiter (2) ist am Ende der Spule mit dem zweiten Pol des oszillierenden Stromgenerators verbunden. In den Stator- und Rotornuten eines Elektromotors ist die kapazitive Wicklung angeordnet und die Kondensatoren (3, 4) sind außerhalb der Motorstruktur befestigt. Durch die Wicklungen eines Elektromotors fließt kapazitiver Strom, der in der Lücke zwischen Stator und Rotor ein Magnetfeld erzeugt, wodurch die elektrische Scheinleistung in mechanische Wirkleistung umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Wicklung aus Kupferdraht, die für alle elektromagnetischen Energiewandler genutzt werden kann und deren induktiver Widerstand Null ist und aus zwei parallel angeordneten elektrischen Leitern besteht, die an beiden Enden durch einen elektrischen Kondensator miteinander verbunden sind. Aus einem solchen Doppelleiter besteht jede Windung in einer elektromagnetischen Spule. Aus derartigen Spulen besteht die gesamte Wicklung einer elektrischen Maschine.
Kapazitive Wicklungen in Form eines Bandkondensators sind seit 1999 bekannt und in der DE-OS 19927 355 A1 erstmals veröffentlicht. In der genannten Schrift ist ein Transformator beschrieben, dessen Primärwicklung ein Bandkondensator ist, der aus zwei Metallfolien und einem flexiblen Dielektrikum besteht und in Form einer Spule gewickelt ist. Eine Metallfolie ist an einem Ende durch einen Anschluß mit einem Pol eines elektrischen Wechselstromgenerators verbunden und die zweite Metallfolie ist über einen Anschluß am anderen Ende mit dem zweiten Pol des elektrischen Wechselstromgenerators verbunden.
Die Anwendung des genannten Bandkondensators hat in einem elektrischen Motor stattgefunden, was in der EP 1489 722 A1 ausgeführt ist. In Schriften, wie z. B. in dem DE-GM 20 2005 008 124 U1 und in der DE-OS 10 2005 023 927 A1 , wird ein Aggregat beschrieben, in dem ein Elektromotor mit Bandkondensatorwicklungen angeschlossen ist.
Ein Hubmagnet mit den genannten Bandkondensatorwicklungen ist in dem DE-GM 2003 17 795 U1 veröffentlicht.
Ferner hat der genannte Bandkondensator besondere Anwendung in einer Vorrichtung zum elektromagnetischen Entsalzen von Meerwasser gefunden, was in dem DE-GM 20 2006 011 195 U1 und in dem DE-GM 20 2007 009 615 U1 sowie im WO 2006/039873 A1 beschrieben ist.
Gemäß dem Stand der Technik wird der Bandkondensator in mehreren Gebieten der Elektrotechnik angewendet und hat als modernes Bauelement in der Elektroindustrie enorme wirtschaftliche Vorteile nachgewiesen. Die wirtschaftlichen Vorteile dieses Bauelements sind jedoch längst noch nicht ausgeschöpft. Der Bandkondensator gemäß dem Stand der Technik hat, trotz vieler Vorteile, auch ein paar technische Nachteile. Die mittels des Bandkondensators gewickelten Wicklungen sind durch die dünne Metallfolie nicht imstande, starken elektrischen Strom hindurchzuführen, wodurch die Leistung eines solchen Bandkondensators beschränkt ist. Der Scheibenbandkondensator gemäß EP 1 489 722 A1 ist mit starkem Strom belastbar und trotzdem hat er den technischen Nachteil bei der Fertigung sowie bei der unterschiedlichen Dilatation zwischen den Metallscheiben und dem keramischen Dielektrikum. Ein weiterer Nachteil des Scheibenbandkondensators ist, daß nur eine Wicklung in Plattenform möglich ist und andere Formen sind nur mit technischen Schwierigkeiten durchführbar. Daher sind die Herstellungskosten hoch und man erhält dennoch eine unbefriedigende Leistung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine kapazitive Hochleistungswicklung für elektromagnetische Energiewandler zu erschaffen, die mit kapazitivem Strom und minimaler Selbstinduktion betrieben werden. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, den Blindstrom in der kapazitiven Wicklung in mechanische Wirkleistung eines Elektromotors umzuwandeln.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Erfindungsgemäß wird eine kapazitive Wicklung geschaffen, bei der mindestens eine Windung aus zwei isolierten Leitern und zwei elektrischen Kondensatoren in Form einer Schleife gewickelt wird.
Gemäß dem Stand der Technik ist die Definition des kapazitiven Stroms in der Elektrochemie wohl bekannt in Bezug auf das Umladen eines Kondensators oder einer elektrolytischen Doppelschicht. Die Eigenschaften eines solchen Stroms sind in der Elektrotechnik unbeachtet. Der kapazitive Strom eines Kondensators ist in der Physik als Verschiebungsstrom bekannt, der gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz in einer Spule ein Magnetfeld erzeugt. Es handelt sich um eine Feldstärke außerhalb eines geraden Leiters.
Mittels der erfindungsgemäßen kapazitiven Wicklung erreicht man eine beliebig hohe Kapazität, die den kapazitiven Strom bestimmt. Die mit der kapazitiven Wicklung gebildeten Spulen können mit hoher Windungszahl gewickelt werden und trotzdem ist deren Selbstinduktion fast Null. In dem elektrischen Schaltkreis wirkt eine so gefertigte Spule wie ein klassischer elektrischer Kondensator.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße kapazitive Wicklung mit Anschlüssen an eine Wechselspannung.
2 einen linear ausgezogenen Doppelleiter mit zwei Kondensatoren an beiden Enden, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.
Gemäß der Erfindung besteht eine gewickelte Spule aus einer Mehrzahl von Windungen, deren besonderes Merkmal es ist, daß jede Windung aus parallelen Leitern besteht und am Anfang sowie am Ende der Spule zwischen den zwei Leitern jeweils ein Kondensator angeschlossen ist. 1 veranschaulicht solche Anordnung. Leiter 1 und 2 verlaufen parallel zueinander und Kondensator 3 ist am Anfang der Spulenwindungen angeschlossen. Kondensator 4 ist am Ende der Spulenwindungen angebracht. Wechselstromgenerator 5 ist durch Anschluß 6 an Kondensator 3 und mittels Anschluß 7 an Kondensator 4 angeschlossen. 1 veranschaulicht das Wichtigste, nämlich, daß Anschluß 6 direkt mit Leiter 1 verbunden ist und Anschluß 7 ist direkt mit Leiter 2 verbunden. Die beiden Leiter 1 und 2 sind durch Kondensator 3 und 4 elektrisch getrennt. Bei einem solchen Schaltkreis schwingt elektrischer Verschiebungsstrom über das Dielektrikum in Kondensator 3 und 4 und weiter in Leiter 1 und 2. Das ist der hier beschriebene kapazitive Strom, der in einem solchen Schaltkreis oszilliert. Die Leiter 1 und 2 in 1 sind in bekannter Art und Weise um einen Magnetkern 8 gewickelt.
Leiter 1 und 2 bestehen z. B. aus isoliertem Kupferdraht und liegen frei beieinander. Die andere Alternative ist, Leiter 1 und 2 sind mit einer Isolationsmasse zusammengebunden. Ferner könnten die Leiter 1 und 2 in einer koaxialen Struktur verlaufen. In einem solchen Schaltkreis ist der schwingende Strom von der Spannung von Generator 5 sowie von der Kapazität der Kondensatoren 3 und 4 und von der Frequenz des Verschiebungsstroms abhängig. Den Höchstwert des Verschiebungsstrom zeigt Gleichung [1] I = U(2π·f·c) [1]wo

U: = Spannung an den Kondensatoren 3 und 4
π: = Ludolfsche Zahl
f: = Frequenz der Spannung
c: = Gesamtkapazität von Kondensator 3 und 4

Der genannte Strom I ist Ladungs- und Entladungsstrom, der durch Kondensatoren 3 und 4 fließt. Der Schaltkreis 1 und 2 würde einem Gleichstrom den Weg völlig versperren, da das Dielektrikum ein totaler Isolator ist. Bekanntlich fließt der Verschiebungsstrom I durch die Kondensatoren 3 und 4 mit einem Leistungsfaktor cosγ, der Null ist. Es ist besonders wichtig zu wissen, daß der genannte Strom I trotz eines Leistungsfaktor von Null dem Biot-Savartschen Gesetz folgt und deshalb erzeugt die Spule in 1 magnetische Feldstärke. Die Magnetfelder solcher Spulen haben in elektromagnetischen Energiewandlern besondere Vorteile. Ferner ist es wichtig zu wissen, daß die Spule in 1 keine Selbstinduktion besitzt, weshalb die Induktivität bei Wechselstromvorgängen gleich Null ist. Die Spule in 1 leistet keinen induktiven Widerstand. Die Spule leistet nur kapazitiven Widerstand X_C, der mittels Gleichung [2] definiert ist:
Die Symbole in Gleichung [2] sind dieselben wie in Gleichung [1].
NUMERISCHE BEISPIELE
Beispiel 1

Spannung = 230 V

Frequenz = 50 Hz

Kapazität = 50 μF

Windungszahl = 250 Wdg

Strom = 3,61 A

Amperewindungen = 903 I·Wdg

Beispiel 2

Spannung = 230 V

Frequenz = 50 Hz

Kapazität = 50 μF

Windungszahl = 2.000 Wdg

Strom = 3,51 A

Amperewindungen = 7.032 I·Wdg

Beispiel 3

Spannung = 230 V

Frequenz = 500 Hz

Kapazität = 50 μF

Windungszahl = 250 Wdg

Strom = 36,12 A

Amperewindungen = 9.031 I·Wdg

Beispiel 4

Spannung = 230 V

Frequenz = 50 Hz

Kapazität = 120 μF

Windungszahl = 250 Wdg

Strom = 8,67 A

Amperewindungen = 2.167 I·Wdg
Die hier beschriebene kapazitive Wicklung hat enormen wirtschaftlichen Wert bei Anwendung in allen elektromagnetischen Energiewandlern, wie Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren, Induktoren und in allen Arten von Elektromagneten. Wicklungen gemäß der Erfindung sind ohne weiteres in allen Elektromaschinen anwendbar und das bis zu einer Leistung von mehreren Megawatt.
Kapazitive Wicklungen für Elektromotoren
Alle Elektromotoren mit kapazitiven Wicklungen gemäß der Erfindung werden genauso gebaut wie Motoren gemäß dem Stand der Technik. Alle magnetischen Kreise werden beibehalten und nach dem bekannten Durchflutungsgesetz berechnet. Das magnetische Flußbild wird beibehalten. Ein wichtiger Unterschied ist der, daß jede Windung gemäß der Erfindung in zwei Leiter geteilt ist, was in 1 und 2 veranschaulicht wurde. Der gesamte Leiterquerschnitt für beide Leiter 1 und 2 in 1 bleibt jedoch derselbe wie der Einzelleiterquerschnitt gemäß dem Stand der Technik. Die Kondensatoren 3 und 4, 1, bleiben außerhalb der Struktur des Elektromotors. Es ist nicht wichtig, welche Windungszahl eine Spule hat. Die Regel bleibt unverändert: Jede einzelne Spule benötigt zwei Kondensatoren wie es in 1 dargestellt ist. Wicklungen gemäß der Erfindung sind bei allen Bauarten von Elektromotoren anwendbar und das auch bei Frequenzen zwischen 50 Hz und 1.000 Hz. Nur der magnetische Kreis des Wechselfeldes muß mit Rücksicht auf die Wirbelstromverluste durch einen guten Eisenkern geschlossen sein. Die Qualität des Eisenkerns entscheidet, bei welcher Frequenz des Wechselfeldes der Elektromotor betrieben wird. Elektromotoren mit kapazitiven Wicklungen gemäß der Erfindung haben minimale Verlustwärme und benötigen kein Kühlsystem. Es ist zu betonen Elektromotoren betrieben mit kapazitiven Wicklungen gemäß der Erfindung kennen keinen Kurzschlußstrom.
Auch bei Stillstand des Rotors entsteht kein Kurzschlußstrom, weil der maximale Betriebsstrom durch die Kapazität der Kondensatoren 3, 4 begrenzt ist. Der wichtigste wirtschaftliche Vorteil gemäß der Erfindung liegt darin, daß der kapazitive Strom, der durch die Wicklungen und Kondensatoren 3 und 4 fließt, einen Leistungsfaktor von cosγ = Null hat. Solche Elektromotoren wandeln die elektrische Scheinleistung in mechanische Wirkleistung um.
Kapazitive Wicklungen für Transformatoren
Gemäß dem Stand der Technik lassen sich bei Transformatoren Zylinderwicklungen und Scheibenwicklungen unterscheiden.
Innerhalb dieser zwei Typen bestehen je nach den Anforderungen durch die Höhe der Spannung und der Leistung sehr vielfältige Konstruktionen. Kapazitive Wicklungen gemäß der Erfindung sind für alle diese Transformatoren und deren Bauweise anwendbar. Es ist zu betonen, daß für jede Spule zwei Kondensatoren 3, 4 in 1 notwendig sind. Der maximale Strom in solchen Wicklungen ist mittels Gleichung [1] zu berechnen. In so gebauten Transformatoren wird nie Kurzschlußstrom stattfinden und der Transformator kann bei höherer Frequenz betrieben werden und das mit minimaler Verlustwärme.
Kapazitive Wicklungen für Elektromagneten
Gemäß der Erfindung sind die Wicklungen keine Induktionsspulen und dehalb induziert die magnetische Flußänderung keine entgegengerichtete Spannung, d. h., die Spulen haben keine Induktivität. Diese physikalische Neuheit hat einen enormen technisch-wirtschaftlichen Vorteil in der gesamten Elektrotechnik. Schnelle und impulsartig reagierende Elektromagnete haben nicht nur in der modernen Technologie, aber auch in der Forschung besondere Anwendungen. Es sind immer wieder Versuche durchgeführt worden mit dem Ziel, enorm starke Magnetfelder zwischen 100 und 300 Tesla zu erzeugen.
Gemäß dem Stand der Technik ist es nicht möglich, ein so starkes Magnetfeld zu erzeugen. Die bekannten Spulen erzeugen Magnetfeldimpulse, deren Dauer zwischen 50 und 100 ms liegt. Die maximale Feldstärke liegt zwischen 80 und 100 Tesla. Die bekannten Spulen werden bei 20 kA bis 27 kA betrieben und das bei Millionen Amperewindungen. Wenn man für einen solchen Test kapazitive Wicklungen gemäß der Erfindung einsetzt, dann werden nur 3 kA bei 3.000 Windungen benötigt, um den 100 Tesla-Impuls zu erzeugen. Mit Wicklungen gemäß der Erfindung erzeugt man Impulse bis 300 Tesla mit einer Impulsdauer unter 50 ms.
Allgemein gesagt, haben Wicklungen gemäß der Erfindung einen enorm großen wirtschaftlichen Wert und sind in allen Gebieten der neuen Technologie einsetzbar, wo Drahtwicklungen angewendet werden. Mit der alten Technologie gemäß dem Stand der Technik ist es nicht möglich, den Wirkungsgrad von elektromagnetischen Energiewandlern weiter zu verbessern. Die hier beschriebene Erfindung bietet der Weltwirtschaft neuartige kapazitive Wicklungen an, die überall in elektromagnetischen Energiewandlern eingesetzt werden können und das mit enormen wirtschaftlichen Vorteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19927355 A1 [0002]
- EP 1489722 A1 [0003, 0006]
- DE 202005008124 U1 [0003]
- DE 102005023927 A1 [0003]
- DE 200317795 U1 [0004]
- DE 202006011195 U1 [0005]
- DE 202007009615 U1 [0005]
- WO 2006/039873 A1 [0005]

Claims

Kapazitive Wicklungen für Elektromotoren, Transformatoren und Elektromagnete, die an der Konstruktion desselben als Bandkondensator gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Wicklung mindestens von zwei parallel angeordneten, elektrisch isolierten Leitern (1, 2) in einer Spule gewickelt sind und am Anfang der Spule die zwei Leiter (1, 2) durch einen elektrischen Kondensator (3) miteinander verbunden sind und am Ende der Spule die zwei Leiter (1, 2) ebenso mit dem zweiten elektrischen Kondensator (4) miteinander verbunden sind und daß ein Leiter (1) am Anfang der Spule mit einem Pol eines oszillierenden Stromgenerators (5) verbunden ist und der zweite Leiter (2) am Ende der Spule mit dem zweiten Pol des oszillierenden Stromgenerators (5) verbunden ist.
Kapazitive Wicklung für Elektromotoren, Transformatoren und Elektromagnete nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Statornuten eines Elektromotors beide Leiter (1, 2) zusammengewickelt sind und daß die zwei Kondensatoren (3, 4) außerhalb des Stators befestigt sind.
Kapazitive Wicklung für Elektromotoren, Transformatoren und Elektromagnete nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rotornuten des Elektromotors beide Leiter (1, 2) gewickelt und mit den zwei außerhalb befestigten Kondensatoren (3, 4) durch Schleifringe elektrisch verbunden sind.
Kapazitive Wicklung für Elektromotoren, Transformatoren und Elektromagnete nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung für ein starkes Magnetfeld aus einer Mehrzahl von separaten Spulen besteht und daß jede Spule, die am Anfang und am Ende mit Kondensatoren (3, 4) versehen ist und separat mit vorhandenem Energieversorger elektrisch verbunden ist.