DE102010044865A1

DE102010044865A1 - Electric generator

Info

Publication number: DE102010044865A1
Application number: DE201010044865
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15
Also published as: EP2429062A2; EP2429062A8

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, der mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird und besteht aus einem weichmagnetischen Kern (1), an dem zwei Spulen als zwei kapazitive Wicklungen (2, 3) so gewickelt sind, daß in jeder halben Periode des durchfließenden Wechselstromes deren magnetisches Feld mit der gleichen magnetischen Polarität gegeneinander wirkt. An dem ersten magnetischen Kern (1) ist mindestens ein zweiter magnetischer Kern (15) befestigt, an dem eine Induktionsspule (17) und eine Erregerspule (16) gewickelt ist. Durch ein oszillierendes Magnetfeld im ersten magnetischen Kern (1) variiert die Flußdichte an der Stelle, wo sich beide magnetischen Kerne kreuzen (22). Mit der gleichen Frequenz oszilliert auch die magnetische Flußdichte im zweiten magnetischen Kern (15) und damit werden gemäß dem Induktionsgesetz in der Induktionsspule (17) elektrische Spannung und Strom induziert.The invention relates to an electrical generator which is operated with variable magnetic saturation and consists of a soft magnetic core (1) on which two coils as two capacitive windings (2, 3) are wound in such a way that in every half period of the alternating current flowing through them magnetic field with the same magnetic polarity acts against each other. At least one second magnetic core (15), on which an induction coil (17) and an excitation coil (16) are wound, is attached to the first magnetic core (1). Due to an oscillating magnetic field in the first magnetic core (1), the flux density varies at the point where the two magnetic cores cross (22). The magnetic flux density in the second magnetic core (15) also oscillates at the same frequency and electrical voltage and current are thus induced in the induction coil (17) according to the induction law.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, der mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird und besteht aus zwei magnetischen Kernen. An dem ersten magnetischen Kern sind zwei Spulen aus kapazitiven Wicklungen so angeordnet, daß bei jeder halben Periode des pulsierenden Stromes die magnetischen Pole gegeneinander mit der gleichen Polarität wirken. Am ersten magnetischen Kern ist mindestens ein zweiter magnetischer Kern durch einen Luftspalt senkrecht befestigt, an dem eine Induktionsspule und eine Erregerspule gewickelt sind. Die Erregerspule wird mit Magnetisierungsstrom bestromt und somit ist ein magnetischer Kreis in dem magnetischen Kern geschlossen. In der Induktionsspule wird Spannung induziert. Das geschieht, wenn das Erregerfeld zeitlich mit der Sättigung variiert. Schwankungen der Flußdichte in dem ersten magnetischen Kern sind der Frequenz des Stromes in der kapazitiven Wicklung proportional.The invention relates to an electric generator which is operated with variable magnetic saturation and consists of two magnetic cores. At the first magnetic core, two coils of capacitive windings are arranged so that at each half period of the pulsating current, the magnetic poles act against each other with the same polarity. At the first magnetic core, at least a second magnetic core is vertically fixed by an air gap on which an induction coil and an exciting coil are wound. The excitation coil is energized with magnetizing current and thus a magnetic circuit in the magnetic core is closed. In the induction coil voltage is induced. This happens when the exciter field varies in time with saturation. Fluctuations in the flux density in the first magnetic core are proportional to the frequency of the current in the capacitive winding.

Im Stand der Technik ist nicht bekannt, daß ein elektrischer Generator mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird. In einem weit entfernten Fachgebiet ist bekannt, daß die magnetische Sättigung in einer Steuerdrossel, oder auch Sättigungsdrossel genannt, angewendet wird. In diesem Anwendungsbereich hat die Steuerdrossel keine Merkmale, die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen vergleichbar sind.It is not known in the prior art that an electric generator with variable magnetic saturation is operated. It is known in a wide field of the art that magnetic saturation is used in a control or saturable reactor. In this application, the control throttle has no features that are comparable to the features of the invention.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Hochleistungsgenerator zu schaffen, der ohne Luftspalt im magnetischen Kreis und mit einem enorm großen Wirkungsgrad bei hoher Frequenz betrieben wird.The invention has for its object to provide a high-power electrical generator, which is operated without an air gap in the magnetic circuit and with an enormously high efficiency at high frequency.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch kennzeichnende Merkmale des ersten Anspruchs. Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Generator geschaffen, bei dem mindestens in einem geschlossenen magnetischen Kreis durch variable magnetische Sättigung und in einer Induktionsspule gemäß dem Induktionsgesetz elektrischer Strom induziert wird.The solution of this object is achieved according to the invention by characterizing features of the first claim. According to the invention, an electrical generator is provided in which electrical current is induced at least in a closed magnetic circuit by variable magnetic saturation and in an induction coil according to the law of induction.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die wichtigste Einheit die kapazitive Wicklung, die an dem ersten Magnetkern gewickelt ist. Die genannte kapazitive Wicklung ist in der DE-OS 10 2008 032 666 A1 sowie in der WO 2010/003394 A2 ausführlich beschrieben.According to the present invention, the most important unit is the capacitive winding wound on the first magnetic core. The said capacitive winding is in the DE-OS 10 2008 032 666 A1 as well as in the WO 2010/003394 A2 described in detail.

Mindestens zwei Spulen von dieser kapazitiven Wicklung sind im elektrischen Kreis so angeschlossen, daß in jeder halben Periode des oszillierenden Stromes deren magnetisches Feld mit gleichartigen Polen gegeneinander orientiert ist. Gerade dieser Schaltkreis ist die wichtigste Neuheit der vorliegenden Erfindung. Bei einem solchen Schaltkreis fließt durch die kapazitive Wicklung nur Blindstrom, dessen höchster Wert mit Gleichung [1] definiert ist I = U(2Π·f·c) [1] wo

U: = Spannung an den Kondensatoren 4, 5, 6, 7
Π: = Ludolfsche Zahl
f: = Frequenz der Spannung
c: = Gesamtkapazität von Kondensator 4, 5 oder 6, 7

At least two coils of this capacitive winding are connected in the electrical circuit so that in each half period of the oscillating current whose magnetic field is oriented with similar poles against each other. Especially this circuit is the most important novelty of the present invention. In such a circuit, only reactive current flows through the capacitive winding whose highest value is defined by equation [1]

I = U (2Π · f · c) [1]

Where

U: = Voltage on the capacitors 4 . 5 . 6 . 7
Π: = Ludolf's number
f: = Frequency of the voltage
c: = Total capacity of capacitor 4 . 5 or 6 . 7

Trotz eines solchen Schaltkreises und Orientierung des magnetischen Flusses findet kein Kurzschlußstrom in beiden kapazitiven Wicklungen statt. Mittels der kapazitiven Wicklung und der Kapazität der Kondensatoren erreicht man beliebig hohen elektrischen Strom, mit dem die magnetische Sättigung bestimmt wird. Die mit der kapazitiven Wicklung gefertigten Spulen können mit hoher Windungszahl gewickelt werden und trotzdem ist deren Selbstinduktion fast Null. In der kapazitiven Wicklung wird keine Wärme erzeugt.Despite such a circuit and orientation of the magnetic flux no short-circuit current takes place in both capacitive windings. By means of the capacitive winding and the capacitance of the capacitors to reach any high electric current, with which the magnetic saturation is determined. The coils made with the capacitive winding can be wound with a high number of turns and yet their self-induction is almost zero. No heat is generated in the capacitive winding.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained below with reference to embodiments with reference to the drawings.

Es zeigtIt shows

1 einen erfindungsgemäßen Ringbandkern mit kapazitiver Wicklung, die an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossen ist und am zweiten Ringbandkern eine Erregerspule und eine Induktionsspule. 1 a toroidal core according to the invention with capacitive winding, which is connected to an oscillating current source and the second toroidal core an exciter coil and an induction coil.

2 eine dreidimensionale Struktur im Teil von zwei zueinander senkrecht befestigten magnetischen Kernen. 2 a three-dimensional structure in the part of two mutually perpendicular magnetic cores.

3 einen Ringbandkern mit zwei kapazitiven Wicklungen, die an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossen sind und eine Erregerspule, die an einer Gleichstromquelle angeschlossen ist und eine Induktionsspule. 3 a toroidal core having two capacitive windings connected to an oscillating current source and an exciter coil connected to a DC source and an induction coil.

Gemäß der Erfindung sind mehrere Bauarten des elektrischen Generators technisch machbar und alle haben wirtschaftliche Bedeutung.According to the invention, several types of electrical generator are technically feasible and all have economic significance.

Der neuartige elektrische Generator ist in der ersten Bauform in 1 veranschaulicht. 1 zeigt zwei magnetische Kerne aus weichem magnetischen Material, die als Ringbandkerne dargestellt sind. An dem ersten magnetischen Kern 1 sind zwei kapazitive Wicklungen 2, 3 gewickelt und deren Kondensatoren 4, 5 und 6, 7 sind gemäß WO 2010/003394 A2 mit einem Doppelleiter verbunden. Kapazitive Wicklung 2 ist durch Anschlüsse 8 und 9 an Hauptleitung 10, 11 angeschlossen. Von Wechselstromgenerator 12 wird die kapazitive Wicklung 2 bestromt. Kapazitive Wicklung 3 ist durch Anschlüsse 13, 14 an Hauptleitung 10, 11 angeschlossen. Die kapazitive Wicklung 2 ist parallel oder in Serie mit der kapazitiven Wicklung 3 so verbunden, daß deren resultierenden magnetischen Felder immer mit der gleichen magnetischen Polarität gegeneinander wirken. Ferner ist in 1 ein zweiter Magnetkern 15 veranschaulicht, an dem eine Erregerspule 16 und eine Induktionsspule 17 gewickelt sind. Die Erregerspule 16 wird von Gleichstromquelle 18 bestromt, wodurch im Magnetkern 15 ein Erregerfeld erzeugt wird.The novel electric generator is in the first design in 1 illustrated. 1 shows two magnetic cores of soft magnetic material, which are shown as toroidal cores. At the first magnetic core 1 are two capacitive windings 2 . 3 wound and their capacitors 4 . 5 and 6 . 7 are according to WO 2010/003394 A2 connected to a double conductor. capacitive winding 2 is through connections 8th and 9 at main 10 . 11 connected. From alternator 12 becomes the capacitive winding 2 energized. Capacitive winding 3 is through connections 13 . 14 at main 10 . 11 connected. The capacitive winding 2 is parallel or in series with the capacitive winding 3 connected so that their resulting magnetic fields always act with the same magnetic polarity against each other. Furthermore, in 1 a second magnetic core 15 illustrates, on which an excitation coil 16 and an induction coil 17 are wound. The exciter coil 16 becomes from DC source 18 energized, resulting in the magnetic core 15 an excitation field is generated.

Im magnetischen Kern 15 ist ein Luftspalt 19 ausgearbeitet, durch den die zwei magnetischen Kerne 1 und 15 mechanisch zusammen verbunden sind.In the magnetic core 15 is an air gap 19 worked out by which the two magnetic cores 1 and 15 mechanically connected together.

1 zeigt ein zweidimensionales Bild. Die zwei magnetischen Kerne 1 und 15 sind in Realität dreidimensional konstruiert und deshalb ist der magnetische Kern 15 um 90° nach vorne gedreht und durch den Luftspalt 19 auf den magnetischen Kern geschoben. Die graphische Darstellung 20 zeigt die waagerechte Position des magnetischen Kerns 15. 1 shows a two-dimensional picture. The two magnetic cores 1 and 15 are constructed three-dimensionally in reality and therefore the magnetic core is 15 rotated 90 ° to the front and through the air gap 19 pushed onto the magnetic core. The graphic representation 20 shows the horizontal position of the magnetic core 15 ,

2 veranschaulicht dreidimensional, daß die zwei magnetischen Kerne 1, 15 durch den Luftspalt miteinander senkrecht verbunden sind. Um jegliche Wirbelströme zu verhindern, sind die Bänder 21 im magnetischen Kern 1 und im magnetischen Kern 15 planparallel angeordnet, was in 2 veranschaulicht ist. 2 illustrates in three dimensions that the two magnetic cores 1 . 15 are connected by the air gap perpendicular to each other. To prevent any eddy currents, the bands are 21 in the magnetic core 1 and in the magnetic core 15 plane parallel arranged, what in 2 is illustrated.

Der elektrische Generator gemäß der Erfindung wird mittels variabler magnetischer Sättigung im magnetischen Kern 1 betrieben. 2 zeigt, daß im Bereich 22, wo sich die magnetischen Kerne 1 und 15 kreuzen, die größte magnetische Sättigung stattfindet. Im Bereich 22 hat die Permeabilitätszahl des ferromagnetischen Kerns 1 keinen konstanten Wert, sondern die Permeabilitätszahl ist eine Funktion der magnetischen Feldstärke. Stellt man die Feldstärke H und die magnetische Induktion B zusammen, dann erhält man eine für jeden magnetischen Stoff charakteristische Magnetisierungskurve. Aus diesem Grunde wird der magnetische Stoff für den magnetischen Kern 1 und 15 so gewählt, daß die Fluktuation der Permeabilität im Bereich 22 die größte Amplitude aufweist. Während jeder Änderung der Permeabilität im Bereich 22 ändert sich auch die magnetische Flußdichte, was verursacht, daß in Induktionsspule 17 in 1 elektrische Spannung induziert wird. Der Flußdichteverlauf im Bereich 22, 2, ist der Stromfrequenz in Wicklungen 2 und 3 direkt proportional. Die maximale Spannung an der Induktionsspule 17 ist dem Erregerfeld von Spule 16 proportional. Die Erregerspule 16 wird mit Gleichstrom von Quelle 18 bestromt.The electric generator according to the invention is powered by variable magnetic saturation in the magnetic core 1 operated. 2 shows that in the area 22 where are the magnetic cores 1 and 15 cross, the largest magnetic saturation takes place. In the area 22 has the permeability number of the ferromagnetic core 1 not a constant value, but the permeability number is a function of the magnetic field strength. If the field strength H and the magnetic induction B are combined, a magnetization curve characteristic of each magnetic substance is obtained. For this reason, the magnetic substance for the magnetic core 1 and 15 chosen so that the fluctuation of the permeability in the range 22 has the largest amplitude. During any change in permeability in the range 22 Also changes the magnetic flux density, which causes that in induction coil 17 in 1 electrical voltage is induced. The flux density curve in the area 22 . 2 , the current frequency is in windings 2 and 3 directly proportional. The maximum voltage at the induction coil 17 is the excitation field of coil 16 proportional. The exciter coil 16 becomes with DC from source 18 energized.

Man kann die Erregerspule 16 am magnetischen Kern 15 mit einem Permanentmagnet ersetzen, wodurch der Wirkungsgrad des elektrischen Generator noch erhöht wird.You can use the exciter coil 16 at the magnetic core 15 replace with a permanent magnet, whereby the efficiency of the electric generator is still increased.

In 1 ist der elektrische Generator mit einem magnetischen Kern 15 dargestellt. Der elektrische Generator gemäß der Erfindung wird mit einer Mehrzahl von ähnlichen magnetischen Kernen betrieben, wobei alle am magnetischen Kern 1 in ähnlicher Weise befestigt sind. Dadurch wird die Leistungskapazität des elektrischen Generators vervielfacht.In 1 is the electric generator with a magnetic core 15 shown. The electric generator according to the invention is operated with a plurality of similar magnetic cores, all at the magnetic core 1 are fastened in a similar way. As a result, the power capacity of the electric generator is multiplied.

Die zweite Bauform des elektrischen Generators gemäß der Erfindung ist in 3 veranschaulicht. Die zweite Bauform besteht nur aus einem magnetischen Kern 23 und zwei kapazitiven Wicklungen 24, 25 sowie einer Erregerspule 26 und einer Induktionsspule 27. Der elektrische Schaltkreis für die kapazitiven Wicklungen 24, 25 in 3 ist derselbe wie der elektrische Schaltkreis in 1 und deshalb sind die Symbole die gleichen wie in 1. 3 veranschaulicht, daß die Erregerspule 26 an demselben magnetischen Kern 23 angeordnet ist wie die kapazitiven Wicklungen 24, 25 und die Induktionsspule 27.The second construction of the electric generator according to the invention is in 3 illustrated. The second design consists only of a magnetic core 23 and two capacitive windings 24 . 25 and an excitation coil 26 and an induction coil 27 , The electrical circuit for the capacitive windings 24 . 25 in 3 is the same as the electrical circuit in 1 and therefore the symbols are the same as in 1 , 3 illustrates that the exciter coil 26 on the same magnetic core 23 is arranged like the capacitive windings 24 . 25 and the induction coil 27 ,

Der elektrische Generator gemäß der zweiten Bauform wird mit sogenannten linearer magnetischer Sättigung im magnetischen Kern 23 betrieben. Der magnetische Fluß von Erregerspule 26 ist im magnetischen Kern 23 parallel mit dem magnetischen Fluß der kapazitiven Wicklung 24, 25 geschlossen. Der magnetische Fluß der kapazitiven Wicklung 24, 25 oszilliert und damit oszilliert auch die Permeabilitätszahl im magnetischen Kern 23. Mit dieser Oszillation schwingt der Verlauf der Flußdichte mit gleicher Frequenz.The electric generator according to the second embodiment becomes so-called linear magnetic saturation in the magnetic core 23 operated. The magnetic flux of exciting coil 26 is in the magnetic core 23 parallel with the magnetic flux of the capacitive winding 24 . 25 closed. The magnetic flux of the capacitive winding 24 . 25 oscillates and thus also oscillates the permeability in the magnetic core 23 , With this oscillation, the course of the flux density oscillates at the same frequency.

Es gibt mehrere weitere Bauformen des elektrischen Generators gemäß der Erfindung. Entsprechend der technischen und wirtschaftlichen Nutzung bestimmt man, welche Bauform die günstigste ist. Der elektrische Generator für hohe Frequenzen besteht z. B. nur aus einem offenen magnetischen Kern, an dem alle oben genannten Wicklungen angeordnet sind.There are several other types of electric generator according to the invention. Depending on the technical and economic use, it is determined which type is the cheapest. The electric generator for high frequencies consists z. B. only from an open magnetic core on which all the above-mentioned windings are arranged.

Die Permeabilitätszahl von weichen magnetischen Materialien ist von der magnetischen Flußdichte abhängig. Diese Abhängigkeit resultiert von der Kristallstruktur jener Stoffe. Kommerziell gibt es ein großes Angebot von verschiedenen Stoffen, die für die wirtschaftliche Nutzung des elektrischen Generators einsetzbar sind. Der hier beschriebene elektrische Generator hat enormen wirtschaftlichen Wert mit globaler Bedeutung. Er ist überall einsetzbar, wo elektrische Energie verlangt wird. Ein enormer Vorteil des elektrischen Generators gemäß der Erfindung ist, daß die erzeugte elektrische Spannung in verlangter Höhe und in verlangter Frequenz direkt an der Arbeitsstelle leicht einsetzbar ist. Ferner ist ein großer Vorteil des elektrischen Generators die Kurzschlußsicherheit. Der elektrische Generator gemäß der Erfindung ist technisch leicht herstellbar in jeder Größe von wenigen Watt bis Megawatt-Leistungen.The permeability of soft magnetic materials is dependent on the magnetic flux density. This dependence results from the crystal structure of those substances. Commercially, there is a wide range of different materials that can be used for the economic use of the electric generator. The electric generator described here has enormous economic value with global significance. It can be used anywhere where electrical energy is required. An enormous advantage of the electric generator according to the invention is that the generated electrical voltage in demanded Height and in demand frequency directly at the workplace is easy to use. Furthermore, a major advantage of the electric generator is the short circuit safety. The electric generator according to the invention is technically easy to manufacture in any size from a few watts to megawatt powers.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008032666 A1 [0005]
WO 2010/003394 A2 [0005, 0014]

Claims

Electric generator, characterized in that two capacitive windings ( 2 . 3 . 24 . 25 ) attached to the magnetic core ( 1 . 23 ) are wound and their magnetic field in each half period of the oscillating current with the same magnetic polarity (N, N) and (S, S) oriented against each other and that the magnetic saturation in the magnetic core ( 1 . 23 ) is oscillated simultaneously with the current frequency and that the magnetic flux of exciting coil ( 16 . 26 ) in a variable Flußdichteverlauf by the magnetic core ( 15 . 23 ) wound induction coil ( 17 . 27 ) and electrical current is induced in the induction coil.

Electric generator according to claim 1, characterized in that at least two magnetic cores ( 1 . 15 ) are perpendicularly connected to each other and to the first magnetic core ( 1 ) at least two capacitive windings ( 2 . 3 ) and on the second magnetic core ( 15 ) at least one exciting coil ( 16 ) and at least one induction coil ( 17 ) is wound.

Electric generator according to claim 1, characterized in that on a magnetic core ( 23 ) at least two capacitive windings ( 24 . 25 ) and at least one exciting coil ( 26 ) and an induction coil ( 27 ) are wound.

Electric generator according to Claims 1, 2 and 3, characterized in that on the magnetic core ( 15 . 23 ) instead of exciting coil ( 16 . 26 ) At least one segment of a permanent magnet is used.

Electric generator according to Claims 1 to 4, characterized in that the magnetic core ( 1 . 15 . 23 ) for the high operating frequency as well as for the high magnetic saturation flux density and for the high levels of selected according to the crystal structure Weichferriten.

Electric generator according to claims 1 to 5, characterized in that the waveform of the induced voltage is determined by the crystal structure of soft magnetic materials.