DE102010054170A1 - Device for generating electrical energy by converting heat into torques and method for operating a power generator by torque generation by means of heat - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch Drehmomentenerzeugung. Dabei wird im Wesentlichen ein Generator, eine Pumpe oder Verdichter und eine Turbine verwendet, die durch ein gemeinsames Kraftübertragungsmittel miteinander verbunden sind. In einem hermetisch abgeschlossenen und mit flüssigen Kohlendioxid gefüllten Gehäuse sind diese Teile untergebracht, wobei innerhalb eines geschlossenen Strömungskreislaufes, der ebenfalls mit Kohlendioxid gefüllt ist, die Wärme von einem Wärmetauscher entnommen wird und dadurch ein Antreiben der Turbine bewirkt wird. Ferner wird ein Verfahren beschrieben zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for converting heat into electrical energy by generating torque. Essentially, a generator, a pump or compressor and a turbine are used, which are connected to one another by a common force transmission means. These parts are housed in a hermetically sealed housing filled with liquid carbon dioxide, the heat being removed from a heat exchanger within a closed flow circuit, which is also filled with carbon dioxide, thereby causing the turbine to be driven. A method for operating such a device is also described.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bei der durch eine Drehmomentenerzeugung eine Umwandlung von Wärme in elektrische Energie erfolgt, wobei die Vorrichtung im Wesentlichen aus einem Generator, einer Pumpe oder einem Verdichter und einer Turbine besteht. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugers über eine Drehmomentenerzeugung, insbesondere aus Wärme.The invention relates to a device in which by a torque generation, a conversion of heat into electrical energy, wherein the device consists essentially of a generator, a pump or a compressor and a turbine. Likewise, the invention relates to a method for operating a power generator via a torque generation, in particular from heat.
Wärme kann bekanntlich von einem Körper höherer auf einen solchen niederer Temperatur durch Leitung, Konvektion und Strahlung übertragen werden. Hierzu werden Vorrichtungen verwendet, die als Wärmetauscher bezeichnet werden. In den Wärmetauschern wird von einem wärmetragenden Medium, z. B. einem Gas oder einer Flüssigkeit, ein Teil seiner Wärmemenge entweder unmittelbar oder mittelbar zweckgebunden auf ein anderes Medium übertragen. Dieses andere Medium kann beispielsweise ein Kühlmittel sein.Heat can be transferred from a higher body to such a lower temperature by conduction, convection and radiation. For this purpose, devices are used, which are referred to as heat exchangers. In the heat exchangers is from a heat-carrying medium, for. As a gas or a liquid, a portion of its amount of heat either directly or indirectly earmarked transferred to another medium. This other medium may for example be a coolant.
Ein solcher Wärmetauscher zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist beispielsweise der
Die
Ein Gegenstromwärmetauscher mit zwei voneinander getrennten Volumenströmen und einem Wärmetauschelement wird durch die Offenbarung der
Die allgemeine Verteuerung der Energieträger hat einen großen Anreiz zur Energieverbrauchssenkung ausgelöst. Hierbei spielt auch die Rückgewinnung von Wärmeenergie mit Hilfe von Wärmetauschern eine große Rolle.The general increase in the cost of energy has triggered a major incentive to reduce energy consumption. The recovery of heat energy with the help of heat exchangers also plays a major role here.
Sowohl die zunehmende Knappheit der Energieträger in Verbindung mit den laufend größer werdenden Problemen der mengenmäßigen Beschaffungssicherung als auch Wirtschaftlichkeitsüberlegungen besonders infolge der starken Energiepreissteigerungen bewirkt, dass beispielsweise aus Abwärme elektrische Energie erzeugt wird. Hierbei spielt in der Gesamtheit der Maßnahmen der Einsatz von Wärmetauschern eine herausragende Rolle.Both the increasing scarcity of energy sources in connection with the ever-increasing problems of quantitative security of supply as well as cost-effectiveness considerations, in particular as a result of the strong increases in energy prices, mean that, for example, waste heat generates electrical energy. Here, the use of heat exchangers plays a prominent role in the entirety of the measures.
Bei den Wärmetauschern werden beispielsweise natürliche Kältemittel, wie Ammoniak, Wasser, Kohlenwasserstoffe, Luft (Edelgas) und Kohlendioxid verwendet. Diese Mittel haben kein Ozonzerstörungspotential und kein oder nur ein geringes Treibhauspotential. Das natürliche Kältemittel Kohlendioxid ist nicht brennbar und nicht toxisch. Kohlendioxid besitzt eine sehr große volumetrische Kälteleistung, das umlaufende Kältemittelvolumen ist daher relativ klein. Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO2). Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere von fossilen Energieträgern. Unterhalb einer kritischen Temperatur von 31° Celsius kann Kohlendioxid durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichtet werden. Je nach Temperatur geschieht dies bei einem Druck von 5,18 bar oder mehr. Bei einer Raumtemperatur ist dazu dagegen ein Druck von ca. 60 bar nötig. Der kritische Druck bei der kritischen Temperatur liegt etwa bei 73,8 bar.In the heat exchangers, for example, natural refrigerants such as ammonia, water, hydrocarbons, air (noble gas) and carbon dioxide are used. These agents have no ozone depletion potential and no or only a low global warming potential. The natural refrigerant carbon dioxide is non-flammable and non-toxic. Carbon dioxide has a very large volumetric cooling capacity, the circulating volume of refrigerant is therefore relatively small. Carbon dioxide is a chemical compound of carbon and oxygen (CO 2 ). Carbon dioxide is produced by burning carbonaceous fuels, especially fossil fuels. Below a critical temperature of 31 ° Celsius, carbon dioxide can be compressed by increasing the pressure to a colorless liquid. Depending on the temperature, this happens at a pressure of 5.18 bar or more. At room temperature, on the other hand, a pressure of about 60 bar is required. The critical pressure at the critical temperature is approximately 73.8 bar.
Als Kältemittel kommt Kohlendioxid unter der Bezeichnung R 744 im Fahrzeug und stationären Klimaanlagen, bei industrieller Kältetechnik usw. zum Einsatz.The refrigerant used is carbon dioxide under the name R 744 in vehicles and stationary air conditioning systems, in industrial refrigeration technology, etc.
Kohlendioxid als Kältemittel wird beispielsweise für einen Kältemittelkreislauf verwendet, der in der
Turbinen oder Pumpen, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind, können beispielsweise der
Durch die
Ähnliche Systeme sind aus der
Eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine zeigt die
Mit der
Die
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie aus unterschiedlichen Wärmequellen in elektrische Energie zu schaffen mittels einer Drehmomentenerzeugung, die äußerst effektiv arbeitet. Eine solche Vorrichtung soll einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und in der Herstellung kostengünstig sein, ferner wird ein wartungsfreier Betrieb gefordert, der keine oder nur geringe Betriebskosten erfordert.The object of the invention is to provide a device for converting heat energy from different heat sources into electrical energy by means of a torque generation which works extremely effectively. Such a device should have a high efficiency and be inexpensive to manufacture, also a maintenance-free operation is required, which requires no or low operating costs.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Umwand von Wärme in elektrische Energie mittels Drehmomentenerzeugung durch die Ansprüche 1 und 2 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Stromerzeugung mittels Drehmomentenerzeugung gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.The object of the invention is achieved by a device for converting heat into electrical energy by means of torque generation by the
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im Wesentlichen eine Turbine mit auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Pumpe sowie einem Generator auf. Sowohl der Generator als auch die Pumpe und die Turbine sind durch das gemeinsame Kraftübertragungsmittel zwangsweise miteinander verbunden. Um aus Wärmequellen jeglicher Art, insbesondere Abwärmequellen deren Energie sonst verloren ist und nur zur Umweltbelastung beiträgt elektrische Energie zu gewinnen wird ein erster Wärmetauscher eingesetzt, dem durch einen Kreislauf entsprechende Wärme entzogen wird. Diese primär entzogene Wärme wird mittels eines Mediums, vorzugsweise eines Kälte- oder Kühlmittels, das vorzugsweise aus Kohlendioxid besteht und in diesem Punkt flüssig ist, in die Turbine eingelassen. Bei einer ersten Inbetriebnahme der Vorrichtung ist es notwendig, dass dem Generator, der in diesem Falle als Motor verwendet wird, von außen entsprechende elektrische Energie zugeführt wird, damit der gesamte Prozess angestoßen wird. Dieses bedeutet, dass der Motor in Drehbewegung gerät und damit zwangsläufig die Pumpe und die Turbine mit antreibt. Aufgrund der Drehbewegung des Motors verdichtet die Pumpe das Kühlmittel und drückt es unter hohem Druck durch den ersten Wärmetauscher zur Aufnahme der Wärmeenergie und anschließend in die Turbine. Die Turbine ist in einer bevorzugten Ausführungsform so ausgebildet, dass diese einen Läufer besitzt, der aus einer Anzahl von festen, beabstandeten flachen Scheiben besteht, die auf der gemeinsamen Welle festgesetzt sind. Die Scheiben weisen gleichzeitig im Bereich der Welle mehrere Öffnungen auf, die dazu dienen, das eingelassene Kältemittel wieder austreten zu lassen.The device according to the invention essentially has a turbine with a pump arranged on a common shaft and a generator. Both the generator and the pump and the turbine are forcibly connected to each other by the common power transmission means. To heat sources of any kind, especially waste heat sources whose energy is otherwise lost and only contributes to the environmental impact of generating electrical energy, a first heat exchanger is used, which is deprived of heat by a circuit corresponding. This primarily extracted heat is introduced into the turbine by means of a medium, preferably a refrigerant or coolant, which preferably consists of carbon dioxide and is liquid at this point. In a first start-up of the device, it is necessary that the generator, which is used in this case as a motor, is supplied from the outside corresponding electrical energy, so that the entire process is triggered. This means that the motor starts to rotate and inevitably drives the pump and the turbine with it. Due to the rotational movement of the motor, the pump compresses the coolant and presses it under high pressure through the first heat exchanger to absorb the heat energy and then into the turbine. The turbine is, in a preferred embodiment, configured to have a rotor consisting of a number of fixed, spaced, flat disks fixed on the common shaft. The discs have at the same time in the region of the shaft a plurality of openings which serve to let the recessed refrigerant escape again.
Wird nun bei der Inbetriebnahme die Welle durch den Motor in Rotation versetzt, so wird auch das Scheibenpaket der Turbine in Rotation versetzt. Aufgrund des Kreislaufes wird das Kühlmittel von dem ersten Wärmetauscher unter Druck in einem flüssigen Zustand zwischen die rotierenden Scheiben eingelassen. Hier entsteht durch Adhäsion und innerer Reibung der Scheiben das flüssige Kühlmittel von den Scheiben mitgenommen und es ist gleichzeitig zwei Kräften ausgesetzt. Dieses führt zu einer tangentialen Kraft in Bewegungsrichtung und in eine radial nach außen wirkende Kraft. Durch die Summenwirkung dieser Tangentialkräfte und Fliehkräfte wird das Kühlmittel mit ständig anwachsender Geschwindigkeit in einer Spiralbahn fortbewegt, bis es an den Auslass im Bereich der durchgehenden gemeinsamen Welle ankommt. Dabei werden die einzelnen Flüssigkeitsteilchen des Kühlmittels mehrere Umläufe innerhalb der Turbine machen, was zu einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer solchen Turbine und einer Umschaltung des Anlaufsmotors auf Generatorbetrieb führt. Gleichzeitig ist damit eine Zunahme und Vergrößerung der Umfangsgeschwindigkeit verbunden. Die Turbine mit dem flüssigen eingelassenen Kühlmittel wird zum Antrieb für die gesamte Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes aus Wärme. Es versteht sich, dass der Abstand der einzelnen Scheiben untereinander umso größter sein kann, je größer der Scheibendurchmesser und je länger der Spiralweg des Kühlmittels und damit je größer deren innere Reibung ist. Diese Reibung treibt die Turbine an.If the shaft is set in rotation by the motor during commissioning, so will the disk package of the turbine is set in rotation. Due to the circulation, the coolant is admitted by the first heat exchanger under pressure in a liquid state between the rotating disks. Here, by adhesion and internal friction of the discs, the liquid coolant is taken from the discs and it is exposed to two forces simultaneously. This leads to a tangential force in the direction of movement and in a radially outward force. Due to the cumulative effect of these tangential forces and centrifugal forces, the coolant is moved at an ever increasing rate in a spiral path until it arrives at the outlet in the region of the continuous common shaft. In this case, the individual liquid particles of the coolant will make several revolutions within the turbine, which leads to an increase in the performance of such a turbine and a switchover of the starter motor to generator operation. At the same time an increase and increase in the peripheral speed is associated with it. The turbine with the liquid coolant introduced becomes the drive for the entire device for generating a torque of heat. It is understood that the greater the disc diameter and the longer the spiral path of the coolant and thus the greater their internal friction, the greater the distance between the individual discs can be. This friction drives the turbine.
Das Kühlmittel, das vorzugsweise als Kohlendioxid im flüssigen Zustand in die Turbine eingelassen wird, verlässt die Turbine im gasförmigen Zustand durch die Öffnungen der Scheiben im Bereich der Antriebswelle. Das aus der Turbine austretende Energieträgermedium in Form des Kühlmittels, das jetzt gasförmig ist, tritt in die Welle ein und wird über Auslässe der Welle zu einem zweiten Wärmetauscher geführt. An diesem Wärmetauscher wird eine weitere Abkühlung des Kühlmittels bewirkt. Nach der Abkühlung durch den zweiten Wärmetauscher wird das Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf wieder in die gemeinsame Welle eingebracht, wobei jedoch eine Trennwand zwischen den vorgeschriebenen Auslässen und den nun wirksam werdenden Einlässen der Antriebswelle im Bereich der Pumpe vorhanden ist. Das abgekühlte Kältemittel wird im Bereich der Welle durch einen analogen Aufbau der Pumpe gegenüber der Turbine durch die Durchbrüche innerhalb der Scheiben im Bereich der gemeinsamen Welle in die Pumpe eingeleitet. Das Kühlmittel wird nun aufgrund der Rotation der Scheiben, wie bereits ausgeführt, bei der Turbine mitgenommen und es nimmt seinen gewundenen Weg und erfährt dadurch eine Komprimierung zu dem am Auslass und damit an dem größten Umfang der Scheiben befindlichen Ausgang. Durch die Komprimierung wird das Kühlmittel wieder verflüssigt und tritt dann im verflüssigten Zustand in den ersten Wärmetauscher wieder ein. Damit ist der Kühlmittelkreislauf in sich geschlossen. Sobald der Motor eine bestimmte Drehzahl erhalten hat, wird aufgrund der dem ersten Wärmetauscher entzogenen Wärme die Turbine mit der Pumpe selbst laufen, so dass eine Umschaltung des Motors auf Generatorbetrieb durchgeführt werden kann. So lange, wie entsprechende Wärmeenergie über den ersten Wärmetauscher zugeführt wird und über den zweiten Wärmetauscher eine Abkühlung des Kühlmittels erfolgt, läuft die Vorrichtung weiter und hat somit an der Welle, die als Kraftübertragungsmittel bezeichnet werden kann, eine Drehmomentenerzeugung zur Folge.The coolant, which is preferably introduced into the turbine as carbon dioxide in the liquid state, leaves the turbine in the gaseous state through the openings of the disks in the region of the drive shaft. The emerging from the turbine energy carrier medium in the form of the coolant, which is now gaseous, enters the shaft and is guided via outlets of the shaft to a second heat exchanger. At this heat exchanger, a further cooling of the coolant is effected. After cooling by the second heat exchanger, the coolant is introduced via the coolant circuit back into the common shaft, but a partition between the prescribed outlets and the now inactive take-offs of the drive shaft is present in the pump. The cooled refrigerant is introduced into the pump in the area of the shaft by an analogous structure of the pump with respect to the turbine through the openings in the discs in the area of the common shaft. The coolant is now entrained in the turbine due to the rotation of the discs, as already stated, and it takes its tortuous path and thereby undergoes compression to the outlet located at the outlet and thus at the largest circumference of the discs. By the compression, the coolant is liquefied again and then enters the liquefied state in the first heat exchanger again. Thus, the coolant circuit is closed in itself. Once the engine has received a certain speed, due to the heat extracted from the first heat exchanger, the turbine will run with the pump itself, so that the engine can be switched over to generator operation. As long as corresponding heat energy is supplied via the first heat exchanger and cooling of the coolant takes place via the second heat exchanger, the device continues to run and thus results in torque generation on the shaft, which can be referred to as a force transmission means.
Durch ein solches Verfahren mit einer solchen Vorrichtung kann auf effektive Art und Weise aus einer Wärmequelle mittels einer Drehmomentenerzeugung elektrische Energie kostengünstig erzeugt werden.By such a method with such a device, electrical energy can be generated inexpensively from a heat source by means of torque generation in an effective manner.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die vor beschriebene Vorrichtung durch ein gemeinsames Gehäuse verschlossen werden. Der Vorteil eines solchen Gehäuses liegt darin, dass auch dieses Gehäuse mit dem innerhalb des Kreislaufes vorhandenen Kühlmittel angefüllt ist. Dieses bedeutet, dass hier unter dem kritischen Punkt von ca. 73 bar und einer Temperatur von 31° Celsius das Kohlendioxid flüssig vorliegtIn a further preferred embodiment, the device described above can be closed by a common housing. The advantage of such a housing is that also this housing is filled with the existing coolant within the circuit. This means that here at the critical point of about 73 bar and a temperature of 31 ° Celsius, the carbon dioxide is liquid
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform besteht der Vorteil darin, dass keine Leckagen zu einer Auffüllung des Strömungskreislaufes für den Betrieb der Vorrichtung auftreten können, da aufgrund des gemeinsamen Gehäuses die Umgebung der beschriebenen Vorrichtung ebenfalls mit dem Kühlmittel angefüllt ist.In this preferred embodiment, the advantage is that no leakage to a filling of the flow circuit for the operation of the device may occur because due to the common housing, the environment of the described device is also filled with the coolant.
Da aufgrund der gestellten Aufgabe eine derartige Vorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten soll, wird neben der Verwendung der effektiven Turbine und der Pumpe mit ihrem Scheibenaufbau ein Generator verwendet, der sowohl als Generator als auch Motor betreibbar ist. Dieser besteht aus einer stehenden, zylinderförmigen Tauchspule, die als selbsttragende Luftspule mit mindestens zwei Wicklungen ausgeführt ist. Je nach Anzahl der Phasen kann die Spule auch mehrere Wicklungen aufweisen. Die einzelnen Wicklungen sind bifilar und gleichzeitig meanderförmig gewickelt, und zwar in der Art, dass die Bifilarität nicht gegensinnig ausgeführt wird. So werden die einzelnen Wicklungen bifilar gewickelt und gleichsinning in Reihe geschaltet, so dass eine Tauchspule geschaffen wird, die mit einer doppelten Windungszahl eine etwa vierfache Induktivität gegenüber herkömmlichen Spulen aufweist. Durch eine derartige Wickelanordnung wird erreicht, dass im Arbeitsspalt sich die magnetischen Felder addieren und gleichzeitig im Wickelkopf diese sich aufheben. Durch das Aufheben der elektrischen Felder in den Wickelköpfen werden Verluste reduziert, die sonst in Wärme umgesetzt werden.Since, due to the stated object, such a device should operate with high efficiency, in addition to the use of the effective turbine and the pump with its disc structure, a generator is used, which is operable both as a generator and a motor. This consists of a standing, cylindrical plunger coil, which is designed as a self-supporting air coil with at least two windings. Depending on the number of phases, the coil may also have a plurality of windings. The individual windings are bifilar and at the same time wound meander-shaped, in such a way that the bifilarity is not carried out in opposite directions. Thus, the individual windings are bifilar wound and gleichsinning connected in series, so that a plunger coil is created, which has a double turn number about four times the inductance over conventional coils. By such a winding arrangement is achieved that add in the working gap, the magnetic fields and at the same time cancel this in the winding head. By lifting the electric fields in the Winding heads are reduced losses, which are otherwise converted into heat.
Eine derartige Tauchspule wird mittels eines entsprechenden temperaturresistenten Harzes getränkt, wobei das Harz auch noch mit beispielsweise Glasfasern verstärkt werden kann.Such a plunger coil is impregnated by means of a corresponding temperature-resistant resin, wherein the resin can also be reinforced with, for example, glass fibers.
Das Leitermaterial für die einzelnen Wicklungen besteht aus einer oder einer Mehrzahl von verdrillten Litzen.The conductor material for the individual windings consists of one or a plurality of twisted strands.
Um die zylinderförmige, stehende Tauchspule sind in einer ersten bevorzugten Ausführungsform außen in einer sich drehenden Form direkt aneinander gesetzte Permanenteinzelmagnetsegmente in ihrem Durchmesser angeordnet. Dabei sind die Permanenteinzelmagnetsegmente nach außen hin durch eine Ringanordnung in Form einer äußeren Abschirmung umschlossen. Somit wird gleichzeitig eine EMV-dichte elektrische Maschine geschaffen und andererseits für einen ausreichenden magnetischen Rückschluss gesorgt. Aufgrund der noch zu beschreibenden Einzelmagnetsegmente ist der Anteil der nach außen austretenden magnetischen Feldlinien zwar gering, jedoch wird auch dieses geringe Maß noch quasi in seiner gesamten Stärke durch den Rückschluss eliminiert.To the cylindrical, standing plunger coil are arranged in a first preferred embodiment outside in a rotating mold directly juxtaposed permanent single magnetic segments in their diameter. The permanent single magnet segments are enclosed to the outside by a ring arrangement in the form of an outer shield. Thus, an EMC-dense electrical machine is created at the same time and on the other hand provided for a sufficient magnetic inference. Due to the individual magnetic segments to be described, the proportion of outward magnetic field lines is indeed small, but even this small amount is still virtually eliminated in its entirety by the inference.
Die direkt aneinander ohne Lücken gesetzten Permanenteinzelmagnetsegmente weisen jeweils gegenüber dem benachbarten Permanentmagnetsystem eine magnetische Ausführung in unterschiedlicher Polzahl auf. Entsprechend der Ausführung der Tauchspule in ihrer Polzahl wird es somit möglich, dass die Permanenteinzelmagnetsegmente in Gruppen zusammenfasst in der gleichen Anzahl wie die elektrischen Pole auch in der Luftspule vorhanden sind. Dadurch, dass die einzelnen unterschiedlichen Permanentmagnetsegmente verschiedene Vorzugsmagnetisierungsrichtungen aufweisen, entsteht ein gerichtetes magnetisches, verstärktes homogenes Magnetfeld, das mit seiner Polarität und Polzahl zu der Luftspule ausgerichtet ist.The Permanenteinzelmagnetsegmente directly to each other without gaps have each with respect to the adjacent permanent magnet system on a magnetic design in different number of poles. According to the design of the plunger coil in their number of poles, it is thus possible that the Permanenteinzelmagnetsegmente summarized in groups in the same number as the electric poles are also present in the air-core coil. Due to the fact that the individual different permanent magnet segments have different preferred magnetization directions, a directional magnetic, amplified homogenous magnetic field results, which is aligned with its polarity and number of poles to the air-core coil.
Derartige permanentmagneterregte Motoren oder Generatoren haben den Vorteil, dass diese keine zusätzliche Energie benötigen, um ihr eigenes Magnetfeld zu erzeugen. Durch diese Tatsache wird der Wirkungsgrad wesentlich erhöht. Ebenfalls benötigen derartige elektrische Maschinen einen wesentlich geringeren Bauraum. Es fällt der Verlustanteil der Erregerwicklung weg, weil diese durch Permanentmagnete ersetzt worden sind. Dabei zählen permanentmagneterregte Motoren zu den Gleichstrommotoren. Ebenfalls durch die Verwendung der auswechselbaren Tauchspule wird eine Verringerung der Bauform geschaffen, die bis auf den Abschirmungsring eisenlos ausgeführt ist. Dadurch entfällt das üblicherweise vorhandene Rastmoment, was dazu führt, dass sich eine derartige elektrische Maschine vollkommen frei drehen lässt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung der zylinderförmigen stehenden Tauchspule auch wesentlich höhere Drehzahlen mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad erzielt werden können. Dieses liegt unter anderem daran, dass das Rotationsträgheitsmoment wesentlich geringer ist.Such permanent magnet excited motors or generators have the advantage that they require no additional energy to generate their own magnetic field. This fact significantly increases the efficiency. Likewise, such electrical machines require a much smaller space. There is no loss of the excitation winding, because they have been replaced by permanent magnets. Permanent magnet-excited motors are among the DC motors. Also by the use of the replaceable plunger coil a reduction in the design is created, which is ironless except for the shielding ring. This eliminates the usually existing cogging torque, which means that such an electric machine can rotate completely free. Another advantage is that even significantly higher speeds can be achieved with a much higher efficiency by the use of the cylindrical standing plunger coil. This is partly because the rotational moment of inertia is much lower.
Eine derartige vor beschriebene elektrische Maschine kann neben der Ausführung als Motor auch als Generator verwendet werden. Dabei wandelt der Generator beispielsweise mechanische Energie aus der Drehmomentenerzeugung oder dergleichen in elektrische Energie um. Diese mechanische Energie kann beispielsweise durch Antrieb mittels Gasturbine, Dampfturbine, Dampfthermie, Windkraft oder dergleichen erzeugt werden.Such an electric machine described above can be used in addition to the execution as a motor as a generator. In this case, the generator converts, for example, mechanical energy from the generation of torque or the like into electrical energy. This mechanical energy can be generated for example by driving by gas turbine, steam turbine, steam heat, wind power or the like.
Sowohl der Motor als auch der Generator der vor beschriebenen Art sind als Synchronmaschine zu bezeichnen.Both the engine and the generator of the type described above are to be referred to as a synchronous machine.
Um eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades zu erzielen, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Anspruch 2 eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die auch innerhalb der zylinderförmigen Tauchspule noch eine Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung aufweist. Dadurch bildet sich zwischen dem äußeren, aus einzelnen Permanentmagnetsegmenten bestehenden Ring und der inneren Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung ein Arbeitsspalt, der von der Tauchspule bereichsweise eingenommen wird. Jeweils seitlich der Tauchspule sind auf jeder Seite Luftspalte vorhanden.In order to achieve a further increase in the efficiency, an electric machine is proposed in a further preferred embodiment according to
Die innere Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung ist mit der äußeren Ringanordnung der Permanenteinzelmagnetsegmente kraft- und formschlüssig gekoppelt und entsprechend der Anzahl der Pole der äußeren Ringanordnung so angeordnet, dass eine unipolare Ausführung entsteht.The inner Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung is positively and positively coupled to the outer ring assembly of the Permanenteinzelmagnetsegmente and arranged according to the number of poles of the outer ring assembly so that a unipolar design.
Die Permanenteinzelmagnetsegmente der äußeren Ringanordnung werden vor der Montage innerhalb der Abschirmung nach einem bestimmten Schema so magnetisiert, dass diese jeweils eine unterschiedliche Vorzugsmagnetisierungseinrichtung einnehmen. Hierdurch entsteht ein gerichtetes, verstärktes, magnetisches homogenes Magnetfeld innerhalb der Tauchspule. Die einzelnen, direkt ohne Lücken oder Abstände aneinander gereihten Permanenteinzelmagnetsegmente nehmen im Wesentlichen eine trapezförmige Form in ihrem Querschnitt ein, wobei die Basis durch den Innendurchmesser der umgebenden Abschirmung bestimmt wird. Entsprechend dem Radius der Tauchspule wird die obere Fläche der annähernden Trapezform bestimmt.The Permanenteinzelmagnetsegmente the outer ring assembly are magnetized prior to assembly within the shield according to a certain scheme so that they each occupy a different preferred magnetization. This creates a directional, amplified, magnetic homogeneous magnetic field within the plunger coil. The individual permanent magnet segments, which are arranged directly without gaps or spacings, essentially assume a trapezoidal shape in their cross section, the base being determined by the inner diameter of the surrounding shield. The upper surface of the approximate trapezoidal shape is determined according to the radius of the plunger coil.
Bei der unterschiedlichen Vorzugsmagnetisierung handelt es sich um ein so genanntes Halbachsystem. Ein derartiges Halbachmagnetsystem erzeugt ein äußerst homogenes Magnetfeld. Bei den erfindungsgemäßen Permanentmagneten erhält somit quasi jedes Segment eine bestimmte Vorzugsrichtung. Hierdurch ergibt sich aufgrund der Größe der einzelnen Magnetsegmente eine Abweichung von der Homogenität des im Bereich der Tauchspule erzeugten magnetischen Feldes. Um diese Abweichung im Magnetfeld so gering wie möglich zu halten, ist es deshalb notwendig, eine feine Segmentierung vorzunehmen. Dadurch vergrößert sich zwar der Herstellungsaufwand, aber es entsteht ein homogeneres Magnetfeld. The different preferred magnetization is a so-called Halbach system. Such Halbachmagnetsystem generates an extremely homogeneous magnetic field. In the case of the permanent magnets according to the invention, virtually every segment thus receives a specific preferred direction. Due to the size of the individual magnet segments, this results in a deviation from the homogeneity of the magnetic field generated in the region of the plunger coil. To keep this deviation in the magnetic field as low as possible, it is therefore necessary to make a fine segmentation. Although this increases the production cost, but it creates a more homogeneous magnetic field.
Die Permanenteinzelmagnetsegmente bestehen aus isotropem Dauermagnetmaterial. Dadurch, dass das gesamte Magnetsystem aus einer Vielzahl von dicht aneinander angeordneten Permanenteinzelmagnetsegmenten besteht, ist es notwendig, dass die Vorzugsmagnetisierungsrichtung auch innerhalb der einzelnen Segmente örtlich variiert.The permanent single magnetic segments are made of isotropic permanent magnet material. Because the entire magnet system consists of a multiplicity of permanent magnet segments arranged close to one another, it is necessary for the preferred direction of magnetization also to vary locally within the individual segments.
Als Magnetmaterial werden isotrope Materialien mit einer im zweiten Quadranten annähernd linearen Kennlinie verwendet. Ferner können auch Materialien verwendet werden, bei denen die Koerzitivfeldstärke wesentlich größer ist als das Verhältnis von Remanenz zur magnetischen Feldkonstanten. Bei derartigen Materialien handelt es sich um gesinterte oder kunststoffgebundene Ferrite oder Seltene-Erden-Magnete.The magnet material used is isotropic materials with an approximately linear characteristic in the second quadrant. Furthermore, materials can also be used in which the coercive field strength is substantially greater than the ratio of remanence to the magnetic field constant. Such materials are sintered or plastic bonded ferrites or rare earth magnets.
Mit den vorbeschriebenen Vorrichtungen lässt sich beispielsweise aus Abwärme oder dergleichen kostengünstig elektrische Energie erzeugen. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie in Verbindung mit Anlagen, bei denen beispielsweise durch Sonneneinstrahlung eine Erwärmung eines Energieträgers erfolgt.With the above-described devices can be produced, for example, from waste heat or the like cost electrical energy. In particular, the device is suitable for generating electrical energy in connection with systems in which, for example, by solar radiation heating of an energy carrier takes place.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to various embodiments.
Es zeigt:It shows:
Die
Über einen geschlossenen Strömungskreislauf durch einen ersten Wärmetauscher ist die Turbine
Durch den ersten Wärmetauscher
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie über eine Drehmomentenerzeugung in elektrische Energie zeigt die
Der Vorteil der Ausführung eines derartigen hermetisch geschlossenen Gehäuses
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der
Eine solche Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mittels Drehmomentenerzeugung läuft mit einer sehr hohen Drehzahl, was gleichzeitig eine Steigerung des Wirkungsgrades beinhaltet.Such a device for converting heat into electrical energy by means of torque generation runs at a very high speed, which at the same time includes an increase in the efficiency.
Anschließend wird jetzt auf die Ausführung des Generators Bezug genommen.Subsequently, reference will now be made to the execution of the generator.
Eine derartige Ausführung einer elektrischen Maschine als Generator/Motor
Wie bereits ausgeführt worden ist, sind die einzelnen Permanentmagnetsegmente
Die einzelnen Permanentmagnetsegmente
Aus der
Die sich durch die Vorzugsmagnetisierungsrichtung ergebende Magnetisierung der einzelnen Permanentmagnetsegmente
Bei dem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Die Anzahl der Pole einer solchen elektrischen Maschine sowohl bei Ausführung eines Motors
Aus der
Als bevorzugten Magnetwerkstoff werden isotrope Materialien verwendet, die gesintert oder kunststoffgebunden sind und der Gruppe der Seltenen-Erden angehören.As a preferred magnetic material isotropic materials are used which are sintered or plastic bonded and belong to the group of rare earths.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
- 22
- Generator/MotorGenerator / motor
- 33
- Pumpe/VerdichterPump / compressor
- 44
- KraftübertragungsmittelPower transmission means
- 55
- Turbineturbine
- 66
- Auslassoutlet
- 77
- Trennwandpartition wall
- 88th
- erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
- 99
- Einlassinlet
- 1010
- Gehäusecasing
- 1111
- Abschlussringend ring
- 1212
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1313
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1414
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1515
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1616
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1717
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1818
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 1919
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 2020
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 2222
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 2323
- PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
- 2424
- SpuleKitchen sink
- 2525
- Zentralelementcentral element
- 2626
- Magnetsegmentmagnetic segment
- 2727
- Magnetsegmentmagnetic segment
- 2828
- Segmentachsesegment axis
- 2929
- Feldachsefield axis
- 3030
- Regelungregulation
- 3131
- äußeres Magnetsystemouter magnet system
- 3232
- äußerer Luftspaltouter air gap
- 3333
- innerer Luftspaltinner air gap
- 3434
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 3535
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 3636
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 3737
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 3838
- Trägercarrier
- 3939
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4040
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4141
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4242
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4343
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4444
- PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
- 4545
- Bodenground
- 4646
- Feldverteilungfield distribution
- 4747
- Feldverteilungfield distribution
- 4848
- Lagerbockbearing block
- 4949
- Lagercamp
- 5050
- Wicklungsanfangwinding start
- 5151
- Wicklungsanfangwinding start
- 5252
- Wicklungsanfangwinding start
- 5353
- Wicklungsanfangwinding start
- 5454
- Wicklungsanfangwinding start
- 5555
- Wicklungsanfangwinding start
- 5656
- Wicklungskopfwinding head
- 5757
- Wicklungskopfwinding head
- 5858
- Wicklungsendewinding end
- 5959
- Wicklungsendewinding end
- 60 60
- Wicklungsendewinding end
- 6161
- Wicklungsendewinding end
- 6262
- Wicklungsendewinding end
- 6363
- Wicklungsendewinding end
- 6464
- Radiusradius
- 6565
- Radiusradius
- 6666
- Wärmetauscherheat exchangers
- 6767
- Bypassstrombypass flow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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