DE102012005149A1

DE102012005149A1 - Elektromotor mit reduzierter Stromleistungsauflage

Info

Publication number: DE102012005149A1
Application number: DE201210005149
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-05-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit reduzierter Stromaufnahme bei einer gewünschten Abtriebsleistung. Dabei werden die bei herkömmlichen Elektromotoren zwangsläufig entstehenden Induktionsspannungen durch Verkürzung der Leiterlängen, in denen Induktionsspannungen entstehen, oder durch Gegeninduktion mit Hilfe eines zweiten Läufers verringert oder durch Zusatzmaßnahmen wird die Abtriebsleistung bei gegebener Zufuhr an elektrischer Energie vergrößert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit reduzierter Stromleistungsaufnahme bei identischer Drehleistung gegenüber bekannten Elektromotoren.
Ein Elektromotor arbeitet derartig, dass entweder Läufer- oder Statorpole oder beide elektrisch mit Hilfe von in Leitersträngen fließenden Strömen erzeugt werden und der Läufer durch permanente Umpolung von elektrischen Strömen in eine gewünschte Drehrichtung gezogen und gedrückt wird.
Dabei wird bei senkrechter Bewegung eines Leiterstrangs durch ein Magnetfeld in diesem Leiterstrang eine Spannung je nach Orientierung des Magnetfeldes induziert, die eine senkrechte Kraft F am Leiterstrang erzeugt. Führt man eine Polschleife mit den beiden Schleifenleitern senkrecht durch dieses Magnetfeld, heben sich die Kräfte und Induktionswirkungen auf, da sie in der geschlossenen Leiterschleife entgegengesetzt wirken und sich so aufheben.
Bei bisherigen Elektromotoren wird in jedem hin- und hergeführten Leiterstrang, der jeweils wechselweise unter einem entgegengesetzten, bewegten Magnetpol liegt, diese Spannung induziert, sodaß bei gegebenem Stromfluß I die Spannung U = B·l·v mit B = Induktion, l = Leiterlänge unter den bewegten Magneten, v = Umfangsgeschwindigkeit im Luftspalt benötigt wird, um den gewünschten Stromfluß aufrecht zu erhalten.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, will diese Spannungsverluste reduzieren um so eine gewünschte Drehleistung mit einer reduzierten Stromleistung zu erhalten.
Dies wird dadurch erreicht, dass entweder

a) die Leiterlänge l, in der diese schädliche Spannung erzeugt wird, verkürzt wird, oder
b) ein zu dem ersten Motorläufer entgegengesetzt bewegter Läufer in den Leitern eine Gegeninduktion erzeugt, sodaß der Stromfluß eine geringere Spannung benötigt, oder
c) dass zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sind, um die Drehkraft des Motors zu vergrößern.

Die Erfindung mit Ausführungen wird anhand der 1–10 beschrieben.
Zunächst soll die Möglichkeit die Leiterlängen zu verkürzen, die der Induktion unterliegen.
1 zeigt drei Elektromotoren mit einem 4-poligen Läufer (1) und drei verschiedenen elektromagnetischen Polbreiten (2) in denen eine Induktion erzeugt wird, Man erkennt, dass, sobald man die Statorpole (2) sich auf mehr als 8 vergrößert, sich die Polspalte gegenüber den Läuferpolen (1) verdoppeln. In den 1–3 sind die Statorpole, in denen eine Induktion erzeugt wird, mit einem Punkt gekennzeichnet sind.
8 und 9 zeigen die erfindungsgemäßen Wicklungen (61, 62, 63, 64; 99) um die Statorpole, bei denen jeweils die identische Wicklung (61 oder 62 oder...) um einen Pol geschlungen ist und so, wenn der Statorpol (105) sich vollständig über dem Läuferpol befindet in dem rechten und linken Wicklungsstrang in die identische Richtung induziert wird, wodurch sich die Induktionsspannungen neutralisieren.
Nur in den Polen (104) unter den Polwechselspalten am Läufer wird eine Spannung durch die entgegengesetzte Polung über den beiden Wicklungsleitern erzeugt.
Nach den Formeln der Elektrotechnik hängt der notwendige Strom, um eine gewünschte magnetische Feldstärke H in einer Leiterschleife zu erzeugen von deren Radius ab und damit von der Polschleifenfläche.
Dabei geht die Polschleifenfläche mit ihrer Wurzel in diese Formel ein. Benötigt man bei eine Fläche A1 = 5000 einen Strom von 400 A, also 70,7 Wicklungen mit 10 A, dann benötigt man bei einem Viertel dieser Fläche A2 = 1250 nur 35,35 Wicklungen mit 10 A. Das heißt man kann die Wicklungszahl halbieren.
2 zeigt das Laufbild eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit 8 Statorpolen pro Läuferpol

Die nachfolgende Tabelle zeigt die energetischen Vorteile, wenn man die Statorpole gegenüber den Läuferpolen mehr als vervierfacht.

	Rechnerische Wirkungsgradvorteile ohne Endmagnete (4)	Konventioneller Motor	Erfindungsgemäßer Motor	Erfindungsgemäßer Motor
	Rechnerische Wirkungsgradvorteile ohne Endmagnete (4)	Konventioneller Motor	4 Läuferpole	4 Läuferpale
	Tabelle 1	4 elektromag. Pole	4 Gestellpole pro LP	8 Gestellpole pro LP
1	Läuferpohahl	4	4	4
2	Polbreite	100	100	100
3	Polwechselspalte Gestell	4	4	4
4	Polwechselsp. Läufer	4	4	4
5	Zugkraft gesamt	800	800	800
6	Luftspaltradius	100	100	100
7	Einzelpolfläche	100·π/2·100 = 5000·π	100·π/8·100 = 1250·π	100·π/16·100 = 625·π
8	H(Pol)	5	5	5
9	Polschleifenradius r	70,7	35,35	25
10	Wicklungsstrom I	10	10	10
11	Wicklungen	70	35	25
12	Polwechselspalte mit Induktion	4	8	8
13	Wicklungslänge mit Induktion	28000	28000	20000
14	U·l/(B·v)	28000	280000	200000
15	Z14/Z5	350	350	250
16	Z19/350	1	1	0,7142

Erläuterung Tabelle:

Zeile 1: Zahl der Läuferpole
Zeile 2: Länge Polwechselspalt = Breite Läufer
Zeile 3: Anzahl der im Betrieb eingeschalteten Polwechselspalte im Gestell
Zeile 4: Läuferspalte konventioneller E-Motor
Zeile 5: Polwechselspalte gesamt·Zeile 2
Zeile 6: Radius Luftspalt des Motors
Zeile 7: Breite × Bogenmass eines Pols = Polfläche
Zeile 9: r = Radius einer Polschleife, um das H im Schleifenmittelpunkt zu erreichen;
daraus I = H·2·r
Zeile 11: Wicklungszahl = H·2·Z9/Z10
Zeile 12: Polwechselspalte mit Gegeninduktion (Bei den erfindungsgemäßen Polen mit Gegeninduktion werden an den Wicklungen beider Seiten Induktionswirkungen wirksam, da unterschiedliche Pole sich darüber bewegen)
Zeile 13: Zeile 2·Zeile 11·Zeile 12
Zeile 14: Zeile 12·Zeile 10 (Wegen H bei allen Alternativen gleich, daher auch B; v ebenfalls)
Zeile 14 und 15: Wie angegeben

10 zeigt ein Diagramm, in welchem die zunehmende Spannungsverringerung gegenüber dem konventionellen Elektromotor mit zunehmender Verkleinerung der Statorpole dargestellt ist.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Motor der 1, bei welchem in einem Läuferpol (1) kurze Permanentmagnete (8) mit entgegengesetzter Polung wie der Läuferpol (1) schräg in Drehrichtung des Läufers zu den Statormagneten (3) gerichtet sind und einen Abstand von zwei Polspalten des Stators voneinander haben, um eine kurzzeitige Induktion in den Polspalten zu vermeiden.
3 zeigt die Steuerung der Statorpole bei einem Motor mit den kurzen Permanentmagneten (8). Bei diesem werden die Statorpole (3) so angesteuert, dass ihre Orientierung mit dem Läufer umläuft und damit die Permanentmagneten (8) immer zu einem Gegenpol am Stator gerichtet sind.
Das Ergebnis davon wird anhand 5 erläutert. Nehmen wir an der Magnet (8) ist mit einem mittleren Winkel vom 14,4° zur Tangente an den Läufer nach Vorne gekippt. Dann werden die Magnetlinien des Stators die kürzeste Strecke zum Gegenpol, also das Lot auf die Magnetfläche des Permanentmagneten (8) suchen. Das heißt der Permanentmagnet wird mit der Wirkkraft F = arcsin 14,4°·Anziehungskraft 0,25·Anziehungskraft nach Vorne gezogen.

Auch hier sollen die Vorteile anhand einer Tabelle gezeigt werden:

	Vorteile des Wirkungsgrads erfindungsgemäßer Motoren mit Endmagneten (4)	Konventioneller Motor	Erfindungsgemäßer Motor	Erfindungsgemäßer Motor
		Konventioneller Motor	4 Läuferpole	4 Läuferpole
	Tabelle 2	4 elektromag. Pole	4 Gestellpole pro LP Mit Endmagneten	8 Gestellpole pro LP Mit Endmagneten
1	Läuferpole (LP)	4	4	4
2	Polbreite	100	100	100
3	Polwechselspalte Gestell	4	4	4
4	Polwechselsp. Läufer	4	4	4
5	Endmagn. pro LP	-	2	4
6	Zugkraft pro Endmagn.	-	0,25	0,25
7	Zugkraft Wechselspalte	8·100 = 800	8·100 = 800	8·100 = 800
8	Zugkraft Endmagnete	-	2·4·100·0,25 = 200	4·4·100·0,25 = 400
9	Zugkraft gesamt	800	1000	1200
10	Luftspaltradius	100	100	100
11	Einzelpolfläche	50·π·100 = 5000·π	12,5·π·100 = 1250·π	6,25·π·100 = 625·π
12	H(Pol)	5	5	5
13	Polschleifenradius r	70,7	35,35	25
14	Wicklungsstrom I	10	10	10
15	Wicklungen	70	35	25
16	Polwechselspalte mit Induktion	4	8	8
17	Wicklungslänge mit Induktion	28000	28000	20000
18	U·l/(B·v)	28000	280000	200000
19	Z18/Z9	350	280	166.666
20	Z19/350	1	0,8	0,4762

Erläuterung Tabelle:

Zeile 1–4 wie vorne
Zeile 6: Annahme Zugkraft 0,25·Polwechselspalt
Zeile 7–9: Wie beschrieben
Zeile 10–18 entsprechend Zeile 6–14 vorherige Tabelle
Zeile 19, 20 wie beschrieben.

Eine alternative Lösung zur Verringerung der schädlichen Induktionsspannung zeigen die 6 und 7 anhand von Lauf- und Regelungsbildern.
6 zeigt Statorwicklungen (10) mit einem halben ferromagnetischen Kern (11) und einem halben nichtmagnetisierbaren oder dia- oder paramagnetischen Kern (14).
Über den Wicklungsteil mit ferromagnetischen Kernen (11) laufen ein erster Läufer (12) nach links, über den Wicklungsteil mit nichtmagnetisierbarem Kern (14) ein zweiter Läufer (13) nach rechts.
Dann wird bei Bestromung der Leiterwicklung in dem Teil mit ferromagnetischen Kernen (11) eine hohe Magnetkraft wirksam, die den ersten Läufer nach links zieht.
In dem Abschnitt (14) mit den nichtmagnetisierbaren Kernen wird aber kaum eine Bündelung der Magnetkraft erreicht, sodaß die dortigen Magnetfelder am zweiten Läufer kaum Kräfte hervorrufen.
Die beiden entgegengesetzt laufenden Läufer (12, 13) sind so angeordnet und z. B. von einem Differentialgetriebe angetrieben, dass immer dann, wenn sich ein Nordpol (18) des ersten Läufers (12) unter einem Leiterstrang (16) nach links bewegt, sich ein Nordpol (18) des zweiten Läufers (13) unter diesem Leiterstrang (16) nach rechts bewegt und analog, wenn sich ein Südpol (17) des ersten Läufers (12) unter einem anderen Leiterstrang (15) nach links bewegt, sich ein Südpol (17) des zweiten Läufers (13) nach rechts bewegt.
Dann neutralisieren sich nahezu die Induktionsspannungen, die durch Bewegung eines Leiters durch ein Magnetfeld erzeugt werden, in den Wicklungen theoretisch vollständig.
Nach dem Induktionsgesetz von FARADAY ruft aber auch die Änderung des magnetischen Flusses in den ferromagnetischen Polen eine induktive Wirkung hervor.
Um die entgegengesetzten Induktionswirkungen stufenlos anpassen zu können, werden die Überdeckungsflächen der Leiterlängen des zweiten Läufers (13) stufenlos dadurch verändert, indem dessen Pollflächen axial über die Leiter (15, 16) geschoben oder von diesen weggezogen werden.
Dies ist in 7 gezeigt. Dort ist in der oberen Zeile der zweite Läufer (13) vollständig über den Leiterschleifen, in der mittleren Zeile nur teilweise und in der unteren Zeile kaum. Damit lässt sich die schädliche Induktion deutlich verringern.
11 zeigt eine neuartige Form der Energieerzeugung. Der erfindungsgemäße Motor (Spalte 4 der Tabelle 1) gibt die identische Leistung wie der berechnete konventionelle Motor (Spalte 2) ab, nimmt aber nur 71,4% der Stromleistung auf wie der konventionelle Motor. Läßt man nun einen Großmotor (20) nach dem erfindungsgemäßen Prinzip einen Generator (21) nach dem konventionellen Prinzip drehen, dann liefert der Generator (21) bei unterstellten Wirkungsgraden von 97% bei beiden Maschinen 94% der Stromleistung, die der erfindungsgemäße Motor abgibt. Von diesen 94% ziehen wir die 71,4% der Stromleistung ab, die wir zum Betrieb des erfindungsgemäßen Motors (20) benötigen und können über 20% des Stromes in das Netz einspeisen.

Claims

Elektromotor mit alternierenden Magnetpolen am Läufer und elektromagnetischen Polen am Stator, dadurch gekennzeichnet, dass bei ihm der erhöhte Spannungsbedarf U eines Elektromotors durch Gegeninduktion der über die Motorwicklungen (10, 15, 16; 61, 62, 63, 64; 99, 100, 107) bewegten Läufermagnete (12, 13; 103, 106) oder durch Verkürzung dieser Motorwicklungen verringert wird und/oder dass bei gegebener Zufuhr von elektrischer Energie durch zusätzliche Einrichtungen (8) die Drehkraft erhöht wird.
Elektromotor unter Patentanspruch 1, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß a) es entweder n·m Elektromagnetpole (n > 1) bei m Läuferpolen gibt und die Leiter (61, 62, 63, 64; 99) eines elektromagnetischen Pols (3) so um diesen gewickelt sind, dass sie nur kurzzeitig, nämlich wenn zwei unterschiedliche Läuferpole über dem linken und dem rechten Polleiter befindlich sind, eine Gegenspannung im Leiter induziert wird, oder b) die Wicklungen (10) der elektromagnetischen Pole (11) quer zur Drehrichtung der sich über diesen bewegenden ersten Magnetpole (12) über einen elektromagnetischem Pol aus Ferromagnetischem Material (11) und um parallel zu den ferromagnetischen Polen angeordnete para- oder diamagnetische Pole oder nicht magnetisierbare Pole (14) geführt werden, über denen zweite Magnetpole (13) in entgegengesetzter Richtung zu dem Magnetpolen (12) so bewegt werden, dass jederzeit über jedem quer zur Drehrichtung liegenden Wicklungsstrang (15) je ein Pol gleicher Orientierung (17) nach links und rechts bewegt wird (Wicklungsstrang (16) je ein Pol gleicher Orientierung (18)), sodaß die Induktionsspannungen in diesen Wicklungssträngen (15, 16) sich gegenseitig aufheben.
Elektromotor unter Patentanspruch 1 oder 2, welcher unter 2.a) gekennzeichnet ist, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass n > 4 ist
Elektromotor unter Patentanspruch 1, 2 bzw. 2a. oder 3, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass am Ende jedes Läufermagnetpols (1) Permanentmagnete (8) angeordnet sind, welche mit dem entgegengesetzten Pol des Läufermagneten (1) zu den Statormagneten (3) in einem Winkel ≠ 0 weisen, und die Polschaltung mit dem Läufer so umläuft, dass jederzeit ein Permanentmagnet (8) zu einem darüberliegenden Gegenpol am Stator weist, wodurch eine Zugkraft zwischen den beiden Magneten (3, 8) gegeben ist, die am Läufer eine Zugkraft in Drehrichtung bewirkt.
Elektromotor unter Patentanspruch 4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (8) am Umfang den identischen Abstand in Umfangsrichtung haben wie die beiden Polkanten eines Statormagneten (3).
Elektromotor unter Patentanspruch 1 oder 2 bzw. 2b, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzte Drehung der Läufermagneten (12, 13) mit identischer Drehzahl zu den Statorpolen (11, 14) mit Hilfe eines mechanischen Getriebes erfolgt.
Elektromotor unter Patentanspruch 1 oder 2 bzw. 2b oder 6, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzte Geschwindigkeit der beiden Läufermagneten mit Hilfe der Getriebeübersetzung so gewählt wird, dass die Induktion durch Änderung des magnetischen Flusses in der Wicklung (10) und durch Bewegung des Motorläufers (12) über den Wicklungen in den Motorpolen durch eine entgegengesetzte schnellere Bewegung des Ausgleichsläufers (13) weitgehend neutralisiert wird.
Elektromotor unter Patentanspruch 1 bzw. 1b., 6, oder 7 zusätzlich dadurch gekennzeichnet dadurch, dass eine stufenlos verstellbare Regelung am Ausgleichsläufer (13) vorhanden ist, um die induzierte Gegenspannung zu minimieren wie z. B. eine Änderung der Überdeckungslänge der Wicklung durch die Magnete (13) des Ausgleichläufers durch Axiualverschiebung der Überdeckungspole (13, 14).
Elektromotor unter einem der Patentansprüche 1–8, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass er als Großmotor (20) eingesetzt wird, der für eine gewünschte Abtriebsleistung eine geringere Zufuhr an elektrischer Energie benötigt als ein konventioneller Motor, einen Generator (21) nach dem konventionellen Prinzip treibt und so mehr elektrische Energie erzeugt als er verbraucht, und der Teil der Versorgungsenergie des Großmotors (20) vom Generatorstrom abgezweigt wird und die Überschussenergie in ein Netz eingespeist wird.