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Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Rotor, der durch ein Fluid beaufschlagt wird, wobei in dem Rotor ein Generator angeordnet ist.
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Als Turbine im Sinne der Erfindung wird eine Strömungsmaschine angesehen, die durch ein strömendes Fluid, dieses können unterschiedliche Flüssigkeiten und Gase sein, aus der Rotationsenergie in Verbindung mit einer generatorischen Einrichtung elektrische Energie erzeugt. Der Aufbau derartiger Turbinen kann unterschiedlichster Art sein und richtet sich insbesondere nach dem verwendeten Fluid. So ist in einem Aufsatz von Alfred Evert eine Turbine mit dem Titel
„Resonanz – Turbinen" im Internet www.evert.de/eft607.htm beschrieben worden. Die in diesem Aufsatz beschriebene Vorgehensweise ist seit Jahrzehnten bekannt. So kann auch der
DE 44 40 241 C1 eine Turbine mit einem Turbinengehäuse und einem darin befindlichen beidseitig beaufschlagten Turbinenrad, das Antriebstaschen über seinen Laufflächenumfang enthält, entnommen werden. Dabei ist innerhalb des Turbinenrades ein Ringankergenerator dargestellt, dessen Erregermagnet aus einem inneren permanenten Magneten und einem äußeren permanenten Magneten, beide jeweils kreuzgepolt und mit einem entsprechenden Polschuh, gebildet worden.
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In gleicher Weise ist durch die
DE 20 2014 003 915 U1 eine Resonanzturbine bekannt geworden, bei der im Innendurchmesser Längsnuten eingearbeitet sind, die als Mitnehmerelemente für einen in den Innendurchmesser der Turbine einzusetzenden Generator zur Halterung vorgesehen sind.
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Die in dem Stand der Technik aufgeführten Ausführungsbeispiele hinsichtlich einer generatorischen Vorrichtung zur Stromerzeugung arbeiten nicht effektiv. Dieses liegt daran, dass der Generator zu nahe der Rotationsachse angeordnet ist und somit, auch bei höheren Drehzahlen, nur eine geringe Ausbeute an elektrischer Energie liefert. Die Begründung ist in der elektromagnetischen Induktion, die der Maxwellschen-Gleichung folgt, für den Fachmann zu sehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile der bekannten Konstruktionen aus dem Stand der Technik zu beseitigen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4 gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird exemplarisch auf eine Ausführung eines Rotors eingegangen, bei dem beispielsweise innerhalb seiner äußeren Flächen Treibvertiefungen eingelassen worden sind, die mit Treibdüsen zusammenarbeiten, wobei innerhalb der Treibdüsen das Fluid so geleitet wird, dass es direkt in die Treibvertiefungen eindringt und dadurch den Rotor in Rotation versetzt. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf jede andere Art von Turbinen und ist auch dort anwendbar, bei denen ein rotierender Rotor, ob schwimmend- oder festgelagert, vorhanden ist.
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Gleichzeitig eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, derartige Turbinen in ihrer Bauform wesentlich kleiner zu gestalten. Dieses liegt insbesondere daran, dass innerhalb des Rotors ein Platz ausgenutzt wird, der sonst nicht verwendet wird. Dieses zeichnet die Erfindung aus, nämlich dadurch, dass diametral zur Rotationsachse eine Vorrichtung zur Stromerzeugung in den Rotor integriert ist und eine Platzierung aufweist, die von der Rotationsachse entfernt liegt. Dieses kann beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass der Rotor in zwei gleiche Rotationshälften aufgeteilt wird und somit zwischen den Rotationshälften die Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet wird. Eine derartige Stromerzeugung beruht auf der elektromagnetischen Induktion und damit der Elektrodynamik. Dabei ist grundsätzlich ein magnetisches Feld vorhanden, dass auf eine Wicklung, die aus einzelnen Leitern besteht, einwirkt. Das in der Wicklung erzeugte elektrische Feld ist dabei ein Vektorfeld der elektrischen Feldstärke.
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Innerhalb der Rotorhälften sind Magnetaufnahmen eingearbeitet. Innerhalb dieser Magentaufnahmen sind Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsysteme dauerhalt eingebracht. Als sehr effiziente Magnetwerkstoffe haben sich die Seltenen Erden als isotrope Materialien für monolithische und anisotropische Materiealien Verwendungen mit einer im zweiten Quadranten annähernd linearen Kennlinie herausgestellt. Es können jedoch auch andere Materialien eingesetzt werden, bei denen insbesondere die Koerzitivfeldstärke wesentlich größer ist als das Verhältnis von Remanenz zur magnetischen Feldkonstanten. Dieses sind insbesondere Materialien, die gesinterte oder kunststoffgebundene hartmagnetische Werkstoffe in Verbindung mit Seltenen Erden enthalten.
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Die innerhalb der ringförmig ausgebildeten Magnetaufnahmen eingebrachten Magnete können in einer ersten bevorzugten Ausführungsform als einstückige Ringe, bzw. aus Einzelmagneten bestehen. Auch diese Einzelmagnete bzw. Ringe sind vorzugsweise mit einer speziellen Vorzugsmagnetisierung ausgestattet, die einen verstärkten magnetischen Fluss mit wechselnder Polarität zu dem Luftspalt und dem Wicklungsaufbau gewährleisten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die permanenten Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsysteme auch aus einzelnen, zu einem Ring mit vorzugsweise dazwischen bestehenden Lücken aneinandergereihten Einzelmagneten, aufgebaut werden. In einem solchen Falle werden aus Einzelmagneten Polgruppen gebildet und so zusammengeführt, dass jede Polgruppe eine wechselnde Polarität mit einer verstärkten Ausrichtung des magnetischen Flusses zur Wicklung gerichtet, aufweist.
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Die rückseitige Ausbildung der Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsysteme wird vorzugsweise durch ein Rückschlussmaterial, welches aus einem ferromagnetischen Material besteht, gebildet. Durch diese Anordnung wird insbesondere der noch vorhandene geringe Streufluss der Permanent-Magnete gebündelt und somit zu dem Luftspalt gerichtet.
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Die Magnetaufnahmen in dem Rotor mit den Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsystemen sind spiegelbildlich ausgeführt und reichen nicht an die Verbindungsfläche zwischen zwei miteinander durch eine Verschraubung kraft- und formschlüssig verbundenen Rotationshälften heran. Vielmehr ist eine weitere Vertiefung vorhanden, die entsprechenden Raum für eine stehende Wicklung und seitlichen Luftspalten, die auf beiden Seiten ihrer Oberfläche zu den Polflächen der Dauermagnetsysteme oder Dauermagnetanordnungen vorhanden sind. Durch diesen Aufbau der stehenden Wicklung, die als scheibenförmige Wicklung konzentrisch an einem ortsfesten Halter oder dergleichen angebracht ist, erfolgt in Verbindung mit den rotierenden Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsystemen die Stromerzeugung, ohne dafür einen weiteren zusätzlichen Raum in Anspruch zu nehmen.
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Die Wicklung besteht vorzugsweise aus mehreren Einzelwicklungen bzw. Spulen und ist ringförmig aufgebaut. Die besondere Wicklungsausführung, die in einer bifilaren und vektorfeldgespaltenen meanderförmigen Art mit verdrillten Litzen realisiert werden kann, hat eine kreisförmige Form, an deren inneren Durchmesser gleichzeitig eine Wicklungshalterung angebracht ist. Eine derartige Wicklung kann als selbsttragende Luftspule oder aber auch in Verbindung mit einem allgemeinen Träger bzw. mit einem ferromagnetischen Werkstoff als Träger, ausgeführt werden. Die einzelnen Litzen bzw. Drähte der Wicklung sind durch ein entsprechend fluidresistentes Harz oder einer Verguss-Masse miteinander verbunden. Um die Oberfläche der Wicklung noch widerstandsfähiger ausbilden zu können und auch bei höheren Umdrehungstemperaturen formstabil zu halten, kann diese mit einem Material aus Basaltgewebe oder Faserverbundmaterial oder dergleichen überzogen werden.
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Um beispielsweise bei einem schwimmenden Rotor eine Beschädigung der Wicklung bzw. der Wicklungsoberfläche zu vermeiden, können über die gesamte Wicklung Zentrierungen, die innerhalb des Luftspaltes liegen angeordnet werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Zentrierungen nur bereichsweise anzuordnen. Als geeignetes Material hat sich hier Teflon oder ein gleichwertiges Material herausgestellt.
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Wie die vorhergehende Beschreibung deutlich macht, ist es aufgrund der Platzierung der Permanent-Magnete bzw. Permanent-Magnetsysteme möglich, diese weit von dem Innendurchmesser des Rotors entfernt zu dem äußeren Umfang des Rotors zu platzieren. Dieses trifft natürlich in gleichermaßen für die Wicklung zu. Durch eine derartige Maßnahme wird eine wesentliche Erhöhung der Stromausbeute aus dieser energieerzeugenden Anordnung herausgeholt. Dieses ist deshalb möglich, weil an der Umfangsfläche des Rotors die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors am höchsten ist und damit aufgrund der elektromagnetischen Induktion nach der Maxwellschen-Gleichung am Effektivsten ist.
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Die zentrisch in dem Rotor angeordnete und nicht mit diesem befestigte Halterung für die Wicklung kann in oder an seitlichen Gehäuseteilen oder dergleichen befestigt werden. Dabei ist die Form der Halterung vorzugsweise rund und weist einen rohrförmigen Aufbau auf, um so durch den Innenraum eine Abführung der elektrischen Verbindungen von der Wicklung zu gewährleisten.
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Je nach verwendetem Fluid kann es sinnvoll sein, wenn der Rotor an seinen seitlichen Oberflächen an den Rotorhälften mit geeigneten Dichtungen versehen ist, um so zu verhindern, dass das Fluid in den Bereich der generatorischen Bauteile gerät. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, weil diese insbesondere gegen Feuchtigkeit resistent aufgebaut sind.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird der stromerzeugende und damit der generatorische Teil, entgegen dem Stand der Technik, in den Rotor der Turbine integriert und zwar innerhalb seines äußeren Umfanges. Dabei ist die Wicklung ortsfest an Gehäuseteilen oder dergleichen befestigt. Ausgebildet ist die Wicklung als ringförmige Scheibe, so dass diese dann unter seitlichen Luftspalten zwischen Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsystemen eintauchen kann.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor konzentrisch geteilt, so dass zwei gleiche Rotorhälften bezogen auf die Rotorachse entstehen. Dabei können an der Schnittstelle des Rotors, im Bereich des Umfanges, Vertiefungen in Richtung zur Rotorachse eingebracht werden, die als Magnethalter fungieren. Vorzugsweise weisen diese Vertiefungen zum äußeren Umfang hin einen umlaufenden Steg auf, so dass aufgrund der Fliehkräfte bei der Rotation die Magnetanordnungen nicht herausgeschleudert werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass die Permanent-Magnetsysteme oder dergleichen bei der Montage auf einen Magnethalter, der als Ring mit einem vorstehenden Rand ausgebildet ist, aufgebracht werden. Diese Ringe können nach dem Bestücken mit den Permanent-Magnetsystemen durch geeignete Verbindungen mit den jeweiligen Hälften des Rotors kraft- und formschlüssig verbunden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass der Rotor nicht koaxial in zwei Hälften aufgeteilt wird sondern an seinem Umfang eine umlaufende Vertiefung erhält, in die Magnethalter von außen eingesetzt werden. Derartige Magnethalter sind auch mit einem vorstehenden Rand ausgestattet und mindestens zweiteilig ausgebildet. Auch hier wird eine Befestigung mit dem Rotor durchgeführt. In einem solchen Falle ist es allerdings notwendig, dass die bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kreisrunde Wicklung in mindestens zwei Teilhälften aufgeteilt wird. Befestigt wird diese Wicklung dann auch an Gehäusehälften oder dergleichen oder anderen stationären Teilen, die entsprechend eine Teilung aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine geschnittene Ansicht eines Rotors mit einer Magnetanordnung und zwei Rotorhälften;
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2 wie 1 jedoch in einer anderen Ausführung im Bereich des Umfanges des Rotors;
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2a eine weitere Ausführungsform, bei der der Rotor nicht geteilt wurde;
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3 eine Draufsicht auf eine Wicklung;
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4 ein bevorzugtes Wickelschema einer Wicklung;
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5 einen Ausschnitt aus einer Permanent-Magnetanordnung oder eines Permanent-Magnetsystems einer einzelnen Polgruppe;
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6 eine Ansicht gemäß 5, Schnitt C-C;
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7 eine Ansicht gemäß 5, Schnitt B-B.
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8 eine Draufsicht auf einen ringförmigen Magnethalter.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 ist ein Rotor 1 in zwei gleiche Rotorhälften 3, 4 aufgeteilt. Über eine Rotorachse 20 werden zwei Verbindungsflächen 8 der Rotorhälften 3, 4 aneinander gefügt und mittels Verschraubungen 5 in Verbindung mit Verbindungsbohrungen kraft und formschlüssig untereinander verbunden. Bei dem dargestellten möglichen Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Rotor 1, der Treibvertiefungen 9 an seiner Oberfläche aufweist, die durch nicht dargestellte Treibdüsen mittels eines Fluides beaufschlagt werden und damit den Rotor 1 in Rotationen versetzen.
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An seinem äußeren Rotorumfang 32 weist der Rotor 1 eine Vertiefung 6 auf, in die ein Teil einer Wicklung 15, nämlich eine Wicklungshalterung 16, hineinragt. Die Wicklungshalterung 16 ist an einem stationären Teil 2 der Turbine oder dergleichen befestigt. Die Wicklung 15 ist dabei als ringförmige Wicklung ausgebildet und taucht in eine von dem Rotorumfang 32 her ausgebildete Vertiefung 14 in den Rotor 1 ein. Seitlich zu der Wicklung 15 sind Luftspalten 19 angeordnet. Im Anschluss an diese Luftspalten 19 sind Permanent-Magnetsysteme oder Anordnungen 11 dargestellt, auf die noch nachfolgend eingegangen wird. Hinter den Permanent-Magnetsystemen oder Permanent-Magnetanordnungen 11 sind Rückschlusselemente 10, die aus einem ferromagnetischen Material bestehen, die seitlich in die Rotorhälften 3, 4 in die Magnetaufnahmen 12 eingebettet sind. Zur Wahrung des Luftspaltes 19 können Zentrierungen 17 vorhanden sein. Diese Zentrierungen 17 sind insbesondere dann anwendbar, wenn beispielweise der Rotor 1 nicht festgelagert ist.
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Damit die Permanent-Magnetsysteme 11 oder dergleichen nicht durch die Rotationsbewegung des Rotors 1 ihren angestammten Platz verlassen können, wird zum Rotorumfang 32 hin eine Begrenzung durch einen Steg 33 ausgebildet.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 handelt es sich ebenfalls um den Rotor 1, der aus zwei gleichen Rotorhälften 3, 4 besteht. Die Verbindung der Rotorhälften untereinander ist analog der ersten Ausführungsform. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Ausführungsform sind die Magnetaufnahmen 12 anders ausgebildet. Dabei ist der vorbeschriebene Steg 33 nicht vorhanden und stattdessen sind Magnethalter 18, die der 8 entnommen werden können, eingesetzt worden.
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Der Magnethalter 18 ist als kreisrunde Scheibe ausgeführt und weist einen vorstehenden äußeren Rand 36 auf. Gleichzeitig ist der Magnethalter 18 auch als Rückschlusselement 10 verwendbar. Auf den Magnethalter 18 können die Einzelmagnete der Permanent-Magnetsysteme 11 oder dergleichen gut montiert werden und anschließend wird der Halter in die Rotorhälften 3 und 4 eingesetzt und kraft- und formschlüssig mit diesen verbunden. Zwischen die gegenüberstehenden Permanent-Magnetsysteme 11 oder dergleichen taucht auch hier wieder die Wicklung 15, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, ein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass der Rotor 1 einstückig ausgebildet wird. Von seiner Rotorumfangsfläche 32 her ist ein Einschnitt 35 eingebracht worden, der den Platz für einen mindestens zweigeteilten Magnethalter 18 und damit für die Permanent-Magnetsysteme 11 oder dergleichen gewährleistet. Darüber hinaus ist im Grund des Einschnittes 35 die Vertiefung 14 für das weitere Eintauchen der ortsfesten Wicklung 15 vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es notwendig, dass die Wicklung 15 auch in mindestens zwei Segmenten in kreisrunder Scheibenform vorliegt. Diese Segmente werden dann auch an einem ebenfalls getrennten Gehäuse oder Teilen der Turbine befestigt.
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Die Wicklung 15 kann einer gesonderten Darstellung gemäß 3 entnommen werden, sie ist scheibenförmig ausgebildet.
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In der 4 wird schematisch ein bevorzugtes Wickelschema für die Wicklung 15 dargestellt. Dabei sind die einzelnen Spulen oder Wicklungsabschnitte meanderförmig und bifilar, vorzugsweise unter Verwendung von verdrillten Litzen, ausgeführt worden. Durch eine derartige Ausführung der Wickeltechnik kommt es in den oberen und unteren Wicklungsköpfen zu einer Aufhebung bzw. Reduzierung der magnetischen Felder. Dieses hat den Vorteil, dass dadurch insbesondere auch Wärmeverluste vermieden werden. Mit 30 sind die einzelnen Spulenanfänge und mit 31 die Spulenenden bezeichnet worden. Nach Ausführung der Wicklung 15 wird diese beispielsweise mit einem faserverstärkten Kunststoff getränkt. An der Oberfläche ist es möglich entsprechendes Basaltgewebe anzubringen, um die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse der Wicklung 15 zu erhöhen.
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Die Permanent-Magnetanordnungen oder Permanent-Magnetsysteme 11 können in unterschiedlichster Ausführung ausgeführt werden. Diese sind innerhalb der Magnetaufnahme 12 eingesetzt und füllen somit insgesamt den Raum der Magnetaufnahme 12 aus.
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Die 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Permanent-Magnetanordnung oder eines Permanent-Magnetsystems 11, das sich durch eine hohe Leistungseffizienz einzelner Polgruppen auszeichnet. Dabei besteht eine einzelne Polgruppe aus mehreren Einzelmagneten. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die benachbarte Polgruppe durch eine Lücke 28 getrennt angeordnet werden. Die einzelnen Polgruppen der Permanent-Magnetanordnung oder der Permanent-Magnetsysteme 11 weisen eine abwechselnde Polarität auf und beinhalten gleichzeitig in sich einen gerichteten, verstärkten magnetischen Fluss zu dem Luftspalt 19 und damit zu der dahinter befindlichen stationären Wicklung 15. Um die Anordnung der einzelnen Dauermagnete deutlicher darstellen zu können sind gemäß 5 Schnittdarstellungen nach den Schnittlinien B-B und C-C in den 6 und 7 wiedergegeben worden.
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Aus der 6 wird deutlich, dass zwei im Wesentlichen gleiche Einzelmagnete 22, 23 durch einen Füllmagneten 25 distanziert werden. Innerhalb der Einzelmagnete 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 sind durch Pfeile die vorgenommenen Magnetisierungsrichtungen verdeutlicht worden. Oberhalb der Einzelmagnete 22, 23, 25 ist ein Polmagnet 29, dessen äußere Fläche eine Polfläche 27 darstellt. Links neben der vorgeschriebenen Anordnung der Einzelmagnete ist ein weiterer einzelner Magnet als Sperrmagnet 24 dargestellt worden. Wie die innerhalb der Einzelmagnete 22, 23, 24, 25, 27 und 29 dargestellten Magnetisierungsrichtungen deutlich machen, wird eine bevorzugte ausgerichtete Verstärkung der magnetischen Feldlinien zu der Polfläche 27 erzeugt. Diese spezielle Anordnung garantiert eine hohe Effizienz in Verbindung mit der bereits beschriebenen Wicklung 15 hinsichtlich der Stromerzeugung, die durch eine derartige Turbine geleistet wird.
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In gleicher Art und Weise, wie gemäß der 6, sind die Permanent-Magnetanordnung der Permanent-Magnetsystems 11 im äußeren Teil gemäß der 7 in der Schnittzeichnung B-B dargestellt worden. Wie auch hier durch die Pfeile innerhalb der einzelnen Dauermagnete 22, 23, 24, 25, 29 deutlich wird, ist auch im äußeren Bereich die Magnetisierung in gleicher Art und Weise mit der zielgerichteten, festliegenden Ausrichtung beibehalten worden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- stationärer Teil
- 3
- Rotorhälfte
- 4
- Rotorhälfte
- 5
- Verschraubung
- 6
- Vertiefung
- 7
- Verbindungsbohrung
- 8
- Verbindungsflächen
- 9
- Treibvertiefungen
- 10
- Rückschlusselement
- 11
- Permanent-Magnetanordnung/Permanent-Magnetsystem
- 12
- Magnetaufnahme
- 13
- Boden
- 14
- Vertiefung
- 15
- Wicklung
- 16
- Wicklungshalter
- 17
- Zentrierungen
- 18
- Magnethalter
- 19
- Luftspalt
- 20
- Rotationsachse
- 21
- Nicht vorhanden
- 22
- Magnet
- 23
- Magnet
- 24
- Sperrmagnet
- 25
- Füllmagnet
- 26
- Magnet
- 27
- Polfläche
- 28
- Lücke
- 29
- Polmagnet
- 30
- Wicklungsanfänge
- 31
- Wicklungsenden
- 32
- Rotorumfang
- 33
- Steg
- 34
- Rotorachse
- 35
- Einschnitt
- 36
- Rand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4440241 C1 [0002]
- DE 202014003915 U1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Resonanz – Turbinen” im Internet www.evert.de/eft607.htm [0002]
