DE102015002392A1

DE102015002392A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102015002392A1
Application number: DE102015002392.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem durch eine Welle (7) in einem Statorgehäuse gelagerten Rotor (4). Zum Motorbetrieb weist der Rotor (4) m Permanentmagnete (8) auf, die sich in Rotorwellenlängsrichtung erstrecken und ein statisches Magnetfeld generieren, wobei m ganzzahlig und größer 0 ist. Zum Generatorbetrieb erstrecken sich in Rotorwellenlängsrichtung n Feldwechseleinrichtungen (9) oder n Feldwiderstände (13), wobei n ganzzahlig und größer 0 ist. Im Statorgehäuse beabstandet zum Rotor (4), in Rotorwellenlängsrichtung verlaufend und symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang sind stromdurchflossene ansteuerbare Spulen (6) angeordnet, wobei die Spulen beim Motorbetrieb Steuerspulen (6.1) und beim Generatorbetrieb Induktionsspulen (6.2) sind, und wobei zur Bildung eines Hauptmagnetfeldes (10) dauerhaft erregbare Feldspulen (5.1, 5.2) beidseitig und stirnseitig vom Rotor (4) angeordnet sind, deren Polung gerichtet auf den Rotor (4) jeweils gleich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zur Erzeugung einer Rotationsbewegung, der sowohl mit Gleich- als auch mit Drehstrom betreibbar ist und dessen Rotor ein stabiles Magnetfeld, vorzugsweise durch Permanentmagnete erzeugt, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Generator, bei dem die Spulen bzw. Permanentmagnete für das Erregerfeld im Rotor angeordnet sind, so dass deren magnetische Feldlinien die Wicklungen des Stators durchdringen und hier eine Spannung induzieren (Innenpolgenerator).
Derartige Rotoren für elektrische Maschinen sind bekannt. Der Rotor gemäß US 6 242 837 ist als ein einstückiges Bauteil gebildet, wobei Permanentmagnete in gleichen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet sind und sich in der axialen Richtung durch den Rotorkern erstrecken. Die Magneten sind an einem äußeren Umfangsabschnitt des Rotorkerns nahe zu der äußeren Umfangsoberfläche derselben angeordnet.
Der Rotor selbst ist aus Eisen oder Eisenblechen hergestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Magnetflussdichte und damit die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, die als Elektromotor oder Generator betreibbar ist, weist einen durch eine Welle in einem Statorgehäuse gelagerten Rotor auf,
wobei zum Motorbetrieb der Rotor m Permanentmagnete aufweist, die sich in Rotorwellenlängsrichtung erstrecken und ein statisches Magnetfeld generieren, wobei m ganzzahlig und größer 0 ist,
wobei zum Generatorbetrieb sich in Rotorwellenlängsrichtung n Feldwechseleinrichtungen oder n Feldwiderstände erstrecken, wobei n ganzzahlig und größer 0 ist,
wobei sich im Statorgehäuse beabstandet zum Rotor, in Rotorwellenlängsrichtung verlaufend und symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnete stromdurchflossene ansteuerbare Spulen befinden,
wobei die Spulen beim Motorbetrieb Steuerspulen und beim Generatorbetrieb Induktionsspulen sind, und
wobei zur Bildung eines Hauptmagnetfeldes dauerhaft erregbare Feldspulen beidseitig und stirnseitig vom Rotor angeordnet sind, deren Polung gerichtet auf den Rotor jeweils gleich ist.
Das Hilfsmagnetfeld bestehend zwischen Rotor mit Feldwechseleinrichtungen/Permanentmagneten und den Steuerspulen/Induktionsspulen nimmt zum Hauptmagnetfeld, bestehend zwischen Rotor, Steuerspulen/Induktionsspulen und Feldspulen einen Winkel von 90° ein und die Magnetfelder sind gegenläufig gepolt.
Die Polung der Permanentmagnete/Feldwechseleinrichtungen ist entgegen der Polung des Hauptfeldes gerichtet.
Durch diese Anordnung wird eine höhere Kraftdichte erreicht, da der komplette Rotor in den Arbeitsprozess einbezogen ist.
Der Rotor besteht auch hier bevorzugt aus Eisen oder Eisenblechplatten.
Dabei weist der Rotor bevorzugt einen Außenmantel auf, der zylinderförmig oder fassförmig oder kegelstumpfförmig oder als Ellipsoid ausgebildet ist.
Die m Permanentmagnete bzw. die n Feldwechseleinrichtungen oder die n Feldwiderstände sind in einem mittleren Rotorabschnitt angeordnet und folgen der Mantellinie des Rotors in Rotorwellenlängsrichtung.
Sind bei einem Rotor m Permanentmagnete vorgesehen, wobei m gleich oder größer zwei ist, werden die Permanentmagnete symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umgreifen die dauerhaft erregbaren Feldspulen den Rotor in Seitenbereichen topfförmig. Dadurch werden die Lagerkräfte für den Rotor deutlich reduziert und die Lager entlastet.
Ausführungen zum Motor und zum Generator sind in den Zeichnungen dargestellt und sollen anhand der Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
1: den Aufbau der elektrischen Maschine,
2: einen Gleichstrommotor,
3: einen Drehstrommotor,
4: einen Drehstromgenerator,
5: einen Drehstromgenerator,
6: einen Allzweckgenerator,
7: eine induktive Versorgung der Elektromagnete und
8: eine Gegenüberstellung von Motoren.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der elektrischen Maschine, die als Elektromotor oder Generator betreibbar ist mit einem durch eine Welle 7 in einem Statorgehäuse gelagerten Rotor 4. Der Rotor 4 besteht aus Eisen oder Eisenblechplatten.
Der Außenmantel des Rotors 4 ist hier zylinderförmig ausgeführt. Möglich sind aber auch andere Formen wie fassförmig oder kegelstumpfförmig oder ellipsoid.
Zum Motorbetrieb weist der Rotor 4 (m) Permanentmagnete 8 auf, die sich in Rotorwellenlängsrichtung erstrecken und ein statisches Magnetfeld generieren, wobei (m) ganzzahlig und größer 0 ist. Anstelle von Permanentmagneten 8 können auch induktiv versorgte Elektromagnete eingesetzt werden.
Zum Generatorbetrieb erstrecken sich in Rotorwellenlängsrichtung (n) Feldwechseleinrichtungen 9 oder (n) Feldwiderstände 13, wobei (n) ganzzahlig und größer 0 ist.
Weiter sind im Statorgehäuse beabstandet zum Rotor 4, in Rotorwellenlängsrichtung verlaufend und symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnete stromdurchflossene ansteuerbare Spulen 6 angeordnet.
Die Spulen 6 sind beim Motorbetrieb Steuerspulen 6.1 und beim Generatorbetrieb Induktionsspulen 6.2.
Die (m) Permanentmagnete 8 bzw. die (n) Feldwechseleinrichtungen 9 oder die (n) Feldwiderstände 13 sind in einem mittleren Rotorabschnitt angeordnet und folgen der Mantellinie des Rotors 4 in Rotorwellenlängsrichtung.
Zur Bildung des Hauptmagnetfeldes 10 sind dauerhaft erregbare Feldspulen 5.1, 5.2 beidseitig und stirnseitig vom Rotor 4 angeordnet, deren Polung gerichtet auf den Rotor 4 jeweils gleich ist. In einer bevorzugten Ausführung umgreifen die dauerhaft erregbaren Feldspulen 5.1, 5.2 den Rotor 4 in Seitenbereichen topfförmig.
Das Hilfsmagnetfeld 12 besteht zwischen Rotor 4 mit Feldwechseleinrichtungen 9/Permanentmagneten 8 und den Spulen 6 und verläuft senkrecht zum Hauptmagnetfeld 10.
2 zeigt einen Gleichstrommotor 2.1 mit einem Rotor 4 mit (m) gleich zwei (m = 2) Permanentmagneten 8, die symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnet sind.
Beim Motorbetrieb beträgt die Anzahl der Steuerspulen 6.1 der dreifachen Anzahl (3m) der Permanentmagnete 8, somit hier sechs, die paarweise und gegenüberliegend angeordnet sind.
Weiter ist beim Motorbetrieb das durch jede Steuerspule 6.1 belegte Umfangswinkelmaß des Rotors 4 gleich und entspricht dem Umfangswinkelmaß, das von den Permanentmagneten 8 mit gleichem Umfangswinkelmaß eingenommen wird.
Anstelle von Permanentmagneten 8 können auch bevorzugt induktiv versorgte Elektromagnete eingesetzt werden.
Bei einer Ausführung der Steuerung erfolgt die Erregung der Steuerspulen 6.1 entgegen zum Hauptmagnetfeld 10 und identisch zum Hilfsmagnetfeld 12 in drei Schaltstufen und gruppenweise, wohingegen bei jedem Arbeitstakt jeweils nur eine Gruppe a, b oder c geschaltet werden. Oder die Erregung der Steuerspulen 6.1 erfolgt entgegen zum Hilfsmagnetfeld 12 und identisch zum Hauptmagnetfeld 10 in drei Schaltstufen und gruppenweise, wobei bei jedem Arbeitstakt immer paarweise und zeitgleich Gruppen a und b oder a und c oder b und c gesteuert werden, oder durch einen Drehstromwechselfeld zwischen den beiden Magnetfeldern 10 und 12 im Wechsel gesteuert werden.
3 zeigt einen Drehstrommotor 2.2 mit analogem Aufbau wie in 2. Anders erfolgt die Ansteuerung der Steuerspulen 6.1. Es wird jeweils nur eine halbe Periode für die Erregung der Steuerspulen 6.1 und gleichzeitig der Feldspulen 5.1 5.2 genutzt. Diese Ausführung kommt deshalb ohne Wechselfeld aus.
Wenn Wechselfelder in Kauf genommen werden, kann auf die Diodensteuerung für die Steuerspulen 6.1 verzichtet werden.
4 zeigt einen Drehstromgenerator 3.1. Beim Drehstromgenerator 3.1 bestehen die Feldwechseleinrichtungen 9 aus in Rotorwellenlängsrichtung angeordneten Permanentmagneten, Isolatoren oder mit Luft gefüllte Nuten oder Kombinationen daraus.
Bei dem hier gezeigten Drehstromgenerator 3.1, bei dem sechs Induktionsspulen 6.2 mit gleichem Umfangswinkelmaß (60°) den Rotorumfang vollständig belegen, finden zwei symmetrisch gegenüberliegende Feldwechseleinrichtungen 9 Verwendung, jeweils mit einem Umfangswinkelmaß von 60°, wobei beidseitig der Feldwechseleinrichtungen 9 eine Lücke in Form eines Feldwiderstandes 13 von 30° besteht, die mit Luft oder einem Isolator gefüllt ist.
Auch hier, beim Generatorbetrieb, beträgt die Anzahl der Induktionsspulen 6.2 der dreifachen Anzahl (3n) der Feldwechseleinrichtung 9, die paarweise und gegenüberliegend angeordnet sind.
Durch die Feldwiderstände 13 lassen sich die negativen und positiven Perioden in der Zeitdauer gleich ausbilden.
Ein Vorteil in der Steuerung besteht darin, dass keine Fremderregung notwendig ist, da vom Hilfsmagnetfeld 12 der induzierte Strom genutzt werden kann zur Erregung der Feldspulen 5.1, 5.2, die dann für die Ausbildung des Hauptmagnetfeldes 10 sorgen, um die maximale Leistung zu generieren.
Werden, wie in 5 gezeigt wird, bei einem Drehstromgenerator 3.2, bei dem drei Induktionsspulen 6.2 mit jeweils einem Umfangswinkelmaß von 90° und einer Lücke von 30° zwischen benachbarten Induktionsspulen 6.2 angeordnet, werden zwei gegenüberliegende Feldwechseleinrichtungen 9 mit einem Umfangswinkelmaß von 90° eingesetzt. Die Wirkungsweise ist wie bei 4 geschildert.
Bei dem in 6 dargestellten Allzweckgenerator 3.3, bei dem vier Induktionsspulen 6.2 mit jeweils einem Umfangswinkelmaß von 90° den Rotorumfang vollständig belegen, werden zwei gegenüberliegende Feldwiderstände 13 mit einem Umfangswinkelmaß von 90° eingesetzt. Dieser Generator 3.3 hat keine Feldwechseleinrichtungen und damit auch kein Hilfsmagnetfeld, so dass er einer Fremderregung bedarf. Bei Rotation wird ein pulsierender Gleichstrom erzeugt, wobei die von a und b erzeugten Spannungen einen Phasenversatz von 180° aufweisen.
Die Schaltbilder zeigen mögliche Umformungen:

DV: = oberwellenfreie Gleichspannung und
AV: = Wechselspannung.

7 zeigt eine vorteilhafte Ausführung für eine induktive Stromübertragung, wenn anstelle von Permanentmagneten 8 Elektromagnete aus Kurzschlussstromleitern (k) eingesetzt werden, die das Rotorfeldmuster der Permanentmagnete 8 ersetzen.
Die dauerhaft erregbaren Feldspulen 5.1, 5.2 umgreifen den Rotor 4 in Seitenbereichen topfförmig. Das Hauptmagnetfeld 10 wird so zum Lager für den Rotor, was vorhandene Lager des Rotors 4 entlastet.
Um eine Induktion zu erreichen, muss die Erregung der Feldspulen 5.1, 5.2 ohne Polarisationsänderung pulsieren.
In der 8 werden herkömmliche Motore dem erfindungsgemäßen Motor – Darstellung rechts – gegenübergestellt.

A) zeigt einen Motor mit Spulen und Bürstensteuerung. Dieser hat eine hohe Kraftdichte durch die Umfangsnutzfläche des Rotors von größer 1/2. Nachteilig ist die Bürstensteuerung zum Polwechsel.
B) zeigt einen Gleichstrommotor mit Permanentmagneten. Für den Vorteil der nicht notwendigen Umpolung wird eine verringerte Umfangsnutzungsfläche in Kauf genommen, die nur noch kleiner 1/3 beträgt.
C) zeigt einen mit der Lorenzkraft arbeitenden Motor. Es sind keine aktiven Element vorhanden, was den Motor kostengünstig macht, aber die Kraftdichte ist gering.

Die erfindungsgemäße Maschine 1 vereint in sich die Vorteile der Motore A)–C) und kommt ohne Wechselfeldsteuerung aus.
Bezugszeichenliste

1: Elektrokraftmaschine
2.1: Gleichstrommotor
2.2: Drehstrommotor
3.1: Drehstromgenerator
3.2: Drehstromgenerator
3.3: Allzweckgenerator
4: Rotor
5.1: Feldspule
5.2: Feldspule
6: Spulen
6.1: Steuerspulen
6.2: Induktionsspulen
7: Achse
8: Permanentmagnet
9: Feldwechseleinrichtung zur Generierung voller Perioden
10: Hauptmagnetfeld
11: Dioden/Gleichrichter
12: Hilfsmagnetfeld
13: Feldwiderstand
n =: Nordpol
s =: Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 6242837 [0002]

Claims

Elektrische Maschine, die als Elektromotor oder Generator betreibbar ist mit einem durch eine Welle (7) in einem Statorgehäuse gelagerten Rotor (4), wobei zum Motorbetrieb der Rotor (4) m Permanentmagnete (8) aufweist, die sich in Rotorwellenlängsrichtung erstrecken und ein statisches Magnetfeld generieren, wobei m ganzzahlig und größer 0 ist, wobei zum Generatorbetrieb sich in Rotorwellenlängsrichtung n Feldwechseleinrichtungen (9) oder n Feldwiderstände (13) erstrecken, wobei n ganzzahlig und größer 0 ist, wobei sich im Statorgehäuse beabstandet zum Rotor (4), in Rotorwellenlängsrichtung verlaufend und symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnete stromdurchflossene ansteuerbare Spulen (6) befinden, wobei die Spulen beim Motorbetrieb Steuerspulen (6.1) und beim Generatorbetrieb Induktionsspulen (6.2) sind, und wobei zur Bildung eines Hauptmagnetfeldes (10) dauerhaft erregbare Feldspulen (5.1, 5.2) beidseitig und stirnseitig vom Rotor (4) angeordnet sind, deren Polung gerichtet auf den Rotor (4) jeweils gleich ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus Eisen oder Eisenblechplatten besteht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel des Rotors (4) zylinderförmig oder fassförmig oder kegelstumpfförmig oder als Ellipsoid ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die m Permanentmagnete (8) bzw. die n Feldwechseleinrichtungen (9) oder die n Feldwiderstände (13) in einem mittleren Rotorabschnitt angeordnet sind und der Mantellinie des Rotors (4) in Rotorwellenlängsrichtung folgen.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dauerhaft erregbaren Feldspulen (5.1, 5.2) den Rotor (4) in Seitenbereichen topfförmig umgreifen.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polung der Permanentmagnete (8) entgegen der Polung des Hauptfeldes (10) gerichtet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei m Permanentmagneten (8), wobei m gleich oder größer zwei ist, die Permanentmagnete (8) symmetrisch bezogen auf den Rotorumfang angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Motorbetrieb und beim Drehstromgeneratorbetrieb die Anzahl der Steuerspulen (6.1) bzw. der Induktionsspulen (6.2) der dreifachen Anzahl (3m oder 3n) der Permanentmagnete (8) bzw. der Feldwechseleinrichtungen (9) beträgt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Motorbetrieb das durch jede Steuerspule (6.1) belegte Umfangswinkelmaß des Rotors (4) gleich ist und dem Umfangswinkelmaß, das von Permanentmagneten (8) mit gleichem Umfangswinkelmaß eingenommen wird, entspricht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Permanentmagneten (8) induktiv versorgte Elektromagnete eingesetzt sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drehstromgeneratorbetrieb die Feldwechseleinrichtungen (9) aus in Rotorwellenlängsrichtung angeordneten Permanentmagneten, Isolatoren oder mit Luft gefüllte Nuten oder Kombinationen daraus bestehen.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drehstromgeneratorbetrieb, bei dem sechs Induktionsspulen (6.2) mit gleichem Umfangswinkelmaß (60°) den Rotorumfang vollständig belegen, zwei gegenüberliegende Feldwechseleinrichtungen (9) Verwendung finden, jeweils mit einem Umfangswinkelmaß von 60°, wobei beidseitig der Feldwechseleinrichtungen (9) eine Lücke von 30° besteht, die mit Luft oder einem Isolator gefüllt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drehstromgeneratorbetrieb, bei dem drei Induktionsspulen (6.2) mit jeweils einem Umfangswinkelmaß von 90° und einer Lücke von 30° zwischen benachbarten Induktionsspulen (6.2) den Umfang einnehmend angeordnet sind, zwei gegenüberliegende Feldwechseleinrichtungen (9) mit einem Umfangswinkelmaß von 90° im Rotor (4) eingesetzt sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Allzweckgeneratorbetrieb, bei dem vier Induktionsspulen (6.2) mit jeweils einem Umfangswinkelmaß von 90° den Rotorumfang vollständig belegen, zwei gegenüberliegende Feldwiderstände (13) mit einem Umfangswinkelmaß von 90° eingesetzt sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsmagnetfeld (12) zum Hauptmagnetfeld (10) einen Winkel von 90° einnimmt und die Magnetfelder gegenläufig, ihrer Feldlinien entlang, gepolt sind.