DE102020105972A1 - Motor with a stator and a rotor - Google Patents
Motor with a stator and a rotor Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020105972A1 DE102020105972A1 DE102020105972.8A DE102020105972A DE102020105972A1 DE 102020105972 A1 DE102020105972 A1 DE 102020105972A1 DE 102020105972 A DE102020105972 A DE 102020105972A DE 102020105972 A1 DE102020105972 A1 DE 102020105972A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- elements
- rotation
- axis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
- F01C1/06—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents of other than internal-axis type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
- F01C21/08—Rotary pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/053—Component parts or details
- F02G1/055—Heaters or coolers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C2240/00—Components
- F04C2240/70—Use of multiplicity of similar components; Modular construction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Motor Or Generator Cooling System (AREA)
Abstract
Ein Motor zeichnet sich durch einen Stator (10) mit einer über eine Länge erstreckten Rotationsachse (25) und durch einen um die Rotationsachse (25) in zumindest einer Drehrichtung drehbaren Rotor (20) aus. Der Stator (10) weist eine oder mehrere je eine Schicht aufspannenden Statorelemente (11) auf. Der Stator (10) weist außerdem ein rohrförmiges Gehäuse (12) auf. Die je eine Schicht aufspannenden Statorelemente (11) sind in Längsrichtung der Rotationsachse (25) hintereinander aufgereiht. Die Statorelemente (11) sind mit dem Gehäuse (12) verbunden. Jedes der Statorelemente (11) weist ein oder mehrere Heizkreise (13) und ein oder mehrere Kühlkreise (14) auf. Jeder Kreis nimmt einen Winkelbereich des eine Schicht aufspannenden Statorelementes (11) ein. Die Anzahl der Winkelbereiche mit Kühlkreisen (14) und die Anzahl der Winkelbereiche mit Heizkreisen (13) sind gleich groß. Alle Winkelbereiche sind gleich groß. Die Winkelbereiche mit den Heizkreisen (13) und die Winkelbereiche mit den Kühlkreisen (14) sind abwechselnd zueinander um die Rotationsachse (25) angeordnet. Der Rotor (20) weist ein oder mehrere je eine Schicht aufspannenden Rotorelemente (21) auf. Jedes Rotorelement (21) ist symmetrisch zur Rotationsachse (25) angeordnet. Jedes Rotorelement (21) weist ein oder mehrere Verdrängungselemente (22) auf. Die Verdrängungselemente (22) sind auf ein oder mehrere Winkelbereiche verteilt, die zusammen die Hälfte der Querschnittsfläche des Rotors (20) bezogen auf die Rotationsachse (25) einnehmen. Die Verdrängungselemente (22) sind gleichmäßig um die Rotationsachse (25) verteilt. Die Anzahl der Verdrängungselemente (22) ist so groß, wie die Anzahl der Winkelbereiche mit den Heizkreisen (13). Der Stator (10) und der Rotor (20) sind von dem Gehäuse (12) gemeinsam umschlossen. Zwischen dem Gehäuse (12) und den Verdrängungselementen (22) befinden sich jeweils mit einem Arbeitsgas gefüllte Leerräume. Eine Durchströmungsmöglichkeit für das Arbeitsgas durch die Schichten der Statorelemente (21) ist vorgesehen. Am Ende des Gehäuses (12) ist ein Auffangraum (17) für das Arbeitsgas mit einem Element angeordnet, welches durch das sich ausdehnende und einströmende Arbeitsgas bewegbar ist.A motor is characterized by a stator (10) with an axis of rotation (25) extending over a length and by a rotor (20) rotatable about the axis of rotation (25) in at least one direction of rotation. The stator (10) has one or more stator elements (11) each spanning a layer. The stator (10) also has a tubular housing (12). The stator elements (11) each spanning one layer are lined up one behind the other in the longitudinal direction of the axis of rotation (25). The stator elements (11) are connected to the housing (12). Each of the stator elements (11) has one or more heating circuits (13) and one or more cooling circuits (14). Each circle occupies an angular range of the stator element (11) spanning a layer. The number of angular areas with cooling circuits (14) and the number of angular areas with heating circuits (13) are the same. All angular ranges are the same size. The angular ranges with the heating circuits (13) and the angular ranges with the cooling circuits (14) are arranged alternately with one another around the axis of rotation (25). The rotor (20) has one or more rotor elements (21) each spanning a layer. Each rotor element (21) is arranged symmetrically to the axis of rotation (25). Each rotor element (21) has one or more displacement elements (22). The displacement elements (22) are distributed over one or more angular areas which together occupy half of the cross-sectional area of the rotor (20) in relation to the axis of rotation (25). The displacement elements (22) are evenly distributed around the axis of rotation (25). The number of displacement elements (22) is as large as the number of angular areas with the heating circuits (13). The stator (10) and the rotor (20) are jointly enclosed by the housing (12). Empty spaces filled with a working gas are located between the housing (12) and the displacement elements (22). A possibility for the working gas to flow through the layers of the stator elements (21) is provided. At the end of the housing (12) there is a collecting space (17) for the working gas with an element which can be moved by the expanding and inflowing working gas.
Description
Die Erfindung betrifft einen Motor mit einem Stator und einem Rotor mit einer über eine Länge erstreckten Rotationsachse, mit einem um die Rotationsachse in einer Drehrichtung drehbarem Rotor.The invention relates to a motor with a stator and a rotor with an axis of rotation extending over a length, with a rotor that is rotatable about the axis of rotation in one direction of rotation.
Derartige Motoren sind im wesentlich auf dem Gebiet der Elektromotoren gebräuchlich, aber auch auf anderen Gebieten einsetzbar.Such motors are mainly used in the field of electric motors, but can also be used in other fields.
Motoren gibt es in vielfacher Form, beispielsweise als Kolbenmotoren oder einer interessanten, auch schon seit vielen Jahren bekannten Variante als Stirlingmotor.Engines are available in many forms, for example as piston engines or an interesting variant known for many years as a Stirling engine.
In einem Stirlingmotor wird ein Arbeitsgas abwechselnd erhitzt und gekühlt. Beim Erhitzen expandiert das Arbeitsgas und der Druck steigt an. Beim Abkühlen sinkt der Druck. Aus der so durch die Zufuhr von Wärmeenergie entstehenden Druckdifferenz kann mechanische Arbeit gewonnen werden.In a Stirling engine, a working gas is alternately heated and cooled. When heated, the working gas expands and the pressure rises. The pressure drops as it cools down. Mechanical work can be obtained from the pressure difference created by the supply of thermal energy.
Hierzu sind verschiedene Varianten bekannt, um diese grundsätzliche Idee in einen praktikablen Motor umzuwandeln. Meist wird zum Erhitzen und Abkühlen des Arbeitsgases ein Verdrängungskolben eingesetzt. Dieser Verdrängungskolben wird zwischen einem warmen Bereich des Motors und einem kalten Bereich des Motors hin und her bewegt. Dadurch wird das Arbeitsgas verschoben und so zwischen erhitzen und abkühlen abgewechselt.Various variants are known for this, in order to convert this basic idea into a practicable motor. A displacement piston is usually used to heat and cool the working gas. This displacement piston is moved back and forth between a warm area of the engine and a cold area of the engine. This shifts the working gas and alternates between heating and cooling.
Probleme bei Stirlingmotoren entstehen dadurch, dass die wechselnden Temperaturen und auch die wechselnden Drucke von den verwendeten Werkstoffen und auch den Bauelementen bewältigt werden müssen. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass für viele Ausführungsformen bekannter Stirlingmotoren auch recht hohe Drücke und hohe Temperaturen vorgesehen werden sollten, die dann ebenfalls bis zur Auslegung der Bauelemente und Bestandteile des Motors zu berücksichtigen sind.Problems with Stirling engines arise from the fact that the changing temperatures and also the changing pressures of the materials used and also the components have to be coped with. It should also be taken into account here that for many embodiments of known Stirling engines, very high pressures and high temperatures should also be provided, which then also have to be taken into account up to the design of the components and components of the engine.
Darüber hinaus ist zum Erhitzen und Abkühlen eine Fläche nötig, die die erforderliche Wärmeübertragung auf das Gas vornimmt. Natürlich besteht die Grundidee, hier eine möglichst effiziente Wärmeübertragung vorzunehmen. Vergrößert man die Kontaktflächen, wird die gesamte Baugröße des Motors dadurch ansteigen, was wenig erwünscht ist.In addition, a surface is required for heating and cooling, which carries out the necessary heat transfer to the gas. Of course, the basic idea is to transfer the heat as efficiently as possible. If the contact areas are enlarged, the overall size of the motor will increase, which is not very desirable.
Erhöht man die Effektivität der Wärmeübertragung durch eine Reduzierung von Wandstärken zwischen den für die Wärmeerzeugung genutzten Bereichen und dem Arbeitsgas, sinkt dadurch zugleich auch der maximal mögliche erzeugbare Druck, der dem Arbeitsgas mitgegeben werden kann, da die Wandstärke der Bauelemente des Motors auch das natürlich aushalten muss.If the effectiveness of the heat transfer is increased by reducing the wall thickness between the areas used for heat generation and the working gas, the maximum possible pressure that can be generated with the working gas also decreases, as the wall thickness of the components of the engine can of course withstand this got to.
Auch der Verwendung von Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit stehen Nachteile gegenüber, denn neben der hohen Wärmeleitfähigkeit müssen natürlich auch die oben bereits erwähnten anderen Randbedingungen beachtet werden. Das erhöht die Kosten für die entsprechenden Motoren.The use of materials with high thermal conductivity also has disadvantages, because in addition to the high thermal conductivity, the other boundary conditions already mentioned above must of course also be taken into account. This increases the cost of the corresponding motors.
Trotz der zahlreichen alternativen Ausführungsformen, in denen Motoren nach dem grundsätzlichen Konzept des Stirlingmotors gebaut worden sind, sind unverändert viele Wünsche offen, was die Effektivität, die Baugrößen, die Zuverlässigkeit und auch die Kosten für den entstehenden Motor betrifft.Despite the numerous alternative embodiments in which engines have been built according to the basic concept of the Stirling engine, many wishes remain unanswered in terms of effectiveness, size, reliability and also the cost of the engine being created.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Motor vorzuschlagen, der hier noch einen weiteren Ansatz mit zusätzlichen Möglichkeiten bietet.The object of the present invention is to propose a motor which here offers a further approach with additional options.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Motor gelöst, bei dem der Stator ein oder mehrere je eine Schicht aufspannende Statorelemente aufweist,
wobei der Stator ein oder mehrere je eine Schicht aufspannende Statorelemente aufweist,
wobei der Stator ein oder mehrere je eine Schicht aufspannende Statorelemente aufweist,
wobei der Stator außerdem ein rohrförmiges Gehäuse aufweist,
wobei die je eine Schicht aufspannenden Statorelemente in Längsrichtung der Rotationsachse hintereinander aufgereiht sind,
wobei die Statorelemente mit dem Gehäuse verbunden sind,
wobei jedes der Statorelemente ein oder mehrere Heizkreise und ein oder mehrere Kühlkreise aufweist, von denen jeder Kreis einen Winkelbereich des eine Schicht aufspannenden Statorelementes einnimmt,
wobei die Anzahl der Winkelbereiche mit Kühlkreisen und die Anzahl der Winkelbereiche mit Heizkreisen gleich groß sind, alle Winkelbereiche gleich groß sind und die Winkelbereiche mit den Heizkreisen und die Winkelbereiche mit den Kühlkreisen abwechselnd zueinander um die Rotationsachse angeordnet sind,
wobei der Rotor ein oder mehrere je eine Schicht aufspannende Rotorelemente aufweist,
wobei jedes Rotorelement symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet ist, wobei jedes Rotorelement ein oder mehrere Verdrängungselemente aufweist, wobei die Verdrängungselemente auf ein oder mehrere Winkelbereiche verteilt sind, die zusammen die Hälfte der Querschnittsfläche des Rotors bezogen auf die Rotationsachse einnehmen,
wobei die Verdrängungselemente gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt sind, wobei die Anzahl der Verdrängungselemente so groß ist, wie die Anzahl der Winkelbereiche mit den Heizkreisen,
wobei der Stator und der Rotor von dem Gehäuse gemeinsam umschlossen sind, wobei sich zwischen dem Gehäuse und den Verdrängungselementen jeweils mit einem Arbeitsgas gefüllte Leerräume befinden,
wobei eine Durchströmungsmöglichkeit für das Arbeitsgas durch die Schichten der Statorelemente vorgesehen ist, und
wobei am Ende des Gehäuses ein Auffangraum für das Arbeitsgas mit einem Element angeordnet ist, welches durch das sich ausdehnende und einströmende Arbeitsgas bewegbar ist.This object is achieved according to the invention by a motor in which the stator has one or more stator elements each spanning a layer,
wherein the stator has one or more stator elements each spanning a layer,
wherein the stator has one or more stator elements each spanning a layer,
wherein the stator also has a tubular housing,
whereby the stator elements each spanning one layer are lined up one behind the other in the longitudinal direction of the axis of rotation,
wherein the stator elements are connected to the housing,
wherein each of the stator elements has one or more heating circuits and one or more cooling circuits, of which each circle occupies an angular range of the stator element spanning a layer,
whereby the number of angular areas with cooling circuits and the number of angular areas with heating circuits are the same, all angular areas are equal and the angular areas with the heating circuits and the angular areas with the cooling circuits are arranged alternately around the axis of rotation,
wherein the rotor has one or more rotor elements each spanning a layer,
wherein each rotor element is arranged symmetrically to the axis of rotation, wherein each rotor element has one or more displacement elements, wherein the displacement elements are distributed over one or more angular areas which together occupy half of the cross-sectional area of the rotor in relation to the axis of rotation,
The displacement elements are evenly distributed around the axis of rotation, the number of displacement elements being as large as the number of angular areas with the heating circuits,
wherein the stator and the rotor are jointly enclosed by the housing, with between the housing and the displacement elements there are empty spaces each filled with a working gas,
wherein a flow possibility for the working gas is provided through the layers of the stator elements, and
wherein at the end of the housing a collecting space for the working gas is arranged with an element which is movable by the expanding and inflowing working gas.
Ein derartiger erfindungsgemäßer Motor nutzt noch die Vorteile, die ein Konzept nach Art eines Stirlingmotors bietet, vermeidet aber eine ganz Reihe von Nachteilen, die herkömmliche Stirlingmotoren aufweisen, da er auf eine ganz andere Bauform übergeht. Als Bauform wird auf die von Elektromotoren bekannte Konstruktion mit einem Stator und einem relativ zum Stator drehenden Rotor zugegriffen. Diese Konstruktion ist als solche bewährt, aber im Zusammenhang mit den Ideen eines Stirlingmotors noch nicht in die Praxis umgesetzt worden. Such an engine according to the invention still uses the advantages offered by a concept in the manner of a Stirling engine, but avoids a number of disadvantages which conventional Stirling engines have, since it changes over to a completely different design. As a design, the design known from electric motors with a stator and a rotor rotating relative to the stator is used. This design has proven itself as such, but has not yet been put into practice in connection with the ideas of a Stirling engine.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor wird eine rohrartige oder zylinderartige Gestaltung verwendet. Längs einer Rotationsachse werden schichtweise und immer abwechselnd Rotorelemente und Statorelemente angeordnet. Die Statorelemente sind für die Erhitzung und Abkühlung eines verwendeten Arbeitsgases zuständig, um eine Art Stirlingprozess aufrechtzuerhalten.In the engine of the present invention, a tubular or cylinder-like configuration is used. Rotor elements and stator elements are arranged in layers and always alternating along an axis of rotation. The stator elements are responsible for heating and cooling a used working gas in order to maintain a kind of Stirling process.
Zwischen je zwei dieser Statorschichten ist drehend je eine Rotorschicht vorgesehen. Diese übernimmt die Aufgabe, die herkömmlich ein Verdrängungskolben bei einem Stirlingmotor umsetzt. Von den insgesamt 360°, die bei einem rohrförmigen und mithin im Schnitt kreisförmigen Aufbau um den von der Rotationsachse gebildeten Mittelpunkt eine Schicht besitzt, werden bevorzugt zwei einander symmetrisch gegenüberliegende Bereiche von einem Verdrängerelement besetzt. Der Einfachheit halber kann man sich vorstellen, dass diese Verdrängerelemente jeweils ein Viertel des Kreisquerschnittes belegen, während die beiden anderen, genau dazwischen angeordneten Viertel freibleiben und das Arbeitsgas aufnehmen.Between every two of these stator layers there is a rotating rotor layer. This takes on the task that a displacement piston normally does in a Stirling engine. Of the total of 360 ° which has a layer around the center point formed by the axis of rotation in the case of a tubular and therefore circular structure, two symmetrically opposite regions are preferably occupied by a displacement element. For the sake of simplicity, one can imagine that these displacement elements each occupy a quarter of the circular cross-section, while the other two quarters arranged exactly in between remain free and absorb the working gas.
Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass die Anzahl der Winkelbereiche, die von den Heizkreisläufen gebildet werden, ebenfalls zwei beträgt, und die Anzahl der Winkelbereiche, die von den Kühlkreisen gebildet werden, ebenfalls zwei beträgt.It is preferably also provided that the number of angular regions that are formed by the heating circuits is also two, and the number of angular regions that are formed by the cooling circuits is also two.
Das bedeutet, dass in einer Schicht des Stators vier Winkelbereiche vorhanden sind, nämlich zwei mit Heizkreisläufen und dazwischen die beiden weiteren Viertel mit Kühlkreisläufen, wobei diese verschiedenen Typen jeweils abwechseln.This means that there are four angular areas in one layer of the stator, namely two with heating circuits and the two further quarters with cooling circuits in between, these different types alternating in each case.
Rein vom Prinzip her wäre auch eine Anordnung möglich, die mit sechs Winkelbereichen arbeitet, also je drei Winkelbereiche mit Heizkreisen und drei Winkelbereiche mit Kühlkreisen, die jeweils 60° des gesamten Winkels 360° einnehmen. In dem Falle würde man auch noch drei Verdrängerelemente im Rotorteil anordnen, wobei zwischen diesen drei Verdrängerelementen jeweils ein Winkelbereich von 60° mit einem Leerraum für das Arbeitsgas vorgesehen ist.Purely in principle, an arrangement would also be possible that works with six angular ranges, i.e. three angular ranges with heating circuits and three angular ranges with cooling circuits, each occupying 60 ° of the entire 360 ° angle. In that case one would also arrange three displacement elements in the rotor part, with an angular range of 60 ° with an empty space for the working gas being provided between these three displacement elements.
Denkbar ist grundsätzlich auch eine Anordnung, die nur einen Winkelbereich mit Heizkreisen und einen Winkelbereich mit Kühlkreisen und einen Rotor mit nur einem, dazu passenden Verdrängerelement aufweist. Ein solcher Motor wird tendenziell weniger „rund“ laufen und somit Nachteile haben, weist andererseits aber nur eine geringere Zahl von Bauelementen auf und kann daher bei besonderen Anwendungsfällen ebenfalls Vorteile bieten.In principle, an arrangement is also conceivable which has only one angular range with heating circuits and one angular range with cooling circuits and a rotor with only one, matching displacement element. Such a motor will tend to run less "smoothly" and thus have disadvantages, but on the other hand only has a smaller number of components and can therefore also offer advantages in special applications.
Auch noch weitere Zahlen sind für spezielle Anwendungsgebiete denkbar, die mechanisch einfachste und im Folgenden daher erläuterte Form arbeitet jedoch mit zwei Winkelbereichen für Heizkreise, zwei Winkelbereichen für Kühlkreise und zwei Verdrängerelementen.Other numbers are also conceivable for special areas of application, but the mechanically simplest form, which is therefore explained in the following, works with two angular ranges for heating circuits, two angular ranges for cooling circuits and two displacement elements.
Es passen also jeweils die beiden Heizkreisläufe oder die beiden Kühlkreisläufe eines jeden Statorelementes genau zu den beiden Verdrängerelementen oder dem Zwischenraum mit dem Arbeitsgas des Rotorelements.The two heating circuits or the two cooling circuits of each stator element therefore match exactly the two displacement elements or the intermediate space with the working gas of the rotor element.
Dadurch lässt sich jeweils eine Erhitzung oder Abkühlung des Arbeitsgases erzeugen, während das Rotorelement gegenüber dem Statorelement dreht. Da nun immer abwechselnd Schichten von Rotorelementen und Schichten von Statorelementen aufeinander folgen, wobei sich die Rotorelemente relativ zu den Statorelementen drehen, findet dieser Vorgang mehrfach parallel statt. Dadurch lässt sich der Effekt skalieren. Während nun die Arbeitsgase mit den Verdrängerelementen umlaufen, werden sie abwechselnd relativ an den Heizkreisen und den Kühlkreisen vorbeigeführt.In this way, the working gas can be heated or cooled while the rotor element rotates relative to the stator element. Since now alternating layers of rotor elements and layers of stator elements follow one another, with the rotor elements rotating relative to the stator elements, this process takes place several times in parallel. This allows the effect to be scaled. While the working gases are now circulating with the displacement elements, they are alternately led relatively past the heating and cooling circuits.
Entsprechend wird das Arbeitsgas abwechselnd erhitzt und abgekühlt.Accordingly, the working gas is alternately heated and cooled.
Das Arbeitsgas wird sich aufgrund der Erhitzung bzw. Abkühlung abwechselnd ausdehnen und zusammenziehen. Wie bei einem Stirlingmotor bekannt ändert sich also das Volumen des Gases mit der Temperatur.The working gas will alternately expand and contract due to the heating or cooling. As is known from a Stirling engine, the volume of the gas changes with the temperature.
Die Strömung des Arbeitsgases in dem erfindungsgemäßen Motor ist auch eindeutig: das Arbeitsgas strömt durch die Leerräume zwischen den Verdrängerelementen, wenn es sich aufgrund der Ausdehnung des gesamten Arbeitsgases parallel zur Rotationsachse strömend ausdehnt.The flow of the working gas in the engine according to the invention is also clear: the working gas flows through the empty spaces between the displacement elements when it is due to the Expansion of the entire working gas flowing parallel to the axis of rotation expands.
Zu beachten ist, dass für das Arbeitsgas die Leerräume zwischen den Verdrängerelementen in den Rotorschichten zur Verfügung stehen, sowie ferner die Zwischenräume zwischen den Heizkreisen und Kühlkreisen der Statorschichten. Die Verdrängerelemente decken jeweils entweder alle die Heizkreise ab oder sie decken alle die Kühlkreise ab. Da die Heizkreise und die Kühlkreise mit den Statorschichten stehen, während sich die Verdrängerelemente mit den Rotorschichten um die Rotationsachse bewegen, werden also jeweils Kanäle entweder in den Kühlkreisen oder in den Heizkreisen von dem Arbeitsgas durchströmt werden.It should be noted that the empty spaces between the displacement elements in the rotor layers are available for the working gas, as well as the spaces between the heating and cooling circuits of the stator layers. The displacement elements either cover all of the heating circuits or they cover all of the cooling circuits. Since the heating circuits and the cooling circuits with the stator layers stand while the displacement elements with the rotor layers move around the axis of rotation, the working gas will flow through channels either in the cooling circuits or in the heating circuits.
Hier sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie ein Hindurchströmen dieses Arbeitsgases durch die Elemente in den Statorschichten gewährleistet werden kann.Various possibilities are conceivable here as to how this working gas can flow through the elements in the stator layers.
Dabei können die Statorschichten und die Rotorschichten gleichdick sein oder auch untereinander gleichdick sein oder auch andere, optimierte Größen besitzen. Vom grundsätzlichen Gedanken her wird man mit gleichdicken Rotorschichten und Statorschichten zunächst einen Ansatz machen und danach experimentell ermitteln, ob man von diesem Konzept abweicht.In this case, the stator layers and the rotor layers can be of the same thickness or can also be of the same thickness among one another or also have other, optimized sizes. From the basic point of view, one will first make an approach with rotor layers and stator layers of the same thickness and then determine experimentally whether one deviates from this concept.
Bei einer Ausdehnung des Arbeitsgases strömen die einzelnen Moleküle des Arbeitsgases also durch die Leerräume zwischen den Verdrängerelementen und durch die Zwischenräume zwischen den Heizkreisen ungefähr parallel zur Rotationsachse und senkrecht zu den Rotorschichten und Statorschichten in Richtung des einen Endes des Gehäuses.When the working gas expands, the individual molecules of the working gas flow through the empty spaces between the displacement elements and through the spaces between the heating circuits approximately parallel to the axis of rotation and perpendicular to the rotor layers and stator layers in the direction of one end of the housing.
An diesem Ende des Gehäuses wird ein Auffangraum vorgesehen, in welchen das sich ausdehnende Arbeitsgas strömt und dort ein Element bewegt, das durch diese Bewegung eine Umsetzung der in den Heizkreisen zugeführten Wärmeenergie in andere Energieformen erlaubt. Beispielsweise wird ein Kolben in dem gebildeten Zylinder bewegt. Grundsätzlich ist auch eine andere Möglichkeit der Übertragung der Kraft bzw. Energie des sich ausdehnenden Arbeitsgases in diesem Bereich denkbar. Das Verschieben eines Kolbens entspricht vor allem dem Grundgedanken eines Stirlingmotors.At this end of the housing a collecting space is provided, into which the expanding working gas flows and there moves an element which, through this movement, allows the thermal energy supplied in the heating circuits to be converted into other forms of energy. For example, a piston is moved in the cylinder formed. In principle, another possibility of transmitting the force or energy of the expanding working gas in this area is also conceivable. Moving a piston corresponds primarily to the basic idea of a Stirling engine.
Dreht sich nun der Rotor um die Rotorachse relativ zum Stator weiter, kommt jetzt das Arbeitsgas mit den Kühlkreisen der Statorelemente in Berührung und das eben noch erhitzte Arbeitsgas kühlt sich nunmehr ab und zieht sich zusammen. Es strömt also aus dem Auffangraum wieder in die Gegenrichtung parallel zur Rotationsachse und strömt dabei durch die Kühlkreise und die Leerräume zwischen den Verdrängerelementen. Der eben noch gedrückte Kolben kann sich nun wieder entspannen.If the rotor continues to rotate around the rotor axis relative to the stator, the working gas now comes into contact with the cooling circuits of the stator elements and the working gas, which has just been heated, now cools down and contracts. So it flows out of the collecting space again in the opposite direction parallel to the axis of rotation and flows through the cooling circuits and the empty spaces between the displacement elements. The piston that was just pressed can now relax again.
Insgesamt also wird jetzt die Rotationsbewegung in dem Gehäuse vom Rotor relativ zum Stator umgesetzt in dem Auffangraum beispielsweise in eine Bewegung des dort angeordneten Kolbens in einem zugehörigen Zylinder.Overall, the rotational movement in the housing is now converted by the rotor relative to the stator in the collecting space, for example, into a movement of the piston arranged there in an associated cylinder.
Andere Anordnungen sind gut möglich.Other arrangements are possible.
Von besonderem Vorteil ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Motoren etwa in der Fahrzeugtechnik, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, aber auch in Flugzeugen oder Schiffen. Gerade bei Fahrzeugen zu Lande, im Wasser und in der Luft besteht der Wunsch, besonders effektiv und auf kleinem Raum zur Verfügung stehende Wärmeenergie in andere Energieformen umzusetzen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht auch in der Raumfahrt.The use of the motors according to the invention is particularly advantageous, for example, in vehicle technology, for example in motor vehicles, but also in airplanes or ships. Especially with vehicles on land, in water and in the air, there is a desire to convert heat energy that is available in a small space into other forms of energy in a particularly effective manner. Another possible use is in space travel.
Neben Fahrzeugen ist dabei beispielsweise auch an mobile Generatoren zu denken. Ähnliche Problemstellungen und Randbedingungen gelten etwa in Gebieten mit einer ungünstigen Energieversorgung, in denen keine elektrische Stromversorgung vorhanden ist und wie beispielsweise in wenig technologisch entwickelten Ländern auch keine andere Energieversorgung zur Verfügung steht.In addition to vehicles, mobile generators, for example, should also be considered. Similar problems and boundary conditions apply, for example, in areas with an unfavorable energy supply, in which there is no electrical power supply and, for example, no other energy supply is available in less technologically developed countries.
Ein mögliches Anwendungsgebiet sind etwa Blockheizkraftwerke und stationäre oder mobile Stromgeneratoren, Kompressoren und Pumpen.A possible area of application are, for example, combined heat and power plants and stationary or mobile power generators, compressors and pumps.
Von Vorteil ist bei der Erfindung auch die geringe Geräuschentwicklung anders als bei Verbrennungsmotoren, deren Nachteile hier vermieden oder zumindest verringert werden können.Another advantage of the invention is the low level of noise development, unlike in internal combustion engines, the disadvantages of which can be avoided or at least reduced here.
Die erfindungsgemäßen Motoren sind auch wartungsarm.The motors according to the invention are also low in maintenance.
Möglich ist auch das Anschließen von Kompressoren und der Energieübertrag durch eine Bewegung nicht nur über den dargestellten Kolben im Auffangraum, sondern beispielsweise auch über Membranen.It is also possible to connect compressors and transfer energy through a movement not only via the piston shown in the collecting space, but also, for example, via membranes.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Rotationsbewegung wesentlich schwingungsärmer ist als eine herkömmliche Kolbenbewegung. Auch eine Umsetzung mit Pleuelstangen ist nicht mehr automatisch erforderlich, da die Energieentnahme aus dem Speicher auch auf andere Weise erfolgen kann.It is particularly advantageous that the rotational movement has significantly lower vibrations than a conventional piston movement. Implementation with connecting rods is also no longer automatically necessary, since the energy can also be extracted from the storage unit in other ways.
Dadurch, dass der Stator unbeweglich ist, stellt die Zufuhr von Wärmeenergie über die Heizkreise bzw. die Abfuhr von Wärmeenergie über die Kühlkreise keine besonderen Anforderungen, da diese Abführung bzw. Zuführung keine zusätzliche Bewegung berücksichtigen muss und direkt aus einem statischen Bauteil erfolgen kann.Because the stator is immobile, the supply of thermal energy via the heating circuits or the removal of thermal energy via the cooling circuits does not pose any special requirements this discharge or supply does not have to take into account any additional movement and can take place directly from a static component.
Die Statorelemente können auch mit speziell konzipierten Durchgängen und anderen Elementen versehen werden, die eine besonders gute Wärmeübertragung zum und vom Arbeitsgas ermöglichen. Auch hier sind große Vorteile gegeben, da durch den so entstehenden Aufbau des Gesamtkonzeptes eine große Freiheit an der Auswahl von Werkstoffen und konkreten Bauformen der Statorschichten entsteht.The stator elements can also be provided with specially designed passages and other elements that enable particularly good heat transfer to and from the working gas. Here, too, there are great advantages, since the resulting structure of the overall concept creates a great deal of freedom in the selection of materials and specific designs of the stator layers.
Der erfindungsgemäße Motor wird besonders effektiv, wenn für die Zufuhr von Wärmeenergie in die Heizkreise Wärmeenergie verwendet werden kann, die in anderen Bereichen des mit dem Motor angetriebenen Gesamtgerätes als Überschusswärme entsteht. Dabei ist zum Beispiel an Kraftfahrzeuge zu denken, bei denen an vielen Fahrzeugbereichen im Überschuss Wärmeenergie zur Verfügung steht, die abgeführt werden muss und jetzt durch den erfindungsgemäßen Motor gut genutzt werden kann, um in die Bewegung des Kolbens im Auffangraum umgesetzt zu werden.The engine according to the invention is particularly effective if thermal energy can be used for the supply of thermal energy into the heating circuits, which occurs as excess heat in other areas of the overall device driven by the engine. For example, one should think of motor vehicles in which there is excess heat energy available in many vehicle areas, which has to be dissipated and can now be used well by the engine according to the invention in order to be converted into the movement of the piston in the collecting space.
Generell von Vorteil ist die von der Erfindung geschaffene Wiederaufbereitungsmöglichkeit für Wärmeenergie. Wärme die von dem Motor an seine Umgebung abgegeben wird, kann unter anderem auch dazu benutzt werden, Brennstoffe und für die Verbrennung benutzte Luft oder Sauerstoff mittels Wärmetauschern zu erhitzen. Besonders interessant ist dabei die Wärmeaufbereitung bei der Benutzung von Wasserstoff oder von Erdgas als Brennstoff. Diese Gase kühlen sich beim Austritt aus dem Druckbehälter ab. Es entsteht also kälteres Gas. Dieses kältere Gas selbst oder die von diesem Gas mitgeführte Kälte kann nun dazu benutzt werden, dem als Kühlmedium verwendeten Gas bzw. der als Kühlmedium verwendeten Flüssigkeit des Motors Wärme zu entziehen.The possibility of reprocessing thermal energy created by the invention is generally advantageous. Heat given off by the engine to its surroundings can also be used, among other things, to heat fuels and air or oxygen used for combustion by means of heat exchangers. The processing of heat when using hydrogen or natural gas as fuel is particularly interesting. These gases cool down when they exit the pressure vessel. So it creates colder gas. This colder gas itself or the coldness carried along by this gas can now be used to extract heat from the gas used as the cooling medium or from the motor liquid used as the cooling medium.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen könnte man beispielsweise drei hintereinander geschaltete Wärmetauscher einsetzen:
- In einem ersten Wärmetauscher kühlt Wasserstoff das Kühlmedium vor dem Wiedereintritt in den Motor ab.
- In einem zweiten Wärmetauscher kühlt Wasserstoff das Kühlmedium nach dem Austritt aus dem Motor ab.
- In einem dritten Wärmetauscher werden Wasserstoff und Luft oder Sauerstoff mittels erwärmter Abgase auf eine Arbeitstemperatur erhitzt.
- In a first heat exchanger, hydrogen cools the cooling medium before it re-enters the engine.
- In a second heat exchanger, hydrogen cools the cooling medium after it leaves the engine.
- In a third heat exchanger, hydrogen and air or oxygen are heated to a working temperature by means of heated exhaust gases.
Der erfindungsgemäße Motor arbeitet insbesondere auch bei vergleichsweise niedrigen Umdrehungszahlen, mit denen die einzelnen Vorgänge vergleichsweise langsam und damit reibungsarm und erschütterungsfrei ablaufen können.The motor according to the invention also works, in particular, at comparatively low revolutions with which the individual processes can run comparatively slowly and thus with little friction and without vibrations.
Die Rotorschichten wiederum sind zwar beweglich, dafür aber besonders einfach aufgebaut, da sie im Wesentlichen nur die Verdrängerelemente tragen müssen. Nach außen wird durch die Gehäusewandung das Arbeitsgas vollkommen abgeschlossen; zwischen den warmen und den kalten Bereichen liegen die Verdrängerelemente und zwischen den Heizkreisen und den Kühlkreisen können beliebige Wärmedämmungen vorgesehen werden.The rotor layers, in turn, are movable, but have a particularly simple structure, since they essentially only have to carry the displacement elements. The working gas is completely closed off from the outside by the housing wall; The displacement elements are located between the warm and cold areas and any desired thermal insulation can be provided between the heating and cooling circuits.
In bevorzugten Ausführungsformen wird vorgesehen, dass die Rotorelemente mit einer koaxial zur Rotorachse verlaufenden Welle bzw. Wellenelementen der verschiedenen Rotorschichten gemeinsam umlaufen und auf diesen angeordnet sind.In preferred embodiments it is provided that the rotor elements rotate together with a shaft or shaft elements running coaxially to the rotor axis of the various rotor layers and are arranged on them.
Alternativ ist es auch möglich, anstelle des rotierenden Wellenelementes ein feststehendes koaxial zur Rotorachse angeordnetes Element einzusetzen, um welches sich dann die Rotorelemente möglichst reibungsarm mit einer achsnahen Aussparung drehen.Alternatively, instead of the rotating shaft element, it is also possible to use a stationary element arranged coaxially to the rotor axis, around which the rotor elements then rotate with as little friction as possible with a recess close to the axis.
Die Ausführungsbeispiele mit dem mitdrehenden Wellenelement haben den Vorteil, dass die Rotation des Wellenelementes besonders zweckmäßig aus dem Auffangraum heraus mit angetrieben werden kann. Ein Teil der umgewandelten Energie kann also zum Rotationsantrieb des Motors eingesetzt werden, wobei die Umsetzung aufgrund der räumlichen Konfiguration beim Austritt des Wellenelementes in den Auffangraum genutzt werden kann.The embodiments with the co-rotating shaft element have the advantage that the rotation of the shaft element can be driven out of the collecting space particularly expediently. A part of the converted energy can therefore be used to drive the motor in rotation, whereby the conversion can be used due to the spatial configuration when the shaft element exits into the collecting space.
Weitere Vorteile und Varianten werden aus den beigefügten Figuren und der zugehörigen Beschreibung sowie den Unteransprüchen deutlich.Further advantages and variants become clear from the attached figures and the associated description as well as the subclaims.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht in Richtung einer Rotationsachse auf eine Statorschicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors; -
2 eine Draufsicht senkrecht zur Darstellung in1 auf einen Stator für den Motor aus1 ; -
3 eine Draufsicht in Richtung der Rotationsachse auf eine Rotorschicht des Motors aus1 ; und -
4 eine Seitenansicht auf einen Rotor des Motors aus den1 bis3 ; und -
5 Eine schematische Darstellung einer Abbildung ähnlich in1 für eine andere Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a plan view in the direction of an axis of rotation of a stator layer of an embodiment of a motor according to the invention; -
2 a plan view perpendicular to the illustration in FIG1 on a stator for the motor1 ; -
3 a plan view in the direction of the axis of rotation of a rotor layer of the motor1 ; and -
4th a side view of a rotor of the motor from FIG1 until3 ; and -
5 A schematic representation of a figure similar to in1 for another embodiment of the invention.
Die
Der Motor ist insgesamt aus einem Stator
Der Stator
Dabei sind die scheibenförmigen Statorelemente
In jedem Statorelement
Dabei ist die Anordnung jedes Statorelementes
Die Vielzahl an Statorelementen
Während der Stator
Auch der Rotor
Der Freiraum mit dem Arbeitsgas wird nach außen von dem Gehäuse
Insbesondere in der
Aus diesem Auffangraum
Durch die Drehbewegung des Rotors
Die Energiezufuhr in das System geschieht durch die Zufuhr von Wärmeenergie in den Heizkörpern
Diese Wärmeenergie kann in verschiedenster Form zur Verfügung gestellt werden.This thermal energy can be made available in various forms.
Als Ausführungsformen kommen beispielsweise Brennstoffzellen in Betracht. Interessant ist besonders der Einsatz von Festoxidbrennstoffzellen, da damit besonders hohe Temperaturen erreicht werden können, die gerade bei einem Konzept nach der Erfindung möglich werden, da letztlich nur die Schichten jedes einzelnen Statorelementes
Etwa unvollständig verbrannte Abgase können zusätzlich in eine oder mehrere der Heizeinrichtungen
Dabei entstehende Abgase oder solche, die den Motor aus anderen Gründen außerhalb des beschriebenen Systems verlassen, können ebenfalls in den Wärmetauschern genutzt werden. Hier ist jede denkbare Technologie einsetzbar, um zugeführte Luft oder Sauerstoff oder möglicherweise auch Brennstoff zu erhitzen und so den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.The resulting exhaust gases or those that leave the engine for other reasons outside of the system described can also be used in the heat exchangers. Every conceivable technology can be used here to heat the air or oxygen or possibly also fuel and thus further increase the efficiency.
In einer weiteren Ausführungsform ist unter anderem an den Automotive-Bereich gedacht, für den es wünschenswert ist, wenn der Motor in möglichst kurzer Zeit aus dem Stillstand heraus einsatzbereit gemacht werden kann. Zu diesem Fall wird eine rasche Erwärmung des erfindungsgemäßen Motors bis zur Betriebstemperatur möglich, in dem er zusätzlich elektrisch mittels Heizdrähten aufgewärmt wird. Die dafür erforderliche Energie kann im System selbst in Superkondensatoren oder Akkus zwischengespeichert werden, die Energie könnte aus anderen Akkus, Kondensatoren oder auch aus Brennstoffzellen stammen. Die auf diese Weise gespeicherte Energie kann auch zum schnelleren Starten des Kraftfahrzeugs genutzt werden.Another embodiment is intended, among other things, for the automotive sector, for which it is desirable if the motor can be made ready for use from a standstill in the shortest possible time. In this case, the motor according to the invention can be quickly heated up to the operating temperature by additionally heating it up electrically by means of heating wires. The energy required for this can be temporarily stored in the system itself in supercapacitors or batteries; the energy could come from other batteries, capacitors or even from fuel cells. The energy stored in this way can also be used to start the motor vehicle more quickly.
In der
Man sieht wiederum im Querschnitt durch ein Statorelement die Kühleinrichtung
Geändert ist die Form der angedeuteten Wärmeeinrichtung
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Abgase der Brennstoffzelle für die Zufuhr der Wärmeenergie in der Heizeinrichtung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Statorstator
- 1111
- StatorelementStator element
- 1212th
- rohrförmiges Gehäusetubular housing
- 1313th
- Heizkörperradiator
- 1414th
- KühlkörperHeat sink
- 1515th
- WärmedämmungThermal insulation
- 1616
- WellenelementWave element
- 1717th
- AuffangraumContainment area
- 1818th
- ZusatzmotorAuxiliary motor
- 2020th
- Rotorrotor
- 2121
- RotorelementRotor element
- 2222nd
- VerdrängerkörperDisplacer
- 2525th
- RotationsachseAxis of rotation
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020105972.8A DE102020105972A1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Motor with a stator and a rotor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020105972.8A DE102020105972A1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Motor with a stator and a rotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020105972A1 true DE102020105972A1 (en) | 2021-09-09 |
Family
ID=77388642
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020105972.8A Withdrawn DE102020105972A1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Motor with a stator and a rotor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020105972A1 (en) |
-
2020
- 2020-03-05 DE DE102020105972.8A patent/DE102020105972A1/en not_active Withdrawn
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2305981B1 (en) | Electrical turbocharger | |
DE3015815A1 (en) | HOT GAS ENGINE | |
WO2013156292A1 (en) | System for storing and outputting thermal energy and method for operating said system | |
DE10147372A1 (en) | Scroll compressor with integrated motor and compact cooling system | |
DD141049A5 (en) | GAS TURBINE PLANT | |
DE19905538A1 (en) | Electrical machine | |
DE19905540A1 (en) | Electrical machine | |
DE2455145A1 (en) | GAS TURBINE SYSTEM WITH CLOSED CIRCUIT AND INDIRECT HEATING OF THE WORKING GAS | |
DE102020105972A1 (en) | Motor with a stator and a rotor | |
DE102007054197A1 (en) | Drive system for vehicle, has internal combustion engine, exhaust gas cleaning device and generator for feeding electrical on-board network of vehicle, where heat engine is energized with heat energy of internal combustion engine | |
EP1813781A1 (en) | Part of a turbine, turbine and operation method thereof | |
DE1806471C3 (en) | Closed loop gas turbine power plant | |
AT519081B1 (en) | METHOD FOR COOLING THE ROTOR OF AN ELECTRIC GENERATOR | |
DE102009057125B4 (en) | Fluid rotary engine with external combustion | |
DE69713547T2 (en) | Cryostat for low-temperature refrigeration systems and refrigeration systems with such a cryostat | |
EP0691467A1 (en) | Hot gas engine with a rotary displacement engine | |
WO2009013119A1 (en) | Continuous-flow or displacement machine with magnetic bearings | |
DE19527272C2 (en) | Solar heater for Stirling engines | |
DE102006011380B4 (en) | Heat engine | |
DE112019002207T5 (en) | Steam turbine plant and combined cycle power plant | |
DE102021121074B4 (en) | combined heat and power plant | |
DE2836253A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR GENERATING TORQUE ON A ROTATABLY BEARED BODY BY HEATING OR. COOLING AND APPLYING IT TO ENERGY CONVERSION SYSTEMS | |
DE2559305C3 (en) | Marine nuclear power plant | |
DE10203344A1 (en) | Thermal power machine converts thermal energy into mechanical energy to apply to rotating shaft | |
EP1529333A1 (en) | Dynamoelectric generator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |