DE202013103528U1

DE202013103528U1 - Mehrfachrotoranordnung sowie ein damit angetriebener elektrischer Generator

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Publication number: DE202013103528U1
Application number: DE202013103528.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2014-11-07
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: DE102014215528A8; DE102014215528A1

Abstract

Mehrfachrotoranordnung zur Umwandlung einer Fluidströmung in Rotation, mit einem ersten und einem zweiten Rotor, die auf einer gemeinsamen Drehachse hintereinander, gegenläufig drehend angeordnet sind wobei die beiden Rotoren nach Art eines Kinderspielzeugwindrades aufgebaut sind und jeweils eine Mehrzahl (N1, N2) von symmetrisch angeordneten Rotorflügeln aufweisen, die Fluidführungsflächen bilden, wobei die Rotorflügel des ersten Rotors sich entlang einer ersten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die erste, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer in Fluidströmungsrichtung sich aufweitenden ersten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei die Rotorflügel des zweiten Rotors sich entlang einer zweiten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die zweite, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer sich in Fluidströmungsrichtung zumindest abschnittsweise verjüngenden zweiten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei in Fluidströmungsrichtung das Ende des ersten Rotors mit maximalem Rotordurchmesser unmittelbar benachbart zu dem Anfang des zweiten Rotors angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 1 sowie einen damit angetriebenen elektrischen Generator nach Anspruch 12.
Aus der WO 2004/031577 A2 ist ein elektrischer Generator mit einer Doppelrotoranordnung mit gegenläufigen Rotoren bekannt. Die beiden Rotoren sind in axialer Richtung hintereinander auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnet und mit dem Stator bzw. dem Rotor eines elektrischen Generators verbunden. Die flachen Rotoren sind zumindest teilweise innerhalb eines Fluidleitrohres angeordnet. Eine vergleichbare Doppelrotoranordnung ist auch aus der US 2,339,602 B bekannt. Auch aus der US 5,984,631 B ist eine gleichläufige Doppelrotoranordnung mit zwei in axialer Richtung hintereinander auf einer gemeinsamen Drehachse angeordneten Rotoren bekannt.
Aus der EP 0199839A1 und der DE29619905U1 sind herkömmlich Kinderspielzeugwindräder bekannt, bei denen die Rotorflügel aus einer Mehrzahl sich in axialer Richtung entlang einer Schraubenlinie windenden Rotorflügeln bestehen.
Ausgehend von der WO 2004/031577 A2 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Mehrfachrotoranordnung sowie einen damit angetriebenen elektrischen Generator anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 12.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) winden sich die in Drehrichtung symmetrisch angeordneten Rotorflügel auf den beiden Rotoren auf einer rotationssymmetrischen Fläche entlang spiralförmig verlaufender Schraubenlinien. In Fluidströmungsrichtung vergrößert sich der Durchmesser der rotationssymmetrische Fläche des ersten Rotors bis zu einem maximalen Durchmesser und der Durchmesser der rotationssymmetrischen Fläche des zweiten Rotors verkleinert sich ausgehend von einem maximalen Durchmesser. Durch die unmittelbare Nachbarschaft der beiden Rotoren jeweils mit den maximalen Durchmessern der ersten und zweiten rotationssymmetrischen Flächen geht die Fluidströmung unmittelbar von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor über.
Wenn der maximale Durchmesser der beiden rotationssymmetrischen Flächen gleich ist, geht die Fluidströmung mit weniger Verwirbelung von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor über – Anspruch 2.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 3 ergeben die Schraubenlinien aller Rotorflügel eines Rotors wenigstens eine vollständige Windung von 360°.
Ellipsoid und Kegel stellen einfach zu realisierende rotationssymmetrische Flächen dar – Anspruch 4 und 5.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 7 ergibt sich ein glatter kontinuierlicher Übergang der Fluidströmung von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird das Fluid durch den ersten Rotor radial abgelenkt, um an dem zweiten Rotor eine erhöhte Arbeit zu leisten.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird der Bereich angegeben, in welchem die Umdrehungsgeschwindikeit des zweiten Rotors günstig ist.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 10 wird das Fluid entlang der Fluidführungsflächen zwangsgeführt und es kann kein Fluid radial entweichen ohne an den Fluidführungsflächen Arbeit zu leisten.
Dieser Effekt wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 11 noch verstärkt.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 12 bildet die Fluidleiteinrichtung einen dritten Rotor und durch die Zweiteilung nach Anspruch 13 einen dritten und einen vierten Rotor.
Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 14 umfasst sechs Rotoren.
Der elektrische Generator nach Anspruch 15 weist durch die Gegenläufigkeit der beiden Rotoren, die mit dem elektrischen Stator und dem elektrischen Rotor verbunden sind, eine höhere Leistung auf. Durch die Anordnung des elektrischen Stators und Rotors innerhalb der beiden rotationssymmetrischen Flächen sind die elektrischen Bauteil geschützt und stören nicht die Fluidströmung entlang der Fluidführungsflächen.
Die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung von der Seite, quer zur Fluidströmungsrichtung, mit hintereinander angeordnetem ersten zweiten Rotot;
2 eine Aufsicht auf die erste Ausführungsform nach 1 in Strömungsrichtung ohne den ersten Rotor;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung von der Seite, quer zur Fluidströmungsrichtung;
4 eine Aufsicht auf die zweite Ausführungsform nach 3 in Strömungsrichtung ohne den ersten Rotor;
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung von der Seite, quer zur Fluidströmungsrichtung;
6 eine Schnittdarstellung entlang Ebene x-x in 5; und
7 eine Schnittdarstellung entlang Ebene y-y in 5.
1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem ersten Rotor 2 und einem zweiten Rotor 4, die hintereinander auf einer gemeinsamen Drehachse 6 angeordnet sind. Beide Rotoren 2 und 4 sind nach Art eines Kinderspielzeugwindrades aufgebaut und weisen jeweils vier Rotorflügel 2-1 bis 2-4 und 4-1 bis 4-4 auf, die punktsymmetrisch zur Drehachse 6 angeordnet sind. Die Rotorflügel 2-i des ersten Rotors 2 erstrecken sich entlang einer ersten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie 8. Die erste Schraubenlinie 8 verläuft auf einer ersten Ellipsoidoberfläche 10, die sich in Fluidströmungsrichtung A aufweitet. Der Drehsinn der ersten Schraubenlinie 8 ist im Uhrzeigersinn. Der zweite Rotor 4 ist in Fluidströmungsrichtung A unmittelbar hinter dem ersten Rotor 2 angeordnet. Die Rotorflügel 4-i des zweiten Rotors 4 erstrecken sich entlang einer zweiten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie 12. Die zweite Schraubenlinie 12 verläuft auf einer zweiten Ellipsoidoberfläche 14, die sich in Fluidströmungsrichtung A verjüngt. Der Drehsinn der zweiten Schraubenlinie 12 in Fluidströmungsrichtung betrachtet ist ebenfalls im Uhrzeigersinn. Der Durchmesser des ersten Rotors 2 ist an seinem dem zweiten Rotor 4 zugewandten Ende kleiner als der Durchmesser des zweiten Rotors 4 an seinem dem ersten Rotor 2 zugewandtem Anfang. Wenn der Doppelrotor in Fluidströmungsrichtung A angeströmt wird, dreht sich der erste Rotor 2 im Uhrzeigersinn und der zweite Rotor 4 entgegen dem Uhrzeigersinn.
In dem durch die erste und zweite Ellipsoidoberfläche 10, 12 aufgespannten Raum ist ein elektrischer Generator 20 angeordnet. Der elektrische Generator 20 umfasst eine erste und eine zweite Statoreinrichtung 22, 24 und eine erste und eine zweite Rotoreinrichtung 26, 28. Der erste Rotor 2 ist starr mit der ersten Rotoreinrichtung 26 und der zweite Rotor 4 ist starr mit der zweiten Rotoreinrichtung 28 verbunden. Die beiden Statoreinrichtungen 22, 24 sind drehfest mit der Drehachse 6 verbunden.
2 zeigt eine Aufsicht auf die erste Ausführungsform der Erfindung in Fluidströmungsrichtung A, wobei der erste Rotor 2 weggelassen ist, so dass nur der zweite Rotor 4 mit seinen Rotorflügeln 4-i zu sehen ist.
Die 3 und 4 zeigen in analoger Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem ersten Rotor 32 und einem zweiten Rotor 34, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass der Durchmesser des ersten Rotors 32 an seinem dem zweiten Rotor 34 zugewandten Ende gleich groß ist wie der Durchmesser des zweiten Rotors 34 an seinem dem ersten Rotor 32 zugewandten Anfang.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der elektrische Generator 20 der ersten beiden Ausführungsformen der Erfindung lediglich eine Statoreinrichtung und eine Rotoreinrichtung, wobei die Statoreinrichtung und die Rotoreinrichtung jeweils starr mit dem ersten oder zweiten Rotor verbunden sind und drehbar an der Drehachse 6 gelagert sind.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Rotoren 2, 4 oder 32, 34 innerhalb einer rohrförmigen Fluidleiteinrichtung angeordnet. Hierdurch wird die in einer Fluidströmung enthaltene kinetische Energie besser genutzt.
5 bis 7 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit sechs Rotoren 41 bis 46. Der erste, dritte und vierte Rotor 41, 43 und 45 sind übereinander angeordnet und rotieren im Gleichsinn. Der zweite, vierte und sechste Rotor 42, 44 und 46 sind ebenfalls übereinander angeordnet, rotieren ebenfalls gleichsinnig aber im Gegensinn zu dem ersten, dritten und fünften Rotor 41, 43 und 45. Die beiden Rotorsätze 41, 43, 45 und 42, 44, 46 sind bezüglich einer zur Drehachse 6 senkrecht angeordneten Ebene Z-Z spiegelsymmetrisch angeordnet.
Der im Bereich der Drehachse 6 unter den Rotoren 41 bis 46 angeordnete elektrische Generator 20 umfasst sechs Statoreinrichtungen 47 bis 52 sowie sechs Rotoreinrichtungen 54 bis 59. Die Rotoren Die sechs Rotoren 41 bis 46 sind starr mit den sechs Rotoreinrichtungen 54 bis 59 verbunden. Die sechs Statoreinrichtungen 47 bis 52 sind drehfest an der Drehachse 6 montiert.
6 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Ebene X-X, so dass der erste, dritte und fünfte Rotor 41, 43 und 45 zu sehen ist. 7 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Ebene Y-Y, so dass nur der dritte und der fünfte Rotor 43, 45 zu sehen ist.
Bezugszeichenliste

A: Fluidströmungsrichtung
X-X: Schnittebene
Y-Y: Schnittebene
Z-Z: Symmetrieebene
2: erster Rotor
4: zweiter Rotor
6: Drehaches
2-i: Rotorflügel des ersten Rotors
4-i: Rotorflügel des zweiten Rotors
8: erste Schraubenlinie
10: erste Ellipsoidoberfläche
12: zweite Schraubenlinie
14: zweite Ellipsoidoberfläche
16: dem zweiten Rotor 4 zugewandtes Ende des ersten Rotors 2
18: dem ersten Rotor 2 zugewandter Anfang des zweiten Rotors 4
20: elektrischer Generator
22: erste Statoreinrichtung
24: zweite Statoreinrichtung
26: erste Rotoreinrichtung
28: zweite Rotoreinrichtung
32: erster Rotor
34: zweiter Rotor
41: erster Rotor
42: zweiter Rotor
43: dritter Rotor
44: vierter Rotor
45: fünfter Rotor
46: sechster Rotor
47: erste Statoreinrichtung
48: zweite Statoreinrichtung
49: dritte Statoreinrichtung
50: vierte Statoreinrichtung
51: fünfte Statoreinrichtung
52: sechste Statoreinrichtung
54: erste Rotoreinrichtung
55: zweite Rotoreinrichtung
56: dritte Rotoreinrichtung
57: vierte Rotoreinrichtung
58: fünfte Rotoreinrichtung
59: sechste Rotoreinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/031577 A2 [0002, 0004]
US 2339602 B [0002]
US 5984631 B [0002]
EP 0199839 A1 [0003]
DE 29619905 U1 [0003]

Claims

Mehrfachrotoranordnung zur Umwandlung einer Fluidströmung in Rotation, mit einem ersten und einem zweiten Rotor, die auf einer gemeinsamen Drehachse hintereinander, gegenläufig drehend angeordnet sind wobei die beiden Rotoren nach Art eines Kinderspielzeugwindrades aufgebaut sind und jeweils eine Mehrzahl (N₁, N₂) von symmetrisch angeordneten Rotorflügeln aufweisen, die Fluidführungsflächen bilden, wobei die Rotorflügel des ersten Rotors sich entlang einer ersten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die erste, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer in Fluidströmungsrichtung sich aufweitenden ersten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei die Rotorflügel des zweiten Rotors sich entlang einer zweiten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die zweite, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer sich in Fluidströmungsrichtung zumindest abschnittsweise verjüngenden zweiten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei in Fluidströmungsrichtung das Ende des ersten Rotors mit maximalem Rotordurchmesser unmittelbar benachbart zu dem Anfang des zweiten Rotors angeordnet ist.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser der ersten rotationssymmetrischen Fläche gleich dem Anfangsdurchmesser der zweiten rotationssymmetrischen Fläche ist.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schraubenlinien der einzelnen Rotorflügel des ersten und zweiten Rotors um wenigstens 360°/N_i, winden.
Mehrfachrotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrischen ersten und zweiten Flächen Teilflächen der Oberfläche eines Ellipsoids sind.
Mehrfachrotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrischen ersten und zweiten Flächen Kegelflächen sind.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der ersten Kegelfläche größer als der Öffnungswinkel der zweiten Kegelfläche ist.
Mehrfachrotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (s₁) der Schraublinie des ersten Rotors bei maximalem Durchmesser der ersten rotationssymmetrischen Fläche gleich der Steigung (s₂) der Schraublinie des zweiten Rotors bei maximalem Durchmesser der zweiten rotationssymmetrischen Fläche ist.
Mehrfachrotoranordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (s₁) der Schraublinie des ersten Rotors kleiner als die Steigung (s₂) der Schraublinie des zweiten Rotors ist.
Mehrfachrotoranordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit des zweiten Rotors im Bereich zwischen 20 und 60 U/min liegt, je nach Durchmesser des Windrades
Mehrfachrotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Rotor innerhalb einer rohrförmigen Fluidleiteinrichtung angeordnet sind.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleiteinrichtung innen Fluidführungsflächen aufweist.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleiteinrichtung drehbar auf der gemeinsamen Drehachse angeordnet ist und einen dritten Rotor bildet.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleiteinrichtung in axialer Richtung zweigeteilt ist und einen dritten und einen vierten Rotor bildet.
Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über dem dritten und vierten Rotor ein fünfter und ein sechster Rotor angeordnet ist, wobei der erste, dritte und fünfte gleichsinnig und Gegensinn zu dem zweiten, vierten und sechsten Rotor rotieren.
Elektrischer Generator mit einer Mehrfachrotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer elektrischen Statoreinrichtung und einer elektrischen Rotoreinrichtung, die beide innerhalb der beiden sich aufweitenden und verjüngenden rotationssymmetrischen Flächen angeordnet sind.
Elektrischer Generator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Statoreinrichtung mit dem ersten und dritten oder dem zweiten und vierten Rotor und die elektrische Rotoreinrichtung mit dem zweiten und vierten oder ersten und dritten Rotor gekoppelt ist.
Elektrischer Generator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stator- und Rotoreinrichtung mittels eines Übersetzungsgetriebes mit den Rotoren gekoppelt ist