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Das Gebrauchsmuster ist eine Synchronmaschinenausrüstung mit hohem Antrieb und Selbsterregung mit Stator, Rotor, Statorwicklung und Rotorwicklung ausgerüstet.
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Elektrische Maschinen wie Generatoren und Motoren basieren auf dem Prinzip der magnetischen Induktion. Die Grundidee der Selbsterregung (Dynamoelektrisches Prinzip) verbindet man mit dem ungarischen Physiker Änyos Jedlik. Selbsterregte Maschinen benötigen keine äußere Erregung und Erzeugen den Magnetisierungsstrom selbst.
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Die Technik beinhaltet folgende ähnliche Lösungen.
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Die europäische Patentschrift mit der Nummer
EP3057208 A1 (und dem chinesischen Gebrauchsmuster
CN205544853 U ) beschreibt eine Drehstrom-Induktionsmaschine. Der ringförmige Rotor mit Permanentmagneten befindet sich um den Stator herum. Derselbe Pol der Permanentmagnete entlang des Umfangs ist einander zugewandt. Die Anordnung der vorliegenden Erfindung verringert die Größe des Rotors und es ist weniger wahrscheinlich, dass eine magnetische Sättigung des Rotors auftritt.
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Die deutsche Patentschrift
DE 102016204118 A1 (und die japanische Patentschrift
JP2016174507 A ) beschreiben den Aufbau einer Induktionsmaschine. Die Maschine kann mit einem dreiphasigen Drehstromantrieb betrieben werden, der Rotor hat eine Kurzschlusswicklung. Der Teilwert der Rotorzähne (R) und Statorzähne der hier beschriebenen Maschine (S) ist höher oder gleich 1,33 (R/S ≥ 1,33).
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Die britische Patentschrift
GB 2524556 A stellt auch eine asynchrone elektrische Maschine dar, die nach einem Induktionsprinzip arbeitet. Auf die Statorwicklungen der hier beschriebenen Maschine kann beispielsweise ein dreiphasiger Wechselstrom geschaltet werden, dessen induziertes Magnetfeld den 5-Pol-Rotor antreibt.
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Die japanische Patentschrift
JP2015154582 A stellt eine wirtschaftliche Wicklung des Stators einer elektrischen Dreiphasenmaschine dar.
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Die japanische Patentschrift
JP3064302 B2 beschreibt das Wickeln des Stators und Rotors eines Induktionsmotors. Die Wicklung des Stators ist zweiphasig, zweipolig und kompakt, während der Rotor eine sechsphasige Wicklung hat. Aufgrund des Motorkonzepts kann die dritte Oberwelle des durch den Stator erzeugten Magnetfeldes eliminiert werden, sodass keine parasitären Einflüsse auftreten.
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Die internationale Patentschrift
WO9618287 A1 ist eine Mehrphasen-Induktionsmaschine. Die Erfindung arbeitet in mehr als drei Phasen mit dem Vorteil, dass die Oberwellen des dreiphasigen rotierenden Magnetfelds nicht auftreten und somit keinen Verlust verursachen. Somit kann die hier beschriebene elektrische Maschine mit größerer Effizienz und größerem Drehmoment arbeiten.
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Der Zweck des Gebrauchsmusters besteht darin, die Fehler der bestehenden Lösungen zu beseitigen und eine Ausrüstung zu schaffen, dass bei einigen Anwendungen von Synchronmotoren und/oder Generatoren mit Permanentmagneten, sowie weniger leistungsfähige Synchronmotoren und/oder Generatoren mit Schleifringen und Asynchronmotoren und/oder Generatoren eine bessere Effizienz und Nachhaltigkeit auslösen kann.
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Die erfinderische Tätigkeit beruht auf der Erkenntnis, dass man eine günstigere Lösung erhalten kann, wenn die Maßnahmen nach Patentanspruch 1 implementiert werden.
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Gemäß dem Ziel der Erfindung kann die allgemeinste Musterlösung gemäß Patentanspruch 1 realisiert werden. Die verschiedenen Ausführungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Das Gebrauchsmuster ist gemäß dem Zwecksatz eine selbsterregende Synchronmaschinenausrüstung mit hohem Antrieb, welches mindestens eine Nute enthaltenden Stator, mindestens einen Polrotor, eine Statorwicklung und einer Rotorrotorwicklung enthält. Die Charakteristik der Muster ist, dass die Rotorwicklung pro Pol mindestens eine Gleichrichterdiode enthält.
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Eine weitere Charakteristik des Gebrauchsmusters kann sein, dass der Stator zwölf Nuten aufweist, und/oder der Rotor zehn Pole umfasst.
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Es kann auch typisch sein, dass die Statorwicklungen dreiphasig sind, und/oder die Rotorwicklung fünfphasig ist.
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Das Gebrauchsmuster wird anhand des Ausführungsbeispiels in mit einer Zeichnung näher erläutert.
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Auf den beigefügten Zeichnungen wird Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt die Struktur der Muster,
- 2 ist eine Wicklungsanordnung der Ausrüstung
- 3 ist ein Statorwicklungsschema, während
- 4 ein Rotorwicklungsschema ist.
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1 zeigt den Aufbau der Ausrüstung. Die selbsterregende Synchronmaschine besteht aus einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Eisenkern des einen Stators 1 und Rotoren 2 können plattiert oder anderweitig bearbeitet sein (z. B. pulverisierter Eisenkern), der vorzugsweise weichmagnetisch ist und einen niedrigen Eisenverlust aufweist. Die Rotoren 2 der Ausrüstungen enthalten keine Permanentmagnete. Im dargestellten Gebrauchsmuster besteht der eine Stator aus zwölf Nuten, von denen jede dreiphasige Statorwicklungen 3 enthält. Die Rotoren 2 haben vorzugsweise zehn Pole mit fünfphasigen Rotorwicklungen 4, die durch Dioden kurzgeschlossen ist. Die Statorwicklungen 3 und die Rotorwicklungen 4 sind beispielsweise aus Metalldraht, vorzugsweise Kupferdraht. Jede Spule der Statorwicklungen 3 ist um die einzelnen Zähne in den Nuten des Stators 1 gewickelt. An den Zähnen des einen Stators 1 befindet sich eine oder zwei Spulen. Jede Spule der Rotorwicklungen 4 ist um die Zähne der Rotoren 2 herumgewickelt, sodass die Polen der Rotoren 2 separat in Spulen angeordnet sind. Zusätzlich zu dem dargestellten Fall kann die Ausrüstung auch mit einer Kombination verschiedener Stator 1 Nuten und Rotor 2 Zahlenkombinationen versehen sein, für die ein geeignetes Wicklungsschema ausgewählt werden muss.
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Die 2 zeigt eine mögliche Anordnung von Statorwicklungen 3 und Rotorwicklungen 4. Die Statorwicklungen 3 sind eine Mehrphasenwicklung mit einem sinusförmigen Wechselstromantrieb, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Das von der Statorwicklungen 3 erzeugte rotierende Magnetfeld induziert eine Spannung in den Rotorwicklungen 4 und bewirkt, dass sich die Rotoren 2 bewegen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren 2 ist dieselbe wie die des rotierenden Magnetfelds, sodass die Ausrüstung eine Synchronmaschine ist.
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Die Statorwicklungen 3 sind am weitesten verbreitet und ebenfalls in 2 dargestellten Gebrauchsmuster ist eine Dreiphasenwicklung (U, V, W) zu sehen. Auf dem einen Stator 1 sind Spulengruppen gebildet, die aus drei Spulen bestehen (erste Spule 3a, zweite Spule 3b, dritte Spule 3c), die auf nebeneinanderliegende Zähne des einen Stators 1 gewickelt sind und zur gleichen Phase gehören. Jedes Element der Spulengruppe ist in der Figur durch die Buchstaben der einzelnen Phasen und die Spulennummer dargestellt (z. B. U2 Weise, welche dazu dient, die zweite Spule 3b der U-Phase anzuzeigen). Die zweiten Spulen 3b sind um den gegebenen Zahn des einen Stators gewickelt, während die ersten Spulen 3a und die dritten Spulen 3c (z. B. U1 und U3) nur die Hälfte der Zähne des einen Stators besitzen, wobei auf der restlichen Hälfte der Zähne die erste Spule der Spulen(gruppe) 3a oder die dritte Spule 3c in gegenläufiger Spulenrichtung einer anderen Phase eingerichtet ist, indem sich die erste Spule 3a und dritte Spule 3c an einem Zahn befindet. Die Wickelrichtungen jeder Spule sind in der Figur durch die Symbole ‚+‘ und ‚-‘ angegeben. Die Spulengruppen, die zur gleichen Phase gehören, sind auf den gegenüberliegenden Seiten des einen Stators ausgebildet.
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In den 4 Rotorwicklungen ist gemäß den fünf Phasen jede Spule durch den Buchstaben E und die Phasennummer angegeben (z. B. E2, welche die der zweiten Phase der Rotorwicklungen 4 entsprechende Spule darstellt). Die „+“ - und „-“ Markierungen geben auch die Wickelrichtung der Spulen im Falle der Rotorwicklungen 4 an. Es ist ersichtlich, dass die Wickelrichtung der benachbarten Spulen auf den Rotoren 2 umgekehrt ist.
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Die 3 zeigt das Wicklungsschema des einen Stators, der sich flach erstreckt. Auf der Figur ist die Wickelrichtung der Statorwicklungen 3 durch Pfeile gekennzeichnet. Die Drähte der gekreuzten Linien kreuzen sich nicht, die Drähte treffen sich nur in dem mit Kreis markierten Knoten. In der 3 kann man deutlich sehen, dass sich je zwei Spulen an jedem zweiten Zahn des einen Stators befinden, eine erste Spule 3a und eine dritte Spule 3c, die zu verschiedenen Phasen des einen Stators 1 gehören. Die Markierung einiger Spulen entspricht der 2. Die Stromversorgung der Spulen erfolgt an den Punkten U, V und W entsprechend den drei getrennten Phasen mit einem sinusförmigen Wechselstrom.
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4 zeigt das Wicklungsschema der Rotoren 2, welche sich ebenfalls flach erstrecken. In der Figur ist die Richtung der Rotorwicklungen 4 durch Pfeile angegeben. Jede Spule der Rotoren 2 hat eine Wicklung. Jede Spule El bis E5 ist mit einer Diode 5 durch den Gleichrichter kurzgeschlossen. Die Funktion der Dioden 5 besteht darin, sicherzustellen, dass in jeder Spule der Strom nur in einer Richtung fließt, sodass die Richtung des Magnetfelds in einer bestimmten Spule nicht umkehren kann. So entstehen dauerhafte Nord- und Südpole, die ihre Polarität bei unterschiedlichen Stärken und Funktionen in der gesamten Ausrüstung beibehalten. Gemäß der in der Figur angezeigten Rotorwicklungen 4 der fünfphasigen Rotoren 2 sind die Spulen der gleichen Phase in entgegengesetzter Richtung gewickelt und die Dioden 5 sind auch in umgekehrter Richtung gebunden. Da sich Spulen der gleichen Phase am entgegengesetzten Punkt der Ausrüstung befinden, erzeugt die entgegengesetzte Richtung des Magnetfelds dieselbe Richtung in den gleichen Phasenspulen. In den benachbarten Spulen sind die Wicklungsrichtung und die Verdrahtungsrichtung der Dioden 5 umgekehrt.
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Die vorgestellte Ausrüstung hat viele Vorteile. Einer der großen Vorteile der Ausrüstung besteht darin, dass keine Permanentmagnete oder Schleifkontakte in der Ausrüstung erforderlich sind. Die Herstellungstechnologie ist daher kostengünstiger und nachhaltiger und der Wartungsaufwand ist gering. Niedrige Produktionskosten werden auch durch das einfachere Wickeln unterstützt. Ein weiterer Vorteil ist, dass Fertigungsprozesse leicht automatisiert werden können und keine komplexen Steuerungen erforderlich sind. Im Vergleich zu den selbsterregenden Synchronmaschinen ist es von großem Vorteil, dass das Muster ein Startdrehmoment bei null oder niedriger Drehzahl aufweist, wenn in der Wicklung des Rotors kein Strom vorhanden ist. Das verfügbare Reluktanzdrehmoment reicht aus, um bei ausreichender Last in einem vollen Drehzahlbereich zu arbeiten. Der Vorteil der Ausrüstung gemäß dem Muster ist, dass sie absolut verlustfrei läuft, d. h. dass keine Stator- oder Rotormaterialien oder Wicklungen verloren gehen und dass kein beruhigtes Drehmoment in der Ausrüstung vorhanden ist (cogging torque im Englischen). Aufgrund der obigen Vorteile kann die Ausrüstung der Muster effizient betrieben werden.
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Ein Anwendungsbereich der Ausrüstung ist die Fahrzeugindustrie, in der die Ausrüstung als Fahrzeugantrieb verwendet werden kann. Ein zusätzliches Einsatzgebiet kann die Energiewirtschaft sein, in der die Ausrüstung als Generator mit geringer Leistung verwendet werden kann, beispielsweise als Windkraftanlage. Die Ausrüstung kann auch als Antrieb für Pumpen oder Lüfter eingesetzt werden.
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Zusätzlich zu den vorstehenden Beispielen kann das Gebrauchsmuster in anderen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung implementiert werden.
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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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- EP 3057208 A1 [0004]
- CN 205544853 U [0004]
- DE 102016204118 A1 [0005]
- JP 2016174507 A [0005]
- GB 2524556 A [0006]
- JP 2015154582 A [0007]
- JP 3064302 B2 [0008]
- WO 9618287 A1 [0009]
