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Leichte und robuste elektrische Gleichstrom- oder Asynchronma-
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schine von Diplom-Physiker juPeter Rousseau Bei elektrischen Gleichstrommaschinen
hat sich der frommelanker durchgesetzt. Seine Nachteile: Kommutator mit SpP.nnungsschwankungen
im Rhythmus der Schleiferunterbrechungen, Fliehkraftstress an den Treibstromwicklungen,
sowie schlechtes Leistungsgewicnt, werden in der nachfolgend beschriebenen Erfindung
beseitigt.
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Bei meiner maschine sind sowohl die Treibstromdrähte 'GS als auch
die Feldströme PS auf dem Ständer angebracht. Der Läufer ist nur ein blanker Zylinder.
Treibstromdrähte sind auf ihm keine erforderlich! Bei einem Elektromotor mit festgehaltenem
Trommelenker fängt sich ja auch, wegen des Kräftegleichgewichts, der Ständer mit
voller Kraft Das 2iTS(r#n#B#1)LS (vgl. 6)) zu drehen an, obwohl die daran befestigte
Feld spule in der vom Ständer abgeschirmten Induktion der Treibspule kaum ein Drehmoment
liefert. Das oment atif den nackten Ständer eines Trommelenkers muß deshalb andere
gründe haben. Es erklärt sich durch den Maxwell@schen Stresstensor mit einem Zug
µH²/2 in Feldrichtung und einem Druck µ0H²/2 senkrecht dazu, was auf einen Körper
V an seiner Oberfläche 0 eine Normalspannung 1) # = µß((Hn)² -H²/2)## und eine Scherspannung
2) # = #0µ0## ergibt, # ist der von V weggerichtete ormaleneinheitsvektor auf dO,
H,1 die Komponente von H parallel zu dO. Dazu kommt noch das Drehmoment #=##x#dV,
das die Magnetisierung i in der lokalen Induktion B erzeugt. ¢it 3) # = µ0(#+#)
wird es handlicher:
Das Drehmoment auf einen Trommelanker errechnet sich exakt durch Integration der
von den Spannungen 1) und 2) erzeugten infinitesimalen Momente über alle Ränder
vereint mit 4). Auch die rRreibstromdrähte in den felderfüllten Nuten drücken und
ziehen noch mit
Dieser Beitrag ist allerdings wegen der dort nur
kleinen Induktion
3 vernachlässigbar, eine gesicherte Erkenntnis. Die mechanische Leistung der Treibstromdrähte
erscheint also auch beim Trommelanker TA nicht dort, wo ihre elektrische Leistung
abfällt' Das Trommelankermoment #TA kommt fast nur von der Scherspannung 2) und
hat den Zahlenwert:
Nach Ampere ist rot(#)=# oder integriert: 5) ##### = I Wenn ( Hdl im j Eisen gegen
Null geht, dann muß es für den Rest des geschlossenen Weges auf dem Rand gegen die
eingeschlossenen Ströme #iTS gehen. #@ ist dann konstant gleich: N#iTS/WTA und DTA
wird gleich 2(N#iTS##/W), das ist wegen N/WTAr=(n/b)LS (lies Luftspalt) und #d###LS
etwa gleich 6) 2iTS(r#n##/b)LS = 2iTS(r#n#B#1)LS mit der Leistung DTAW = 4N#iTS##/T
Nach Faraday ist die induzierte Spannung U1 in einer geschlossenen windung 1: -U
= #E'd1 = -d(B#n#dF)/dt, das ist mathematisch exakt gleich:
F ist eine beliebige, außen von 1 begrenzte Fläche. Der erste Beitrag, 7a), ist
auf Plußänderungen durch die momentan fixierte (##/#t=(#(#, t+dt-#(#, t))/dt) Pläche
F zurückzuführen, der zweite Beitrag ist die elektromotorische Kraft auf 1, hervorgerufen
durch die lokale Induktion B, v ist die Relativgeschwindigkeit von dl in der Induktion
13. Für B müssen dazu unbedingt die Bewegungen ihrer Quellen, den Strömen oder auch
elementaren Spinstromwirbeln bekannt sein, damit v angegeben werden kann. Uber die
aus der speziellen Relativitätstheorie bekannten Gleichungen
kann das elektromagnetische Feld E/B von einem Koordinatensystem K auf ein darin
mit v' langs x3 bewegtes System Kt umgerechnet werden. # ändert sich dabei kaum,
im Gegensatz zu
Um die induzierten Spannungen berechnen zu können,
müssen also die Bewegungen der Quellen der Felder bekannt sein. Wegen der Linearität
der Feldgleichungen brauchen sie nur addiert zu werden um das Gesamt feld zu erhalten.
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Greift man ein Dipolchen eines rotierenden Trommelankers heraus, so
erzeugt es ein periodisches ##/## in einer bezüglich des Ständers festen Fläche
F, z.B. durch die Achse des Ankers, wobei das über die Zeit gemittelte a¢/8t natürlich
Null ist. Die Flußänderungen, die alle räumlich integrierten Änkerdipolchen in F
hervorrufen, addieren sich zu Null, sie mitteln sich weg. ür die Induktionsspannungen
verschwindet also der Beitrag 7a). Übrig bleibt allein 7b).
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Weil die Feldgleichungen linear sind, darf man die festgehaltenen
magnetisierungen von Ständer und Läufer getrennt betrachten. Wegen der veränderten
Wegintegrale von H tritt dabei beim Abknipsen der Läufer- oder Ständermagnetisierung
dann im Ständer bzw. Läufer ein gegensinniges H auf, das den Fluß verringert. Addiert
man beide Felder, so bekommt man wieder das ursprüngliche Gesamtfeld. Das Prinzip
der Addition gilt nicht nur für das magnetische Feld allein, auch die elektrischen
Felder von Ständer und Läufer addieren sich widerspruchsfrei exakt nach 8a). Im
folgenden wird das deutlicher, dabei ist bei den verwendeten Formelzeichen im nxponenten
die Magnetisierung und im Index das System gekennzeichnet.
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In Klammern ist der genauere Ort darin angegeben.
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Der Ständer erzeugt ein ruhendes, fast homogenes /uOHs das die Treibstromdrähte
des Ankers mit einer gewissen Geschwindigkeit #Ank=v3' kreuzen. Ben abgeknipster
Läufermagnetisierung ist #StSt natürlich Null, die elektromotorische Kraft, die
der Ständer im Anker hervorruft, ist dann nach 8a):
Das ist negativ genommen schon die induzierte Spannung in den Treibstromdrähten,
weil das Magnetfeld des Ankers zumindest in den Zähnen mitbewegt wird und E2AnkAnk
damit praktisch verschwindet.
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Die wegen der Treibströme unsymmetrische vagnetisierung des Ankers
ruft
bei den Feldströmen am Anker eine EMK hervor von: E2StAnk(FS) = #'(E2AnkAnk(FS)
- v3'#B1AnkAnk(FS)) #- #'#v3'#B1AnkAnk(FS) Das gesamte elektromagnetische Feld im
Ständer wird: (E2StSt + E2StAnk) : (B1StSt + B1StAnk) = (E2StSt+Ank) : (B1StSt+Ank),
das elektromagnetische Feld im Anker bekommt man genauso: (B2AnkAnk + E2AnkSt) :
(B1AnkAnk + B1AnkSt) = (E2AnkSt+Ank) : (B1AnkSt+Ank). Die beiden vollständigen Felder
lassen sich natürlich über Sa) und Sb) exakt ineinander verwandeln.
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St Weil B1St(TS) kleiner als BLS ist, ist auch die in den Treibströmen
induzierte Leistung kleiner als die Gesamtleistung. Der Rest wird von der Magnetisierung
des Ankers in der Feldspule induziert.
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Auf den Läufer eines Trommelankermotors wirken die Scherspannung r,
dann der Zug und Druck der Ströme in der Induktion der lauten, der klein ist, da
3 in den Nuten wegen B-AnKAnK(TS0)#-BSt-St(TS) verschwindet. Um Irrtümern vorzubeugen,
sei gleich noch gesagt, daß im Gegensatz zur induzierten Spannung für die Kraft
##1x# die Geschwindigkeit von 1 in # praktisch gleichgültig ist (vgl. 8b)). Als
kleinster Beitrag wird noch das Drehmoment der agnetisierung in der Induktion 3
nach 4) erscheinen. Insgesamt muß natürlich, abgesehen von den Verlusten, die mechanische
Leistung exakt gleich sein der elektrischen Leistung, wenn auch örtlich verschoben.
Ohne Lösung der komplizierten Feldgleichungen: I) div(#)=0 II) rot (#)=# III) mit
der theoretisch im allgemeinen kaum zu ermittelnden Magnetisierung # (#=µ(H)µ0#
mit einem vorgegebenen /u(H) dürfte die Feldgleichungen u.U. beträchtlich überbestimmen!)
kann damit aus integralen Überlegungen über die induzierte Spannung sofort das Drehmoment
ungefähr angegeben werden. Die Elementarspinmagnetchen sind übrigens durch Austauschfelder
um zehn Megagauß fest mit dem Kristallgitter verbunden, brauchen also nicht parallel
zu dem viel kleineren H zu stehen.
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Das Moment auf den Ständer eines Trommelankermotors erzeugen neben
# zu einem nicht geringen Teil noch die unterschiedlichen Normalspannungen # an
den Ecken des Ständerschuhs, sowie, weniger
stark, die Feldspule
in der Induktion der Treibströme und der .egnetisierungsbeltrag nach 4). Das Kräftegeleichgewicht
fordert darin, daß #@ am Polschuh kleiner ist als am Anker, woraus nach 5) wegen
j=0 im Spalt ##d#=0 folgt, mit einer unerwünschten Schwächung von #1 auf der einen
und Verstärkung auf der anderen Seite, was mit Wendepolen, speziellen Polschuhforeen
oder auch Ausgleichawicklungen gemildert werden kann. So wird durch 3alencierung
respektive Vernichtung der Nebenkräfte erreicht, daß die Scherspannung # an Ständer
und Läufer das entgegengesetzt gleiche Moment erzeugt und der Fluß ausgewogen wird.
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Übrigens verdoppeln Ausgleichswicklungen am Ständer keinesfalis das
Drehmoment. t" im Buftspalt wird nicht größer, sondern bleibt etwa gleich, die Werte
des Wegintegrals der Feldstärke im Luftspalt von den Treib- und Ausgleichsströmen
sind identisch. Die induzierte Leistung teilt sich wieder auf in Treibströme und
Ausgleichswicklungen, in den Feldspulen wird praktisch nichts mehr induziert.
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ieine neuartige elektrische Universalmaschine ist in Abbildung eins
skizziert. Um die Treibströme stellt sich ein Feldstärkewirbel ein. Ein kleiner
eil des Flusses um die Treibströme wird durch den Läufer gehen. Dann bewirkt schon
die Feldstärke im Luftspalt, daß im eisen wegen rot(#)=0 ein # vcrhanden ist, das
keine parallele Induktion nach µµ0# hervorrufen darf. Diese feste Beziehung gilt
näherungsweise höchstens noch ohne Anker oder bei einem geschlossenen xisenkörper
ohne Luftspalt. ;ier wird dann die Feldstärke wohl nahezu senkrecht aus den Seitenflächen
des Treibstromprismas austreten und nach unten zur Spitze hin abnehmen.
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Der Fluß um die Treibströme S ist wegen des langen Luftweges nicht
groß, er kann hauptsächlich schon im Ständer durch eine kleine Eisenbrücke unter
der Treibstromspitze gedeckt werden. Deshalb ist das von den Treibströmen erzeugte
An sicher sehr klein. Damit wird auch kaum eine Spannung in den Feldströmen FS induziert.
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Die Feldspule dagegen induziert bei der Drehung des Läufers m i t
S i c h e r h e i t eine große Spannung, weil bei ausgeknipster
Ständermagnetisierung
31Ank(TS) mit gesättigtem Läufer (M=10k0e) noch rund 5 kG beträgt (ein unendlich
langer Zylinder mit dem Radius a und konstanter Magnetisierung g quer zur Achse
hat im Inneren #i=-#/2 und außen im Vakuum #a=a²(##)#/r4-a²#/2r²) Das Drehmoment
meiner Maschine eins wird durch #, den Magnetisierungsbeitrag 4) und # erzeugt und
errechnet sich aus der elektrischen Nettoleistung mit guter Genauigkeit zu:
Verglichen mit 6) tragen alle Stromwicklungen NTS zum Moment bei.
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Die Felder der Treibströme und der Beldströme können getrennt behandelt
werden. Bei der linearen Überlagerung ändern sich weder die Wegintegrale von H noch
die Divergenzen der Induktion. Zudem ist der Treibstromfluß wegen des größeren Luftweges
viel kleiner als der Feldstromfluß. Beide stehen noch dazu ziemlich senkrecht aufeinander,
sodaß sich Sättigungserscheinungen kaum bemerkbar machen. Die von den Treibströmen
hervorgerufene Feldstärke im Eisen muß viel größer sein, als ihre überwiegend verscnwindende
segnetisierung vermuten läßt. Zur globalen Erfüllung der Beldgleichungen I), II)
und III), die widerspruchsfrei das Drehmoment 9) ergeben müssen, hat sich allerdings
die Magnetisierung zwingend unterzuordnen, eine gesicherte Erkenntnis. agnetisierung
und Feldstärke können wohl kaum berechnet werden. Man überzeugt sich viel einfacher
an einem kleinen Modellelektromotor von der einwandfreien Funktion meiner maschine.
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Ein langer Motor ist stärker und hat weniger elektrische Verluste
als ein kurzer. Wegen der problemlosen Kühlung im Ständer können sehr hohe Stromdichten
verwendet werden, mit dem billigeren Alumimium bis 10 A/mm². So erreicht man dann
bei einem maximalen Stress von 5 kp/mm² Leitungsgewichte über kW/kg! mit wenigen
Prozenten an elektrischen Verlusten Läßt man den "Ständer" über ein Getriebe entgegengesetzt
zum Läufer rotieren, so vergrößert sich d-s Leistungsgewicht noch mehr.
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Meine Maschine kann natürlich auch mit Wechselstrom als Asynchronmaschine
laufen. Ein Generator liefert dann unabhängig von der
Drehzahl des
Läufers einen Wechselstrom von exakt der Periode des Feldwechselstroms! -Wickelt
man mit der Treibspule Ausgleichswindungen, so hat man einen sehr leichten Gleich-
oder Wechselstromtransformator.
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Es sei darauf hinge Nie sen, daß das Drehmoment einer maschine nach
Abbildung drei verschwindet. Hier fällt die Feldstärke der reioströme in den übersättigten
Zähnen ab, #@ im Luftspalt und damit auch das Drehmoment gehen gegen Null. Wegen
der ubersättigung in den Zähnen kann die Feldspule kaum einen Fluß erzeugen, auch
die induzierte Spannung geht widerspruchsfrei gegen Null.
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Dank des hervorragenden Leistungsgewichts kann für Kraftfahrzeuge
ein stufenloses! elektrisches Getriebe gebaut werden, das ja die Voraussetzung dafür
ist um einen Schwungradspeicher nach Abbildung zwei verwenden zu können Bei Lastwagen
ergibt dasselbe Getriebe mit einem zusätzlichen mechanischen Berglasgang ein bbersetzungsverhältnis
von 10:1. Auch bei Personenwagen wird man mit einem mechanischen Stadtgang an Beschleunigung
gewinnen und Gewicht sparen können ein Getriebe braucht keine Kupplung, ein Umpolen
erspart einen mechanischen Rückwärtsgang. Seine Lebensdauer ist praktisch unbegrenzt,
die Lebensdauer des Diesels erhöht sich damit wesen seines ausgleichenden ruhigen
Laufs um 50%. Es ist verschleißfrei, wartungsfrei, einfach, billig und hat einen
ausgezeichneten Wirkungsgrad selbst beim Anfahren. Das moment des Viertakters wird
praktisch exakt geglättet. Deshalb erweitert sich seine Elastizität stark nach unten,
was sparsames Fahren bedeutet. Mit dem Schwungrad halbiert sich der Kraftstoffverbrauch
eines Linienbusses. Auch bei Personenwagen ist es von unschätzbarem Vorteil. Dank
des ausgeglichenen Laufs darf ein sparsamer inzylinderdieselmotor (Beseitigung seiner
essenkräfte siehe: "Stoßausgleichender Federspeicher für Kolbenmotoren" P 30 15
093.7) verwendet werden. Eine Leistung von zehn Kilowatt genügt für eine Reisegeschwindigkeit
von 80 km/h, wie sie mit 55 eilen in der Stunde in Amerika sowieso
schon
besteht. Damit läßt sich dann ein Benzinverbrauch von zwei bis drei Litern auf hundert
Kilometer erzielen. Schnellstes Lberholen von Lastwagen garantiert das Schwungrad,
das nach der "Umschau in Wissenschaft und Technik" (p 445/14/1980) 100 kJ/kg speichern
kann. or allem im Stadtverkehr wird der Verbrauch drastisch gesenkt, bei zügigem
Anfahren. Lediglich das erste @al muß bei leerem Speicner mit dem rotor beschleunigt
werden. Nach dem elektrischen bremsen steht dann schon wieder Schwung zur Verfügung.
min spezieller, leichter Zweisitzer ür den Stadtverkehr begnügt sich mit einem Schwungradspeicher
mit einem Liter aui 100 Kilometer! Dieser Wert läßt sich vermutlich angesichts der
bestehenden Sparsamkeitsrekorde noch beachtlich verbessern.
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Abbildung 2: Stufenloses elektrisches Getriebe mit Schwungradspeicher
für einen zwanzig aegagramm Linienbus, angetrieben von einem zweihundert Kilowatt
Dieselmotor nM = Motordrehzahl nF = Fahrdrehzahl nS = Schwungraddrehzahl DM = maximales
Motormoment
1 DM - 200 kW 5 DM - 1 MW 5 DM - MW
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