DE3711711A1 - Ringfoermige induktionsmaschine, fluessigkeitsgekuehlt - Google Patents

Description

Die auf den folgenden Seiten beschriebene Maschine ähnelt in einigen Details dem Scheiben- und Glockenläufer. Ziel war es, daß die Maschine im Vergleich zu ihrer Leistung möglichst we­ nig Masse enthält. Bei geschickter Dimensionsierung ist eine "Leistungsdichte" von 5-6 kW/kg möglich. Der Anwendungszweck ist für das KFZ vorgesehen. Natürlich lassen sich auch andere Anwendungen finden.

Bisherige Konstruktionen von "Radnabenmotoren", als Maschinen die bei direkter Übersetzung im Rad Verwendung finden sollen, waren einfach zu schwer, insbesondere für den PKW. Die ungefe­ derte Masse soll so leicht wie nur möglich sein. Meine Kon­ struktion sieht für das Rad eine Maschine vor, die weniger als 10 kg wiegen kann. Damit wäre diese Anwendung zum ersten Mal möglich.

Bei anderen Anwendungen ist eine Leistungsdichte von 20-30 kW/kg möglich, vielleicht sogar noch mehr. Die obere Grenze ist vom Ummagnetisierungsverlust im Eisen abhängig.

Die Bauform der Maschine kann so gestaltet werden, daß die wirksame Polfläche außen, innen oder auf der Stirnseite liegt. Deshalb habe ich mich nicht auf die Bezeichnung "Scheiben- Glocken-Innen-Außenläufer" festgelegt, sondern darauf, daß die Maschine die Form eines Ringes aufweist. Auch ist es mög­ lich, daß man bei kleineren Leistungen den Ständer nicht ganz als Ring benötigt, sondern nur ein kleiner Ausschnitt übrig­ bleibt. Bei sehr kleinen Leistungen kann man auf die Kühlung verzichten. Auf die Induktionsmaschine habe ich mich deshalb festgelegt, weil der Läufer keine ausgeprägte Wicklung benö­ tigt und deshalb kompakter wird.

Die Ringform weist technisch noch folgenden Vorteil auf: Da­ durch, daß die Pole weiter nach Außen kommen, sind breitere Nutzen möglich. Wählt man einen großen Durchmesser des Ringes, wobei eine bestimmte Polfläche beibehalten wird, so wird der Ring schmal und dadurch die Schleife für die Wicklung recht kurz. Kurze Schleifen und großer Querschnitt bedeuten geringer Innenwiderstand. Deshalb hat ein Ring erheblich weniger Kup­ ferverluste als eine vergleichbare Scheibe. Eine Scheibe soll­ te man nur dann anstreben, wenn aus irgendeinem Grund ein kleinerer Durchmesser erforderlich ist.

Zeichnung 2 soll nur ein Anwendungsbeispiel sein. Es wird aber übersichtlicher, wozu die einzelnen elektrischen Maschinen ge­ dacht sind. Da man nicht auf eine Frequenz angewiesen ist, ha­ be ich recht hohe Frequenzen für die elektrische Dimensionie­ rung ausgewählt. Der Bereich, in dem die volle Leistung über­ tragen wird, bewegt sich zwischen 250-600 Hz. Die Größenver­ hältnisse sind realistisch dargestellt.

Die folgenden Beispiele sind so dargestellt, daß die wirksame Polfläche jeweils auf der Stirnseite liegt. Natürlich sind diese Maschinen ebenso als Glockenläufer möglich. Es ist er­ kennbar, daß nur ein dünner Metallring nötig wird.

Beispiel zur Herstellung

Am einfachsten läßt sich die Maschine als Scheibenläufer her­ stellen. Elektroblech wird mit Phosphorsäure gegen Wirbenströ­ me behandelt und zu einem Ring aufgewickelt. Auf der Stirnsei­ te werden die Nuten eingefräßt. Eine chemische Nachbehandlung kann notwendig werden, wenn der Fräßer an den Schnittstellen einen Schluß verursacht. Das so gewonnene Blechpaket kann man durch Bandagen oder isolierte Nieten befestigen.

Entscheidet man sich für einen Glockenläufer, so muß das Blechpaket aus gestanzten Teilen zusammengestellt werden.

Berechnung eines Beispiels: Bild 2a im Maßstab 1 : 5

Polzahl 20/40, 60 Einzelpole bei Drehstrom
D = 320 mm außen, 280 mm innen
Gesamtfläche 188,5 cm², nach Abzug der Nutzen 152,5 cm², Einzelpol 2,54 cm²
Jeder Einzelstrang het 15 Wdg. aus Cu-Material, ca. 6 mm².

Zum Cu-Material: Aus der Bezeichnung der Maschine geht die Ab­ sicht hervor, sie zu kühlen. Dies geschieht, indem man das Kupfer nicht als Vollmaterial, sondern als dickwandiges Rohr verwendet. Wenn z. B. ein Rohr mit 3 außen einen Innendurchmes­ ser von 1 mm hat, so bleiben etwa 6 mm² übrig. Als Kühlmittel dient Öl, es isoliert und kann deshalb andere Wege fließen als der elektrische Strom.

Spannung eines Einzelstranges nach der Transformatorenhaupt­ gleichung

Bei 20 Strängen in Reihe geschaltet beträgt die Spannung etwa 100 V. Hierbei wurde als Frequenz 250 Hz eingesetzt. Wenn bei 15 Wdg der Magnetisierungsstrom etwa 67 A betragen muß, so ist mit einem Wirkstrom von 145 A zu rechnen, wenn der Leistungs­ faktor wie bei Induktionsmaschinen üblich 85-87% betragen soll. Bei einem Verwendungszweck, der hier vorgesehen ist, reichen etwa 100 A, bei 100 V und 3 Strängen entsprechen das 30 kW.

Zum Wirkungsgrad: Wenn eine Schleife im Schnitt 12 cm lang ist und der Querschnitt 6 mm² beträgt, so beträgt die Verlustlei­ stung im obigen Beispiel 4,6 kW. Der Wirkungsgrad beträgt 85 %. Nähert man sich der Frequenz von 600 Hz, so können Blind- und Wirkstrom zurückgehen, die Spannung nimmt zu. Wenn der Blindstrom auf 50 A zurückgeht und der Wirkstrom auf 55 A, so betragen die Verluste knapp 1,8 kW. Das wären etwa 94% Wirk­ kungsgrad. Bei steigender Geschwindigkeit oder steigender Fre­ quenz oder abnehmender Leistung sinken die Verluste im Quadrat dazu.

Zum Gewicht des letzten Beispiels: Da alle 15 Wdg je 3 mm 0 übereinanderliegen, benötigt man für diese Tiefe 45 mm, für den magnetischen Rückfluß sind etwa 15 mm erforderlich, für evtl. Isolierung ca. 2 mm. Das Blechpaket wird etwa 62 mm tief. Wenn der Umfang des Ständerringes 943 mm beträgt, und dieses Blechpaket ca. 20,62 mm stark ist, so beträgt das Ge­ wicht etwa 9,2 kg. Mit dem Läufer zusammen kann die Maschine etwa 12 kg wiegen. Allerdings betrifft das nur die aktiven Teile.

Bild 2b zeigt, wie Windungen und Kurzschlußwindungen im Stän­ der und Läufer liegen. Füllt man im Ständer die Nuten bis obenhin auf, so können keine Streufeldlinien abkürzen. Im Läu­ fer erreicht man das Gleiche, wenn man den unteren Kurzschluß­ stab in der abgebildeten Form erhält. Das läßt sich erreichen, wenn man das Metall für die Kurzschlußwindungen eingießt. Bei­ de Kurzschlußwindungen erzielen einen Stromverdrängungseffekt, wenn der Schlupf zu groß wird.

Leistungsangaben

Hierbei sollen alle Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. So zum Beispiel ist im Kraftfahrzeug die Möglichkeit vorhan­ den, mit der elektrischen Maschine zu bremsen. Da beim Bremsen stärkere Verzögerungen auftreten als beim Fahren Beschleuni­ gungen und diese aus der Höchstgeschwindigkeit heraus erfor­ derlich werden können, ist die dritte Leistungsangabe für das KFZ ebenfalls interessant.

Bei 12 kg Machinenmasse:

 30 kW= Verwendungszweck Antrieb, KFZ, ca. 100 A  40 kW= Leistungsgrenze bei 250 Hz, ca. 145 A bei cos 0,87 105 kW= Bremsleistung aus voller Geschwindigkeit, bei 600 Hz steigt die Spannung auf 240 V, 145 A

oder ein anderer Verwendungszweck

180 kW und mehr bei 1000 Hz und darüber, es ist also zu erken­ nen, daß die Leistung mit der Frequenz zunimmt. Allerdings nehmen die Ummagnetisierungsverluste etwa im Quadrat zur Fre­ quenz zu. Deshalb ist zu erwarten, daß etwas über 1000 Hz eine technische Grenze vorhanden ist, die Maschine arbeitet zu un­ wirtschaftlich. Außerdem sind hohe Frequenzen nur in geschlos­ senen Systemen zu erwarten (Generator-Motor), Netzfrequenzen sind nicht derart hoch.

Beispiel Bild 2c: Der Wicklungsplan für den Ständer zeigt, daß die Maschine flacher ausgeführt werden kann. Zwar bleibt hier weniger Polfläche übrig, aber man kann den Ring des Ständers 10 mm dicker aufwickeln, damit ist etwa die gleiche Polfläche da. Sie hat sich sogar leicht vergrößert, daß 14 Wdg die glei­ che Strangspannung ergeben.

Größenangaben (zu Bild 2c):

Polzahl 20/40, 60 Einzelpole
D Außen 320 mm, Innen 260 mm Polfläche 274 cm², nach Abzug der Nuten 165 cm², Einzelpol 2,75 cm²

Daraus errechnen sich folgende Leistungen:

 30 kW Antrieb PKW
 47 kW Leistungsgrenze bei 250 Hz, ca. 175 A bei cos 0,87
113 kW bei 600 Hz, 240 V 157 A, 190 kW bei 1000 Hz . . .

Die flache Bauweise hat zur Folge, daß die Maschine leichter wird. Trotzdem das Blechpaket 30 mm dick wird, wiegt der Stän­ der etwa 8 kg.

Nun ist es auch möglich, die Polzahl zu erhöhen. Bei 90 oder 100 Einzelpolen kann bei der Baugröße eine technische Grenze liegen, um eine brauchbare Polfläche zu erhalten. Hierbei ist für die gleiche Verwendung eine Frequenz von 350-900 Hz er­ forderlich. Im gleichen Maße kann die Windungszahl reduziert werden, die Bauform wird flacher und deshalb leichter. Der Wirkungsgrad allerdings schlechter, weil mit der Vielzahl der Nuten zu viel Polfläche verlorengeht.

Reduziert man die Dicke des Ringes in dem Maße, daß die Lei­ stungsgrenze auf 30 kW fällt, so läßt sich das Gewicht der ge­ samten Maschine auf 8-9 kg reduzieren. Allerdings liegt dann die Bremsleistung außerhalb des Leisungsbereiches der Maschi­ ne. Beide Maßnahmen, das Gewicht der Maschine zu drücken, sind daher nur bedingt anwendungsfähig.

Auf der Zeichnung 3 sind zwei Scheibenläufer (a & b) und eine herkömmliche Maschinen abgebildet (C). Strebt man eine hohe Polzahl an, so ist in der herkömmlichen Bauform viel Material verschenkt, denn die Feldlinien dringen nicht mehr tief ins Material ein. Bei den beiden anderen Maschinen ist das Mate­ rial ausgenutzt. Je höher dabei die Polzahl ist, desto flacher kann die Ausführung ausfallen. Auch kann man einen Läufer zwi­ schen zwei Ständern laufen lassen oder noch höhere Anzahlen der Maschinenteile kombinieren. Das ist natürlich auch bei der Glockenform möglich.

Beispiel einer Maschine mit sehr hoher Leistung (Bild 3a, Maß­ stab 1 : 4) Durchmesser Außen 320 mm, Innen 160 mm.

Polzahl 20/40, 60 Einzelpole
Die Nuten bekommen eine Breite von etwa 4 mm, so daß Material Bild 3d hineingepaßt. Der Querschnitt kann etwa 13,5 mm² betra­ gen. Bekommt ein Einzelstrang 6 Wdg, so hat die Maschine einen Gesamtwiderstand von 0,0905 Ohm.

Er errechneten sich folgende Leistungen:
Bei 250 ca. 110 V bei 167 A Erregerstrom
Bei 367 A Wirkstoff ca. 121 kW

Bei der Belastung mit 100 kW bewegt sich im Frequenzbereich 250-600 Hz der Wirkungsgrad zwischen 89 und 96%.

Wie bei den anderen Maschinen sind bei höheren Frequenzen auch höhere Leisungen möglich.

Bei 600 Hz 265 V und 367 A 291 kW
Bei 1000 Hz 486 kW . . .

Bei dieser Maschine ergibt sich im Umfang gerechnet eine Kraft von annähernd einer Tonne. An einem Hebel von etwa 12 cm ent­ spricht das einem Drehmoment von etwas über 1000 Nm.

Benutzt man eine Maschine dieser Bauart als Generator, so kann diese als Synchronmaschine laufen, wenn der Läufer erregt wird. Entscheidet man sich für eine Asynchronmaschine, so muß die Blindleistung kompensiert werden. Für die Verwendung am Verbrennungsmotor wird die Polzahl 8/16 richtig gewählt sein.

Der Generator kann auch aus einem Maschinensatz bestehen, der mehrere polumschaltbare Maschinen enthält. Ein Schaltwerk oder Thyristorensatz kann dann zwischen Generator und Motor(en) Übersetzungen wählen, die einem Mehrganggetriebe entsprechen. Bild 4 zeigt einen Generator, der aus 3 Ständerteilen besteht. Wenn die schmalen Ringe Dahlanderschaltungen enthalten, so ist mit diesem Generatorsatz der Aufbau eines 5-Ganggetriebes mög­ lich.

Bei den ersten Beispielen hatte ich die Maschinen so berech­ net, daß die volle Leistung ab 250 Hz übertragen werden kann und die Leistungen, die bei höheren Frequenzen möglich sind, eigentlich nicht für den PKW vorgesehen sind. Für den Genera­ tor verhält sich hier einiges anders. Da der Motor erst ab einer Drehzahl von knapp 4000 U/min in voller Höhe belastet wird, braucht sich erst ab dem Wert die Spannung voll aufzu­ bauen. Darunter genügen kleinere Spannungen zum Anfahren. (Diagramm Bild 4)

Entscheidet man sich zum Beispiel für die Betriebsart, daß ein Zerhacker die unterschiedlichen Frequenzen für die Motoren herstellt, so genügt ein "Ring" für den Generator. Da der Mo­ tor eine weit größere Drehzahl hat als die Räder, genügt die Polzahl 8/16. Da ich die volle Spannung erst ab knapp 4000 U/min brauche, entspricht das einer Frequenz von 500 Hz. Die Leistungsdichte ist also doppelt so groß wie bei den Radmoto­ ren. Da bei der kleinen Polzahl die Polfläche größer wird, werden die Verhältnisse noch günstiger. Das hat zur Folge, daß bei dieser Betriebsart ein Generator die Größe eines Radmotors bekommt und mindestens die dreifache Leistung abgibt.

Die im Bild 4 beschriebene Technik benötigt einen größeren Ge­ nerator, weil er aus mehreren Teilen besteht. Die Technik wird aber einfacher. Ein Schaltwerk schaltet bestimmte Generatoren­ teile in den Hauptstromkreis. In Verbindung mit der Dahlander­ schaltung kann man nun 5 Frequenzbereiche auswählen. Bei sehr großen Leistungen ist diese Betriebsart vorzuziehen, weil bei sehr großen Strömen erhebliche Probleme mit der Elektronik entstehen.

Für die Kompensatoren würde sich eine Maschine in der Größe Bild 3a eignen, Maßstab 1 : 4, jedoch in kleinerer Polzahl, denn der Läufer benötigt ausgeprägte Wicklungen. Wenn ansonsten an der Maschine nichts verändert wird, so benötigt ein Einzel­ strang 6 Wdg. Der Blindstrom wird 167 A betragen. Kommt nun die Felderregung aus dem Läufer, so fließt kein Blindstrom. Vergrößert man die Felderregung, so muß kapazitive Blindlei­ stung in den Läufer fließen, damit die Gegenspannung wieder stimmt. Bei doppelter Felderregung würde der kapazitive Blind­ strom 167 A betragen. Die technische Grenze kann bei etwa 370 A liegen. In dem Fall muß im Läufer viel Platz für die Wick­ lung vorgesehen werden, so daß der Läufer größer werden kann als der Ständer. In Frequenzbereichen über 250 Hz wird sich die Kompensationsleistung noch steigern, weil man die Felder­ regung nicht zurücknehmen muß.

Alle Maschinen, die hier dargestellt wurden, können als Motor, Generator oder Kompensator verwendet werden. Die Baugröße ist im Vergleich mit herkömmlichen Maschinen extrem klein. Die vielen Beispiele zeigen einen möglichen Verwendungszweck. Es genügt jedoch, die "Ringförmige Induktionsmaschine" im Prinzip patentrechtlich zu schützen, nicht die dargestellte Maschinen­ kombination.

Claims (1)

1. Elektrische Maschine, Drehstrommaschine, Einsatz als Generator oder Kompensator überwiegend als Synchronmaschine, als Motor überwiegend als Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet,

   • 1. daß die Maschine eine ausgeprägte Ringform erhält,
   • 2. daß die wirksame Polfläche auf der Innenseite, Außenseite oder der Stirnseite des Ständers sein kann. Dadurch hebt sie sich deutlich von Scheibenläufern ab.
   • 3. Gekennzeichnet durch eine hohe Polzahl, womit man in einen hohen Frequenzbereich kommt oder langsam laufende Maschinen erhält. Das Wesentliche hierbei ist eine deutliche Verringe­ rung der Maschinenmasse bei der Verwendung vieler kleiner Ein­ zelpole.
   • 4. Gekennzeichnet durch die Verwendung eines Kühlmittels, das nur in wenigen Anwendungsbeispielen entfallen kann