BEREICH DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorische
Vorrichtung mit hohem Leistung/Gewicht-Verhältnis, welche
als ein Motor, Alternator oder Generator verwendet werden
kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromotorische Vorrichtungen sind sowohl zum
Transformieren elektrischer Energie in mechanische Leistung als
auch zum Transforrnieren mechanischer Leistung in
elektrische Energie bekannt. In beiden Fällen resultiert das
Energie- oder Leistungserzeugungsvermögen aus der
Relativbewegung zwischen einem Magnetfeld und elektrisch leitenden
Elementen.
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Leichte Motor-, Alternator- und Generator-Vorrichtungen
sind ebenso bekannt, und einige sind zum Betrieb mit hoher
Geschwindigkeit in der Lage. Viele derartige Vorrichtungen
sind jedoch nicht in der Lage, bei hohen Drehzahlen eine
große Kraft zu erzeugen. Beispielsweise sind Vorrichtungen
mit hoher Leistungsdichte mit 985 Watt/kg (0,6 PS pro Pfund
Gewicht) zum intermittierenden Betrieb bekannt, derartige
Vorrichtungen sind jedoch nicht zum kontinuierlichen
Betrieb mit hohen Leistungsdichten über 1644 Watt/kg (1,0 PS
pro Pfund) in der Lage.
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Ältere elektromotorische Vorrichtungen sind weder in der
Lage gewesen, gleichzeitig Betriebe mit hoher Drehzahl und
hohem Drehmoment durchzuführen, noch haben sie einen
effizienten Betrieb vorgesehen.
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Bekannte elektromotorische Vorrichtungen, welche eine
Stator- und Rotoranordnung umfassen, können magnetische
Elemente an dem Rotor (siehe z.B. US-Patent Nr. 3 663 850;
3 858 071 oder 4 451 749) oder an dem Stator (US-Patent Nr.
3 102 964; 3 312 846; 3 602 749; 3 729 642 oder 4 114 057)
umfassen. Ferner können doppelte Sätze von Polstücken
verwendet werden, wie in dem US-Patent Nr. 4 517 484.
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Zusätzlich ist ein Schalenrotor in den US-Patenten Nrn.
295 368; 3 845 338 und 4 398 167 vorgeschlagen worden,
wobei in dem US-Patent 3 134 037 eine
Doppelschalenrotoranordnung vorgeschlagen worden ist.
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Drahtbündel sind anstelle eines einzigen Leiters in den
Ankeranordnungen von Motoren für eine Hochspannungs- und
Starkstromverwendung und/oder zum Verringern von
Stromflußverlusten aufgrund des Skineffekts und des Erhitzens
aufgrund von Wirbelströmen verwendet worden, siehe US-Patente
Nrn. 497 001; 1 227 185; 3 014 149; 3 128 402; 3 538 364
oder 4 321 494 oder britisches Patent Nr. 9557. Die
mehreren Drähte werden bei festen oder laminierten Kernen
verwendet, siehe US-Patent Nr. 3 014 139 oder 3 128 402 oder
britisches Patent 9557.
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Einige bekannte elektromotorische Vorrichtungen, wie z.B.
in dem US-Patent Nr. 3 275 863, weisen ein
Leistung/Gewicht-Verhältnis von bis zu 1644 Watt/kg (1 PS pro Pfund)
auf, und das US-Patent Nr. 4 128 364 lehrt die Verwendung
eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Gemisches
derselben zum Kühlen eines Motors, um dessen
Leistungsbetriebsvermögen zu erhöhen.
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Viele der vorangehenden Schwierigkeiten beim Erreichen
einer elektromotorischen Vorrichtung mit einem hohen
Leistungs/Gewicht-Verhältnis sind durch eine
elektromagnetische Vorrichtung mit verteiltem Leiter gelöst worden,
welche der Gegenstand der EP-0 230 639-A ist und welche
einen Ankerstab mit geraden Seiten aus Hochfrequenzeisen
verwendet, welches es ermöglicht, das Kupfer dem Magnetfeld
vollständig auszusetzen. Sie offenbart Ankerstäbe mit einer
"I"-Geometrie, sie zeigt oder lehrt jedoch keine
Maserungsorientierung. Um den Wirbelstromeffekt zu minimieren,
verwendet sie äußerst feine Drähte. Die Ankerstäbe sind aus
Hochfrequenzeisen hergestellt worden, um ferner die 3-d-
Verteilung sicherzustellen, welche zum
Reduzieren/Minimieren von Wirbelstromverlusten erforderlich ist,
Hochfrequenzeisen weist jedoch nicht das Flußleitungsvermögen von
Silizium-Eisen auf.
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Unglücklicherweise ist dieses Prinzip in Anbetracht des
Leistungseingabe/Leistungsausgabe-Verhältnisses aufgrund
der Widerstandscharakteristik des feinen Drahts
uneffizient. Diese Charakteristik verursacht signifikante
Energieverluste in der Form von Wärme bei höheren
Betriebsniveaus, was sich in verlorene Leistung und Effizienz
überträgt. Zusätzlich sind die geraden Stäbe selbst bei
automatischen Standardherstellungs-Wicklungstechniken nicht
verwendbar, da die Spulen von zwischen den Stäben nach außen
rutschen würden.
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Der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands des feinen
Drahts wird durch Erhöhen der Stärke des
permanentmagnetischen Materials über den Sättigungspegel der Eisenstäbe
hinaus kompensiert. Neben den Kosten des zusätzlichen
Materials
geht der Großteil dieses zusätzlichen Flusses in das
Kupfer in der Form von Wirbelstromverlusten und wird
verteilt, was bezüglich der zusätzlichen Materialkosten zu
einer sehr geringen Leistungszunahme führt. Während die
vorangehenden sowie andere verschiedene Anordnungen
verwendet worden sind, um zu versuchen, eine elektromotorische
Vorrichtung mit einem hohen Leistung/Gewicht-Verhältnis zu
erhalten, sind diese nicht vollständig erfolgreich gewesen.
Insbesondere lehrt der Stand der Technik nicht das
Erfordernis, die Leiter zu verteilen, um einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen. Dies liegt wenigstens
teilweise an einer weitgehend akzeptierten Theorie, daß das
Magnetfeld in den nicht magnetischen Wicklungsleitern
relativ klein ist. Bei gemäß herkömmlichen Lehren aufgebauten
Leitern ist festgestellt worden, daß das Drehmoment bei
konstantem Strom mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Dies
führt im Gegensatz zur herkömmlichen Erwartung dazu, daß
das Drehmoment hoch bleiben wird, wenn die Drehzahl
zunimmt. In der US-A-2 734 140 ist eine Rotor- und Stator-
Kombination vorgesehen, welche eine Mehrzahl von
laminierten Kernen aufweist, wobei die Richtung der höchsten
magnetischen Permeabilität parallel zur Drehachse durch eine
geeignete Maserungsorientierung erhalten wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektromotorische
Vorrichtung vorgesehen, welche umfaßt: Einen Induktor mit
einer Mehrzahl von magnetflußleitenden Stäben und
elektrischen Wicklungen, welche um die Stäbe herum angeordnet sind
zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, wobei die
elektrischen Wicklungen elektrische Leiter umfassen, die
regellos zwischen den flußleitenden Stäben angeordnet sind,
wobei die Stäbe eine Geometrie aufweisen, welche die
Wicklungen von dem Magnetfeld innerhalb der elektromotorischen
Vorrichtung abschirmen, einen Magnetfeldgenerator, welcher
benachbart einer Seite des Induktors positioniert ist,
einen ersten Flußrückführpfad an der Seite des
Magnetfeldgenerators, welche dem Induktor entgegengesetzt ist, und
einen
zweiten Flußrückführpfad an der Seite des Induktors,
welche dem Magnetfeldgenerator entgegengesetzt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die flußleitenden Stäbe mit einer
Materialmaserungsrichtung parallel zum primären Flußpfad durch
die flußleitenden Stäbe hergestellt sind und sich bezüglich
der Drehachse der Vorrichtung radial auswärts erstrecken.
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Die beiliegenden Zeichnungen stellen vollständige
Ausführungsformen der Erfindung gemäß dem besten Modus dar,
sofern dieser zur praktischen Anwendung der Prinzipien dieser
Erfindung entworfen worden ist, in welchen:
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Fig. 1 eine Seitenschnittansicht einer Dreh-Ausführung
der elektromotorischen Vorrichtung dieser
Erfindung ist;
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Fig. 2 eine Schnittansicht entlang Linien 2-2 in Fig. 1
ist;
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Fig. 3 eine isometrische Teilansicht eines Ankers ist,
welche die Anordnung der verteilten Leiter und
der flußführenden Elemente der in den Fig. 1 und
2 gezeigten elektromotorischen Vorrichtung zeigt;
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Fig. 4 ein Diagramm ist, das eine typische Anordnung
einer Zweilagenwicklung darstellt, die durch die
verteilten Leiter gebildet ist, und das die
flußführenden Elemente, welche zwischen den
Krümmungsabschnitten der Wicklungen angeordnet sind,
darstellt;
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Fig. 5 ein einzelnes Laminatpreßstück aus eisenhaltigem
Metall mit kontrollierter Maserung ist, das, wenn
es zusammenlaminiert ist, "I"-Träger-Statorstäbe
bildet;
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Fig. 6 ein einzelnes Laminatpreßstück aus eisenhaltigem
Metall mit kontrollierter Maserung ist, das, wenn
es zusammenlaminiert ist, eine Mehrzahl von
modifizierten "I"-Träger-Statorstäben bildet;
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Fig. 7 eine isometrische Teilansicht eines Ankers ist,
welche die Anordnung der verteilten Leiter und
der flußführenden Elemente der in Fig. 1
gezeigten elektromotorischen Vorrichtung zeigt;
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Fig. 8 eine teilweise weggeschnittene Ansicht ist,
welche der Fig. 2 entspricht, welche jedoch eine
alternative Ausführungsform der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung darstellt;
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Fig. 9 eine teilweise weggeschnittene Ansicht ist,
welche der Fig. 2 entspricht, welche jedoch eine
weitere alternative Ausführungsform der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung
darstellt;
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Fig. 10 eine teilweise weggeschnittene Ansicht ist,
welche der Fig. 2 entspricht, welche jedoch eine
weitere alternative Ausführungsform der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung
darstellt;
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Fig. 11 eine Seitenschnittansicht einer alternativen
Ausführungsform der elektromotorischen Vorrichtung
ist, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, und welche
den an der Welle festgelegten Induktor zeigt, wie
es bei einem Bürstenkommutatorsystem praktisch
sein kann;
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Fig. 12 eine isometrische Explosionsansicht einer
weiteren alternativen Ausführungsform der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung ist, welche
eine flache lineare Ausführungsform derselben
darstellt;
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Fig. 13 ein Graph ist, welcher die Beziehung zwischen dem
Drehmoment und der Drehzahl für eine herkömmliche
elektromotorische Vorrichtung b und für die
elektromotorische Vorrichtung dieser Erfindung a
darstellt;
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Fig. 14 ein Graph ist, welcher getestete Wirbelstrom-,
Hysterese- und Wicklungsverluste bei
verschiedenen Drehzahlen eines Beispiels der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung darstellt.
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Die Erfindung sieht eine elektromotorische Vorrichtung mit
hoher Leistungsdichte (1644 - 8223 Watt/kg; 1 - 5 PS pro
Pfund) vor, welche ein großes Durchmesser/dünner
Querschnitt-Theorieverhältnis (speculation ratio) aufweist.
Dies ist vorteilhaft, da bei einer vorgegebenen Anzahl an
Magneten oder Polen gilt: je größer der Durchmesser, desto
größer (Umfänge) kann jeder sein. Wenn der Durchmesser
abnimmt, dann nimmt die Umfangsgröße jedes Magneten ab, bis
er tatsächlich nicht mehr zu sehen ist oder nicht mehr
wechselwirkt. Im Gegensatz dazu können, bei einer festen
Größe der Magnetpole dann, wenn der Durchmesser zunimmt,
mehr Magnetpole verwendet werden, was dazu führt, daß die
Kupfer-Eisen-Magnete pro Umdrehung öfter aktiv werden (mehr
Leistung erzeugen). Daher führt, innerhalb bestimmter
Grenzen, eine Verringerung des Durchmessers zu einem
Leistungsund Effizienzverlust pro Masseneinheit. Zusätzlich ist das
Drehmoment, aufgrund der grundlegenden Physik, direkt
proportional zum effektiven Radius der wirkenden Kraft (T =
RXF). Tatsächlich werden jedoch, wenn der Radius verdoppelt
wird, der Hebelarm und die Materialmenge, welche ein
Drehmoment erzeugt, verdoppelt, so daß die Leistung und das
Drehmoment mit dem Quadrat des Radius zunehmen.
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Bei dem typischen Elektromotor fällt das Drehmoment mit
zunehmender Drehzahl schnell ab. Dies liegt primär an den
"induzierten Gegenströmen" oder an "Wirbelstromverlusten"
in den Kupferleitern und den Ankerstäben. Die mit den
Wicklungen oder dem Kupfer in Verbindung stehenden Verluste
werden verursacht durch: eine Kreuzleckage zwischen den
Stäben (was durch radial lange Stäbe schlechter wird), ein
direktes Aussetzen des Kupfers dem Magnetfeld und eine
Übersättigung der Ankerstäbe aufgrund einer übermäßigen
Menge des Permanentmagnetmaterials. Diese Verluste werden
durch die Erfindung minimiert.
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Verluste, welche auf die Stab-Stab-Kreuzleckage
zurückzuführen sind, werden durch derartiges Ausgestalten der
elektromotorischen
Vorrichtung dieser Erfindung verringert, daß
sie radial kurze Ankerstäbe enthält.
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Verluste, welche durch das direkt dem Magnetfeld
ausgesetzte Kupfer induziert werden, werden durch die
vorliegende erfindung durch einen "I"-förmigen Ankerstab gelöst,
welcher als eine Abschirmung für das magnetische Feld
dient.
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Schließlich werden die Verluste, welche durch eine
Übersättigung der Ankerstäbe verursacht werden, durch Verringerung
der Menge des Permanentmagnetmaterials gelöst, so daß die
Stäbe sich der Sättigung nur "annähern". Dies wird, wie
später beschrieben wird, empirisch erzielt.
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Diese drei Faktoren ermöglichen die Verwendung schwererer
Drähte, ohne daß Gefahr von Wirbelstromverlusten besteht
(die Querschnittsfläche der Drähte beträgt ungefähr das
Achtfache derjenigen der bekannten Ausgestaltungen). Der
Draht mit größerem Durchmesser sieht zwei signifikante
Funktionen vor: Er verringert die Widerstandserhitzung
aufgrund seiner Querschnittsflächenzunahme signifikant und er
ermöglicht, daß mehr Leiter (Kupfer) pro zur Verfügung
stehendem Raum verwendet wird. Diese beiden Funktionen
ermöglichen eine erhöhte Effizienz bzw. eine erhöhte
Leistungsabgabe. Zusätzlich sind die Ankerstäbe selbst als ein
Laminat mehrerer einzelner dünner Preßstücke ausgebildet,
welche jeweils voneinander isoliert sind. Die Isolation ist
ein Nebeneffekt des Siliziumoxids, welches während des
Ausheilverfahrens erzeugt wird. Da Blechpreßstücke verwendet
werden, kann und wird die Materialmaserungsrichtung
(Körnungsrichtung) in radialer Richtung kontrolliert, wodurch
ein maximales Flußleitungsvermögen sichergestellt ist
(siehe Fig. 6).
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Die steuerbaren Verteilungscharakteristiken, welche durch
eine Steuerung der Dünnlaminatmaserung erreicht wird, sieht
ein besseres Leistungsvermögen vor als die
Hochfrequenzeisen 3-d-Verteilungs-Feststäbe in der vorher erwähnten
parallelen Anmeldung. Die I-förmige Laminatanordnung
(Ankerstab) ist bei herkömmlichen automatischen
Wicklungstechniken verwendbar, wenn eine spezielle Haltefixierung
verwendet wird.
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Die den Wicklungen oder dem Kupfer zuzuordnenden Verluste,
welche durch eine Übersättigung der Induktorstäbe aufgrund
eines überschüssigen Permanentmagnetmaterials verursacht
werden, werden in der vorliegenden Erfindung durch Vorsehen
der geeigneten Permanentmagnetmaterialmenge gelöst, um sich
dem Sättigungsniveau der Ankerstäbe "anzunähern". Dies wird
durch empirische Methoden erreicht, um die Kombination von
Kupfer, Eisen und Permanentmagnetmaterialien zu optimieren,
um eine optimale Leistungsdichte und eine optimale
Effizienz durch "Sättigungsannäherung" zu erzielen. Die
Sättigung oder die Übersättigung ist nicht erforderlich und ist
ein ernsthafter Nachteil für ein gutes Leistungsvermögen.
Bei dem empirischen Verfahren wird ein sehr empfindliches
Dynamometer zum Messen und Auftragen von Verlusten als eine
Funktion des Feldes verwendet. Wenn keine
Kupferwirbelströme vorhanden waren, dann ist der Fluß nicht weiter
reduziert worden. Beruhend auf den entwickelten Daten werden
die flußleitenden Stäbe aus einer Metallegierung
hergestellt, welche einen Eisengehalt aufweist, der ein
Flußleitungsvermögen erzeugt, das ungefähr gleich dem
Flußsättigungspunkt ist, wie er durch die elektrischen
Ausgestaltungseigenschaften bestimmt ist.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwenden
eine Anordnung mit hohlem Querschnitt, so daß mehrere
konzentrische Elemente oder mehrere Motoren innerhalb eines
Motors anwendbar sind. Diese könnten gleichzeitig betrieben
werden, um die Leistungsdichte pro zur Verfügung stehendem
Raum zu maximieren, oder könnten in einer gestaffelten Art
und Weise einzeln betrieben werden (wie beim Gangschalten
in einem Getriebe).
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Die Querschnittsanordnung weist zwei abstrahlende und
Konvektionsoberflächen auf zum Abweisen von Wärme von dem
Anker (herkömmliche Ausgestaltungen haben eine). Somit kann
der Motor bei höheren Leistungsniveaus für längere
Zeitdauer betrieben werden, ohne sich zu überhitzen.
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Die Erfindung kann als bürstenkommutierter Motor oder als
bürstenloser Motor verwendet werden, sowohl in radialer als
auch in linearer Konfiguration. Sie kann als ein
Gleichstromgenerator oder als ein Wechseistromalternator
verwendet werden. Die endgültige Verwendung hängt davon ab, ob
ein elektrisches Signal zu dem Anker übertragen wird, um
eine Kraft zu erzeugen, was eine Bewegung der
magnetflußerzeugenden Struktur bezüglich des Ankers verursacht, oder
ob die magnetflußerzeugende Struktur bezüglich des Ankers
bewegt wird.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der elektromotorischen
Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Diese
Ausführungsform umfaßt ein äußeres zylindrisches Gehäuse 43, welches
durch vordere 45 und hintere Endplatten 46 vervollständigt
ist, die an entgegengesetzten Enden des zylindrischen
Gehäuses festgelegt sind.
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Eine Welle 51 umfaßt einen zentralen Abschnitt 52, welcher
sich durch das zylindrische Gehäuse hindurch erstreckt. Die
Welle ist an den Endplatten 45 bzw. 46 durch Lager 57 und
58 derart angebracht, daß der zentrale Abschnitt der Welle
bezüglich des zylindrischen Gehäuses koaxial positioniert
ist. Der hintere Abschnitt 60 mit verringertem Durchmesser
der Welle ist in dem Lager 58 angebracht, und der vordere
Abschnitt 62 der Welle erstreckt sich durch das vordere
Lager 57 und die Endplatte 45.
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Die Endplatten 45 und/oder 46 können Lufteinlaß- und
Auslaßöffnungen
66 und 67 aufweisen. Diese Öffnungen
ermöglichen, daß Kühlluft durch das Gehäuse strömt. Zusätzlich ist
eine Öffnung 68 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß
Ankerleiterverbindungen durch die Endplatte 46 hindurchlaufen.
In einigen Umgebungen kann die Vorrichtung nicht in einem
Gas-(Luft)-Medium arbeiten, so daß ein flüssiges
Kühlmittel, wie z.B. Öl, verwendet wird. In diesen Fällen ist das
Gehäuse abgedichtet, um die Flüssigkeit darin zu halten.
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Der Rotor 70 weist eine Doppelschalenkonfiguration auf,
welche durch innere und äußere in Abstand zueinander
angeordnete Zylinder 72 und 73 vorgesehen ist, die sich
bezüglich des Ringverbindungsabschnitts 75 normal erstrecken.
Der innere Zylinder 72 ist an dem Wellenmittelabschnitt 62
durch ein Paar von Naben 54 und 55 festgelegt, um die
Doppelschale koaxial innerhalb des zylindrischen Gehäuses 43
zu halten.
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Die Fig. 2 ist ein Abschnitt einer Querschnittsansicht
entlang Linien 2-2 in Fig. 1. Sie stellt deutlicher dar, daß
der innere Zylinder 72 des Rotors 70 einen
Magnetflußrückführpfad in der Form einer Schale 32 aufweist, welche
vorzugsweise ein Laminat von Ringen aus Silizium-Eisen oder
einem anderen magnetisch permeablen Magnetmaterial mit
geringem Hystereseverlust ist, das durch den zylindrischen
Abschnitt 72, welcher sich von den Naben 54 und 55 weg
erstreckt, getragen ist. Die Zylinder 72 und 73 und der
Verbindungsring 75 sind aus irgendeinem geeigneten Material,
umfassend Eisen, hergestellt.
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Der äußere Zylinder 73 umfaßt einen Magnetflußrückführpfad
33, welcher aus festem Eisen oder einem anderen permeablen
Magnetmaterial mit geringem Hystereseverlust bestehen kann,
und eine Mehrzahl von magnetischen Elementen ist an der
Innenoberf läche des Rückführpfads 33 angebracht. In der
beispielhaften Ausführungsform sind die Magnete 30
Permanentmagnete, die vorzugsweise aus Neodymborferrit (NdFeB)
hergestellt sind, sie können jedoch auch aus einer
Bariumferritkeramik (BaFe-Keramik), Samanum-Kobalt (SmCo) oder
dergleichen gebildet sein. In der dargestellten
beispielhaften Ausführungsform werden Permanentmagnete verwendet,
sie könnten jedoch auch durch Elektromagnete ersetzt
werden.
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Wenn man sich wieder der Fig. 1 zuwendet, so ist der
Statorinduktor 82 bezüglich des Gehäuses 43 festgelegt. Er ist
an der hinteren Endplatte 46 derart angebracht, daß sich
der Rotor 70 um die gemeinsame Achse des Stators 82 und des
Gehäuses 43 dreht. Der Stator 82 ist eine stationäre
zylindrische Schale, welche durch die inneren und äußeren
Zylinder 72 und 73 des Rotors umfaßt ist.
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Der Stator 82 umfaßt elektrische Leiter 84, welche regellos
zwischen Statorstäben 86 verteilt sind. Die verteilten
Leiter 84 sind vorzugsweise ein Bündel isolierter Kupferdrähte
mit relativ großem Durchmesser (für eine elektromotorische
Vorrichtung), welche in ein Verbindungsmuster gewickelt
sind, wobei die entgegengesetzten Enden der Drahtbündel mit
den Vrbindern 89 verbunden sind, die sich durch die Öffnung
68 in der Endplatte 46 der Fig. 1 hindurcherstrecken. Die
Verwendung von verteilten Wicklungen mit großem Durchmesser
ermöglicht, daß die sich ergebende elektromotorische
Vorrichtung ein hohes Leistung/Gewicht-Verhältnis erreicht, da
(1) die verteilten Wicklungen Wirbelströme innerhalb der
Spulen minimieren und (2) die Drähte mit großem Durchmesser
die Anzahl der felderzeugenden Elemente bei einem gegebenen
Leistungsfaktor verringern, was ebenso die Wirbelströme
innerhalb der Spulen verringert.
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Die Leiter 84 sind durch den gesamten Anker hindurch als
ein Bündel geformt, wobei zwischen jedem Krümmungsabschnitt
der Drahtwicklungen ein Flußführungselement oder ein
Statorstab 86 angeordnet ist. Eine typische Wicklung ist
schematisch in Fig. 4 dargestellt.
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Die flußführenden Elemente (Statorstäbe 86) sind
vorzugsweise ein Laminat einer Mehrzahl von
Silizium-Eisen-Scheiben. Die Fig. 5 stellt die Konfiguration einer einzigen
Schicht oder Scheibe eines laminierten Statorstabs dar. Die
Verlängerungen 34 an den vier Ecken geben dem Stab eine
"I"-Trägerquerschnittskonfiguration und sehen einen
vergrößerten Oberflächenbereich zum Kühlen ebenso wie zur
Flußabschirmung für die Wicklungen vor. Diese beiden Vorteile
bezüglich dem Stand der Technik sind weitere Merkmale,
welche ermöglichen, daß die sich ergebende
elektromotorische Vorrichtung ein hohes Leistung/Gewicht-
Verhältnis erzielt. Das Abschirmen der elektromotorischen
Wicklungen von den Magnetfeldern innerhalb des Motors
minimiert Wirbelströme innerhalb der Spulen. Dies und die
vergrößerte Kühlungswärmeaustauschoberfläche ermöglicht,
daß ein höherer Strom, welcher die Feldstärke erhöht, ohne
eine Zunahme der Wirbelströme in den Wicklungen fließt.
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Die Verwendung von Preßstücken (Stanzstücken), wie in Fig.
5 dargestellt, ermöglicht, daß die Maserungsrichtung
innerhalb des Metalls, welches den Stab bildet, gesteuert wird.
Somit kann ein Stab mit einer Maserungsrichtung, wie in
Fig. 5 dargestellt, erzeugt werden, worin eine
Maserungsrichtung (Körnungsrichtung) parallel zum primären Flußpfad
durch den Statorstab ist. Dies verringert die
Wärmeerzeugung aufgrund des verringerten Widerstands für den
magnetischen Fluß. Ein regelloses Maserungsmuster sieht einen
maximalen Widerstand vor, was zu einer maximalen
Wärmeerzeugung führt, und ein gleichförmiges Maserungsmuster
verringert den Widerstand und die daraus resultierende Wärme. Ein
Maserungsmuster, welches der Flußrichtung folgt, minimiert
den Widerstand und die Erhitzung. Somit ermöglicht ein
Induktorstabaufbau mit gesteuerter Maserung eine höhere
Flußdichte ohne Zunahme der Erhitzung. Dies erhöht die
Effizienz der Vorrichtung und hilft beim Erreichen der
angegebenen Ziele der Erfindung.
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Die Fig. 6 stellt eine alternative Form für jede Schicht
des laminierten Induktionskerns oder des Statorstabs dar.
In dieser Ausführungsform weisen alle Stäbe einen
gemeinsamen zentralen Abschnitt auf, welcher das Pressen,
Laminieren und Zusammensetzen vereinfacht.
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Bei Verwendung als Motor mit konstantem Strom kann die
Drehmomentausgabe dieser Erfindung nahezu konstant gehalten
werden, selbst wenn die Rotordrehzahl zunimmt, wie in Fig.
13 durch eine Linie a gezeigt. Dies ist ein Unterschied zur
Vorrichtungen des Stands der Technik, in welchem das
Drehmoment mit zunehmender Drehzahl rapide abfällt, wie in Fig.
13 durch die Linie b gezeigt. Die Kombination des hohen
Drehmoments und der hohen Drehzahl machen es möglich, daß
die elektromotorische Vorrichtung dieser Erfindung zu einem
hohen Leistung/Gewicht-Verhältnis führt.
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Der Stator 82 (durch die verteilten Leiter 84 und die
flußführenden Elemente 86 gebildet) weist einen geringen
Abstand bezüglich der Magneten 80 auf, die um die
Innenoberfläche des zylindrischen Flußrückführpfads 33 angeordnet
sind, und weist ferner einen geringen Abstand bezüglich des
laminierten zylindrischen Flußrückführpfads 32 auf, siehe
Fig. 2 und 7. Wie bereits vorher erklärt und dargestellt,
sehen die zylindrischen Abschnitte 72 und 73 einen Halt für
die inneren und äußeren Magnetflußrückführpfade vor.
Typische Flußpfade sind in Fig. 2 dargestellt werden. Wie
gezeigt, sind diese Flußpfade Schleifen, von welchen jede
den Jnduktor oder Stator durchdringt und zweimal durch die
flußführenden Elemente 86 hindurchgeht. Die flußführenden
Elemente sind zum Erzeugen einer dicken Induktion
dimensioniert, um eine hohe Flußdichte aufrechtzuerhalten, die für
ein hohes Drehmoment wichtig ist. Somit ist, wie in Fig. 7
dargestellt, die Abmessung der flußleitenden Stäbe 82
entlang der Achse parallel zum primären Flußpfad durch die
Stäbe hindurch bezüglich der Längsachse der Stäbe relativ
kurz, welche zur Hauptachse der elektrischen Wicklungen 84
parallel ist, die um die Stäbe herum zum Erzeugen eines
elektromagnetischen Felds angeordnet sind.
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Wie in Fig. 8 dargestellt, kann die elektromotorische
Vorrichtung mit Magneten 80 an der Außenoberfläche des inneren
zylindrischen Abschnitts 72 anstelle an der Innenoberfläche
des äußeren zylindrischen Abschnitts 73 ausgebildet sein.
In Fig. 9 ist die elektromotorische Vorrichtung mit den
Magneten 80 sowohl an den inneren als auch den äußeren
Abschnitten 72, 73 ausgebildet.
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In Fig. 10 umfassen zwei zylindrische Statoren 82 beide
Seiten der Magneten 80. Zusätzlich, obwohl dies nicht
speziell gezeigt ist, ist es ferner möglich, daß die
elektromotorische Vorrichtung durch Anordnen zusätzlicher
Schichten von Stator-Rotor-Elementen radial innerhalb und/oder
außerhalb von den in den Figuren gezeigten ausgeführt
werden könnte.
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Die elektromotorische Vorrichtung dieser Erfindung umfaßt
somit eine magnetflußerzeugende Anordnung (mit wenigstens
einem Paar von Polen, welche durch Verwendung von
Permanentmagneten oder Elektromagneten ausgeführt sein können)
und eine Induktoranordnung, welche den durch die
magnetflußerzeugende Anordnung erzeugten Magnetfluß aufnimmt und
eine alternierende Struktur von leitenden Wicklungen und
flußführenden Elementen aufweist. Eine Wicklung kann als
die Hauptkomponente des Induktors verwendet werden, wobei
die Wicklung aus einem Bündel von separaten verteilten
Leitern besteht. Die Verwendung von verteilten Leitern aus
Draht mit großem Durchmesser ermöglicht eine
Hochgeschwindigkeitsdrehung des Rotors, wenn dieser in Verbindung mit
wicklungsflußabschirmenden, flußführenden Elementen
verwendet wird.
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In dem Falle von Leitern mit großem Querschnitt oder
leitfähigen Flußführungselementen mit großem Querschnitt, wie
sie wenigstens in einigen bekannten Vorrichtungen verwendet
werden, nimmt, wenn die Frequenz der Magnetfeldumkehrung
zunimmt, die Größe der induzierten Ströme in den Stäben zu
und die induzierten Ströme reagieren mit dem Magnetfeld, um
ein Widerstandsmoment zu erzeugen, welches der Zunahme der
Drehzahl entgegenwirkt. Somit sind bekannte
Schalentypvorrichtungen inhärent durch das Reaktionsdrehmoment auf
niedere Drehzahlen beschränkt und können nicht mit hoher
Drehzahl gedreht werden und sind daher beispielsweise nicht für
die Verwendung als Zugmotoren in den meisten praktischen
Anwendungen verwendbar. Jedoch durch Abschirmen der
Wicklungen von dem erzeugten Magnetfluß und Isolieren des
innerhalb der Wicklungen erzeugten Flusses werden induzierte
Ströme begrenzt und die vorangehenden Beschränkungen
bezüglich des Hochdrehzahl/Hochdrehmoment-Betriebs sind
beseitigt.
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Bei Verwendung als Motor muß ein Mittel zum Verschieben
(d.h. Rotieren) des Magnetfelds bezüglich des Ankers mit
hoher Drehzahl vorgesehen sein, so daß die elektrische
Energie in mechanische Energie in einer Art und Weise
umgewandelt werden kann, die derjenigen gleichkommt, die durch
bekannte Motoren verwendet wird. Dies kann durch Verbinden
der Verbinder 89 des Ankers 82 in Fig. 1 mit einer
Stromquelle erreicht werden.
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Bei Verwendung als Alternator oder Generator dreht ein
Betätigungselement die Welle 51, welche den Rotor 70 dreht,
um eine Spannung an den Leitern 84 zu induzieren und
dadurch einen elektrischen Stromfluß von den Leitern 84 zu
einer Last über den Verbinder 89 zu erzeugen.
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Obwohl nicht speziell dargestellt, ist es
selbstverständlich, daß der Induktor erforderliche elektrische
Kommutiervorrichtungen umfaßt, umfassend diejenigen Vorrichtungen,
in welchen die Kommutierung elektronisch durchgeführt wird
(beispielsweise in einem bürstenlosen Gleichstrommotor),
ebenso wie diejenigen Vorrichtungen, welche Gleichrichter
anstelle der Kommutierung verwenden (wie es oftmals in
Energieerzeugungsvorrichtungen verwendet wird). Eine Hall-
Vorrichtung, 21 in Fig. 7, kann in Verbindung mit einem
magnetischen Ring 22 verwendet werden, um den Induktorstab
oder das Polstück, welches sich vorbeibewegt, zu erfassen,
um die erforderlichen Timing-Daten zu erzeugen.
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Die Fig. 11 stellt eine weitere Ausführungsform der
elektromotorischen Vorrichtung dieser Erfindung dar, in welcher
der Induktor 82 ein Anker wird. Er ist mit der Welle 52
durch eine Anbringungsscheibe 101 verbunden, und innere und
äußere Zylinder 72 und 73 sind an dem Gehäuse 43
festgelegt. In dieser Ausführungsform wird der Induktor zum
Rotor, wobei elektrische Energie durch Bürsten oder
Gleitringe 102 zu diesem geleitet wird (wobei Bürsten in dem
Falle einer Gleichstrommaschine verwendet werden und
Gleitringe im Falle einer Wechselstrommaschine verwendet
werden). Die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform wird für
einige Anwendungen, insbesondere im Falle einer
gleichstromkommutierten Vorrichtung, bevorzugt.
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Diese Erfindung weist einen signifikanten Vorteil bezüglich
eines herkömmlichen Motors auf durch Verwendung einer
minimalen Eisenmenge, welche einer Flußumkehr unterliegt. D.h.,
nur das Eisen in den flußführenden Elementen in dem Anker
unterliegt einer Flußumkehr, wenn die Pole vorbeibewegt
werden, und somit werden geringe Hystereseverluste erzeugt.
Zusätzlich werden die Effekte der Flußleckage reduziert, so
daß alle Ankerwicklungen die gesamte Flußänderung erfahren
und somit in gleicher Weise zum Erzeugen des Drehmoments
beitragen.
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Diese Erfindung weist durch die Verwendung der
"I"-trägerförmigen Statorstäbe, siehe Fig. 5, einen signifikanten
Wärmeübertragungsvorteil auf. Sie machen es möglich, eine
Kühlung sowohl der inneren als auch der äußeren Oberfläche
des Induktors vorzusehen. Aus diesem Grund wird das
hervorragende hohe Leistung/Gewicht-Verhältnis weiter erhöht.
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Durch die Prinzipien der Wärmeübertragung hängt die
Wärmeentwicklung in einem Induktor, bei konstanten
Oberflächentemperaturen und gleichförmiger interner Erhitzung pro
Volumeneinheit, von dem Quadrat seiner Dicke ab. Man
vergleiche beispielsweise einen "I"-Trägeranker mit 0,635 cm
(0,25 Zoll) Dicke (wie es bei dieser Erfindung möglich ist)
mit einem festen Rotor mit einem Durchmesser von 12,7 cm (5
Zoll) (wie bei bekannten Vorrichtungen). Die
Wärmeentwicklung in derartigen bekannten Vorrichtungen ist 400mal so
groß wie es bei dieser Erfindung der Fall ist.
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Die elektromotorische Vorrichtung dieser Erfindung kann in
mehreren topologischen Variationen der Grundform
hergestellt werden. Zusätzlich zum Drehen der zylindrischen
Schalenkonfiguration kann durch Ändern der Orientierung der
Magneten und der Wicklungen der Motor zum Erzeugen einer
Linearbewegung hergestellt werden. Andere Variationen
(nicht gezeigt) umfassen Flachspulen oder konische
Konfigurationen.
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Die Fig. 12 stellt eine Linear-Hin- und
Herbewegungsausführungsform der elektromotorischen Vorrichtung dieser
Erfindung dar, in welcher die Struktur flach ist. Wie gezeigt,
sind die Magneten 113 an der flachen unteren Rückführplatte
114 angebracht. Ein Induktor 115 ist mit verteilten Leitern
116 und flußführenden Elementen 117, in der gleichen Art
und Weise wie vorangehend mit Bezug auf die anderen
Ausführungsformen beschrieben, versehen, mit der Ausnahme,
daß der Induktor im wesentlichen flach und nicht
zylindrisch ist. Eine obere Rückführplatte 118 ist ebenso
vorgesehen, und der Induktor 115 ist bezüglich und zwischen
der oberen und der unteren Platte 114 und 115 durch Rollen
120 linear bewegbar, welche an den Rändern der oberen
Platte 118 angebracht sind, und durch Rollen 121, welche in
Rollenmontagebehältern 111 (durch die untere Platte 114
getragen) angebracht sind.