EP2429062A2 - Elektrischer Generator - Google Patents

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EP2429062A2
EP2429062A2 EP20110007133 EP11007133A EP2429062A2 EP 2429062 A2 EP2429062 A2 EP 2429062A2 EP 20110007133 EP20110007133 EP 20110007133 EP 11007133 A EP11007133 A EP 11007133A EP 2429062 A2 EP2429062 A2 EP 2429062A2
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EP
European Patent Office
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magnetic
magnetic core
electric generator
wound
coil
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IMRIS, PAVEL
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/342—Oxides
    • H01F1/344—Ferrites, e.g. having a cubic spinel structure (X2+O)(Y23+O3), e.g. magnetite Fe3O4

Definitions

  • the invention relates to an electric generator which is operated with variable magnetic saturation and consists of two magnetic cores.
  • two coils of capacitive windings are arranged so that at each half period of the pulsating current, the magnetic poles act against each other with the same polarity.
  • At the first magnetic core at least a second magnetic core is vertically fixed by an air gap on which an induction coil and an exciting coil are wound.
  • the excitation coil is energized with magnetizing current and thus a magnetic circuit in the magnetic core is closed. In the induction coil voltage is induced. This happens when the exciter field varies in time with saturation. Fluctuations in the flux density in the first magnetic core are proportional to the frequency of the current in the capacitive winding.
  • the invention has for its object to provide a high-power electrical generator, which is operated without an air gap in the magnetic circuit and with an enormously high efficiency at high frequency.
  • an electrical generator in which electrical current is induced at least in a closed magnetic circuit by variable magnetic saturation and in an induction coil according to the law of induction.
  • the most important unit is the capacitive winding wound on the first magnetic core.
  • the said capacitive winding is in the DE-OS 10 2008 032 666 A1 as well as in the WO 2010/003394 A2 described in detail.
  • At least two coils of this capacitive winding are connected in the electrical circuit so that in each half period of the oscillating current whose magnetic field is oriented with similar poles against each other.
  • This circuit is the most important novelty of the present invention.
  • I U 2 ⁇ ⁇ ⁇ f ⁇ c
  • Fig. 1 shows two magnetic cores of soft magnetic material, which are shown as toroidal cores.
  • two capacitive windings 2, 3 are wound and their capacitors 4, 5 and 6.7 are according to WO 2010/003394 A2 connected to a double conductor.
  • Capacitive winding 2 is connected through terminals 8 and 9 to main line 10, 11. From AC generator 12, the capacitive winding 2 is energized.
  • Capacitive winding 3 is connected by connections 13, 14 to main line 10, 11.
  • the capacitive winding 2 is connected in parallel or in series with the capacitive winding 3 so that their resulting magnetic fields always act with the same magnetic polarity against each other.
  • a second magnetic core 15 is illustrated, on which an excitation coil 16 and an induction coil 17 are wound.
  • the excitation coil 16 is energized by DC power source 18, whereby in the magnetic core 15, an exciter field is generated.
  • an air gap 19 is worked out by which the two magnetic cores 1 and 15 are mechanically connected together.
  • Fig. 1 shows a two-dimensional picture.
  • the two magnetic cores 1 and 15 are in reality three-dimensionally constructed and therefore the magnetic core 15 is rotated 90 ° forward and pushed through the air gap 19 onto the magnetic core.
  • the graph 20 shows the horizontal position of the magnetic core 15.
  • Fig. 2 3 illustrates in three dimensions that the two magnetic cores 1, 15 are vertically connected to each other through the air gap.
  • the bands 21 are arranged in the magnetic core 1 and in the magnetic core 15 plane-parallel, which in Fig. 2 is illustrated.
  • the electric generator according to the invention is operated by means of variable magnetic saturation in the magnetic core 1.
  • Fig. 2 shows that in area 22, where the magnetic cores 1 and 15 intersect, the largest magnetic saturation takes place.
  • the permeability number of the ferromagnetic core 1 has no constant value, but the permeability number is a function of the magnetic field strength. If the field strength H and the magnetic induction B are combined, a magnetization curve characteristic of each magnetic substance is obtained. For this reason, the magnetic substance for the magnetic core 1 and 15 is selected so that the fluctuation of the permeability in the region 22 has the largest amplitude.
  • the magnetic flux density also changes, causing induction coil 17 in Fig. 1 electrical voltage is induced.
  • the flux density curve in the area 22, Fig. 2 the current frequency in windings 2 and 3 is directly proportional.
  • the maximum voltage at the induction coil 17 is proportional to the exciting field of coil 16.
  • the excitation coil 16 is energized with direct current from source 18.
  • Fig.1 the electric generator with a magnetic core 15 is shown.
  • the electric generator according to the invention is operated with a plurality of similar magnetic cores, all of which are fixed to the magnetic core 1 in a similar manner. Thereby, the power capacity of the electric generator is multiplied.
  • the second construction of the electric generator according to the invention is in Fig. 3 illustrated.
  • the second design consists only of a magnetic core 23 and two capacitive windings 24, 25 and an excitation coil 26 and a Induction coil 27.
  • the electrical circuit for the capacitive windings 24, 25 in Fig. 3 is the same as the electrical circuit in Fig. 1 and therefore the symbols are the same as in Fig. 1 , Fig. 3 illustrates that the excitation coil 26 is disposed on the same magnetic core 23 as the capacitive windings 24, 25 and the induction coil 27th
  • the electric generator according to the second embodiment is operated with so-called linear magnetic saturation in the magnetic core 23.
  • the magnetic flux of exciting coil 26 is closed in the magnetic core 23 in parallel with the magnetic flux of the capacitive winding 24, 25.
  • the magnetic flux of the capacitive winding 24, 25 oscillates and thus the permeability number in the magnetic core 23 oscillates. With this oscillation, the course of the flux density oscillates at the same frequency.
  • the high frequency electrical generator consists of e.g. only from an open magnetic core on which all the above-mentioned windings are arranged.
  • the permeability of soft magnetic materials is dependent on the magnetic flux density. This dependence results from the crystal structure of those substances.
  • the electric generator described here has enormous economic value with global significance. It can be used anywhere where electrical energy is required.
  • a huge advantage of the electric generator according to The invention is that the generated electrical voltage in the required height and in the required frequency directly at the workplace is easy to use.
  • a major advantage of the electric generator is the short circuit safety.
  • the electric generator according to the invention is technically easy to manufacture in any size from a few watts to megawatt powers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, der mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird und besteht aus einem weichmagnetischen Kern (1), an dem zwei Spulen als zwei kapazitive Wicklungen (2, 3) so gewickelt sind, daß in jeder halben Periode des durchfließenden Wechselstromes deren magnetisches Feld mit der gleichen magnetischen Polarität gegeneinander wirkt. An dem ersten magnetischen Kern (1) ist mindestens ein zweiter magnetischer Kern (15) befestigt, an dem eine Induktionsspule (17) und eine Erregerspule (16) gewickelt ist. Durch ein oszillierendes Magnetfeld im ersten magnetischen Kern (1) variiert die Flußdichte an der Stelle, wo sich beide magnetischen Kerne kreuzen (22). Mit der gleichen Frequenz oszilliert auch die magnetische Flußdichte im zweiten magnetischen Kern (15) und damit werden gemäß dem Induktionsgesetz in der Induktionsspule (17) elektrische Spannung und Strom induziert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator, der mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird und besteht aus zwei magnetischen Kernen. An dem ersten magnetischen Kern sind zwei Spulen aus kapazitiven Wicklungen so angeordnet, daß bei jeder halben Periode des pulsierenden Stromes die magnetischen Pole gegeneinander mit der gleichen Polarität wirken. Am ersten magnetischen Kern ist mindestens ein zweiter magnetischer Kern durch einen Luftspalt senkrecht befestigt, an dem eine Induktionsspule und eine Erregerspule gewickelt sind. Die Erregerspule wird mit Magnetisierungsstrom bestromt und somit ist ein magnetischer Kreis in dem magnetischen Kern geschlossen. In der Induktionsspule wird Spannung induziert. Das geschieht, wenn das Erregerfeld zeitlich mit der Sättigung variiert. Schwankungen der Flußdichte in dem ersten magnetischen Kern sind der Frequenz des Stromes in der kapazitiven Wicklung proportional.
  • Im Stand der Technik ist nicht bekannt, daß ein elektrischer Generator mit variabler magnetischer Sättigung betrieben wird. In einem weit entfernten Fachgebiet ist bekannt, daß die magnetische Sättigung in einer Steuerdrossel, oder auch Sättigungsdrossel genannt, angewendet wird. In diesem Anwendungsbereich hat die Steuerdrossel keine Merkmale, die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen vergleichbar sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Hochleistungsgenerator zu schaffen, der ohne Luftspalt im magnetischen Kreis und mit einem enorm großen Wirkungsgrad bei hoher Frequenz betrieben wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch kennzeichnende Merkmale des ersten Anspruchs. Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Generator geschaffen, bei dem mindestens in einem geschlossenen magnetischen Kreis durch variable magnetische Sättigung und in einer Induktionsspule gemäß dem Induktionsgesetz elektrischer Strom induziert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die wichtigste Einheit die kapazitive Wicklung, die an dem ersten Magnetkern gewickelt ist. Die genannte kapazitive Wicklung ist in der DE-OS 10 2008 032 666 A1 sowie in der WO 2010/003394 A2 ausführlich beschrieben.
  • Mindestens zwei Spulen von dieser kapazitiven Wicklung sind im elektrischen Kreis so angeschlossen, daß in jeder halben Periode des oszillierenden Stromes deren magnetisches Feld mit gleichartigen Polen gegeneinander orientiert ist. Gerade dieser Schaltkreis ist die wichtigste Neuheit der vorliegenden Erfindung. Bei einem solchen Schaltkreis fließt durch die kapazitive Wicklung nur Blindstrom, dessen höchster Wert mit Gleichung [1] definiert ist I = U 2 ⁢ Π ⋅ f ⋅ c
    Figure imgb0001
    wo
    U = Spannung an den Kondensatoren 4, 5, 6, 7
    Π = Ludolfsche Zahl
    f = Frequenz der Spannung
    c = Gesamtkapazität von Kondensator 4,5 oder 6, 7
  • Trotz eines solchen Schaltkreises und Orientierung des magnetischen Flusses findet kein Kurzschlußstrom in beiden kapazitiven Wicklungen statt. Mittels der kapazitiven Wicklung und der Kapazität der Kondensatoren erreicht man beliebig hohen elektrischen Strom, mit dem die magnetische Sättigung bestimmt wird. Die mit der kapazitiven Wicklung gefertigten Spulen können mit hoher Windungszahl gewickelt werden und trotzdem ist deren Selbstinduktion fast Null.
  • In der kapazitiven Wicklung wird keine Wärme erzeugt.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Ringbandkern mit kapazitiver Wicklung, die an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossen ist und am zweiten Ringbandkern eine Erregerspule und eine Induktionsspule.
    Fig. 2
    eine dreidimensionale Struktur im Teil von zwei zueinander senkrecht befestigten magnetischen Kernen.
    Fig. 3
    einen Ringbandkern mit zwei kapazitiven Wicklungen, die an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossen sind und eine Erregerspule, die an einer Gleichstromquelle angeschlossen ist und eine Induktionsspule.
  • Gemäß der Erfindung sind mehrere Bauarten des elektrischen Generators technisch machbar und alle haben wirtschaftliche Bedeutung.
  • Der neuartige elektrische Generator ist in der ersten Bauform in Fig. 1 veranschaulicht. Fig. 1 zeigt zwei magnetische Kerne aus weichem magnetischen Material, die als Ringbandkerne dargestellt sind. An dem ersten magnetischen Kern 1 sind zwei kapazitive Wicklungen 2, 3 gewickelt und deren Kondensatoren 4, 5 und 6,7 sind gemäß WO 2010/003394 A2 mit einem Doppelleiter verbunden. Kapazitive Wicklung 2 ist durch Anschlüsse 8 und 9 an Hauptleitung 10, 11 angeschlossen. Von Wechselstromgenerator 12 wird die kapazitive Wicklung 2 bestromt. Kapazitive Wicklung 3 ist durch Anschlüsse 13, 14 an Hauptleitung 10, 11 angeschlossen. Die kapazitive Wicklung 2 ist parallel oder in Serie mit der kapazitiven Wicklung 3 so verbunden, daß deren resultierenden magnetischen Felder immer mit der gleichen magnetischen Polarität gegeneinander wirken. Ferner ist in Fig. 1 ein zweiter Magnetkern 15 veranschaulicht, an dem eine Erregerspule 16 und eine Induktionsspule 17 gewickelt sind. Die Erregerspule 16 wird von Gleichstromquelle 18 bestromt, wodurch im Magnetkern 15 ein Erregerfeld erzeugt wird.
  • Im magnetischen Kern 15 ist ein Luftspalt 19 ausgearbeitet, durch den die zwei magnetischen Kerne 1 und 15 mechanisch zusammen verbunden sind.
  • Fig. 1 zeigt ein zweidimensionales Bild. Die zwei magnetischen Kerne 1 und 15 sind in Realität dreidimensional konstruiert und deshalb ist der magnetische Kern 15 um 90° nach vorne gedreht und durch den Luftspalt 19 auf den magnetischen Kern geschoben. Die graphische Darstellung 20 zeigt die waagerechte Position des magnetischen Kerns 15.
  • Fig. 2 veranschaulicht dreidimensional, daß die zwei magnetischen Kerne 1, 15 durch den Luftspalt miteinander senkrecht verbunden sind. Um jegliche Wirbelströme zu verhindern, sind die Bänder 21 im magnetischen Kern 1 und im magnetischen Kern 15 planparallel angeordnet, was in Fig. 2 veranschaulicht ist.
  • Der elektrische Generator gemäß der Erfindung wird mittels variabler magnetischer Sättigung im magnetischen Kern 1 betrieben. Fig. 2 zeigt, daß im Bereich 22, wo sich die magnetischen Kerne 1 und 15 kreuzen, die größte magnetische Sättigung stattfindet. Im Bereich 22 hat die Permeabilitätszahl des ferromagnetischen Kerns 1 keinen konstanten Wert, sondern die Permeabilitätszahl ist eine Funktion der magnetischen Feldstärke.
    Stellt man die Feldstärke H und die magnetische Induktion B zusammen, dann erhält man eine für jeden magnetischen Stoff charakteristische Magnetisierungskurve. Aus diesem Grunde wird der magnetische Stoff für den magnetischen Kern 1 und 15 so gewählt, daß die Fluktuation der Permeabilität im Bereich 22 die größte Amplitude aufweist. Während jeder Änderung der Permeabilität im Bereich 22 ändert sich auch die magnetische Flußdichte, was verursacht, daß in Induktionsspule 17 in Fig. 1 elektrische Spannung induziert wird. Der Flußdichteverlauf im Bereich 22, Fig. 2, ist der Stromfrequenz in Wicklungen 2 und 3 direkt proportional. Die maximale Spannung an der Induktionsspule 17 ist dem Erregerfeld von Spule 16 proportional. Die Erregerspule 16 wird mit Gleichstrom von Quelle 18 bestromt.
  • Man kann die Erregerspule 16 am magnetischen Kern 15 mit einem Permanentmagnet ersetzen, wodurch der Wirkungsgrad des elektrischen Generator noch erhöht wird.
  • In Fig.1 ist der elektrische Generator mit einem magnetischen Kern 15 dargestellt. Der elektrische Generator gemäß der Erfindung wird mit einer Mehrzahl von ähnlichen magnetischen Kernen betrieben, wobei alle am magnetischen Kern 1 in ähnlicher Weise befestigt sind.Dadurch wird die Leistungskapazität des elektrischen Generators vervielfacht.
  • Die zweite Bauform des elektrischen Generators gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die zweite Bauform besteht nur aus einem magnetischen Kern 23 und zwei kapazitiven Wicklungen 24, 25 sowie einer Erregerspule 26 und einer Induktionsspule 27. Der elektrische Schaltkreis für die kapazitiven Wicklungen 24, 25 in Fig. 3 ist derselbe wie der elektrische Schaltkreis in Fig. 1 und deshalb sind die Symbole die gleichen wie in Fig. 1. Fig. 3 veranschaulicht, daß die Erregerspule 26 an demselben magnetischen Kern 23 angeordnet ist wie die kapazitiven Wicklungen 24, 25 und die Induktionsspule 27.
  • Der elektrische Generator gemäß der zweiten Bauform wird mit sogenannten linearer magnetischer Sättigung im magnetischen Kern 23 betrieben. Der magnetische Fluß von Erregerspule 26 ist im magnetischen Kern 23 parallel mit dem magnetischen Fluß der kapazitiven Wicklung 24, 25 geschlossen. Der magnetische Fluß der kapazitiven Wicklung 24, 25 oszilliert und damit oszilliert auch die Permeabilitätszahl im magnetischen Kern 23. Mit dieser Oszillation schwingt der Verlauf der Flußdichte mit gleicher Frequenz.
  • Es gibt mehrere weitere Bauformen des elektrischen Generators gemäß der Erfindung. Entsprechend der technischen und wirtschaftlichen Nutzung bestimmt man, welche Bauform die günstigste ist. Der elektrische Generator für hohe Frequenzen besteht z.B. nur aus einem offenen magnetischen Kern, an dem alle oben genannten Wicklungen angeordnet sind.
  • Die Permeabilitätszahl von weichen magnetischen Materialien ist von der magnetischen Flußdichte abhängig. Diese Abhängigkeit resultiert von der Kristallstruktur jener Stoffe. Kommerziell gibt es ein großes Angebot von verschiedenen Stoffen, die für die wirtschaftliche Nutzung des elektrischen Generators einsetzbar sind. Der hier beschriebene elektrische Generator hat enormen wirtschaftlichen Wert mit globaler Bedeutung.
    Er ist überall einsetzbar, wo elektrische Energie verlangt wird. Ein enormer Vorteil des elektrischen Generators gemäß der Erfindung ist, daß die erzeugte elektrische Spannung in verlangter Höhe und in verlangter Frequenz direkt an der Arbeitsstelle leicht einsetzbar ist. Ferner ist ein großer Vorteil des elektrischen Generators die Kurzschlußsicherheit. Der elektrische Generator gemäß der Erfindung ist technisch leicht herstellbar in jeder Größe von wenigen Watt bis Megawatt-Leistungen.

Claims (6)

  1. Elektrischer Generator, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kapazitive Wicklungen (2, 3, 24, 25), die am magnetischen Kern (1, 23) gewickelt sind und deren magnetisches Feld in jeder halben Periode des oszillierenden Stromes mit der gleichen magnetischen Polarität (N, N) und
    (S, S) gegeneinander orientiert ist und daß die magnetische Sättigung in dem magnetischen Kern (1, 23) mit der Stromfrequenz simultan oszilliert und daß der magnetische Fluß von Erregerspule (16, 26) in einem variablen Flußdichteverlauf durch die am magnetischen Kern (15, 23) gewickelte Induktionsspule (17, 27) fließt und in der Induktionsspule elektrischer Strom induziert wird.
  2. Elektrischer Generator nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens zwei magnetische Kerne (1, 15) zueinander senkrecht verbunden sind und an dem ersten magnetischen Kern (1) mindestens zwei kapazitive Wicklungen (2, 3) gewickelt sind und an dem zweiten magnetischen Kern (15) mindestens eine Erregerspule (16) und mindestens eine Induktionsspule (17) gewickelt ist.
  3. Elektrischer Generator nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an einem magnetischen Kern (23) mindestens zwei kapazitive Wicklungen (24, 25) und mindestens eine Erregerspule (26) und eine Induktionsspule (27) gewickelt sind.
  4. Elektrischer Generator nach Anspruch 1, 2 und 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am magnetischen Kern (15, 23) anstatt von Erregerspule (16, 26) mindestens ein Segment eines Permanentmagneten eingesetzt ist.
  5. Elektrischer Generator nach Anspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der magnetische Kern (1, 15, 23) für die hohe Arbeitsfrequenz sowie für die hohe magnetische Sättigungsflußdichte und für die hohen Aussteuerungen aus entsprechend der Kristallstruktur ausgewählten Weichferriten besteht.
  6. Elektrischer Generator nach Anspruch 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wellenform der induzierten Spannung durch die Kristallstruktur weicher magnetischer Stoffe bestimmt wird.
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