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Hocheffiziente Elektrische Maschinen
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Zum Thema: Höchsteffiziente elektrische Maschinen nach dem Luftspulenprinzip
für den mittleren und hohen Leistungsbereich |
hiermit möchte ich Ihnen mein neues Maschinenkonzept, das "Luftspulenprinzip"
für hocheffiziente elektrische Motoren und Generatoren vorstellen und
die darin enthaltenen Neuentwicklungen zur Lizenznahme anbieten.
Die Motoren und Generatoren des Luftspulenprinzips verfügen über bisher
unerreicht hohe Wirkungsgrade in der jeweiligen Leistungsklasse und über
andere hervorragende Maschineneigenschaften, so dass zu erwarten ist,
dass diese Maschinen die Motoren und Generatoren der Zukunft sind.
Nach dem Luftspulenprinzip sind alle gängigen Maschinentypen, wie AC-,
DC-, EC-Motoren, Drehfeldmaschinen,
wie Asynchronmotoren, Synchronmaschinen, Drehstrommaschinen und Wechselstrommaschinen
mit wesentlich verbesserten Maschineneigenschaften zu realisieren.
Zum Beispiel: Im Elektroauto der Zukunft mit der Brennstoffzellentechnik,
welches ich durch meine Neuentwicklungen fördern möchte, kann der Antriebsmotor,
aber auch die vielen Kleinmotoren hocheffizient durch die neuen Motoren
ausgestattet werden.
Dieses Angebot 3 umfasst die Umsetzung des neuen Maschinenkonzeptes z.B.
als ein Antriebsmotor für Elektrofahrzeuge am Beispiel eines permanenterregten
Synchron-Drehfeldmotor. Weitere hocheffiziente Maschinenvarianten als
Antriebsmotor werden in Angebot 1 kurz vorgestellt.
Da ich die Angebote möglichst knapp und übersichtlich halten möchte, mittlerweile
aber viel Informationsmaterial aus Forschung und Weiterentwicklung entstanden
ist, habe ich diese Internetseite mit den Forschungsergebnissen, Konstruktionsbeispielen,
Gewinnbeispielen, Beispielangeboten und den Patentanmeldungen eingerichtet,
die von Zeit zu Zeit durch die neuesten Forschungsergebnisse und Weiterentwicklungen
aktualisiert wird. Auf diese Informationen verweise ich teilweise in diesem
Angebot, erkennbar durch die Verwendung von [einem Link in eckigen Klammern].
Die Seitenangaben bei meinen Fachaufsätzen beziehen sich auf das auf der
Internetseite angebotene PDF- Format, welches auch für Ausdrucke, aufgrund
der besseren Qualität generell zu bevorzugen ist.
Wenn eine eisengefüllte Spule ein starkes Magnetfeld hervorbringt,
liegt das daran, dass der Energiequelle der Verlust an Energie beim Verlauf
der Feldlinien durch den Spuleninnenbereich (Luftbereich) weitgehend erspart
bleibt, weil sie statt dessen durch den Eisenkern verlaufen. Aus diesem
Grund bringt die Magnetfeldquelle nun mehr Energie nach außen, die
dann als verstärktes Feld erscheint.
Hierin besteht das eigentliche Missverständnis von heutiger Wissenschaft
und Technik bezüglich der Rolle des Eisens als Kernmaterial in elektrischen
Spulen. So hat man den Eindruck gewonnen, das Eisen das Magnetfeld der
Spule um ca. das 1000fache verstärkt. Die mathematischen Formeln
des Induktionsgesetzes hat man dementsprechend umgeformt (abgeleitet)
bis sie diesen Eindruck wiedergaben.
Bei der Annahme, dass eine relative Permeabilität µr = 1000 das Magnetfeld um diesen Faktor verstärkt, wäre es natürlich
absurd auf Eisen in der Spule zu verzichten. Paradox scheint allerdings
dabei, das Luftspulenmaschinen nicht das vielfache Volumen oder den vielfachen
Durchmesser einer Eisenmaschine gleicher Leistung besitzt.
Das Gegenteil ist sogar der Fall, denn bei optimaler technischen Umsetzung
der Essenz der Energieumwandlung [Gewinnbeispiel
4 und 6] sind Luftspulenmaschinen kleiner als Eisenmaschinen. Der
Grund dafür ist, dass Luftspulenmaschinen eine höhere Effizienz
haben, die z. B. in einer kleinen Bauform und in einem hohen Wirkungsgrad
sichtbar wird.
Diese bestehen in:
- einem
- geringsten Eisenverlusten (auch im hohen Drehzahlbereich)
- neuen, vielseitigen und variable anpassungsfähigen Bauformen
- den fehlenden Reluktanzmomenten, die durch Nutung entstehen
- fehlenden Leerlaufverlusten, da das Magnetfeld sich
nicht gegenüber Eisen bewegt
Die Verlustvermeidung, die Effizienzsteigerung und der hohe Gewinn durch
die Anwendung des Luftspulenprinzips steht, im Bezug auf herkömmliche
Eisenmaschinen (mit Wicklungen mit Eisenkern), dem erhöhten Magnetisierungsbedarf
für den vergrößerten Luftspalt gegenüber.
Es ist zu vermuten, dass bei niedrigen Polzahlen ca. 2-8 und gleicher
Maschinengröße der Magnetisierungsbedarf der Maschine des Luftspulenprinzips
nicht höher ist als bei einer leistungsgleichen Eisenmaschine.
Sollte eine Erhöhung des Magnetvolumens für einige Konstruktionsformen
notwendig sein, würden zwar die Herstellungskosten dieser Maschine gegenüber
einer Eisenmaschine gleicher Leistung steigen, was aber durch die verbesserten
Maschineneigenschaften und nicht zuletzt durch die erheblichen Energieeinsparungen
während des Betriebes durch den hohen Wirkungsgrad in Kauf genommen werden
können.
Denn der Wirkungsgrad hat in Zukunft eine sehr große Bedeutung für elektrische
Maschinen, da man festgestellt hat, dass mit Energiesparmaschinen, die
einen hohen Wirkungsgrad haben, erhebliche Betriebskosten eingespart werden
kann und die Bedeutung der einmaligen Anschaffungskosten der Maschinen
dabei in den Hintergrund rückt (1).
Dieser gerade stattfindenden Bewusstseinswandel bezüglich der Bedeutung
des Wirkungsgrades und der damit verbundenen Einsparungen hat auch eine
grundlegende Veränderung in der Entwicklung von Maschinen zur Folge. So
spielen Herstellungskosten in Zukunft eine sehr untergeordnete Rolle.
Diese Sichtweise bewirkt auch eine Umstellung in der Forschung, Entwicklung
und Fertigung, bei der das erreichen eines hohen Wirkungsgrades der Maschinen
eine sehr hohe Priorität einnehmen wird. Die Weichen sind in Richtung
Energiesparmaschinen neu gestellt, und in Anbetracht der drohenden Energieknappheit,
der Umweltprobleme und nicht zuletzt, um Kosten zu sparen, wird sich dieses
neue Bewusstsein auch sehr schnell durchsetzen.
Hauptsächlich dieser Grund ist es, weshalb auch hochpolige Synchronmaschinen
für einige Anwendungen neuzeitlich für mittlere und hohe Leistungen in
Betracht kommen. Wobei auch hier deren Optimierung Grenzen hat und viele
Einschränkungen und Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
Maschinen des Luftspulenprinzips führen dagegen in ganz andere Dimensionen.
Bei allen Maschinen der Bilder 1-12 liegen gleiche Werte für Maschinendurchmesser,
Luftspaltbreite, Drehzahl, Luftspaltinduktion, Windungszahl und Leiterquerschnitt
vor.
Die angegebenen Zahlen für Strom, Spannung und Leistung sind keine absoluten
Werte, sondern basieren auf eine Normierung der Maschinen der Bilder 1-12
und können aber zum relativen Vergleich der Maschinen untereinander herangezogen
werden.
Die Fläche, das Volumen und der Spulenausnutzungsgrad sind dagegen absolute
Werte, die sich aus der Geometrie ergeben.[Methode
der Verbleichsberechnung]
Die Grundform dieser Maschine zeigt Bild 5, wobei sie nur den
Bereich der einschichtigen Wicklung, wie schon aus Bild 2 bekannt, zur
Drehmomenterzeugung nutzt. Sie wird im Folgenden als Vergleichsmaschine
herangezogen, so dass die ermittelten Maschinenwerte dieser als 100% gelten
und die weiterentwickelten Maschinen darauf bezogen werden. Aufgrund der
beidseitigen Achsannäherung der Wickelköpfe hat diese Maschine schon einen
beachtlichen Spulenausnutzungsgrad von z Sp = 0,5793.
Einer Weiterbildung zeigt Bild 6, bei der auch die Wickelköpfe
mit Polen belegt sind, die die doppelte Magnethöhe aufweisen, um eine
entsprechende Luftspaltinduktion im vergrößerten Luftspaltbereich zu erzeugen.
Durch diese Wickelkopfnutzung steigt der Spulenausnutzungsgrad schon um
35% auf z Sp = 0,78416 und die Leistung um 50% gegenüber der Vergleichsmaschine in
Bild 5, wobei der Mehraufwand an Magnetvolumen 48% beträgt.
Wird der Polflächenbereich, wie in Bild 7, Richtung Achse noch
um 8% vergrößert kann der achsnahe Leiter noch besser genutzt werden und
liegt wirksamer im Feld. So erhöht sich die Steigerung des z Sp auf 43% und die der Leistung auf 60% gegenüber
der Vergleichsmaschine von Bild 5, bei 64% Mehraufwand an Magnetvolumen.
Soll das Drehmoment absolut konstant sein, wird die Spulenform aus Bild
8 gewählt, bei der im Winkelbereich von j =30° keine Drehmomentschwankungen
existieren und dabei der achsnahe Polbereich so gut wie unter diesen Bedingungen
möglich genutzt wird und gegenüber der Maschine in Bild 7 kaum Einbußen
hingenommen werden müssen.
Soll die Maschinen- und Polfläche noch besser genutzt werden, wird die
Wicklung aus Bild 5 zur Wicklung aus Bild 9 oder auch die Wicklung
von Bild 7 zur Wicklung von Bild 10 verändert.
Dies verbessert die Motorwerte, durch die leicht verkürzte Gesamtleiterlänge
einer Spule, nur gering. Der eigentliche positive Effekt hierbei ist die
Schaffung der Freiräume zwischen den Spulen. Dieser Freiraum kann nun
durch kleine aber hocheffektive Spulen aus Bild 11 aufgefüllt werden,
die selbst einen Spulenausnutzungsgrad von z Sp = 0,823324 ( 142% v. Bild 5) haben.
Die Wicklung aus Bild 10 wurde durch die Spulen aus Bild 11 ergänzt
und führt zu der Wicklung von Bild 12.
Bild 13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung der Maschine
von Bild 9 (bzw. Bild 5), deren Leistung über den Winkel von 30° konstant
ist. Wird die Wicklung aus Bild 9 durch die Spule aus Bild 11 ergänzt,
liefert diese Spule im Winkelbereich von 14,5° das obige Leistungsdreieck
zusätzlich, welches ca.11% Leistungssteigerung (Flächenanteil) bedeutet.
Bild 14 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung der Maschine
von Bild 10 (bzw. Bild 7), die über den Winkel von 30° nahezu konstant
ist. Wird hier die Spule von Bild 11 ergänzt zu Bild 12 ergibt sich ein
Leistungsverlauf inklusive des kleinen Leistungsdreiecks im Winkelbereich
von 14,5°. Diese Leistungssteigerung über die Gesamtzeit durch die zusätzliche
Spule macht ca. 7 % der Leistung (Flächenanteil) von der Maschine von
Bild 10 (bzw. Bild 7) aus und dies ohne Mehraufwand an Magnetmaterial.
Für den Motorbetrieb ist der Einsatz der Spule aus Bild 11 wegen der hohen
Gleichlaufschwankungen nicht geeignet. Für den Generatorbetrieb ist dies
jedoch anders. Soll ein gemischter Generator-/ Motorbetrieb erfolgen,
könnte die ergänzte Spule aus Bild 11 für den Generatorbetrieb jeweils
im niedrigen Drehzahlbereich leistungssteigernd und im hohen Drehzahlbereich
umgepolt zur Feldschwächung oder besser gesagt zur Stromschwächung leistungsmindernd
zugeschaltet werden.
Ich freue mich auf einen Kontakt mit Ihnen und verbleibe bis dahin
Mit freundlichem Gruß
Jörg Bobzin
Anlage:
Maschinenübersicht über weitere Maschinen (2 Blatt)
Autor:
Dipl.-Ing. Jörg Bobzin ist Forscher und Entwickler von hocheffizienten
elektrischen Maschinen und ganzheitlicher Wissenschaft und Technik
Anlage 2: Eine MaschinenübersichtEinige Maschinen mit eisenfreier Luftspaltwicklung für DC-Anwendungen |
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Doppel-Glockenmaschine mit verschiedenen Wicklungen |
Wicklung mit einer 50:50% Wickelschemaaufteilung |
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Glocken-Scheibenmaschine mit verschiedenen Wicklungen |
Wicklung mit einer 50:50% Wickelschemaaufteilung |
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Doppel-Scheibenmaschine mit |
Wicklung mit einer 50:50% Wickelschemaaufteilung |
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Trommel-Scheibenmaschine mit |
Wicklung mit einer 30:40:30% Wickelschemaaufteilung |
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Trommel-Scheibenmaschine mit zwei Läufern 29, 33 |
Trommel-Scheibenmaschine mit Drehfeldwicklung und Läufer 29 |
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Scheibenmaschine mit zwei Läufern 6, 29 und einer
Feldaufteilung zwischen |
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Glocken-Scheibenmaschine mit rotierendem Innenmagnet (mit oder ohne Stirnflächennutzung) |
Wicklung mit einer 70:30% Wickelschemaaufteilung |
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Doppel-Scheibenmaschine mit rotierendem Aussenmagneten |
Scheibenmaschine mit gefalteter, verzerrter und |
Trommel-Scheibenmaschine |