Zum Thema: Höchsteffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und höchstdynamische Antriebe, nach dem Luftspulenprinzip

Vergleich eines neuentwickelten DC-Doppel-Scheibenmotors mit einem herkömmlichen DC-Scheibenmotor eines früheren Forschungsvorhabens

Bild 21: Vergleich der Scheibenwicklung des Forschungsvorhabens WE 274/75 mit erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschinen 1,2,3

Der Wirkungsgrad der Maschine betrug, trotz schlechter Maschinenflächen- und Kupfernutzung, in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Belastung 82 bis 92% (Auszug aus WE 274/75). Dies ist der Eisenfreiheit der Wicklung zu verdanken.
(Wichtig bei dieser Anwendung war der Aufbau der Wicklung aus Kupferlitze (Aufteilung eines dicken Kupferquerschnittes auf viele kleine, die parallel geschaltet sind), um Wirbelstromverluste in der Wicklung, aufgrund der vielen Polwechsel bei der hohen Drehzahl, zu vermeiden. Dieses Vorgehen sollte auch bei der Realisierung der Maschine nach dem Luftspulenprinzip übernommen werden.)

Mit der Grundform, der in Bild 15 in Fachaufsatz I vorgestellten neuen Scheibenmaschine, kann dagegen die 56cm Maschinendurchmesser im Umfangsbereich im vollen Maße genutzt werden.

Bild 21 veranschaulicht den Gewinn verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungen der Grundform der Doppel-Scheibenmaschine gegenüber der Scheibenmaschine des Forschungsvorhabens eindrucksvoll. Es sind in Bild 21 die Spulendurchmesser, die Leiterlänge und der Verlauf jeweils einer Spulenseite (Leiter 1, 2, 3) und die jeweilige, innerhalb eines Luftspaltes liegende, Polfläche vergleichend gegenübergestellt.

Doppel-Scheibenmaschine 1

Ein Ergebnis der Untersuchung ist, dass im Umfangsbereich (zwischen 40 und 56 cm Radius) eines Luftspaltes der erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschinen ein Vielfaches der Maschinenleistung, der herkömmlich genutzten Wicklungsteile (zwischen 20 und 40 cm Radius) vollbracht wird und dies auf hocheffiziente Weise.

Die Doppel-Scheibenmaschine 1 (Bild 21 und Bild1) kommt somit auf eine mehr als 11fache Leistung gegenüber der Maschine des Forschungsvorhabens, also auf 334kW, bei gleichem Maschinendurchmesser, gleicher Polzahl und Drehzahl, also gleichen äußeren Bedingungen.

Bild 1: Vergleich der Scheibenwicklung des Forschungsvorhabens WE 274/75 mit erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschinen 1

Durch den parallel liegenden Luftspaltabschnitt und die teilweise Ausstattung des Umfangsbereiches der Doppel-Scheibenmaschine 1 mit magnetischem Feld, steigt der Magnetmaterialbedarf nur auf das 4,5-fache. Die Maschine ist durch den zweiten Luftspaltabschnitt axial etwas länger. Dies ist aber alles in Anbetracht des enormen Leistungszuwachses und der Effizienzsteigerung für die meisten Anwendungen akzeptabel.

Der Wirkungsgrad liegt aufgrund der vermiedenen Kupferverluste, die sich ihrerseits vielfältig verlustsparend auswirken, im Maximum nahe bei 100%, da im Forschungsvorhaben, wenn man von zu vermeidenden Wirbelstromverlusten im Verbundsmaterial absieht, 50-66% der Gesamtverluste elektrische Verluste (Ohmsche- und Bürstenübergangsverluste) waren. Dieser Verlustanteil war drehzahlabhängig, da die restlichen 33-50% der Gesamtverluste im wesentlichen durch Luftreibung zustande kamen, die drehzahlabhängig waren. Auch in den Dissertationen [5,6,7] werden herkömmliche Luftspulenscheibenmaschinen untersucht, woraus ersichtlich wird, dass auch bei ihnen der Anteil der Kupferverluste an den Gesamtverlusten zwischen 30 und 70% liegt, mit der Tendenz zu 70% in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Belastung.

Doppel-Scheibenmaschine 2

Will man am Außendurchmesser der Maschine sparen und beschränkt deshalb den Durchmesser der Wicklung auf 40cm, erzielt man mit dem Grundtyp der Scheibenmaschine von Bild 2 eine Leistung von ca. 94 kW (Doppel-Scheibenmaschine 2, Bild 21) was einem Leistungsgewinn von 212%, gegenüber der Maschinen des Forschungsvorhabens, entspricht (Bild 21 und Bild 2).

Bild 2: Vergleich der Scheibenwicklung des Forschungsvorhabens WE 274/75 mit erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschinen 2 (94 kW,40cm)

Die Maschine erreicht bei diesem geminderten Durchmesser noch immer mehr als die dreifache Leistung beim doppeltem Einsatz von Magnetmaterial. Hier liegt also der Gewinn, sowohl in der Leistung als auch im geringeren Durchmesser, ganz abgesehen von den anderen Verbesserungen, wie dem höheren Wirkungsgrad, dem größeren Leistungsvolumen und Leistungsgewicht der Maschine und dem größeren Leistungsgewicht des Rotors, sowie geringem Massenträgheitsmoment, was zu sehr energiesparenden und dynamischen Eigenschaften führt.

Doppel-Scheibenmaschine 3

Wird nun, die gleiche Leistung der Maschine des Forschungsvorhabens, aber bei sehr gemindertem Durchmesser und möglichst geringem Magnetmaterialeinsatz angestrebt, kommt die Doppel-Scheibenmaschine 3 (Bild 21 und Bild 3) auf einen Durchmesser von nur 31 cm, wobei noch 4% weniger Leiter und 6% weniger Magnetmaterial im Vergleich zum Forschungsvorhaben aufgewendet werden muss. Die hohe Effizienz des vorgestellten Maschinenkonzeptes wurde hierbei fast vollständig zugunsten des Maschinendurchmessers mit einer Durchmesserersparnis von 45% umgesetzt.

Bild 3: Vergleich der Scheibenwicklung des Forschungsvorhabens WE 274/75 mit erfindungsgemäßen Doppel-Scheibenmaschinen 3

Wird dagegen die Effizienzsteigerung, wie in der Doppel-Scheibenmaschine 1, als Leistungssteigerung bei gleichem Durchmesser unter Einsatz von 67% mehr Leitermaterial und ca. 350% mehr Magnetmaterial umgesetzt, erhöht sich die Leistung um 1000%

So kann der Gewinn der Effizienz vom Maschinenkonstrukteur dahin gelenkt werden, wo es die Anwendung erfordert. Auf diese Weise liefert das vorgestellte Maschinenkonzept auch den idealen Antrieb für zukünftige Elektroautos in Verbindung mit dem Einsatz der Brennstoffzelle.

Hohe Effizienz

Bezüglich des Magnetaufwandes könnte man meinen, dass bei diesen Maschinen z.B. in Bild 15 in Fachaufsatz 1, gegenüber herkömmlichen Scheibenläufern mit einseitiger Magnetanordnung wie in Bild 1, mehr Fläche mit Magneten bestückt werden muss, da ja zwei Luftspaltabschnitte mit magnetischen Polen vorhanden sind. Auf die Spulenfläche bezogen sind aber in dieser Maschinengrundform auch nur einseitig magnetische Pole vorhanden, die u.a. nur auf mehrere Luftspaltabschnitte verteilt liegen. Durch die bessere Kupferausnutzung, die bessere Nutzung der Leiter im energiereichen Umfangsbereich und die flexible und daher optimale Maschinenauslegung, ist die Spulenfläche und damit der Magnetaufwand sogar kleiner, um auf eine geforderte Leistung zu kommen.

Man kann es auch anders betrachten, indem die Maschinen bei gleicher Maschinenfläche wesentlich höhere Drehmomente und Leistungen liefern. Hinzu kommt, dass die Maschinen sehr kompakt und durch ihre flexible Auslegbarkeit sehr anpassungsfähig an äußere Gegebenheiten sind.

Andere Anwendungen

Das Grundprinzip der Entwicklung, die Faltung der eisenfreien Luftspule bzw. des Luftspaltes, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, mit der Realisierung der verbesserten Spulenausnutzung und dem Erreichen kompakter Maschinen ist hervorragend für mit Gleichstrom betriebene Maschinen, wie in den Zeichnungen teilweise dargestellt, mit mechanischer oder elektronischer Kommutierung geeignet, bei Verwendung von vorzugsweise permanenterregten und ausgeprägten magnetischen Polen und des dazugehörigen Wicklungsaufbaues. Sie können als Spulenläufer oder Magnetläufer ausgelegt sein. Statt der permanenterregten Feldmagnete kann auch eine elektromagnetische Felderregung eingesetzt werden. Als Wechselstromgenerator eignet sich die Maschine mit elektronischer Gleichrichtung zur Ladung von Batterien. Mit einer Drehfeldwicklung im Luftspalt und ggf. entsprechender Beschaltung ist die Maschine mit beispielsweise Permanentmagnetläufer für den Betrieb als Synchron-Drehstrom- und Wechselstrommotor geeignet. Weiterführend ist das neue Maschinenkonzept auch auf Asynchronmaschinen angewendet. Dies bringt auch in dem Maschinenbereich viele Vorteile.

[1] Chr. Leymann, Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben WE 274/75, eisenloser Gleichstrom-Scheibenläufermotor mit Permanentmagneterregung, Technische Universität Braunschweig 1985

Auszug aus Fachaufsatz I, S. 16/17

Autor:
Dipl.-Ing. Jörg Bobzin ist Forscher und Entwickler von hocheffizienten elektrischen Maschinen und ganzheitlicher Wissenschaft und Technik