Zum Thema: Hocheffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und hochstdynamische Antriebe, nach dem Luftspulenprinzip

(weiteres zu Gewinnbeispiel 6 und Informationen zum Luftspulenprinzip (homepage))

Aus dem Gewinnbeispiel 6:

1. Berechnung des Ferranti-Generators:

Bei dem herkömmlichen Wechselstromgenerator handelt es sich um eine 48-polige Maschine, die folgende Werte bei der Drehzahl n aufweist:

Wechselstromgenerator von Ferranti (1MW) als Spulenläufer (ca. Jahr 1890)
Scheibendurchmesser 5,17m, Scheibendicke 19mm (aktiver Bereich)

1.1. Berechnung der einzelnen Spule:

nach (37) in der Berechnungsmethode [2]:

1.2. Berechnung der Wicklung (48 Spulen):

1.3. Berechnung der Generatorwerte (U_ind , I_ind , P ):

nach (7) in der Berechnungsmethode gilt:

nach (17) in der Berechnungsmethode gilt:

nach (26) in der Berechnungsmethode gilt:

1.4. Die Ermittlung der Windungszahlen des Ferranti-Generators

Die Windungszahl des Ferranti-Generators ist aus [1] nicht bekannt. Aus dem Forschungsvorhaben WE 274/75 [4] ist bekannt, das für einen Luftspalt von 18mm eine Luftspaltinduktion von 0,42T durch die Verwendung von Hochenergiemagneten mit der Magnethöhe von 20mm erreicht wurde. So liegen die Verhältnisse bei den vorgestellten Maschinen ähnlich, da beim Ferranti-Generator die Spule im Luftspalt eine Höhe von 19mm aufweist und für alle anderen Maschinen gleiche Luftspaltverhältnisse (1) angenommen wurden.
In Anlehnung daran wird bei der Berechnung der Windungszahlen eine Luftspaltinduktion von 0,4T angenommen. Beim Ferranti-Generator [1] liegt eine elektromagnetische Erregung vor, die auch in jedem Fall bei Maschinen des Luftspulenprinzips eingesetzt werden kann und mit der mindestens eine Luftspaltinduktion von 0,4T erreicht wird.

Darüber hinaus ist es das Anliegen dieses Gewinnbeispieles 6, zu zeigen, dass schon mit relativ geringem Magnetmaterialaufwand (nur 20mm Magnethöhe beidseitig der Spule oder 44mm einseitig der Spule) Maschinen hoher Leistung nach dem Luftspulenprinzip gebaut werden können, die neben den vielen Vorteilen des Luftspulenprinzips auch den Vorteil der kleinen Maschinenabmessungen haben, die noch unter denen von Eisenmaschinen liegen.

Die ermittelten geringen Windungen der Maschinen, stimmen mit der Praxis überein, denn aus aus [1] S.587, ist bekannt, dass die Spulen der Ferranti-Maschine aus aufgewickeltem Kupferflachband bestanden, das aus Stabilitätsgründen leicht wellig ausgeführt wurde. So bestand jede Spule aus einem aufgewickeltem Flachband, welches ca. 59,7 Windungen zählte, mit einer Bündelbreite von 70mm (in Bewegungsrichtung). Jede Kupferschicht incl. Isolierung hatte eine Stärke von ca. 70cm/59,7=1,17cm. Abweichungen können hier entstehen durch die Wahl der radialen Länge (60cm in Punkt 1 und 2), der Spulenbündelbreite in Bewegungsrichtung und der Luftspaltinduktion.

Dieses Ergebnis liegt aber in der Größenordnung von den in aus [5] S.606 gemachten Angaben zu einem 245kW-Ferranti-Generators, dessen Wicklung eine Windungszahl von N =40 mit einer Windungsstärke von 1mm und einer Isolierschichtstärke von 0,5mm hatte, wobei die Spulenspannung U_sp =200V und die Stromstärke pro Spule I_sp =50A betrug.