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7. Deutsche Patentanmeldung: DE 103 35 688
Luftspule für rotierende elektrische Maschinen
und deren Herstellungverfahren
(Erweiterte Patentanmeldung v. 26.02.03 (4. DE 102 08
564) innerhalb des Prioritätsjahres unter Berücksichtigung des
Prüfungsbescheides)
Titel: Luftspule für rotierende elektrische Maschinen und deren Herstellungverfahren
Die Erfindung betrifft Luftspulen, innerhalb von rotierenden elektrischen
Maschinen, deren Spulenseiten sich mindestens einseitig der Achse oder
Welle nähern. Sie sind vor allem aus Maschinen mit einem Axialfeld
in einem ebenen Luftspalt bekannt und sie werden als Scheibenmaschinen
u.a. im Bereich der Antriebe für Diskettenlaufwerke elektronisch
als kommutierte Gleichstrommotoren oder Mehrphasenmotoren und auch seit
Kurzem als Generatoren z.B. für kleine Windkraftanlagen eingesetzt.
Die Luftspulen verlaufen über beide Pole und haben mehrere Windungen,
wobei sie auch Teile einer Wellenwicklung sein können.
Luftspulen, die für Axialfeldbereiche ausgeführt sind, haben
z.B. eine Kreissegmentform, eine Kreisform, eine ovale Form oder die Form
eines Abschnittes dieser Formen. Sie liegen nebeneinander oder axial verdreht,
sich gegenseitig teilweise überlappend, zueinander über einen
Kreisumfang verteilt, und sind so Teil einer scheibenförmigen, ein
oder mehrschichtigen oder treppenförmigen Wicklung. Sie werden als
geschlossene oder offene Spulen mit Einfach- oder Mehrfachwindungen verwendet.
Die Spulen werden entweder aus Leiterdraht hergestellt, der über
einen Wickeldorn zu einer Spule mit Mehrfachwindungen aufgewickelt wird,
wobei der Draht entweder direkt auf einen separaten Wickelkörper
gewickelt oder mit Draht gewickelt und anschließend vergossen oder
unter Verwendung von Backdraht zu einer selbsttragenden Spule verbacken
wird.
Definition Spulenseite: Eine Spulenseite ist der wirksame Leiter einer
Spule, der im Polflächenbereich einer Polart verläuft, der schräge
zur Bewegungsrichtung verlaufen kann, und der so eine wirksame Länge
bzw. Leiterkomponente und eine unwirksame Länge bzw. Leiterkomponente
enthalten kann.
Aus DE 3231966 A1 ist eine Flachspule bekannt, die segmentförmig
in Spiralform oder die Teil von mehreren offenen segmentförmig verlaufenden
Spulen einer meanderförmigen Wicklung, auf einer Leiterplatte verläuft.
Bei diesen Spulen verlaufen die Spulenseiten zwar, den von
M. Faraday erforschten Idealbedingungen entsprechend, rechtwinklig zur
Bewegungsrichtung, wobei aber die Leiter, die die Spulenseiten verbinden,
außerhalb der Polflächen angebracht sind und keinen Beitrag
zur Energieumwandlung bringen. Zudem verlaufen diese Leiter größtenteils
außerhalb des Feldes. Daraus resultieren Effektivitätseinbußen,
bezüglich der Maximierung der Drehmomente oder Spannungen, sowie
der Leistung. Auch werden bei der Maschine die verkürzende Wirkung
der Achsannäherung, der die Spulenseiten verbindenden Leiter, nicht
voll ausgenutzt, so dass die verbindenden Leiter im achsnahen Bereich,
mit ihrem großen Abstand zur Achse oder Welle relativ lang sind
und damit die Kupferverluste innerhalb einer Spule groß sind.
Aus DE 3217283 C2 sind eisenlose Einzelspulen für eine scheibenförmige
Gleichstrom-kollektormaschine bekannt, die kreissegmentförmig oder
rund in einer Ebene ausgeführt sind, wobei ein Teil der Leiter außerhalb
des Feldes angebracht sind und die Spulenseiten nicht ideal, den Idealbedingungen
für die Anwendung einer Teilwinkelnutzung der Spule entsprechend,
zur Bewegungsrichtung liegen. Außerdem sind die Spulen als Einzelspulen
stramm gewickelt mit großem Kupferfüllfaktor, was zum Nachteil
hat, dass die Spulenseiten nicht die volle radiale Länge, die die
Maschinen und Polfläche zulässt, nutzen, bevor sie mit in Bewegungsrichtung
verlaufenden, die Spulenseiten verbindenden Leitern, verbunden sind oder
in eine andere Spulenseite übergehen, die auf einem anderen Radius
liegt und unter dem entgegengesetzten Pol verläuft. Außerdem
sind die Spulen so ausgeführt, dass sie in dem aktiven Winkelbereich
Drehmomentschwankungen aufweisen. So wird nicht die maximale Polfläche
genutzt und auch nicht das maximale Drehmoment, die maximale Spannung
und Leistung erreicht und die Maschineneigenschaften sind für die
meisten Anwendungen nicht geeignet.
Aus PCT WO 00/30238 sind Luftspulen bekannt, die im Schnitt quer zur
Bewegungsrichtung gebogen oder gefaltet sind und sich dabei der Achse
oder Welle ein- oder beidseitig mit dem jeweiligen Wickelkopf nähern.
Dies sind zwar hochwirksame Spulen, da bei ihnen der Wickelkopf im Umfangsbereich
entfällt, aber im achsnahen Bereich der Spulenwindungen ist die Effizienz
noch zu verbessern. Wird die Breite der Spulenbündel in Bewegungsrichtung
groß gewählt, ist keine Achsnähe zu erreichen, ähnlich
wie bei der Maschine in dem zuvor beschriebenen Patent. Die Maschinenflächennutzung
in Achsnähe bleibt so auch hier begrenzt.
Luftspulen, die sich einseitig der Achse oder Welle nähern, verlaufen
im axialen Schnitt in einem rechtwinklig oder gebogenen oder schräg
zur Achse liegenden Luftspalt oder Luftspaltbereich. Alle Betrachtungen
der Luftspulen eines rechtwinklig zur Achse liegenden Luftspaltes also
eines Axialfeldbereiches im ebenen Luftspalt, können auf solche schräg
oder bogenförmig verlaufenden Spulen, mit ein oder beidseitiger Achsannäherung,
im nicht ebenen Luftspalt übertragen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich in jüngster
Zeit die Einsatzgebiete der Luftspulenmaschinen aufgrund ihrer guten Eigenschaften,
die die Anforderungen an moderne elektrische Maschinen in einem hohen
Maße erfüllen, immer mehr ausweiten. Die Effizienz der eingesetzten
elektrischen Maschinen wird immer wichtiger. Es werden Antriebe mit hoher
Leistung, geringem Durchmesser, mit hoher Dynamik, geringem Gewicht, großem
Leistungsgewicht und Leistungsvolumen, sowie hohem Wirkungsgrad verlangt.
Im Bereich der Generatoren hat der Durchmesser, das Leistungsvolumen,
das Anlaufverhalten und der Wirkungsgrad eine immer größere
Bedeutung.
Ein Problem dieser bekannten scheibenförmigen Luftspulenmaschinen
und Luftspulenmaschinen mit ein- oder beidseitiger Achsannäherung
besteht allerdings darin, dass die Leistung, das Drehmoment und die Spannung
nicht beliebig erhöht werden können, weil dies zu unpraktischen
Maschinendurchmessern und Fliehkraftproblemen führt. Deshalb müssen
andere Wege gefunden werden eine Steigerung diesbezüglich für
diese Maschinen zu erreichen.
Außerdem ergaben neuere Untersuchungen, dass die Anschaffungskosten
nur wenige Prozent der Betriebskosten einer elektrischen Maschine ausmachen
und 70% des industriellen Stromverbrauches durch elektrische Antriebe
entstehen. Dadurch hat ein hoher Wirkungsgrad der Maschinen eine große
betriebswirtschaftliche, volkswirtschaftliche und umwelterhaltende Bedeutung.
Die Anschaffungs- und Konstruktionskosten der Antriebe spielen in Zukunft
kaum mehr eine Rolle, so dass nun auch aufwendigere Konstruktionen und
Herstellungsverfahren möglich sind, wenn sie zu energiesparenden
Maschinen führen. Hohe Wirkungsgrade werden erreicht durch optimale
Energieumsetzung, was eine effiziente Nutzung der eingesetzten Maschinenmittel
voraussetzt.
Um allen diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss die zur Verfügung
stehende Maschinen- und Polfläche und das eingesetzte Leitermaterial
optimal genutzt werden.
Dies geschieht bei den bekannten segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitten,
die in Luftspaltbereichen oder Luftspalten verlaufen, die sich ein- oder
beidseitig der Achse nähern, nur unzureichend. Oft werden sogar nur,
wie bei Scheibenläufern, die im mittleren radialen Bereich liegenden
Abschnitte der Kreissegmentflächen der Maschinen genutzt.
Die Spulen werden aus Leitern, die dicht nebeneinander liegen und/oder
zu Bündeln aufgewickelt sind, ausgeführt. Dabei wird nicht die
maximal mögliche Maschinenfläche genutzt und nicht möglichst
viel Leiter innerhalb jeder Spule wirksam ins Feld maximalen Ausmaßes
gelegt. Insbesondere im Umfangsbereich und/oder im achsnahen Bereich der
Maschine, je nach Ausführung, wird Maschinenfläche, die mit
magnetischen Polen und wirksamen Leitern gefüllt sein könnte,
verschenkt. Auch in den Ecken der jeweiligen Leiterlage der kreissegmentförmigen
Maschinenflächenabschnitte geht wertvolle Maschinenfläche ungenutzt
verloren, sowie wertvolle, hocheffektive Leiterlänge.
Im Bereich der Luftspulenmotoren, in dem derzeit kaum drahtgewickelte
Einzelspulen eingesetzt werden, besteht erhöhter Entwicklungsbedarf
in anbetracht der unvergleichlich hohen Wirkungsgrade von Luftspulenmaschinen
und der nötigen Energieeinsparungen für die Zukunft. Bisher
geleistete Entwicklungsarbeit von 1975 bis 1990 galt vor allem Gleichstromscheibenläufermotoren
für Stellantriebe und Motoren mit Einzelspulen in Mehrphasenwicklungen
für den Einsatz in Diskettenlaufwerken.
Bei den Luftspulen dieser Motoren liegen bestenfalls die mittigen (Erweiterte
Patentanmeldung v. 26.2.03, Fig.3, Spule 16) und schlechtestenfalls nur
die äußeren Spulenseiten (Erweiterte Patentanmeldung v. 26.2.03,
Fig.1, Spule 1) des Bündels der Spulenseiten auf dem Radius. Dies
hat den Nachteil von hohen Kupferverlusten, da bei reinen Mehrphasenmotoranwendungen
die Spulen nur im Arbeitswinkel a genutzt werden.
Bei der Entwicklung herkömmlicher Kreissegmentspulen ist man wahrscheinlich
vom allgemeinen Induktionsgesetz ausgegangen und hat die Flussänderung
pro Zeit durch eine Fläche optimiert, wobei die Fläche entweder
die volle Kreissegmentfläche in dem die Spule liegt und/oder die
Fläche, die die Spule umspannt hat und diese zur Berechnung herangezogen,
was in beiden Fällen nicht zum optimalen Ergebnis führt.
Beim gängigen Verfahren zur Wicklung von Spulen, mit Hilfe eines
Wickeldornes, wird der Draht um einen kantigen Wickelkörper, in der
Regel für kreissegmentförmige Spulen mit dreieckigem Querschnitt,
der die Spulenform vorgibt, gewickelt. Bei diesem Verfahren schleift sich
die Form der Spule ab, je mehr Leiterlagen übereinanderliegen, was
sich beim Zusammensetzen in eine kreisförmige Scheibenwicklung zusätzlich
nachteilig in der mangelhaften Maschinenflächenausnutzung im achsnahen
Bereich und im Umfangsbereich der Segmentform bemerkbar macht. Für
im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen besteht das Problem
in ähnlicher Weise.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit und Spulenformen
zu finden, die die Maschinenfläche und die darin enthaltene maximal
mögliche magnetische Polfläche, bezogen auf die Leistungs-,
Spannungs-, Drehmoment, Wirkungsgradmaximierung und der Maximierung der
Kupfernutzung innerhalb jeder Spule, optimal anwendungsbezogen nutzt und
die beschriebenen Grenzen der Maschineneigenschaften ausweitet und die
genannten Nachteile beseitigt.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Leiter so gelegt
oder gewickelt werden, dass sie die kreissegmentförmigen Teile der
Maschinenfläche, in denen die segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitte
liegen, aber von ihnen nur teilweise oder unvorteilhaft ausgenutzt werden,
im Sinne der Idealbedingungen, die M. Faraday von 1821 bis 1851 erforschte,
die sich aus der Faraday'schen Anschauung und seiner exakten Beschreibung
ergeben und die mathematisch ausgedrückt in der Rechtwinkligkeit
der Vektoren B, l,v zueinander bestehen
und sich in der Maximierung der
Induktion der Ruhe (Motorbedingung)
und der Induktion der Bewegung (Generatorbedingung)
für die Relativbewegung von freien Leitern gegenüber einem sie
durchdringenden Magnetfeld ausdrücken, anwendungsbezogen optimal
ausgenutzt werden und damit eine sich lohnende Maximierung der Polflächen
ermöglichen.
Die Faraday'schen Anschauungen werden nicht in ihrer Gesamtheit gesehen,
so dass sich die daraus ergebenen Idealbedingungen nicht, unter diesem
Namen mit dieser Bewertung, bekannt sind und deshalb hier als solche definiert
sind, und es bis jetzt nicht Ziel war sie in ihrer Gesamtheit umzusetzen.
Mathematisch gesehen ist die dargestellte Ausdrucksform des Induktionsgesetzes
zwar bekannt, aber sie findet in ihrer Gesamtheit keine Beachtung in der
Maschinenentwicklung, weil sich die Wissenschaft und Maschinenentwicklung
auf andere Ausdrucksformen des Induktionsgesetzes, die die Funktion von
Eisenmaschinen (mit Spulen mit Eisenkern) erklären und durch die
sich deren Anwender vor allem auf die Maximierung der Flußänderung
d
pro Zeit dt innerhalb einer Spulenfläche A sowie auf die Verkürzung
des Luftspaltes und einer Maschinenverstärkung durch Einsatz von
Eisen konzentrieren.
Ein hilfreiches Maß, um den Grad der Umsetzung der Idealbedingungen
die M. Faraday erforschte zu messen, ist der Spulenausnutzungsgrad x Sp
, der hier folgendermaßen definiert wird:
x
Sp = lw
/ l
Der Spulenausnutzungsgrades x
Sp ist das Verhältnis, der wirksamen Länge
lw gegenüber
der Gesamtleiterlänge l
einer Spulenwindung der Spule.
Er besagt, wie viel Leiter innerhalb der Spule ideal, den Idealbedingungen
entsprechend, bezogen auf den Gesamtleiter der Spule, im Feld liegt.
Hinzu kommen für optimale Umsetzung der Idealbedingungen die Berücksichtigung
der anwendungsbezogenen Randbedingungen, wie, welche Maschinenfläche
für die Spule zur Verfügung steht und ob die Spannung (Generator)
oder das Drehmoment (Motor) innerhalb eines Winkels a konstant bleiben
soll.
So muss zwischen verschiedenen Anwendungen unterschieden werden.
1. Maschinen, bei denen jede Spule nur in einem begrenzten Winkelbereich
a aktiv ist, in dem z.B. die Spannungs- und Stromwerte bzw. Leistungs-
und Drehmomentwerte für diesen begrenzten Winkel maximiert und vor
allem konstant sein sollen, wie bei Mehrphasenmotoren.
2. Maschinen, bei denen jede Spule über den vollen Winkel g des Kreissegmentes,
in dem die Spule liegt, aktiv ist und bei denen es darauf ankommt, die
Maschine und Polfläche in der Hinsicht des Arbeitsvermögens
der Maschine optimal zu nutzen, wie z.B. bei einphasige Motoren und Generatoren.
3. Maschinen, die wechselweise mehrphasig motorisch und generatorisch
arbeiten und/oder Maschinen, die wechselweise zwischen Vollwinkelnutzung
und Teilwinkelnutzung umschalten. Hierzu gehören Motoren, die beim
Bremsen über eine Energierückspeisung verfügen und dabei
von der Teilwinkelnutzung auf Vollwinkelnutzung umschalten, wie z.B. bei
einem Energiesparantrieb für Elektrofahrzeuge.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin möglichst die Maschinenfläche
und die eingesetzten Materialien den Idealbedingungen entsprechend anwendungsbezogen
optimal zu nutzen.
Dies geschieht für Spulen, die nur in einem Teilwinkel a genutzt
werden in unterschiedlicher Weise zu denen, die den vollen Kreissegmentwinkel
g nutzen.
Die folgenden Betrachtungen der unterschiedlichen Spulen und Lösungsmöglichkeiten
unterliegen der Annahme, dass das Magnetfeld, in dem die Spulen in der
Maschine verlaufen, bei allen gezeigten Spulen gleich stark ist und die
Spulen alle die gleiche Windungszahl, so wie den gleichen Leiterdurchmesser
haben und die Relativgeschwindigkeit zwischen Leiter und Magnetfeld bei
allen Spulen gleich groß ist.
Bei der ersten Anwendung soll bei der Spule innerhalb des Winkels a kein
wirksamer Leiteranteil liegen. Da, während der Polübergang des
magnetischen Feldes den Winkel a überstreicht, das Feld welches die
Spulenseiten im Winkelbereich ß durchdringt, konstant bleibt, ist
es für diese Anwendung nur wichtig, dass die Spulenseiten der Spule
die mögliche volle radiale Ausdehnung im Winkelbereich ß ausschöpfen
und somit die wirksame Leiterlänge innerhalb dieses Winkels ß
maximal ist. Dies ist für diese Anwendung von Mehrphasenmotoren besonders
effektiv, wenn dafür möglichst wenig Leiterlänge verbraucht
wird.
Dies ist der Fall, wenn der Innenleiter und/oder die Innenleiterlage 40
des Spulenbündels der Spulenseiten auf dem Radius der Scheibe liegt
und alle anderen dazu äußeren Leiter und/oder Leiterlagen so
eng wie möglich an dem Leiter oder der Leiterlage 40 herangewickelt
werden und die Spulenseiten sich auf den Winkel ß begrenzen, d.h.
keine wirksamen Leiteranteile außerhalb des Winkels ß vorhanden
sind (Spule 9). So verlaufen zwar die Spulenseiten im achsnahen und im
Umfangsbereich außerhalb des Winkels a bogenförmig, welches
aber die wirksame Länge der Spulenseiten während des aktiven
Winkels a nicht ändert. Auf diese Weise werden für den aktiven
Winkelbereich a des Motors konstante und maximale Werte der mechanischen
Leistung, der Arbeit und des Drehmoments erreicht.
Für eine Generatornutzung oder für die Nutzung in einem Einphasenmotor,
bei denen die Spule über den vollen Kreissegmentwinkel g aktiviert
ist, währe diese Spule relativ leistungsschwach und würde zu
hohen Drehmoment- und Spannungsschwankungen führen, da sie im Winkelbereich
ß nur eine kleine und zum Winkelbereich a hin eine steil ansteigende
Drehmoment- oder Spannungsbildung bewirkt.
Eine verbesserte Umsetzung der Idealbedingungen innerhalb einer Spule
und damit ein erhöhter Spulenausnutzungsgrad und eine effizientere
Maschinenflächennutzung über den vollen Kreissegmentwinkel g
wird erreicht, indem die Spulenseiten der äußeren Windung und/oder
Windungslage die reale oder radial projizierte Kreissegmentform der Maschinenfläche
einer Spulenweite voll ausnutzen. So verlaufen sie entweder bis nahe der
Umfangs- und der Achsgrenze im wesentlichen radial, bis sie abknicken
und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und
dabei in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder
eine andere Spulenseite sind, übergehen, oder die Spulenseiten verlaufen
im wesentlichen radial oder radial projiziert von einem axialen Bereich
zum Umfangsbereich und darüber hinaus vorzugsweise zum zweiten axialen
Bereich und sie in jedem axialen Bereich entsprechend abknicken und um
einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei
in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder die
eine andere Spulenseite sind, übergehen. Die innenliegenden Spulenwindungen
oder axialen Spulenlagen, als Einzelleiter oder als Leiterbündel
der Spule, werden im Bereich der Spulenseiten vorzugsweise parallel zu
den äußeren Spulenseiten nach innen versetzt ausgeführt
und folgen diesem, im wesentlichen radialen, Verlauf, so weit, wie die
sie umgebende axiale Spulenlage dies zulässt, um dann ebenfalls in
gleicher Weise abzuknicken, oder um einen sehr kleinen Radius zu verlaufen
und dabei in die, die Spulenseiten verbindenden, Leiter oder direkt in
eine andere Spulenseite überzugehen.
Bei einer Ausgestaltung, mit von Draht gewickelten Spulen, sind die Spulen
vorzugsweise so aufgebaut, dass nicht jeder einzelne Leiter soweit wie
möglich in den Kreissegmentecken verläuft, sondern ein ganzes
Leitungsbündel, genau gesagt, mehrere radial (die Spulenachse betreffend)
zueinander versetzte Windungen und/oder Windungslagen. So entstehen zwischen
den einzelnen Windungsbündeln oder den einzelnen Lagen solcher Leiterbündel
in den Segmentecken der Spulenlage Freiräume, die auch für ein
Wickelverfahren mit Wickelstiften notwendig sind, um diese Wickelpfosten
oder Stifte aufzunehmen und den Wickelvorgang in dieser Weise zu ermöglichen,
ohne Maschinenflächenverluste zwischen den im wesentlichen radial,
verlaufenden axialen Wicklungslagen in Kauf nehmen zu müssen. Anders
gesagt, wird bei gewickelten Spulen die optimale Nutzung erreicht, indem
die Leiter um Pfosten, Stifte, Wickelpilze oder ähnliches gewickelt
werden, die in kurzen Abständen in den Eckbereichen der jeweiligen
Spulenlage stehen. Damit die Anzahl der Pfosten nicht zu groß wird
und sie auch einen ausreichend stabilen Durchmesser haben müssen,
ist es für dieses Wickelverfahren zu bevorzugen nur nach mehreren
Wicklungslagen oder nach mehreren radial (die Spulenachse betreffend)
zueinander versetzten Windungen Pfosten in den Ecken zu platzieren, um
die die Leiter gewickelt werden. Ein Wickelverfahren um Pfosten ist grundsätzlich
zur Herstellung von Wellenwicklungen bekannt, und für die Wicklung
von Einzelspulen in besonderer Weise weiterentwickelt. Neben der besseren
Flächen-, Magnetpol- und Kupfernutzung wird hier das beschriebene
Abschleifen der Spulenform vermieden, weil die Spule nur nach wenigen
axialen Lagen um neue Stifte gewickelt wird, die den Verlauf der Leiter
erneut ideal ausrichten.
Neben Wickelpfosten können auch Schiebe-, Zug- oder Haltevorrichtungen
bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Spulen eingesetzt
werden, die die Wicklungslagen oder Windungen in geeignete Position bringen
und/oder halten. Siehe dazu die gleichzeitig angemeldete deutsche Patentanmeldung
Aktenzeichen: 102 08 566.8-32, Fig.21,22, wobei anstatt mit Wickelpfosten
auch Abstandshalter (z.B. in Form eines einschaligen Rotationshyperboloid
mit der Höhe des Drahtdurchmessers) zwischen den Leitern in jeder
Leiterlage separat und verbleibend eingeführt werden können.
Eine Weiterbildung besteht darin, verschiedene Leiterbündel mehrerer
radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzter Windungen und/oder
Windungslagen individuell dem Radius entsprechend im Umfangsbereich auszurichten,
damit sie jeder für sich dem idealen, radialen Verlauf nahe kommen.
Dies optimiert den Wirkungsgrad für die Anwendungen über den
vollen Kreissegmentwinkel g.
Eine Weiterbildung in diesem Zusammenhang, aber auch auf das Gesamtspulenbündel
bezogen, besteht darin, dass das gesamte Leiterbündel der Spulenseiten
oder deren einzelnen Leiterbündel jedes für sich, entweder
- mittig auf dem Radius liegen oder
- die innen liegende Leiterlage und/oder der innenliegende Leiter auf
dem Radius liegt oder
- die außen liegende Leiterlage und/oder der außen liegende
Leiter auf dem Radius liegt,
wobei die Regel gilt:
Je weiter der Leiter die Maschinenfläche der Kreissegmentform in
Bewegungsrichtung nutzt, desto mehr ist die Maschine für eine Vollwinkelnutzung
(z.B. Generatoranwendung) ausgeprägt und desto weniger für eine
Teilwinkelnutzung der Spule, wie bei einer Mehrphasenmotoranwendung.
Für einige Anwendungen, insbesondere für einen Generatorbetrieb,
bei den es nicht auf eine konstante Ausgangsspannung ankommt, wie für
eine Batterieladung, ist es vorteilhaft die Spulen auch in ihrem Flächenzentrumsbereich
mit Leitern auszufüllen, was bei allen Ausgestaltungen leicht durchgeführt
werden kann.
Bei der effizientesten Form der Luftspule für Anwendungen, bei denen
der volle Kreissegmentwinkel g, in dem die Spule liegt, genutzt wird,
ist die, bei der jede einzelne Spulenseite auf dem Radius liegt und dabei
die mögliche volle radiale Ausdehnung des Kreissegmentes nutzt. Da
der Raum zur Achse immer schmaler wird und man die Fläche des Kreissegmentes
mit möglichst vielen Leitern nutzen will, ist hier die idealste Form
die Leiter parallel versetzt zum Radius nebeneinander zu legen. Im Umfangsbereich
der Spule wird der Raum weiter und die Leiter können dem idealen
radialen Verlauf einzeln oder als Spulenbündel, wie obig beschrieben
in verschiedener Weise folgen.
Dem Ideal der Umsetzung der Idealbedingungen und zwar für jede Anwendungsart
kommen Spulen mit beidseitiger Achsannäherung von Vornherein sehr
nahe, da bei ihnen die umfangsseitigen unwirksamen Verbindungsleiter entfallen
und die Spulenseiten bis zum Umfangsbereich ideal, d.h. radial oder im
wesentlichen radial verlaufen können. Dadurch ist die unwirksame
Länge innerhalb einer Windung sehr klein und die wirksame Länge
aufgrund des Verlaufes in zwei Luftspaltabschnitten doppelt so groß
bei gleichem Maschinendurchmesser, wodurch der Spulenausnutzungsgrad nahezu
1 werden kann, in Abhängigkeit von der Nutzungsweise der achsnahen
Leiter und der Leiternutzung im umfangsseitigen Faltbereich der Spule.
Die Nutzung des achsnahen Bereiches dieser Spulen wird durch diese Erfindung
mit ihren Ausgestaltungsformen optimiert.
Die erfindungsgemäßen drahtgewickelten Ausgestaltungen entfalten
ihren Gewinn in der Anwendung einer weiteren gleichzeitig angemeldeten
Erfindung, einer speziellen Spulenwicklung. Denn bei den herkömmlichen
Luftspulen besteht das Problem, dass der Anfang des Leiters innerhalb
der Spule liegt und das Ende an ihrem Außenumfang der Spule. Hier
ist es notwendig das innenliegende Leiterende über das ganze Spulenbündel
hinweg z.B. zum axial sitzenden Kommutator zu leiten. Dies wird bisher
über den axialen Wickelkopf gemacht, der dann von dem Luftspalt ausgenommen
wird, weil sonst der gesamte Luftspalt um die Leiterdicke erweitert werden
müsste, was jedoch in beiden Fällen Verluste verursacht. Dieses
Problem hat man auch bei den hier vorgestellten, quer zur Bewegungsrichtung
ungefalteten, erfundenen Spulen, wenn man die Spuleninnenfläche ohne
Luftspalterweiterung nutzen will. Bei gefalteten Spulen besteht dieses
Problem zumeist nicht, weil diese Leiterführung in den meisten Ausführungen
im Faltbereich stattfinden kann. Durch die gleichzeitig mit dieser eingereichten
deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 wird dieses Problem
auf elegante Weise auch für die ungefalteten Spulen gelöst,
indem jeder Spule aus gegensinnig gewickelten Spulen, die deckungsgleich
zusammengesetzt und die Leiteranfänge innerhalb der beiden Spulenteile
miteinander verbunden werden, und so Stromein- und Stromausgang am Umfang
der Spule zugänglich sind.
Ein Verfahren der Wicklung der quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten
Spulen mit Leiterdraht wird mit einem speziellen Wickeldorn vorgenommen,
der einerseits die Spule in axialer Richtung des Wickeldornes beidseitig
begrenzt und andererseits in dieser Begrenzung Löcher aufweist, in
die die Wickelpfosten oder Wickelstifte während des Wickelvorganges
eingesetzt werden oder von außen durchgeschoben werden, wobei die
Löcher vorteilhafterweise in beiden axial gegenüberliegenden
Spulenbegrenzungen des Dornes ausgeführt sind, so dass die Stifte
durch die deckungsgleichen Löcher beider Begrenzungen geschoben werden
können. So sind im Falle der kreissegmentförmigen Spulen, am
Anfang des Wickelvorganges drei Pfosten im Zentrum der Spule fest eingebaut
oder ein Körper mit dreieckförmiger Schnittfläche ist zwischen
den Begrenzungen vorhanden. Während des Wickelvorganges werden die
Pfosten lagenweise vom Innenbereich der Spule zum Außenbereich axial
eingesetzt oder eingeschoben. Soll die Spule freitragend sein, wird sie
durch Erhitzen anschließend verfestigt (verbacken) oder sie wird
vergossen.
Der gleiche Wickelvorgang wird, in einer Ausgestaltung dieses Herstellungsverfahrens,
auf einem separaten Wickelkörper, auf dem Dorn sitzend, vorgenommen,
der die gleichen Löcher aufweist für die Stifte, wie die axialen
Spulenbegrenzungen des Dornes, wobei die Stifte in diesem Fall nach der
Wicklung vorzugsweise in der Wicklung bleiben. Um die fertige Spule oder
die Spule samt Wickelkörper zu entnehmen, ist die eine axiale Spulenbegrenzung
des Dornes abnehmbar.
Der Wickelvorgang für eine Spule, die nur einen umfangsseitigen Abschnitt
der Kreissegmentform belegt, wird im Unterschied zur kreissegmentförmigen
Spule mit 4 Stiften pro Spulenbündellage vorgenommen. Auch mehr Stifte
pro Lage sind in einer anderen Ausgestaltung ausgeführt, um beispielsweise
den umfangsseitigen Kreisbogen zu gestalten.
Die gleichen Wicklungsverfahren können angewendet werden für
die quer zur Bewegungsrichtung gefalteten Spulen mit z.B. beidseitiger
Achsannäherung, in dem die Spulen aufgeklappt in einer Ebene auf
einem rautenförmigen Wickelgrundkörper gewickelt und anschließend
in die Endform gefaltet und gepresst werden.
Die drahtgewickelten Spulen bieten durch die Löcher, wo beim Wickelvorgang
die Stifte platziert waren, die Möglichkeit der effektiven Kühlung,
in dem durch die Löcher Kühlmittel während des Betriebes
geleitet wird, so dass größere Stromdichten erreicht werden
können.
Einige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung und eine Herstellungsvorrichtung
werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben.
Figuren
Sie zeigen in
Fig.1 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und
in der rechten Hälfte erfindungsgemäße kreissegmentförmige
Spulen, mit ihren Polflächen, auf einer kreisförmigen Maschinenfläche
angeordnet; und in
Fig.2 einen axialen Querschnitt durch einen Wickelkörper eines Wickeldornes,
mit fertig gewickelter kreissegmentförmiger Spule, und in
Fig.3 vergleichsweise eine herkömmliche Spule 16 mit erfindungsgemäßen
Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel g der kreisförmigen
Maschinenfläche belegen, und in
Fig.4 vergleichsweise zu der herkömmlichen Spule 16 von Fig.3 weitere
erfindungsgemäße Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel
g der kreisförmigen Maschinenfläche belegen, und in
Fig.5 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und
in der rechten Hälfte erfindungsgemäße Spulenabschnitte
von gebogenen und/oder gefalteten Spulen, die sich der Achse nähern,
und in
Fig.6 und 7 zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine, die
die Vergleichsmaschine zu den erfindungsgemäßen Luftspulen
innerhalb der in Fig.8 bis 15 gezeigten Maschinen ist, wobei die Fig.6
einen Querschnitt durch Fig.7 und Fig.7 einen Schnitt entlang der Linie
I-I in Fig.6 darstellen, und in
Fig.8 und 9 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen
einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen
innerhalb dieser, wobei die Fig.8 einen Querschnitt durch Fig.9 und Fig.9
einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig.8 darstellen, und in
Fig.10 und 11 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen
einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen
innerhalb dieser, wobei die Fig.10 einen Querschnitt durch Fig.11 und
Fig.11 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.10 darstellen, und
in
Fig.12 und 13 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen
einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen
innerhalb dieser, wobei die Fig.12 in Fig.6 und 7, einen Querschnitt durch
Fig.13 und Fig.13 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.12 darstellen,
und in
Fig.14 und 15 vergleichsweise zu der Maschine in Fig.6 und 7, zwei Schnittdarstellungen
einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen
innerhalb dieser, wobei die Fig.14 einen Querschnitt durch Fig.15 und Fig.15
einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig.14 darstellen.
Fig.1: Zeigt verschiedene kreissegmentförmige Spulen für Axialfeldbereiche
und eine Nutzung über den vollen Segmentwinkelbereich g, die kreisförmig
als Teil einer Scheibenwicklung angeordnet sind. Zum Vergleich der Flächennutzung
sind herkömmlich gewickelte Spulen 1 auf der linken Kreishälfte
und deren Polfläche 13 zusammen mit der erfundenen gewickelten Spule
3 und deren Polfläche 10 auf der rechten Kreisfläche angeordnet.
Bei den herkömmlichen Spulen sind die großen ungenutzten Bereiche
7, 8 der Polfläche gut sichtbar, wobei die Leiter in diesen Bereichen
bogenförmig oder in Bewegungsrichtung verlaufen und damit, selbst,
wenn die Pole diese gesamte Spulenfläche abdecken, eine geringe Wirksamkeit
aufweisen. Denn ihre maximal wirksame Länge im achsnahen Bereich
ist begrenzt und wird nur in einem Punkt der Maschinendrehung (entlang
des Radius R1)wirksam und im Umfangsbereich nur im Bereich der in Bewegungsrichtung
verlaufenden geraden Leiter (Winkel a). Hingegen bei den erfindungsgemäßen
Spulen 3, verlaufen die Leiter in den Ecken der Kreissegmentform im wesentlichen
weiter gerade und sind damit hochwirksam, wobei die Kreissegmente der
Maschinenfläche in den Ecken voll genutzt werden, so wie auch die
maximal möglichen Polflächen bis hin in den achsnächsten
Bereich.
Weiterhin ist eine Wirksamkeitsberechnung (z.B. Spannungserzeugung im
Generatorbetrieb) für die Spulenseiten des äußeren Spulenbündels
eingezeichnet. Der Gewinn an wirksamer Leiterlänge ist im achsnahen
Bereich zwar größer als im Umfangsbereich, dafür sind
die Umfangsgeschwindigkeiten dort größer, so dass hier auch
nur kurze Gewinne von wirksamen Leiterlängen eine wesentliche Steigerung
der Effizienz der Maschine zur Folge haben.
So liefert beispielsweise beim äußeren Spulenbündel 31 der
Spule 3 der herkömmlich genutzte Polbereich 13 (bzw. Maschinenflächenbereich)
58,3% der Spannung, wohin gegen der erfindungsgemäße Spulenaufbau
zur Folge hat, dass im relativ langen Leitergewinn des achsnahen Bereiches
19,76% und im relativ kurzen Leitergewinn des Umfangsbereiches 21,94% der
Gesamtspannung dieses Spulenstranges erzeugt werden, und dies über
die volle Polweite. Dies entspricht vergleichsweise einem Spannungsgewinn
von 70% gegenüber dem entsprechenden äußeren Spulenbündel
der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13. Der Spulenausnutzungsgrad
der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13 beträgt x
Sp= 0,42 und bei Verwendung der Polfläche
14 aus Fig.4 x Sp=
0,59. Der Spulenausnutzungsgrad steigert sich erheblich durch die Verwendung
der Spule 3 mit der Polfläche 10 zu x
Sp= 0,74. Hinzu kommt, dass wesentlich mehr Maschinenfläche
und Polfläche auf effizientere Weise genutzt wird. Werden die Spulen
1 und 3 spulenbündelweise verglichen, ergibt dies, dass das äußere
Spulenbündel, welches bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) bis zum
achsnahen Bereich reicht und welches bei der Spule 1 einen weiten Bogen
außerhalb der Polflächen vollzieht, bei der Spule 3 eine 2,31
mal so große Leistung ergibt wie bei der Spule 1. Das zweite Spulenbündel,
welches als nächstes daran anschließend innen liegt, erreicht
bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) noch eine 1,78-fache Leistung gegenüber
dem gleichen Spulenbündel der Spule 1.
Das dritte Spulenbündel (33 bei Spule 3), welches dann als nächstes
daran anschließend innen liegt, ist bei beiden Spulen 1 und 3 gleich,
so dass es bei beiden eine gleich große Leistung erbringt.
Insgesamt hat die Spule 3 eine ca. 1,65-fach größere Leistung
als Spule 1, wobei 1,9 mal so viel Polfläche bei gleicher Maschinenfläche
belegt wird und 1,57 mal so viel Leiter innerhalb der gleichen Maschinenfläche
genutzt wird. Bei der Spule 4, die ein viertes Spulenbündel im Zentrum
nutzt, steigt die Leistungsamplitude noch einmal um 21,4% gegenüber
der von Spule 1 in diesem Spulenweitenbereich, so dass sich bei Spule
4 eine 1,84-fache Leistungsamplitude einstellt, ohne dass zusätzliche
Polfläche verwendet werden muss.
Außerdem wird in Fig.1 eine Ausgestaltung der Erfindung mit der
Spule 11 gezeigt. Die Verbesserungen treffen hier in abgeschwächter
Form zu.
Einfachheitshalber sind die Lagen der Spulen 3 und 11 hier, sowie auch in
den anderen Figuren, nicht spiralförmig gezeichnet, sondern konzentrisch.
Fig.2: Zeigt einen Querschnitt durch die Spulenhalterung eines Wickeldornes
16, zwischen einer fertig gewickelten Spule 3 und Halterungsrahmen, der
als axiale Spulenbegrenzung wirkt und abnehmbar ausgeführt ist (hier
nicht sichtbar), wobei der Betrachter in axialer Richtung des Wickeldornes
blickt. Hier sind die Stifte 17 der Wickelvorrichtung gut sichtbar, um
die die Spulen mit jeweils mehreren axialen Lagen gewickelt sind, wobei
der andere Halterungsrahmen 19 sichtbar ist.
Fig. 3
Fig.3: zeigt Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel g belegen.
Neben der herkömmlichen Spule 16 mit der Polfläche A, die in
Motoren von Diskettenlaufwerken eingesetzt wird, sind erfindungsgemäße
Spulen zu sehen. Es sind weitere Polflächen B, C hier schraffiert
hervorgehoben zu sehen, die für die erfindungsgemäßen
Spulen in Fig.3 und Fig.4 gelten.
Die Spule 9 ist eine Spule, die nur im Winkelbereich a genutzt wird, was
bei Mehrphasenmotoren der Fall ist, da so ein konstantes Drehmoment gewährleistet
ist. Die Spule ist für diese Anwendung optimiert (ähnlich, wie
die Spule 43 in Fig.4) in dem die Innenleiter und/oder Innenleiterlage
der Spulenseiten auf dem Radius liegt und die anderen Spulenseiten dazu
außen parallel versetzt eng anliegen. Eine weitere Besonderheit
der Spule 9 ist die Nutzung des achsnahen Bereichs im Rahmen der Motoranwendung.
Da im Winkelbereich a das Drehmoment konstant sein soll, dürfen hier
keine wirksamen Leiteranteile liegen, so dass die Spulenseiten, die parallel
versetzt zum Außenleiter, der sich an den Radius anlehnt, beim Erreichen
des Winkelbereiches g abknicken und in Verbindungsleiter übergehen.
Auf diese Weise wird der achsnahe Bereich optimal im Rahmen der Anwendung
in einer Mehrphasenmaschine genutzt.
Die Spule 6 und die Spule 28 nutzen den achsnahen Raum in gleicher Weise.
Sie nutzen jedoch den Umfangsbereich unterschiedlich. So sind in der Spule
6 drei Wickelpfosten in dem Spulenbündel zumindest bei der Wicklung
eingefügt, wodurch erreicht wird, dass die äußeren Windungen
und/oder Windungslagen über einen größeren Winkelbereich,
als den des Winkels a, ihre volle wirksame Leiterlänge beitragen.
Dadurch sinkt zwar die Leistung im Winkelbereich a der Spule, jedoch steigt
die Gesamtleistung der Spule. Diese Spule 6 ist für eine Mischanwendung
z.B. eine Motoranwendung im Winkelbereich a und eine Generatoranwendung
über den vollen Winkel g geeignet. Die Spule 28 ist auch für
solche Mischanwendungen und schwerpunktmäßig für eine
Generatoranwendung mit begrenzter maximaler Ausgangsspannung konzipiert.
Das Leistungsvermögen über den vollen Winkel g dieser Spule
28 ist gegenüber der von Spule 6 noch erhöht, da die Spulenseiten
die volle Segmentwinkelbreite mit ihrer vollen wirksamen Leiterlänge
nutzen. Der Dachwert der Leistung im Winkelbereich a ist jedoch kleiner
als der von Spule 6.
Spule 27 ist mit der Spule 28 vergleichbar, die jedoch gegenüber
dieser, nur einen äußeren Abschnitt des Kreissegments der Maschine
nutzt. Auch hier ist die Gesamtleistung der Spule über den vollen
Winkel g vergleichsweise zu Spule 16 und auch zur Spule 12 hoch.
Spule 12 entspricht der Spule 6, nur dass, wie in Spule 27 und Spule 12
nur ein äußerer Teil der Maschinenfläche genutzt wird.
Die in Spule 12 und Spule 27 eingefügten Wickelpfosten im achsnahen
Bereich bewirken, dass die äußeren Leiter und/oder Leiterlagen
der Spulenseiten in einem größeren Winkelbereich aktiv Nutzen
bringen.
Fig. 4
Fig.4 zeigt mit der Spule 43 eine für die Mehrphasenanwendung bzw.
für die Teilwinkelnutzung innerhalb des Winkels a konzipierte Spule.
Im Unterschied zur vergleichbaren Spule 9 in Fig.3, wird hier der achsnahe
Maschinenbereich nicht genutzt. Gegenüber der herkömmlichen
Spule 16 ist diese Spule 43 wesentlich leistungsstärker, da für
den gleichen Nutzwinkelbereich a die gleiche wirksame Länge bei jedoch
wesentlich verkürzter Windungslänge erreicht wird.
Mit den Spulen 30,25,26 sind Spulen für Mischanwendungen mit Nutzung
des axialen Bereichs gezeigt.
Die Besonderheit der Spule 30 ist die, dass die mittlere Windung des gesamten
Spulenseitenbündels, in ihrem umfangsseitigen Teil, auf dem Radius
liegt und die anderen Spulenseiten dazu parallel versetzt. Die Spulenseiten
nutzen die maximale radiale Ausdehnung. Im Umfangsbereich wurde dies durch
Aufteilung in drei Spulenbündel erreicht, die z.B. um unterschiedliche
Wickelpfosten gewickelt wurden. Der achsnahe Bereich entspricht der, von
Spule 9. Aufgrund der breitwinkligen umfangsseitigen Spulennutzung ist
der Nutzungsbereich außerhalb des Winkels a gestärkt, was bei
einem generatorischen Betrieb über den vollen Kreissegmentwinkel
g eine höhere Leistung ergibt als bei der Spule 6.
Die Besonderheit der Spule 25 liegt in der umfangsseitigen Aufteilung
der Spulenseiten in die Spulenbündel 37,38,39, ähnlich, wie
bei der Spule 30. Im Unterschied dazu verlaufen die Spulenseiten der Bündel
entlang verschiedenen Radien, wobei der innere Leiter und/oder die innere
Leiterlage eines jeden Spulebündels innenseitig an den Radius anliegt.
Auf diese Weise ist der Verlauf jedes Spulenbündels den Idealbedingungen
bei einer Nutzung des vollen Segmentwinkels g sehr nahe. Das gleiche gilt
auch für die Lage der Spulenbündel im Außenbereich der
Spulen 26 und 29, wobei in Spule 26 die vergleichbaren Spulenbündel
37,38,39 mit ihrer mittleren Windung auf dem Radius liegt und bei der
Spule 29 jedes Spulenbündel mit der äußeren Windung sich
an den Radius anlehnt. Wie zu sehen ist steigt die Flächennutzung
des Kreissegments im Umfangsbereich mit der Spule 25 beginnend, über
die Spule 26 hin zur Spule 29. Je größer diese Flächennutzung
bei der Spule in Bewegungsrichtung ist, desto mehr ist sie schwerpunktmäßig
auf den Betrieb über den vollen Segmentwinkel g ausgelegt und desto
geringer ist die Motorleistung bei einer Nutzung nur über den Winkel
a. Die Spule 29 ist ebenfalls im achsnahen Bereich für diesen Betrieb
ausgelegt und deshalb für eine Generatoranwendung wie z.B. zur Batterieladung
prädestiniert.
Die Spule 5 zeigt im Umfangsbereich die gleich Nutzung, wie die Spule
25 und im achsnahen Bereich die gleiche, wie die der Spule 43. Somit ist
auch die Spule 5 für eine Mischanwendung geeignet.
Fig. 5
Fig.5: zeigt in ähnlicher Weise wie Fig.1 einen Vergleich von Spulenbereichen,
die sich der Achse nähern, zwischen herkömmlich gefalteten Spulen
23 und der erfindungsgemäßen Spule 21. Hier ist der Gewinn
im achsnahen Bereich der Spulenwindungen und in der Maschinenflächennutzung
zu sehen. Zum Beispiel liefert das äußere Spulenbündel
des dargestellten Spulenabschnittes der Spule 21 im gewonnenen axialen
Bereich ca. 20% seiner Leistung und das entspricht einem Spannungszuwachs
von ca. 25% gegenüber dem gleichen Spulenbündel der Spule 23
mit der Polform 14. Der Spulenausnutzungsgrad des dargestellten Spulenabschnittes
der Spule 23 mit der Polfläche 14 liegt bei x Sp= 0,82 und bei der
Spule 21 bei x Sp= 0,98.
Die Spule 22 zeigt im achsnahen Bereich die gleiche Nutung wie die Spule
21 und im Umfangsbereich eine Nutung ähnlich der von Spule 29 in
Fig.4, die auf im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen
angewendet wurde.
Außerdem wird der Spulenabschnitt der Spule 20 gezeigt, für
den die Vorteile der Spule 21 in abgeschwächter Form gelten.
In den Figuren 6 bis 15 ist die erfindungsgemäße achsnahe
Nutzung der Spulen auf Einzelspulen einer Drehstromwicklung einer Doppel-Scheibenmaschine
(Scheibenmaschine mit beidseitiger Achsannäherung) der Patentanmeldung
PCT WO 00/30238 angewendet.
Fig.6 und 7 zeigen Schnittansichten einer Doppel-Scheibenmaschine mit
einer Dreiphasenwicklung bestehend aus Einzelluftspulen. Wie bei herkömmlichen
Scheibenmaschinen ist die Achsannäherung auch hier begrenzt und die
Verbindungsleiter verlaufen als Wickelköpfe außerhalb des Magnetfeldes.
Die Spule 36 hat an sich schon einen sehr hohen Spulenausnutzungsgrad
von
x Sp=0,5793. Eine vergleichbare
Spule einer herkömmlichen Scheibenwicklung mit einem Wickelkopf im
Umfangsbereich hat dagegen nur einen Spulenausnutzungsgrad von x
Sp=0,34314. In Fig.7 ist eine Polfläche
35 schraffiert hervorgehoben.
Fig.8 und 9 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der Maschine
von Fig. 6 und 7, in der der achsnahe Bereich durch die Spulen 39 und
eine vergrößerte Polfläche 35 genutzt wird. Innerhalb
des Winkels a sind die Maschinenwerte dieser Spule konstant. In Fig.8
ist ersichtlich, dass auch der achsnahe Bereich mit Magnetpolen belegt
ist, die die doppelte Polhöhe haben, um den erweiterten Luftspalt
der sich überlappenden Spulen auch mit einem starken Feld auszustatten.
Die Magnetpolfläche steigt dadurch um 32% und das Magnetvolumen um
64% gegenüber der der Maschine in Fig. 6 und 7, wobei aber ein Leistungsgewinn
von 60% bei einer Steigerung des Spulenausnutzungsgrades von 43% zu verzeichnen
ist.
Fig.10 und 11 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der Fig.8
und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 40 genutzt wird. Die
Besonderheit hier gegenüber der Spule 39 liegt darin innerhalb eines
Winkels von a=30° keine wirksamen Leiteranteile zu haben, damit die
Maschinenwerte innerhalb dieses Winkels konstant sind. Dies wird durch
die in Fig.3 zur Spule 9 beschriebenen Technik erreicht. Dadurch mindert
sich der Spulenausnutzungsgrad gegenüber der Spule 39 geringfügig.
Fig.12 und 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante
der Fig.8 und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 41 ähnlich,
wie durch die Spule 39 in Fig. 9, genutzt wird. Darüber hinaus wird
auch der Umfangsbereich optimiert auf einen Nutzungswinkel von a=30°
effizienter genutzt, in dem der innere Leiter und/oder die innere Leiterlage
der Spule 41 an den Radius angelehnt ist. Durch diese Veränderung
passiert ein weiterer positiver Effekt gegenüber der Spule 39 oder
der Spule 40, der darin besteht, dass Freiräume zwischen den Spulen
geschaffen werden.
Diese Freiräume werden wie in Fig.14 und 15 gezeigt durch eine kleine
Spule 42 genutzt.
Diese Spule selbst hat einen Spulenausnutzungsgrad von x Sp=0,77 und bringt
in ihrem Winkelbereich eine erhebliche Leistungssteigerung, wenn sie mit
der Hauptspule 41 sich ergänzend zusammengeschaltet wird. Die Spule
42 kann aber auch zur Leistungsminderung der Leistung der Spule 41 eingesetzt
werden, wenn die hohe Leistung der Spule 41 von der Leistungselektronik
nicht nutzbringend eingespeist werden kann oder deren hohen Werte eine
Zerstörung verursachen kann, sondern durch eine aufwendige äußere
Zuführung eines entgegengesetzten Stromes gedrosselt wird, was den
Wirkungsgrad der Maschine erheblich mindert. Das würde bei dem Einsatz
der Spule 42 als Leistungsminderer nicht der Fall sein.
Des weiteren können alle Varianten der Umfangsbereichsnutung und
der Nutzung des achsnahen Bereichs kombiniert werden.
Zusammenfassung
Bei der Erfindung handelt es sich einerseits um verschiedene Arten der
Gestaltung von Luftspulen, die innerhalb von rotierenden elektrischen
Maschinen vollkommen vom magnetischen Feld durchdrungen werden, wobei
die Luftspulen sich mindestens einseitig der Maschinenachse oder -welle
annähern und andererseits um deren Herstellungsverfahren.
Diese Gestaltung führt zu hocheffizienten elektrischen Maschinen
mit höchster Materialausnutzung, höchstem Wirkungsgrad und höchstem
Drehmoment bei Motoren und höchsten Spannungen bei Generatoren, sowie
zu höchster elektrischer oder mechanischer Leistung.
Die Erfindung basiert auf die von Faraday erforschten Idealbedingungen
für die direkte Energieumsetzung zwischen magnetischem Feld und elektrischem
Leiter, wobei die Idealbedingungen in den Spulen, für verschiedenen
Betrieb der Spulen in Abhängigkeit von der Anwendung jeweils in einem
Höchstmaß umgesetzt sind. Bei dem unterschiedlichen anwendungsbezogenen
Betrieb handelt es sich darum, ob die Spule über ihre volle Spulenweite
aktiv ist oder nur innerhalb eines Winkels davon.
Das Wesen der Erfindung ist die volle Nutzung der Maschinen- und/oder
Polfläche in radialer Richtung insbesondere im Umfangsbereich und
im achsnahen Bereich und die anwendungsbezogene optimale Nutzung der Maschinen-
und Polfläche in Bewegungsrichtung mit Leitern hoher Wirksamkeit.
Figur zur Zusammenfassung: Fig.4
Neue Patentansprüche
vom 26.02.03
1. Luftspule (3) innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, die
als Einzelspule aus Draht gewickelt ist und deren Spulenseiten im Luftspalt
sich mindestens einseitig der Achse oder Welle nähern und bei diesen
elektrischen Maschinen sich vorzugsweise magnetische Pole alternierend
im gleichen Abstand um eine Achse (24) oder Welle (1) gruppieren, die
rechtwinklig zum Luftspalt vorzugsweise axial magnetisiert sind und die
axial den Luftspulen gegenüberliegen, die ebenfalls konzentrisch
in etwa im gleichen Abstand zur Achse angebracht sind, wie die magnetischen
Pole (10 oder 13 oder 14), und axial gesehen die magnetischen Pole in
radialer Richtung die gleiche Fläche abdecken, wie die Luftspulen,
die vom Magnetfeld der Pole durchdrungen werden, und die magnetischen
Pole relativ zu den Spulen (3) rotieren, und jede Luftspule bei maximaler
Energieumsetzung gleichzeitig im Wirkungsbereich beider, mindestens einseitig
von der Spule angebrachter, entgegengesetzter magnetischer Pole verläuft,
sie als ganze Spule oder Spulenteil in Kreissegmentform, Dreiecksform
oder eines Abschnittes davon, als Einzelspule ausgeführt ist, wobei
die Spulenseiten im sich der Achse oder Welle annähernden Bereich,
im wesentlichen radial oder radial projiziert verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftspule (3) so ausgeführt ist, dass die äußeren
Spulenseiten jeder Spule, mindestens als Einzelleiter, an ihren beiden
Enden, ihren, im wesentlichen radialen oder radial projizierten, Verlauf
kontinuierlich bis zum äußeren, achsseitigen und/oder umfangsseitigen
Randbereich oder bis zu den beiden äußeren achsseitigen Randbereichen,
der zur Verfügung stehenden Maschinenfläche oder eines Abschnittes
von ihr, fortsetzen, und sie an diesem Randbereich durch einen scharfen
Knick oder Richtungswechsel in Leiter übergehen, die jeweils zwei
Spulenseiten miteinander verbinden und die im wesentlichen in Bewegungsrichtung
verlaufen, und/oder die Spulenseiten im Achsbereich eine Biegung in einem
stumpfen Winkel vollziehen und danach im wesentlichen parallel oder parallel
versetzt zu dem Radius weiter Richtung Achse verlaufen,
und/oder die Spulenseiten im Achsbereich einen sehr scharfen Knick oder
eine enge Kurve vollziehen und danach direkt im wesentlichen auf einen
anderen Radius oder auf einer Projektion von diesem verlaufen, der bei
maximaler Energieumsetzung im Wirkbereich des entgegengesetzten Poles
(10 oder 13 oder 14) liegt,
und die in Umfangsrichtung, benachbart liegenden Spulenseiten der Spule
in ähnlicher Weise verlaufen, so weit die sie umgebenden Spulenseiten
oder ein Raum innerhalb des Winkels a, der frei von Spulenseiten bleiben
soll das zulassen und die Grenze für deren Ausdehnung bilden.
2. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen nach dem
Oberbegiff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Luftspule mehrere zueinander in Luftspaltebene versetzt liegende
Leiterwindungen und/oder Leiterwindungslagen umfasst und dass die Spulenseiten
der inneren Leiter und/oder Leiterlage auf dem Radius liegen oder sich
an diesen anschmiegenund alle äußeren Leiter und/oder Leiterlagen
so eng wie möglich an den inneren Leiter oder die innere Leiterlage
herangewickelt sind und die Windungen innerhalb eines Winkels a, auf dessen
Schenkeln die inneren Leiter und/oder Leiterlagen liegen, keine wirksamen
Leiteranteile, sondern nur unwirksame Verbindungsleiter der Spulenseiten,
enthält.
3. Luftspule innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem
der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der
Spule mehrere die Spulenachse betreffende, radial zueinander versetzt
liegende, sich berührende Leiter oder Leiterlagen als Spulenbündel
einer Leiterschicht oder als Spulenbündel mehrerer Leiterschichten
die maximale umfangsseitige und/oder achsseitige radiale Ausdehnung vollziehen.
4. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im achsnahen
Bereich die Leiter oder die Leiterlagen der Spulenseiten entlang eines
Radius und somit in unterschiedlichem Abstand zur Maschinenachse, in einem
kurzen Bogen abknicken und in Verbindungsleiter, die in Bewegungsrichtung
verlaufen, über gehen.
5. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, nach
einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter
oder Leiterbündel sich bezogen auf unterschiedliche Radien dem Umfangsbereich
Bereich nähern in dem
- der Innenleiter oder die innere Leiterlage auf dem Radius liegt und
die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels dazu
parallel versetzt außen daran angeschmiegt liegen oder
- der Mittelleiter oder die mittlere Leiterlage auf dem Radius liegt und
die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels dazu
parallel versetzt innen und außen daran angeschmiegt liegen oder
- der Außenleiter oder die äußere Leiterlage auf dem
Radius liegt und die anderen Leiter- oder Leiterlagen des gleichen Spulenbündels
dazu parallel versetzt innen daran angeschmiegt liegen.
6. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb
von rotierenden elektrischen Maschinen, nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule auf einen Wickeldorn
(16) gewickelt wird, dessen Wickelgrundkörper von zwei axial zueinander
versetzten Körpern (19), vorzugsweise in Plattenform, begrenzt ist,
die über dessen Querschnittsfläche hinaus ragen, und einen Wickelraum
begrenzen zur Aufnahme der zu wickelnden Spule oder eines entnehmbaren
Wickelkörpers als Träger für die zu wickelnde Spule, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Wickelgrundkörper des Dornes eine kreissegmentförmige oder
kreissegmentabschnittsförmige oder rautenförmige Querschnittsfläche
im Radialschnitt hat oder Stifte (17), die so angeordnet sind, dass sie
beim Wickelvorgang eine solche Querschnittsfläche in der Mitte der
Spule freihalten, wobei die plattenförmigen Begrenzungen (19), sowie
auch der entnehmbare Wickelkörper, wenn er verwendet wird, axial
deckungsgleich sind und Löcher aufweisen, in die beim Wickelvorgang
lagenweise vom Innenbereich der Spule zum Außenbereich dieser, Wickelstifte
oder -pfosten (17) axial eingesetzt oder durchgeschoben werden, um die
ein oder mehrere Spulenlagen gewickelt werden, bevor wieder eine Lage
Stifte in die Ecken der nächst größeren kreissegmentförmigen
Spulenfläche in Achsnähe und/oder im Umfangsbereich der Spule
eingesetzt oder eingeschoben werden.
7. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb
von rotierenden elektrischen Maschinen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die erfindungsgemäße Spule (z.B.(3) oder (11)) direkt
auf dem Dorn oder nachdem sie vorfixiert ist und vom Dorn, durch Abnehmen
einer Begrenzung (19), entfernt wurde, zu einer selbsttragenden Spule
verbacken oder vergossen wird.
8. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Luftspulen aus Leiterdraht innerhalb
von rotierenden elektrischen Maschinen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die erfindungsgemäße Spule (z.B. 3,11,20 oder 21) auf
dem Dorn vorfixiert wird, vom Dorn, durch Abnehmen einer Begrenzung (19),
genommen wird, und anschließend durch eine formgebende Einrichtung
dem, in und/oder quer zur Bewegungsrichtung, gebogenen oder gefalteten
Luftspalt entsprechend in Form gebracht wird, und sie anschließend
die Endfixierung vorzugsweise durch verbacken erhält oder sie vergossen
wird.
9. Luftspule, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen und deren
Herstellungsverfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spulen aus, in der gleichzeitig angemeldeten
deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 vorgestellten,
axial zueinander versetzten einschichtigen, abwechselnd links- und rechtsgewickelten
Teilspulen besteht und/oder
die Spulen nach einem der in der gleichzeitig angemeldeten deutschen Patentanmeldung
Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 vorgestellten Herstellungsverfahren gewickelt
werden, wobei anstatt mit Wickelpfosten auch Abstandshalter (z.B. in Form
eines einschaligen Rotationshyperboloid mit der Höhe des Drahtdurchmessers)
zwischen den Leitern in jeder Leiterlage separat und verbleibend eingeführt
werden können.
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