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Title:
ROTATING ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/084658
Kind Code:
A9
Abstract:
The aim of the invention is to produce an electric machine with very low iron loss, close to zero, for use in particular as a wind generator, lift drive or motors in electric vehicles. The rotating electric machine in a number of variants comprises, in one variant, a rotatably mounted winding body (1), preferably as a cylindrical winding (1) without sheet metal inserts between two tubes (2, 3), an inner tube (2) and an outer tube (3). The inner tube (2) and the outer tube (3) are mechanically connected and fixed together. The inner tube (2) comprises on or in the outer circumference, permanent magnets (4) as a field generators. An air gap (δ2) is formed between the permanent magnets (4) of the inner tube (2) and the winding (1) and an air gap (δ1) is formed between the winding (1) and the outer tube (3). A ceramic support (10) preferably in the form of a ceramic tube (10) with a continuous insertion gap (11) is arranged within the winding (1), the insertion gap (11) can be closed by a ceramic rod (12) or a plastic element (12).

Inventors:
BLOCHER, Hans-Joachim (Am Argenwuhr 10, Wangen im Allgäu, 88239, DE)
Application Number:
DE2016/100542
Publication Date:
August 17, 2017
Filing Date:
November 22, 2016
Export Citation:
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Assignee:
BLOCHER, Hans-Joachim (Am Argenwuhr 10, Wangen im Allgäu, 88239, DE)
International Classes:
H02K1/17; H02K1/27; H02K3/47; H02K21/10; H02K21/14; H02K21/22; H02K21/26; H02K23/56
Attorney, Agent or Firm:
WEISSFLOH, Ingo (Prellerstr. 26, Dresden, 01309, DE)
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Claims:
Schutzansprüche

1. Rotierende elektrische Maschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein drehbar gelagerter Wickelkörper (1) vorzugsweise als zylinderförmige Wicklung (1) ohne Blecheinlagen zwischen zwei Röhren (2, 3), einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (3), angeordnet ist, wobei das Innenrohr (2) und das Außenrohr (3) miteinander mechanisch verbunden und ortsfest sind und das Innenrohr (2) am oder im Außenumfang Permanentmagnete (4) als Felderzeuger besitzt, zwischen den Permanentmagneten (4) des Innenrohrs (2) und dem Wickelkörper (1) ein Luftspalt (52) und dem Wickelkörper (1) und dem Außenrohr (3) ein Luftspalt (öl) besteht .

2. Rotierende elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein feststehender Wickelkörper (1) vorzugsweise als zylinderförmige Wicklung (1) ohne Blecheinlagen zwischen zwei Röhren (2, 3) , einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (3) , angeordnet ist, wobei das Innenrohr (2) und das Außenrohr (3) miteinander mechanisch verbunden und drehbar um die Wicklung (1) gelagert sind und das Innenrohr (2) am Außenumfang

Permanentmagnete (4) als Felderzeuger besitzt, zwischen den Permanentmagneten (4) des Innenrohrs (2) und dem Wickelkörper (1) ein Luftspalt (52) und dem Wickelkörper (1) und dem

Außenrohr (3) ein Luftspalt (öl) besteht.

3. Rotierende elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein feststehender Wickelkörper (1) vorzugsweise als zylinderförmige Wicklung (1) ohne Blecheinlagen zwischen einem Außenrohr (3) als Aluminiumrohr (13) oder Keramikrohr (13) und einem Blechkörper (9) angeordnet ist, wobei das Aluminiumrohr (13) oder Keramikrohr (13) tangential angeordnete Permanentmagnete (4) und zwischen den Permanentmagneten (4) Magnetfeldlinienleitkörper (14) besitzt und die

Permanentmagnete (4) so angeordnet sind, dass gleiche Pole sich gegenüber stehen und zwischen dem Außenrohr (3) und der Wicklung (1) ein Luftspalt (52) und der Wicklung (1) und dem Blechkörper (9) ein Luftspalt (öl) besteht,

4. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass innerhalb der Wicklung (1) ein Keramikträger (10), vorzugsweise in Form eines Keramikrohres (10) mit einem durchgehenden Einlegespalt (11) angeordnet ist, wobei der Einlegespalt (11) mit einem Keramikstab (12) oder

Kunststoffelement (12) verschließbar ist.

5. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Keramikrohr (10) auf seiner Oberfläche auf der

Innenseite und/oder Außenseite Noppen, Stege, Nuten, Stifte oder andere Fixier elemente besitzt.

6. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Permanentmagnete (4) auf oder in der Innenseite des Außenrohres (3) angeordnet sind. 7. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Permanentmagnete (4) tangential ausgerichtet sind.

8. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass an den Außenseiten der Permanentmagnetreihen, auch von Permanentmagnetreihe zu Permanentmagnetreihe, Magnetfolien (5) angebracht sind.

9. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wickelkörper (1) vorzugsweise aus Backlackspulen besteht, der Wickelkörper (1) mit seiner Oberlage auf dem Keramikrohr (10) und mit seiner Unterlage im Keramikrohr (10) liegt oder Ober läge und Unterlage nebeneinander und in Lagen auf dem Außenumfang des Keramikrohres (10) angeordnet ist.

10. Rotierende elektrische Maschine nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gesamte Wicklung (1) oder nur der Wickelkopf (6) auf der Antriebsseite mit einem faserverstärkten Kunststoff (7) kompakt umgössen ist oder die Wicklung (1) am Außenumfang mit einer Glasfaserbandage versehen ist und/oder die Wicklung (1) mit dem Keramikrohr verklebt ist.

Description:
Rotierende elektrische Maschine

Rotierende elektrische Maschine vorzugsweise zum Einsatz als Windgenerator, Aufzugsantr ieb oder Fahrzeugantrieb.

In der DE 199 43 783 AI wird ein Läufer einer elektrischen Maschine mit einer Zylindermantelfläche beschrieben, der aus einem Innenrohr und aus einem Außenrohr mit

dazwischenliegender thermischer Isolation besteht. Dieser mechanische Aufbau dient vor Allem der Lösung thermischer

Probleme, da dieser Läufer die Lösung für einen supraleitenden Läufer mit HTS -Mater ialien beschreibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit sehr geringen Eisenverlusten, nahe Null, zu schaffen, für eine Verwendung insbesondere als Windgenerator, Aufzugsantr ieb oder Motoren in Elektrofahr zeugen .

Die Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des

Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Bei einer ersten Variante ist ein drehbar gelagerter

Wickelkörper zwischen zwei Stahlröhren, einem Innenrohr und einem Außenrohr, angeordnet. Diese Wicklung enthält keine Blecheinlagen. Das Innenrohr und das Außenrohr sind mechanisch miteinander verbunden und stehen fest. Am Außenumfang des Innerohrs bzw. auf der Innenseite des Außenrohres sind

Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfeldes angeordnet.

Bei der zweiten Variante ist der Wickelkörper zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr feststehend und die beiden

miteinander verbundenen Rohre sind drehbar gelagert.

Der magnetische Fluss beginnt bei den Permanentmagneten und geht durch den Luftspalt 52, weiter durch den Wickelkörper, den anschließenden Luftspalt öl bis zum Außenrohr und von dort um eine Polteilung versetzt wieder zurück zu den

Permanentmagneten. Das umlaufende Magnetfeld kann keine Verlustspannung erzeugen. Magnetfeld und Innenrohr und

Außenrohr bewegen sich synchron. Hierdurch ergibt sich keine Flussänderung in jedem Eisenbezirk und somit keine Spannung und keine Verlustleistung.

Bei der Anordnung der Permanentmagnete am Außenrohr ist die magnetische Streuung (Pol/Pol) wegen der

Geometrie ungünstiger . Zur Reduzierung der Streuung des Magnetfeldes können an den Außenseiten der Permanentmagnetreihen Magnetfolien angebracht sein .

Der Wickelkörper ist vorzugsweise aus Backlackspulen aufgebaut und erreicht somit neben dem zylindrischen Aufbau eine sehr hohe Festigkeit.

Zur weiteren Erhöhung der Stabilität der Wicklung ist es möglich einen Keramikträger, z. B. in Form eines

Keramikrohres, innerhalb der Wicklung anzuordnen. Das

Keramikrohr besitzt einen Einlegespalt, über den die einzelnen Spulen eingefügt werden können, d. h. die Spulen werden auf das Keramikrohr über den Einlegespalt aufgeschoben. Somit entstehen eine Ober läge und eine Unterlage der Wicklung. Die Verbindungen der Spulen je Phase können vorteilhaft fix ausgeführt sein. Hierdurch sind wesentliche Einsparungen bei der Herstellung der kompletten Wicklung erzielbar. Auf dem Keramikrohr können Noppen, Stege, Nuten, Stifte oder andere Fixier elemente zur Fixierung der Spulen vorgesehen sein. Die Stege werden z. B. erst nach dem Einlegen der Spulen in die dafür vorgesehenen Nuten oder die Stifte werden durch Löcher im Keramikrohr eingeschoben. Die Stege und Stifte bestehen wie das Keramikrohr aus einem nichtmagnetischen Material und sind elektrisch nicht leitend. Nach Beendigung des Einlegens der Spulen kann der Einlegspalt z. B. mit einem Keramikstab oder mit einem Kunststoffelement verschlossen werden. Über den Außenumfang der kompletten Wicklung mit Keramikrohr kann zur weiteren Stabilitätserhöhung eine Glasfaserbandage vorgesehen werden. Die Wicklung kann auch mit dem Keramikrohr verklebt sein .

Der Wickelkopf des Wickelkörpers auf der Antriebsseite ist vorteilhaft mit einem faserverstärkten Kunststoff, wie z. B. Glasfasern oder Karbonfasern mit Epoxidharz, umgeben und verleiht damit diesem Bauteil eine ausreichende Festigkeit als Verbindungselement zu einer Antriebseinheit, z. B. einem

Flügelrad .

Bei einer weiteren Variante ist ein feststehender Wickelkörper vorzugsweise als zylinderförmige Wicklung ohne Blecheinlagen zwischen einem Außenrohr, bestehend aus einem Aluminiumrohr oder Keramikrohr also aus einem nichtmagnetischen Material und einem Blechkörper angeordnet. Das Aluminiumrohr oder

Keramikrohr besitzt tangential angeordnete Permanentmagnete. Zwischen den Permanentmagneten sind Magnetfeldlinienleitkörper angeordnet, die die Feldlinien durch die Wicklung in Richtung Blechkörper leiten. Die Permanentmagnete sind so angeordnet, dass gleiche Pole sich gegenüber stehen. Zwischen dem

Außenrohr und der Wicklung besteht ein Luftspalt und der

Wicklung und dem Blechkörper ein weiterer Luftspalt.

Der Wickelkörper liegt mit seiner Oberlage auf dem Außenumfang des Keramikrohrs auf und mit seiner Unterlage im Keramikrohr . Es ist jedoch auch möglich, dass die Ober läge und Unterlage nebeneinander und in Lagen auf dem Außenumfang des

Keramikrohres angeordnet sind, so ähnlich, wie herkömmliche in Nuten verlegte Wicklungen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den

Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher

beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinziphafte Schnittdarstellung der Variante mit einem gelagerten Wickelkörper und feststehendem Innenrohr und Außenrohr ,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Variante mit einem

feststehenden Wickelkörper zwischen Innenrohr und Außenrohr, welche miteinander mechanisch verbunden und drehbar gelagert sind,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung der Maschine quer zur Längsrichtung mit einer tangentialen Anordnung der

Magnete,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der Maschine quer zur Längsrichtung mit einer tangentialen Anordnung der Magnete und einem Keramikrohr innerhalb der Wicklung und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der Maschine quer zur Längsrichtung mit einem nichtmagnetischen Außenrohr aus

Aluminium oder Keramik mit einer darin liegenden feststehenden Wicklung mit einem Keramikrohr als Wicklungskern und im

Zentrum mit einem Blechpaket.

In einer ersten Variante, wie in Figur 1 dargestellt, ist ein drehbar gelagerter Wickelkörper 1 zwischen zwei Stahlröhren 2 und 3, einem Innenrohr 2 und einem Außenrohr 3, angeordnet. Das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3 sind miteinander über eine mechanische Verbindung 8 mechanisch verbunden und ortsfest. D. h. das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3 sind mit dem

Maschinengrundkörper verbunden. Die mechanische Verbindung 8 ist dabei vorteilhaft nichtmagnetisch ausgeführt. Das

Innenrohr 2 besitzt am Außenumfang Permanentmagnete 4 als Felderzeuger. Zwischen den Permanentmagneten 4 des Innenrohrs 2 und dem Wickelkörper 1 ist ein Luftspalt 52 und dem

Wickelkörper 1 und dem Außenrohr 3 ist ein weiterer Luftspalt öl vorhanden. Der Wickelkörper 1 ist vorzugsweise als

zylinderförmige Wicklung 1 ohne Blecheinlagen aus

Backlackspulen geformt. Der Wickelkopf 6 der Wicklung 1 bzw. die gesamte Wicklung 1 ist vorteilhaft mit einem

faserverstärkten Kunststoff 7 umgössen. Hierdurch kann die

Wicklung 1 über einen Adapter direkt mit einem Antriebsorgan, z. B. einem Flügelrad, verbunden sein.

In einer weiteren Variante, wie m Figur 2 dargestellt, ist der Wickelkörper 1 feststehend ausgeführt. Das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3, ebenfalls mechanisch über eine mechanische Verbindung 8 miteinander verbunden, sind gelagert und können sich um den Wickelkörper 1 drehen. Alle Details sind wie bei der ersten Variante ausgeführt.

Die Permanentmagnete 4 können auch an der Innenseite des

Außenrohres 3 angeordnet sein.

An den Außenseiten der Permanentmagnete 4, auch von

Permanentmagnetreihe zu Permanentmagnetreihe, können

Magnetfolien 5 zur Reduzierung der Streuung des Magnetfeldes angeordnet sein.

Der Magnetfluss verläuft in der ersten Variante beginnend an den Permanentmagneten 4 durch den Luftspalt ö2, weiter durch den Wickelkörper 1, dann durch den zweiten Luftspalt öl bis in das Außenrohr 3 und von da um eine Polteilung versetzt wieder zurück zu den Permanentmagneten 4. Das Magnetfeld und die Stahlrohre 2 und 3 bewegen sich synchron. Dadurch ergibt sich keine Flussänderung in jedem Eisenbezirk und somit keine

Spannung und keine Verlustleistung. Dies hat vor Allem

Bedeutung bei Motoren, die über Energiespeicher, wie z. B. bei Elektromobilen, gespeist werden. Ferner kann z. B. bei

Windgeneratoren dadurch auch bei kleinen Drehzahlen noch Energie abgeben werden. In einer Vor zugsvar iante sind die Permanentmagnete 4 im

Innenrohr 2 tangential angeordnet, wie in Figur 3 dargestellt, wobei das Innenrohr 2 als Blechkörper9 ausgebildet ist. Durch die tangentiale Anordnung der Permanentmagnete 4 tritt das magnetische Feld seitlich aus den Permanentmagneten 4 in den Blechkörper 9, anschließend durch den Luftspalt 52, dann durch die Wicklung 1, durch den Luftspalt öl in das Außenrohr 3 und wieder zurück zu den Permanentmagneten 4.

In Figur 4 ist die Wicklung 1 mit einem darin angeordneten Keramikträger 10 dargestellt. Dies dient zur weiteren Erhöhung der Stabilität der Wicklung 1. Der Keramikträger 10 besitzt, wie in Figur 4 dargestellt, z. B. die Form eines Keramikrohres 10. Das Keramikrohr 10 liegt parallel zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3. Damit die einzelnen der Spulen der

Wicklung 1 auf das Keramikrohr 10 aufgeschoben werden können, besitzt das Keramikrohr 10 einen Einlegespalt 11. Durch die Verwendung des Keramikrohres 10 entstehen eine Oberlage und eine Unterlage der Wicklung 1. Die Verbindungen der Spulen je Phase können vorteilhaft fix ausgeführt sein. Hierdurch sind wesentliche Einsparungen bei der Herstellung der kompletten Wicklung 1 erzielbar. Auf dem Keramikrohr 10 können Noppen, Stege, Nuten, Stifte oder andere Fixier elemente zur Fixierung der Spulen vorgesehen sein. So werden z. B. die Stege erst nach dem Einlegen der Spulen in die dafür vorgesehenen Nuten eingeschoben. Ähnlich wird bei der Verwendung von Stiften verfahren. Die Stifte werden durch Löcher im Keramikrohr 10 nach dem Einlegen der Spulen eingeschoben. Die Stege und

Stifte bestehen wie das Keramikrohr aus einem

nichtmagnetischen Material und sind elektrisch nicht leitend. Nach Beendigung des Einlegens der Spulen kann der Einlegspalt 11 z. B. mit einem Keramikstab 12 oder mit einem

Kunststoffelement 12 verschlossen werden. Über den Außenumfang der kompletten Wicklung 1 mit Keramikrohr 10 kann zur weiteren Stabilitätserhöhung eine Glasfaserbandage vorgesehen sein.

Eine dritte Variante der Maschine ist in Figur 5 dargestellt. Ein feststehender Wickelkörper 1, vorzugsweise als

zylinderförmige Wicklung 1 ohne Blecheinlagen ist zwischen einem Außenrohr 3, bestehend aus einem Aluminiumrohr 13 oder Keramikrohr 13 und einem Blechkörper 9 angeordnet. In dem Aluminiumrohr 13 oder Keramikrohr 13 sind tangential

angeordnete Permanentmagnete 4 und zwischen den

Permanentmagneten 4 sind Magnetfeldlinienleitkörper 14

angeordnet. Die Magnetfeldlinienleitkörper 14 richten die Feldlinien durch den Wickelkörper 1 in Richtung Blechkörper 9. Die Permanentmagnete 4 sind so angeordnet, dass gleiche Pole sich gegenüber stehen. Die Permanentmagnete 4 mit den

Magnetfeldlinienleitkörpern 14 sind über den gesamten Umfang verteilt. Zwischen den Permanentmagneten 4 bzw. dem Außenrohr 3 und dem Wickelkörper 1 besteht ein Luftspalt 52 und dem Wickelkörper 1 und dem Blechkörper 9 ein Luftspalt öl . Der Wickelkörper 1 liegt mit seiner Oberlage auf dem Außenumfang des Keramikrohrs 10 auf und mit seiner Unterlage im Keramikrohr 10. Es ist jedoch auch möglich, dass die

Ober läge und Unterlage nebeneinander und in Lagen auf dem

Außenumfang des Keramikrohres 10 angeordnet sind, so ähnlich, wie herkömmliche in Nuten verlegte Wicklungen elektrischer Maschinen. Als Fixierung der Wicklung 1 kann zusätzlich neben der Verwendung der im Elektr omaschinenbau üblichen

Glasfaserbänder auch die Wicklung mit dem Keramikrohr 10 verklebt sein.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1 - Wickelkörper, Wicklung

2 - Stahlrohr, Innenrohr

3 - Stahlrohr, Außenrohr

4 - Permanentmagnete

5 - Magnetfolie

6 - Wickelkopf

7 - faserverstärkter Kunststoff

8 - mechanische Verbindung

9 - Blechkörper

10 - Keramikträger, Keramikrohr

11 - Einlegespalt

12 - Keramikstab, Kunststoffelement

13 - Aluminium- oder Keramikrohr

14 - Magnetfeldlinienleitkörper öl - Luftspalt

52 - Luftspalt




 
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