WO2015139687A1 - Homopolarmaschine - Google Patents

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WO2015139687A1
WO2015139687A1 PCT/DE2015/100106 DE2015100106W WO2015139687A1 WO 2015139687 A1 WO2015139687 A1 WO 2015139687A1 DE 2015100106 W DE2015100106 W DE 2015100106W WO 2015139687 A1 WO2015139687 A1 WO 2015139687A1
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stator
rotor
iron yoke
homopolar machine
excitation winding
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Peter Wetzel
Gerd Schlüter
Hubert HUSEMANN
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K31/00—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • Homopolar machine The invention relates to a homopolar machine.
  • Homopolar machines are generally known as electrical machines for generating a high DC voltage with low voltage.
  • DE 101 64 435 AI a Homopolarmaschine with two
  • ferromagnetic mantle-core halves known which lead across a separating air gap, a common magnetic cladding field, wherein the interacting with the cladding field direct current is passed over the respective pole faces of the core halves.
  • the object of the invention is therefore to provide a homopolar machine with a higher performance.
  • Exciter winding has to envelope with a rotatably arranged for this outer torus, which has permanent magnets on its inner surface, wherein exciter winding and permanent magnets separated by an air gap are arranged.
  • a uniform induction field over almost the entire around the
  • Toruszy linderquer cut wound winding can be achieved.
  • the homopolar machine has a stator, which is attached to a carrier and designed as a torus, which is provided with a field winding wound radially around a first iron yoke and formed from one or more armature conductors.
  • This stator as far as possible encompassing a designed as a hollow Ringtorus rotor is provided, which is mounted concentrically rotatable about the stator. So that the rotor can rotate freely about the stator, the rotor designed as a hollow ring torus has a slot encircling the rotor, in which the carrier holding the stator is arranged.
  • the inner surface of the rotor is on a second
  • the homopolar machine can be configured for the three-phase current technology and has a toroidal stator attached to a carrier with an excitation winding wound radially around a first iron yoke and a rotor rotatably mounted concentrically around the stator and designed as a hollow ring torus which forms the stator to form a stator the carrier receiving slot engages, wherein the inner surface of the rotor is lined with disposed on a second iron yoke alternately oriented permanent magnet, the poles of the exciting winding of the stator are alternately facing.
  • the iron yoke consists of thermally mutually insulated laminated sheets.
  • the armature conductors forming the exciter winding are designed as waveguides.
  • the cavities can be flown through with a fluid which cools the winding, for.
  • a fluid which cools the winding for.
  • nitrogen oil or water can be used.
  • a wind turbine is provided with such a homopolar machine, wherein the rotor of the homopolar engine is designed as a rotor blades bearing hub of a wind turbine or connected thereto.
  • a pumped storage plant is provided with a Homopolarmaschine designed as a conveyor.
  • the rotor of the homopolar machine set up for the pumped storage plant is designed to form a
  • Screw conveyor connected. Finally, there is a vacuum reservoir with one for storing energy
  • the pumped storage power plant and the vacuum reservoir are particularly preferably part of a wind energy plant, in particular an offshore wind energy plant, wherein the pumped storage power plant or the vacuum reservoir are arranged in the tower of the wind turbine and seawater is used as the storage medium.
  • the homopolar engine according to the invention can also be used for generating Brownschem gas (HHO) as energy storage.
  • HHO Brownschem gas
  • the induction of Brownschem gas is carried out by means of high-frequency pulsation of a DC power source, here the homopolar engine according to the invention.
  • the pulsation is preferably a rectangular pulse.
  • the two electrodes used for this purpose are preferably formed in half-round shape or as a tori and of as pure as possible water, e.g. Sweet or spring water, covered.
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a homopolar machine according to the invention.
  • Fig. 2 is a circuit diagram for adapting the homopolar machine to a three-phase system by means of a 24-pole three-phase winding.
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a homopolar machine according to the invention.
  • the homopolar machine 10 has a stator fastened to a carrier 20, wherein the carrier 20 - in particular when using the homopolar machine 10 according to the invention in a wind energy plant - can be designed, for example, as a tower.
  • the stator is - as indicated in Fig. 1 - designed as a torus and has a
  • Excitation winding 40 runs - similar to tied at Christmas time wreaths with a spiral winding arrangement - in the paper plane around the Torusquerites shown, in the field of connection of the stator to the carrier 20 must be taken by appropriate measures to ensure that the winding continues can be. In the region of this connection, the derivation of the exciter winding 40 by the carrier 20 or tower and the connection to a consumer also takes place.
  • the rotor is now rotatably arranged about the axis which is common with the stator.
  • the rotor is formed as a hollow jacket and has an outer iron yoke 50 and an inner, the inner surface of the rotor lining layer of identically oriented permanent magnets whose poles are radially aligned with respect to the common center of the cylinder formed by the Tori cross section and the exciter winding 40th of the stator separated by an air gap.
  • Fig. 2 shows a circuit diagram for the rotational flow adjustment of the invention
  • Homopolarmaschine by means of a 24-pole three-phase winding, either as
  • Iron yoke is formed.
  • the individual poles N, S and winding steps are arranged according to the toroidal shape described above.
  • the lines labeled U, V, W are the taps for the three-phase voltage.
  • X, Y and Z represents the interconnection of the individual arrangements.
  • the homopolar machine according to the invention can be used as a motor or generator in any technique. Examples of applications include land, sea and air vehicles or even generators for wind and hydro power.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Homopolarmaschine (10) mit einem an einem Träger (20) befestigten als Torus ausgebildeten Stator mit einer um einen ersten Eisenrückschluss (30) radial gewickelten Erregerwicklung (40) und einem um den Stator konzentrisch drehbar gelagerten, als hohler Ringtorus ausgebildeten Rotor, der den Stator unter Ausbildung eines den Träger (20) aufnehmenden Schlitzes umgreift, wobei die Innenfläche des Rotors mit auf einem zweiten Eisenrückschluss (50) angeordneten gleichausgerichteten Dauermagneten (60) ausgekleidet ist, deren einer Pol der Erregerwicklung (40) des Stators zugewendet ist.

Description

Homopolarmaschine Die Erfindung betrifft eine Homopolarmaschine.
Homopolarmaschinen sind allgemein als elektrische Maschinen zur Erzeugung eines hohen Gleichstroms mit niedriger Spannung bekannt. Insbesondere ist aus der DE 101 64 435 AI eine Homopolarmaschine mit zwei
ferromagnetischen Mantelfeld- Kernhälften bekannt, welche über einen diese trennenden Luftspalt hinweg ein gemeinsames magnetisches Mantelfeld führen, wobei der mit dem Mantelfeld wechselwirkende Gleichstrom über die jeweiligen Polflächen der Kernhälften geführt wird.
Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist der durch die Bauart bedingte niedrige
Leistungsabgabe.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Homopolarmaschine mit einem höheren Leistung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Homopolarmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Innentorus, der auf seiner Oberfläche eine
Erregerwicklung aufweist, mit einem drehbar zu diesem angeordneten Außentorus einzuhüllen, der auf seiner Innenfläche Dauermagnete aufweist, wobei Erregerwicklung und Dauermagnete durch einen Luftspalt getrennt sich gegenüberliegend angeordnet sind. Derart ausgebildet kann ein gleichförmiges Induktionsfeld über nahezu die gesamte um den
Toruszy linderquer schnitt gewickelte Erregerwicklung erreicht werden.
Die Homopolarmaschine weist einen an einem Träger befestigten als Torus ausgebildeten Stator auf, der mit einer um einen ersten Eisenrückschluss radial gewickelten, aus einem oder mehreren Ankerleitern gebildeten Erregerwicklung versehen ist. Diesen Stator weitestgehend umgreifend ist ein als hohler Ringtorus ausgebildeter Rotor vorgesehen, der um den Stator konzentrisch drehbar gelagert ist. Damit der Rotor um den Stator frei drehen kann weist der als hohler Ringtorus ausgebildete Rotor einen den Rotor umlaufenden Schlitz auf, in dem der den Stator haltenden Träger angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist schließlich die Innenfläche des Rotors mit auf einem zweiten
Eisenrückschluss angeordneten gleichausgerichteten Dauermagneten ausgekleidet, deren einer Pol der Erregerwicklung des Stators zugewendet ist. Alternativ kann die Homopolarmaschine für die Drehstromtechnik eingerichtet sein und weist einen an einem Träger befestigten als Torus ausgebildeten Stator mit einer um einen ersten Eisenrückschluss radial gewickelten Erregerwicklung und einen um den Stator konzentrisch drehbar gelagerten, als hohler Ringtorus ausgebildeten Rotor, der den Stator unter Ausbildung eines den Träger aufnehmenden Schlitzes umgreift, wobei die Innenfläche des Rotors mit auf einem zweiten Eisenrückschluss angeordneten alternierend ausgerichteten Dauermagneten ausgekleidet ist, deren Pole der Erregerwicklung des Stators abwechselnd zugewendet sind.
In diesem Fall besteht der Eisenrückschluss aus thermisch gegeneinander isolierten laminierten Blechen.
Bevorzugt sind die die Erregerwicklung bildenden Ankerleiter als Hohlleiter ausgebildet. Die Hohlräume können in diesem Fall zum Durchströmen mit einer die Wicklung kühlenden Fluid, z. B. Stickstoff, Öl oder Wasser, verwendet werden. Bevorzugt ist eine Windenergieanlage mit einer derartig ausgebildeten Homopolarmaschine vorgesehen, wobei der Rotor der Homopolarmaschine als Rotorblätter tragende Nabe einer Windenergieanlage ausgebildet oder mit dieser verbunden ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Pumpspeicherwerk mit einer als Fördermittel ausgebildeten Homopolarmaschine vorgesehen. Speziell ist der Rotor der für das Pumpspeicherwerk eingerichteten Homopolarmaschine unter Ausbildung einer
archimedischen Schraube bzw. Wasserkraftschnecke mit einer Wasser befördernden
Förderschnecke verbunden. Schließlich ist auch ein Unterdruckspeicher mit einer zur Speicherung von Energie
Unterdruck und bei Abbau des Unterdrucks Energie erzeugenden Homopolarmaschine vorgesehen.
Das Pumpspeicherwerk und der Unterdruckspeicher sind besonders bevorzugt Bestandteil einer Windenergieanlage, insbesondere einer Offshore- Windenergieanlage, wobei das Pumpspeicherwerk bzw. der Unterdruckspeicher im Turm der Windenergieanlage angeordnet sind und als Speichermedium Meerwasser verwendet wird.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Homopolarmaschine auch zur Erzeugung von Brownschem Gas (HHO) als Energiespeicher verwendet werden. Die Induzierung von Brownschem Gas erfolgt mittels Hochfrequenzpulsung einer Gleichstromquelle, hier der Homopolarmaschine nach der Erfindung. Die Pulsung ist bevorzugt eine Rechteckpulsung. Die hierfür verwendeten zwei Elektroden sind bevorzugt in Halbrundform oder als Tori ausgebildet und von möglichst reinem Wasser, z.B. Süß- oder Quellwasser, bedeckt.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Homopolarmaschine nach der Erfindung; und
Fig. 2 ein Schaltbild zur Anpassung der Homopolarmaschine an ein Drehstromnetz mittels einer 24-poligen Drehstromwicklung.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Homopolarmaschine nach der Erfindung.
Die Homopolarmaschine 10 weist einen an einem Träger 20 befestigten Stator auf, wobei der Träger 20 - insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Homopolarmaschine 10 in einer Windenergieanlage - beispielsweise als Turm ausgebildet sein kann.
Der Stator ist - wie in Fig. 1 angedeutet - als Torus ausgebildet und weist einen
innenliegenden Eisenrückschluss 30 und um diesen radial verlaufende Leitungen einer Erregerwicklung 40 auf. Die Erregerwicklung 40 verläuft also - ähnlich bei in der Weihnachtszeit gebundenen Kränzen mit einer spiralförmigen Wicklungsanordnung - in der Papierebene um den gezeigten Torusquerschnitt herum, wobei im Bereich der Anbindung des Stators zum Träger 20 durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge getragen werden muss, dass die Wicklung fortgesetzt werden kann. Im Bereich dieser Anbindung erfolgen auch die Ableitung der Erregerwicklung 40 durch den Träger 20 bzw. Turm und der Anschluss an einen Verbraucher.
Den Stator nahezu vollständig umgreifend ist nun der Rotor um die mit dem Stator gemeinsame Achse drehbar angeordnet. Der Rotor ist als Hohlmantel ausgebildet und weist einen Außen liegenden Eisenrückschluss 50 und eine innenliegende, die Innenfläche des Rotors auskleidende Schicht von identisch ausgerichteten Permanentmagneten auf, deren Pole in Bezug auf den gemeinsamen Mittelpunkt des von den Tori gebildeten Zylinderquerschnitts radial ausgerichtet sind und der Erregerwicklung 40 des Stators durch einen Luftspalt getrennt gegenüberliegen.
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines gleichförmigen Induktionsfelds und eine gegenüber den bekannten Maschinen erreichte Leistungssteigerung. Fig. 2 zeigt ein Schaltbild zur drehstrommäßigen Anpassung der erfindungsgemäßen
Homopolarmaschine mittels einer 24-poligen Drehstromwicklung, die entweder als
Luftwicklung oder aber als Wicklung mit einem dahinter liegenden laminierten
Eisenrückschluss ausgebildet ist. Die einzelnen Pole N, S und Wicklungsschritte sind gemäß der oben beschriebenen Torusform angeordnet.
Die mit U, V, W bezeichneten Leitungen sind die Abgriffe für die Drehstromspannung. X, Y und Z stellt die Verschaltung der einzelnen Anordnungen dar.
Die Homopolarmaschine nach der Erfindung kann als Motor oder Generator in jeglicher Technik Anwendung finden. Beispielhafte Anwendungsbereiche sind Fahrzeuge zu Lande, zu Wasser und in der Luft oder auch Generatoren für die Wind- und Wasserkraft.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Homopolarmaschine (10) mit
- einem an einem Träger (20) befestigten als Torus ausgebildeten Stator mit einer um einen ersten Eisenrückschluss (30) radial gewickelten
Erregerwicklung (40) und
- einem um den Stator konzentrisch drehbar gelagerten, als hohler Ringtorus ausgebildeten Rotor, der den Stator unter Ausbildung eines den Träger (20) aufnehmenden Schlitzes umgreift, wobei die Innenfläche des Rotors mit auf einem zweiten Eisenrückschluss (50) angeordneten gleichausgerichteten Dauermagneten (60) ausgekleidet ist, deren einer Pol der Erregerwicklung (40) des Stators zugewendet ist.
2. Homopolarmaschine (10) mit
- einem an einem Träger (20) befestigten als Torus ausgebildeten Stator mit einer um einen ersten Eisenrückschluss (30) radial gewickelten
Erregerwicklung (40) und
- einem um den Stator konzentrisch drehbar gelagerten, als hohler Ringtorus ausgebildeten Rotor, der den Stator unter Ausbildung eines den Träger (20) aufnehmenden Schlitzes umgreift, wobei die Innenfläche des Rotors mit auf einem zweiten Eisenrückschluss (50) angeordneten alternierend ausgerichteten Dauermagneten (60) ausgekleidet ist, deren Pole der Erregerwicklung (40) des Stators abwechselnd zugewendet sind.
3. Homopolarmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Eisenrückschluss (50) aus thermisch gegeneinander isolierten laminierten Blechen besteht.
4. Homopolarmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung aus Hohlleitern gebildet ist.
5. Windenergieanlage mit einer Homopolarmaschine (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor der Homopolarmaschine (10) als Rotorblätter tragende Nabe einer Windenergieanlage ausgebildet oder mit dieser verbunden ist.
6. Verwendung einer Homopolarmaschine nach Anspruch 1 zur Erzeugung von
Brownschem Gas.
7. Pumpspeicherwerk mit einer als Fördermittel ausgebildeten Homopolarmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2.
8. Pumpspeicherwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der Homopolarmaschine (10) unter Ausbildung einer archimedischen Schraube bzw. Wasserkraftschnecke mit einer Wasser befördernden Förderschnecke verbunden ist.
9. Unterdruckspeicher mit einer zur Speicherung von Energie Unterdruck und bei Abbau des Unterdrucks Energie erzeugenden Homopolarmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2.
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