DE19957008A1 - Electric machine has hollow armature with at least one individual layer of one or more metals and has 'open' Fermi-surface to maximise interaction between magnetic field and electric current - Google Patents
Electric machine has hollow armature with at least one individual layer of one or more metals and has 'open' Fermi-surface to maximise interaction between magnetic field and electric currentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.The invention relates to an electrical machine.
Bekannt sind elektrische Maschinen mit kryogenen Erregerwicklungen und massivem Hohlanker mit Bürsten an seiner Außenfläche. Diese Maschinen dienen zur Erzeugung elektrischer Impulse als Stoßgeneratoren, wobei die Last an die Bürsten des vorübergehend bis auf Nenndrehzahl hochgefahrenen Massivhohlankers nach Abschalten von der Abtriebswelle des Antriebsmotors angelegt und die im Anker gespeicherte Drehenergie in einen gedämpften elektrischen Einzelimpuls großer Leistung umgewandelt wird.Electrical machines with cryogenic field windings and solid ones are known Hollow anchor with brushes on its outer surface. These machines are used for production electrical impulses as shock generators, the load on the brushes of the temporarily up to the nominal speed of the solid hollow anchor Shutdown created by the output shaft of the drive motor and that in the armature stored rotational energy in a damped electrical single pulse large Power is converted.
Diese Maschinen sind durch Energieverluste gekennzeichnet, ihre Konstruktion bietet infolge ihrer zu massiven Bauart keine Möglichkeit zur Entwicklung eines Motors mit hohen Geschwindigkeits- und Dynamik-Kennwerten und sie leiden an einer unzulänglichen Ausnutzung des Erregermagnetflusses, weil infolge der ungleichen Querschnittsstärke der leitenden Ankeroberfläche und ihrer inhomogenen elektrischen Leitfähigkeit die stromleitende Oberfläche ihr eigenes Magnetfeld nicht mit angemessener Homogenität erzeugen kann.These machines are characterized by energy losses, their construction offers due to their too massive construction no possibility to develop an engine with high speed and dynamic characteristics and they suffer from one insufficient exploitation of the excitation magnetic flux because of the unequal Cross-sectional thickness of the conductive armature surface and its inhomogeneous electrical Conductivity the current-carrying surface does not have its own magnetic field can produce adequate homogeneity.
Aufgabe der Erfindung sind die Verbesserung der Geschwindigkeits- und Dynamik- Kennwerte einer elektrischen Maschine sowie die Erhöhung der Ausnutzung ihres Erregermagnetflusses.The object of the invention is to improve the speed and dynamics Characteristic values of an electrical machine and the increase in the utilization of its Exciter magnetic flux.
Diese Aufgabe ist durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by an electrical machine with the features of claim 1 solved. Refinements can be found in the subclaims.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: The invention will now be described by means of exemplary embodiments with reference to FIG Drawings explained in more detail. It shows:
Fig. 1: Schematische Darstellung des Erregermagnetsystems: das Paket, das vom endlosen Außenpolschuh 1 und Innenpolschuh 2 aus weichmagnetischem Stoff gebildet wird, die auf dem radial magnetisierten Ringmagnet 3 konzentrisch aufgestellt sind und dabei einen konzentrischen ringförmigen Zwischenraum haben, in dessen Mitte der auf der Welle 4 von einer Konsole befestigte Anker montiert ist; Fig. 1: Schematic representation of the excitation magnet system: the package, which is formed by the endless outer pole shoe 1 and inner pole shoe 2 made of soft magnetic material, which are placed concentrically on the radially magnetized ring magnet 3 and have a concentric annular space, in the middle of which on the Shaft 4 is mounted by a bracket attached anchor;
Fig. 2: Schematische Darstellung des Ankers: ein dielektrischer Hohlzylinder mit stromleitender Endlosoberfläche; an der zylindrischen Außenoberfläche sind ringförmige Stromzuleitungen 6 und 6a mit den Plätzen zum Aufsprühen von Endbereichen stromleitender Schichten (Pakete) 8 und 9 starr befestigt. Durchschnitt des Einzelpakets stromleitender Schichten 8, 9 und dielektrischer Schicht 10 als System aus zwei Metallschichten, die auf die dielektrische Zylinderoberfläche zwischen den ringförmigen Stromzuleitungen 6 und 6a aufgetragen sind. Die dielektrische Zylinderoberfläche wird von der dielektrischen Ankeroberfläche oder von der dielektrischen Schicht des vorigen Einzelpakets des Ankers gebildet; Fig. 2: Schematic representation of the armature: a dielectric hollow cylinder with current-conducting endless surface; on the cylindrical outer surface are annular power supply lines 6 and 6 a with the places for spraying end areas of current-conducting layers (packages) 8 and 9 rigidly attached. Average of the individual package of current-conducting layers 8 , 9 and dielectric layer 10 as a system of two metal layers which are applied to the dielectric cylinder surface between the annular current supply lines 6 and 6 a. The dielectric cylinder surface is formed by the dielectric armature surface or by the dielectric layer of the previous individual package of the armature;
Fig. 3: Schematisches Ausstattungsbeispiel der elektrischen Maschine mit stromzuleitenden Lagern 11 und 12, die zwischen ringeförmigen Stromzuleitern 6 und 6a und Endlospolschuhen 1 und 2 montiert sind. Ringförmiges, radial magnetisiertes Erregermagnet 3 ist aus Ferrit (Nichtleiter) hergestellt. Dabei kann der Strom über Endlospolschuhe 1, 2 mit angebrachten Lamellenkontakten 13a und 14a zugeführt werden; Fig. 3: Schematic example of equipment of the electrical machine with current-carrying bearings 11 and 12 , which are mounted between ring-shaped current leads 6 and 6 a and endless pole shoes 1 and 2 . Annular, radially magnetized excitation magnet 3 is made of ferrite (non-conductor). The current can be supplied via endless pole shoes 1 , 2 with attached slat contacts 13 a and 14 a;
Fig. 4: Konkretes Ausführungsbeispiel des Aufbaus der elektrischen Maschine nach dem Schema, das in Fig. 3 mit ausführlichen Texterläuterungen dargestellt wurde. Fig. 4: Specific embodiment of the structure of the electrical machine according to the scheme that was shown in Fig. 3 with detailed text explanations.
Bei einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfindung werden Außen- und Innenpolschuhe 1 und 2 zusammen mit ringförmigem Ferritmagnet 3 und der Welle 4, die das Drehmoment vom Anker weitergibt, eingesetzt. Der Anker ist hier ein dielektrischer Hohlzylinder 5 mit stromleitender zylindrischer Endlosoberfläche mit ringförmigen Stromzuleitern 6 und 6a an ihren Rändern, die miteinander durch ein Paket aus stromleitendenden Schichten 8 und 9 und dielektrischer Schicht 10 verbunden sind. Die Endlospole 1 und 2 sind als zylindrische Endlosoberflächen gestaltet. Dadurch werden gewährleistet: eine maximal zulässige Ausnutzung des Magnetflusses des Erregermagnets 5 und eine Stromhomogenität mit minimalen Abweichungen, die keine Strominhomogenität erzeugen, und als Folge eine variable vektorielle Richtwirkung des eigenen Magnetfeldes, indem sie die Wirksamkeit der Wechselwirkung mit dem Erregermagnetfeld senkt. Ein angemessenes Ergebnis wird am wirksamsten bei einem Minimum an Strukturdefekten in den stromleitenden Materialien erzielt. Erreicht wird das durch Anwendung des Effekts der "offenen" Fermi-Oberfläche in der stromleitenden Schicht.In one embodiment of an electrical machine according to the invention, outer and inner pole shoes 1 and 2 are used together with an annular ferrite magnet 3 and the shaft 4 , which transmits the torque from the armature. The armature here is a dielectric hollow cylinder 5 with a current-conducting cylindrical endless surface with ring-shaped current leads 6 and 6 a at its edges, which are connected to one another by a package of current-conducting layers 8 and 9 and dielectric layer 10 . The endless poles 1 and 2 are designed as cylindrical endless surfaces. This ensures: a maximum permissible utilization of the magnetic flux of the excitation magnet 5 and a current homogeneity with minimal deviations, which do not produce current inhomogeneity, and as a result a variable vector directivity of the own magnetic field by reducing the effectiveness of the interaction with the excitation magnetic field. An adequate result is most effectively achieved with a minimum of structural defects in the current-conducting materials. This is achieved by using the effect of the "open" Fermi surface in the current-conducting layer.
Der Anker wird auf das z. B. von der Firma SKF hergestellte dünnwandige Lager 12 und dünnwandige Lager 11 aufgestellt, die die Funktion der stromzuleitenden Bürsten 31 übernehmen. Dabei verbessert sich die Qualität der Stromübertragung zum Hohlanker bei hohen Drehzahlen im Vergleich zur Bürstenstromzuleitung.The anchor is on the z. B. manufactured by the company SKF thin-walled bearings 12 and thin-walled bearings 11 , which take over the function of the current-carrying brushes 31 . The quality of the power transmission to the hollow armature improves at high speeds compared to the brush power supply.
Der Außenpolschuh 1 des magnetischen Systems der elektrischen Maschine und die magnetleitende Büchse 15 sind mit den ringförmigen Ferritmagnet 3 zusammengeklebt.The outer pole piece 1 of the magnetic system of the electrical machine and the magnetically conductive sleeve 15 are glued together with the ring-shaped ferrite magnet 3 .
Dieletrischer Formträger 7 ist auf die Welle 4 montiert. Die Schlitze des dielektrischen Formträgers 7 an der Stoßstelle mit der Welle 4 sind völlig mit Kompaundmasse gefüllt, die nach dem Erstarren mechanisch fest wird.Dieletric mold carrier 7 is mounted on the shaft 4 . The slots of the dielectric mold carrier 7 at the abutment with the shaft 4 are completely filled with a compound which becomes mechanically firm after solidification.
Auf dem Innenpolschuh 2 mit Traglager 16 ist ein federndes Element (welliger Federring, federnd in der der Ringoberfläche perpendikularen Richtung) 17 aufgestellt sowie auch der dielektrische Zylinder 5 mit seinem dünnwandigen Lager 12 und der Außenpolschuh 1 mit den eingebauten federnden Element 17a, wobei der Innenpolschuh 2 mit magnetleitender Büchse 15 gekoppelt ist. Isolierbüchse 18 des Traglagers 25 wird montiert.On the inner pole piece 2 with support bearing 16 , a resilient element (wavy spring ring, resilient in the direction perpendicular to the ring surface) 17 is set up as well as the dielectric cylinder 5 with its thin-walled bearing 12 and the outer pole piece 1 with the built-in resilient element 17 a, the Inner pole shoe 2 is coupled to a magnetically conductive sleeve 15 . Insulating sleeve 18 of the support bearing 25 is mounted.
Die Scheibe der Stromzuleitung 13 mit sechs Lamellenkontakten 13a und die Scheibe der Stromzuleitung 14 mit sechs Lamellenkontakten 14a sind durch die Schrauben 19 mit angemessenen Federringen 20 befestigt. Federnde Elemente 17 und 17a dienen zur Füllung des Zwischenraums in stromleitenden Wälzoberflächen der dünnwandigen Lager 11 und 12 und in ihren Kontaktoberflächen mit Außen- und Innenpolschuhen 1 und 2.The disk of the power supply line 13 with six lamella contacts 13 a and the disk of the power supply line 14 with six lamella contacts 14 a are fastened by screws 19 with appropriate spring washers 20 . Resilient elements 17 and 17 a serve to fill the intermediate space in current-conducting rolling surfaces of the thin-walled bearings 11 and 12 and in their contact surfaces with outer and inner pole shoes 1 and 2 .
Die Welle 4 vereinigt die gleitende Verknüpfung der inneren Formoberfläche der ringförmigen Stromzuleitung 6 mit der Formoberfläche des Formträgers 7 mit dem aufgestellten Deckel 21, in den die Stopfbüchse 24 eingepreßt ist. Der Deckel ist durch Schrauben 22 mit Federringen 23 befestigt. Am anderen Wellenende ist in die Isolierbüchse 18 das Traglager 25 mit Stutzscheibe 26 und die Spannmutter 27 mit Federscheibe 28 installiert. In die Isolierbüchse 18 ist die Büchse 29 eingefügt und durch den Gewindedeckel 30 starr befestigt.The shaft 4 combines the sliding connection of the inner mold surface of the ring-shaped power supply line 6 with the mold surface of the mold carrier 7 with the lid 21 , into which the stuffing box 24 is pressed. The cover is fastened by screws 22 with spring washers 23 . At the other end of the shaft, the support bearing 25 with the washer 26 and the clamping nut 27 with the spring washer 28 are installed in the insulating sleeve 18 . The bushing 29 is inserted into the insulating bushing 18 and rigidly fastened by the threaded cover 30 .
Die Spannung wird an die Maschine zu Lamellenkontakten 13a und 14a angeführt und die Vielkeilverbindung der Welle 4 ergibt das Drehmoment.The voltage is fed to the machine to lamella contacts 13 a and 14 a and the multi-spline connection of shaft 4 gives the torque.
Das zur Fertigung der endlosen leitenden Ankerfläche zu verwendende Material besteht aus einem (als eine Version: Monokristall) oder mehreren chemischen Elementen (als andere Version: Polykristall, Bimetall, Polymetall), die auf die Oberfläche mit einer Stärke von 0,1 mm und weniger aufgetragen werden. Durch Polykristalle oder Bimetalle erreicht man eine Kombination von Elementen mit hoher Elektronenleitfähigkeit der Außenschicht und einer höheren Wärmeleitfähigkeit der Innenschicht.The material to be used to manufacture the endless conductive anchor surface is from one (as a version: monocrystal) or several chemical elements (as other version: polycrystalline, bimetallic, polymetallic) with a surface Thickness of 0.1 mm and less can be applied. Through polycrystals or bimetals a combination of elements with high electron conductivity is achieved Outer layer and a higher thermal conductivity of the inner layer.
Ein innerhalb der leitenden Ankeroberfläche entstehender Fluß geladener Teilchen (elektrischer Strom) bildet einen geometrisch homogenen und in gegenseitiger Wirkung mit dem Erregerfluß stehenden Magnetfluß und sichert somit, daß an der Welle 4 der elektrischen Maschine ein Drehmoment bei minimalen Verlusten für die EMK der Selbstinduktion und minimalen Wärmeverlusten infolge eines besonders geringen induktiven Widerstands der leitenden Ankeroberfläche entsteht. Dies ermöglicht, die Traktionskennwerte der elektrischen Maschine bei Betriebsspannungen ab einem Zehntelvolt zu realisieren.A flow of charged particles (electric current) which arises within the conductive armature surface forms a geometrically homogeneous magnetic flux which interacts with the excitation flux and thus ensures that a torque is generated on the shaft 4 of the electrical machine with minimal losses for the EMF of self-induction and minimal Heat losses arise due to a particularly low inductive resistance of the conductive armature surface. This enables the traction parameters of the electrical machine to be realized with operating voltages from one tenth of a volt.
Der maximale Effekt einer "offenen" Fermi-Oberfläche wird mit folgenden konstruktiven und technologischen Techniken, die im Rahmen eines Forschungsvorhabens entwickelt wurden, erreicht. Es ist dabei festgestellt worden, daß der "Offenheits"-Effekt bei der Metallschichtbildung mit "offenen" Fermi-Oberflächen vom Typ Al, Cu, Ag, Au aufgrund von Strukturdefekten rasant absinkt. Jedoch läßt sich das Absinken des Effekts vermeiden, wenn die stromleitende Schicht z. B. aus Cu (Kupfer) mit höchstens 0,1 mm Stärke als Monokristall durch Zonenschmelzverfahren oder durch gezielte schichtweise Züchtung einer Einkristalloberfläche oder durch Aufstäubungsverfahren im Tiefvakuum hergestellt wird. Zugleich ist bei dem Forschungsvorhaben gefunden worden, daß als Trägerstoff zur Aufstäubung der stromleitenden Schicht ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von höchstens 200 W/(mK) und einer Elektronen-Struktur, wie z. B. die der Elemente Bi, V, Nb, Pt u. a., ausgewählt werden muß. Trotz der Tatsache, daß derartige Elemente eine "geschlossene" Fermi-Oberfläche in Verbindung mit einer Monokristallstruktur der oberen, zum Magnetfeld gerichteten Schicht und einer Gesamtstärke von höchstens 0,1 mm aufweisen, gehen sie bei dieser Version in das System der "offenen" Fermi- Oberfläche über.The maximum effect of an "open" Fermi surface is as follows constructive and technological techniques that are part of a Research project were developed, achieved. It has been found that the "openness" effect when forming metal layers with "open" Fermi surfaces of the type Al, Cu, Ag, Au drops rapidly due to structural defects. However, avoid the decrease in the effect if the current-conducting layer z. B. from Cu (Copper) with a maximum thickness of 0.1 mm as monocrystal by zone melting or by targeted layer-by-layer growth of a single crystal surface or by Dusting process is produced in a low vacuum. At the same time Research projects have been found that as a carrier for dusting the current-conducting layer a material with a thermal conductivity of at most 200 W / (mK) and an electron structure, such as. B. the elements of Bi, V, Nb, Pt and. a., must be selected. Despite the fact that such elements are "closed" Fermi surface in connection with a monocrystalline structure of the upper layer facing the magnetic field and a total thickness of at most 0.1 mm, in this version they go into the "open" Fermi- Surface over.
Die zum Erzielen des Maximaldrehmoments erforderliche Orientierung erreicht man mittels Herstellung einer stromleitenden Schicht im vororientierten Magnetfeld. Die Kombination der angeführten Elemente der stromleitenden Schicht und ihres Trägers gewährleistet bei der Überlagerung des äußeren Magnetfeldes und des Flusses geladener Teilchen die Entstehung einer zusätzlichen und orientierten EMK.The orientation required to achieve the maximum torque is achieved by producing a current-conducting layer in the pre-oriented magnetic field. The Combination of the listed elements of the current-conducting layer and its carrier ensures the superimposition of the external magnetic field and the charged charge Particles the emergence of an additional and oriented EMF.
Bei den Forschungsvorhaben wurden Lösungen gefunden, die es ermöglichen, als Träger elektrisch leitfähige Materialien sowie auch Dielektrika unter Aufrechterhaltung des EMK-Effekts anzuwenden. Der Entstehung des EMK-Effekts zufolge, läßt sich auch eine Nebenaufgabe zum praktischen Abbau der negativen Auswirkung von Verschiebungsströmen lösen, die unvermeidlich in den bis heute gebauten elektrischen Maschinen jeder Art entstehen. Hier handelt es sich darum, daß der Oberflächenwiderstand hinsichtlich des durch die stromleitende Schicht fließenden Stroms nicht nur die Geschwindigkeit des Energieverlustes des Metalls bestimmt, sondern auch das Medium über der stromleitenden Schicht polarisiert. Beides erzeugt in beiden Medien Verschiebungsströme, die die Dichte der Leitfähigkeitsströme rasant absinken lassen. In the research projects, solutions were found that make it possible as Carriers of electrically conductive materials as well as dielectrics while maintaining the EMF effect. According to the emergence of the EMF effect, also a side task to reduce the negative impact of Solve displacement currents that are inevitable in the electrical built to date Machines of all kinds are created. The point here is that the Surface resistance with regard to that flowing through the current-conducting layer Current not only determines the rate of energy loss of the metal, but also polarizes the medium over the current-conducting layer. Both created in both media displacement currents, the density of conductivity currents rapidly let it sink.
Wie unsere Forschungen gezeigt haben, führt die bei der von uns vorgeschlagenen Konstruktion entstehende EMK zum Fehlen von Verschiebungsströmen im Leitermaterial, und die Wechselwirkung des Erregermagnetfeldes des elektrischen EMK-Feldes erzeugt ein zusätzliches Potential, das wie das Erregergrundpotential gerichtet ist und zu einer Erhöhung des Ankerdrehmoments beiträgt.As our research has shown, the one proposed by us leads Construction resulting EMF to the absence of displacement currents in the Conductor material, and the interaction of the excitation magnetic field of the electrical EMF field generates an additional potential that is like the basic potential of the exciter is directed and contributes to an increase in the armature torque.
Die durchgeführten Forschungen haben auch gezeigt, daß die mit Einsatz der Monokristalle entstehenden Spineffekte die periodische Erzeugung eines zusätzlichen elektrostatischen Impulsfeldes zwischen der Erregermagnetoberfläche und der stromleitenden Schicht bewirken, das auch zur Erhöhung des Ankerdrehmoments ausgenutzt werden kann. Die stromleitende Anker-Endlosoberfläche kann auch aus mehreren stromleitenden Schichten 8, 9 mit dielektrischen Trennschichten 10 und ringförmigen stromzuführenden Oberflächen 6 und 6a hergestellt werden. Der aktive Widerstand der Schichten 8, 9 in Paketen darf dabei im Wert höchstens um 10% differieren.The research carried out has also shown that the spin effects produced with the use of the monocrystals cause the periodic generation of an additional electrostatic pulse field between the excitation magnet surface and the current-conducting layer, which can also be used to increase the armature torque. The current-conducting endless armature surface can also be produced from a plurality of current-conducting layers 8 , 9 with dielectric separating layers 10 and annular current-supplying surfaces 6 and 6 a. The active resistance of layers 8 , 9 in packets may differ in value by a maximum of 10%.
Das Drehmoment des endlosen Hohlankers wird durch die Größe eines längs der Zylinderachse durch die stromleitende endlose Ankeroberfläche fließenden Stroms bestimmt und seine Leistung wird durch die Kennwerte des Erregermagnetfelds, des endlosen Zwischenraums zwischen den Magnetpolen und der stromleitenden endlosen Oberfläche mit magnetisch leitfähiger Flüssigkeit sowie auch durch die Schichtkonfiguration innerhalb der endlosen stromleitenden Ankeroberfläche bestimmt.The torque of the endless hollow anchor is determined by the size of a along the Cylinder axis flowing through the current-carrying, endless armature surface determined and its performance is determined by the characteristics of the excitation magnetic field, the endless space between the magnetic poles and the current-carrying endless Surface with magnetically conductive liquid as well as through the Layer configuration determined within the endless current-conducting armature surface.
Sofern die Gegen-EMK des endlosen Hohlankers gering ist, wird der Anker durch elektrische Verluste beim Drehzahlanstieg infolge des Betriebsstromanstiegs zwar nicht begrenzt, die Maximaldrehzahl wird jedoch durch die konstruktive Festigkeit der umlaufenden Elemente begrenzt. So kann z. B. ein Tragzylinder 5 des Hohlankers aus einem Material auf Borkarbid-Basis gefertigt werden.If the back emf of the endless hollow armature is low, the armature is not limited by electrical losses when the speed increases due to the increase in operating current, but the maximum speed is limited by the structural strength of the rotating elements. So z. B. a support cylinder 5 of the hollow anchor made of a material based on boron carbide.
Die elektrische Maschine, deren Konstruktion mit einem solchen Hohlanker ausgestattet ist, kann als reversierbar ausgebildet sein.The electrical machine, the construction of which is equipped with such a hollow anchor is reversible.
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