DE102021000505A1

DE102021000505A1 - Universal electric machine with planetary gear

Info

Publication number: DE102021000505A1
Application number: DE102021000505.8A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Universal - Elektromaschine, bei der über die Antriebswelle und dem eingangsseitigen Planetengetriebe drehende Erregerfelder in zylindrischen Aussparungen vom Stator mittels 2-poliger Erregerpolräder, die dort untergebracht sind, erzeugt werden. Der magnetischer Fluss dieser Erregerpolräder wird über Flussleitstege im Stator, die durch Nuten voneinander getrennt sind, zum Luftspalt hin geleitet, um dort ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, welches immer optimal auf die Stromleiter eines GS Ankers oder Wicklungen eines WS- bzw. DS- Läufers trifft. Das Übersetzungsverhältnis der Räder vom Planetengetriebe stellt sicher, dass der Drehfluss, der durch die Erregerpolräder erzeugt wird, synchron mit dem Anker bzw. Läufer mitläuft, und dass der magnetische Fluss immer optimal auf die stromführenden Leiter trifft. Wegen dieser magnetischen Drehfelder, die synchron mit dem Anker mitlaufen, wird für die GS- Lösungen kein Stromwender benötigt. Die Stromübertragung, wo erforderlich, erfolgt über Schleifringe. Die Maschine lässt sich so konfigurieren, dass sie für folgende Anwendungen eingesetzt werden kann:1. Als Wechsel- bzw. Drehstromgenerator, 2. Als Wechsel- bzw. Drehstrommotor, 3. Als Gleichstrom- bzw. Unipolarmotor, 4. Als Gleichstrom- bzw. Unipolargenerator, 5. Als Drehkraftverstärker bei gleichbleibender Drehzahl.The invention relates to a universal electric machine in which rotating exciter fields are generated in cylindrical recesses of the stator via the drive shaft and the input-side planetary gear by means of 2-pole exciter pole wheels that are housed there. The magnetic flux of these exciter pole wheels is conducted to the air gap via flux conducting webs in the stator, which are separated from one another by slots, in order to generate a rotating magnetic field there, which is always optimally applied to the conductors of a DC armature or windings of an AC or DC rotor meets. The transmission ratio of the planetary gear wheels ensures that the rotary flux generated by the exciter pole wheels runs synchronously with the armature or rotor and that the magnetic flux always optimally hits the current-carrying conductors. Because of these rotating magnetic fields, which run synchronously with the armature, no commutator is required for the DC solutions. Where necessary, power is transmitted via slip rings. The machine can be configured to be used for the following applications:1. As an AC or three-phase generator, 2. As an AC or three-phase motor, 3. As a DC or unipolar motor, 4. As a DC or unipolar generator, 5. As a torque booster at constant speed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Universal- Elektromaschine mit Planetengetriebe, die auf der Basis der Erfindung von Hybrid-Reluktanz-Planetengetrieben, Aktenzeichen: 10 2019 008 752.2 2 und der Erfindung von Raumenergie-Transformatoren, Aktenzeichen: 10 2020 006 439.6 basiert und weiter entwickelt wurde.The invention relates to a universal electric machine with planetary gears, which is based on the invention of hybrid reluctance planetary gears, reference number: 10 2019 008 752.2 2 and the invention of space energy transformers, file number: 10 2020 006 439.6 and further developed.

Stand der TechnikState of the art

Als Stand der Technik wird auf die oben genannten Aktenzeichen verwiesen. Das benannte Hybrid-Reluktanz-Planetengetriebe zeigt vom Prinzip her eine Anordnung mit Vollpolläufer, der mit Magneten ausgestattet ist, aber auch optional mit einer stromführenden Wicklung, wie unter Patentanspruch 1 gekennzeichnet, ausgestattet sein kann. Die hier gezeigte Bauweise lässt keine optimale Flussführung von den Planetenpolrädern auf den Läufer über das Blechpaket erkennen und zeigt auch keine detaillierte Ausgestaltung solch eines Läufers. Bei der Erfindung von Raumenergie-Transformatoren wurde eine Bauweise vorgeschlagen, bei der die hohe Blindleistung nur mittels Reihenschwingkreisen kompensiert werden kann. Dieses ist logischerweise ein sehr großer Nachteil.Reference is made to the file numbers mentioned above as the state of the art. In principle, the named hybrid reluctance planetary gear shows an arrangement with a non-salient rotor, which is equipped with magnets, but can also optionally be equipped with a current-carrying winding, as characterized in patent claim 1 . The design shown here does not show any optimal flux guidance from the planet pole wheels to the rotor via the laminated core and also does not show a detailed design of such a rotor. When space energy transformers were invented, a design was proposed in which the high reactive power can only be compensated for by means of series resonant circuits. This is logically a very big disadvantage.

Aufgabetask

Die Aufgabe der Erfindung ist es zu zeigen, dass es möglich ist, eine Universal-Elektromaschine mit Planetengetriebe, auf Basis der oben aufgeführten Erfindungen zu gestalten, die in der Lage ist, praktisch alle Arten von Elektromaschinen, mit geringen Abweichungen voneinander, abzudecken.The object of the invention is to show that it is possible to design a universal electric machine with planetary gears, based on the inventions presented above, capable of covering practically all types of electric machines, with small differences from each other.

Lösungsolution

Beide Probleme werden mit den in Schutzansprüchen 1 - 2 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Durch die Lösung dieser beiden Hauptprobleme ergeben sich interessanterweise, je nach Ausgestaltung der Maschine im Detail, ganz neue Eigenschaften.
Die Maschine kann so konfiguriert werden, dass sich z.B. folgende Anwendungen realisieren lassen:

1. Als Wechsel- bzw. Drehstromgenerator mit geringer Blindleistung bzw. als Raumenergie-Transformator mit der Leistungsentnahme über Schleifringe nach 5.
2. Als Wechsel- bzw. Drehstrommotor mit Leistungszufuhr über Schleifringe nach 6.
3. Als Gleichstrommotor (Unipolar-Motor) mit Stromzufuhr über Schleifringe nach 7.
4. Als Gleichstromgenerator (Unipolar-Generator) mit Stromentnahme über Schleifringe nach 8.
5. Als mechanischer Leistungsverstärker mit Kurzschlusswicklung(en) (optional ohne Schleifringe) nach 9.

Both problems are solved with the features listed in claims 1-2.
Interestingly, the solution of these two main problems results in completely new properties, depending on the detailed design of the machine.
The machine can be configured in such a way that, for example, the following applications can be implemented:

1. As an AC or three-phase generator with low reactive power or as a space energy transformer with power consumption via slip rings 5 .
2. As an AC or three-phase motor with power supply via slip rings 6 .
3. As a DC motor (unipolar motor) with power supply via slip rings 7 .
4. As a direct current generator (unipolar generator) with power consumption via slip rings 8th .
5. As a mechanical power amplifier with short-circuit winding(s) (optionally without slip rings). 9 .

Beschreibung der Maschine im einzelnen:

Bei der Erfindung wird in bekannter Weise mittels dem über die Antriebswelle 11 anzutreibenden großen Sonnenrad 8, welches auf der Antriebsseite der Maschine angeordnet und vorzugsweise auf der verlängerten Abtriebswelle 1 gelagert ist (siehe 4), mindestens ein 2-poliges Erregerpolrad 3 angetrieben. Es ist je Polpaarzahl p der Maschine mindestens ein Erregerpolrad 3 vorzusehen (2), wobei auch je Pol ein Erregerpolrad zum Einsatz kommen kann (1). Die Erregerpolräder 3 können magnetisch oder elektromagnetisch erregt sein. Die Phasenlage der Erregerpolräder 3 zueinander ist davon abhängig, wieviele Erregerpolräder je Polpaar der Maschine eingesetzt sind. Bei einem Erregerpolrad 3 je Polpaar sind alle Erregerpolräder genau in Phase (2), d.h. die Nordpole aller Erregerrotoren weisen gleichzeitig zur Achsmitte des Ankers hin. Bei Anwendung von zwei Erregerpolrädern je Polpaar wechseln Nord- und Südpol immer ab (1). Die Phasenlage der beiden Erregerpolräder 3 eines Polpaares liegen damit genau 180° versetzt zueinander. Der Rückfluss zwischen benachbarten Erregerpolrädern 3 erfolgt über den äußeren Teil des Statorpaketes 19. Die Erregerpolräder rotieren mit ihren Magnetfeldern in zylindrischen Aussparungen 17 im Statorblechpaket 19, welche symmetrisch und mit gleichem Abstand zum Luftspalt 5 des Ankers verteilt angeordnet sind.

Description of the machine in detail:

In the invention, in a known manner, by means of the large sun gear 8 to be driven via the drive shaft 11, which is arranged on the drive side of the machine and is preferably mounted on the extended output shaft 1 (see 4 ), at least one 2-pole exciter pole wheel 3 is driven. At least one exciter pole wheel 3 must be provided for each pole pair number p of the machine ( 2 ), whereby one exciter pole wheel can also be used for each pole ( 1 ). The exciter pole wheels 3 can be excited magnetically or electromagnetically. The phasing of the exciter pole wheels 3 to one another depends on how many exciter pole wheels are used per pole pair of the machine. With an exciter pole wheel 3 per pair of poles, all exciter pole wheels are exactly in phase ( 2 ), ie the north poles of all exciter rotors point to the axis center of the armature at the same time. When using two exciter pole wheels per pair of poles, the north and south poles always alternate ( 1 ). The phase position of the two excitation pole wheels 3 of a pole pair are thus exactly 180° offset from one another. The return flow between adjacent exciter pole wheels 3 takes place via the outer part of the stator core 19. The exciter pole wheels rotate with their magnetic fields in cylindrical recesses 17 in the stator core 19, which are distributed symmetrically and at the same distance from the air gap 5 of the armature.

Das Statorblechpaket 19 ist nun erfindungsgemäß nach 1 oder 2 so gestaltet, dass ein Quer- bzw. Streufluss der Erregerpolräder 3 selbst, als auch der der Ankerwicklung 10 (Ankerrückwirkung) möglichst minimiert wird. Hierfür sind, wie dargestellt, von den Bohrungen 17 der Erregerpolräder 3 her radial ausgehend, Nuten 18 in gleichmäßigen Abständen im Blechpaket 19 vorgesehen, die in gleichmäßigen Abständen zum Luftspalt 5 im Ankerbereich verlaufen. Breite und Anzahl der Nuten ist Optimierungssache. Der magnetische Fluss von den Erregerpolrädern 3 kann nun gezielt über die Erregerfluss-Leitstege 7 zwischen diesen Nuten 18 zum Ankerluftspalt 5 geführt werden. Bei der Lösung nach 1 mit zwei Erregerpolrädern je Polpaar ergeben sich zwangsläufig kürzere Nuten und Stege, was natürlich ein Vorteil ist, da sich weniger magnetische Streuung zwischen den Stegen 7 ergibt. Der Läufer oder besser Anker 2 der Maschine ist nun, je nach Polpaarzahl und Durchmesser, mit einer Vielzahl von Nuten 4 versehen, die ähnlich einem Anker einer Gleichstrommaschine oder aber auch wie ein Schleifringläufer einer Drehstrommaschine bewickelt sind (siehe 1 und 2). Es gibt wahlweise nur eine Wicklung, als Wellen-, Schleifen-, oder als Zweischichtwicklung ausgeführt, die an Schleifringe angeschlossen oder kurzgeschlossen ist, je nach Anwendungsart. Anzapfungen gibt es keine und auch keinen Kommutator. Dieses gilt für die Gleichstrom bzw. 1-Phasen Lösungen. Bei der Drehstromlösung sind natürlich drei Wicklungsstränge erforderlich.The stator core 19 is now according to the invention 1 or 2 designed so that a transverse or leakage flux of the exciter pole wheels 3 itself, as well as that of the armature winding 10 (armature reaction) is minimized as much as possible. For this purpose, as shown, radially starting from the bores 17 of the exciter pole wheels 3, grooves 18 are provided at equal intervals in the laminated core 19, which run at equal intervals to the air gap 5 in the armature area. Width and number of grooves is a matter of optimization. The magnetic flux from the exciter pole wheels 3 can now be guided to the armature air gap 5 in a targeted manner via the exciter flux guide webs 7 between these grooves 18 . At the solution 1 with two exciter pole wheels per pair of poles, the slots and webs are inevitably shorter, which is of course an advantage, since there is less magnetic leakage between the webs 7 . The rotor or better anchor 2 of the machine is now, depending on the number of pole pairs and diameter, provided with a large number of grooves 4, which are wound like an armature of a DC machine or like a slip ring rotor of a three-phase machine (see Fig 1 and 2 ). There is either only one winding, designed as a wave, loop, or two-layer winding, which is connected to slip rings or short-circuited, depending on the type of application. There are no taps and no commutator. This applies to the direct current or 1-phase solutions. With the three-phase solution, three winding strands are of course required.

Das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen zwischen dem Sonnenrad 8 bzw. Anker 2 und den Erregerpolrädern 3 entspricht der Anzahl der vorhandenen Polpaare. Bei einer 8-poligen Maschine (4-Polpaare) drehen z.B. die Erregerrotoren 4-mal so schnell wie das Sonnenrad 8. Wegen diesem Übersetzungsverhältnis dreht das Sonnenrad 8 mit derselben Drehzahl und in gleicher Richtung wie die Abtriebswelle1. Der magnetische Fluss trifft damit immer synchron optimal auf die stromführenden Leiterstäbe 10 im Anker 2, als würde es keine Drehbewegung geben. Siehe hierzu 3a-d. Man kann aus diesen 4 Figuren erkennen, wie die Erregerpolräder sich jeweils um 90° weiter im Uhrzeigersinn gedreht haben und wie dazu die Stellung des Ankers 2 ist. Der Anker hat sich des Übersetzungsverhältnisses 4 : 1 wegen jeweils nur um 22,5° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht.The transmission ratio of the speeds between the sun gear 8 or armature 2 and the exciter pole wheels 3 corresponds to the number of pole pairs present. For example, in an 8-pole machine (4-pole pairs), the exciter rotors turn 4 times as fast as the sun gear 8. Because of this gear ratio, the sun gear 8 turns at the same speed and in the same direction as the output shaft1. The magnetic flux thus always hits the current-carrying conductor rods 10 in the armature 2 synchronously and optimally, as if there were no rotary movement. See also 3a-d . One can see from these 4 figures how the exciter pole wheels have each rotated further clockwise by 90° and what the position of the armature 2 is in relation to this. Due to the 4:1 transmission ratio, the armature has only rotated 22.5° anti-clockwise.

Da die Antriebswelle 1 nur die Erregerpolräder 3 mit ihren relativ kleinen Durchmessern antreiben muss, ist hier kein großer Kraftaufwand erforderlich, zumal die Ankerrückwirkung ja minimiert wurde. Der Leistungsbedarf ist hier vergleichbar mit der Erregerleistung einer Gleichstrom- bzw. Drehstrommaschine.Since the drive shaft 1 only has to drive the exciter pole wheels 3 with their relatively small diameters, not much effort is required here, especially since the armature reaction has been minimized. The power requirement here is comparable to the excitation power of a DC or three-phase machine.

Die induzierte Spannung in jedem Leiterstab 10 wird näherungsweise mit der Formel wie für Gleichstrommaschinen ohne Stromwender berechnet: Uo = B·I·v = B·I·d·π·n (Siehe Seite 506 Elektrische Maschinen v. Th. Bödefeld und H. Sequenz 6. Auflage). Das Drehmoment errechnet sich wie folgt: M = I·z·B·Ia·d / 2·π.The induced voltage in each conductor bar 10 is calculated approximately using the formula as for DC machines without commutators: Uo = B I v = B I d π n (see page 506 Electrical Machines by Th. Bödefeld and H. sequence 6th edition). The torque is calculated as follows: M = I z B Ia d / 2 π.

Dabei ist Uo: Spannung (V), I: Leiterlänge (m), v: Geschwindigkeit (m/s), B: Induktion (T), n: Drehzahl (Ups), z: Leiterzahl insgesamt, I: Ankerstrom (A), d: Ankerdurchmesser (m).Where Uo: voltage (V), I: conductor length (m), v: speed (m/s), B: induction (T), n: speed (Ups), z: total number of conductors, I: armature current (A) , d: anchor diameter (m).

Die Funktionsweise der Maschine bei den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten wird im folgenden beschrieben:

1. Anwendung als Wechsel- bzw. Drehstromgenerator mit geringer Blindleistung bzw. als Raumenergie-Transformator mit der Leistungsentnahme über Schleifringe nach 5.

How the machine works in the various possible applications is described below:

1. Use as an AC or three-phase generator with low reactive power or as a space energy transformer with power consumption via slip rings 5 .

Bei dieser Anwendung erfolgt der Antrieb der Maschine über die Antriebswelle 11, die die Erregerrotoren 3 synchron über die Planetenräder 9 in Rotation versetzen. Die Abtriebswelle 1 wird fixiert und steht damit still. Damit wird in der „Ankerwicklung“ 10 eine Wechselspannung induziert, die über die Schleifringe 16 abgegriffen werden kann. Wegen der geringen Ankerrückwirkung ist eine viel höhere Ausgangsleistung zu erwarten, als sie über den Antriebsmotor zugeführt werden muss (wie bei einem Raumenergie-Transformator). Wegen den zu erwartenden geringen Reaktanzwerten der „Ankerwicklung“, die hier als Trafowicklung fungiert, kann voraussichtlich eine Blindleistungskompensation entfallen.In this application, the machine is driven via the drive shaft 11, which causes the exciter rotors 3 to rotate synchronously via the planet gears 9. The output shaft 1 is fixed and is therefore stationary. An AC voltage is thus induced in the “armature winding” 10, which can be tapped off via the slip rings 16. Due to the low armature reaction, a much higher output power can be expected than that which must be supplied via the drive motor (as with a space energy transformer). Due to the expected low reactance values of the "armature winding", which acts as a transformer winding here, reactive power compensation can probably be omitted.

2. Anwendung als Wechsel- bzw. Drehstrommotor mit Leistungszufuhr über Schleifringe nach Fig. 6.2. Application as an AC or three-phase motor with power supply via slip rings according to Fig. 6.

Um die Maschine als Wechsel- bzw. Drehstrommotor betreiben zu können, ist es erforderlich, die Antriebswelle 11 zu fixieren. Die Wechsel bzw. Drehspannung wird der Maschine über die Schleifringe 16 zugeführt. Der Abtrieb erfolgt logischerweise über die Abtriebswelle 1. Da die Antriebswelle 11 fixiert ist, sind damit auch die Erregerrotoren 3 fixiert. Eine an die Schleifringe angelegte Wechsel- bzw. Drehspannung bewirkt ein Wechselfeld in jedem Anker. Wenn nur eine Wicklung im Ankerpaket vorhanden ist, bleibt die Drehrichtung bei einem Anker undefiniert und müsste mit anderen Hilfsmitteln erzwungen werden. Die Motorspannung müsste wahrscheinlich der Maschine über Umrichter zugeführt und mit einer Rampe hochgefahren werden. Daher werden für den Drehstrommotor mindestens 2, besser 3 Anker, Statorblechpakete 19 und Errereger-Polradsätze benötigt. Die Anwendung von getrennten Anker- bzw. Läuferpaketen 2 für jede Phase hätte den Vorteil, dass eventuell höhere Spannungen realisierbar sein könnten, weil die drei Phasen voneinander räumlich entkoppelt sind. Der Anker bzw. Läufer 2 kann natürlich auch gleich mit 3 Wicklungssträngen bewickelt sein wie bei einem Schleifringläufer, was sich logischerweise für diesen Fall in erster Linie anbieten würde.In order to be able to operate the machine as an AC or three-phase motor, it is necessary to fix the drive shaft 11 . The alternating or three-phase voltage is supplied to the machine via the slip rings 16. The output is logically via the output shaft 1. Since the drive shaft 11 is fixed, the exciter rotors 3 are also fixed with it. An alternating or rotary voltage applied to the slip rings causes an alternating field in each anchor. If there is only one winding in the armature pack, the direction of rotation remains undefined for an armature and would have to be enforced with other tools. The motor voltage would probably have to be fed to the machine via converters and run up with a ramp. Therefore, at least 2, preferably 3, armatures, stator cores 19 and exciter pole wheel sets are required for the three-phase motor. The use of separate armature or rotor assemblies 2 for each phase would have the advantage that higher voltages could possibly be realizable because the three phases are spatially decoupled from one another. The armature or rotor 2 can, of course, also be wound with 3 winding strands, as in the case of a slip ring rotor, which would logically be the first choice in this case.

3. Anwendung als Gleichstrommotor (Unipolar-Motor) mit Stromzufuhr über Schleifringe nach Fig. 7.3. Use as a DC motor (unipolar motor) with power supply via slip rings according to Fig. 7.

Bei Anwendung der Maschine als Gleichstrommotor wird eine Gleichspannung der Maschine über die Schleifringe 16 zugeführt. Die Antriebswelle 11 bleibt frei, und der Abtrieb erfolgt über die Abtriebswelle 1. Der Gleichstrom in der Wicklung erzeugt eine Durchflutung des Ankers 2 entsprechend der Polzahl der Maschine. Die Durchflutungsrichtung im Anker 2 bleibt konstant, da es sich um einen Gleichstrom handelt. Diese Durchflutung erzeugt im Zusammenspiel mit dem Magnetischen Fluss der Erregerpolräder 3 ein Drehmoment, welches den Anker zum Drehen zwingt. Weil die Antriebswelle 11 bei dieser Anwendung nicht fixiert ist, rotiert sie mit gleicher Drehzahl wie die Abtriebswelle 1 mit. Je nach Belastung der Maschine baut sich nun ein Winkelversatz zwischen den beiden Wellen auf, der sogenannte Lastwinkel. Weil die Eingangswelle 11 mitrotiert, findet keine Kommutierung statt. Der Magnetfluss „läuft“ synchron mit der Durchflutung des Ankers mit. Daher ist keine Kommutierung erforderlich. Die Maschine arbeitet als Unipolarmotor. Die so von der Maschine eingeschlagene Drehrichtung bleibt dem Zufall überlassen, da die Phasenlage der Ankerpole bezüglich der Erregerpole nicht feststeht. Diesem Zustand wird abgeholfen, indem man die Antriebswelle 11 auf der Abtriebswelle 1, auf der sie vorzugsweise läuft, bei eingestelltem maximalem Lastwinkel so fixiert, dass sie nur in die eine oder nur in die andere Richtung drehen kann, mit Kopplung 14. Dieses entspricht dann genau der Anordnung wie bei einer Gleichstrommaschine. Der magnetische Fluss durchflutet damit immer optimal alle Leiterstäbe 10 in den Nuten 18 des Ankers 2, die dieselbe Stromrichtung aufweisen. Das Drehmoment ist immer ein Maximum.When the machine is used as a DC motor, a DC voltage is supplied to the machine via the slip rings 16 . The drive shaft 11 remains free, and the output takes place via the output shaft 1. The direct current in the winding generates a flux through the armature 2 in accordance with the number of poles of the machine. The flux direction in the armature 2 remains constant because it is is a direct current. In interaction with the magnetic flux of the exciter pole wheels 3, this flux generates a torque which forces the armature to rotate. Because the input shaft 11 is not fixed in this application, it rotates at the same speed as the output shaft 1. Depending on the load on the machine, an angular offset now builds up between the two shafts, the so-called load angle. Because the input shaft 11 also rotates, no commutation takes place. The magnetic flux “runs” synchronously with the flux through the armature. Therefore no commutation is required. The machine works as a unipolar motor. The direction of rotation chosen by the machine in this way is left to chance, since the phasing of the armature poles with respect to the exciter poles is not fixed. This condition is remedied by fixing the drive shaft 11 on the output shaft 1, on which it preferably runs, with the maximum load angle set so that it can only rotate in one direction or only in the other direction, with coupling 14. This then corresponds to exactly the same arrangement as in a DC machine. The magnetic flux thus flows optimally through all conductor bars 10 in the slots 18 of the armature 2, which have the same current direction. The torque is always a maximum.

4. Anwendung als Gleichstromgenerator (Unipolar-Generator) mit Stromentnahme über Schleifringe nach Fig. 8.4. Use as a direct current generator (unipolar generator) with current draw via slip rings according to Fig. 8.

Bei dieser Anwendung wird die Maschine über die Antriebswelle 11 angetrieben. Der Gleichstrom wird den Schleifringen 16 abgegriffen, und die Abtriebswelle 1 bleibt frei. Die sich drehende Antriebswelle 11 lässt die Erregerpolräder 3 drehen, die damit ein Drehfeld erzeugen. Das Erregerfeld schneidet die Leiter 10 im Anker 2 und induziert dort eine Spannung. Bei stehendem Anker 2 wird zunächst eine Wechselspannung erzeugt. Wird jetzt der Maschine ein Strom entnommen, bewirkt dieser Strom, dass der Anker 2 vom rotierenden Erregerfeld mitgenommen wird. Solange die Abtriebswelle 1 sich frei mitdrehen lässt, kann an den Schleifringen ein Gleichstrom abgegriffen werden. Die Abtriebswelle 1 läuft synchron mit der Antriebswelle 11 mit. Je nach Belastung der Maschine baut sich nun ein Winkelversatz zwischen den beiden Wellen auf, der sogenannte Lastwinkel. Weil die Ausgangswelle mitrotiert, findet keine Kommutierung statt. Der Magnetfluss „läuft“ synchron mit der stationären Durchflutung des Ankers mit. Daher ist keine Kommutierung erforderlich. Die Maschine arbeitet als Unipolargenerator. Die Polarität der so von der Maschine erzeugten Spannung bleibt dem Zufall überlassen, da die Phasenlage der Ankerpole bezüglich der Erregerpole nicht feststeht. Diesem Zustand wird abgeholfen, indem man die Antriebswelle 11 auf der Abtriebswelle 1, auf der sie vorzugsweise läuft (siehe 4, Kopplung 14), bei eingestelltem maximalem Lastwinkel so fixiert, dass entweder die eine Polarität (+ /-) an den Schleifringen abgegriffen wird oder in umgepolter Richtung (- / +). Dieses entspricht dann genau der Anordnung wie bei einer Gleichstrommaschine. Der magnetische Fluss durchflutet damit immer optimal alle Leiterstäbe in den Nuten des Ankers, die dieselbe Stromrichtung aufweisen(siehe 3). Die Spannung ist immer ein Maximum. Weil die beiden Wellen 1 und 11 beim optimalen Lastwinkel miteinander fixiert sind und die Ankerrückwirkung auf die Erregerpolräder 3 relativ gering ist, wird auch hier erwartet, dass eine viel kleinere Antriebsleistung erforderlich ist, als an Gleichstromleistung an den Schleifringen abgegriffen werden kann. Es findet analog zu der Anwendung 1. als Wechselstromgenerator eine Leistungsverstärkung statt.In this application, the machine is driven via the drive shaft 11. The direct current is tapped off the slip rings 16, and the output shaft 1 remains free. The rotating drive shaft 11 allows the exciter pole wheels 3 to rotate, which thus generate a rotating field. The excitation field intersects the conductors 10 in the armature 2 and induces a voltage there. When the armature 2 is stationary, an AC voltage is first generated. If current is now drawn from the machine, this current causes the armature 2 to be carried along by the rotating excitation field. As long as the output shaft 1 can rotate freely, a direct current can be tapped off at the slip rings. The output shaft 1 runs synchronously with the input shaft 11 . Depending on the load on the machine, an angular offset now builds up between the two shafts, the so-called load angle. Because the output shaft rotates, there is no commutation. The magnetic flux "runs" synchronously with the stationary flux of the armature. Therefore no commutation is required. The machine works as a unipolar generator. The polarity of the voltage generated by the machine in this way is left to chance, since the phasing of the armature poles with respect to the exciter poles is not fixed. This condition is remedied by placing the input shaft 11 on the output shaft 1, on which it preferably runs (see 4 , Coupling 14), with the maximum load angle set, fixed in such a way that either one polarity (+ /-) is tapped on the slip rings or in the reversed direction (- / +). This then corresponds exactly to the arrangement as in a DC machine. The magnetic flux thus flows optimally through all conductor bars in the slots of the armature that have the same current direction (see 3 ). The tension is always a maximum. Because the two shafts 1 and 11 are fixed to one another at the optimum load angle and the armature reaction on the exciter pole wheels 3 is relatively low, it is expected here too that a much smaller drive power is required than the DC power that can be tapped off at the slip rings. Analogously to the application 1. as an alternating current generator, there is a power boost.

5. Anwendung als mechanischer Leistungsverstärker mit Kurzschlusswicklung (ohne Schleifringe) nach Fig. 9.5. Application as a mechanical power amplifier with short-circuit winding (without slip rings) according to Fig. 9.

Bei dieser Anwendung ist es erforderlich, die Wicklung(en) 10 der Maschine kurzzuschließen, ähnlich wie bei einem Käfigläufer. Schleifringe 16 sind daher bei dieser Anwendung vom Prinzip her nicht erforderlich. Wenn die Maschine nun angetrieben wird, erzeugen die Erregerpolräder 2 einen Kurzschlussstrom in der Wicklung vom Anker, die dafür natürlich ausgelegt sein muss. Dieser Strom ist ein Gleichstrom, da die Abtriebswelle 1 sich drehen kann und nicht festgehalten wird. Der Gleichstrom in der Wicklung 10 sorgt dafür, dass im Zusammenspiel mit dem Erregerfluss der Rotoren 3 ein Drehmoment aufgebaut wird. An- und Abtriebswelle drehen synchron miteinander. (Der Anker 2 wird durch den Kurzschlussstrom in der Wicklung vom Drehfeld der Erregerpolräder mitgenommen (siehe 3). Je höher die Maschine belastet wird, desto höher wird der Kurzschlussstrom im Anker, und desto höher wird der Lastwinkel zwischen den beiden Wellen. Der vergrößerte Strom bewirkt seinerseits wieder eine Verringerung des Lastwinkels, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Strom und Lastwinkel eingestellt hat.In this application it is necessary to short circuit the winding(s) 10 of the machine, similar to a squirrel cage rotor. In principle, slip rings 16 are therefore not necessary in this application. If the machine is now driven, the exciter pole wheels 2 generate a short-circuit current in the winding of the armature, which of course must be designed for this. This current is direct current because the output shaft 1 can rotate and is not fixed. The direct current in the winding 10 ensures that a torque is built up in interaction with the excitation flux of the rotors 3 . Input and output shaft rotate synchronously with each other. (The armature 2 is carried along by the rotating field of the exciter pole wheels due to the short-circuit current in the winding (see 3 ). The higher the load on the machine, the higher the short-circuit current in the armature and the higher the load angle between the two shafts. The increased current in turn causes a reduction in the load angle until an equilibrium between the current and the load angle has been established.

Da die Maschine hier über die Antriebswelle 11 nur die Erregerpolräder 3 antreibt, und die Ankerrückwirkung des Kurzschlussstromes relativ gering ist, kann mit dieser Anordnung mit einer relativ kleinen Leistung für die Antriebsmaschine eine viel größere Ausgangsleistung erreicht werden, in diesem Fall als mechanische Leistung. Es findet analog zu der Anwendung 1. als Wechselstromgenerator eine Leistungsverstärkung statt.Since the machine here only drives the exciter pole wheels 3 via the drive shaft 11, and the armature reaction of the short-circuit current is relatively low, this arrangement can achieve a much greater output power with a relatively small power for the drive machine, in this case as mechanical power. Analogously to the application 1. as an alternating current generator, there is a power boost.

Die Universal Elektromaschine, wie beschrieben, lässt sich nun auch mehrhpasig ausführen.The universal electric machine, as described, can now also be run with multiple phases.

Je nach gewünschter Phasenzahl lassen sich 2, 3 oder theoretisch beliebig mehr Blechpaketanordnungen und Ankerblechpakete axial hintereinander mit Abstand anordnen, wie auf 4 dargestellt, wobei dieselben Erregerpolradwellen 12 je Blechpaket eigene Erregerpolräder 3 aufweisen, deren Phasenlage zueinander entsprechend der Phasenzahl der Maschine zueinander versetzt sind. Bei 2 Phasen um 90°, bei 3 Phasen um 120° usw. Jede Blechpaketanordnung 19 hat dann logischerweise seinen eigenen Anker 2 und Schleifringe 16 auf der gemeinsamen Abtriebswelle 1 fixiert. Die Phasenlage der Ankerpole aller Ankerpakete 2 ist bei dieser Lösung identisch. Jetzt kann man logischerweise auch die Phasenlage der einzelnen Erregerpolräder 3 für alle Statorblechpakete 19 gleich lassen und dafür die Phasenlage der Ankerpole der verschiedenen Ankerpakete 2 mit dem erforderlichen Winkelversatz gegeneinander versetzen. In beiden Fällen wird Gleiches erreicht.Depending on the desired number of phases, 2, 3 or theoretically any number of laminated core assemblies and laminated cores can be arranged axially one behind the other at a distance, as shown in FIG 4 shown, the same exciter pole wheel shafts 12 having their own exciter pole wheels 3 for each laminated core, the phase position of which is offset from one another in accordance with the number of phases of the machine. With 2 phases by 90°, with 3 phases by 120°, etc. Each laminated core arrangement 19 then logically has its own armature 2 and slip rings 16 fixed on the common output shaft 1. The phasing of the armature poles of all armature assemblies 2 is identical in this solution. Now you can logically leave the phase position of the individual excitation pole wheels 3 for all stator cores 19 the same and put the phase position of the armature poles of the various armature cores 2 with the required angular offset against each other. In both cases the same is achieved.

Alle Funktionen wie beschrieben gelten gleichermaßen. Wegen der mehrphasigen Ausführung gibt es dann auch kein Drehrichtungsproblem mehr bei Anwendung als Motor. Bei der 3-phasigen Lösung genügen 3 Schleifringe, wenn nicht jede Wicklung einzeln zugängig sein muss.All functions as described apply equally. Because of the multi-phase design, there are no longer any problems with the direction of rotation when used as a motor. With the 3-phase solution, 3 slip rings are sufficient if each winding does not have to be individually accessible.

Je nach Anwendungsart könnte überlegt werden, ob bei den Anwendungen mit Gleichstrom nicht auch ein Anker aus massivem (ungeblechtem) Material vorteilhafterweise verwendet werden kann.Depending on the type of application, it could be considered whether an armature made of solid (unlaminated) material could also be advantageously used in applications with direct current.

Man kann sich logischerweise vom Prinzip her für die Drehstromlösungen auch einen Anker bzw. Läufer 2 vorstellen, der drei Wicklungsstränge 10 aufweist, die jeweils um 120° versetzt in den Nuten des Läufers untergebracht sind, wie von Schleifringankermaschinen mit z.B. einer dreiphasigen Zweischicht-Stabwicklung her bekannt. Damit hätte man dann gleich eine 3-phasige Variante mit den bekannten Vorteilen. Die Wicklungsstränge können in Stern geschaltet werden und bedürfen dann nur 3 Schleifringe.Logically, one can also imagine an armature or rotor 2 for the three-phase current solutions, which has three winding strands 10, which are each offset by 120° in the slots of the rotor, as in slip-ring armature machines with e.g. a three-phase two-layer bar winding known. This would then immediately have a 3-phase variant with the well-known advantages. The winding strands can be switched in star and then only require 3 slip rings.

Schlussbemerkung: Immer dann, wenn die erfindungsgemäße Elektromaschine über die Antriebswelle 11 und damit über die Erregerpolräder 3 angetrieben wird, kann mit einer Verstärkung der angelegten Leistung gerechnet werden (Anwendungen 1., 4. und 5.). Den Erregerpolrädern 3 stellt sich keine mit der EMK herkömmlicher Maschinen vergleichbare Gegenkraft entgegen.Final remark: Whenever the electric machine according to the invention is driven via the drive shaft 11 and thus via the exciter pole wheels 3, an increase in the applied power can be expected (applications 1., 4. and 5.). The exciter pole wheels 3 are not opposed by any counterforce comparable to the EMF of conventional machines.

Dieses Verhalten wird nicht von den Anwendungen 2. und 3. erwartet.Applications 2. and 3. do not expect this behavior.

BezugszeichenlisteReference List

(1)(1): Abtriebswelleoutput shaft
(2)(2): Anker- bzw. Läufer mit NutenArmature or rotor with slots
(3)(3): 2-polige Erreregerpolräder2-pole exciter pole wheels
(4)(4): Nuten vom AnkerGrooves from the anchor
(5)(5): Ankerluftspaltarmature air gap
(6)(6): Erreger-LuftspaltExciter Air Gap
(7)(7): Erregerfluss- LeitstegeExcitation flow guide bars
(8)(8th): Sonnenradsun gear
(9)(9): Planetenräderplanet gears
(10)(10): Wicklungen bzw. Leiterstäbe im Anker bzw. LäuferWindings or conductor bars in the armature or rotor
(11)(11): Antriebswelle der Maschine über Sonnenrad (8)Engine drive shaft via sun gear (8)
(12)(12): Planetenradwellenplanet gear shafts
(13)(13): Lagerschilde mit der LagerungEnd shields with storage
(14)(14): Kopplung : Antriebswelle (11) mit Abtriebswelle (1) (Option)Coupling : input shaft (11) with output shaft (1) (option)
(15)(15): Gehäuse vom PlanetengetriebePlanetary gear housing
(16)(16): Schleifringeslip rings
(17)(17): Aussparungen für ErregerpolräderRecesses for exciter pole wheels
(18)(18): Nuten im Statorblechpaket zwecks Bildung der Flussleitstege 7Grooves in the stator core to form the flux guide webs 7
(19, 19.1 -.3)(19, 19.1 -.3): Stator- Blechpaket(e)Stator laminated core(s)

Figurenlistecharacter list

1 Cross-section of the stator / armature with two exciter pole wheels per pair of poles with the course of the magnetic flux and the direction of the current in the windings indicated 10.
2 Cross-section of the stator / armature with an exciter pole wheel for each pair of poles with the course of the magnetic flux and the direction of the current in the windings indicated 10.
3a-d Sequence of the exciter pole wheel positions in 90° steps with clockwise rotation of the 4 exciter pole wheels and the associated position of the armature in 22.5° counterclockwise steps with Ü. v. Gearing = 4 : 1.
4 Longitudinal section through the machine showing the gearbox and 3 stator/armature arrangements.
5 Diagram: AC or three-phase generator with low reactive power or room energy transformer with power consumption via slip rings
6 Diagram: AC or three-phase motor with power supply via slip rings
7 Diagram: DC motor (unipolar motor) with power supply via slip rings
8th Diagram: Direct current generator (unipolar generator) with current draw via slip rings
9 . Scheme: mechanical power amplifier with short-circuit winding (without slip rings).

Claims

Universal electric machine with planetary gear , characterized in that a) the 2-pole exciter pole wheels (3), which are driven by means of a planetary gear (8, 9), are arranged in cylindrical recesses (17) in the stator core (19), which, depending depending on the number of exciter pole wheels (3) per number of pole pairs of the machine, have a large number of grooves (18) which start in a star shape or semi-star shape from the immediate vicinity of these cylindrical recesses (17) and lead in the direction of the armature air gap (5), where they are located there end at equal distances from each other, b) in applications with an exciter pole wheel (3) per pole pair of the machine, the grooves (18) star-shaped from near the cylindrical recesses (17), so that it is ensured that both the magnetic forward and return flow can also be directed from each individual exciter pole wheel (3) in the direction of the armature air gap (5) by means of the webs (7) between these grooves (18) and the exciter pole wheels (3) all synchronously in the same direction with the same polarity, e.g. pointing towards the center of the axis at the same time, c) in applications with two exciter pole wheels (3) per pole pair of the machine, the grooves (18) branch out in a semi-star shape from near the cylindrical recesses (17), namely only from the one half of the cylinder (17), which faces the armature air gap (5) in order to allow short grooves (18), the magnetic outward flux, in principle, via the one exciter pole wheel (3) and the return flux must flow via adjacent exciter pole wheels (3) (depending on the position of the rotor) and the two exciter pole wheels (3) assigned to an armature pole pair all point synchronously in opposite directions, with the polarity of adjacent exciter pole wheels (3) alternating and pointing in the same direction, e.g Point out the center of the axis, d) the rotor or armature (2) of the machine practically like an armature of a DC machine or like a three-phase slip ring rotor with grooves (18) at regular intervals is guided and, depending on the requirements (mode of operation), is provided with at least one wave, two-layer, loop, short-circuit winding or another winding and is connected to slip rings, with the short-circuit winding advantageously being an exception here, e) the armature (2) is wound in such a way that the current direction of the conductor bars (10), which are assigned to a pole pitch, preferably always points in the same direction, with the same number of bars with one current direction alternating with the same number of bars that carry the current in the opposite direction, f ) there are practically any number of the stator packs, armature packs (2), slip rings (16) and exciter pole wheels (3) described above under a) - e) each fixed on the same shafts one behind the other at a distance and which are related to each other with regard to the phase position of the main poles the armature or the phasing of the excitation pole wheels (3) are offset in such a way that a 2-phase, 3-phase etc. operation b is enabled. g) the transmission ratio between the drive-side sun gear (8) and the planetary gear shafts (12), on which the 2-pole exciter pole wheels (3) are arranged, is selected in such a way that it corresponds to the ratio between the number of armature poles and the number of poles of the exciter pole wheels, ie in a machine with, for example, 4 pairs of poles in the armature, the exciter pole wheels (3) rotate four times as fast as the sun wheel (8) and also as the armature (2).

Universal electric machine with planetary gear after claim 1 characterized in that the machine can be operated in different ways: a) as an AC or three-phase generator with a fixed output shaft (1), b) as an AC or three-phase motor with a fixed drive shaft (11), c) as a DC motor ( Unipolar motor) with freely rotating drive shaft (11) or with the drive shaft (11) with a defined load angle and direction of rotation fixed to the output shaft (1), d) as a DC generator (unipolar generator) with freely rotating output shaft (1) or with the drive shaft (11) fixed on the output shaft (1) with a defined load angle and direction of rotation, for a defined polarity of the output voltage, e) as a mechanical power amplifier with short-circuit winding(s) depending on the number of internally existing armature assemblies (2) of different phases, (preferably without slip rings).