DE202021000397U1

DE202021000397U1 - Universal electric machine with planetary gear

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Publication number: DE202021000397U1
Application number: DE202021000397.5U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2031-02-04

Abstract

Universal - Elektromaschine mit Planetengetriebe dadurch gekennzeichnet,
dass
a) die 2-poligen Erregerpolräder (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), die mittels eines Planetengetriebes (8, 9) angetrieben werden, sich in zylindrischen Aussparungen (17) in den Schenkeln (7) von U-förmigen Schnittbadkernen (7.1) befinden, die symmetrisch um die 2 Stck. Anker bzw. Läufer (2.1, 2.2) herum angeordnet befinden, welche, je nach Art der Maschine praktisch wie ein Anker einer Gleichstrommaschine oder wie ein Drehstrom-Schleifringläufer mit Nuten (4) in gleichmäßigen Abständen ausgeführt ist und je nach Erfordernissen (Betriebsweise) mit mindestens einer Wellen-, Zweischicht-, Schleifen-, Kurzschlusswicklung oder einer anderen Wicklung versehen und an Schleifringe (16) angeschlossen ist, wobei die Kurzschlusswicklung hier vorteilhafterweise eine Ausnahme machen kann,
b) sich der magnetische Fluss der Erregerpolräder nacheinander immer abwechselnd erst über einen Anker bzw. Läufer 2.1, dann über mindestens zwei Erregerpolräder 3.1 und 3.2 bzw. mindesten einem U-förmigen Schnittbandkern 7.1, dann über den anderen Anker bzw. Läufer 2.2 und dann mindestens über zwei weitere Erregerpolräder 3.3 und 3.4 bzw. mindesten einem weitern U-förmigen Schnittbandkern 7.2 und dann wieder zum Ausgangspunkt bei Anker 2.1 ankommt, und dabei immer optimal auf die stromführenden Leiter 10 trifft, wobei der gesamte magnetische Fluss, je nach Größe der Maschine, parallel über eine Vielzahl U-förmiger Schnittbandkerne fließen kann,
c) die Anker (2.1, 2.2) so bewickelt sind, dass die Stromrichtung der Leiterstäbe (10), die einer Polteilung zugeordnet sind vorzugsweise immer auch in dieselbe Richtung weisen, wobei sich dieselbe Anzahl Stäbe mit einer Stromrichtung abwechseln mit der gleichen Anzahl Stäbe, die den Strom in die Gegenrichtung führen,
d) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem antriebsseitigen Sonnenrad (8) und den Planetenradwellen (12), auf denen die 2-poligen Erregerpolräder (3) angeordnet sind, so gewählt ist, dass es dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Ankerpole und der Anzahl der Pole der Erregerpolräder entspricht, d.h. dass bei einer Maschine mit z.B. 4 Polpaaren im Anker die Erregerpolräder (3) vier mal so schnell drehen wie das Sonnenrad (8) und auch wie der Anker (2),
e) die Phasenzahl der Wicklungen der Anker bzw. Läufer 1, 2, 3, usw. betragen kann.

Universal electric machine with planetary gear characterized
that
a) the 2-pole exciter pole wheels (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), which are driven by means of a planetary gear (8, 9), are located in cylindrical recesses (17) in the legs (7) of U-shaped cutting bath cores (7.1) are located symmetrically around the 2 pcs. Armature or rotor (2.1, 2.2) are arranged around, which, depending on the type of machine, is practically designed as an armature of a DC machine or as a three-phase slip ring rotor with grooves (4) at regular intervals and depending on the requirements (mode of operation) with at least one wave, two-layer, loop, short-circuit winding or another winding is provided and connected to slip rings (16), whereby the short-circuit winding can advantageously make an exception here,
b) the magnetic flux of the exciter pole wheels alternates one after the other, first over an armature or rotor 2.1, then over at least two exciter pole wheels 3.1 and 3.2 or at least one U-shaped cut ribbon core 7.1, then over the other armature or rotor 2.2 and then at least via two further exciter pole wheels 3.3 and 3.4 or at least one further U-shaped cutting band core 7.2 and then back to the starting point at armature 2.1, and always optimally hits the current-carrying conductor 10, whereby the entire magnetic flux, depending on the size of the machine, can flow in parallel over a large number of U-shaped cut ribbon cores,
c) the armatures (2.1, 2.2) are wound in such a way that the current direction of the conductor bars (10), which are assigned to a pole pitch, preferably always point in the same direction, the same number of bars with a current direction alternating with the same number of bars, which lead the current in the opposite direction,
d) 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 chosen so that it corresponds to the ratio between the number of armature poles and the number of poles of the Exciter pole wheels corresponds, ie that at 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),
e) the number of phases of the windings of the armature or rotor 1, 2, 3, etc. can be.

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 12, 13, 14, 16, und 17, basiert und weiter entwickelt wurde. Die Hybrid-Reluktanz-Planetengetriebe nach 16 und 17 mit Längsschnitt wie nach 12, zeigen vom Prinzip her 2-polige Anordnungen mit Vollpolläufer, die mit Magneten ausgestattet sind, aber auch optional mit einer stromführenden Wicklung, wie unter Patentanspruch 1 gekennzeichnet, ausgestattet sein können. Die zugehörigen Erregerpolradwellen mit ihren Erregerpolen sind auf 13 und 14 dargestellt. Für die hier gezeigte Bauweise muss für eine Elektromaschine der Läufer anders gestaltet sein als aus den Patentansprüchen abgeleitet werden kann. 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 invention relates to a universal electric machine with planetary gear, which is based on the invention of hybrid reluctance planetary gear, file number: 10 2019 008 752.2 12th , 13th , 14th , 16 , and 17th , is based and has been further developed. The hybrid reluctance planetary gearbox according to 16 and 17th with longitudinal section as after 12th , show in principle 2-pole arrangements with full pole rotors, which are equipped with magnets, but can also optionally be equipped with a current-carrying winding, as characterized in claim 1. The associated exciter pole wheel shafts with their exciter poles are open 13th and 14th shown. For the construction shown here, the rotor for an electric machine must be designed differently than can be derived from the claims. The object of the invention is to show that it is possible to design a universal electric machine with a planetary gear on the basis of the inventions listed above, which is able to cover practically all types of electric machines with small deviations from one another.

Dieses Problem wird mit den in Schutzansprüchen 1 - 2 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the features listed in claims 1-2.

Durch die Lösung der 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 3.
2. Als Wechsel- bzw. Drehstrommotor mit Leistungszufuhr über Schleifringe nach 4.
3. Als Gleichstrommotor (Unipolar-Motor) mit Stromzufuhr über Schleifringe nach 5.
4. Als Gleichstromgenerator (Unipolar-Generator) mit Stromentnahme über Schleifringe nach 6.
5. Als mechanischer Leistungsverstärker mit Kurzschlusswicklung(en) (optional ohne Schleifringe) nach 7.

Interestingly, the solution to the main problems results in completely new properties, depending on the design of the machine in detail. The machine can be configured in such a way that, for example, the following applications can be implemented:

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

Beschreibung der Maschine im einzelnen: Die Maschine weist jeweils mindestens zwei Anker bzw. Läufer 2.1, 2.2 auf, die auf einer Abtriebswelle 1 mit einem Abstand zueinander befestigt sind (2). Die Planetenradwellen 12 sind mit für jeden Anker bzw. Läufer 2.1, 2.2, eigenen 2-poligen Erregerpolrädern 3.1, 3.4 bzw. 3.2, 3.3 ausgestattet, die in Aussparungen 17 in den Schenkeln 7 der U-förmigen Schnittbandkerne 7.1, die symmetrisch um die Anker herum angeordnet sind rotieren können. Mittels der Antriebswelle 11 wird das große Sonnenrad 8 angetrieben, welches auf der Antriebsseite der Maschine angeordnet und vorzugsweise auf der verlängerten Abtriebswelle 1 gelagert ist (siehe 2). Das Sonnenrad treibt mindestens zwei Planetenradwellen mit ihren 2-poligen Erregerpolrädern 3 an. Es ist je Pol der Maschine mindestens ein Erregerpolrad 3 vorzusehen (2), wobei auch je Pol mehrere Erregerpolräder zum Einsatz kommen können die parallel den Gesamtfluss bereit stellen (3). Die Erregerpolräder 3 können magnetisch oder elektromagnetisch erregt sein. Die Phasenlage der Erregerpolräder 3 zueinander ist davon abhängig, wieviele Erregerpolräder je Pol der Maschine eingesetzt sind. Die Erregerpolräder 3 eines Poles haben alle vom Prinzip her die gleiche Phasenlage und die Erregerpolräder 3 der Gegenpole haben eine Um 180° versetzte Phasenlage. D.h. dass bei Anwendungen von zwei Erregerpolrädern je Polpaar Nord- und Südpol immer abwechseln (3). Der magnetische Rückfluss zwischen den beiden Ankern bzw. Läufern 2 erfolgt immer über die Rückschlusseisen 7.1 der U-förmigen Schnittbandkerne. Der magnetische Fluss von den Erregerpolrädern 3 wird direkt oder indirekt über die Schenkel 7 nun gezielt zum Ankerluftspalt 5 geführt. Der magnetische Fluss muss nun, wie bei den eingangsseitig aufgeführten Getriebe, immer über alle Elemente zirkulieren: über Anker 2.1, Erregerpolrad 3.1, Erregerpolrad 3.2, Anker 2.2. Erregerpolrad 3.3, Erregerpolrad 3.4 und zurück zu Anker 2.1. (Siehe 2). Diese Lösung bietet sich insbesondere für die 2-poligen Maschinentypen an. Die beiden Läufer oder besser Anker 2.1, 2.2 die für diesen Maschinentyp erforderlich sind, sind 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). Es gibt wahlweise nur eine Wicklung, als Wellen-, Schleifen-, oder als Zweischichtwicklung ausgeführt, die an Schleifringe angeschlossen oder kurzgeschlossen ist, oder eine 3-Phasenwicklung, je nach Anwendungsart. Anzapfungen gibt es keine und auch keinen Kommutator. Für die Anwendungsfälle mit Kurzschlusswicklung(en) gibt es vorzugsweise keine Schleifringe 16. Description of the machine in detail: The machine has at least two armatures or rotors 2.1 , 2.2 on that on an output shaft 1 are fixed at a distance from each other ( 2 ). The planetary gear shafts 12th are included for each anchor or traveler 2.1 , 2.2 , own 2-pole exciter pole wheels 3.1 , 3.4 or. 3.2 , 3.3 fitted in recesses 17th in the thighs 7th of the U-shaped cut ribbon cores 7.1 that are symmetrically arranged around the anchors can rotate. By means of the drive shaft 11 becomes the big sun gear 8th driven, which is arranged on the drive side of the machine and preferably on the extended output shaft 1 is stored (see 2 ). The sun gear drives at least two planet gear shafts with their 2-pole exciter pole gears 3 at. There is at least one exciter pole wheel per pole of the machine 3 to provide ( 2 ), whereby several exciter pole wheels can also be used for each pole, which provide the total flow in parallel ( 3 ). The exciter pole wheels 3 can be excited magnetically or electromagnetically. The phase position of the exciter pole wheels 3 each other depends on how many exciter pole wheels are used per pole of the machine. The exciter pole wheels 3 of a pole all have, in principle, the same phase position and the exciter pole wheels 3 the opposite poles have a phase position offset by 180 °. This means that when using two exciter pole wheels per pole pair, the north and south pole always alternate ( 3 ). The magnetic return flow between the two armatures or rotors 2 always takes place via the back iron 7.1 of the U-shaped cut ribbon cores. The magnetic flux from the exciter pole wheels 3 is directly or indirectly through the thighs 7th now targeted to the armature air gap 5 guided. As with the gear units listed on the input side, the magnetic flux must now always circulate through all elements: through the armature 2.1 , Exciter pole wheel 3.1 , Exciter pole wheel 3.2 , Anchor 2.2 . Exciter pole wheel 3.3 , Exciter pole wheel 3.4 and back to anchor 2.1 . (Please refer 2 ). This solution is particularly suitable for the 2-pole machine types. The two runners, or rather anchors 2.1 , 2.2 which are required for this type of machine are now, depending on the number of pole pairs and diameter, with a large number of slots 4th provided that are wound like an armature of a DC machine or also like a slip ring rotor of a three-phase machine (see 1 ). There is either only one winding, designed as a wave, loop or two-layer winding, which is connected to slip rings or short-circuited, or a 3-phase winding, depending on the type of application. There are no taps and also no commutator. There are preferably no slip rings for applications with short-circuit winding (s) 16 .

Das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen zwischen dem Sonnenrad 8 bzw. Anker 2.1, 2.2 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 Abtriebswelle 1. Der magnetische Fluss trifft damit immer synchron optimal auf die stromführenden Leiterstäbe 10 in den Ankern 2.1, 2.2, als würde es keine Drehbewegung geben. Bei den 2-poligen Lösungen müssen die Planetenräder leicht axial zueinander versetzt auf das Sonnenrad treffen, da sich gleichen Durchmesser haben wie das Sonnenrad, falls z.B. acht Planetenräder erforderlich sind. Bei einer noch höheren Anzahl von Planetenrädern können vier Planetenradwellen direkt über das Sonnenrad angetrieben werden die ihrerseits über Kettenräder und Kette die anderen Planetenradwellen synchron mitnehmen. In 8 ist eine 2-polige Maschine mit nur 4 Erreregerpolradwellen und mit 2 im Anker um 90° versetzten Wicklungen dargestellt, die auch als Gleichstrommaschine betrieben werden kann.The gear ratio of the speeds between the sun gear 8th or anchor 2.1 , 2.2 and the exciter pole wheels 3 corresponds to the number of existing pole pairs. In an 8-pole machine (4-pole pairs), for example, the exciter rotors rotate 4 times as fast as the sun gear 8th . Because of this gear ratio, the sun gear rotates 8th at the same speed and in the same direction as the output shaft 1 . The magnetic flux therefore always hits the current-carrying conductor bars in an optimally synchronized manner 10 in the anchors 2.1 , 2.2 as if there was no rotation. With the 2-pole Solutions must meet the planet gears slightly offset from each other axially on the sun gear, since they have the same diameter as the sun gear, if, for example, eight planet gears are required. With an even higher number of planetary gears, four planetary gear shafts can be driven directly via the sun gear, which in turn synchronously take the other planetary gear shafts with them via chain gears and chains. In 8th shows a 2-pole machine with only 4 exciter pole wheel shafts and with 2 windings offset by 90 ° in the armature, which can also be operated as a DC machine.

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 minimal ist. Der Leistungsbedarf ist hier vergleichbar mit der Erregerleistung einer Gleichstrom- bzw. Drehstrommaschine.As the drive shaft 1 only the exciter pole wheels 3 has to drive with their relatively small diameters, no great effort is required here, especially since the anchor reaction is minimal. 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·l·v = B·l·d·Tπ·n (Siehe Seite 506 Elektrische Maschinen v. Th. Bödefeld und H. Sequenz 6. Auflage). Das Drehmoment errechnet sich wie folgt: M = l·z·B·la·d/2·π.The induced voltage in each ladder rod 10 is calculated approximately with the same formula as for DC machines without commutators: Uo = B · l · v = B · l · d · Tπ · n (see page 506 Electrical machines v. Th. Bödefeld and H.sequence 6th . Edition). The torque is calculated as follows: M = l · z · B · la · 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 3.

The functionality of the machine in the various possible applications is described below:

1. Use as an alternating or three-phase generator with low reactive power or as a space energy transformer with power consumption via slip rings 3 .

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.In this application, the machine is driven via the drive shaft 11 who have favourited the exciter rotors 3 synchronously via the planetary gears 9 set in rotation. The output shaft 1 is fixed and thus stands still. This induces an alternating voltage in the “armature winding” 10, which is transmitted via the slip rings 16 can be tapped. Because of the low armature reaction, a much higher output power is to be expected than has to be supplied via the drive motor.

2. Anwendung als Wechsel- bzw. Drehstrommotor mit Leistungszufuhr über Schleifringe nach 4.2. Use as a single-phase or three-phase motor with power supply via slip rings according to 4th .

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 Ankerwicklungsstränge je Anker bzw. Läufer 2, benötigt, 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 alternating or three-phase motor, it is necessary to have the drive shaft 11 to fix. The alternating or rotary voltage is supplied to the machine via the slip rings 16 fed. The output takes place logically via the output shaft 1 . As the drive shaft 11 is fixed, so are the exciter rotors 3 fixed. An alternating or three-phase voltage applied to the slip rings causes an alternating field in each armature. If there is only one winding in the armature package, the direction of rotation for an armature remains undefined and would have to be enforced with other aids. The motor voltage would probably have to be fed to the machine via a converter and run up with a ramp. Therefore, at least 2, better 3 armature winding phases per armature or rotor are required for the three-phase motor 2 , is required, as is the case with 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 5.3. Use as a direct current motor (unipolar motor) with power supply via slip rings 5 .

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 using the machine as a DC motor, a DC voltage is applied to the machine via the slip rings 16 fed. The drive shaft 11 remains free and the output takes place via the output shaft 1 . The direct current in the winding creates a flow through the armature 2 according to the number of poles of the machine. The direction of flow in the anchor 2 remains constant because it is a direct current. This flow is generated in interaction with the magnetic flux of the exciter pole wheels 3 a torque which forces the armature to rotate. Because the drive shaft 11 is not fixed in this application, it rotates at the same speed as the output shaft 1 With. 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 rotates with it, no commutation takes place. The magnetic flux “runs” synchronously with the flow through the armature. Therefore no commutation is required. The machine works as a unipolar motor. The direction of rotation chosen by the machine is left to chance, since the phase position of the armature poles with respect to the exciter poles is not fixed. This condition is remedied by removing the drive shaft 11 on the output shaft 1 , on which it preferably runs, fixed with the maximum load angle set so that it can only turn in one direction or only in the other direction, with coupling 14th . This then corresponds exactly to the arrangement as in a DC machine. The magnetic flux therefore always optimally flows through all conductor bars 10 in the grooves 18th of the anchor 2 that have the same current direction. The torque is always a maximum.

4. Anwendung als Gleichstromgenerator (Unipolar-Generator) mit Stromentnahme über Schleifringe nach 6.4. Use as a direct current generator (unipolar generator) with power consumption via slip rings 6th .

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 2, 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 by the drive shaft 11 driven. The direct current is going to the slip rings 16 tapped, and the output shaft 1 stay free. The rotating drive shaft 11 leaves the exciter pole wheels 3 to create a rotating field. The excitation field cuts the conductor 10 in anchor 2 and induces a voltage there. With the anchor standing 2 an alternating voltage is generated first. If a current is drawn from the machine, this current causes the armature 2 is carried along by the rotating exciter field. As long as the output shaft 1 can be rotated freely, a direct current can be tapped at the slip rings. The output shaft 1 runs synchronously with the drive shaft 11 With. 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 with it, no commutation takes place. The magnetic flux “runs” synchronously with the stationary flow through the armature. Therefore no commutation is required. The machine works as a unipolar generator. The polarity of the voltage generated in this way by the machine is left to chance, since the phase position of the armature poles with respect to the exciter poles is not fixed. This condition is remedied by removing the drive shaft 11 on the output shaft 1 on which it preferably runs (see 2 , Coupling 14th ), fixed with the set maximum load angle in such a way that either one polarity (+ / -) is tapped on the slip rings or in the reverse polarity (- / +). This then corresponds exactly to the arrangement as in a DC machine. The magnetic flux always optimally flows through all conductor bars in the armature slots that have the same current direction (see 3 ). The tension is always at its maximum. Because the two waves 1 and 11 are fixed with each other at the optimal load angle and the armature reaction on the exciter pole wheels 3 is relatively low, it is also expected here that a much smaller drive power is required than can be tapped from the direct current power at the slip rings. It is analogous to the application 1 . power amplification takes place as an alternator.

5. Anwendung als mechanischer Leistungsverstärker mit Kurzschlusswicklung (en) (ohne Schleifringe) nach 7.5. Use as a mechanical power amplifier with short-circuit winding (s) (without slip rings) 7th .

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. Bei einer Wicklung (Gleichstromwicklung) je Anker die kurzgeschlossen ist, erzeugen die Erregerpolräder 2 wenn sie über die Antriebswelle 11 angetrieben werden, 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 3 mitgenommen. 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. Werden die Leiterstäbe 10, wie bei einer Asynchronmachine, alle miteinander zu beiden Seiten der Blechpakete 2.1, 2.2 mittels einer starken Kupfer bzw. Aluplatte kurzgeschlossen, kann kein ausgeprägter Gleichstrom mehr fließen. Es wird bei dieser Lösung an Stelle des Lastwinkels einen Schlupf zwischen den Wellen 1 und 11 aufgebaut. Je nach Belastung der Maschine, wird dieser Schlupf mehr oder weniger groß sein. Je höher der Schlupf, desto höher der Kurzschlussstrom.In this application it is necessary to have the winding (s) 10 to short-circuit the machine, similar to a squirrel cage. Slip rings 16 are therefore not necessary in principle for this application. With one winding (direct current winding) per armature that is short-circuited, the exciter pole wheels generate 2 if they are about the drive shaft 11 are driven, a short-circuit current in the winding of the armature, which of course must be designed for this. This current is a direct current as the output shaft 1 Can rotate and is not held. The direct current in the winding 10 ensures that in interaction with the excitation flow of the rotors 3 a torque is built up. The input and output shaft rotate synchronously with each other. (The anchor 2 is removed from the rotating field of the exciter pole wheels due to the short-circuit current in the winding 3 taken away. 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 has been established between the current and the load angle. Will the ladder bars 10 as in an asynchronous machine, all together on both sides of the laminated core 2.1 , 2.2 Short-circuited by means of a strong copper or aluminum plate, no pronounced direct current can flow anymore. With this solution, instead of the load angle, there is a slip between the shafts 1 and 11 built up. Depending on the load on the machine, this slip will be more or less large. The higher the slip, the higher the short-circuit current.

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.Because the machine is here via the drive shaft 11 only the exciter pole wheels 3 drives, and the armature reaction of the short-circuit current is relatively small, a much greater output power can be achieved with this arrangement with a relatively small power for the drive machine, in this case as mechanical power. It is analogous to the application 1 . power amplification takes place as an alternator.

Die Universal Elektromaschine, lässt sich nun wie bereits beschrieben, auch mehrhpasig ausführen.As already described, the universal electric machine can now also be implemented with multiple phases.

Je nach gewünschter Phasenzahl lassen sich 2, 3 oder theoretisch beliebig mehr Wicklungsstränge 10 auf den Ankern bzw. Läufern 2 unterbringen, deren Phasenlage entsprechend der Phasenzahl der Maschine zueinander versetzt sind. Bei 2 Phasen um 90°, bei 3 Phasen um 120° usw. Die 3-phasige Wicklung könnte beispielsweise, wie von Schleifringankermaschinen bekannt, mit einer Zweischicht - Stabwicklung ausgeführt sein. Bei der 3-phasigen Lösung genügen 3 Schleifringe, wenn nicht jede Wicklung einzeln zugängig sein muss.Depending on the desired number of phases, 2, 3 or theoretically any more winding phases can be used 10 on the anchors or runners 2 accommodate whose phase position are offset from one another according to the number of phases of the machine. At 2 Phases around 90 °, with 3 phases around 120 °, etc. The 3-phase winding could, for example, as known from slip ring armature machines, be designed with a two-layer bar winding. With the 3-phase solution, 3 slip rings are sufficient if each winding does not have to be individually accessible.

8 zeigt beispielsweise eine ausgeprägte 2 Phasen- Anordnung der 4 Erregerpolräder 3 mit 2 x 3 Wicklungssträngen im Rotor 2. Diese Wicklungen können so verschaltet werden um entweder als „GS - Maschine“, „WS - Maschinen“ (1, 2 oder 3-phasig) oder als „Kurzschlussläufer“, wie beschrieben, betrieben werden zu können. 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. Dieses Verhalten wird nicht von den Anwendungen 2. und 3. erwartet. 8th shows, for example, a pronounced 2-phase arrangement of the 4th Exciter pole wheels 3 with 2 x 3 windings in the rotor 2 . These windings can be interconnected in such a way that they can be operated either as a "GS machine", "WS machine" (1, 2 or 3-phase) or as a "squirrel cage rotor" as described. Final remark: Whenever the electric machine according to the invention has the drive shaft 11 and thus via the exciter pole wheels 3 is driven, an increase in the applied power can be expected (applications 1 ., 4th and 5th). The exciter pole wheels 3 there is no opposing force comparable to the EMF of conventional machines. This behavior is not affected by the applications 2 . and 3rd expected.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

(1)(1): AbtriebswelleOutput shaft
(2)(2): Anker- bzw. Läufer mit NutenAnchor or runner with grooves
(3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4)(3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4): 2-polige Erreregerpolräder2-pole exciter pole wheels
(4) Nuten(4) grooves: vom Ankerfrom anchor
(5)(5): AnkerluftspaltArmature air gap
(6)(6): Erreger-LuftspaltExciter air gap
(7)(7): U-Schenkel von „Schnittbandkernhälfte“U-leg of "cut ribbon core half"
(7.1, 7.2)(7.1, 7.2): Magnetischer Rückschluss von „Schnittbandkernhälfte“ bzw. SchnittbandkernhälftenMagnetic inference from the “cut ribbon core half” or cut ribbon core halves
(8)(8th): SonnenradSun gear
(9)(9): PlanetenräderPlanetary 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)Drive shaft of the machine via sun gear ( 8th )
(12)(12): PlanetenradwellenPlanetary gear shafts
(13)(13): Lagerschilde mit der LagerungEnd shields with storage
(14)(14): Kopplung : Antriebswelle (11) mit Abtriebswelle (1) (Option)Coupling: drive shaft ( 11 ) with output shaft ( 1 ) (Option)
(15)(15): Gehäuse vom PlanetengetriebeHousing of the planetary gear
(16)(16): SchleifringeSlip rings
(17)(17): Aussparungen für ErregerpolräderRecesses for exciter pole wheels
(18)(18): Halterung für SchnittbandkerneHolder for cut tape cores

Liste der Darstellungen

1 Querschnitt „Stator“ / Anker mit acht Erregerpolradwellen je Polpaar mit angedeutetem Verlauf des magnetischen Flusses und der Stromrichtung in den Wicklungen 10.
2 Längsschnitt durch Maschine mit Darstellung von Getriebe und mit 2 Stator- / Anker- Anordnungen und dem Verlauf des magnetischen Flusses.
3 Schema: Wechsel- bzw. Drehstromgenerator mit geringer Blindleistung bzw. Raumenergie-Transformator mit Leistungsentnahme über Schleifringe
4 Schema: Wechsel- bzw. Drehstrommotor mit Leistungszufuhr über Schleifringe
5 Schema: Gleichstrommotor (Unipolar-Motor) mit Stromzufuhr über Schleifringe
6 Schema: Gleichstromgenerator (Unipolar-Generator) mit Stromentnahme über Schleifringe
7 Schema: Mechanischer Leistungsverstärker mit Kurzschlusswicklung (ohne Schleifringe).
8 Querschnitt durch 2-polige Maschine mit 2- Phasen, 4 Polradwellen, 2 um 90° versetzte Ankerwicklungen.

List of representations

1 Cross section “stator” / armature with eight exciter pole wheel shafts per pole pair with indicated course of the magnetic flux and the current direction in the windings 10 .
2 Longitudinal section through the machine showing the gearbox and with 2 stator / armature arrangements and the course of the magnetic flux.
3 Scheme: AC or three-phase generator with low reactive power or space energy transformer with power extraction via slip rings
4th Scheme: AC or three-phase motor with power supply via slip rings
5 Scheme: DC motor (unipolar motor) with power supply via slip rings
6th Scheme: direct current generator (unipolar generator) with power consumption via slip rings
7th Scheme: Mechanical power amplifier with short-circuit winding (without slip rings).
8th Cross-section through a 2-pole machine with 2 phases, 4 rotor shafts, 2 armature windings offset by 90 °.

Claims

Universal electrical machine with planetary gear, characterized in that a) the 2-pole exciter pole wheels (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), which are driven by means of a planetary gear (8, 9), are located in cylindrical recesses (17) in the legs (7 ) of U-shaped cutting bath cores (7.1) are located symmetrically around the 2 pcs. Armature or rotor (2.1, 2.2) are arranged around, which, depending on the type of machine, is practically designed as an armature of a DC machine or as a three-phase slip ring rotor with grooves (4) at regular intervals and depending on the requirements (mode of operation) with at least one wave, two-layer, loop, short-circuit winding or another winding and is connected to slip rings (16), whereby the short-circuit winding can advantageously make an exception here Armature or rotor 2.1, then over at least two exciter pole wheels 3.1 and 3.2 or at least one U-shaped cut ribbon core 7.1, then over the other armature or rotor 2.2 and then at least two further exciter pole wheels 3.3 and 3.4 or at least one further U- shaped cutting tape core 7.2 and then back to the starting point at anchor 2.1 arrives, and always optimally on d ie current-carrying conductor 10 meets, with the entire Magnetic flux, depending on the size of the machine, can flow in parallel over a large number of U-shaped cut ribbon cores, c) the armatures (2.1, 2.2) are wound in such a way that the current direction of the conductor bars (10), which are assigned to a pole pitch, is preferably always also point in the same direction, whereby the same number of rods with one current direction alternate with the same number of rods that lead the current in the opposite direction, d) 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 so that it corresponds to the ratio between the number of armature poles and the number of poles of the exciter pole wheels, that is, in a machine with, for example, 4 pole pairs in the armature, the exciter pole wheels (3) four times as much rotate quickly like the sun gear (8) and also like the armature (2), e) the number of phases of the windings of the armature or rotor 1, 2, 3, etc. can be.

Universal electric machine with planetary gear according to Claim 1 characterized in that the machine can be operated in different ways: a) as an alternating or three-phase generator with a fixed output shaft (1), b) as an alternating or three-phase motor with a fixed drive shaft (11), c) as a direct current motor ( Unipolar motor) with freely rotating drive shaft (11) or with the drive shaft (11) fixed on the output shaft (1) with a defined load angle and direction of rotation, d) as a direct current 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 phases present, with or without slip between the drive shaft 11 and the output shaft 1 (preferably without Slip rings).