invented by Friedbert Schaefer

Direkt-Antrieb für contrarotierende Propeller (crp )

High torque direct drive for contrarotating propellers

"Alles, was die Kraft der Welt macht, geschieht in einem Kreis..."   (Black Elk)

Die Zeichnungen Fig.1 und Fig.2 im Großformat erhalten Sie hier als pdf.

Die hier gezeigte Version (Version 2001) einer Mantelfeld-Homopolarmaschine könnte in mehreren technischen Bereichen  Verwendung finden:

• als Hochstromgenerator für

• Elektrolyse-Anlagen,
• Fusionsexperimente
• elektromagnetische Startvorrichtungen für Raumschiffe und Flugzeuge. (die Bereithaltung der erforderlichen Energie ist in großen Schwungenergiespeichern möglich, deren tonnenschwere Rotoren berührungsfrei mittels meiner Mantelfeld-Magnetlager gelagert werden können. Die magnetische Lagerung erfolgt dabei weitestgehend passiv und ohne teure Regelelektronik. Die Feldspulen der Mantelfeld-Magnetlager bestehen bei der Anwendung im großen Maßstab  vorzugsweise aus Hochtemperatur-Supraleitern.

• als Antrieb von gegenläufigen Schiffsschrauben, koaxialen Hubschrauber-Rotoren, Koaxial-Propellern, und Hochleistungspumpen

Die Abbildung zeigt einen von Ishikawajima-Harima gebauten Schiffspropeller mit zwei gleich großen gegenläufigen Schiffsschrauben. Die Mantelfeld-Homopolarmaschine wurde speziell für den getriebelosen Antrieb eines derartigen Propellers erfunden. Für den getriebelosen, elektrischen Antrieb contrarotorischer Schiffspropeller (crp) wird eine Maschine benötigt, welche extrem hohe Drehmomente direkt auf die Schrauben überträgt. Das bedeutet, dass der Teil der Maschine, welcher bisher feststehend war und deshalb als Stator bezeichnet wurde, ebenfalls zur Rotation befähigt sein muss. Mit der bevorstehenden Massenproduktion von Hochtemperatur-Supraleitern, scheint der Zeitpunkt für eine Revolution in der Elektrotechnik gekommen zu sein. Die für den Betrieb der Maschine benötigten verlustarmen Bürsten werden von Hipercon angeboten ( http://www.hipercon-llc.com/?cat=Technology&title=Technology ). Angaben zum Bild - Copyright und mehr finden Sie hier. informations about the source of the picture you can find here.

Die Erfindung könnte in idealer Weise und hocheffizient Brennstoffzellentechnologie, Supraleitung und crp-Technologie miteinander verknüpfen und der bereits erkennbaren Technologieerneuerung im Schiffsbau entscheidende Impulse geben.

Ebenso wie die gezeigten gegenläufigen Schiffsschrauben benötigen auch die gegenläufigen Rotoren von Koaxial-Hubschraubern sehr hohe Drehmomente bei niedriger Drehzahl.

Mit Hilfe supraleitender Feldwicklungen sollte es möglich sein, ein Leistungsgewicht des Motors  von 1 kW/kg oder besser zu erzielen. Wenn als Gleichstrom-Energiequelle ein Brennstoffzellen-Aggregat mit einem ähnlich günstigem Leistungsgewicht verfügbar wird, ist der Weg frei für einen  

Koaxial-Hubschrauber mit elektrischem Direktantrieb

Vorteil eines Koaxial-Helikopters: Auf den Flugzeugrumpf wirken keine Rückdrehmomente, ein Heckrotor zum Drehmomentausgleich erübrigt sich. Für den Vertikalantrieb steht die gesamte Motorleistung zur Verfügung.

Gegenwärtig wird dieses Bauprinzip vor allem für  Schwerlast-Hubschrauber (vgl. http://www.kamov.ru/) und für unbemannte Aufklärungsflugzeuge verwendet (vgl.  http://www.gyrodynehelicopters.com/ ).

Die contrarotorische Homopolarmaschine ist nicht nur als Direktantrieb für Koaxial-Hubschrauber, sondern auch als Propellerantrieb für ein vollelektrisches Flugzeug geeignet. Eingesetzt in ein VTOL - Flugzeug nach dem Vorbild des von Boeing gebauten Osprey können die Rotoren sowohl für den senkrechten Start als auch für den schnellen Vorwärtsflug Verwendung finden. Ersetzt man die Verbrennungsmaschinen in den bekannten Koaxial-Helikoptern durch einen elektrischen Direktantrieb, kann ein äußerst umweltfreundliches Transportmittel gebaut werden, welches keine Straßen  und keine Start- und Lande-Bahnen benötigt.

Der nachfolgende Text entspricht weitestgehend der Patentanmeldung DE 101 64 435 vom 29.12.2001

Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte und wird in Brennstoffzellen ohne schädliche Nebenprodukte mit dem Sauerstoff der Luft verbrannt. Dabei wird elektrische Energie in Form von Gleichstrom erzeugt. Diese Energiewandlung kann mit hohem Wirkungsgrad erfolgen. Damit die elektrische Energie der Brennstoffzelle ohne Umrichter drehzahlvariabel und getriebelos in mechanische Energie umgesetzt werden kann, werden für künftige Schiffsantriebe, welche mit Wasserstoff statt mit Dieselkraftstoff betrieben werden, leistungsstarke Gleichstrom-Motoren mit hoher Kraftdichte benötigt.

Zum wirklich umweltfreundlichen Betrieb der Brennstoffzellen wird Wasserstoff benötigt, der aus regenerativen Energiequellen gewonnen wird. Für die Erzeugung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse werden Gleichstrom-Generatoren benötigt, die in der Lage sind, hohe Strommengen zu liefern.

Eine Maschine, die als Universalmaschine für beide Energiewandlungen eingesetzt werden kann, ist die nun vorgeschlagene flossenlose Mantelfeld-Homopolarmaschine.

Der Begriff Mantelfeld-Homopolarmaschine wird in meiner Patentanmeldung vom 19.12.2000 ( DE 100 63 230 A1 ) erstmals verwendet. Bereits am 01.08.1975 wurde von Prof. Peter Klaudy (Erfinder) und der Fa. Siemens (Anmelder) eine Unipolarmaschine angemeldet ( DE 25 34 511 B 2 ), welche prinzipiell die gleiche magnetische Feldstruktur verwendet wie sie in meiner oben genannten Schrift beschrieben wird. Die von Prof. Klaudy beschriebene Maschine kann somit ebenfalls als Mantelfeld-Homopolarmaschine bezeichnet werden. Die Lektüre dieser beiden Schriften wird zum besseren Verständnis der nachfolgend beschriebenen Erfindung empfohlen. Beide vorgenannten Erfindungen haben den gemeinsamen Nachteil , dass sie zu sehr das Vorbild der Faraday`schen Scheibe nachahmen, ohne die mechanischen Probleme ausreichend zu würdigen, die sich bei deren technischen Realisierung ergäben.

Drei Nachteile der Vorgängerversionen sollen durch die nachfolgend beschriebene Erfindung beseitigt werden:

1. Radial verlaufende Luftspalte (gemeint sind Luftspalte, welche orthogonal zur Drehachse angeordnet sind) erfordern zusätzliche Stützkörper, welche eine Annäherung der Mantelfeld-Segmente verhindern.

2. Durch die Verwendung von Scheiben oder Flossen als Träger des mit dem Erregerfeld wechselwirkenden Stromes werden aus einem Luftspalt effektiv zwei Luftspalten. Um einen ungewollten mechanischen Kontakt zwischen Läuferflosse und Erregereinheit auszuschließen, müsste der Luftspalt wesentlich größer bemessen werden als in konventionellen elektrischen Maschinen, welche nur einen axialen Luftspalt zwischen den beiden Hauptelementen besitzen.

3. Um die Scheibe bzw. Flosse ausreichend stabil und tragfähig zu machen müsste sie entsprechend dick dimensioniert werden, womit der magnetische Widerstand im Mantelfeld stark ansteigt, sofern die Flosse nicht mit hochpermeablen Material verstärkt wird.

Ein vierter Nachteil, der allen Gleichstrom-Homopolarmaschinen gemeinsam ist, besteht in der Notwendigkeit, sehr große Strommengen über Bürsten übertragen zu müssen. Durch die flossenlose Mantelfeld-Homopolarmaschine, zumindest in der contrarotorischen Version, wird der Nachteil abgeschwächt. Bisher wurden für vier aktive Läuferflossen acht Bürstenanordnungen benötigt. Die neue Version benötigt nur noch fünf Schleifkontaktzonen für vier drehmomentbildende bzw. induktionsstromliefernde Wandungssegmente. Bei geschickter Kombination zweier Funktionseinheiten kann man den Vorteil noch verbessern. (Siehe Anspruch 6.)

Für die Gestaltung der Bürstenanordnungen findet man in der US-Patentschrift 6,245,440 ( „Continuous metal fiber brushes" ) wertvolle Hinweise.

Als Hauptanwendung der mechanisch verbesserten neuen Version wird der Einsatz als High-Torque-Antrieb für gegenläufige Schiffsschrauben oder andere gegenläufige Rotoren mit hoher Drehmomentanforderung anvisiert. Gegenläufige Propeller, welche über konzentrische Hohlwellen angetrieben werden, besitzen gegenüber einfachen Schiffspropeller einen besseren Propulsionswirkungsgrad. Daraus ergibt sich für die Konstruktion die zusätzlich einzuhaltende Forderung, dass beide Hauptelemente gleichermaßen rotationstauglich sein müssen.

Die nun vorliegende Version einer Mantelfeld-Homopolarmaschine beseitigt die genannten Nachteile der Vorgängerversionen und erleichtert durch eine weitgehend ähnliche Gestaltung der Hauptelemente deren Verwendung in contrarotorischen Anwendungen. Die Maschine ist nun vorrangig als Läufer-Gegenläufer-Maschine konzipiert, so wirkt auf das Fundament der Maschine keinerlei Rückdrehmoment. Dieses Konzept erleichtert die Leistungsbereitstellung an den Schiffs-Schrauben über extrem hohe Drehmomente bei relativ niedrigen Drehzahlen.

Im Umkehrbetrieb kann die Maschine als Gleichstrom-Generator für Hochstromanwendungen eingesetzt werden. Die nun vorgeschlagene Bauart sollte noch besser als andere Bauformen geeignet sein, die Bewegungsenergie strömender Medien wie Luft oder Wasser in elektrische Energie umzuwandeln. So wie gegenläufige Schiffs-Schrauben einen besseren Wirkungsgrad bei der Propulsion liefern, so sollte auch der Einsatz gegenläufiger Turbinenräder im Generatorbetrieb eine höhere Ausnutzung der Strömungsenergie erwarten lassen. Windkraftwerke, Gezeitenkraftwerke und Meeresströmungskraftwerke können von dieser Erfindung profitieren. Bei Wirtschaftlichkeitserwägungen kann die minimal erforderliche Strömungsgeschwindigkeit deutlich geringer angesetzt werden. Die Speicherung der regenerativ gewonnenen elektrischen Energie kann nach der Elektrolyse von Wasser in Form von Wasserstoff erfolgen.

Die Funktionsweise der flossenlosen Mantelfeld-Homopolarmaschine soll nun am Beispiel eines Direktantriebs für gegenläufige Schiffspropeller erläutert werden:

Über die Schleifkontaktringe (9) und (13) werden über viele Einzelbürsten mehrere parallel geschaltete Gleichstromquellen, vorzugsweise Brennstoffzellen elektrisch mit der Maschine verbunden. Da es sich bei der Maschine um eine Hochstrom-Maschine handelt, ist es sinnvoll, zur Begrenzung der Leitungsverluste den Strom über supraleitende Kabel zuzuführen. Gleichstrom kann in supraleitenden Kabel über weite Strecken verlustfrei weitergeleitet werden. Innerhalb der Maschine kann bei entsprechend großzügig  bemessener Stärke der Strombelags-Wandungen (5), (6), (7) und (8), sowie ausreichender Querschnittsauslegung der Bürstenzuleitungen der Ohm´sche Widerstand vernachlässigbar klein gehalten werden. Die Wandungen bestehen aus elektrisch gut leitendem Material und sind gegen die Kernhälften (1) und (2) des Mantelfeldes elektrisch isoliert. Das Kernmaterial seinerseits ist massiv und besitzt vorzugsweise extrem hohe magnetische Permeabilität , um den erforderlichen Magnetisierungsstrom, der in Form von Gleichstrom die Schalenwicklungen (3) und (4) durchfließt, zu minimieren. Dieser Erregerstrom wird übrigens in Achsennähe über eigene, in den Zeichnungen nicht dargestellte Schleifkontakte zugeführt, oder fließt im Falle der supraleitenden Ausführung als Kurzschluss-Strom verlustfrei durch die Erregerwicklungen.

 Die Strombelagswandungen dürfen wegen des magnetischen Widerstands, den diese Wandungen für den zirkularen Fluss darstellen, nicht zu großzügig bemessen werden. Der erforderliche Erregerstrom wird größtenteils durch die Luftspaltweite und die Stärke der Strombelagswandungen bestimmt. Der Wicklungsraum für die innere Schalungswicklung 4)  ist in den Zeichnungen vielleicht etwas knapp dargestellt.Vor allem bei Ausführungen, die auf Supraleitung verzichten, muss dieser Raum aufgeweitet werden.

Als Leitermaterial für die Erregerwicklungen und für die Verbindungskabel zwischen Spannungsquelle(n) und Maschine stehen neuerdings Hochtemperatur-Supraleiter (kurz: HTSL) zur Verfügung. Die amerikanische Firma American Superconductor stellt bereits flexible HTSL-Kabel in ausreichenden Längen zur kommerziellen Nutzung bereit. Der zur Kühlung notwendige Stickstoff  kann im Zentrum der Achse über geeignete Vorrichtung dem Innenläufer auch während der Rotation zugeführt werden. Hier haben die gegeneinander beweglichen Abdichtringe eine niedrige gegenseitige Relativgeschwindigkeit. Die notwendigen Technologien zur Kühlung des Innenläufers sind verfügbar. Beim Außenläufer wird zumindest in der hier bevorzugten Anwendung mit zwei gegenläufigen Hauptelementen auf eigene Erregerwicklungen verzichtet. Der zirkulare magnetische Kreis wird über das hochpermeable Kernmaterial (2) des Außenläufers geschlossen. Die mechanischen Verbindungen außerhalb der magnetischen Kreishälften des Innenläufers und des Außenläufers sind aus unmagnetischem, hochfestem Material. So ist gewährleistet, dass der magnetische Fluss weitgehend vollständig und fast ohne Streuverluste die Strombelagswandungen durchdringt.

Bei Anwendungen, welche nur einen rotierenden Läufer benötigen, bei der also eine Kern-Hälfte des Mantelfeldes fest verankert ist und die andere Hälfte rotiert, befinden sich die Erregerwicklungen bevorzugt am feststehenden Teil. Dann kann der Erregerstrom über ruhende Verbindungen zugeführt werden. Zur Verringerung der Stromdichte in den Schalenwicklungen kann bei Ausführungen mit feststehenden Außenteil der Erregerstrom auf beide Kernhälften verteilt installiert werden.

Die Wandungen bilden das Flussbett für den Läuferstrom, welcher im wesentlichen nur im Bereich der Stirnflächen, welche ich mit Wirkzonen bezeichne, mit dem zirkularen Mantelfeld drehmomentbildend reagiert. Die Stromführung erfolgt durch vier Wirkzonen hindurch so, dass  nach der „Rechte-Hand-Regel” die resultierenden Tangentialkräfte F  die gewünschten Drehrichtungen erzwingen. Für die Berechnung der Partialkräfte auf jedes einzelne der vier Wandungssegmente 6), 7), 8) und 9) kann die „Dicke” des Mantelfeldes als wirksame Leiterlänge eingesetzt werden.

Die Mantelfeld-Homopolarmaschine ist rotationssymmetrisch aufgebaut. Fig.1  zeigt anschaulich in einer dreidimensionalen Schnitt-Illustration die resultierenden Kraftwirkungen auf eine konzentrische Welle-Hohlwelle-Kombination An Hand der Fig.2 wird erläutert, wie der Läuferstrom mit Hilfe von Bürsten durch die Maschine hindurch geführt wird:

Über den Schleifkontaktring 9),der außerhalb des Mantelfeldes angeordnet ist, gelangt der Läuferstrom auf das Wandungssegment 7) des Innenläufers, durchläuft das Mantelfeld von außen nach innen, wird durch die Bürstenanordnung 12) abgegriffen, und isoliert von der Gegenleitung zum Wandungssegment 8) des Außenläufers geführt. In diesem Segment durchläuft der Strom das Mantelfeld von innen nach außen und wird dann über die Bürstenanordnung 11) wieder zum Wandungssegment 5) des Innenläufers zurückübertragen. Über dieses Segment durchströmt der Strom genau wie in der Ausgangssituation das Mantelfeld von außen nach innen. Er ist zwar nun der ursprünglichen Stromrichtung auf Segment 7) entgegengerichtet, da aber auch die Flussrichtung des Mantelfeldes entgegengesetzt verläuft, haben die auf die Wandungssegmente 5) und 7) jeweils resultierenden Tangentialkräfte die gleiche Richtung. Über die Bürsten-anordnung 10) wird nun das Wandungssegment 6) des Außenläufers mit Strom versorgt. Für die Segmente 6) und 8) des Außenläufers vollzieht sich die Reaktion mit dem Mantelfeld in gleicher Weise, wie für die Segmente des Innenläufers erläutert, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Durch die enge Anordnung der gegensinnig gerichteten Ströme in den sich gegenüber liegenden Läuferwandungen ist eine nach außen hin nur geringe oder gar keine magnetische Fernwirkung zu erwarten. Unter dem Gesichtspunkt der gegenseitigen Kompensation der Fernwirkung ist auch die Anordnung der Bürsten 10) und 12) mit ihren Zuleitungen, die sich isoliert voneinander gegenseitig durchdringen, vorzunehmen.

Nicht dargestellt sind die erforderlichen Lager, durch welche die beiden Hauptelemente gegenseitig und die Maschine insgesamt drehbar gelagert ist. Übrigens lässt sich die gezeigte Anordnung der beiden Hauptelemente auch für ein magnetisches Axiallager nutzen. Beide Hauptelemente widersetzen sich einer gegenseitigen, axialen Verschiebung aus der dargestellten Position, da diese den geringsten magnetischen Widerstand für das Mantelfeld bedeutet. Diese beiläufig gefundene Eigenschaft lässt sich für schwere Schwungenergiespeicher und Drallräder nutzen.

Die Zeichnungen Fig.1 und Fig.2 im Großformat erhalten Sie hier als pdf.