DE202005020071U1

DE202005020071U1 - Wandler mit einer elektrischen Maschine sowie mehrstufiger Wandler

Info

Publication number: DE202005020071U1
Application number: DE202005020071U
Authority: DE
Original assignee: GRATH CHRISTIAN
Current assignee: GRATH CHRISTIAN
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2015-12-22

Abstract

Wandler mit einer elektrischen Maschine (2),
– wobei die elektrische Maschine (2) einen Stator (6) und einen um eine Drehachse (A) drehbaren Rotor (8) aufweist,
– wobei der Rotor (8) einen die Drehachse (A) umfassenden, axial verlaufenden und axial beidseits offenen Hohlraum (9) mit einer Rotorinnenseite (17) aufweist,
– wobei der Hohlraum (9) mit zwei Zugangsöffnungen (4, 5) des Wandlers in Wirkverbindung steht, so dass über die Zugangsöffnungen (4, 5) ein axial durch den Hohlraum (9) hindurchtretender Stoffstrom möglich ist,
– wobei im Hohlraum (9) eine Umsetzeinrichtung (20–26) angeordnet ist, und
– wobei über die Umsetzeinrichtung (20–26) dem Stator (6) zugeführte elektrische Energie in den Stoffstrom oder umgekehrt der Stoffstrom in von dem Stator (6) abgegebene elektrische Energie umsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler mit einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen um eine Drehachse drehbaren Rotor aufweist, wobei der Wandler zwei Zugangsöffnungen aufweist, über welche ein möglicher Stoffstrom erfolgt, und wobei der Wandler eine Umsetzeinrichtung aufweist, über welche dem Stator zugeführte elektrische Energie in den Stoffstrom oder umgekehrt der Stoffstrom in von dem Stator abgegebene elektrische Energie umsetzbar ist. Die Erfindung betrifft zudem einen mehrstufigen Wandler mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung hintereinander geschalteten Wandlerstufen zu einer Baueinheit.
Bei den Stoffen im Stoffstrom kann es sich um Fluide, d.h. um dünnflüssige bis zähflüssige sowie um gasförmige Stoffe handeln. Beispiele dafür sind Wasser, Öle oder auch Luft. Bei den Stoffen kann es sich aber auch um pastöse Stoffe handeln, wie z.B. um Cremes oder Fette. Unter dem Begriff Stoff sind auch riesel- oder schüttfähige Stoffe in Form von Pulver oder Granulat zu verstehen, wie z.B. Mehl, Sand oder Kies. Es kann sich bei dem Stoff auch um ein Gemenge bzw. um ein Gemisch aus gasförmigen Stoffen und verschiedenen Flüssigkeiten handeln, wie z.B. einem Sol. Ebenso kann es sich bei dem Stoff um ein Gemenge bzw. um ein Gemisch aus gasförmigen Stoffen und festen Bestandteilen handeln, wie z.B. Staub. Es kann sich weiterhin bei dem Stoff um ein Gemenge bzw. um ein Gemisch aus flüssigen Stoffen und festen Bestandteilen handeln. Schließlich kann ein Gemenge oder ein Gemisch alle zuvor genannten Stoffarten aufweisen. Ein Beispiel hierzu ist Abwasser.
Unter dem Begriff Wandler ist eine Einrichtung zu verstehen, welche elektrische Energie in einen Stoffstrom und umgekehrt Energie aus dem Stoffstrom in elektrische Energie umsetzt. Im Falle von Fluiden spricht man bei derartigen Wandlern auch von Strömungsmaschinen.
In einer ersten Betriebsart, d.h. der Umsetzung von elektrischer Energie in einen Stoffstrom, arbeitet der Wandler motorisch, d.h. als Arbeitsmaschine. Der Wandler ist somit eine Fördereinrichtung. In diesem Fall handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Elektromotor. Der Stator des Elektromotors setzt dabei die von einer Spannungsversorgung aufgenommene elektrische Energie in ein magnetisches Feld um, welches mittels Induktion in mechanische Rotationsenergie im Rotor umgewandelt wird. Entlang dieser Wirkkette wird weiterhin mechanische Energie in einen Stoffstrom umgesetzt, d.h. in einen Teilchenstrom, der mit einer entsprechenden Kraft in Bewegung versetzt wird.
Im Fall von Fluiden spricht man bei dem motorischen Wandler auch von einer Pumpe, wie z.B. von einer Kreiselpumpe. Im besonderen Fall von gasförmigen Stoffen spricht man von einem Ventilator, Lüfter oder Verdichter.
In einer zweiten Betriebsart, d.h. der Umsetzung des Stoffstroms in von dem Stator abgegebene elektrische Energie, arbeitet der Wandler generatorisch, d.h. als Kraftmaschine. In diesem Fall handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Generator. Es wird dann entsprechend der umgekehrten Reihenfolge der Wirkkette die Energie im Stoffstrom in vom Stator abzugebende Energie umgesetzt. Die vom Stator abgegebene Energie kann dann z.B. von einem angeschlossenen Energieversorgungsnetz aufgenommen werden.
Bei dem generatorischen Wandler spricht man im Fall von Fluiden auch von einer Turbine, wie z.B. bei flüssigen Stoffen von einer Wasserturbine oder bei gasförmigen Stoffen von einer Dampfturbine.
Die elektrische Maschine des Wandlers steht in einer mechanischen Wirkverbindung mit einer Umsetzeinrichtung. Die Umsetzeinrichtung setzt die über das induzierte Magnetfeld des Stators umgewandelte kinetische Rotationsenergie in einen Stoffstrom und umgekehrt die Energie aus dem Stoffstrom in kinetische Rotationsenergie um.
Je nach vorliegendem Stoff weist die Umsetzeinrichtung eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform auf.
So ist im Falle von pastösen, pulvrigen, riesel- und schüttfähigen Stoffen, aber auch im Fall von Flüssigkeiten oder Gemengen bzw. Gemischen mit Flüssigkeiten, eine Schnecke vorteilhaft. Die Schnecke ist z.B. eine Wendel in Form von Blechen, die in einem Gang oder in mehreren Gängen um eine Welle gewickelt ist. Die Welle ist dann zumeist axial mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden. Diese Ausgestaltungsform ist vorteilhaft für weniger zähflüssige Stoffe. Für die anderen zuvor genannten Stoffe ist die Ausbildung der Schnecke in Form eines aus dem Lebensmittelbereich bekannten Fleischwolfs von Vorteil. Pro Umdrehung der Förderschnecke ist bei kleinen Steigungswinkeln eine hohe Förder- oder Vorschubkraft bei vergleichsweise geringem Fördervolumen erzielbar. Ist dagegen der Steigungswinkel vergleichsweise hoch, so ist pro Umdrehung der Förderschnecke ein vergleichsweise großes Fördervolumen bei geringer Vorschubkraft erzielbar.
Im Fall von flüssigen Stoffen ist die Umsetzeinrichtung vorzugsweise ein Propeller, welcher z.B. die Form einer Schiffsschraube aufweist. Im Besonderen weisen die Schaufeln bzw. die Flügel eine in gewissem Maße gekrümmte Oberfläche auf. Die einzelnen Schaufeln bzw. die einzelnen Flügel des Propellers drehen sich dabei um eine Welle, welche zumeist axial mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Anzahl der Schaufeln bzw. der Flügel liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 5.
Im Fall von gasförmigen Stoffen ist die Umsetzeinrichtung vorzugsweise ein Propeller bzw. eine Turbine, welcher bzw. welche Schaufeln bzw. Flügel mit einer nahezu planen Oberfläche aufweist. Im Vergleich zu den Schaufeln bzw. zu den Flügeln im Fall der flüssigen Stoffe liegt die Anzahl hier vorzugsweise bei 6 und mehr.
Die zuvor genannten Umsetzeinrichtungen werden üblicherweise an einer Asynchronmaschine, wie z.B. an einer dreiphasigen Asynchronmaschine, betrieben. Leistungsfähigere, aber auch teurere elektrische Maschinen sind z.B. Synchronmaschinen, welche einen Rotor mit hochpermeablen Permanentmagneten aufweisen.
Asynchronmaschinen bzw. Synchronmaschinen können auch direkt an einer Spannungs- bzw. Stromversorgung, insbesondere an einer dreiphasigen Stromversorgung, wie z.B. an einem 50 Hz/400V-Drehstromnetz, betrieben werden.
Alternativ ist auch der Betrieb der Asynchronmaschinen bzw. Synchronmaschinen an einem Wechselrichter bzw. an einem Umrichter möglich. Auf diese Weise ist ein geregelter Betrieb der elektrischen Maschinen möglich.
Mittels eines Umrichters ist es auch möglich, die Asynchronmaschine bzw. die Synchronmaschine an einer Gleichspannung, wie z.B. an einer 12V- oder 24V-Gleichspannung, zu betreiben. In diesem Fall setzt der Umrichter die Eingangsgleichspannung üblicherweise in ein 3-phasiges Spannungssystem um.
Nachteilig an den zuvor beschriebenen Wandlern ist die relativ große Bauform im Vergleich zum Strömungsquerschnitt der Zugangsöffnungen. Zudem weisen diese Wandler eine Vielzahl von Komponenten auf, die für die elektrische Maschine und für die Umsetzeinrichtung benötigt werden. Der Aufbau solcher Wandler ist demzufolge aufwändig und komplex.
Weiterhin weisen bekannte Pumpen als motorische Wandler den Nachteil auf, dass sie einen relativ hohen Strömungswiderstand aufweisen. Dies ist z.B. bei einer Kreiselpumpe der Fall, welche eine Flüssigkeit durch mehrere Biegungen hindurch fördern muss. Vor allem ist dies in einem Rohrsystem von Nachteil, in welchem eine möglichst geradlinige Flüssigkeitsförderung gewünscht wird.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Wandler anzugeben, welcher einen kompakteren und einfacheren Aufbau erlaubt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Wandler anzugeben, welcher im Vergleich zu bekannten Wandlern einen geringeren Strömungswiderstand bei einem gleichen Querschnitt der Zugangsöffnungen ermöglicht.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Wandler anzugeben, der einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen mehrstufigen Wandler auf Basis eines solchen Wandlers anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Wandler mit einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen um eine Drehachse drehbaren Rotor aufweist. Der Rotor weist einen die Drehachse umfassenden, axial verlaufenden und axial beidseits offenen Hohlraum mit einer Rotorinnenseite auf. Der Hohlraum steht mit zwei Zugangsöffnungen des Wandlers in Wirkverbindung, so dass über die Zugangsöffnungen ein axial durch den Hohlraum hindurchtretender Stoffstrom möglich ist. Im Hohlraum ist eine Umsetzeinrichtung angeordnet, über welche dem Stator zugeführte elektrische Energie in den Stoffstrom umsetzbar ist oder umgekehrt der Stoffstrom in von dem Stator abgegebene elektrische Energie umsetzbar ist.
Der große Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, dass der für den motorischen und generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wenig genutzte zentrale Bereich des Rotors in Axialrichtung nun für eine sonst üblicherweise außerhalb der elektrischen Maschine befindlichen Umsetzeinrichtung verwendet werden kann. Es kann folglich vorteilhaft die Funktion einer Umsetzeinrichtung in Form eines Propellers, einer Turbine oder einer Schnecke in den jetzt zur Verfügung stehenden Hohlraum integriert werden.
Durch die axiale Ausrichtung des neu geschaffenen Hohlraums werden zudem Biegungen sowie Krümmungen in Richtung des Stoffstroms vermieden. Dadurch wird vorteilhaft der Strömungswiderstand reduziert und letztendlich der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wandlers erhöht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass ein derartig beschaffener Wandler durch die Integration der Umsetzeinrichtung in den Hohlraum erheblich weniger Komponenten aufweist. Ein solcher Wandler ist folglich im Aufbau weniger aufwändig und komplex und somit wartungsfreundlicher. Aufgrund der Tatsache, dass weniger Komponenten für einen derartigen Wandler benötigt werden, erhöht sich zudem vorteilhaft die Lebensdauer eines solchen Wandlers.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Wandlers eine Asynchronmaschine. Der Rotor dieser Asynchronmaschine ist dabei ein Kurzschlussläufer. Die Asynchronmaschine weist den besonderen Vorteil auf, dass sie besonders günstig herstellbar ist, zudem bürstenlos und somit besonders wartungsarm ausgeführt werden kann. Asynchronmaschinen können z.B. dreiphasig ausgeführt sein und, wie eingangs beschrieben, auch direkt an einem Energieversorgungsnetz, wie z.B. an einem 50Hz/400V-Drehstromnetz, angeschlossen werden.
Alternativ ist die elektrische Maschine des Wandlers eine Synchronmaschine. Dabei weist der Rotor der elektrischen Maschine eine Vielzahl von Permanentmagneten auf. Die Permanentmagnete sind hierzu auf der Mantelfläche des zylindrisch ausgebildeten Rotors aufgebracht.
Die Synchronmaschine weist eine im Vergleich zur Asynchronmaschine sehr hohe Leistungsdichte auf. Auf diese Weise kann ein noch kompakterer Wandler realisiert werden.
Die elektrische Maschine des Wandlers kann auch als Generator betrieben werden. Die aus dem Stoffstrom ausgekoppelte Energie kann dann vorteilhaft in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit der aus dem Stoffstrom umgewandelten elektrischen Energie z.B. eine angeschlossene Sensoreinheit oder Messwerterfassungseinheit betrieben werden kann. Die Messwerterfassungseinheit kann z.B. Messwerte im Zusammenhang mit dem Stoffstrom erfassen, wie z.B. das Durchflussvolumen, den Druck oder die Temperatur des Stoffstroms. Auf diese Weise kann auf die Integration von chemischen Energieträgern, wie z.B. Batterien, und auf einen externen Stromanschluss für eine derartige Messeinrichtung verzichtet werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist die elektrische Maschine des Wandlers in beiden Drehrichtungen betreibbar. Dadurch kann vorteilhaft ein Stoffstrom in beiden Richtungen bewirkt bzw. Energie in beiden Richtungen aus einem Stoffstrom entnommen werden.
Im Besonderen ist die Umsetzeinrichtung des Wandlers mit der Innenseite des Rotors verbunden. Dadurch ist eine besonders wirksame Drehmomentübertragung vom Rotor auf die Umsetzeinrichtung möglich. Die Umsetzeinrichtung kann z.B. auch in Form einer Hülse in den Innenraum des Rotors eingepasst werden. Die Drehmomentübertragung erfolgt dann über eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Außenseite der Umsetzein richtung und der Innenseite des Rotors. Die Drehmomentübertragung von Rotor auf die Umsetzeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch über eine formschlüssige Verbindung, wie z.B. mittels einer Nut-Feder-Paarung, erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor der elektrischen Maschine einen axial verlaufenden Hohlraum mit einem kreisförmigen Querschnitt auf. In diesem Fall ist der Hohlraum des Rotors zylindrisch ausgebildet. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin begründet, dass über den gesamten axialen Verlauf hin ein gleichmäßiger Rohrquerschnitt mit einem gleichmäßigen Strömungswiderstand vorliegt.
Im Falle eines polygonen Querschnitts bildet der Rotor plane Flächen an der Innenseite des Rotors aus, an welchen in fertigungstechnischer Hinsicht besonders einfach Flügel oder Schaufeln einer Umsetzeinrichtung angebracht werden können.
Der erfindungsgemäße Wandler kann zum Anschließen an ein Rohr bzw. an ein Rohrsystem einen Stutzen für die jeweilige Zugangsöffnung aufweisen. Dadurch kann der Wandler auf besonders einfache Weise in ein bestehendes Rohrsystem integriert werden.
Der Stutzen weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, wobei eine Normale durch den Mittelpunkt des Querschnitts sowie die Drehachse des Rotors axial in einer Flucht verlaufen. Auf diese Weise wird ein axial verlaufender Stoffstrom mit einem geringen Strömungswiderstand erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Stutzen sowie der Rotor einen im Wesentlichen gleichen kreisförmigen Querschnitt auf. Damit ist der Vorteil verbunden, dass über den gesamten axialen Verlauf des Stoffstroms ein gleichmäßig geringer Strömungsquerschnitt für den Stoffstrom erreicht wird.
Zwischen Rotor und Stutzen kann vorzugsweise eine Dichtung eingebracht werden, so dass in vorteilhafter Weise der Stator sowie der Luftspalt zwischen Stator und Rotor gegenüber dem Stoffstrom bzw. gegenüber dem im Stoffstrom fließenden Stoff abgedichtet ist.
Der Stator der elektrischen Maschine kann auch gekapselt ausgebildet sein, so dass in vorteilhafter Weise der Stator vor Umwelteinflüssen, wie z.B. gegenüber eindringende aggressive Stoffe aus dem Stoffstrom, geschützt ist.
In einer möglichen Ausführungsform ist die Umsetzeinrichtung eine Schnecke. Die Schnecke ist z.B. eine Wendel in Form von Blechen, die in einem Gang oder in mehreren Gängen um eine Welle gewickelt ist. Die Welle kann dann z.B. über radiale Streben mit der Innenseite des Rotors verbunden und über diese angetrieben werden.
Die Schnecke kann auch eine Wendel in Form von Blechen aufweisen, welche entlang der Innenseite des Rotors verlaufen und mit dieser verbunden sind. Auch kann die Schnecke eine Wendel in Form von Blechen aufweisen, wobei die Wendel mit ihrer radialen Außenseite in einer Hülse eingebracht ist, deren zylindrische außenliegende Mantelfläche dann mit der Innenseite des Rotors form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Mittels der Schnecke können, wie eingangs bereits beschrieben, pastöse, pulvrige, riesel- und schüttfähige Stoffe, aber auch Flüssigkeiten sowie anderweitige Stoffgemenge bzw. Stoffgemische befördert werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Schnecke derartig ausgebildet, dass diese eine durchgehende axiale Öffnung entlang der Drehachse des Rotors aufweist. Auf diese Weise kann z.B. bei einer Förderung von Brackwasser oder Abwasser überschüssiges Wasser über diese Öffnung entgegen der Förderrichtung abgeschieden werden.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Schnecke bzw. die Förderschnecke eine in Axialrichtung sich verändernde Steigung auf. Der besondere Vorteil dabei ist, dass kompressible Stoffe, wie z.B. gasförmige Stoffe, Schäume oder luft-enthaltende Stoffe, durch die zunehmende Steigung in axialer Richtung zunehmend komprimiert werden können. Ein derartiger Wandler kann auch als Verdichter oder Schraubenkompressor betrachtet werden, bei welchen ein entsprechender zunehmender Druck in Axialrichtung aufgebaut wird.
Die Umsetzeinrichtung kann alternativ zur Schnecke bzw. zur Förderschnecke als Umsetzeinrichtung einen Propeller oder eine Turbine aufweisen. Wie eingangs beschrieben ist der Propeller besonders vorteilhaft zum Transport von flüssigen Stoffen wie auch von gasförmigen Stoffen geeignet. Zum generatorischen Betrieb des Wandlers ist die Umsetzeinrichtung eine Schnecke, eine Turbine oder ein Propeller. Über diese kann in vorteilhafter Weise Energie aus dem Stoffstrom über den Rotor und Stator in Form eines elektrischen Stroms in ein Stromversorgungsnetz zurückgespeist werden. Die elektrische Energie kann aber auch zum Betrieb angeschlossener elektrischer Komponenten und Anlagenteile verwendet werden.
Die Umsetzeinrichtung kann auch mehrere axial hintereinander angeordnete Propeller bzw. Turbinen aufweisen. Auch in diesem Fall kann eine schrittweise Verdichtung kompressibler Stoffe in Richtung der Austrittsöffnung als Zugangsöffnung erreicht werden. Die Hintereinanderschaltung der Propeller bzw. der Turbinen ermöglicht zudem eine gleichmäßigere Krafteinleitung in den Stoffstrom bzw. Kraftausleitung aus dem Stoffstrom. Durch diese Anordnung wird ein langgestreckter Wandler möglich, welcher aber im Vergleich zu anderen Wandlerlösungen vorteilhaft nur einen geringfügig größeren Querschnitt aufweist als der Rohrquerschnitt eines angeschlossenen Rohrsystems.
In einer besonderen vorteilhaften Ausführungsform weisen der Propeller bzw. die Turbinen Schaufeln oder Flügel auf, welche an der Innenseite des Rotors befestigt sind.
Der besondere Vorteil liegt darin begründet, dass eine zentrale Welle zum Antrieb der Umsetzeinrichtung nicht benötigt wird. Es kann somit vorteilhaft die Innenseite des Rotors zur Anbringung der Flügel und Schaufeln herangezogen werden. Eine zusätzliche Welle, welche entlang der Drehachse angebracht ist, entfällt somit vorteilhaft. Die Schaufeln bzw. Turbinen können auch in Form einer Hülse als Umsetzeinrichtung in den Hohlraum des Rotors eingebracht werden, wobei die zylindrische Außenfläche der Hülse mit der Rotorinnenseite eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung eingeht.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Schaufeln bzw. die Flügel einen bezüglich der Drehachse in Radialrichtung sich verändernden Anstellwinkel auf. Diese besonders vorteilhafte Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass Stoffe, wie z.B. Flüssigkeiten, welche ein Rohrsystem bzw. ein Rohr durchströmen, einen zum Rand hin zunehmenden Strömungswiderstand aufweisen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Strömungswiderstand in der Rohrmitte am geringsten ist, während er an der Außenseite des Rohres am größten ist. Verändert sich nun der Anstellwinkel in radialer Richtung zum Mittelpunkt hin so, dass dieser zunimmt, so wird am Randbereich ein geringerer Schub und im zentralen Bereich ein erhöhter Vorschub bewirkt. Auf diese Weise erfolgt vorteilhaft der Vorschub des zu befördernden Stoffes besonders dort, wo auch der Strömungswiderstand auch am geringsten ist, d.h. im zentralen axialen Bereich der Drehachse. Dabei kann sich eine Schaufel oder ein Flügel, ausgehend von der Innenseite des Rotors in radialer Richtung, auch über die Drehachse des Rotors hinaus erstrecken, wobei die jeweiligen Schrauben bzw. Flügel so zueinander angeordnet sind, dass sich diese dann nicht berühren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Schaufeln bzw. die Flügel des Propellers bzw. der Turbine jeweils um eine Schwenkachse in Radialrichtung des Rotors schwenkbar angeordnet. Die Schaufeln sind dann bei einer ersten Stoffstromrichtung in eine erste Schwenkposition schwenkbar, so dass die Schaufeln bzw. die Flügel Seite an Seite miteinander dicht abschließen bzw. dicht überlappen. Bei einer entgegengesetzten Stoffstromrichtung sind die Schaufeln in eine zweite Schwenkposition schwenkbar, so dass die Schaufeln nun einen Propeller bzw. eine Turbine bilden.
Unter gewissen Umständen können an den jeweiligen Schaufeln bzw. an den jeweiligen Flügeln insbesondere radial angeordnete Anströmhilfen, wie z.B. Leitbleche, vorgesehen sein. Dadurch wird während des motorischen Betriebs des Wandlers ein ausreichender Förderdruck zur Überwindung der Ventilwirkung der miteinander verschlossenen Schaufeln bzw. der Flügel im Sinne einer Starthilfe erreicht.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, dass die Umsetzeinrichtung, d.h. der Propeller bzw. die Turbine, zugleich ein Ventil bilden, so dass ein Stoffstrom in nur einer Richtung möglich ist. Dadurch lässt sich ein Stoffstrom, wie z.B. im motorischen Fall, nur in einer Richtung bewerkstelligen. Ein Rückfluss des Stoffstroms ist in Folge der Ventilwirkung der Schaufeln bzw. der Flügel hingegen nicht mehr möglich.
Der zuvor beschriebene Propeller bzw. die zuvor beschriebene Turbine mit den schwenkbaren Schaufeln bzw. Flügeln mit der besonderen Ventilwirkung kann auch unabhängig vom Wandler bei anderweitig bekannten Strömungsmaschinen Verwendung finden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Ventil zur Steuerung Stoffstromrichtung vorgesehen sein. Dadurch lässt sich vorteilhaft nur in einer Richtung ein Stoffstrom einstellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Stators und dem Innendurchmesser des Rotors zwischen 1,1 und 4, insbesondere in einem Bereich von 1,2 und 2,5. Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein äußerst kompakter Wandler realisiert werden kann, welcher einen vergleichsweise großen Hohlraum für einen möglichen Stoffstrom ausbildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind im Hohlraum und/oder an der Innenseite des Rotors weitere Permanentmagnete vorgesehen. Diese Permanentmagnete sind allerdings nicht für den magnetischen Kreis der elektrischen Maschine bedeutsam, sondern sind zur magnetischen Behandlung des durchfließenden Mediums, insbesondere von Wassers, vorgesehen. So ist bekannt, dass ein magnetisches Feld belebend auf Wasser wirkt. Bekannt ist auch, dass magnetisch behandeltes Wasser Verkalkungen eines mit dem Wandler in Verbindung stehenden Wasserrohrsystems vermindert.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen mehrstufigen Wandler mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung hintereinander zu einer Baueinheit geschalteten Wandlerstufen, wobei die jeweiligen Wandler eine Umsetzeinrichtung mit je einem unterschiedlichen Anstellwinkel aufweisen. Der mehrstufige Wandler ist vorteilhaft für die jeweiligen Anwendungsfälle, bei denen schrittweise eine Komprimierung eines zu fördernden Stoffes vorgesehen bzw. erforderlich ist.
Schließlich geht gemäß einer Ausführungsform des Wandlers bzw. des mehrstufigen Wandlers die axiale Breite der Umsetzeinrichtung nicht über die Breite der elektrischen Maschine bzw, über die axiale Gesamtbreite des Wandlers bzw. des mehrstufigen Wandlers hinaus. Dadurch kann zum Beispiel der Wandler bzw. der mehrstufige Wandler als komplette Baueinheit in einem Rohrsystem ausgetauscht werden.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:
1 beispielhaft einen perspektivisch dargestellten Wandler mit zwei Zugangsöffnungen, einer elektrischen Maschine sowie je einem Stutzen zum Anschließen an ein Rohr an der jeweiligen Zugangsöffnung,
2 eine Schnittzeichnung entlang einer Drehachse des beispielhaften Wandlers gemäß 1 mit einer beispielhaften Schnecke als Umsetzeinrichtung,
3 einen Querschnitt durch den beispielhaften Wandler gemäß 1 entlang der Schnittlinie III-III von 1, welcher im Stator einen Spulenkörper, einen als Kurzschlussläufer ausgebildeten Rotor sowie eine Schnecke mit einer entlang der Drehachse axial sich erstreckenden Durchgangsöffnung gemäß der Erfindung aufweist,
4 beispielhaft einen perspektivisch dargestellten Propeller als Umsetzeinrichtung mit beispielhaft drei Schaufeln gemäß der Erfindung,
5 beispielhaft einen weiteren perspektivisch dargestellten Propeller als Umsetzeinrichtung mit drei in sich verdrehten Schaufeln gemäß der Erfindung,
6 eine Schnittzeichnung eines Wandlers mit einer Synchronmaschine entlang der Drehachse gemäß der Erfindung,
7 beispielhaft den Wandler gemäß 6 mit einem in einen Stutzen der Zugangsöffnung integrierten Ventil gemäß der Erfindung,
8 ein Beispiel für einen mehrstufigen Wandler mit drei zu einer Baueinheit hintereinander geschalteten Wandlerstufen, wobei die Wandlerstufen Schnecken mit voneinander unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweisen,
9 beispielhaft einen weiteren Wandler, welcher eine besonders langgestreckte Bauform in Axialrichtung mit einer entsprechend langgestreckten Schnecke aufweist, wobei die Schnecke eine sich verändernde Steigung im axialen Verlauf aufweist, und
10 beispielhaft einen Propeller bzw. eine beispielhafte Turbine mit sechs schwenkbaren Schaufeln, welche sich in einer Stoffstromrichtung gemäß der Erfindung zu einem Ventil verschließen.
1 zeigt beispielhaft einen perspektivisch dargestellten Wandler 1 mit zwei Zugangsöffnungen 4, 5, einer elektrischen Maschine 2 sowie je einen Stutzen 18 zum Anschließen an ein Rohr an der jeweiligen Zugangsöffnung 4, 5. Der Wandler 1 ist dabei in einem Gehäuse 3 u.a. zum Schutz gegen Berührungen und zum Schutz gegen externe Umwelteinflüsse eingeschlossen. Mit dem Bezugszeichen A ist die Drehachse des Wandlers 1 gekennzeichnet.
2 zeigt eine Schnittzeichnung entlang einer Drehachse A des beispielhaften Wandlers 1 gemäß 1 mit einer beispielhaften Schnecke 20 als Umsetzeinrichtung. 2 zeigt weiterhin eine Asynchronmaschine als elektrische Maschine 2, welche einen Stator 6 mit einem Spulenkörper 7 sowie einen Kurzschlussläufer als Rotor 8 aufweist. Der Rotor 8 ist üblicherweise aus einer Vielzahl von Lamellen aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisenblech, gefertigt. Der Rotor 8 weist gemäß der Erfindung einen die Drehachse A umfassenden, axial verlaufenden und axial beidseits offenen Hohlraum 9 mit einer Rotorinnenseite 17 auf.
Der im Beispiel der 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zu einem Hohlzylinder ausgebildete Hohlraum 9 steht mit den zwei Zugangsöffnungen 4, 5 des Wandlers 1 in einer Wirkverbindung, so dass über die Zugangsöffnungen 4, 5 ein axial durch den Hohlraum 9 bzw. durch den Hohlzylinder hindurchtretender Stoffstrom möglich ist. Im Falle einer gleichen Stoffstromrichtung ist je eine der Zugangsöffnungen 4, 5 die Einlassöffnung bzw. die korrespondierende Ausgangsöffnung.
Gemäß der Erfindung ist die Schnecke 20 als Umsetzeinrichtung im Hohlraum 9 bzw. im Hohlzylinder eingebracht. Über die Schnecke 20 ist die dem Stator 6 zugeführte elektrische Energie in den Stoffstrom oder umgekehrt der Stoffstrom in von dem Stator 6 abgegebene elektrische Energie umsetzbar. Im vorliegenden Beispiel der 2 weist die Schnecke 20 eine Steigung σ von mehr als 45° auf, so dass für das vorliegende Beispiel nur ein motorischer Betrieb der Schnecke 20 bzw. des Wandlers 1 möglich ist. In diesem Fall handelt es sich bei dem Wandler 1 um eine Fördereinrichtung mit einem Asynchronmotor als elektrische Maschine 2.
Die 2 zeigt, dass der Rotor 8 mittels zweier Kugellager 10 im Gehäuse 3 des Wandlers 1 gelagert ist. Dadurch ist eine nahezu spielfreie Lagerung des Rotors 8 möglich. Alternativ können auch magnetische Lager für den Rotor 8 verwendet werden, so dass Lagerverluste nahezu gänzlich vermieden werden können.
Zudem ist der Wandler 1 derart ausgebildet, dass der Stator 6 gekapselt ausgeführt ist. Im Beispiel der 2 wird dies durch eine in den Luftspalt zwischen Stator 6 und Rotor 8 eingebrachte zylindrische Trennwand 14 erreicht. Die Trennwand 14 kann z.B. aus einem Kunststoff gefertigt sein.
Entsprechend der vorliegenden 2 ist weiterhin der Rotor 6 mittels einer Ringdichtung 19 gegenüber den Zugangsöffnungen bzw. gegenüber den Stutzen 18 abgedichtet ausgeführt. Wie bereits eingangs beschrieben, wird dadurch eine Abdichtung des Hohlraums 9 gegenüber dem Rotor 8 sowie auch eine Abdichtung des Hohlraums 9 gegenüber dem Stator 6 erreicht. Mit dem Bezugszeichen B ist der Innendurchmesser des Rotors 8 und mit dem Bezugszeichen C der Außendurchmesser des Stators 6 bezeichnet. Das Bezugszeichen D bezeichnet die axiale Breite der elektrischen Maschine 2. Mit E ist die Gesamtbreite des Wandlers 1 in axialer Richtung bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform liegt das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser C des Stators 6 und dem Innendurchmesser B des Rotors 8 zwischen 1,1 und 4, insbesondere in einem Bereich zwischen 1,2 und 2,5. Im vorliegenden Beispiel der 2 beträgt das Verhältnis ungefähr 1,5, so dass für einen möglichen Stoffstrom ein vergleichsweise großer Hohlraum 9 zur Verfügung steht.
3 zeigt einen Querschnitt durch den beispielhaften Wandler 1 entlang einer Schnittlinie III gemäß 1. Der Wandler 1 weist im Stator 6 einen Spulenkörper 7, einen als Kurzschlussläufer ausgebildeten Rotor 8 sowie eine Schnecke 20 mit einer entlang der Drehachse A axial sich erstreckenden Durchgangsöffnung 15 gemäß der Erfindung auf. Das Schnittbild zeigt den Spulenkörper 7 im Stator 6 in vereinfachter Darstellung. Die drei einzelnen und ineinander gewickelten Spulen des Spulenkörpers 7 zur Ausbildung eines Dreiphasensystems sind selbst nicht dargestellt. Werden die drei Spulen des Spulenkörpers 7 über eine angeschlossene dreiphasige Drehstromversorgung erregt, wie z.B. über ein herkömmliches 50Hz/400V-Drehstromnetz eines Energieversorgungsunternehmens, so wird ein rotierendes Magnetfeld im Stator 6 erzeugt, welches zirkular um die Drehachse A rotiert.
3 zeigt weiterhin einen Querschnitt durch den Rotor 8, welcher, wie auch der Stator 6, aus einem magnetischen Material, wie z.B. aus Eisen, gefertigt ist. Üblicherweise sind der Stator 6 und der Rotor 8 aus einem Blechpaket mit einer Vielzahl von Lamellen zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten gefertigt. Im Querschnitt des Rotors 8 sind zudem Kurzschlussstäbe 12 erkennbar, welche am jeweiligen axialen Ende des Rotors 8 in einen Kurzschlussring münden und welche dort elektrisch untereinander verbunden sind. Ein im Stator 6 erzeugtes rotierendes Magnetfeld induziert nun im Kurzschlussläufer 8 eine Spannung. Die dadurch im Rotor bzw. im Kurzschlussläufer 8 entstehenden Kurzschlussströme erzeugen nun ihrerseits ein Magnetfeld, welches dem erregenden Magnetfeld des Stators 6 entgegengesetzt ist. Das im Rotor 8 erzeugte Magnetfeld verläuft dabei wegen des geringen magnetischen Widerstandes des Rotormaterials überwiegend zirkular. Der Hohlraum 9 des Rotors 8 bleibt dabei weitestgehend feldfrei.
Die 3 zeigt weiterhin neben der Schnittkontur der Schnecke 20 die Schnittkontur der axial durchgehenden Öffnung 15. Wie eingangs beschrieben wird über diese Öffnung 15, wie z.B. bei der Förderung von Gemengen und Gemischen aus Flüssigkeiten und festen Stoffen, überschüssige Flüssigkeit entgegengesetzt der Förderrichtung ausgeschieden.
4 zeigt einen beispielhaft perspektivisch dargestellten Propeller 24 als Umsetzeinrichtung mit beispielhaft drei Schaufeln 27 gemäß der Erfindung. Die drei Schaufeln 27 sind an der Innenseite 17 des Rotors 8 angebracht. Zur vereinfachten Montage bzw. Fertigung können die Schaufeln 27 mit ihrer außenliegenden Seite 30 auch an einer Innenseite einer Hülle 16 befestigt sein, so dass die Umsetzeinrichtung bzw. der Propeller 24 als komplette Baueinheit in den Hohlraum 9 des Rotors 8 eingeschoben und dort fixiert werden kann.
Die in 4 gezeigte Anordnung der Schaufeln 27 weist gemäß der Erfindung einen sehr niedrigen Strömungswiderstand im Vergleich zu herkömmlichen axial gelagerten Propellern auf, bei welchen die Welle in der Drehachse A angeordnet gelagert ist. Üblicherweise wird für die Welle selbst bereits eine re lativ große Querschnittsfläche benötigt, die für den Stofftransport nun nicht mehr zur Verfügung steht. Wie die vorliegende Erfindung dagegen zeigt, kann nun der komplette Querschnitt vorteilhaft zum Vortrieb bzw. zur Förderung eines Stoffes verwendet werden.
Mit dem Bezugszeigen α ist der Anstellwinkel der jeweiligen Schaufeln 27 bezeichnet. Je nach eingestelltem Winkel α ist entweder pro Umdrehung ein großes Fördervolumen bei geringer Förderkraft oder respektive bei einem kleinen Winkel α ein kleines Fördervolumen bei einer hohen Vorschubkraft möglich.
5 zeigt einen weiteren beispielhaften perspektivisch dargestellten Propeller 25 als Umsetzeinrichtung mit drei in sich verdrehten Schaufeln 28 gemäß der Erfindung. Ausgehend von einem Startwinkel des Anstellwinkel β im Bereich der Schaufelbefestigung 30 nimmt nun in radialer Richtung der Anstellwinkel β zum Mittelpunkt hin zu. Auf diese Weise wird erreicht, dass insbesondere im innenliegenden Bereich des Hohlraums 9 ein größerer Anstellwinkel erreicht wird, da insbesondere in diesem Bereich der Strömungswiderstand am geringsten ist. Gemäß der Erfindung wird somit der Vortrieb hauptsächlich in den Bereichen bewirkt, in denen der Strömungswiderstand am geringsten ist. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Anordnung wird dadurch gesteigert.
6 zeigt eine Schnittzeichnung eines Wandlers 1 mit einer Synchronmaschine als elektrische Maschine 2 entlang der Drehachse A gemäß der Erfindung. Im Vergleich zur 2 weist der Rotor 8 an Stelle des magnetischen Trägermaterials und der Kupferstäbe 12 ein beispielhaft aus Kunststoff gefertigtes Trägermaterial auf, in welches Permanentmagnete 13 eingelassen sind. Die Permanentmagnete 13 sind derart angeordnet, dass diese zirkular durch ein vom Stator 6 angelegtes zirkulares Magnetfeld mitgezogen werden. Aufgrund der sehr hohen magnetischen Induktion der Permanentmagnete 13 sind auf sehr kleinem Raum sehr hohe Torsionsmomente vom Stator 6 auf den Rotor 8 übertragbar. Die Polarität der Permanentmagnete wechselt dabei in zirkularer Richtung von einem Nordpol zu einem Südpol, so dass über den gesamten Umfang des Rotors 8 ein zyklisch wechselndes Magnetfeld erzeugt wird, welches mit dem Erregerfeld des Stators 6 in Wechselwirkung steht.
7 zeigt den beispielhaften Wandler 1 gemäß 6 mit einem in einem Stutzen 18 des elektrischen Wandlers 1 integrierten Ventil 40 gemäß der Erfindung. Das Ventil 40 weist beispielhaft Ventilklappen 42 auf, welche sich bei einer angenommenen Stoffstromrichtung von links nach rechts öffnen, so dass ein Stoffstrom durch die dabei entstehenden Öffnungen entsprechend der eingezeichneten Pfeile möglich ist. In entgegengesetzter Strömungsrichtung, d.h. in der vorliegenden Bildebene von rechts nach links, schließen diese Ventilklappen 42 selbsttätig, so dass durch die nun geschlossenen Ventilöffnungen 41 kein Stofftransport mehr möglich ist.
8 zeigt ein Beispiel für einen mehrstufigen Wandler 50 mit drei zu einer Baueinheit hintereinander geschalteten Wandlerstufen 51–53, wobei die Wandlerstufen 51–53 je eine Schnecke 20–22 mit einem unterschiedlichen Anstellwinkel aufweisen. Mit den Bezugszeichen 4 und 5 sind die Zugangsöffnungen der gemeinsamen Baueinheit 50 gekennzeichnet. Der mehrstufige Wandler 50 wird gemäß dem Beispiel der 8 von einem gemeinsamen Wechselrichter bzw. Umrichter 60 gespeist, welcher die jeweiligen Wandlerstufen 51–53 unabhängig voneinander mit Strom versorgt. Der Wechselrichter bzw. Umrichter 60 kann auch dazu ausgebildet sein, einen drehzahlgeregelten Betrieb der jeweiligen Wandlerstufen 51–53 zu ermöglichen.
Durch die unterschiedlichen Anstellwinkel der Schnecken 20–22 ist schrittweise eine unterschiedliche Komprimierung eines kompressiblen Stoffes möglich. Gemäß dem Beispiel der vorliegenden 8 wird so durch die erste Wandlerstufe 51 im linken Bild der 8 eine Vorkomprimierung durch eine relativ große Steigung der Schnecke 20 erreicht. Die mittlere Wand lerstufe 52 bewirkt mit einer weiteren Schnecke 21 eine weitere Komprimierung des Stoffs. Schließlich setzt die dritte Wandlerstufe 53 den vorherigen Kompressionsdruck mittels der dritten Schnecke 22 mit einer relativ geringen Steigung auf einen Enddruck hoch, welcher an der Ausgangsöffnung 5 ansteht.
Der Wechselrichter bzw. Umrichter 60 ist an ein Stromnetz N anschließbar. Über dieses Stromnetz N wird elektrische Energie zum Antrieb des mehrstufigen Wandlers 50 entnommen.
9 zeigt einen weiteren beispielhaften Wandler 1, welcher eine besonders langgestreckte Bauform in Axialrichtung mit einer entsprechend langgestreckten Schnecke 23 aufweist, wobei die Schnecke 23 eine sich verändernde Steigung im axialen Verlauf aufweist. Damit ist der besondere Vorteil verbunden, dass gleichmäßig eine Verdichtung eines kompressiblen Materials von einer Eingangsöffnung 4 zu einer Ausgangsöffnung 5 bewirkt wird.
10 zeigt einen beispielhaften Propeller bzw. eine beispielhafte Turbine 26 mit sechs schwenkbaren Schaufeln 29, welche sich in einer Stoffstromrichtung gemäß der Erfindung zu einem Ventil verschließen. Die Schaufeln 29 sind jeweils um eine Schwenkachse 31 in Radialrichtung R des Rotors 8 schwenkbar angeordnet. Die jeweiligen Schwenkachsen 31 sind dabei in einer Buchse 37 im radialen Außenbereich einer Hülse 36 eingebracht. Die Hülse 36 weist beispielhaft einen polygonförmigen Innenquerschnitt sowie einen kreisförmigen Außenquerschnitt auf.
Gemäß der Erfindung sind die Schaufeln 29 bei einer ersten Stoffstromrichtung in eine erste Schwenkposition schwenkbar, so dass die Schaufeln 29 Seite an Seite 32 miteinander dicht abschließen. Die jeweiligen Seiten 29 können dabei z.B. gummiert sein, um eine ordnungsgemäße Dichtung zwischen den jeweiligen Schaufelseiten 32 zu erzielen. Vorzugsweise weisen die Schaufeln 29 auch an ihrer dem Außenbereich zugewandten Schaufelseite 35 gleichfalls eine Dichtung, wie z.B. eine Gummierung, auf. Gemäß dem Beispiel der 8 kann sich die Schaufel 29 mit ihrer dem Außenbereich zugewandten Schaufelseite 35 in einer dieser gegenüber liegenden planen Fläche 34, welche im Außenbereich der Hülse 36 eingebracht ist, bewegen. Gemäß der Erfindung sind nun die Schaufeln 29 bei einer entgegengesetzten Stoffstromrichtung in eine zweite Schwenkposition schwenkbar, so dass die Schaufeln 29 einen Propeller bzw. eine Turbine bilden.
Dem vorliegenden Beispiel sind die Schaufeln 29 und die Hülse 36 so aufeinander abgestimmt, dass die jeweiligen Schaufeln 29 im Gegenuhrzeigersinn S in die geöffnete Schwenkposition schwenken können. Im unteren Bereich der 10 ist hierzu eine in Projektion gesehene Schrägstellung einer beispielhaften Schaufel 29 in gestrichelter Darstellung dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 33 sind nun die schräg gestellten Seitenkanten bezeichnet. Unter diesen Annahmen ist nun ein Stoffstrom in die Bildebene der 10 hinein möglich. Bei einer entgegengesetzten Stoffstromrichtung würden die Schaufeln 29 hingegen die Öffnung verschließen.
Wird der Propeller bzw. die Turbine 26 nun im Gegenuhrzeigersinn angetrieben, so erfolgt ein Stoffstrom in die Bildebene hinein. Dagegen würden die Schaufeln 29 bei einer entgegengesetzten Drehrichtung, d.h. im Uhrzeigersinn, wiederum dicht miteinander verschließen. Sind die Schaufeln 29 aufgrund der Ventilwirkung des Propellers bzw. der Turbine 26 miteinander verschlossen, und befinden sich Propeller bzw. die Turbine 26 im Stillstand, so können unter Umständen Anströmhilfen, wie z.B. Leitbleche, erforderlich sein. Dadurch wird bei einem folgenden Antrieb des Propellers bzw. der Turbine 26 im Gegenuhrzeigersinn ein ausreichender Vorschubdruck erzeugt, der größer ist als der austrittsseitig gegenwärtig vorliegende Druck, so dass die Schaufeln 29 in die geöffnete Schwenkposition schwenken können.
Im vorliegenden Beispiel sind die Schwenkachsen 31 symmetrisch innerhalb der Schaufeln 29 angeordnet. Die jeweiligen Schwenkachsen 31 können aber auch asymmetrisch angeordnet sein. Es können auch Federelemente vorgesehen sein, welche unter Aufbringung einer Vorspannung die Schaufeln 29 in gewissen Grenzen geöffnet bzw. geschlossen halten.

1: Wandler
2: elektrische Maschine
3: Gehäuse
4: Zugangsöffnung, Einlassöffnung
5: Zugangsöffnung, Auslassöffnung
6: Stator
7: Spule
8: Rotor
9: Hohlraum
10: Kugellager
11: Kurzschlussring
12: Kurzschlussstäbe
13: Permanentmagnet
14: Trennwand
15: durchgehende axial verlaufende zylindrische Öff
: nung
16: Hülse
17: Innenseite der Hülse bzw. des Rotors
18: Stutzen, Rohranschluss
19: Dichtungsring, O-Ring
20–26: Umsetzeinrichtung
20–22: Schnecke, Förderschnecke
23: Schnecke, Förderschnecke mit unterschiedlicher
: Steigung
24–26: Propeller
27–29: Propellerschaufel
30: Befestigungsseite der Schaufeln
31: Schwenkarm
32: radiale Schaufelkanten im geschlossenen Zustand
33: radiale Schaufelkanten im geöffneten Zustand
34: plane Innenseite
35: Schaufelbodenkante
36: Hülse mit polygonem Innenquerschnitt
37: Buchse, Lager
38: Anströmhilfe, Leitblech
40: Ventil
41: Ventilplatte mit Durchlässen
42: Ventilklappen
50: mehrstufiger Wandler
51–53: Wandlerstufe
60: Wechselrichter, Umrichter
α: Anstellwinkel
β: variabler Anstellwinkel
σ: Steigung der Welle
A: Achse
B: Innendurchmesser des Rotors
C: Außendurchmesser des Stators
D: Breite der elektrischen Maschine
E: axiale Gesamtbreite des Wandlers
N: Stromversorgungsnetz
R: radiale Schwenkachse
S: Schwenkrichtung in Durchlassrichtung
WR: Wechselrichter
UR: Umrichter

Claims

Wandler mit einer elektrischen Maschine (2), – wobei die elektrische Maschine (2) einen Stator (6) und einen um eine Drehachse (A) drehbaren Rotor (8) aufweist, – wobei der Rotor (8) einen die Drehachse (A) umfassenden, axial verlaufenden und axial beidseits offenen Hohlraum (9) mit einer Rotorinnenseite (17) aufweist, – wobei der Hohlraum (9) mit zwei Zugangsöffnungen (4, 5) des Wandlers in Wirkverbindung steht, so dass über die Zugangsöffnungen (4, 5) ein axial durch den Hohlraum (9) hindurchtretender Stoffstrom möglich ist, – wobei im Hohlraum (9) eine Umsetzeinrichtung (20–26) angeordnet ist, und – wobei über die Umsetzeinrichtung (20–26) dem Stator (6) zugeführte elektrische Energie in den Stoffstrom oder umgekehrt der Stoffstrom in von dem Stator (6) abgegebene elektrische Energie umsetzbar ist.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) eine Asynchronmaschine ist, wobei der Rotor (8) ein Kurzschlussläufer ist.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) eine Synchronmaschine ist, wobei der Rotor (8) eine Vielzahl von Permanentmagneten (13) aufweist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) als Generator betreibbar ist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) in beiden Drehrichtungen betreibbar ist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinrichtung (20–26) mit der Innenseite (17) des Rotors (8) verbunden ist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Rotor (8) axial verlaufende Hohlraum (9) einen kreisförmigen oder polygonen Querschnitt aufweist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler zum Anschließen an ein Rohr einen Stutzen (18) für jede Zugangsöffnung (4, 5) aufweist.
Wandler nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Stutzen (18) ein kreisförmigen Querschnitt mit einem Mittelpunkt aufweist, und – dass eine Normale durch den Mittelpunkt sowie die Drehachse (A) des Rotors (8) axial in einer Flucht verlaufen.
Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (18) und der Rotor (8) einen im Wesentlichen gleichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotor (6) und Stutzen (18) eine Dichtung (19) eingebracht ist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6) gekapselt ausgebildet ist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinrichtung (20–26) eine Schnecke (20–23) ist.
Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (20–23) eine axial verlaufende Öffnung (15) aufweist.
Wandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (20–23) eine in Axialrichtung (A) sich verändernde Steigung aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinrichtung einen Propeller oder eine Turbine (24-26) aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinrichtung mehrere axial hintereinander angeordnete Propeller bzw. Turbinen (24–26) aufweist.
Wandler nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller bzw. die Turbine (24–26) Schaufeln (27–29) aufweist, welche an der Innenseite (17) des Rotors (8) befestigt sind.
Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (28) bezüglich der Drehachse (A) einen in Radialrichtung sich verändernden Anstellwinkel (β) aufweisen.
Wandler nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, – dass die Schaufeln (29) jeweils um eine Schwenkachse (31) in Radialrichtung (R) des Rotors (8) schwenkbar angeordnet sind, – dass die Schaufeln (29) bei einer ersten Stoffstromrichtung in eine erste Schwenkposition schwenkbar sind, so dass die Schaufeln (29) Seite an Seite (32) miteinander dicht abschließen und/oder dicht überlappen, und – dass die Schaufeln (29) bei einer entgegengesetzten Stoffstromrichtung in eine zweite Schwenkposition schwenkbar sind, so dass die Schaufeln (29) einen Propeller bzw. eine Turbine (26) ausbilden.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Ventil (40) zur Steuerung der Flussrichtung des Stoffstroms aufweist.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser (C) des Stators (6) und dem Innendurchmesser (B) des Rotors (6) zwischen 1,2 und 2,5 liegt.
Wandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (9) und/oder an der Innenseite (17) des Rotors (8) weitere Permanentmagnete vorgesehen sind.
Mehrstufiger Wandler mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung (A) hintereinander geschalteten Wandlerstufen (51–53) nach einem der vorigen Ansprüche zu einer Baueinheit, wobei die jeweiligen Wandlerstufen (51–53) eine Umsetzeinrichtung (20–26) mit je einem unterschiedlichen Anstellwinkel aufweisen.
Wandler bzw. mehrstufiger Wandler nach Anspruch 23 oder 24, wobei die axiale Breite der Umsetzeinrichtung (20–26) nicht über die Breite (B) der elektrischen Maschine (2) bzw. über die axiale Gesamtbreite (E) des Wandlers bzw. des mehrstufigen Wandlers hinausgeht.