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Dokumentenidentifikation DE19850311A1 04.05.2000
Titel Elektrischer Energiekonverter und Verfahren zur Energiekonversion
Anmelder Eppelmann, Günter, 77887 Sasbachwalden, DE
DE-Anmeldedatum 01.11.1998
DE-Aktenzeichen 19850311
Offenlegungstag 04.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2000
IPC-Hauptklasse H02N 11/00
Zusammenfassung Elektrischer Energiekonverter mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung eines hochfrequenten Rechtecksignals, das zur Ansteuerung von Leistungsschaltern verwendet wird, die in Reihe geschaltet parallel zu einer externen Gleichspannungsquelle angeordnet sind. Parallel zu der externen Gleichspannungsquelle sind in Reihe geschaltete Kondensatoren angeordnet, wobei der Mittelabgriff zwischen den steuerbaren Leistungsschaltern und den Kondensatoren Primärwicklungen bifilar gewickelter Transformatorspulen zugeführt wird. Der Transformator weist mindestens zwei Transformatorspulen mit bifilaren Entwicklungen auf, die sich entlang einer Linie durch den Mittelpunkt eines Kreises gegenüber stehen. Die Transformatorspulen sind zwischen zwei Metallplatten angeordnet, wobei die eine Metallplatte eine kreisförmige Öffnung aufweist, mit deren Öffnungsrand die Transformatorspulen fluchten. Am Ausgang des Transformators kann eine um den Faktor 2 höhere Leistung entnommen werden. Gemäß dem Verfahren wird mittels der von einer externen Gleichspannungquelle bereit gestellten Energie, diese in eine hochfrequente Spannung und in einen hochfrequenten Strom umgeformt, und anschließend ein hochfrequentes Resonanzfeld in den Wicklungen und zwischen den Spulen eines Transformators erzeugt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiekonverter zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer anderen Energieform, insbesondere der sogenannten Raumenergie sowie ein Verfahren zur Energiekonversion.

Aus der allgemein zugänglichen Literatur über Nicola Tesla ist bekannt, daß bereits er auf eine alles umgebende Energie hingewiesen hat, die als Energiequelle angezapft werden kann. Mittlerweile gibt es neuere Entwicklungen von physikalischen Theorien, die die Möglichkeit erklären, daß die bisher ungenutzte, praktisch unbegrenzte und daher "erneuerbare" Energiequelle Raumenergie existiert und genutzt werden kann. Die neuen Theorien von anerkannten Wissenschaftlern wie Harold Puthoff, Ilya Prigogine, Harold Aspden, Panos Pappas, Thomas Bearden, u. a., bauen in der Regel auf zentralen Theorien der Physik auf und sind zu einem großen Teil in klassischen Physikzeitschriften veröffentlicht, die einen strengen Begutachtungsprozeß unterliegen, zum Beispiel Physical Review A, B . . . Ein Beispiel für einen solchen Artikel ist der Aufsatz von Cole, D. C., and Puthoff, H. E. "Extracting Energy And Heat From The Vacuum", Physical Review E, VOL 48 (1993, pp. 1562 bis 1565). Eine weitere Entwicklung der physikalischen Theorien findet man in den Büchern von Prof. Dr.-Ing. Konstantin Meyl, Elektromagnetische Umweltverträglichkeit" Band 1 und 2, INDEL GmbH, Verlagsabteilung, Villingen-Schwenningen. Des weiteren gibt es replizierte experimentelle Bestätigungen auch von unabhängigen Prüfern dafür, daß diese bisher ungenutzte neue Energiequelle mit Hilfe der Raumenergie-Technik angezapft werden kann. So sind auch bereits US-Patente für derartige Verfahren und Geräte erteilt, bei denen der gelieferte Energie-Output (z. B. in Form von elektrischen Strom oder Wärme) größer ist als der zum Betrieb des Gerätes erforderliche Energie-Input (z. B. in Form elektrischem Strom). In diesem Fall wird anstatt von einem "Wirkungsgrad größer 1" von einem "Over- Unitiy-Effect" gesprochen, wobei bei allen diesen Ansätzen und Geräten immer berücksichtigt wird, daß eine ganz spezifische Energiequelle genutzt wird, ebenso wie es die herkömmlichen Kraftwerke ebenfalls tun. Es handelt sich hierbei also genauso wenig um ein "Perpetuum Mobile" wie beispielsweise bei einer Photovoltaikanlage.

Auch im Internet sind eine Vielzahl von Veröffentlichungen und Hinweise offenbart. Hierzu wird beispielsweise auf die Geräte- und Erfinderdatenbank des "Institut For New Energy" in den USA oder die Homepage der "Deutschen Vereinigung für Schwerkraft-Feld-Energie e. V." in D-53894 Mechernich verwiesen.

Nach den in den vorstehend erwähnten Büchern von Meyl sowie seinem Aufsatz "Wechselwirkung der Neutrinos" in NET-Journal Jg. Nr. 3, Heft 1/2, Seiten 14 bis 20 entwickelten Ansätzen, könnte eine Erklärung in der bekannten Neutrinostrahlung liegen, die seinerzeit bereits von Tesla als unbekannte Strahlung mit der Bezeichnung "Radiations" angegeben wurde. Die sogenannten "Over-Unitiy-Geräte" wären danach Neutrinosammler, die in Wechselwirkung mit den Neutrinos gelangen. Diese Neutrinos verfügen über eine schwingende Ladung und Masse. Im Mittel ergibt sich keine meßbare Masse und keine Ladung, da abwechselnd Materie und Antimaterie gebildet wird. Ohne Wechselwirkung resultiert daraus ein enormes Durchdringungsvermögen. Sie wechselwirken lediglich mit synchronen Schwingern, die mit ihnen in Resonanz gehen.

Nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft durchdringen Neutrinos die Erde und treten auch auf der Nachtseite auf. Dabei beträgt die Größenordnung in jeder Sekunde ca. 66 Milliarden Neutrinos pro cm2. Wäre man in der Lage, alle diese Neutrinos einzusammeln und zu wandeln, würde die gewonnene Energie ausreichen, um den Energiebedarf der Weltbevölkerung zu decken. Die Neutrinos müssen lediglich materialisiert werden, d. h. ihnen muß Masse, Ladung und die notwendige Ortsfestigkeit gegeben werden. Tesla war dazu grundsätzlich experimentell mit seinem Patent US 685,957 in der Lage. Im wesentlichen besteht somit das augenblickliche Problem darin, ein funktionsfähiges Gerät mit akzeptabler Leistung praktisch zu realisieren, mit dem diese Raumenergie angezapft werden kann.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit dem ein derartiger Over-Unity-Effekt erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiekonverter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Reihe von Maßnahmen, die überraschenderweise gefunden wurden. Das Kernstück der Erfindung ist ein Transformator mit mindestens zwei teilweise bifilar gewickelten Transformatorspulen auf jeweils ein Metallkern, deren Primärwicklungen parallel und deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Sogenannte bifilar oder wirbelförmig gewickelte Transformaterspulen, bei denen die Primär- und Sekundärwicklung isoliert voneinander gemeinsam um einen Metallkern gewickelt werden, sind seit Tesla bekannt. Bei dem erfindungsgemäßen Transformator besteht der Metallkern aus einem geschlossenen Ringkern an den zusätzlich zwei entfernt der Transformatorwicklungen mit offenen Enden angeformt ist. Damit erhält der Metallkern in der Seitenansicht die Form des Buchstaben "A" in der rechteckigen Schreibweise, wie beispielsweise bei optischen Anzeigetafeln. Bei dem Metallkern kann es sich um übliches Weicheisenmetall oder sonstige geeignete Kernmaterialien für Transformatoren handeln. Der Kern kann durch verkleben zweier U-förmiger Metallkerne hergestellt werden, wobei der zweite U- förmige Metallkern mit seinem Joch beispielsweise über eine Klebeverbindung an den Stirnseiten der Schenkel des ersten Metallkerns befestigt ist.

Selbstverständlich kann bei einem laminaren Aufbau die Form aus entsprechendem Blech auch ausgestanzt werden und der Kern einstückig hergestellt sein. Auf dem von den Stirnseiten der freien Schenkel entfernten Joch sind die Transformatorwicklungen aufgewickelt.

Der Transformator umfaßt des weiteren die Primär- und die Sekundärwicklungen der Transformatorspulen, die am Kern beginnend durch eine einen Durchschlag verhindernde übliche und bekannte Isolierschicht getrennt, teilweise bifilar gewickelt sind und dann die Sekundärwicklung bis zum Erreichen der Gesamtwindungszahl allein um die bestehende Wicklungen gewickelt ist. Das Verhältnis der Windungszahlen zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung kann entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Die Sekundärwicklungen zweier einander zugeordneter Transformatorspulen sind miteinander verbunden und in Reihe geschaltet. Jeweils zwei, der miteinander verbundenen Transformatorspulen sind mit ihren freien Schenkelenden einander zugewandt auf einer Linie durch einen Kreismittelpunkt am Kreisumfang angeordnet. Abhängig von der zu erzeugenden Energie kann die Anzahl der Transformatorspulen erhöht werden, wobei jedoch immer Vielfache von zwei verwendet werden und immer die zwei einander zugehörigen Transformatorspulen in der vorstehend beschriebenen Art und Weise einander gegenüber angeordnet sind, so daß sich in der Draufsicht eine sternförmige Anordnung ergibt. Durch Variation des Abstandes zueinander kann die erzeugte Energie verbessert oder verschlechtert werden.

Der Energiekonverter umfaßt außerdem einen Impulsgenerator zur Erzeugung eines ersten hochfrequenten Rechtecksignals und eines zweiten, um die Pulsbreite verschobenen hochfrequenten Rechtecksignals, wobei die Rechteckimpulse der beiden Rechtecksignale zueinander derart versetzt sind, daß der vorangegangene Impuls eindeutig auf Null ist, bevor der nachfolgende ansteigt. Diese Bedingung ist erforderlich, da andernfalls im Betrieb ein Kurzschluß entstehen würde. Unter einem hochfrequenten Signal wird im Rahmen dieser Erfindung eine Frequenz von mindestens 50 kHz verstanden.

Des weiteren umfaßt der erfindungsgemäß ausgestaltete Konverter eine Leistungsstufe, in der die von einer externen Energiequelle gelieferte Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt und von dieser den Primärspulen des Transformators zugeführt wird. Die externe Gleichspannung kann von externen Gleichspannungsenergiespeichern oder vom Wechselstromnetz mittels Gleichrichter entnommen sein. In der Leistungsstufe sind mindestens zwei steuerbare Schaltelemente, im nachfolgenden als Leistungstransistoren bezeichnet, pro Transformatorspule vorgesehen, die parallel zur externen Energiequelle in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff zwischen den Leistungstransistoren mit dem Anschluß der Primärwicklung verbunden sind. Je nach Leistungsbedarf können weitere Leistungstransistoren parallel geschaltet sein. Des weiteren sind die Steueranschlüsse der Leistungstransistoren mit dem Ausgang des Impulsgenerators verbunden, so daß an diesen das hochfrequente Rechtecksignal anliegt, wobei an den ersten Leistungstransistor das erste hochfrequente Rechtecksignal und an den zweiten Leistungstransistor das zweite Rechtecksignal angelegt ist, so daß die Leistungstransistoren abwechselnd durchgeschaltet sind. Die Leistungsstufe umfaßt des weiteren mindestens einen Kondensator pro Leistungstransistor, die parallel zur externen Energiequelle in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren mit dem Anschluß der Primärwicklung verbunden sind. Leistungsabhängig können anstatt eines Kondensators mehrere Kondensatoren in Reihe geschaltet sein.

Im Betrieb wird somit die von der externen Energiequelle gelieferte Spannung über die Leistungsstufe hochfrequent getaktet dem Transformator zugeführt. Dabei wird beim Durchschalten des ersten Leistungstransistors der mit dem anderen Transistor am einen Anschluß verbunden Kondensator aufgeladen. Nach dem Umschalten auf den anderen Leistungstransistor wird auch der andere Kondensator aufgeladen und der zuvor geladene Kondensator gibt seine Energie an die Transformatorspule ab und hält damit während des Ladevorgangs des anderen Kondensators die Energiezufuhr zu dem Transformator aufrecht. Dies geschieht andauernd abwechselnd bei hoher Schaltfrequenz. Am Ausgang des Transformators entsteht eine hochfrequente Wechselspannung mit Gleichanteil. Nach Umwandlung durch einen Gleichrichter in eine Gleichspannung wurde überraschenderweise festgestellt, daß sich am Ausgang eine höhere Spannung und ein höherer Strom - und damit Leistung - entnehmen läßt, als am Eingang des Energiekonverters eingespeist und gemessen wurde. Die höhere Leistung wurde nicht nur durch Messgeräte mit einem bis 800 kHz betreibbaren Effektivwert-Meßgerät von Fluke sondern auch durch den Betrieb einer der Ausgangsleistung entsprechenden Lampe experimentell nachgewiesen. Es wurde dabei festgestellt, daß die Effektivität durch die vorstehend beschriebenen Merkmale, insbesondere auch der baulichen Ausgestaltung des Transformators beeinflußt wird. So wird die Leistungsabgabe durch die Anzahl von Transistoren und Kondensatoren sowie die Ausbildung der Transformatorspulen, durch die Verwendung von Metallplatten, durch die Anordnung der Transformatorspulen zwischen den Metallplatten und den Abstand zwischen den Transformatorspulen beeinflußt. Durch die Anordnung der Transformatorspulen zwischen den Metallplatten mit einer geschlossenen Seite und einer Öffnung wird beim Betrieb eine Resonanz erzeugt, die in irgendeiner Form vermutlich mit der Raumenergie in Wechselwirkung tritt. Bringt man beispielsweise einen nichtmetallischen Gegenstand durch die Öffnung in den Bereich zwischen den Transformatorspulen, so verringert sich ebenfalls die Leistung.

Eine genaue Erklärung sowie Berechnungen für das erhaltene Ergebnis liegt bis jetzt noch nicht vor, könnte jedoch auf der Basis der von Meyl entwickelten Ansätzen gefunden werden. Tatsache ist jedoch, daß am Ausgang eine Leistungssteigerung erfolgt und darüber hinaus ein Wärmeentzug in der Umgebung festgestellt wurde. Gemäß Meyl, Teil 2, Umdruck zum energietechnischen Seminar, Seite 93 ist der Entzug von Wärmeenergie aus der Umgebung ein Umstand, der für alle funktionierenden Konverter für Raumenergie charakteristisch ist. Bereits Tesla hat in seinem vorstehend erwähnten Patent einen Empfänger für freie Energie vorgeschlagen und gebaut, mit dem er die ihm unbekannte Energie eingefangen hat. Nach Meyl in den vorstehend genannten Büchern (insb. Band I, S. 205-207) könnte mit der Wirbeltheorie, in der die Neutrinos als Ringwirbel erklärt werden, die jeden Augenblick, wie bei strömungstechnischen Ringwirbeln, ihr Inneres nach außen kehren, die Funktion der Apperatur von Tesla erklärt werden. War der Ringwirbel zuvor noch Elektronenwirbel, so zeigt er sich jetzt als Positron; war er negativ, so ist er jetzt positiv geladen. Anschließend schwingt er wieder zurück. Genauso könnte es sich auch bei der Erfindung verhaften, indem nämlich durch die permanente Richtungsumkehr und die Resonanz im Transformator zwischen den Transformatorspulen, der Transformator alle entsprechend schwingenden Ringwirbel in der Nähe oder zumindest in dem Bereich zwischen den Transformatorspulen bei gleichzeitigem Wärmeentzug aus der Umgebung einsammelt. Wenn der Transformator in der richtigen Resonanzbedingung schwingt, könnten bei gleicher Phasenlage die entsprechenden Ringwirbel eingesammelt werden, da diese dann ebenfalls in der Resonanzfrequenz ihre Polarität wechseln. Eine wissenschaftliche physikalische Erklärung für das Funktionieren der Erfindung und der Optimierungsparameter dürfte daher auf der Basis der erwähnten Theorien möglich sein und nicht lange auf sich warten lassen. Durch weitere Versuche auf der Basis dieser Erfindung werden sich Gesetzmäßigkeiten finden lassen, die den Aufbau für eine bestimmte Leistung angeben.

Wenn die Transformatorspulen gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Transformators zwischen den zwei Metallplatten isoliert angeordnet werden, wobei als Isolationsmaterial entweder Luft oder ein anderes geeignetes Isoliermaterial, das einen Kurzschluß zwischen den Metallplatten und dem Metallkern verhindert, verwendet werden kann, so läßt sich eine Leistungserhöhung gegenüber Platten aus anderen Materialen oder Luft erzielen. Vorteilhafterweise wird eine weitere Verbesserung durch eine kreisförmige Öffnung in einer Metallplate mit dem Mittelpunkt über dem Mittelpunkt des Kreises auf dem die Transformatorspulen angeordnet sind, erzielt.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der abzugebenden Leistung erhält man, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die kreisförmige Öffnung dem Kreisumfang entspricht, an dem die Spulen angeordnet sind. Das bedeutet, daß, wenn die Stirnseiten der Schenkel der Transformaterspulen mit der kreisförmigen Öffnung fluchten, eine höhere Leistung erzielt wird als wenn dies nicht der Fall ist.

Eine Leistungssteigerung wird auch erreicht, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung des Konverters der Mittelabgriff zwischen den Leistungstransistoren mit dem kernnahen Anschluß und der Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren mit dem kernfernen Anschluß der Primärspule verbunden sind.

In einer weiteren, die Leistung steigernden Ausbildung sind die Sekundärwicklungen am kernfernen Ende miteinander verbunden.

Vorzugsweise weisen die Rechteckimpulsfolgen der beiden den Steueranschlüssen zugeführten Signale zwischen den Rechteckimpulsen einen größeren Abstand auf als die Impulsbreite beträgt. Damit wird sicher eine Überschneidung und somit ein Kurzschluß aufgrund von kurzzeitig gleichzeitig in Reihe geschalteter Leistungstransistoren vermieden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Übertragung der hochfrequenten Signale mittels Lichtleitfasern auf optischem Wege. Die optischen Signale werden vor der Leistungsstufe in einer Treiberstufe in elektrische Signale umgewandelt und entsprechend verstärkt. Hierzu sind herkömmliche im Handel erhältliche Bausteine verwendbar, die damit möglichst nahe an die Leistungsstufe herangebracht werden können, ohne daß lange Leitungen erforderlich sind. Diese Maßnahme erspart insgesamt eine Leitungsführung über metallische Kabel im Gehäuse und insbesondere in der Nähe des Transformators, da in diesen, insbesondere wenn sie noch Schleifen enthalten, Spannungen induziert werden.

Zur Vereinfachung und besseren Wärmeabfuhr können die Leistungstransistoren auf einer gemeinsamen Kühlplatte montiert sein, die, wie vorstehend bereits erwähnt, bei Betrieb durch den Wärmeentzug stark gekühlt wird.

Je nach Bedarf der erforderlichen Spannungsform ist zweckmäßigerweise am Ausgang des Transformators ein Wechselrichter oder ein Gleichrichter geschaltet.

Vorzugsweise sind die Transformatorwicklungen (wie bei Teslaspulen üblich) mit Kupferband hergestellt. Dadurch wird die Wicklungshöhe reduziert und die Leistungsabgabe gegenüber der Verwendung von Runddrähten verbessert.

Außerdem wird die Aufgabe auch durch das in Anspruch 10 angegebene Verfahren gelöst. Danach wird mittels der von einer externen Gleichspannungsquelle bereit gestellten Energie, diese in eine hochfrequente Spannung und in einen hochfrequenten Strom umgeformt, und anschließend ein hochfrequentes Resonanzfeld in den Wicklungen und zwischen den Spulen eines Transformators erzeugt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines detaillierten Ausführungsbeispiels, ausgelegt für eine bestimmte Leistung, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 die bauliche Anordnung der Transformatorspulen zwischen den Metallplatten des Transformators,

Fig. 2 die Transformatorspule mit Kern in einer Seiten- und Stirnansicht;

Fig. 3 ein Querschnitt durch eine bifilar gewickelte Transformatorwicklung;

Fig. 4 die prinzipielle Schaltungsanordnung eines Energiekonverters mit einem Transformator mit zwei Transformatorspulen;

Fig. 5 ein Blockschaltbild für die Schaltungsanordnung der einzelnen Elemente des Energiekonverters gemäß dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 die Schaltungsanordnung der elektrischen Komponenten in der Leistungsstufe des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 sowie die Beschaltung der Sekundärwicklungen des Transformators;

Fig. 7 ein Pulsdiagramm für die von dem Impulsgenerator erzeugten Rechteckimpulse;

Fig. 8 ein exemplarischer Schaltplan für die Treiberstufe gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und

Fig. 9 ein detaillierter Schaltplan für die prinzipielle Beschaltung innerhalb der Leistungsstufe nach Fig. 5.

Bei dem in nachfolgenden in Verbindung mit den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Energiekonverter, der für eine Leistung von 3000 W ausgelegt ist. Bei einer höheren Leistung können zusätzliche Transformatorspulen und elektrische Bauelemente hinzugefügt werden. Eventuell müssen auch die Abmessungen des Transformators gändert werden.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den Transformator 1 mit einer teilweise aufgebrochenen Metallplatte 2 sowie eine Seitenansicht von dem Transformator. Die Metallplatte 2 besteht aus 2 mm Stahlblech mit den Abmessungen 50 × 50 cm2 und weist eine zentrale kreisförmige Öffnung 3 mit einem Durchmesser von 230 mm auf. Die untere Metallplatte 4 ist geschlossen ohne Öffnung, ebenfalls aus 2 mm starken Stahlblech hergestellt. Zwischen der unteren Metallplatte 4 und der oberen Metallplatte 2 sind in dem Ausführungsbeispiel vier Transformatorspulen 5 bis 8 angeordnet, wobei sich in dem Kern und in den Metallplatten ein Isoliermaterial (nicht dargestellt), beispielsweise Papier liegt, um einen Kurzschluß zwischen den Metallplatten und dem Kern zu verhindern. Die Metallplatten 2, 4 können auch mit Abstand zu den Transformatorspulen 5 bis 8 angeordnet sein. Die Transformatorspulen 5, 6 bzw. 7, 8 stehen sich mit den Stirnseiten 9 der Schenkel 10 entlang einer durch den Kreismittelpunkt verlaufenden Linie gegenüber, wobei die Stirnseiten 9 der Schenkel 10 mit der Kante der Öffnung 3 fluchten. Hier hat sich gezeigt, daß durch diese Anordnung eine höhere Leistungsentnahme möglich ist, als bei einer größeren Entfernung der Transformatorspulen 5, 6 bzw. 7, 8 voneinander. Bei der Verwendung von weiteren Transformatorspulen aufgrund einer höheren Leistungsforderung sind diese ebenfalls entsprechend entlang dem Rand der Öffnung 3 und gegenüber sternförmig anzuordnen. Die Transformatorwicklung 11 befindet sich, wie aus der Figur ersichtlich, auf der der Öffnung 3 abgewandten Seite.

Fig. 2 zeigt den Metallkern 12 mit der Transformatorwicklung 11 in einer Seiten- und Stirnansicht. Aus der Seitenansicht ist ersichtlich, daß der Transformatorkern 12 aus U-förmigen Kernen 13, 14 zusammengesetzt ist. Die beiden Kerne sind miteinander verklebt und bilden zusammen in der Seitenansicht die Figur eines A. Der fordere U-förmige Kern 14 schließt mit seinem Joch 15 den hinteren U- förmigen Kern 13 magnetisch kurz. Dies war erforderlich, weil keine anderen Kerne im Handel erhältlich waren. Wesentlich ist die sich ergebende Form des Metallkernes 12 in Form eines rechteckigen "A". Über das Joch 16 ist die Transformatorwicklung 11 gewickelt. Nicht dargestellt ist die Herausführung der Anschlußdrähte in der Wicklung. Die Gesamtschenkellänge des Transformatorkerns beträgt 9 cm (2 × 4,5 cm) und die Jochlänge außen 8 cm. Der Kernquerschnitt beträgt 1,8 × 1,8 cm2, daraus ergibt sich eine Schenkellänge innen von 2,8 cm und eine bewickelbare Jochlänge innen von 4,4 cm.

Fig. 3 zeigt die Transformatorwicklung 11 um das Joch 16 im Schnitt. Dabei stellt die ausgezogene Linie die Sekundärwicklung 17 und die gestrichelte Linie die Primärwicklung 18 dar. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Primär- und die Sekundärwicklung gemeinsam, mit der Sekundärwicklung innen, um den Kern gewickelt, wobei zwischen den beiden Wicklungen, für den Fachmann selbstverständlich, übliches Isoliermaterial, beispielsweise Papier gelegt ist (nicht dargestellt), um einen Spannungsdurchschlag zu vermeiden. In diesem Ausführungsbeispiel endet die Primärwicklung bei der Hälfte der Sekundärwicklungen und ist dort für den Anschluß herausgeführt. Sowohl die innere als auch die äußere Wicklung sind aus einem Kupferband hergestellt, wobei das Kupferband für die Primärwicklung 18 43 mm breit, 0,2 mm dick und 680 mm lang und das Kupferband für die Sekundärwicklung 43 mm breit, 0,2 mm dick und 3760 mm lang ist. Es ergeben sich damit sechs Windungen für die Primärwicklung und 12 Windungen für die Sekundärwicklung. Die kernnahen Anschlüsse der Primär- und der Sekundärwicklung sind mit 18a bzw. 17a und die kernfernen mit 18b bzw. 17b bezeichnet.

In Fig. 4 ist die prinzipielle Schaltungsanordnung eines Konverters dargestellt. An den Eingangsklemmen der Schaltung liegt die Gleichspannung Ue an. Parallel dazu sind in Reihe geschaltet die zwei steuerbaren Schaltelemente 19 und 20 einerseits und 21 und 22 andererseits. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um Leistungstransistoren vom Typ Recitiefer FA 38 SA 50 A 350 V. Die in dieser Figur und im Nachfolgenden verwendeten Symbole für die steuerbaren Schaltelemente beinhalten, daß an dieser Stelle ein oder mehrere parallel geschaltete Transistoren vorgesehen sein können. Entsprechend verhält es sich mit den ebenfalls parallel zur Eingangsspannung Ue geschalteten Kondensatoren 23, 24 einerseits und den Kondensatoren 25, 26 andererseits. Auch hier können anstelle eines Kondensators mehrere Kondensatoren entsprechend der erforderlichen Leistungsaufnahme in Reihe geschaltet sein. Als Kondensatoren werden in dem Ausführungsbeispiel Kondensatoren mit 1200 µF, 350 V verwendet. Der Mittelabgriff zwischen den steuerbaren Schaltelementen 19, 20 ist mit dem kernnahen Ende 18a der Primärwicklung 18 und der Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren 23, 24 mit dem kernfernen Ende 18b der Primärwicklung 18 der ersten Trafospule 5 verbunden. Entsprechend verhält es sich mit dem Mittelabgriff zwischen den steuerbaren Schaltelementen 21, 22 bzw. zwischen den Kondensatoren 25, 26, die mit der Primärwicklung 18 der Transformatorspule 6 verbunden sind. Die Sekundärwicklungen 17 sind derart in Reihe geschaltet, daß die kernfernen Enden 17b miteinander verbunden sind. Am Ausgang der beiden in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen der Trafospulen 5, 6 liegt die Ausgangsspannung Ua in Form einer hochfrequenten Wechselspannung mit Gleichanteil an. Diese kann dann je nach Erfordernis mittels eines herkömmlichen Wechsel- oder Gleichrichters umgewandelt werden.

Die 32 Leistungstransistoren sind alle gemeinsam auf einer nicht dargestellten Kühlplatte angeordnet.

Die steuerbaren Schaltelemente 20 und 22 werden durch den Impulsgenerator 27 mit einem ersten rechteckigen Impulsfolge mit einer Frequenz von 98 KHz beaufschlagt, während die steuerbaren Schaltelemente 19, 21 mit einer zweiten verschobenen Rechteckimpulsfolge, ebenfalls mit 98 KHz, beaufschlagt wird, derart, daß die Schaltelemente 19, 21 eindeutig immer erst dann öffnen, wenn die Schaltelemente 20, 22 geschlossen sind, da andernfalls ein Kurzschluß erfolgen würde. Dies geschieht durch Pulsfolgen, bei denen der Abstand zwischen den einzelnen Rechteckimpulse größer ist als die Pulsbreite (Fig. 7). Der Unterschied im Abstand ist von dem Schaltverhalten der verwendeten Leistungstransistoren abhängig. Bei diesen Schaltvorgängen werden somit die Schaltelemente mit hoher Frequenz getaktet und entsprechend die Kondensatoren 23 bis 26 geladen und wieder entladen.

Ausgehend von dieser grundsätzlichen Schaltungsanordnung in Fig. 4 ist in Fig. 5 ein grobes Blockschaltbild für den Energiekonverter gemäß des Ausführungsbeispieles dargestellt. Der Impulsgenerator 27, der mit 12 V Gleichspannung betrieben wird, erzeugt das hochfrequente Rechtecksignal, das über Lichtleiter 28 zu einer Treiberstufe 29 übertragen wird. Die Treiberstufe 29 wird mit 12 V betrieben und wandelt das optische Signal in ein elektrisches um. Des weiteren erzeugt sie zwei hochfrequente Rechtecksignale, die, wie bereits vorstehend erwähnt, um eine halbe Periodendauer verschoben sind. Mittels dieser Signale, die über die Leitungen 30, 31 zu einer Leistungsstufe 32 übertragen werden, wird in dieser, wie bereits vorstehend beschrieben, die als Gleichspannung anliegende Eingangsspannung Ue in eine hochfrequente Spannung und einen hochfrequenten Strom verwandelt und an entsprechende Transformatorspulen im Transformator 1 angelegt bzw. eingespeist. Im Ausführungsbeispiel werden, wie in Fig. 1 angegeben, vier Transformatorspulen verwendet, wodurch sich die in der Fig. 5 gezeigten acht Verbindungsleitungen zwischen den Leistungsstufe 32 und dem Transformator 1 ergeben. Der Ausgang des Transformators 1 ist mit einem gängigen Gleichrichter 32, beispielsweise Brückengleichrichter verbunden, der die Ausgangsspannung Ua als Gleichspannung zur Verfügung stellt.

In der Fig. 6 ist die Schaltung ähnlich wie in Fig. 4 detaillierter dargestellt. Im wesentlichen handelt es sich dabei um die Verdopplung der in Fig. 4 dargestellten Schaltelemente 19 bis 22, Kondensatoren 23 bis 26 und der Wicklungen 17, 18. Eine weitere aufgrund einer höheren Leistung erforderliche Erhöhung der Schaltelemente und Kondensatoren wäre in entsprechender Art und Weise auszuführen. Auf der Sekundärseite des Transformators 1 sind die Sekundärwicklungen der Transformatorspulen 5, 6 in der dargestellten Art und Weise mit verbundenen kernfernen Anschlüssen in Reihe geschaltet und die Sekundärwicklungen der Transformatorspulen 7, 8 dazu parallel ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Ausgangsspannung des Transformators 1 wird dem Gleichrichter 33 zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel sind bei jedem der steuerbaren Schaltelemente 19 bis 22 vier Leistungstransistoren des angegebenen Typs parallel geschaltet und bei den Kondensatoren 23 bis 26 vier Kondensatoren dieses Typs in Reihe geschaltet. Damit ergibt sich ein Gesamtzahl von 32 Leistungstransistoren und 32 Kondensatoren.

In Fig. 7 sind in schematischer Darstellung die Rechteckimpulse der beiden um eine halbe Periodendauer verschobenen hochfrequenten Steuersignale für die Schaltelemente 19, 22 als Funktion der Zeit dargestellt. Bei dem Energiekonverter gemäß des Ausführungsbeispiels wurde der Impulsgenerator derart eingestellt, daß er ein Rechtecksignal im 80-120 kHz-Bereich, vorzugsweise 100 kHz, abgibt. In diesem Bereich konnte überhaupt eine Leistungssteigerung gegenüber der Eingangsleistung bei den verwendeten Abmessungen erreicht werden, deren Maximum bei ca. 100 kHz lag. Versuche haben gezeigt, daß bei größeren Abmessungen der Transformatorspulen (Kern und Wicklungen) Rechtecksignale mit einer höheren Frequenz erforderlich sind, um eine Leistungssteigerung gegenüber der Eingangsleistung zu erreichen. Hier sind noch weitere Versuche notwendig, um eine Gesetzmäßigkeit auch im Hinblick auf die Auslegung bei höheren Leistungsanforderungen zu entwickeln.

Der Vollständigkeit halber ist in der Fig. 8 der Schaltplan der Treiberstufe dargestellt, die handelsüblich erhältlich ist und mit der die optischen Signale in elektrische Signale umgewandelt werden. Dazu weist die Schaltung einen Schmitt-Triger und entsprechende impulsformende elektronische Bauelemente sowie einen optischen Wandler auf. Dieses fertige Bauteil kann nahe an die zu steuerenden Leistungstransistoren herangebracht werden, so daß hier keine langen Leitungswege, die Induktionsströme erzeugen können, erforderlich sind.

Der grundsätzliche Schaltplan der Leistungsstufe ist in Fig. 9 mit nur zwei in Reihe geschalteten Transistoren 34 und 35 und zwei Kondensatoren 36 und 37 dargestellt, wobei deren Anzahl im Ausführungsbeispiel jeweils vier beträgt. Die Transistoren sind parallel und die Kondensatoren in Reihe geschaltet. Der Schaltplan zeigt übliche pulsformende elektrische Bauelemente, wie Dioden 43 und 44, Glättungskondensatoren 38 und 39 sowie Widerstände 40, 41 zur Abstimmung. Die von der in Fig. 8 eingehenden Impulse der Treiberstufe werden auf die Schaltung 42 gegeben, die nach erfolgter Pulsformung die hochfrequente Pulsfolge auf den Steueranschluß des Transistors 34 bzw. 35 bzw. gleichzeitig auf die jeweils parallel geschalteten, in dieser Figur nicht dargestellten Transistoren gibt. Der Ausgang wird in bekannter Art und Weise an die Primärwicklung 18 der entsprechenden Transformatorspule angeschlossen.

Bei einem entsprechend dem Ausführungsbeispiel realisierten Energiekonverter haben Messungen der Spannung Ue und des Stromes Ie am Eingang und der Spannung Ua und des Stromes Ia am Ausgang die in der nachfolgenden Tabelle dargestellten Werte ergeben:





Wie bereits vorstehend erwähnt, handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel um einen Konverter, der für 3000 W ausgelegt ist. Wie sich durch Vergleich der Ausgangsleistung Pa zur Eingangsleistung Pe zeigt, beträgt die "Over-Unity" bei den fünf Meßreihen 1,83; 1,93; 2,11; 2,01; 2,03, d. h. es ist das Doppelte der zugeführten Energie dem Energiekonverter zu entnehmen. Ein Teil dieser Energie kann nun als Eingangsenergie wieder in das System eingespeist werden, so daß ein von einer herkömmlichen (netzabhängigen) Energiequelle unabhängig arbeitender Konverter zur Energieversorgung bereit steht.

Durch die hochfrequente Ein- und Ausschaltung der steuerbaren Schaltelemente 19 bis 22 werden hochfrequente Spannungen und Ströme erzeugt, die an den Transformator 1 angelegt werden. Durch die konstruktive Ausgestaltung des Transformators mit den Transformatorspulen 5 bis 8 und deren Anordnung zwischen den Metallplatten 2, 4 in Bezug auf die Öffnung 3 bildet sich zwischen den Metallplatten offensichtlich ein Resonanzfeld aus, das zusätzliche in der Umgebung vorhandene Energie in das System einspeist, so daß sich am Ausgang des Transformators eine größere Leistung feststellen läßt, als am Eingang eingespeist wurde.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrischer Energiekonverter mit einem Transformator (1) mit mindestens zwei teilweise bifilar gewickelten Transformatorspulen (5 bis 8) auf jeweils einem Metallkern (12 bis 16), deren Primärwicklungen (18) parallel und deren Sekundärwicklungen (17) in Reihe geschaltet sind, wobei
    1. 1. der Metallkern (12) aus einem geschlossenen Ringkern besteht, an dem zusätzlich zwei entfernt der Wicklungen (17, 18) Schenkel (10) mit offenen Enden angeformt sind,
    2. 2. die Primär- und die Sekundärwicklung (18, 17) am Kern (16) beginnend, durch eine einen Durchschlag verhindernde Isolierschicht getrennt, teilweise bifilar gewickelt und dann die Sekundärwicklung (17) bis zum Erreichend der Gesamtwindungszahl allein um die bestehende Wicklungen gewickelt ist,
    3. 3. jeweils zwei der miteinander verbundenen Transformatorspulen (5, 6; 7, 8) mit ihren freien Schenkelenden einander zugewandt auf einer Linie durch einen Kreismittelpunkt am Kreisumfang angeordnet sind,
    einem Impulsgenerator (27) zur Erzeugung eines ersten hochfrequenten Rechtecksignals und eines zweiten, mindestens um die Pulsbreite verschobenen Rechtecksignals,

    einer Leistungsstufe, in der die von einer externen Energiequelle gelieferte Gleichspannung in eine hochfrequente Spannung umgewandelt und von dieser den Primärspulen (18) des Transformators (1) zugeführt wird, wobei
    1. 1. mindestens zwei steuerbare Schaltelemente (19 bis 22) pro Transformatorspule (5 bis 8) vorgesehen sind, die parallel zur externen Energiequelle in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff zwischen den Schaltelementen (19, 20 bzw. 21, 22) mit dem einen Anschluß der Primärwicklung (18) verbunden sind,
    2. 2. die Steueranschlüsse der Schaltelemente (19 bis 22) mit dem Ausgang des Impulsgenerators (27) verbunden sind und an diesen das hochfrequente Rechtecksignal anliegt und die Schaltelemente (19 bis 22) derart taktet, daß die in Reihe geschalteten Schaltelemente (19, 20 bzw. 21, 22) abwechselnd durchgeschaltet sind, und
    3. 3. mindestens ein Kondensator (23 bis 26) pro Schaltelement (19 bis 22) vorgesehen sind, die parallel zur externen Energiequelle in Reihe geschaltet sind und mit dem Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren (23, 24 bzw. 25, 26) mit dem anderen Anschluß der Primärwicklung (18) verbunden sind.
  2. 2. Energiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorspulen (5 bis 8) isoliert zwischen zwei Metallplatten (2, 4) angeordnet sind.
  3. 3. Energiekonverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Metallplatten (2) einen über dem Kreismittelpunkt angeordnete kreisförmige Öffnung (3) aufweist.
  4. 4. Energiekonverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Öffnung (3) dem Kreisumfang entspricht, an dem die Spulen angeordnet sind.
  5. 5. Energiekonverter nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabgriff zwischen den Schaltelementen (19 und 20 bzw. 21 und 22) mit dem kernnahen Anschluß (18a) und der Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren (23 und 24 bzw. 25 und 26) mit dem kernfernen Anschluß (17b) der Primärspule verbunden sind.
  6. 6. Energiekonverter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Transformatorspulen (5 und 6 bzw. 7 und 8) mit dem kernfernen Ende 17b miteinander verbunden sind.
  7. 7. Energiekonverter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckimpulsfolgen der beiden Signale an den Steueranschlüssen der Schaltelemente (19 bis 22) zwischen den Rechteckimpulsen einen größeren Abstand aufweisen, als die Impulsbreite beträgt.
  8. 8. Energiekonverter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des hochfrequenten Rechtecksignals mittels Lichtleitfasern (28) erfolgt und vor der Leistungsstufe (32) eine Treiberstufe (29) vorgesehen ist, in der die optischen Signale in elektrische umgewandelt und entsprechend verstärkt werden.
  9. 9. Energiekonverter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorwicklungen (17, 18) mit Kupferband hergestellt sind.
  10. 10. Verfahren zur Konversion elektrischer Energie aus dem Raumenergiefeld, bei dem mittels der von einer externen Gleichspannungsquelle bereit gestellten Energie, diese in eine hochfrequente Spannung und in einen hochfrequenten Strom umgeformt, und anschließend ein hochfrequentes Resonanzfeld in den Wicklungen und zwischen den Spulen eines Transformators erzeugt wird.






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