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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle.
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Bei hohen Drehzahlen werden bei elektrischen Maschinen nach der Beziehung Ui = B*L*v die induzierten Spannungen sehr hoch. Als Folge müssen höherwertige Isolierstoffe sowie höherwertige elektrische Bauelemente verwendet werden. Des Weiteren erhöht sich bei hohen Drehzahlen die Frequenz zur Kommutierung und somit auch die frequenzabhängigen Blechverluste beispielsweise aufgrund von Wirbelstrom- und Hystereseverluste. Um dies zu vermeiden, muss das Feld über die Induktion B oder über die aktive Leiterlänge geschwächt werden. Bei bekannten elektrischen Maschinen erfolgt eine Feldschwächung über eine Stromregelung, was zwar die induzierte Spannung reduziert, nicht aber die Blechverluste.
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Aus der
DE 10 2004 055 608 A1 ist eine Wicklung, insbesondere Statorwicklung einer elektrischen Maschine, bekannt, bestehend aus mindestens zwei übereinander liegenden Lagen mindestens eines Leiterverbundes, der sich aus gebündelten Einzelleitern zusammensetzt, wobei jeder Leiterverbund von je einer Leiterisolationsschicht und die übereinander liegenden Lagen mindestens eines Leiterverbundes von einer zwischen den Lagen eingebrachten Lagenisolationsschicht isoliert werden und an jeder an die Nutwand angrenzenden Stelle der Wicklung gegenüber der Nutwand eine zweilagige Isolation vorliegt, wobei die Leiter- und Lagenisolation derart ausgebildet sind, dass diese immer eine zweilagige Isolation zur Nutwand bilden. Vorzugsweise setzt sich mindestens ein Leiterverbund aus gebündelten Einzelleitern zusammen, welche gegeneinander isoliert sind. Dies hat den Vorteil, dass mögliche Wirbelstromverluste in einem Leiterverbund reduziert werden.
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Aus der
US 6 492 753 B2 ist eine elektrische Maschine bekannt, umfassend einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle, wobei auf der Rotorwelle mindestens eine Rotorhülse angeordnet ist, auf der die Elemente der magnetischen Erregung angeordnet sind, wobei die Rotorhülse durch eine formschlüssige Verbindung mit der Rotorwelle verbunden ist und axial zur Rotorwelle durch eine mechanische Stelleinrichtung verschiebar ist, die die Rotorhülse bei steigenden Drehzahlen mindestens teilweise aus dem Stator herausschiebt.
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Aus der
US 2007 / 0 241 628 A1 ist eine dynamoelektrische Maschine bekannt, umfassend einen Stator, der eine Mehrzahl von Statorpolen umfasst, die um eine Statoroberfläche einer Umdrehung mit einer Statorachse für die Statoroberfläche einer Umdrehung angeordnet sind.I Weiter umfasst die Maschine mindestens einen Rotor, der eine Vielzahl von Permanent-Rotormagneten umfasst, die um eine Rotor-Rotationsfläche mit einer Rotorachse für die Rotor-Rotationsfläche angeordnet sind. Weiter umfasst die Maschine eine Antriebswelle mit einer Antriebswellen-Drehachse, die im Wesentlichen mit der mit dem Rotor verbundenen Statorachse zusammenfällt, um den Rotor relativ zu dem Stator um die Antriebswellen-Drehachse zu drehen. Schließlich umfasst die Maschine mindestens ein Stellglied zum axialen Verschieben der Rotoroberfläche entlang der Antriebswelle relativ zu der Statoroberfläche, um die Magnetflusswechselwirkung zwischen den Statorpolen und den Rotormagneten zu ändern, wobei mindestens eine der Rotationsflächen in Bezug auf die Rotationsachse der Antriebswelle geneigt ist.
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Aus der
US 4 920 295 A ist ein Wechselstromgenerator bekannt, der einen hohlen Stator mit Wicklungen, von dem die innere Schale konisch ist, und einen Rotor mit einer äußeren konischen Schale aufweist. Dabei ist eine Welle und ein Schieber vorgesehen, wobei der Schieber zwischen der Welle und dem Rotor für die axiale Bewegung des Rotors angeordnet ist. Dabei existiert eine Zentrifugalspannungssteuerung zum Feineinstellen einer Einrichtung zum Gleiten des Rotors über der Welle aus dem Stator, sodass die induzierte Spannung gleich bleibt.
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Aus der
US 2002 / 0 145 360 A1 ist eine rotierende elektrische Maschine bekannt, mit einem Stator und mindestens einem Rotor mit mehreren Permanentmagneten. Der Rotor besteht aus einer Rotorscheibe, an deren Außenkante die Permanentmagnete befestigt sind. Die Rotorscheibe ist mit Luftspaltveränderungsmitteln versehen, die in Richtung des Stators abgewinkelt sind und an der Rotornabe zur Drehung damit befestigt sind. Wenn der Rotor stationär ist, ist der Luftspalt zwischen den Magneten und dem Stator minimal. Im Betrieb wird mit zunehmender Drehzahl des Rotors eine Zentrifugalkraft erzeugt, die dazu dient, die Luftspaltverstelleinrichtung und damit die Rotorscheibe vom Stator zu zielen., wodurch die Magnete vom Stator weggezogen werden und die Größe des Luftspalts vergrößert wird. Die Zunahme der Größe des Luftspalts führt zu einer entsprechenden Abnahme des Flusses und daher zu einer Abnahme der maximalen Ausgangsspannung für diese Rotordrehzahl. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung der Maschine im Wesentlichen konstant gehalten.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine alternative elektrische Maschine zu schaffen, bei der eine Reduzierung der induzierten Spannung und der Blechverluste bei hohen Drehzahlen erreicht wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle, wobei auf der Rotorwelle zwei radial geteilte Rotorhülsen angeordnet sind, auf der die Elemente der magnetischen Erregung angeordnet sind, wobei die Rotorhülsen durch eine formschlüssige Verbindung mit der Rotorwelle verbunden sind und axial zur Rotorwelle durch eine mechanische Stelleinrichtung verschiebbar sind, die die Rotorhülse bei steigenden Drehzahlen mindestens teilweise aus dem Stator herausschieben.
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Dabei erfolgt vorzugsweise die radiale Teilung der Rotorhülsen in der Statormitte.
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Weiter ist zwischen den Rotorhülsen mindestens ein flüssigkeitsgefüllter Membranring angeordnet, dessen radiale Ausdehnung begrenzt ist und dessen axiale Ausdehnung die Rotorhülsen verschiebt. Der flüssigkeitsgefüllte Membranring stellt dabei die mechanische Stelleinrichtung dar. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit als Hydraulikflüssigkeit ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die Elemente der magnetischen Erregung als Permanentmagnete ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die formschlüssige Verbindung als Keilwelle ausgebildet. Diese ermöglicht auf sehr einfache Weise eine Zwangsführung in axiale Richtung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine als Innenläufer ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorhülsen gegen eine Feder verschiebbar. Mittels der der Verstellkraft entgegenwirkenden Federkraft kann eine gewünschte Weg-Drehzahl-Funktion eingestellt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst die mechanische Stelleinrichtung mindestens einen Fluid gefüllten Kolben, der mit mindestens einer Hülse verbunden ist, in dem mindestens ein Verstellkolben angeordnet ist, der mit den Rotorhülsen verbunden ist. Hierbei handelt es sich analog der Ausführungsform mit dem Membranring um eine Fliehkraftregelung. Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um eine Hydraulikflüssigkeit, die durch die Fliehkraft in die Hülse drückt und den Verstellkolben bewegt, so dass die Rotorhülse unter dem Stator bewegt wird. Bei Ausführungsformen mit geteilten Rotorhülsen kommen dabei vorzugsweise zwei Verstellkolben zur Anwendung.
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Vorzugsweise ist in dem mit Fluid gefüllten Kolben ein Mitnehmer angeordnet. Dieser Mitnehmer ist vorzugsweise aus Stahl, um mit ausreichender Kraft das Fluid in die Hülse mit dem Verstellkolben zu drücken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform stehen die mit Fluid gefüllten Kolben senkrecht zur Rotorwelle.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist am Übergang vom mit Fluid gefüllten Kolben zur Hülse mit Verstellkolben eine einstellbare Düse angeordnet, mittels derer die Geschwindigkeit der Regelung variierbar ist. Wird die Düse weit aufgedreht, erfolgt die Regelung entsprechend schneller.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorhülsen gegen eine Feder verschiebbar. Mittels der der Verstellkraft entgegenwirkenden Federkraft kann eine gewünschte Weg-Drehezahl-Funktion eingestellt werden sowie die notwendige Rückstellung der Rotorhülsen erfolgen. Die Federhärte wird dabei vorzugsweise derart hoch gewählt, dass die anderen entgegenwirkenden Kräfte, wie beispielsweise die Magnetkräfte, vernachlässigbar klein sind, so dass eine nahezu lineare Weg-Drehzahl-Funktion gegeben ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Federn in einer Hülse angeordnet, die radial der Hülse mit dem Verstellkolben gegenüberliegt.
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Alternativ können die Federn mit den Mitnehmern im mit Fluid gefüllten Kolben verbunden sein, wobei vorzugsweise die Federn radial den Mitnehmern gegenüberliegend angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist die mechanische Stelleinrichtung drei mit Fluid gefüllte Kolben auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist seitlich am Stator der Wickelkopf angeordnet, wobei die Verschiebung der Rotorhülsen derart beschränkt ist, dass diese maximal bis zum axialen Ende des Wickelkopfes verschiebbar sind. In vielen Fällen wird aufgrund der vorgegebenen Spannungs- und Frequenzlagen eine Verschiebung von I/
2, also I/
4 je Rotorhülse, ausreichend sein. Vorzugsweise ist dabei der Wickelkopf aus Litzendrähten aufgebaut, was eine besonders wirbelstromarme Ausbildung ermöglicht. Hinsichtlich der konkreten Ausbildung wird beispielsweise auf die
DE 10 2004 055 608 A1 verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzelnen Fig. zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine,
- 2a eine erste Detaildarstellung der Einzelheit X,
- 2b eine alternative Detaildarstellung der Einzelheit X,
- 3 eine Explosionsdarstellung eines Teils einer elektrischen Maschine in einer nicht-anspruchsgemäßen Ausführungsform mit Elektromotor als mechanische Stelleinrichtung,
- 4 einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 3,
- 5 einen Querschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 3,
- 6a einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine in einer alternativen Ausführungsform bei niedrigen Drehzahlen,
- 6b einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen,
- 7 einen Querschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 6a und 6b,
- 8 einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine in einer weiteren alternativen Ausführungsform und
- 9 einen Querschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 8.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor mit einer Rotorwelle 3. Die elektrische Maschine 1 ist dabei als Innenläufer ausgebildet, d.h. außen um den Rotor ist der ortsfeste Stator 2 angeordnet. Auf der Rotorwelle 3 sind zwei Rotorhülsen 4 angeordnet, auf deren Oberseite Permanentmagnete 5 angeordnet sind. Die Rotorhülsen 4 sind jeweils über eine nicht dargestellte Keilwelle mit der Rotorwelle 3 verbunden. Über die Keilwellen sind die Rotorhülsen 4 geführt, so dass diese sich zwar axial zur Rotorwelle 3 bewegen können, nicht aber sich radial zur Rotorwelle 3 verschieben können. Die beiden Rotorhülsen 4 sind radial in der Statormitte geteilt. Zwischen den Rotorhülsen 4 erstreckt sich eine radiale Nut 6, in der ein festes radiales Begrenzungselement 7 angeordnet ist. Unter der radialen Nut 6 liegt eine weitere Nut 8, die in die Rotorwelle 3 eingearbeitet ist. Die beiden Nuten 6 und 8 können dabei fluchtend zueinander angeordnet sein oder aber eine der beiden Nuten 6, 8 ist breiter, wobei diese jedoch vorzugsweise die gleiche Mittelachse aufweisen. In der Nut 8 ist ein flüssigkeitsgefüllter Membranring 9 angeordnet, der einen T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei der vertikale Träger in der Nut 8 liegt und der horizontale Träger auf der Oberfläche der Rotorwelle 3 aufliegt. Auf der Oberseite wird der flüssigkeitsgefüllte Membranring 9 durch das Begrenzungselement 7 begrenzt.
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An den äußeren Stirnseiten der Rotorhülsen 4 ist jeweils eine Feder 10 angeordnet, die vorzugsweise mit der jeweiligen Rotorhülse 4 verbunden ist. Am anderen Ende ist die Feder 10 vorzugsweise mit der Rotorwelle 3 verbunden. Seitlich am Stator 2 befindet sich der Wickelkopf 11.
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Im Ausgangszustand befinden sich die beiden Rotorhülsen 4 vollständig unter dem Stator 2, so dass die effektive Leiterlänge L der Leiterlänge I des Stators 2 entspricht. Wird nun die Drehzahl erhöht, so wird die Flüssigkeit im flüssigkeitsgefüllten Membranring 9 nach außen hin beschleunigt. Anschaulich wird Flüssigkeit aus dem vertikalen Träger des Membranringes 9 nach oben gedrückt. Dabei ist eine radiale Ausdehnung aufgrund des Begrenzungselements 7 nicht möglich und die Flüssigkeit wird in die horizontalen Träger des Membranringes 9 gepresst. Hierdurch wird eine Kraft in beide axiale Richtungen erzeugt. Aufgrund dieser Kraft werden dann die Rotorhülsen 4 nach außen in Richtung Wickelkopf 11 verschoben. Dadurch stehen immer weniger Permanentmagnete 5 unter dem Stator 2 und die induzierte Spannung bzw. die Blechverluste können auf geringem Niveau gehalten werden. In dieser ausgefahrenen Stellung befinden sich dann allerdings Permanentmagnete 5 unter dem Wickelkopf 11, so dass dieser vorzugsweise wirbelstromarm mittels Litzendrähten aufgebaut ist. Die Verschiebung der Rotorhülsen 4 wird dabei vorzugsweise auf das stirnseitige Ende des Wickelkopfs 11 beschränkt, da dann kein zusätzlicher axialer Bauraum benötigt wird. Da die Drehzahl in die Fliehkraft nach F = m*r*ω2 quadratisch eingeht, kann die Weg-Drehzahl-Funktion der Rotorhülsen über die Federkraft der Federn 10, die der Verstellkraft entgegenwirkt, entsprechend eingestellt werden. Dabei ist auch zu bedenken, dass zu Beginn eine Anfangsgegenkraft zu überwinden ist, die sich im Wesentlichen aus zwei Komponenten zusammensetzt, nämlich der Anziehungskraft von dem Permanentmagneten 5 und dem Blech des Stators 2 und der Abstoßungskraft der gleichgerichteten Permanentmagnete 5 auf den beiden Rotorhülsen 4.
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In den 2a und 2b sind beispielhaft zwei Detaildarstellungen des Membranringes 9 dargestellt. In der 2a liegt die Rotorhülse 4 nahezu auf der Rotorwelle 3 auf, wobei das Begrenzungselement 7 und der flüssigkeitsgefüllte Membranring 9 nahezu die gleiche Breite aufweisen. In diesem Fall geht die Stirnseite der Rotorhülse 4 senkrecht nach unten. In der 2b hingegen ist die Breite des flüssigkeitsgefüllten Membranringes 9 größer als die des Begrenzungselementes 7. Entsprechend sind die Rotorhülsen 4 gestuft ausgebildet, so dass ein Teil der Rotorhülse 4 über dem Membranring 9 steht. Aufgrund der Keilwelle ist dabei eine andere als eine translatorische Bewegung der Rotorhülse 4 ausgeschlossen. Andere Ausgestaltungen sind denkbar, solange nur gewährleistet wird, dass der flüssigkeitsgefüllte Membranring 9 eine axiale Kraft auf die Rotorhülsen 4 ausübt.
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In der 3 ist eine nicht-anspruchsgemäße Ausführungsform dargestellt, wobei die Stelleinrichtung als Elektromotor 13 ausgebildet ist, der zentral in der als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine 1 angeordnet ist. Der Elektromotor 13 ist mit einem Winkelgetriebe 14 verbunden, das mit einer Welle 15 verbunden ist, an deren jeweiligen Enden ein Schneckengetriebe 16 angeordnet ist. Das Schneckengetriebe 16 ist im Eingriff mit einem Stirnrad 17, das auf einer Verstellspindel 18 mit zwei Muttern 19 und zwei Führungen 20 für die Verstellspindel 18 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 1 zwei Rotorhülsen 4, auf deren Außenumfang die Permanentmagnete 5 angeordnet sind. An den Innenseiten sind die Rotorhülsen 4 mit zylindrischen Aufnahmen 21 mit entsprechenden Lagerungen 22 für die Rotorhülsen 4 ausgebildet. Der Rotor 23 umfasst zentrisch eine zylindrische Aufnahme 24 für den Elektromotor 13 und das Winkelgetriebe 14. Radial versetzt umfasst der Rotor 23 zwei weitere zylindrische Aufnahmen 25 für die beiden Verstellspindeln 18, wobei die Verstellspindeln 18 durch die Führungen 20 in den Aufnahmen 25 geführt sind. Die Aufnahmen 24, 25 weisen radial Öffnungen auf, durch die die Welle 15 durchgeht. Durch die Drehung des Elektromotors 13 wird dabei über das Winkelgetriebe 14 die Welle 15 in Rotation versetzt. Über das Schneckengetriebe 16 und das Stirnrad 17 werden dann die Muttern 19 gegensinnig bewegt. Bei zu hohen Drehzahlen, die durch einen nicht dargestellten Drehzahl-Sensor detektiert werden, wird dann die linke Mutter 19 nach links und die rechte Mutter 19 nach rechts bewegt, so dass die beiden Rotorhülsen 4 axial unter dem Stator verschoben werden.
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In der 4 ist die elektrische Maschine im Längsschnitt dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 3 bzw. 1 bezeichnet sind. Neben den bereits in 3 erläuterten Teilen ist der Stator 2 sowie ein Planetensatz 27 dargestellt. Der Planetensatz 27 dient zur Umsetzung der Drehzahl der in Fig. nicht dargestellten Rotorwelle in eine andere Drehzahl für den Rotor 23. Vorzugsweise wird dabei die Drehzahl verdoppelt. Dabei greift die Rotorwelle in die Aufnahme 24 ein. Aus der 4 ist erkennbar, wie eine Bewegung der Muttern 19 die Rotorhülsen 4 mitbewegt. In der 5 ist schließlich die elektrische Maschine 1 im Querschnitt dargestellt, wobei die Nuten 29 im Stator 2 zu erkennen sind, in denen die Wicklungen angeordnet sind.
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In den 6a und 6b sowie 7 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei wieder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen dargestellt sind. Der Rotor 23 umfasst Kolben 30, in denen Fluid 31 und ein Mitnehmer 32 angeordnet sind. Weiter umfasst der Rotor 23 Hülsen 33 zur Aufnahme und Führung von Verstellkolben 34. Über eine Düse 35 ist der Kolben 30 mit dem Inneren der Hülse 33 verbunden. Die Rotorhülsen 4 tragen wieder die Permanentmagnete 5 und werden durch die Hülsen 33 geführt. Des Weiteren greifen die Rotorhülsen 4 in die Verstellkolben 34 ein, so dass bei einer Bewegung der Verstellkolben 34 die Rotorhülsen 4 mitbewegt werden. Auf der radial gegenüberliegenden Seite einer Hülse 33 ist eine weitere Hülse 36 angeordnet, in deren Innerem jeweils Federn 10 bzw. Federpunkte angeordnet sind. Dabei ist jeder Rotorhülse 4 eine eigene Feder 10 zugeordnet. Die Hülsen 36 sind derart ausgebildet, dass die Rotorhülsen 4 in diese hineingreifen und gegen die jeweilige Feder 10 bewegt werden. Zentrisch weist dann der Rotor 23 eine Nabe 37 auf, die dann mit der Rotorwelle verbunden ist. Über ein Verbindungsstück 38 sind die Hülsen 36 mit der Nabe 37 verbunden. In der 6a ist dabei ein Zustand bei niedrigen Drehzahlen dargestellt. Aufgrund der geringen Zentrifugalkräfte befindet sich der Mitnehmer 32 am Boden des Kolbens 30 bei der Nabe 37, wobei sich das Fluid 31 oberhalb des Mitnehmers 32 befindet. Erhöht sich nun die Drehzahl, so wird der Mitnehmer 32 nach außen beschleunigt. Der Mitnehmer 32 drückt durch die Düse 35 das Fluid 31 in die Hülse 33, wo das Fluid 31 die Verstellkolben 34 nach links bzw. rechts drückt.
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Durch die Bewegung der Verstellkolben 34 werden die Rotorhülsen 4 und damit die Permanentmagnete 5 in die gleiche Richtung bewegt und so aus dem Bereich des Stators 2 herausgeschoben. Die Bewegung der Verstellkolben 34 und damit der Rotorhülsen 4 erfolgt dabei gegen die Federn 10, so dass über deren Federhärte der Weg-Drehzahl-Verlauf einstellbar ist. Über die Öffnungsgröße der Düse 35 kann hingegen eingestellt werden, wie schnell das Fluid 31 in die Hülsen 33 gepresst wird, also wie schnell die Regelung aufgrund von Änderungen der Drehzahl reagiert. Der Zustand bei hohen Drehzahlen ist in 6b dargestellt. Dabei sei angemerkt, dass im dargestellten Beispiel die Verstellung durch die Verstellkolben 34 und die Federn 10 voneinander getrennt sind. Es sind auch Beispiele denkbar, wo die Federn 10 unmittelbar mit den Verstellkolben 34 zusammenwirken. Wie aus 7 zu ersehen ist, umfasst die elektrische Maschine drei Kolben 30 mit jeweils zwei Verstellkolben 34.
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In den 8 und 9 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, die sehr ähnlich zu der Ausführungsform gemäß den 6a, 6b und 7 ist. Der Aufbau mit Kolben 30 und Hülse 33 mit den Verstellkolben 34 ist dabei identisch. Im Unterschied zu dieser Ausführungsform weist der Rotor 23 anstelle der Verbindungsstücke 38 und Hülsen 36 jeweils eine Hülse 39 auf. In dieser Hülse 39 sind die Federn 10 angeordnet, die über eine Verbindung 40 mit den Mitnehmern 32 verbunden sind. Im dargestellten Beispiel arbeiten also die Mitnehmer 32 gegen die Federn 10, so dass durch die Rückstellkraft der Federn ein Unterdruck im Kolben 30 erzeugbar ist, der das Fluid aus den Hülsen 33 ansaugt, wobei dann in Folge des sich bildenden Unterdrucks in der Hülse 33 die Verstellkolben 34 zurückfahren.
