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1. Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell eine Struktur eines Permanentenmagnets
für eine elektrische
Maschine oder einen Stromgenerator sowie insbesondere ein Stromerzeugungsmodul
mit hoher Leistungsdichte, das mit niedriger Geschwindigkeit oder
Frequenz läuft.
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2. Hintergrund der Erfindung:
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Stromgeneratoren
sind sehr gebräuchlich
in Industrien und vielen anderen Bereichen. Um den Konsum von Batterien
zu reduzieren, ist es eines der aktuellen Themen geworden, kompakte
hochleistungsfähige
Stromgeneratoren zu konstruieren. Kompakte hochleistungsfähige Stromerzeugungsgeräte können als
Stromversorgung tragbarer elektronischer Produkte dienen. Deshalb
ist die hinreichende Stromerzeugung mit akzeptablen Kosten und in
einem kleinen Volumen eines elektronischen Produkt eines der entscheidenden
Themen geworden, damit die kompakten hochleistungsfähigen Stromerzeugungsgeräte weit
und breit verwendet werden. Die kompakten hochleistungsfähigen Stromerzeugungsgeräte können in/an
tragbaren Dingen wie Taschen, Schuhen, Brillen oder Uhren angebracht
werden, um Geräten
für Beleuchtung,
Funk oder Kommunikation im Notfall Strom zu versorgen. Die Schüttel-Taschenlampe,
die durch die Schüttelbewegung
funktioniert, hat nur niedrige Leistungsfähigkeit. Der Bewegungsart der
Bewegungszellen nach können
sich die elektromagnetischen Generatoren in drei Klassen aufteilen:
Drehgeneratoren, Schwingungsgeneratoren und Lineargeneratoren. Manche
Lineargeneratoren sind wegen der räumlichen Beschränkung dünn und flach konstruiert.
Um der Erzeugung ausreichender Stromversorgung willen sind die vorhandenen
rohrförmigen Lineargeneratoren
räumlich
uneffizient.
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Nehmen
wir Permanentmagnetgeneratoren oder Erregermaschinen als ein Beispiel.
Wenn die Bewegungszelle innen in der Wicklung angeordnet ist und
ein multipolarer magnetisierter Magnet oder eine von der magnetische
Leitung eines Klauenpols gebildete multipolare magnetische Flussverbreitung ist,
ist generell die Wicklungsachse von jeder der Wicklungen parallel
zu der Richtung des magnetischen Pols. Das führt dazu, dass Lücken zwischen den
Windungen die Windungsdichte reduziert und die effektive Wicklungslänge verkürzt. Die
Lücken sind
generell mit Silizium-Stahl-Kern gefüllt, so dass ein Hakmoment
verursacht wird. Die Leistungsdichte eines elektrischen Generators
hängt mit
der Anzahl der Windungen innerhalb des magnetisch effektiven Bereichs
zusammen. Für
elektromagnetischen Generatoren niedriger Geschwindigkeit, die mit
beschränkter
Geschwindigkeit laufen oder eine beschränkte Verschiebungslänge haben,
ist es wichtig, bei niedriger Geschwindigkeit die Leistungsdichte des
elektrischen Generators zu erhöhen.
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Wie
der in 1 dargestellte Lineargenerator zeigt, muss die
Verschiebungslänge
der Bewegungszelle 10 mindestens zweimal so lang wie die Länge der
Windung 12, und erst dann kam die Windung 12 eine
Maximalinduktionsspannung erzeugen und die Intensitätsvariation
des magnetischen Flusses durch jede Windung 12 groß sein.
Daher gibt es noch die Möglichkeit,
bei derselber Energiezufuhr die Leistungsfähigkeit der Energieumwandlung
zwischen kinetischer Energie und elektrischer Energie weiter zu
erhöhen.
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2A, 2B und 2C zeigen
einen symmetrischen Linearmotor/Lineargenerator, wobei 2A eine
Seitenansicht ist und 2B eine Seitenansicht von oben
ist und 2C eine Vergrößerungsansicht
der Windung ist. Die Windung 22 ist im Zentrum des Magnets
angeordnet. Prüfen
wir die effiziente Länge
der Windung 22 unter dem Gesichtspunkt des magnetischen
Flusses in der Darstellung in 2C. Die
effektive induzierte elektromotorische Kraft ist in dem L2 Teil
erzeugt, wobei der L1 Teil, der parallel zu dem magnetischen Fluss
ist, vernachlässigt
werden kann. Im Vergleich zu der Wicklungsmethode, in der die Spule
um den Magnet wickelt, hat der symmetrische Linearmotor/Lineargenerator
kleineres Verhältnis
von magnetischer Kraft zu Länge, und
der Teil des Drahtes, der keine elektromotorische Kraft induziert,
führt zu
größeren Kosten
und größerem Innenwiderstand.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein hochleistungsfähiges Stromerzeugungsmodul
zur Verfügung, der
aufweist: eine Magnetanlage mit einer Vielzahl von angrenzenden
Magneten, jeder von denen einen magnetischen Nordpol an einen Ende
und einen magnetischen Südpol
an dem anderen Ende hat, und eine Windungsanlage mit einer Vielzahl
von angrenzenden Windungssätzen.
Dabei sind die magnetischen Pole jeder zwei angrenzenden Magneten
umgekehrt angeordnet, und beliebig zwei angrenzende Windungssätze haben
umgekehrter Wicklungsrichtungen der Windungen um einen der Magneten,
wobei die Magnetanlage in der Lage ist, sich in Bezug auf die Windungsanlage
zu bewegen, und der Winkel zwischen der den magnetischen Südpol und
den magnetischen Nordpol jedes einzelnen Magnets verbindenden Linie
und der Windungsfläche
jeder Windung größer als
0 grad und kleiner als 90 Grad ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung ergibt sich vollständiger aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, die nur zur Erläuterung
gelten und daher die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen.
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1 zeigt
eine schaubildliche Darstellung von einem Bewegungszellenmagnet
und einer Statorwicklung eines konventionellen kompakten Lineargenerators;
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2A ist
eine Seitenansichtsdarstellung von einer Wicklung und einem Magnet
eines konventionellen symmetrischen Linearmotors/Lineargenerators;
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2B ist
eine Seitenansichtsdarstellung von oben von einer Wicklung und einem
Magnet eines konventionellen symmetrischen Linearmotors/Lineargenerators;
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2C ist
eine Vergrößerungsansicht
der Windung in 2B;
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3A ist
eine Querschnittsdarstellung eines hochleistungsfähigen Stromerzeugungsmoduls der
vorliegenden Erfindung;
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3B ist
eine drei-dimensionale Darstellung eines hochleistungsfähigen Stromerzeugungsmoduls
der vorliegenden Erfindung;
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4A ist
eine Querschnittsdarstellung eines hochleistungsfähigen Stromerzeugungsmoduls nach
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4B ist
eine drei-dimensionale Darstellung eines hochleistungsfähigen Stromerzeugungsmoduls
nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine Querschnittsdarstellung eines hochleistungsfähigen Stromerzeugungsmoduls
mit einer Variation in der Leitrillenanlage nach der vorliegenden
Erfindung;
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6A ist
eine drei-dimensionale Darstellung einer Variation in der Leitrillenanlage
der vorliegenden Erfindung;
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6B ist
eine drei-dimensionale Darstellung einer Variation in der Leitrillenanlage
nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7A ist
eine Seitendarstellung von oben einer Magnetanlage nach einer anderen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7B ist
eine Querschnittsdarstellung der Magnetanlage in 7A;
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8A und 8B sind
Querschnittsdarstellungen verschiedener Magnetanlagen; und
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9 ist
eine Querschnittsdarstellung von Windungen mit Beschichtung nach
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der beispielhaften
Ausführungsformen
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Zum
weiteren Verständnis
der Funktionen und baulichen Eigenheiten der Erfindung werden nun mehrere
beispielhafte Ausführungsformen
derselben ausführlich
beschrieben.
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3A und 3B zeigen
ein hochleistungsfähiges
Stromerzeugungsmodul nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei 3A eine Querschnittsdarstellung
ist und 3B eine drei-dimensionale Darstellung
ist. Das hochleistungsfähige
Stromerzeugungsmodul der vorliegenden Erfindung besteht aus eine
Magnetanlage 30 und eine Windungsanlage 32. Die
Magnetanlage 30 besteht aus einer Vielzahl von angrenzenden
Magneten 300, 301, 302, deren magnetischen
Polanordnung der Polanordnung ihrer angrenzenden Magneten entgegen
ist, jeder von denen einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen
Südpol
hat. Die Windungsanlage 32, die um die Magnetanlage 30 wickelt,
hat einer Vielzahl von angrenzenden Windungssätzen 320, 322, 324,
deren Wicklungsrichtung der Windungen um die entsprechenden Magneten 300, 301, 302 entgegen
der Wicklungsrichtung ihres angrenzenden Windungssatzes ist. Wenn
die Windungsanlage 32 mehr als zwei Windungssätze hat, sind
die Wicklungsrichtungen der angrenzenden Windungssätze abwechselnd.
Außerdem
sind die Windungen der Windungsanlage 32 um eine Leitrillenanlage 34 gewickelt.
Die Leitrillenanlage 34 ist eine hohle Säule, und
die Magnetanlage 30 ist in der Lage, sich darin hin- und
herzubewegen.
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Wie
in 3A dargestellt, sind die Wicklungsrichtung des
Windungssatzes 320 und die des Windungssatzes 322 umgekehrt,
und die Wicklungsrichtung des Windungssatzes 322 und die
des Windungssatzes 324 sind auch umgekehrt, und diegleiche
Wicklungsweise gilt auch bei allen anderen angrenzenden Windungssätzen. Die
Anordnungsrichtung der magnetischen Pole des Magnets 300 ist
entgegen der Anordnungsrichtung der magnetischen Pole des Magnets 301,
und die Anordnungsrichtung der magnetischen Pole des Magnets 301 ist
auch entgegen der Anordnungsrichtung der magnetischen Pole des Magnets 302,
und diegleiche Anordnungsweise gilt auch bei allen anderen angrenzenden
Magneten.
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Vor
allem sind die Windungen in dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung schräg
gewickelt. Die Wicklungsrichtungen der Windungen in den angrenzenden
Gebieten sind umgekehrt.
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Da
sich die Magnetanlage 30 in Bezug auf die Windungsanlage 32 bewegen
kann, kann das Stromerzeugungsmodul eine hohe Stromerzeugungsleistung
erreichen, wenn der Winkel zwischen der den magnetischen Südpol und
den magnetischen Nordpol jedes einzelnen Magnets 300, 301, 302 verbindenden
Linie und der Windungsfläche
jedes Windungssatzes 320, 322, 324 größer als
0 grad und kleiner als 90 Grad ist.
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4A und 4B zeigen
ein hochleistungsfähiges
Stromerzeugungsmodul nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei 4A eine Querschnittsdarstellung
ist und 4B eine drei-dimensionale Darstellung
ist. Die Ziffern und Notationen der Bestandteile in 4A und 4B sind
mit denen in der ersten Ausführungsform
identisch. Die vorliegende Ausführungsform
ist anders als die erste. Der Unterschied besteht darin, dass die
Windungsfläche
in der vorliegenden Ausführungsform
senkrecht zur Bewegungsrichtung der Magnetanlage 30 ist,
während
jeder der Magneten in Bezug auf die Bewegungsrichtung schräg angeordnet
sind. Da sich die Magnetanlage 30 in Bezug auf die Windungsanlage 32 bewegen
kann, kann das Stromerzeugungsmodul eine hohe Stromerzeugungsleistung
erreichen, wenn der Winkel zwischen der den magnetischen Südpol und
den magnetischen Nordpol jedes einzelnen Magnets 300, 301, 302 verbindenden
Linie und der Windungsfläche
jedes Windungssatzes 320, 322, 324 größer als
0 grad und kleiner als 90 Grad ist.
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Wie
in 5 dargestellt ist die Innenwand der Leitrillenanlage 34 mit
einer Vielzahl von Rollstücken 340 (zum
Beispiel Rollachsen oder Rollkugeln) versehen. Die Rollstücke 340 dienen
als Hilfsmittel der Bewegung der Magnetanlage 30, damit
die kinetische Reibung zwischen der Bewegungszelle des elektrischen
Generator und der leitenden Oberfläche der Bewegung reduziert
wird und der Lineargenerator höhere
Leistungsfähigkeit
hat.
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6A zeigt,
dass die Außenwand
der Leitrillenanlage 34 mit einer Vielzahl von Flanschen 342 versehen
ist, die jede der Windungen von den anderen trennen, damit die Wicklung
der Windungen ordentlich angeordnet ist. Außerdem zeigt 6B, dass
die vorliegende Ausführungsform
einen erweiterten Flansch 343 zwischen jedem Flansch 342a und
jedem Flansch 342c hat, wobei der Flansch 342c neben
dem Flansch 342b liegt, während der Flansch 342b gegenüber dem
Flansch 342a auf der anderen Seite liegt, so dass eine
Rille 344 zwischen beliebig zwei benachbarten erweiterten
Flanschen 343 entsteht. In der vorliegenden Erfindung sind
beide Seiten der Magnetanlage multipolar magnetisiert, und die Anzahl
der magnetisierten Pole an jeder der beiten Seiten ist eine gerade
Zahl. Außerdem
kann auch die Magnetanlage dadurch konstruiert werden, dass ein
ferromagnetischer Stoff zwischen zwei unisotropischen Magneten geklemmt
wird, die entlang der Richtung der Dicke magnetisiert sind. Überdies
ist die vorliegende Erfindung nicht auf Magneten mit rechteckigem
Querschnitt beschränkt,
solange der Magnet in der Lage ist, sich in Bezug auf die Leitrillenanlage reibungslos
zu bewegen.
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7A und 7B zeigen
eine Magnetanlage nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei 7A eine Seitenansichts von oben
ist und 7B eine Querschnittsdarstellung
ist. In 7A hat die Magnetanlage 40 eine Vielzahl
von N-Polen 401 und S-Polen 402. Jeder magnetische
Pol ist von Windungen eines Windungssatzes 403 gewickelt.
Der Pfeil 90 zeigt die Bewegungsrichtung der Bewegungszelle
in Bezug auf einen Stator. 7B zeigt,
dass der Querschnitt der Magnetanlage 40 der vorliegenden
Ausführungsform gekrümmt ist.
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Die
Ausführungsform
in 8A zeigt eine Magnetanlage 50 mit abwechselnd
magnetischen Nordpolen und Südpolen
und mit polygonalen Querschnitten. Der Pfeil 91 zeigt die
Bewegungsrichtung der Bewegungszelle in Bezug auf einen Stator.
Die Magnetanlage 60 in 8B hat
ovale Querschnitte. Die Windungsanlage der vorliegenden Erfindung kann
einphasig oder mehrphasig sein. Die Leitrillenanlage kann integriert
hergestellt sein oder sich aus einer Vielzahl von Stücken zusammengesetzt
sein. Außerdem
ist die Leitrillenanlage von Windungen ununterbrochen nacheinander
gewickelt. Oder die Windungen sind nach der Querschnittsform der
Leitrillenanlage in Modulen hergestellt worden, und dann ist die
Leitrillenanlage in die Module hineingelegt.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in 9 zeigt,
dass die um die Magnetanlage 70 gewickelten Windungen 701 hergestellt
werden können,
indem die Oberfläche
der Windungen mit einer Schicht 702 aus Polymer mit einem
kleinen Reibungskoeffizienten (zum Beispiel verhärteter Klebstoff oder Teflon,
aber diese Erfindung ist nicht in diesen Stoffen eingeschränkt) oder
aus anderen Stoffen überzogen
wird. Damit werden die Windungen mit dem Stoff an der Innenoberfläche der
Windungen integriert, ohne eine Leitanlage zusätzlich einzuführen.
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Zusammenfassend
hat das hochleistungsfähige
Stromerzeugungsmodul dieser Erfindung die folgenden Vorteile:
- 1. kernlos, so dass der Widerstand reduziert
wird und Energie im System recycelbar wird;
- 2. die Bewegungszelle ist von Windungen gewickelt, damit der
magnetische Fluss möglichst
viel ausgenutzt wird;
- 3. die Anzahldichte der Windungen innerhalb des Bereichs der
effektiven magnetischen Flussdichte kann möglichst vergrößt werden;
- 4. die effektive Wicklungslänge
zur Erzeugung induzierter elektromotorischer Kraft wird verlängert, damit
der Innenwiderstand der Windungen innerhalb des Bereichs der effektiven
magnetischen Flussdichte reduziert wird;
- 5. der Abstand zwischen den magnetischen Polen wird verkürzt, damit
hochleistungsfähiges
Energierecycling erreicht wird;
- 6. Kombination mit einem Energierecyclingmechanismus wie Federschwingungssystem;
und
- 7. dünne
Konstruktion, damit es mit verschiedenen Apparaten und Trägern integriert
wird.
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Deswegen
stellt die vorliegende Erfindung ein hochleistungsfähiges Stromerzeugungsmodul
mit hoher magnetischer Flusseffizienz, das mit niedriger Geschwindigkeit
oder niedriger Frequenz läuft
zur Verfügung.
Unter Berücksichtigung
der hohen Kupferkosten und räumlicher
Beschränkung
eines Generators kann die vorliegende Erfindung die Gesamte Wicklungslänge der
Windungen verkürzen
und die Leistungsdichte und die Energieumwandlungseffizienz erhöhen. Deswegen
ist die vorliegende Erfindung nützlich.
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In
Hinsicht auf die zuvor auf diese Art beschriebene Erfindung ist
es offensichtlich, dass Änderungen
und Modifikationen in verschiedenen Weise vorgenommen werden können. Solche
Variationen werden nicht als Abweichung von dem Sinn und Umfang
der vorliegenden Erfindung angesehen, wobei Fachleuten klar sein
sollte, dass alle solcher Änderungen
und Modifikationen noch in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung bleiben,
der durch die beiliegenden Ansprüche
definiert ist.