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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erregertransformator zum Einbau in einen fremderregten Generator, einen Generator zum Einbau in ein Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug und ein Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Generatoren für den Einsatz in Fahrzeugen und/oder mobilen Arbeitsmaschinen bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Generatoren, die zum Einbau in Fahrzeuge oder mobile Arbeitsmaschinen vorgesehen sind, sollten sich durch eine kompakte Bauweise bei hoher Bauleistung auszeichnen, um einen vorgegebenen Bauraum innerhalb des betreffenden Fahrzeugs bzw. der mobilen Arbeitsmaschine optimal ausnutzen zu können. Generatoren, die sich durch eine besonders kompakte Bauweise auszeichnen, ermöglichen beispielsweise, dass betreffende Fahrzeuge bzw. mobile Arbeitsmaschinen ein geringeres Gewicht aufweisen, wodurch sich bei Fahrzeugen deren Verbrauch und bei mobilen Arbeitsmaschinen deren Handhabung erleichtern kann.
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Generatoren höherer Leistung sind oft fremderregt, wobei die Erregerspannung von Generatoren des Stands der Technik eine Funktion der Drehzahl des antreibenden Verbrennungsmotors ist, infolgedessen kann die Erregerspannung erheblich variieren. Insbesondere bei großen Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors stellt daher das Konstanthalten der Ausgangsspannung des Generators ein erhebliches Problem dar.
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Ein gravierendes Problem bei fremderregten Generatoren des Stands der Technik ist die Temperaturüberwachung des Rotors. Bislang ist nur eine indirekte Messung möglich, wobei aufgrund einer Temperaturmessung des Stators auf die Temperatur des Rotors zurückgeschlossen wird. Prinzipiell kann durch dieses Vorgehen eine Übertemperatur des Rotors jedoch nur mit einer Zeitverzögerung festgestellt werden. Die Zeitverzögerung ergibt sich aufgrund der Wärmeübertragung vom Rotor zum Stator über einen Luftspalt und der Wärmekapazität des Stators.
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Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Erregerspannung für einen fremderregten Generator zur Verfügung zu stellen, die keine aufwändige Regelung der Ausgangsspannung des betreffenden Generators erforderlich macht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass ein Generator für ein Fahrzeug bzw. eine mobile Arbeitsmaschine zur Verfügung gestellt wird, die sich durch eine besonders kompakte Bauweise auszeichnet. Eine weitere Aufgabe ist, eine Möglichkeit zu schaffen, aktuelle Informationen über den Rotor, wie beispielsweise dessen Temperatur, erhalten zu können.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Erregertransformator zum Einbau in einen fremderregten Generator zur Verfügung gestellt, wobei der Generator einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Erregertransformator umfasst: einen ersten feststehenden Teil mit einer primärseitigen Wicklung, der am Stator angeordnet ist, und einen zweiten rotierenden Teil mit einer sekundärseitigen Wicklung, der am Rotor angeordnet ist, wobei der erste Teil und der zweite Teil induktiv gekoppelt sein können.
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Durch die Anordnung eines Erregertransformators innerhalb eines Generators mit einer Primärseite, die am Stator angeordnet ist, und einer Sekundärseite, die mit dem Rotor verbunden ist, wird eine Leistungs- und/oder Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ermöglicht.
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Generator zum Einbau in ein Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug und/oder eine mobile oder stationäre Arbeitsmaschine zur Verfügung gestellt, umfassend einen Erregertransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Das Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug kann beispielsweise ein Zug, ein LKW, ein PKW, ein Bus, eine Landmaschine, eine Baumaschine oder ein Schiff sein.
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Vorteilhafterweise kann durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Erregertransformators eine kompakte Bauweise des betreffenden Generators erreicht werden. Ferner kann hierdurch nicht nur Leistung zwischen Stator und Rotor übertragen werden, sondern es ist zur gleichen Zeit eine Datenübertragung zwischen Rotor und Stator möglich.
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Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend einen Erregertransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder einen Generator nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
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Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Erregertransformators bzw. eines erfindungsgemäßen Generators ermöglicht die Herstellung eines Fahrzeugs mit geringerem Gewicht, wodurch der Verbrauch des Fahrzeugs reduziert werden kann. Außerdem kann für einen erfindungsgemäßen Generator nur ein geringer Bauraum erforderlich sein, wodurch beispielsweise Platz für andere Komponenten geschaffen werden kann.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Erregertransformator zur Verfügung gestellt, wobei der Erregertransformator einen Transformatorkern mit einem ersten Element und einem zweiten Element umfasst, wobei der erste Teil das erste Element umfasst und der zweite Teil das zweite Element umfasst.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Erregertransformator zur Verfügung gestellt, wobei der Transformatorkern zumindest nahezu rotationssymmetrisch ist.
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Durch eine rotationssymmetrische Ausbildung des Transformatorkerns wird die Leistungsübertragung von Stator zu Rotor unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Welle, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden kann.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Erregertransformator zur Verfügung gestellt, wobei der Transformatorkern geschichtete Trafobleche und/oder Ferrite umfasst oder wobei der Transformatorkern aus geschichteten Trafoblechen und/oder Ferriten besteht.
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Die Verwendung von Ferriten zum Ausbilden des Transformatorkerns stellt eine Möglichkeit dar, produktionstechnisch einfach eine Montage bzw. Reparatur eines erfindungsgemäßen Generators durchzuführen. Geschichtete Trafobleche, die zu Trafoblechpaketen gebündelt werden, stellen eine preisgünstige Variante dar, um einen magnetischen Fluss zu führen. Außerdem besteht bei geschichteten Trafoblechen keine Bruchgefahr, insbesondere im Vergleich zu gesinterten Ferriten. Die Trafobleche (Dynamobleche) können aus Eisenblech und/oder Stahlblech sein (beispielsweise Eisen-Silizium-Legierungen oder Nickel-Eisen-Legierungen). Die Trafobleche können eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweisen bzw. es können zwischen den einzelnen Trafoblechen elektrisch isolierende Zwischenschichten angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Erregertransformator zur Verfügung gestellt, wobei der Erregertransformator erste geschichtete Trafobleche und zweite geschichtete Trafobleche umfasst, wobei die ersten geschichteten Trafobleche senkrecht zu den zweiten geschichteten Trafoblechen angeordnet sind.
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Eine senkrechte Anordnung von mehreren Trafoblechpaketen ermöglicht ein Führen eines magnetischen Flusses unter weitgehender Vermeidung von Wirbelströmen, wobei u-förmige oder L-förmige Querschnitte der Gesamttrafoblechpakete realisiert werden können.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Erregertransformator zur Verfügung gestellt, wobei der Erregertransformator ein Signalpfad für eine unidirektionale und/oder bidirektionale Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ist.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Generator zur Verfügung gestellt, wobei der Rotor einen Temperaturfühler zum Erzeugen von Temperaturdaten aufweist und wobei die Temperaturdaten mittels des Erregertransformators unidirektional oder bidirektional zwischen Rotor und Stator übertragbar sind.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Signalpfads mittels des Transformators ermöglicht nach Anordnung eines Temperatursensors am Rotor die Übertragung von Messdaten des Temperatursensors an eine Auswertelogik, die am Stator angeordnet sein kann. Hierdurch kann der aktuelle Betriebszustand des Rotors, wie beispielsweise die Temperatur, zeitnah festgestellt werden.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, in einen fremderregten Generator einen rotationssymmetrischen Erregertransformator zur Erzeugung einer Erregerspannung einzusetzen. Vorteilhafterweise kann hierdurch eine drehzahlunabhängige Erzeugung der Erregerspannung erreicht werden, wodurch die Anforderungen zur Gleichrichtung der Erregerspannung und zur Regelung der Ausgangspannung des Generators deutlich verringert werden können. Insgesamt kann hierdurch ein Generator zur Verfügung gestellt werden, der eine geringe Baugröße aufweist und daher für den Einbau in Fahrzeuge bzw. mobile Arbeitsmaschinen besonders geeignet ist. Durch den erzielten Raumgewinn können vorteilhafterweise auf gleichem Raum zusätzliche Bauelemente angeordnet werden.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Erregertransformators mit Ferriten in einem perspektivischen Längsschnitt,
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2 eine zweite Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Erregertransformators mit Ferriten in einem perspektivischen Längsschnitt,
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3 ein Trafoblech für einen erfindungsgemäßen Stator,
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4 ein Trafoblech für einen erfindungsgemäßen Rotor,
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5 ein Trafoblech zum Aufbau eines Transformatorkerns,
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6 eine dritte Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Erregertransformators mit Trafoblechpaketen in einem perspektivischen Längsschnitt,
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7 eine vierte Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Erregertransformators mit Trafoblechpaketen in einem perspektivischen Längsschnitt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Teils eines Erregertransformators mit Ferriten 101, 105 auf, die einen u-förmigen Querschnitt aufweisen können. Der Erregertransformator (Übertrager) umfasst eine primärseitige Wicklung 102, die einen magnetischen Fluss 107, 108 erzeugen kann. Der magnetische Fluss 107, 108 wird durch Ferrite 101, 105 geführt, wobei ein erster bzw. erste Ferrite 101 fest am Stator angeordnet sind. Ferner ist ein zweiter bzw. sind zweite Ferrite 105 am Rotor befestigt. Der magnetische Fluss 107, 108 erzeugt in einem sekundärseitigen Wicklungspaket 104 eine Erregerspannung, die gleichgerichtet werden kann. Diese gleichgerichtete Spannung wird an die Erregerwicklungen (Läuferwicklungen) angelegt, wodurch sich ein Erregerfeld ergibt. Die Leistungsübertragung von Stator zu Rotor zur Versorgung der Erregerwicklungen erfolgt erfindungsgemäß mithilfe einer Transformatoranordnung. Bei einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Erregertransformators kann sichergestellt werden, dass die übertragene Leistung unabhängig von der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit der Welle des Generators ist, auf der der Rotor angeordnet ist. In diesem Fall bestimmt allein die primärseitig beim Erregertransformator eingespeiste Leistung die sekundärseitig entnehmbare Leistung. Drehzahländerungen der Welle, die auf eine Änderung der Betriebssituation bzw. einen Übergang zwischen zwei Betriebssituationen des antreibenden Verbrennungsmotors zurückzuführen sind, haben keinen Einfluss mehr auf die Leistungsübertragung. Infolgedessen können hierdurch keine Spannungsschwankungen bzw. Spannungsspitzen der Erregerspannung mehr auftreten. Bei der Auslegung des auf dem Rotor vorgesehenen Gleichrichters müssen daher für derartige Spannungsschwankungen bzw. Spannungsspitzen keine Vorsorge mehr getragen werden. Als Ergebnis kann ein kleiner dimensionierter Gleichrichter mit geringer Baugröße eingesetzt werden. Außerdem wird die Regelung der Ausgangspannung des Generators erheblich vereinfacht, da bei einem erfindungsgemäßen Generator eine insbesondere weniger dynamische Regelung ausreichend sein kann.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit Ferriten 201, 205, die einen L-förmigen Querschnitt aufweisen. Der Erregertransformator umfasst eine primärseitige Spule 202, die einen magnetischen Fluss 207, 208 erzeugen kann, der durch die Ferrite 201, 205 geführt wird und eine Erregerspannung in einer sekundärseitigen Spule 204 erzeugen kann. Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung eine induktive Kopplung zur Leistungsübertragung vom Stator zum Rotor, wobei die Leistungsübertragung unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit der Welle 206, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden kann, ist, da der Transformatorkern rotationssymmetisch ausgebildet ist.
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Die Ferrite 101, 105, 201, 205 gemäß der 1 und 2 können als einzelne Ferrite oder jeweils als eine Anordnung kleinerer Ferrite aufgebaut werden, wobei eine Ansammlung kleinerer Ferrite eine einfachere Montage ermöglicht, jedoch zu Streuverlusten aufgrund von Luftspalten führen kann. Ferrite ermöglichen ein gutes Führen von magnetischen Flüssen. Allerdings weisen Ferrite den Nachteil auf, dass sie in ihrer Herstellung sehr teuer sind. Außerdem sind Ferrite aufgrund des verwendeten Werkstoffs bzw. der Herstellungsweise (Sintern) sehr spröde, wodurch eine hohe Bruchgefahr gegeben sein kann.
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3 zeigt ein Trafoblech 302 zum Aufbau von Trafoblechpaketen aus geschichteten Trafoblechen 302 für die Primärseite eines erfindungsgemäßen Erregertransformators. Durch die Ausnehmung 303 kann ein Rotor geführt werden. Das Trafoblech 302 weist Ausnehmungen 301 auf, in die rechteckförmige Trafobleche, die ebenfalls als Trafoblechpakete geschichtet sein können, eingesetzt werden können. Insgesamt ergeben sich daraus im Querschnitt u-förmige Trafoblechpakete, die zum Führen eines magnetischen Flusses dienen können. Aufgrund der Stapelung einzelner Trafoblechplatten und der zueinander senkrechten Anordnung mehrerer Trafoblechpakete können Wirbelströme zumindest weitgehend ausgeschlossen werden. Die Trafoblechpakete können Ferrite ersetzen und weisen im Vergleich zu Ferriten eine geringere Bruchgefahr und geringere Herstellkosten auf.
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4 zeigt ein Trafoblech 401, wobei mit einer Stapelung derartiger Trafobleche 401 und einer Anordnung von in die Ausnehmungen 402 eingesetzter quaderförmiger Trafoblechpakete sich u-förmige Gesamttrafoblechpakete ergeben können. Diese Gesamttrafoblechpakete können Ferrite zum Führen eines magnetischen Flusses ersetzen. Die Ausnehmung 403 dient zur Aufnahme einer durch eine Verbrennungsmaschine angetriebenen Welle.
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5 zeigt ein Trafoblech, das gestapelt zu einem quaderförmigen Trafoblechpaket, in Ausnehmungen 301 bzw. 402 eingesetzt werden kann, um einen magnetischen Fluss führen zu können. Insgesamt können sich hierdurch Trafoblechpakte mit einem u-förmigen Querschnitt ergeben, die die Ferrite der 1 ersetzen können.
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Analog zu den 3, 4 und 5 können Trafobleche hergestellt werden, die zusammengesetzt, zu Trafoblechpaketen angeordnet werden können, die im Querschnitt L-förmig ausgebildet sind. Diese Trafoblechpakete können die Ferrite der 2 ersetzen.
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6 zeigt einen Teil eines Erregertransformators analog der 1, wobei statt Ferriten Trafoblechpakete eingesetzt werden, um einen erzeugten magnetischen Fluss zu führen. Die Trafobleche 602 entsprechen dabei Trafoblechen 302 gemäß 3, Trafobleche 603 entsprechen Trafoblechen 401 gemäß 4 und Trafobleche 601 entsprechen Trafoblechen gemäß 5.
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7 zeigt einen Teil eines Erregertransformators analog der 2, wobei die Ferrite durch Trafoblechpakete ersetzt sind. Die Trafobleche 702, 703 können eine rotationssymmetrische Form aufweisen und die Trafobleche 701 können zu quaderförmigen Trafoblechpaketen geschichtet sein. Die Trafobleche 702 sind am Stator angeordnet und die Trafobleche 703 sind mit dem Rotor fest verbunden.
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Erfindungsgemäß kann die induktive Kopplung zwischen Stator und Rotor als Signalpfad zur Informationsübertragung zwischen Stator und Rotor genutzt werden.
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Der primärseitig eingespeisten Wechselspannung könnten Daten aufmoduliert werden, wodurch eine Informationsübertragung vom Stator zum Rotor möglich wäre. Eine Signalübertragung vom Rotor zum Stator wäre ebenfalls durch die induktive Kopplung durch den Transformator möglich, wobei insbesondere Informationen über die Temperatur des Rotors übermittelt werden können. Hierdurch wäre eine direkte Messung der Temperatur des Rotors zeitnah möglich, wodurch verlässliche Angaben über den Betriebszustand erhalten werden können. Bislang sind im Stand der Technik nur indirekte Methoden möglich. Hierbei wird, ausgehend von der Messung der Temperatur im Stator, auf die Temperatur im Rotor geschlossen. Aufgrund der Wärmeübertragung von Rotor zu Stator und der Wärmekapazität des Stators kann hierdurch keine Aussage über die aktuelle Temperatur des Rotors ermöglicht werden. Temperaturbedingte Ausfälle aufgrund einer zu spät erkannten Überhitzung des Rotors können die Folge sein. Durch das Nutzen des erfindungsgemäßen Transformators als Signalpfad können Sensordaten eines Temperaturfühlers vom Rotor zum Stator übermittelt werden, wodurch eine aktuelle Temperaturüberwachung ermöglicht werden kann. Erfindungsgemäß kann daher ein deutlich verbesserter Übertemperaturschutz zur Verfügung gestellt werden.
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Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ermöglichen vorteilhafterweise eine geringe Baugröße aufgrund der Erzeugung einer Erregerspannung durch die Anordnung eines Erregertransformators. Bei einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Erregertransformators ist die Leistungsübertragung unabhängig von dem Betriebsverhalten des antreibenden Verbrennungsmotors, wodurch eine vereinfachte Dimensionierung und weniger aufwändige Auslegung des Gleichrichters des Rotors ermöglicht werden kann. Hierdurch kann zusätzlich eine kleinere Baugröße des betreffenden Generators erzielt werden. Außerdem erfordert die Regelung der Ausgangsspannung des betreffenden Generators eine geringere Dynamik.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen” weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein” und „eine” mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Ferrit primärseitig
- 102
- Wicklungspaket primärseitig
- 103
- Gehäuse
- 104
- Wicklungspaket sekundärseitig
- 105
- Ferrit sekundärseitig
- 106
- Welle
- 107
- magnetischer Fluss
- 108
- magnetischer Fluss
- 201
- Ferrit primärseitig
- 202
- Wicklungspaket primärseitig
- 203
- Gehäuse
- 204
- Wicklungspaket sekundärseitig
- 205
- Ferrit sekundärseitig
- 206
- Welle
- 207
- magnetischer Fluss
- 208
- magnetischer Fluss
- 301
- Ausnehmung
- 302
- Statortrafoblech
- 303
- Ausnehmung für Rotor
- 401
- Rotortrafoblech
- 402
- Ausnehmung
- 403
- Ausnehmung für eine Welle
- 601
- rechteckförmiges Trafoblech
- 602
- Statortrafoblech
- 603
- Rotortrafoblech
- 701
- rechteckförmiges Trafoblech
- 702
- Statortrafoblech
- 703
- Rotortrafoblech
