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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Bauformen elektrodynamischer Maschinen bekannt. So ist beispielsweise aus der
DE 40 23 791 A1 eine elektrische Maschine mit einem Innen- und einem Außenläufer bekannt. Diese elektrodynamische Maschine weist einen ringförmigen Stator auf, einen konzentrisch innerhalb des Stators angeordneten Innenläufer und einen konzentrisch außerhalb des Stators angeordneten Außenläufer, wobei der Stator mit zumindest einer Ringwicklung versehen ist und wobei auf dem Innenläufer und dem Außenläufer Magnete angeordnet sind, die mit der zumindest einen Ringwicklung magnetisch zusammenwirken, wenn diese von einem Strom durchflossen wird.
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Es ist eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebene Maschine unter effizienterer Nutzung eines unter Aufwendung elektrischer Energie erzeugten Magnetfeldes weiter zu bilden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die elektrodynamische Maschine ein Planetengetriebe aufweist, bei dem zumindest ein Planetenrad an dem Stator gelagert und ein Sonnenrad mit dem Innenläufer sowie ein Hohlrad mit dem Außenläufer verbunden sind. Unter mechanischer Kopplung zweier Läufer wird damit das im Stator erzeugte Magnetfeld effektiver genutzt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach sind die Magnete bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Permanentmagnete ausgeführt. Durch die Permanentmagnete wird die elektrische Leistung, die zum Betrieb der elektrodynamischen Maschine nötig ist, verringert, da auf den Läufern keine Ringwicklungen benötigt werden. Zudem wird der Bedarf an Kupferdraht gegenüber vergleichbaren Maschinen deutlich reduziert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Magnete auf dem Innenläufer und auf dem Außenläufer so angeordnet, dass ein Pol jedes Magnets dem Stator zugewandt ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird die magnetische Anziehung oder Abstoßung der Magnete optimal ausgenutzt.
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Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Magnete auf dem Innenläufer nicht der Anzahl der Magnete auf dem Außenläufer. Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Magnete auf dem Innenläufer geringer als die Anzahl der Magnete auf dem Außenläufer.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verhältnis zwischen einem ersten Durchmesser des Innenläufers und einem zweiten Durchmesser des Außenläufers gleich 3:4. Dieses Verhältnis hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Es hat sich gezeigt, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl der Magnete auf dem Innenläufer und der Anzahl der Magnete auf dem Außenläufer unter anderem von dem Verhältnis zwischen dem ersten Durchmesser und dem zweiten Durchmesser abhängig ist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist daher das Verhältnis zwischen der Anzahl der Magnete auf dem Innenläufer und der Anzahl der Magnete auf dem Außenläufer gleich 3:4, wobei dieses Verhältnis nicht zwingend mit dem Verhältnis der Magnete übereinstimmen muss.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Taktscheibe vorgesehen, deren Takt so ausgelegt ist, dass ein Transistors immer dann angesteuert und die zumindest eine Ringwicklung somit von einem Strom durchflossen wird, wenn ein Magnet des Innenläufers und ein Magnet des Außenläufers während der zusammen mit der zumindest einen Ringwicklung wirkungsvollsten Stellungen gegenüber stehen.
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Aufgrund der Kopplung des jeweils mit Permanentmagneten versehenen Außenläufers und des Innenläufers über das Planetengetriebe ist nur eine Taktscheibe nötig. So kann auf einfache Art und Weise sicher gestellt werden, dass die Ringwicklungen nur dann von einem Strom durchflossen werden, wenn die gewünschte Konstellation eines Magneten auf dem Außenläufer, eines Magneten auf dem Innenläufer und einer Ringwicklung auf dem Stator vorliegt.
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Es ist auch möglich, ein Planetengetriebe mit zwei Reihen von Planetenrädern zu verwenden, das heißt, dass ausgehend von der Mittelachse des Getriebes in radialer Richtung zunächst ein Sonnenrad, anschließend zwei Planetenräder und schließlich das Hohlrad angeordnet wäre. Dadurch würde die Drehrichtung eines von dem Innenläufer erzeugten Drehmoments doppelt umgekehrt, wodurch dieses Drehmoment die gleiche Drehrichtung erhält wie das von dem Außenläufer an dem Hohlrad erzeugte Drehmoment.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Angabe weiterer Eigenschaften und Vorteile anhand von vier Figuren beispielhaft dargestellt und erläutert, es zeigen dabei:
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1: eine teilweise geschnittene Frontansicht einer Ausführungsform einer elektrodynamischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2: eine teilweise geschnittene Seitenansicht der elektrodynamischen Maschine gemäß 1;
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3: schematisch einen Aufbau der Verschaltung von zwei Ringwicklungen der Erfindung und
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4: eine schematische Darstellung eines für die Ausführungsform der 1 vorgesehenen Planetengetriebes.
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Über die unterschiedlichen Darstellungen in den Figuren hinweg werden für gleichartige Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Frontansicht einer Ausführungsform einer elektrodynamischen Maschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese elektrodynamische Maschine 1 umfasst mit einem Außenläufer 4 und einem Innenläufer 3 zwei Läufer, zwischen denen ein ringförmigen Stator 2 angeordnet ist, auf dem sich elektromagnetische Ringwicklungen 5, oder Spulen, befinden.
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Durch magnetische Abstoßung und Anziehung zwischen auf den Läufern angebrachten jeweiligen Magneten 6 und den Ringwicklungen 5 entsteht ein Drehmoment. Die Magnete 6 sind dabei vorzugsweise als sehr starke Permanentmagnete ausgebildet.
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Der Außenläufer 4 und der Innenläufer 3 sind mittels eines Planetengetriebes 8 gekoppelt, um die erzeugte mechanische Energie beider Läufer unter verbesserter Ausnutzung des im Stator erzeugten Magnetfeldes zu kombinieren, um so das gesamte Drehmoment nutzen zu können.
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Der im Stator bzw. dessen Wicklungen wirkende Stromfluss und die hierzu eingesetzte Energie wird somit auf beiden Seiten der Ringwicklungen 5 genutzt.
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Die Nutzung der entgegen gerichteten elektromagnetischen Kraft, auch Gegen-EMK bzw. Back-EMF genannt, unterscheidet sich gegenüber der bisher bekannter Bauweisen darin, dass sich die induzierte Back-EMF beispielsweise mittels eines in 3 eingezeichneten Stromkreises mit einer Diode in Form einer elektrischen Spannung sinnvoll nutzen lässt.
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Die Ringwicklungen 5 erhalten pulsartige Signale zu präzise abgestimmten Zeiten bzw. Stellungen der jeweiligen Permanentmagnete von Außenläufer 4 und Innenläufer 3 gegenüber dem Stator 2. Die Stromversorgung der Ringwicklungen 5 wird mithilfe einer Steuerung ermöglicht, die eine Transistorschaltung 15 aufweist, wie in 3 angedeutet.
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Ein Basis-Signal, welches die Transistorschaltung 15 steuert, hat seinen Ursprung in einem Aufnehmer 13, der im vorliegenden Beispiel als magnetischer Aufnehmer ausgebildet ist, der durch eine Taktscheibe 12 ausgelöst bzw. erregt wird. Hierzu weist die Taktscheibe 12 mindestens einen Zahn 16 auf. Mittels des Zahns 16 wird ein Magnetfeld zwischen dem magnetischen Aufnehmer 13 und der Taktscheibe 12 kurzzeitig verändert, wodurch in einer Ringwicklung des Aufnehmers 13 ein Strom induziert wird, der darauf hin der Transistorschaltung 15 als Basis-Signal dient. Die Taktscheibe 12 dreht sich mit der elektrodynamischen Maschine und ist im vorliegenden Ausführungsfall direkt mit dem Innenläufer 3 gekoppelt.
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Wird die Transistorschaltung 15 von dem Base-Signal angesteuert, so schaltet sie durch und die Ringwicklungen 5 werden von einem von einer Spannungsquelle 14 bereit gestellten Strom durchflossen. Dabei kann die Taktscheibe 12 auch mehrere Zähne 16 als Basis-Signal-Auslöser aufweisen. Zudem sind in nicht weiter dargestellten Ausführungsformen der Erfindung mehr als eine Wicklung auf dem Stator 2 vorgesehen, denen jeweils entsprechende weitere Taktscheiben mit Transistorschaltungen zugeordnet sind.
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Die Anzahl von Magneten 6 auf dem Innenläufer 3 und die Anzahl von Magneten 6 auf dem Außenläufer 4 hängen von dem Verhältnis des Durchmessers des Innenläufers 3, dem ersten Durchmesser D1, und dem des Außenläufers 4, dem zweiten Durchmesser D2, ab. Ist beispielsweise das Verhältnis D1:D2 = 3:4 und die Anzahl von Magneten 6 auf dem Innenläufer 3 soll sechs betragen, so muss die Anzahl der Magneten auf dem Außenläufer 4 gleich 6·4:3, also acht, betragen. Dies ist nötig, um sicher zu stellen, dass jeweils zwei Magneten 6 zum gleichen Zeitpunkt mit einer Ringwicklung 5 zusammen treffen.
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Die elektrodynamische Maschine 1 kann mit unterschiedlichen Anzahlen von Magneten 6 und Ringwicklungen 5 konstruiert werden, wie vorstehend angegeben. Eine Maschine 1 gemäß vorliegender Erfindung benötigt aber in jedem Fall eine genaue zeitliche Abstimmung, wie anhand der Abbildung von 3 beispielhaft angegeben. Dementsprechend ist in dem hier dargestellten Fall einer starr mit der Innenläufer 3 verbundenen Taktscheibe 12 stimmt die Anzahl der Magnete 6 des Innenläufers 3 mit der Anzahl der Zähne 16 auf der Taktscheibe 12 überein.
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Die elektrodynamische Maschine 1 kann je nach Polarität und Design einer jeweiligen Ausführungsform auf Abstoßung oder Anziehung beruhen. Das ist dem Fachmann selbstverständlich und ist daher hier nicht weiter ausgeführt oder gar dargestellt.
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Zwei Abtriebswellen 7, die eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen und von denen eine mit dem Innenläufer 3 und eine mit dem Außenläufer 4 gekoppelt ist, werden mit einem Getriebe verbunden um die entstandenen Drehmomente zu kombinieren. Ein bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenes Planetengetriebe 8 ist in 4 dargestellt. Das Planetengetriebe 8 umfasst ein Sonnenrad 10, vier Planetenräder 9 und ein Hohlrad 11.
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Das Sonnenrad 10 wird für den bestimmungsgemäßen Gebrauch der dargestellten Ausführungsform der elektrodynamischen Maschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Innenläufer 3 und das Hohlrad 11 mit dem Außenläufer 4 gekoppelt. Die Planetenräder 9 sind an dem Stator 2 gelagert, wobei zur Anpassung u.a. einer Drehrichtung an der Position eines Planetenrades 9 nach 4 auch zwei Planetenräder vorgesehen sein können, wie dem Fachmann im Bereich Getriebetechnik bekannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrodynamische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Innenläufer
- 4
- Außenläufer
- 5
- Ringwicklung
- 6
- Magnet
- 7
- Abtriebswelle
- 8
- Planetengetriebe
- 9
- Planetenrad
- 10
- Sonnenrad
- 11
- Hohlrad
- 12
- Taktscheibe
- 13
- Aufnehmer
- 14
- Spannungsquelle
- 15
- Transistor
- 16
- Zahn in der Taktscheibe 12
- D1
- erster Durchmesser
- D2
- zweiter Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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