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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugeranordnung zur Verwendung in einer Lageranordnung und eine Lageranordnung mit einer solchen Stromerzeugeranordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugeranordnung zum Energy Harvesting in einer Lageranordnung, die dazu ausgelegt ist, Energie durch eine Relativbewegung eines Lageraußenrings zu einem Lagerinnenring zu erzeugen. Lager verschiedener Arten werden weithin im Maschinenbau verwendet und sind sensitive Bauelemente, die in vielen Anwendungsgebieten überwacht werden müssen.
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In den meisten Einsätzen heutzutage wird die Elektronik, die zum Überwachen des Lagers und der entsprechenden Sensoren verwendet wird, durch Kabel oder von einem externen Stromerzeuger mit Strom versorgt. Das Dokument
WO 2013/160035 offenbart jedoch eine stromerzeugende Anordnung, die dazu ausgelegt ist, in einer Lageranordnung integriert zu sein, wobei die stromerzeugende Anordnung mit einem Magnetrad interagiert, das ein magnetisch polarisiertes Material mit alternierenden Polarisationsrichtungen umfasst.
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Die Stromerzeugeranordnung ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom für die Überwachungselektronik zu liefern, die deshalb mit externen Geräten über eine kabellose Signalschnittstelle kommunizieren kann.
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Die stromerzeugende Anordnung des Dokuments
WO 2013/160035 umfasst einen Stromerzeugerkern und eine elektrische Spule, die um einen Kern aus einem Ferritmaterial gewickelt ist. Ferritkerne haben die Nachteile, dass sie in geringen Stückzahlen ziemlich teuer herzustellen sind, und dass das Ferritmaterial für die erforderlichen Dimensionen spröde ist. Zudem liefern die Ferritkerne einen Stromüberschuss bei hohen Drehzahlen. Die rechteckigen Spulen sind auch schwieriger/teurer herzustellen als die konventionellen zylinderförmigen Spulen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung strebt an, eine Stromerzeugeranordnung zum Energy Harvesting in einer Lageranordnung bereitzustellen, die einen Stromerzeugerkern aufweist, der hinsichtlich Herstellung und Kosten besser ist, während zumindest ein ähnliches Leistungsniveau bei geringen Drehzahlen beibehalten wird, während ein Stromüberschuss bei hohen Drehzahlen reduziert wird.
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Die Erfindung hat ihren Ausgangspunkt in einer Stromerzeugeranordnung zum Energy Harvesting in einer Lageranordnung, die zumindest zwei Lagerringe umfasst, die dazu ausgelegt sind, sich relativ zueinander zu drehen. Die Stromerzeugeranordnung ist derart ausgebildet, dass sie mit einem rotierenden magnetischen Tonrad oder Imuplsrad interagiert, das an einem der Lagerringe befestigt ist, und das aus einem magnetischen Material mit alternierenden Magnetisierungsrichtungen hergestellt ist.
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Die Stromerzeugeranordnung umfasst einen Stromerzeugerkern mit einem Jochstück und mehreren stabförmigen Auskragungsstücken, die in einer Reihe angeordnet sind, und die aus dem Jochstück in einer im Prinzip rechtwinkligen Richtung zu der Längsrichtung des Jochstücks hervorstehen.
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In diesem Zusammenhang soll der Ausdruck „im Prinzip rechtwinklig” insbesondere Konfigurationen umfassen, bei denen die Auskragungsstücke in einer Richtung zu einer gemeinsamen Drehachse des Lagers hervorstehen, so dass diese nicht vollkommen parallel sind.
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Die stabförmigen Auskragungsstücke sind mit Endabschnitten ausgestattet, die dazu ausgelegt sind, jeweils einen Spalt zu dem Tonrad auszubilden. Der Spalt sollte derart sein, dass das Magnetfeld, das von dem magnetischen Tonrad erzeugt wird, problemlos den Spalt ohne größere Verluste überqueren kann. Der Spalt weist üblicherweise eine Breite von ungefähr 1 bis 2 mm auf, abhängig von dem Durchmesser der Endfläche der Auskragungsstücke. Ein Durchmesser der Endfläche der Auskragungsstücke, die dem Tonrad zugewandt sind, ist vorzugsweise um mindestens einen Faktor von 5–10 größer als die Breite des Spalts. Ein Abstand zwischen den Endabschnitten der Auskragungsstücke entspricht zumindest im Prinzip einem ganzzahligen Vielfachen einer Hälfte einer Teilung des magnetischen Tonrads, so dass die Endabschnitte der benachbarten Auskragungsstücke jeweils Bereichen mit entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen des Tonrads zugewandt sind. Der Kern des Stromerzeugers umfasst weiterhin mindestens eine Stromerzeugerspule, die um zumindest einen der Auskragungsstücke des Kerns gewickelt ist.
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Die Erfindung schlägt vor, dass der Kern des Stromerzeugers aus Stahl hergestellt ist. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass es möglich ist, eine Leistung ähnlich der eines Ferritkerns zu erreichen, wenn ein Stahlkern verwendet wird. Dementsprechend kann ein sprödes Ferritmaterial vermieden werden, und Kernanordnungen für den Stromerzeuger können unter Verwendung zuverlässiger und anerkannter Technologien in vielen verschiedenen Formen zu geringen Kosten hergestellt werden. Insbesondere kann die Form des Stahlkerns derart ausgebildet sein, dass Verluste des Magnetflusses vermieden werden können, während zur gleichen Zeit die Verwendung kostengünstiger Spulen und das Erreichen eines einfachen Montageverfahrens ermöglicht wird. Die Form des Stahlkerns kann auch derart ausgebildet sein, dass der Stromüberschuss, der bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten erzeugt wird, reduziert wird.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Kern des Stromerzeugers drei Auskragungsstücke, wobei die Stromerzeugerspule um einen Mittleren dieser drei Auskragungsstücke gewickelt ist. Die Gesamtausgestaltung eines longitudinalen Jochs mit drei Auskragungsstücken weist eine Ähnlichkeit zu der Form des Buchstabens „E” auf, so dass diese Ausgestaltung als „E”-Kern bezeichnet wird. Die Magnetflüsse durch die zwei seitlichen Auskragungsstücke des Stromerzeugerkerns werden in dem mittleren Auskragungsstück kombiniert, und führen daher zu ausreichend hohen Induktionsströmen in der Spule.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das mit einer Stromerzeugerspule ausgestattete Auskragungsstück einen Teil mit einer zylindrischen Form aufweist, der in eine mittlere Öffnung der Stromerzeugerspule eingepasst ist. Demzufolge ist es möglich, kostengünstige zylinderförmige Stromerzeugerspulen zu verwenden, die auf dem Markt zur Verfügung stehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist der zylinderfömige mittlere Kern des Stromerzeugerkerns an einem C-förmigen oder U-förmigen Stahlteil angebracht, das zwei seitliche Auskragungsstücke des Kerns und das Joch bildet.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Endabschnitte von zumindest einem der stabförmigen Auskragungsstücke mit einem Polschuh ausgestattet sind, vorzugsweise, dass jeder der Endabschnitte mit solch einem Polschuh ausgestattet ist. Die Form und Größe der Endfläche des Polschuhs kann an die Form und Größe der Magnetpole des Tonrads angepasst sein, während der Körper des Polschuhs den Magnetfluss zu dem vorzugsweise zylinderförmigen Körperteil des Auskragungsstücks in einer verlässlichen Weise mit geringen Verlusten leiten kann. Die Auskragungsstücke, die nicht mit einer Stromerzeugerspule ausgestattet sind, können mit einem rechteckigen Querschnitt oder irgendeinem anderen geeigneten Querschnitt ausgebildet sein.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Spule eine zylinderförmige Spule ist, insbesondere, dass die Spule auf einen zylinderförmigen Spulenkörper gewickelt ist, und dann über einen zylinderförmigen Körperteil eines der stabförmigen Auskragungsstücke gesteckt wird. Dieses erleichtert den Zusammenbau der Stromerzeugervorrichtung, und ermöglicht die Verwendung kostengünstiger vorgefertigter Spulen. Als eine Alternative wird vorgeschlagen, die Spule direkt auf das Kernelement des Stromerzeugers zu wickeln, um ein Ablösen von Teilen des Kerns des Stromerzeugers beim Montieren vormontierter Spulen zu vermeiden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Kern des Stromerzeugers mehrere Auskragungsstücke, die nicht mit einer Stromerzeugerspule ausgestattet sind, wobei zwischen jedem Paar der letzteren Auskragungsstücke ein mit einer Stromerzeugerspule ausgestattetes Auskragungsstück angeordnet ist. Das Ergebnis ist eine kammähnliche Struktur mit einer an jedem zweiten Auskragungsstück angeordneten Spule des Stromerzeugers. Die Auskragungsstücke, die nicht mit einer Stromerzeugerspule ausgestattet sind, können als ein solides oder zusammengesetztes Stahlstück mit dem Jochstück ausgebildet sein.
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Die Erfindung nutzt die Änderung in der Magnetflussdichte des magnetischen Tonrads, das mit dem sich bewegenden Ring einer Lagereinheit verbunden sein kann, aus. Da der mittlere Pol zylinderförmig sein kann, können die Polschuhe an dem mittleren Pol befestigt sein, um den Fluss zu leiten. Die Verwendung von eisenhaltigem Stahl anstatt von Ferrit macht die Lösung robuster und kostengünstiger. Eine Ausgestaltung des Kerns mit einer höheren abgegebenen Spannung und höherer Ausgangsstärke kann in einer kostengünstigen Weise unter Verwendung einer einfachen Gleichrichterschaltung erreicht werden.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Lagereinheiten von Eisenbahnen, die sehr sorgfältig überwacht werden müssen, während sie zur gleichen Zeit, extrem rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Die Stromerzeugeranordnung kann in eine Abdichtung der Lagereinheit eingebettet sein, so dass die elektronischen Geräte, wie beispielsweise Gleichrichter, zum Energy Harvesting der in der Stromerzeugerspule induzierten Energie, geschützt werden können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher eine Lagereinheit, insbesondere eine Lagereinheit von Eisenbahnen für Eisenbahnräder, die mit einer Stromerzeugeranordnung, wie oben beschrieben, ausgestattet ist, und mit einem magnetischen Tonrad, das an einem rotierenden Lagerring angebracht ist, sowie mit elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Gleichrichterschaltungen, um die in der Spule des Stromerzeugers induzierten Ströme in elektrische Energie umzuwandeln, und mit Mitteln, um diese Energie zu speichern, wie beispielsweise Kondensatoren oder Akkumulatoren. Weiterhin kann die mit der Stromerzeugeranordnung ausgestattete Lagereinheit mit Sensoren und einer Überwachungselektronik, die die Signale der Sensoren auswertet, und optional mit Mitteln zum Übertragen der gemessenen Signale auf kabellose Weise ausgestattet sein. Die Sensorsignale können Rotationsgeschwindigkeiten, die vorzugsweise unter Verwendung des Tonrads gemessen werden, Temperaturen, Schwingungen, Beschleunigungen oder Ähnliches umfassen.
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Die vorstehenden Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die anhängigen Ansprüche und Figuren zeigen mehrere charakterisierende Merkmale der Erfindung und spezielle Kombinationen. Der Fachmann ist in einfacher Weise fähig, weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Merkmale in Betracht zu ziehen, um die Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, an seine oder ihre spezifischen Anforderungen anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine schematische Ansicht einer Lageranordnung mit einer erfindungsgemäßen Stromerzeugeranordnung.
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2 ist ein Stromerzeugerkern einer erfindungsgemäßen Stromerzeugeranordnung in einer Seitenansicht.
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3 ist eine Ansicht eines Auskragungsstücks des Stromerzeugerkerns gemäß 2, einer Stromerzeugerspule und eines Polschuhs.
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4 ist eine Seitenansicht eines Stromerzeugerkerns gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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5 ist eine Stromerzeugeranordnung gemäß einer der 1–4, die in einem Gehäuse angebracht ist.
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6 ist eine Ansicht, die ein Zusammenbauverfahren der Stromerzeugeranordnung gemäß der 2 darstellt.
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7 ist eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Stromerzeugeranordnung in Interaktion mit einem magnetischen Tonrad.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 ist eine Schnittansicht eines Details einer Lageranordnung mit einem Außenring 10, einem Innenring 12 und einer Stromerzeugeranordnung 14, die an dem nicht-rotierenden Außenring 10 des Lagers befestigt ist. Ein magnetisches Tonrad 16 ist an dem rotierenden Innenring 12 der Lageranordnung befestigt, die als ein zweireihiges Wälzlager für eine Verwendung in einer Eisenbahnanwendung ausgebildet ist. Die relative Rotation des Innenrings 12 und des Außenrings 10 führt zu einer relativen Rotation der Stromerzeugeranordnung 14 und des magnetischen Tonrads 16. Ein Dichtungssystem stellt eine Abdichtung des Spalts zwischen den zwei Lagerringen 10, 12 bereit, und das magnetische Tonrad 16 ist in Eingriff mit einer außenliegenden Labyrinthdichtung des Dichtungssystems. Das magnetische Tonrad 16 ist aus einem magnetischen Material mit alternierenden Polarisationsrichtungen hergestellt, die radial ausgerichtet sind. Das magnetische Tonrad 16 kann aus einem permanentmagnetischen Material oder aus einem magnetischen Verbundmaterial, wie beispielsweise Kunststoff mit eingebetteten Magnetpartikeln, hergestellt sein.
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Der Kern 18 des Stromerzeugers in der erfindungsgemäßen Stromerzeugeranordnung 14 ist in 2 detaillierter dargestellt. 2 zeigt einen Stromerzeugerkern 18 in einer sogenannten Mehrfach-E-Kern-Ausgestaltung, die eine kammähnliche Struktur mit einem stabförmigen Jochstück 20 und sieben stabförmigen Auskragungsstücken 22a–22d, 24a–24c aufweist. Vier der Auskragungsstücke 22a–22d sind gleichweit beabstandet ausgebildet, und stehen im Prinzip rechtwinklig aus dem Jochstück 20 hervor. Die Länge der Äußersten dieser Auskragungsstücke 22a, 22d ist etwas länger als die Länge der Mittleren 22b, 22c und die Endflächen sind geneigt oder gekrümmt, so dass ein Spalt mit gleicher Breite zwischen den Endabschnitten der Auskragungsstücke 22a–22d, 24a–24c des Kerns 18 und des magnetischen Tonrades 16 ausgebildet wird. Ein weiteres Auskragungsstück 24a–24c, das eine Spule 26a–26c des Stromerzeugers trägt, ist zwischen jedem Paar dieser vier Auskragungsstücke 22a–22d angeordnet, die jeweils einstückig mit dem Jochstück 20 ausgebildet sind. Wie unten im weiteren Detail beschrieben werden wird, sind die zuletzt genannten Auskragungsstücke 24a–24c an dem Jochstück 20 durch Einpressen oder Anschrauben oder andere geeignete Mittel befestigt und jeweils mit einem Polschuh 28a–28c ausgestattet.
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Das Jochstück 20 sowie die Auskragungsstücke 22a–22d, 24a–24c des Stromerzeugerkerns 18 sind aus einem eisenhaltigen Stahl hergestellt, der einfach bearbeitbar ist, während er gleichzeitig eine ausreichend hohe magnetische Permeabilität aufweist.
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3 zeigt im Detail eines der Auskragungsstücke 24a des Kerns, das mit einem Polschuh 28a und einer Stromerzeugerspule 26a ausgestattet ist. Das Auskragungsstück 24a weist einen zylinderförmigen Körperteil 25a auf, der in ein Mittelloch der Spule 26a eingepasst ist, die um einen Spulenkörper 30 aus Kunststoff gewickelt ist oder mit Kunststoffscheiben an ihren axialen Endflächen ausgestattet ist. Der Polschuh 28a hat eine Breite, die mit zunehmenden Abstand von dem Joch 20 zunimmt, bis er eine Breite des magnetischen Tonrads 16 erreicht, wobei eine Länge der Endfläche des Polschuhs 28a in der Umfangsrichtung des Tonrads 16 kleiner ist als die Länge einer der magnetisierten Teile des magnetischen Tonrads 16 in der Umfangs- oder Teilungsmaßrichtung. Der Polschuh 28a kann einstückig mit einem zylinderförmigen Körperabschnitt 25a des Auskragungsstücks 24a ausgebildet sein oder an dem Letztgenannten durch Anschrauben, Schweißen oder andere Mittel befestigt sein.
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Alternativ kann die Spule 26a direkt auf den Körperteil des Auskragungsstücks 24a gewickelt sein, und, um eine Isolierung zu dem Joch 20 und dem Polschuh 28a sicherzustellen, Abstandsscheiben verwenden.
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4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das viele Ähnlichkeiten mit den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 teilt, so dass auf eine Beschreibung identischer Merkmale hier verzichtet werden kann. Die Hauptunterschiede sind, dass die beiden seitlichen Spulen 26a, 26c des Stromerzeugers etwas weiter unten angeordnet sind als die mittlere Spule des Stromerzeugers, so dass der Abstand zwischen den Stromerzeugerspulen und dem magnetischen Tonrad 16, und demnach die Höhe der Polschuhe in der radialen Richtung mehr oder weniger identisch ist. Die Krümmung des Tonrads 16 wird durch die verschiedenen Breiten des Jochstücks des Kerns 18 des Stromerzeugers kompensiert.
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5 zeigt ein Sensorgehäuse 32, das mit dem Kern 18 des erfindungsgemäßen Stromerzeugers ausgestattet ist.
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6 zeigt das Zusammenbauverfahren des Stromerzeugerkerns 18 gemäß 2. Die Körperteile der zylinderförmigen Auskragungsstücke 24a–24c sind einstückig mit den Polschuhen 28a–28c ausgebildet und werden in die Mittellöcher der Spulen 26a–26c des Stromerzeugers eingepasst, und diese Unteranordnung wird dann in Bohrungen in der radial inneren Fläche des Jochstücks 20, zwischen den feststehenden Auskragungsstücken 22a–22d, 24a–24c, die keine daran angebrachten Stromerzeugerspulen aufweisen, befestigt.
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7 zeigt die Anordnung im Betrieb, d. h. in einem magnetischen Eingriff mit dem magnetischen Tonrad 16 gemäß der Erfindung.
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Die Erfinder haben Vergleichsversuche durchgeführt, um die Leistung des zylinderförmigen Eisenkerns, wie oben beschrieben, mit Ferritkernen zu vergleichen und herausgefunden, dass die Magnetflüsse in den Ferritkernen nur geringfügig höher sind als in 1010 kaltgewalztem Stahl. Der Unterschied ist in der Größenordnung weniger als 1% und wandelt, wenn die induzierten Spannungen und die Leistungsausgabe verglichen werden, in ähnliche Werte um. Dieser kleine Nachteil wird größtenteils durch die leichtere Herstellung überwogen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße magnetische Spule leicht mit Polschuhen mit einer optimierten Form ausgestattet werden, so dass die effektive Leistungsausgabe über die Leistung der existierenden Ferritkernausgestaltungen vergrößert werden kann.
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In dem Testeinsatzbereich für Eisenbahnlager beträgt die abgegebene Spannung des Kerns 18 des erfindungsgemäßen Stromerzeugers 14,4 mV/rpm, was ausreichend ist, um aktuelle Sensoranordnungen und drahtlose Übertragungsschnittstellen zu betreiben. Simulationen für richtig zusammengebaute Kerne 18 des erfindungsgemäßen Stromerzeugers bei Eisenbahnanwendungen zeigen, dass die Leistungsausgabe in einer angepassten Impedanz 56 mW beträgt, die Leistungsausgabe mit einer kapazitiven Kopplung beträgt 177 mW. Dies gilt insbesondere für Spannungsfrequenzen von 660 Hz, die in der vorgesehenen Anwendung erwartet werden. Während bei höheren Frequenzen Ferritkerne bei der abgegebenen Spannung überlegen sind, hat es sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Stahlkerne in diesem Frequenzbereich vergleichbar oder sogar besser sind. Beim Aufladen eines Kondensators mit einer kapazitativen Kopplung, die für 660 Hz optimiert ist, ist die abgegebene Spannung des Kerns 18 des erfindungsgemäßen Stromerzeugers 16 % höher als die abgegebene Spannung der altbekannten Ausgestaltung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/160035 [0003, 0005]
