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Die Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere für ein Fahrzeug.
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Generatoren werden in vielen verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt, z.B. bei der Energieerzeugung in Kraftwerken wie etwa Windenergieanlagen, in Fahrzeugen etwa als Lichtmaschine oder zur Rekuperation, als Teil eines hybriden Antriebssystems und/oder dergleichen. Im Allgemeinen wird dabei jeweils mechanische Antriebsenergie direkt zur Wandlung in elektrische Energie eingesetzt. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren liegt dabei unter 100 %, da Verluste durch Reibung, Leitungswiderstände, Streuverluste und/oder dergleichen üblicherweise nicht vermieden werden können und von der Antriebsenergie abgehen.
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Aus
US 2,263,373 ist beispielsweise ein Generator des Permanentmagneten-Typs bekannt, bei dem zwei Enden einer Armatur genutzt werden, um Spalte in einem Magnetkreis alternierend zu öffnen und zu schließen. Der Generator weist eine zwischen zwei Polteilen angeordnete Armatur, eine die Armatur umgebende Spule, einen Magnet zum Polarisieren der Polteile und ein Feldelement auf. Das Feldelement umgibt den Rotor und weist eine Vielzahl von Magnetelementen auf, die in der Nähe der Enden der Armatur angeordnet sind, so dass ein alternierender magnetischer Fluss in der Armatur bereitgestellt wird, wenn die Armatur und das Feldelement relativ zueinander rotiert werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Generator anzugeben, insbesondere Energieverluste zu vermeiden bzw. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Generator, insbesondere für ein Fahrzeug, gemäß dem unabhängigen Anspruch.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei der Generator einen Stator mit einer Mehrzahl von entlang des Stators angeordneten ersten Induktionsanordnungen, die jeweils wenigstens einen, insbesondere stabförmigen, Permanentmagneten zum Bereitstellen eines magnetischen Flusses aufweisen und zum Führen des magnetischen Flusses eingerichtet sind, und einen Rotor aufweist, der gegenüber dem Stator beweglich gelagert ist und eine Mehrzahl von entlang des Rotors angeordneten zweiten Induktionsanordnungen aufweist, die jeweils wenigstens einen, insbesondere stabförmigen, Permanentmagneten zum Bereitstellen eines magnetischen Flusses aufweisen und zum Führen des magnetischen Flusses eingerichtet sind. Dabei besteht eine magnetische Wechselwirkung zwischen den ersten Induktionsanordnungen und den zweiten Induktionsanordnungen. Zudem sind die Polachsen der Permanentmagnete der ersten und zweiten Induktionsanordnungen in der Weise im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rotors ausgerichtet, dass sich eine erste Hälfte von ersten und zweiten Induktionsanordnungen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung paarweise anzieht und eine zweite Hälfte der ersten und zweiten Induktionsanordnungen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung paarweise abstößt. Die ersten und/oder zweiten Induktionsanordnungen weisen jeweils eine Spulenanordnung auf, wobei bei einer Bewegung des Rotors eine Änderung des von den ersten und zweiten Induktionsanordnungen geführten magnetischen Flusses in der Spulenanordnung bewirkt wird.
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Ein Stator und ein Rotor im Sinne der Erfindung sind insbesondere relativ zueinander bewegliche Bauteile, wobei die Bewegung durch Einwirken einer Kraft oder eines Moments auf den Rotor bewirkt werden kann. Vorzugsweise sind der Rotor und der Stator kreisförmig ausgebildet und die Bewegung des Rotors ist eine Rotationsbewegung. Es ist aber auch denkbar, dass Rotor und Stator länglich ausgebildet sind und die Bewegung eine Translationsbewegung ist.
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Eine Induktionsanordnung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Anordnung, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung eines magnetischen Flusses in einem anderen Bauteil, z.B. einer anderen Induktionsanordnung, zu bewirken und/oder aufgrund einer Änderung eines geführten magnetischen Flusses die Induktion eines elektrischen Stroms bzw. einer elektrische Spannung, insbesondere mittels einer Spulenanordnung, zu ermöglichen.
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Eine magnetische Wechselwirkung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Kraftwirkung zwischen einer ersten und einer zweiten Induktionsanordnung, insbesondere ein Anziehen oder ein Abstoßen. Eine magnetische Wechselwirkung kann auch eine Beeinflussung der von der ersten und zweiten Induktionsanordnung geführten magnetischen Flüsse beinhalten. Beispielsweise kann durch eine magnetische Wechselwirkung der magnetische Fluss in der ersten und/oder zweiten Induktionsanordnung erhöht oder gesenkt werden, so dass mittels einer Spulenanordnung ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung erzeugbar ist.
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Eine Polachse eines Permanentmagneten im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Nord-Süd-Achse des, insbesondere stabförmigen, Permanentmagneten, d.h. eine Achse, auf der die beiden Pole des Permanentmagneten liegen. Mit anderen Worten definiert die Polachse die Richtung, in der die Feldlinien bzw. der magnetische Fluss aus dem Permanentmagneten austreten bzw. in den Permanentmagnet eintreten.
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Die Erfindung basiert insbesondere auf dem Ansatz, die Änderung eines magnetischen Flusses in einer Induktionsanordnung mit einem Permanentmagneten durch Bewegung eines Permanentmagneten einer anderen Induktionsanordnung relativ zur Induktionsanordnung zu bewirken, wobei dabei aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten der beiden Induktionsanordnungen auftretende Kräfte durch die Wechselwirkung zwischen einem weiteren Paar von Permanentmagneten weiterer Induktionsanordnungen kompensiert werden. Beispielsweise können die Pole der Permanentmagneten in der Weise ausgerichtet sein, dass sich der Permanentmagnet einer ersten Induktionsanordnung und der Permanentmagnet einer zweiten Induktionsanordnung anziehen und der Permanentmagnet einer weiteren ersten Induktionsanordnung und der Permanentmagnet einer weiteren zweiten Induktionsanordnung abstoßen. Dadurch herrscht ein Kräftegleichgewicht zwischen einem Stator, entlang dem die ersten Induktionsanordnungen angeordnet sind, und einem Rotor, entlang dem die zweiten Induktionsanordnungen angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist der Stator dabei eine Vielzahl von ersten Induktionsanordnungen auf, und der Rotor weist eine Vielzahl von zweiten Induktionsanordnungen auf, wobei die Pole der Permanentmagnete der einzelnen Induktionsanordnungen im Wesentlichen derart senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rotors ausgerichtet sind, dass eine erste Gruppe von sich anziehenden Permanentmagneten und eine zweite Gruppe von sich abstoßenden Permanentmagneten gebildet wird. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe sind vorzugsweise gleich groß. Das somit bestehende Kräftegleichgewicht zwischen den Permanentmagneten der ersten und zweiten Gruppe ermöglicht daher eine Bewegung des Rotors bereits bei einem geringen Kraftaufwand in Bewegungsrichtung, d.h. senkrecht zur Polausrichtung der Permanentmagnete.
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Die Induktionsanordnungen weisen in bevorzugter Weise neben den Permanentmagneten jeweils ein oder mehrere Flussleitelemente auf, die dazu eingerichtet sind, den durch die Permanentmagnete bereitgestellten magnetischen Fluss zu führen. Die Flussleitelemente können z.B. durch streifenförmige Rotor- bzw. Statorzungen gebildet werden, die entlang einer Erstreckungsrichtung des Rotor bzw. Stators, etwa entlang einer Längsrichtung des Rotors oder Stators seitlich oder eines äußeren Umfangs eines kreisförmigen Rotors bzw. Stators radial, aus dem Rotor bzw. Stator hervorragen. Die ersten und zweiten Induktionsanordnungen sind dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass bei der Bewegung des Rotors die zweiten Induktionsanordnungen an den ersten Induktionsanordnungen vorbei laufen und dabei, in Abhängigkeit der Polung bzw. Ausrichtung der Permanentmagnete, mit den ersten Induktionsanordnungen Magnetkreise bilden. Durch die wechselnde Ausrichtung der Pole der Permanentmagnete kann sich dabei der magnetische Fluss in den Flussleitelementen ändern und zur Energiewandlung genutzt werden.
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Der erfindungsgemäße Generator ist besonders leicht skalierbar. Beispielsweise kann die Anzahl der Induktionsanordnungen erhöht werden, indem Rotor und Stator länger oder mit größerem Umfang ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Induktionsanordnungen auch durch Verminderung der Größe der Permanentmagnete erhöht werden, da hierdurch eine höhere Dichte an Induktionsanordnungen möglich ist. Es ist auch denkbar, unterschiedlich große Permanentmagnete einzusetzen, etwa kleine Permanentmagnete in der Nähe einer Welle des Rotors und größere Permanentmagnete in größerer Entfernung zur Welle. Zudem kann die Stärke der Änderung des von den Induktionsanordnungen geführten magnetischen Flusses leicht durch Anpassen der Stärke der Permanentmagnete eingestellt werden.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen verbesserten, insbesondere verlustärmeren, Generator.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander kombiniert werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Polachsen der Permanentmagnete der ersten und zweiten Induktionsanordnungen in der Weise ausgerichtet, dass die entlang des Stators angeordneten ersten Induktionsanordnungen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung abwechselnd eine zweite Induktionsanordnung anziehen und abstoßen. Die Pole der Permanentmagnete sind dabei in bevorzugter Weise derart ausgerichtet, dass bei einer Bewegung des Rotors die paarweisen Wechselwirkungen zwischen den Permanentmagneten alternieren, d.h. ein Permanentmagnet einer ersten Induktionsanordnung im Wechsel von Permanentmagneten von zweiten Induktionsanordnungen angezogen und abgestoßen wird. Mit anderen Worten bewirkt die Bewegung des Rotors in bevorzugter Weise, dass an einem Permanentmagnet einer ersten Induktionsanordnung Permanentmagneten von zweiten Induktionsanordnungen vorbei bewegt werden, deren Pole abwechselnd gleichsinnig (anziehend) und gegensinnig (abstoßend) mit den Polen des Permanentmagneten der ersten Induktionsanordnung ausgerichtet sind. Dadurch kann eine gleichmäßige Verteilung der zwischen den Permanentmagneten wirkenden Kräfte entlang des Rotors bzw. Stators erreicht werden. Diese Ausführungsform ist sehr flach aufbaubar.
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Beispielsweise können die Nordpole der Permanentmagnete der ersten Induktionsanordnungen entlang des Stators abwechselnd dem Rotor bzw. den zweiten Induktionsanordnungen zugewandt und vom Rotor bzw. den zweiten Induktionsanordnungen abgewandt sein, während die Nordpole der Permanentmagnete der zweiten Induktionsanordnungen entlang des Rotors dem Stator bzw. den ersten Induktionsanordnungen zugewandt sind. Ist pro Induktionsanordnung mehr als ein Permanentmagnet vorgesehen, gilt dies für Gruppen aus jeweils einem Permanentmagnet der ersten bzw. zweiten Induktionsanordnungen, die miteinander magnetisch wechselwirken können, also z.B. im gleichen Abstand zu einer Welle angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Permanentmagnet jeder ersten und/oder zweiten Induktionsanordnung, z.B. durch entsprechende Anordnung, dazu eingerichtet, den magnetischen Fluss einer zweiten bzw. ersten Induktionsanordnung, mit der die erste und/oder zweite Induktionsanordnung magnetisch wechselwirkt, in die erste und/oder zweite Induktionsanordnung einzukoppein. Die Permanentmagnete können zu diesem Zweck beispielsweise derart angeordnet sein, dass der magnetische Fluss durch die Permanentmagnete aus den ersten und/oder zweiten Induktionsanordnungen aus- bzw. in die Induktionsanordnungen eintritt. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete dabei an den Enden der Flussleitelemente, insbesondere der Rotor- und/oder Statorzungen, angeordnet. Zudem ist der magnetische Fluss besonders zuverlässig durch die Induktionsanordnungen bzw. Flussleitelemente führbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen der Rotor und der Stator eine Längsachse auf. Vorzugsweise ist der Rotor dabei in der Weise beweglich gelagert, dass seine Bewegungsrichtung entlang der Längsachse verläuft, wobei der Rotor und der Stator in bevorzugter Weise länglich ausgeführt bzw. die ersten und zweiten Induktionsanordnungen jeweils entlang der Längsachse angeordnet sind. Der Rotor kann dabei an zwei bezüglich der Längsachse einander gegenüber liegenden Enden beweglich gelagert sein, beispielsweise mittels einem oder mehreren Federelementen oder einer Exzenteranordnung, die eine oszillatorische, insbesondere kolbenartige, Bewegung des Rotors entlang der Längsachse ermöglichen bzw. ermöglicht. Dadurch kann es leichter sein, den Generator z.B. in einem Fahrzeug anzuordnen. Insbesondere kann durch die längliche Form Bauraum besser genutzt werden als durch Generatoren mit kreisförmigem Rotor bzw. Stator.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Stator eine erste Mehrzahl von ersten Induktionsanordnungen und der Rotor eine von der ersten Mehrzahl unterschiedliche zweite Mehrzahl von zweiten Induktionsanordnungen auf. Dadurch kann sichergestellt werden, dass unabhängig von der Stellung des Rotors immer allen ersten Induktionsanordnungen eine zweite Induktionsanordnung zugeordnet, d.h. jede erste Induktionsanordnung mit einer zweiten Induktionsanordnung in Deckung gebracht, werden kann oder andersherum.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor gegenüber dem Stator mittels wenigstens eines Federelements in der Weise beweglich gelagert, dass der Rotor eine oszillatorische Bewegung ausführen kann. Bei der Oszillation des Rotors können die zweiten Induktionseinrichtungen dann periodisch, abhängig von der Oszillationsamplitude des Rotors, an einer vorgegebenen Anzahl von ersten Induktionsanordnungen, zumindest aber einer ersten Induktionsanordnung, vorbei bewegt werden, um eine Änderung des von den Induktionsanordnungen geführten magnetischen Flusses zu ermöglichen. Dadurch kann der Rotor passiv, etwa durch im Fahrzeug unvermeidbare Vibrationen, bewegt werden. Auf diese Weise kann z.B. zusätzliche elektrische Energie im Fahrzeug erzeugt werden, wobei die Vibrationen gegebenenfalls gleichzeitig dämpfbar sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der Rotor und der Stator in einem Kreissektor entlang eines Kreisbogens. Mit anderen Worten sind der Rotor und Stator abschnittsweise kreisförmig ausgebildet. Der Rotor ist dabei vorzugsweise mittels einem oder mehreren Federelementen in der Weise beweglich gelagert, dass er entlang des Kreisbogens oszillieren kann. Auch durch diese Ausbildung des Rotors und des Stators kann vorteilhaft hinsichtlich des benötigten Bauraums insbesondere im Fahrzeug sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere weitere Statoren und ein oder mehrere weiteren Rotoren vorgesehen, wobei die Rotoren gegenüber den Statoren auf einer gemeinsamen Welle beweglich gelagert sind. Die Rotoren und die Statoren sind dabei vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von Induktionsanordnungen vorzusehen und damit die mit dem Generator erzeugbare Leistung zu erhöhen, ohne dass ein Rotor bzw. Stator dazu vergrößert werden muss. Durch die Anordnung von mehreren Rotoren auf einer gemeinsamen Welle und mehreren entsprechenden Statoren kann der Generator kompakt gehalten und somit leicht und bauraumsparend eingesetzt, etwa in ein Fahrzeug integriert, werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rotoren auf der gemeinsamen Welle, insbesondere in der Bewegungsrichtung, relativ zueinander verkippt, z.B. um einen vorgegebenen Winkel. Mit anderen Worten weisen die Rotoren zueinander einen Versatz auf, so dass bei einer Rotation der Welle bzw. Rotoren vorzugsweise immer nur die Permanentmagnete der zweiten Induktionsanordnungen genau eines Rotors mit den Permanentmagneten der ersten Induktionsanordnungen des korrespondierenden Stators in Deckung kommen können, d.h. den Permanentmagneten der ersten Induktionsanordnungen des korrespondierenden Stators direkt gegenüberliegen. Dabei hängt der vorgegebene Winkel bzw. der Versatz von der Anzahl der Statoren bzw. Rotoren ab. In bevorzugter Weise korrespondiert der vorgegebene Winkel bzw. der Versatz mit dem n-ten Teil des Abstands zwischen den ersten und/oder zweiten Induktionsanordnungen der Statoren bzw. Rotoren, wobei n die Anzahl der Statoren bzw. Rotoren auf der gemeinsamen Welle ist. Die zur Rotation der Welle bzw. Rotoren erforderlichen Kräfte können auf diese Weise weiter reduziert werden. Insbesondere können große Änderungen des magnetischen Flusses bereits bei geringem Kraftaufwand zur Bewegung des Rotors bewirkt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors;
- 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators in einer Seitenansicht;
- 3 bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen ersten und zweiten Induktionsanordnung;
- 4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators; und
- 5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 3, der drehbar um eine senkrecht zur Figurenebene verlaufende Welle 13 entlang einer Bewegungsrichtung B gelagert ist. Der Rotor 3 ist kreisförmig ausgebildet und weist entlang seines Umfangs im Wesentlichen regelmäßig angeordnete, d.h. im Wesentlichen gleichmäßig beabstandete, zweite Induktionseinrichtungen 30 auf.
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Dabei sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei der zweiten Induktionseinrichtungen 30 mit Bezugszeichen versehen.
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Die zweiten Induktionsvorrichtungen 30 sind im gezeigten Beispiel als Rotorzungen ausgebildet, die sich radial bezüglich der Welle 13 erstrecken, insbesondere aus dem Rotor 3 hervorragen. Alternativ können die zweiten Induktionseinrichtungen 30 auch in den Rotor 3 eingebettet sein (nicht gezeigt), wobei der Rotor 3 in diesem Fall vorzugsweise aus einem Material mit einer Permeabilität kleiner oder gleich eins gefertigt ist. Teile der Induktionseinrichtungen 30 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material, vorzugsweise Ferrit, gefertigt, so dass die zweiten Induktionsvorrichtungen 30 einen magnetischen Fluss führen können, welcher von Permanentmagneten der Induktionseinrichtungen 30 (siehe 3) bereitgestellt wird. Ferrit hat, z.B. gegenüber Eisen, den Vorteil, dass Wirbelströme minimiert werden.
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Der Rotor 3 kann bezüglich des Luftwiederstands optimiert ausgelegt sein, um Luftreibung und Verwirbelungen zu vermeiden.
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Analog zum gezeigten Rotor 3 kann auch ein Stator ausgebildet sein.
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2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators 1 mit einem Stator 2 und einem gegenüber dem Stator 2 beweglich gelagerten Rotor 3 in einer Seitenansicht. Der Stator 2 und der Rotor 3 sind beide kreisförmig ausgebildet, wobei der Rotor 3 auf einer Welle 13 sitzt, über die er gegenüber dem Stator 2 in Rotation versetzt werden kann.
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Der Stator 2 weist eine Mehrzahl von ersten Induktionseinrichtungen 20 auf, die entlang des Umfangs des Stators 2 angeordnet sind. Analog dazu weist auch der Rotor 3 eine Mehrzahl von zweiten Induktionseinrichtungen 30 auf, die entlang des Umfangs des Rotors 3 angeordnet sind.
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Die ersten und/oder die zweiten Induktionsanordnungen 20, 30 weisen jeweils wenigstens einen Permanentmagneten (siehe 3) auf, der einen magnetischen Fluss bereitstellt. Sowohl die ersten als auch die zweiten Induktionsanordnungen 20, 30 sind dazu eingerichtet, den von den Permanentmagneten bereitgestellten magnetischen Fluss zu führen.
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Dadurch, dass der Rotor 3 bezüglich der Welle 13 vorzugsweise koaxial mit dem Stator 2 angeordnet ist, so dass die zweiten Induktionsanordnungen 30 bei Bewegung des Rotors 3 an den ersten Induktionsanordnungen 20 in einem Abstand d vorbei laufen bzw. zumindest kurzzeitig in Deckung gebracht werden, kann der magnetische Fluss in den ersten Induktionsanordnungen 20 durch die Permanentmagnete der zweiten Induktionsanordnungen 30 beeinflusst werden. Analog kann der magnetische Fluss in den zweiten Induktionsanordnungen 30 durch die Permanentmagnete der ersten Induktionsanordnungen 20 beeinflusst werden. Insbesondere ist durch das Vorbeibewegen der zweiten Induktionsanordnungen 30 an den ersten Induktionsanordnungen 20 eine regelmäßige Fluktuation des magnetischen Flusses in den Induktionsanordnungen 20, 30 realisierbar. Die Änderung der magnetischen Flüsse in den Induktionsanordnungen 20, 30 kann zur Induktion eines elektrischen Stromes bzw. einer elektrischen Spannung in den ersten und/oder zweiten Induktionsanordnungen 20, 30 zugeordneten Spulenanordnungen 4 (siehe 3) genutzt werden.
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3 zeigt bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen ersten Induktionsanordnung 20 eines Stators 2 und einer erfindungsgemäßen zweiten Induktionsanordnung 30 eines dem Stator 2 gegenüberliegenden Rotors 3. Sowohl die erste als auch die zweite Induktionsanordnung 20, 30 weist jeweils ein Flussleitelement 22, 32 sowie zwei Permanentmagnete 21, 31 auf, die an einander gegenüberliegenden Enden der Flussleitelemente 22, 32 angeordnet sind. Die Flussleitelemente 22, 32 sind dabei dazu eingerichtet, einen von den Permanentmagneten 21, 31 bereitgestellten magnetischen Fluss zu führen, insbesondere durch eine den Induktionsanordnungen 20, 30 jeweils zugeordnete Spulenanordnung 4, wobei z.B. die Spulenanordnung 4 des Rotors 3 optional ist. Über den von den Permanentmagneten 21, 31 bereitgestellten magnetischen Fluss können die erste und zweite Induktionsanordnung 20, 30 zudem miteinander magnetisch Wechselwirken.
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Alternativ ist es auch denkbar, anstelle der gezeigten Kombination aus zwei Permanentmagneten 21, 31 und einem Flussleitelement 22, 32 jeweils einen hufeisenartigen Permanentmagneten vorzusehen.
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Die Pole N, S der Permanentmagnete 21, 31 liegen auf Polachsen P der Permanentmagnete 21, 31 und sind im in 3A gezeigten Beispiel in der Weise ausgerichtet, dass die erste Induktionsanordnung 20 mit der zweiten Induktionsanordnung 30 gemeinsam einen Magnetkreis bildet. Dabei verlaufen die Polachsen P insbesondere senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Rotors 3 senkrecht zur Figurenebene, so dass die Pole N, S jeweils eines Permanentmagnetenpaars 21, 31 gleichsinnig ausgerichtet sind. Mit anderen Worten ist dem Nordpol N eines Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 ein Südpol S eines korrespondierenden, d.h. gegenüberliegenden, Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 zugewandt bzw. dem Südpol S eines Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 ist ein Nordpol N eines korrespondierenden, d.h. gegenüberliegenden, Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 zugewandt.
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Dadurch kann der von den Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 bereitgestellte magnetische Fluss über den Spalt zwischen den Permanentmagnetenpaaren 21, 31 in die zweite Induktionsanordnung 30 eintreten und den von den Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 bereitgestellten magnetischen Fluss verstärken. Analog dazu kann der von den Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 bereitgestellte magnetische Fluss über den Spalt zwischen den Permanentmagnetenpaaren 21, 31 in die erste Induktionsanordnung 20 eintreten und den von den Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 bereitgestellten magnetischen Fluss verstärken.
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Bewegt sich die zweite Induktionsanordnung 30 aufgrund der Bewegung des Rotors 3 senkrecht zu den Polachsen P an der ersten Induktionsanordnung 20 in einem Abstand d vorbei, kommt es daher zu einer Änderung des magnetischen Flusses in den Spulenanordnungen 4, wodurch ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung induziert wird.
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Zusätzlich zur vorangehend beschriebenen Einkopplung des magnetischen Flusses in die erste und zweite Induktionsanordnung 20, 30 bewirken die Permanentmagnete 21, 31 der ersten und zweiten Induktionsanordnung 20, 30 auch eine Anziehungskraft zwischen Stator 2 und Rotor 3, welche die Bewegung des Rotors 3 beeinträchtigt.
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Um diese Anziehungskraft zu kompensieren, weisen der Stator 2 und der Rotor 3 jeweils wenigstens eine weitere erste bzw. zweite Induktionsanordnung 20, 30 auf, die in 3B gezeigt ist. Hierbei sind die Pole N, S der jeweils miteinander korrespondierenden, d.h. gegenüberliegenden, Permanentmagnete 21, 31 gegensinnig ausgerichtet, so dass die erste und zweite Induktionsanordnung 20, 30 zwei getrennte Magnetkreise bilden. Mit anderen Worten ist dem Nordpol N eines Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 ein Nordpol N eines korrespondierenden, d.h. gegenüberliegenden, Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 zugewandt bzw. dem Südpol S eines Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 ist ein Südpol S eines korrespondierenden, d.h. gegenüberliegenden, Permanentmagneten 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 zugewandt.
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Dadurch kann der von den Permanentmagneten 21 der ersten Induktionsanordnung 20 bereitgestellte magnetische Fluss nicht über den Spalt zwischen den Permanentmagnetenpaaren 21, 31 in die zweite Induktionsanordnung 30 eintreten und andersherum. Zudem bewirkt die gegensinnige Ausrichtung der Pole N, S der Permanentmagnete 21, 31 eine abstoßende Kraft zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2, welche die durch die in 3A gezeigte Ausrichtung der Pole N, S der Permanentmagnete 21, 31 bewirkte Anziehungskraft gerade kompensiert. Um den Rotor 3 in Bewegung zu setzen ist daher nur ein geringer Kraftaufwand erforderlich.
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Der mit der in 3A gezeigten Rotorstellung korrespondierende magnetische Fluss durch die Spulenanordnungen 4 ist dabei maximal, während der mit der in 3B gezeigten Rotorstellung korrespondierende magnetische Fluss durch die Spulenanordnungen 4 minimal ist. Zwischen diesen beiden Stellungen, wenn den ersten Induktionsanordnungen 20 keine zweite Induktionsanordnung 30 direkt gegenüberliegt, liegt der magnetische Fluss durch die Spulenanordnungen 4 dazwischen.
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4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators 1, bei welcher ein Stator 2 und ein Rotor 3 eine Längsachse L aufweisen und der Rotor 3 gegenüber dem Stator 2 in der Weise beweglich gelagert ist, dass eine Bewegungsrichtung B des Rotors 3 entlang der Längsachse L verläuft. Bei dieser Bewegung des Rotors 3 werden zweite Induktionsanordnungen 30 des Rotors 3 an ersten Induktionsanordnungen 20 des Stators 2 vorzugsweise oszillatorisch vorbei bewegt, und eine dadurch bewirkte Änderung eines von den Induktionsanordnungen 20, 30 geführten magnetischen Flusses zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bzw. einer elektrische Spannung genutzt. Die Induktionsanordnungen 20, 30 weisen dabei Permanentmagnete 21, 31 auf, deren Pole N, S senkrecht zur Längsachse L ausgerichtet sind. Dabei können die Pole N, S der Permanentmagente 21 der ersten Induktionsanordnungen 20 entlang der Längsachse L alternierend ausgerichtet sein, während die Pole N, S der Permanentmagente 31 der zweiten Induktionsanordnungen 30 entlang der Längsachse L gleichsinnig ausgerichtet sind, so dass sich erste und zweite Induktionsanordnungen 20, 30 abwechselnd anziehen und abstoßen.
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4A zeigt diese Ausführungsform in einer Seitenansicht. Im gezeigten Beispiel ist der Rotor 3 an zwei bezüglich der Längsachse L einander gegenüberliegenden Enden vorgesehenen Federelementen 6 gegenüber dem Stator 2 beweglich gelagert. Aufgrund der Massenträgheit des Rotors 3 können so z.B. Vibrationen des Stators 2 in eine Bewegung des Rotors 3 relativ zum Stator umgesetzt werden. Dabei sollte der Federweg der Federelemente 6 ausreichen, um wenigstens eine zweite Induktionsanordnung 30 abhängig von der Stellung des Rotors 3 mit einer von zwei benachbarten ersten Induktionsanordnungen 20 in Deckung zu bringen.
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Um dabei eine kontrollierte Bewegung des Rotors 3 sicherzustellen, kann auch eine Lagereinrichtung 5 zur Führung des Rotors 3 vorgesehen sein. Dabei kann es zweckmäßig sein, dass der Rotor 3 bezüglich der Längsachse L länger ausgebildet ist als der Stator 2 und im Vergleich zu der Anzahl der ersten Induktionsanordnungen 20 eine größere Anzahl an zweiten Induktionsanordnungen 30 aufweist, damit unabhängig von der Stellung des Rotors 2 immer allen ersten Induktionsanordnungen 20 eine zweite Induktionsanordnung 30 zugeordnet werden kann.
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4B zeigt einen Querschnitt I-I durch den Generator 1. Wie hierbei zu erkennen ist, ist der Stator 2 hufeisenförmig ausgebildet, so dass er den Rotor 3 zumindest teilweise umgreift bzw. einfasst. Die ersten Induktionsanordnungen 20 des Stators 2 weisen dabei jeweils zwei Permanentmagnete 21 auf, deren Pole N, S entlang einer gemeinsamen Polachse P senkrecht zur Bewegungsrichtung B ausgerichtet und die über ein Flussleitelement 22 miteinander verbunden sind. Der im gezeigten Querschnitt I-I dargestellten ersten Induktionsanordnung 20 liegt zwischen ihren Permanentmagneten 21 dabei eine zweite Induktionsanordnung 30 gegenüber, die zwei über ein Flussleitelement 32 verbundene Permanentmagnete 31 aufweist, deren Pole N,S ebenfalls entlang der Polachse P ausgerichtet sind, und zwar gleichsinnig mit den Polen N, S der Permanentmagnete 21 der ersten Induktionsanordnung 20, so dass sich eine Anziehung zwischen der gezeigten ersten und zweiten Induktionsanordnung 20, 30 ergibt.
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4C zeigt einen Querschnitt II-II durch den Generator 1. Hierbei liegt einer ersten Induktionsanordnung 20 zwischen ihren Permanentmagneten 21 eine zweite Induktionsanordnung 30 gegenüber, wobei die Pole N, S der Permanentmagnete 31 der zweiten Induktionsanordnung 30 gegensinnig mit den Polen N, S der Permanentmagnete 21 der ersten Induktionsanordnung 20 ausgerichtet sind, so dass sich eine Abstoßung zwischen der gezeigten ersten und zweiten Induktionsanordnung 20, 30 ergibt. Über die Länge des Stators 2 bzw. Rotors 3 entlang der Längsachse L heben sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Permanentmagneten 21, 31 der Induktionsanordnungen 20, 30 zumindest im Wesentlichen auf.
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5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators 1, bei welcher sich ein Stator 2 und ein Rotor 3 in einem Kreissektor entlang eines Kreisbogens erstrecken. Der Rotor 3 ist dabei gegenüber dem Stator 2 mittels zwei Federelementen 6 in der Weise beweglich gelagert, dass der Rotor eine oszillatorische Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung B ausführen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Spulenanordnung
- 5
- Lagereinrichtung
- 6
- Federelement
- 13
- Welle
- 20
- erste Induktionsanordnung
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- Flussleitelement
- 30
- zweite Induktionsanordnung
- 31
- Permanentmagnet
- 32
- Flussleitelement
- B
- Bewegungsrichtung
- P
- Polachse
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
- L
- Längsachse
- d
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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