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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Windkraftgenerator oder eine Windturbine ist konfiguriert für die Erzeugung von Strom durch Nutzung der Rotation eines Windrotors oder Windrads. Der Windrotor kann unterteilt werden in einen Typ mit horizontaler Achse und einen Typ mit vertikaler Achse. Die offengelegte japanische Patentanmeldungspublikation Nr. 2020-051288 beschreibt zum Beispiel einen Windkraftgenerator, der mit einem Darrieus-Rotor arbeitet. Der Darrieus-Rotor hat eine vertikale Rotationsachse und hat den Vorteil, dass er eine hohe Stromleistung erbringt.
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Bei dem Windgenerator soll ein zum Starten der Drehung des Windrotors benötigtes Drehmoment verringert werden. Speziell der vorstehend beschriebene Darrieus-Windrotor benötigt ein hohes Drehmoment zum Starten der Drehung. Die Startleistung wird dadurch schlechter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windkraftgenerator bereitzustellen, bei dem sich die Startleistung verbessern lässt.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Ein Windkraftgenerator gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Windrotor, eine Flüssigkeitskupplung und eine elektrische Drehmaschine. Der Windrotor ist drehbar angeordnet. Die Flüssigkeitskupplung hat einen Impeller zur Aufnahme eines Drehmoments, das von dem Windrotor in ihn eingeleitet wird, und eine Turbine zur Aufnahme des Drehmoments, das über eine Hydraulikflüssigkeit von dem Impeller auf sie übertragen wird. Die elektrische Drehmaschine ist so konfiguriert, dass sie durch das Drehmoment, das von der Turbine auf sie übertragen wird, Strom erzeugen kann.
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Bei dieser Konfiguration ist der Windrotor mit dem Impeller der Flüssigkeitskupplung verbunden, weshalb ein Drehmoment zum Starten der Drehung des Windrotors gering sein kann. Infolgedessen lässt sich die Startleistung des Windgenerators verbessern.
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Vorzugsweise hat die Flüssigkeitskupplung einen ersten Stator, der zwischen dem Impeller und der Turbine angeordnet ist.
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Vorzugsweise hat die Flüssigkeitskupplung eine Eingangswelle, die sich von dem Windrotor nach unten erstreckt. Die Eingangswelle ist mit dem Impeller verbunden und durchgreift dabei die Turbine. Der Impeller ist unter der Turbine angeordnet.
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Vorzugsweise hat die Flüssigkeitskupplung eine Abdeckung, die an der Turbine befestigt ist. Die Abdeckung bildet unter Zusammenwirken mit der Turbine eine Außenschale der Flüssigkeitskupplung. Die Abdeckung gibt das von der Turbine in sie eingeleitete Drehmoment an die elektrische Drehmaschine ab.
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Vorzugsweise ist der Impeller unter der Turbine angeordnet. Die Abdeckung ist unter dem Impeller und der Impeller in der Außenschale angeordnet.
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Vorzugsweise hat die Flüssigkeitskupplung eine Kupplung. Die Kupplung ist an dem Impeller befestigt. Sie ist konfiguriert für die Übertragung des von dem Impeller in sie eingeleiteten Drehmoments auf die Abdeckung.
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Vorzugsweise entspricht die Kupplung einem Zentrifugaltyp.
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Vorzugsweise hat der Windkraftgenerator ferner ein erstes Getriebe. Das erste Getriebe ist konfiguriert für eine Änderung einer Drehzahl, die von dem Windrotor in das erste Getriebe eingeleitet wird, und für die Übertragung der Drehung mit geänderter Drehzahl auf die Flüssigkeitskupplung.
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Vorzugsweise ist das erste Getriebe konfiguriert für eine Reduzierung der Drehzahl, die von dem Windrotor in das erste Getriebe eingeleitet wird, und für die Übertragung der Drehung mit reduzierter Drehzahl auf die Flüssigkeitskupplung.
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Vorzugsweise hat der Windkraftgenerator ferner ein zweites Getriebe. Das zweite Getriebe ist konfiguriert für eine Änderung der Drehzahl, die von der Flüssigkeitskupplung in das zweite Getriebe eingeleitet wird, und für die Übertragung der Drehung mit geänderter Drehzahl auf die elektrische Drehmaschine.
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Vorzugsweise entspricht der Windrotor dem Auftriebstyp mit vertikaler Achse.
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Insgesamt lässt sich die Startleistung des Windkraftgenerators erfindungsgemäß verbessern.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Windkraftgenerator in einer schematischen Schnittansicht;
- 2 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Relation zwischen einer Drehgeschwindigkeit eines Windrotors und einem Lastmoment bei Drehung;
- 3 zeigt eine Modifikation des Windkraftgenerators in einer schematischen Schnittansicht;
- 4 zeigt eine weitere Modifikation des Windkraftgenerators in einer schematischen Schnittansicht.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Windkraftgenerator oder eine Windturbine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei sollte beachtet werden, dass sich der Begriff „axiale Richtung“ auf eine Erstreckungsrichtung einer Drehachse 0 eines Drehmomentwandlers bezieht. Der Begriff „radiale Richtung“ hingegen bezieht sich auf eine radiale Richtung eines gedachten Kreises um die Drehachse O.
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[Windkraftgenerator]
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Wie 1 zeigt, umfasst ein Windkraftgenerator bzw. eine Windturbine 100 einen Windrotor bzw. ein Windrad 2, einen Drehmomentwandler 3 (beispielhafte Flüssigkeitskupplung) und eine elektrische Drehmaschine 4. Außerdem hat der Windkraftgenerator 100 ein erstes Gehäuse 5 und weist ein rohrförmiges Element 6 auf.
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[Windrotor]
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Der Windrotor 2 ist drehbar angeordnet. Der Windrotor 2 hat eine Drehachse, die koaxial zur Drehachse O des Drehmomentwandlers 3 angeordnet ist. Die Drehachse des Windrotors 2 erstreckt sich in einer vertikalen Richtung. Mit anderen Worten entspricht der Windrotor 2 dem Typ eines Vertikalachsers.
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Der Windrotor 2 hat einen Stützkörper 21 und eine Mehrzahl von Flügeln 22. Der Stützkörper 21 stützt die Mehrzahl an Flügeln 22. Der Stützkörper 21 ist stabförmig und erstreckt sich koaxial zur Achse O.
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Die mehrzähligen Flügel 22 sind durch den Stützkörper 21 gestützt. Die Flügel 22 entsprechen dem Auftriebstyp. Mit anderen Worten entspricht der Windrotor 2 gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform dem Auftriebstyp mit vertikaler Achse, wobei anzumerken ist, dass es sich bei dem Windrotor 2 gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform um einen Darrieus-Typ handelt.
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[Gehäuse und rohrförmiges Element]
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Das erste Gehäuse 5 ist unter dem Windrotor 2 angeordnet. Das erste Gehäuse 5 nimmt den Drehmomentwandler 3 auf. Das erste Gehäuse 5 hat eine obere Platte 52, die mit einer Durchgriffsöffnung 51 versehen ist.
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Das rohrförmige Element 6 ist in dem ersten Gehäuse 5 angeordnet. Das rohrförmige Element 6 erstreckt sich von der oberen Platte 52 des ersten Gehäuses 5 nach unten. Das rohrförmige Element 6 ist nicht drehbar angeordnet. Das rohrförmige Element 6 hat eine zylindrische Form. Der Innenraum des rohrförmigen Elements 6 steht mit der Durchgriffsöffnung 51 in Verbindung. Das rohrförmige Element 6 durchgreift eine (noch zu beschreibende) Turbinennabe 333.
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[Drehmomentwandler]
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Der Drehmomentwandler 3 ist unter dem Windrotor 2 angeordnet. Der Drehmomentwandler 3 ist zwischen den Windrotor 2 und die elektrische Drehmaschine 4 geschaltet. Der Drehmomentwandler 3 ist in dem ersten Gehäuse 5 angeordnet.
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Der Drehmomentwandler 3 ist ausgebildet zum Verstärken eines von dem Windrotor 2 abgegebenen Drehmoments 2 und zum Abgeben des verstärkten Drehmoments an die elektrische Drehmaschine 4. Der Drehmomentwandler 3 ist drehbar angeordnet. Die Drehachse O des Drehmomentwandlers 3 erstreckt sich in vertikaler Richtung. Der Drehmomentwandler 3 hat eine Eingangswelle 31, einen Impeller 32, eine Turbine 33, einen ersten Stator 34, eine Abdeckung 35, eine Kupplung 36 und eine Ausgangswelle 37.
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Die Eingangswelle 31 erstreckt sich von dem Windrotor 2 nach unten. Es sollte beachtet werden, dass die Eingangswelle 31 als einteiliges Element mit dem Stützkörper 21 der Windturbine 2 vorgesehen sein kann. Die Eingangswelle 31 ist ein Element, in welches das von dem Windrotor 2 abgegebene Drehmoment eingeleitet wird. Die Eingangswelle 31 erstreckt sich so, dass sie die Turbine 33 durchgreift. Im Detail durchgreift die Eingangswelle 31 die Durchgriffsöffnung 51 des ersten Gehäuses 5 und erstreckt sich in dem rohrförmigen Element 6. Außerdem ist die Eingangswelle 31 mit dem Impeller 32 verbunden.
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Der Impeller 32 ist ein Element, in welches das von dem Windrotor 2 abgegebene Drehmoment eingeleitet wird. Im Detail ist der Impeller 32 ein Element, in welches das von dem Windrotor 2 abgegebene Drehmoment über die Eingangswelle 31 eingeleitet wird. Der Impeller 32 ist an der Eingangswelle 31 befestigt. Der Impeller 32 wird als Einheit mit der Eingangswelle 31 gedreht. Der Impeller 32 ist unter der Turbine 33 angeordnet.
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Der Impeller 32 hat eine Impellerschale 321 und eine Mehrzahl von Impellerschaufeln 322. Die mehrzähligen Impellerschaufeln 322 sind an der Innenfläche der Impellerschale 321 befestigt.
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Die Impellerschale 321 ist an der Eingangswelle 31 befestigt. Zum Beispiel kann die Eingangswelle 31 durch eine Keilverbindung oder alternativ durch eine Schweißverbindung etc. an der Impellerschale 321 befestigt sein.
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Die Turbine 33 ist dem Impeller 32 gegenüberliegend angeordnet. Im Detail liegt die Turbine 33 dem Impeller 32 axial gegenüber. Die Turbine 33 ist über dem Impeller 32 angeordnet. Die Turbine 33 ist ein Element, in welches das Drehmoment von dem Impeller 32 über eine Hydraulikflüssigkeit (z.B. Hydrauliköl) eingeleitet wird.
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Die Turbine 33 hat einen Turbinenmantel 331, eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 332 und eine Turbinennabe 333. Die mehrzähligen Turbinenschaufeln 332 sind an der Innenfläche des Turbinenmantels 331 befestigt.
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Die Turbinennabe 333 ist an dem inneren Umfangsende des Turbinenmantels 331 befestigt. Zum Beispiel ist die Turbinennabe 333 mit wenigstens einem Niet an dem Turbinenmantel 331 befestigt. Die Turbinennabe 333 kann als unterschiedliches, von dem Turbinenmantel 331 getrenntes Element vorgesehen sein oder alternativ als ein mit dem Turbinenmantel 331 einteiliges Element.
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Die Turbinennabe 331 kann über ein Lager usw. durch das rohrförmige Element 6 gestützt sein.
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Der erste Stator 34 ist derart konfiguriert, dass dieser den Hydraulikölfluss reguliert, der von der Turbine 33 zu dem Impeller 32 zurückkehrt. Der erste Stator 34 kann sich um die Drehachse O drehen. Zum Beispiel ist der erste Stator 34 über eine Einwegkupplung 101 durch das rohrförmige Element 6 getragen. Der erste Stator 34 ist axial zwischen den Impeller 32 und die Turbine 33 geschaltet.
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Die Abdeckung 35 ist an der Turbine 33 befestigt und wird als Einheit mit der Turbine gedreht. Die Abdeckung 35 gibt das von der Turbine 33 in sie eingeleitete Drehmoment an die elektrische Drehmaschine 4 ab.
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Die Abdeckung 35 ist unter dem Impeller 32 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Turbine 33, der Impeller 32 und die Abdeckung 35 in dieser Reihenfolge von oben her angeordnet. Es sollte beachtet werden, dass der erste Stator 34 zwischen der Turbine 33 und dem Impeller 32 angeordnet ist. Außerdem ist die Kupplung 36 zwischen dem Impeller 32 und der Abdeckung 35 angeordnet.
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Die Abdeckung 35 bildet zusammenwirkend mit der Turbine 33 eine Außenschale des Drehmomentwandlers 3. Der Impeller 32 ist in der sich aus der Abdeckung 35 und der Turbine 33 zusammensetzenden Außenschale angeordnet.
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Die Außenschale, die sich aus der Abdeckung 35 und der Turbine 33 zusammensetzt, ist nicht mit einer nach unten weisenden Öffnung versehen. Dadurch lässt sich verhindern, dass Hydraulikflüssigkeit, die in das Innere der Außenschale geleitet wird, nach unten austritt.
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Die Kupplung 36 ist an dem Impeller 32 befestigt und wird als Einheit mit dem Impeller gedreht. Die Kupplung 36 ist ausgebildet zum Übertragen des Drehmoments, das von dem Impeller 32 in sie eingeleitet wird, auf die Abdeckung 35. Im Detail überträgt die Kupplung 36 das von dem Impeller 32 in sie eingeleitete Drehmoment auf die Abdeckung 35, wenn die Drehzahl des Impellers 32 einen vorgegebenen Wert oder höher erreicht. Dagegen blockiert die Kupplung 36 die Übertragung des Drehmoments von dem Impeller 32 auf die Abdeckung 35, wenn die Drehzahl des Impellers 32 unter den vorgegebenen Wert abfällt. In diesem Fall wird das von dem Impeller 32 abgegebene Drehmoment über die Hydraulikflüssigkeit auf die Turbine 33 und die Abdeckung 35 übertragen. Es ist anzumerken, dass die Kupplung 36 zum Beispiel eine Fliehkraftkupplung ist.
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Die Ausgangswelle 37 ist konfiguriert für die Abgabe des Drehmoments, das von der Abdeckung 35 in sie eingeleitet wird, an die elektrische Drehmaschine 4. Die Ausgangswelle 37 wird als Einheit mit der Abdeckung 35 gedreht. Die Ausgangswelle 37 ist an der Abdeckung 35 befestigt. Die Ausgangswelle 37 kann zum Beispiel durch eine Keilverbindung oder alternativ durch eine Schweißverbindung usw. an der Abdeckung 35 befestigt sein.
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[Elektrische Drehmaschine]
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Die elektrische Drehmaschine 4 ist eine Komponente, auf welche das von dem Windrotor 2 abgegebene Drehmoment über den Drehmomentwandler 3 übertragen wird. Die elektrische Drehmaschine 4 ist derart ausgebildet, dass sie durch das Drehmoment, das von der Turbine 33 des Drehmomentwandlers 3 in sie eingeleitet wird, Strom erzeugen kann. Im Detail wird das Drehmoment von der Turbine 33 und der Abdeckung 35 über die Ausgangswelle 37 auf die elektrische Drehmaschine 4 übertragen.
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Die elektrische Drehmaschine 4 ist nicht nur als elektrischer Stromgenerator, sondern auch als Elektromotor nutzbar. Die elektrische Drehmaschine 4 hat ein zweites Gehäuse 41, einen zweiten Stator 42 und einen Rotor 43. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform entspricht die elektrische Drehmaschine 4 dem sogenannten Innenläufertyp.
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Das zweite Gehäuse 41 kann sich nicht drehen und ist auf der Erde, an einem Gebäude oder dergleichen fixiert. Das zweite Gehäuse 41 nimmt den zweiten Stator 42 und den Rotor 43 auf. Das zweite Gehäuse 41 kann einteilig mit dem ersten Gehäuse 5 ausgebildet sein. Zwischen dem ersten Gehäuse 5 und dem zweiten Gehäuse 41 ist eine Trennwand 7 vorgesehen, die die beiden Gehäuse 5 und 41 voneinander trennt. Die Trennwand 7 hat eine Durchgriffsöffnung 71, die von der Ausgangswelle 37 durchgriffen wird.
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Der zweite Stator 42 ist an der Innenumfangsfläche des zweiten Gehäuses 41 befestigt. Der zweite Stator 42 kann sich nicht drehen. Der zweite Stator 42 hat einen Statorkern 421 und eine Spule 422. Der Statorkern 421 ist durch Schichtung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Stahlplatten gebildet. Die Spule 422 ist um den Statorkern 421 herumgewickelt. Im Detail ist die Spule 422 um die Zähne des Statorkerns 421 herumgewickelt.
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Der Rotor 43 ist drehbar angeordnet. Es sollte beachtet werden, dass die Drehachse des Rotors 43 koaxial zur Drehachse O des Drehmomentwandlers 3 angeordnet ist. Der Rotor 43 ist radial innerhalb des zweiten Stators 42 angeordnet.
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Der Rotor 43 ist an der Ausgangswelle 37 befestigt. Der Rotor 43 wird als Einheit mit der Ausgangswelle 37 gedreht.
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[Eigenschaften]
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Bei dem Windkraftgenerator 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Windrotor 2 mit dem Impeller 32 des Drehmomentwandlers 3 gekoppelt. Wie in 2 gezeigt ist, wird dadurch zum Starten der Drehung des Windrotors nur ein geringes Drehmoment 2 benötigt. In 2 ist ein Diagramm gezeigt, das eine Relation zwischen der Drehzahl des Windrotors 2 und einem Lastmoment bei Drehung darstellt.
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[Modifikationen]
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Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann in vielfältiger Weise modifiziert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Modifikation 1
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In der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist der Windkraftgenerator 100 mit dem Drehmomentwandler 3 konfiguriert. Die Konfiguration des Windkraftgenerators 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Windkraftgenerator 100 anstelle des Drehmomentwandlers 3 eine Flüssigkeitskupplung eines Typs ohne den ersten Stator 34 aufweisen.
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Modifikation 2
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Windrotor 2 als Darrieus-Windrotor vorgesehen, ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann ein anderer Windrotor sein, der in die Kategorie der Vertikalachser fällt, die nach dem Auftriebsprinzip arbeiten. Alternativ kann der Windrotor 2 dem Typ eines Vertikalachsers entsprechen, der nach dem Luftwiderstandsprinzip arbeitet, ein Horizontalachser, der nach dem Auftriebsprinzip arbeitet, oder ein Horizontalachser, der nach dem Luftwiderstandsprinzip arbeitet.
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Modifikation 3
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Windkraftgenerator 100 mit der Kupplung 36 konfiguriert, kann jedoch alternativ keine Kupplung 36 aufweisen.
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Modifikation 4
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Wie in 3 gezeigt ist, kann der Windkraftgenerator 100 ferner ein erstes Getriebe 8 aufweisen. Das erste Getriebe 8 ist konfiguriert für eine Änderung der Drehzahl, die von dem Windrotor 2 in das Getriebe eingeleitet wird, und für die Übertragung der geänderten Drehzahl auf den Drehmomentwandler 3. Zum Beispiel reduziert das erste Getriebe 8 die Drehzahl, die von dem Windrotor 2 in das erste Getriebe eingeleitet wird, und überträgt die Drehung mit reduzierter Drehzahl auf den Drehmomentwandler 3. Dementsprechend kann der Drehmomentwandler 3 an einer Drehung mit hoher Geschwindigkeit gehindert werden. Es sollte beachtet werden, dass das erste Getriebe 8 die Drehzahl, die von dem Windrotor 2 in das erste Getriebe eingeleitet wird, erhöhen und die Drehung mit höherer Drehzahl auf den Drehmomentwandler 3 übertragen kann. Darüber hinaus oder alternativ kann das erste Getriebe 8 in dem ersten Gehäuse 5 angeordnet sein.
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Modifikation 5
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Wie 4 zeigt, kann der Windkraftgenerator 100 ferner ein zweites Getriebe 9 aufweisen. Das zweite Getriebe 9 ist in dem ersten Gehäuse 5 angeordnet, wobei beachtet werden sollte, dass das zweite Getriebe 9 auch in dem zweiten Gehäuse 41 angeordnet sein kann.
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Das zweite Getriebe 9 ist konfiguriert für eine Änderung der Drehzahl, die von dem Drehmomentwandler 3 in das zweite Getriebe eingeleitet wird, und für die Übertragung der Drehung mit geänderter Drehzahl auf die elektrische Drehmaschine 4. Zum Beispiel erhöht das zweite Getriebe 9 die Drehzahl, die von dem Drehmomentwandler 3 in das zweite Getriebe eingeleitet wird, und überträgt die Drehung mit höherer Drehzahl auf die elektrische Drehmaschine 4, wobei beachtet werden sollte, dass das zweite Getriebe 9 die Drehzahl, die von dem Drehmomentwandler 3 in das zweite Getriebe eingeleitet wird, reduzieren und die Drehung mit reduzierter Drehzahl auf die elektrische Drehmaschine 4 übertragen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Windkraftgenerator
- 2
- Windrotor
- 3
- Drehmomentwandler
- 31
- Eingangswelle
- 32
- Impeller
- 33
- Turbine
- 34
- Erster Stator
- 35
- Abdeckung
- 36
- Kupplung
- 4
- Elektrische Drehmaschine
- 8
- Erstes Getriebe
- 9
- Zweites Getriebe
