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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen flachen Drehstromgenerator
und insbesondere einen flachen Drehstromgenerator, der durch Verwendung mindestens
einer kernlosen, spiralförmig
gewickelten, ringförmigen
Spulenstruktur zum Durchtrennen von Magnetlinien, die mittels mindestens
einer koaxialen, scheibenförmigen
Polstruktur erzeugt wurden, einen Strom erzeugt, um die Größe zu reduzieren und
den Wirkungsgrad des Generators zu erhöhen.
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Beschreibung ähnlicher
Technik
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Ein
Stromgenerator ist eine Maschine, die magnetische Energie in elektrische
Energie umwandelt und im Grunde das Faraday'sche Gesetz und das Lenz'sche Gesetz einsetzt,
um die Stromerzeugung durchzuführen.
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Es
gibt ein reiches Angebot an Stromgeneratoren; jedoch werden im Allgemeinen
die Stromgeneratoren in Drehstromgenerator-Systeme und Linearstromgenerator-Systeme
klassifiziert.
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In
einem herkömmlichen
Typ Drehstromgenerator werden seine Windungen (Statoren) um einen
Kreis herum angeordnet und ein magnetischer Läufer (Rotor) wird in seiner
Mitte vorgesehen. Um den Stromgenerator zu betreiben, werden Magnetlinien
durch die Windungen in einem permeablen Material induziert, wie
z. B. ein Siliziumstahlblech oder Kern innerhalb der Windungen.
Jedoch wird dies eine anziehende Kraft zwischen dem magnetischen
Läufer
und dem permeablen Material erzeugen und daher eine Widerstandskraft
gegen die Drehung des Läufers
verursachen. Diese Widerstandskraft kann durch Verkürzen des
Abstands zwischen dem permeablen Material und dem Läufer vermindert
werden, jedoch wird in diesem Fall die Anzahl durchquerter Magnetlinien
reduziert und daher wird es keine Erhöhung der induzierten elektromotorischen
Kraft geben.
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Wie
oben beschrieben, nutzt der herkömmliche
Stromgenerator eine Drehung des magnetischen Läufers aus, um einen induzierten
Strom an der Windung des Stators zu erzeugen. Jedoch erhöht der herkömmliche
Stromgenerator mit einem Siliziumstahlblech oder einem anderen magnetisch
permeablen Kern als ein Medium für
die magnetischen Kraftlinien das Gewicht des Generators und hat
einen Wirbelstromverlust zur Folge, der im Betrieb den Drehmoment
erhöhen
kann. Des weiteren kann der Kernmagnetverlust und der Wirbelstromverlust
in dem permeablen Material auch den Wirkungsgrad zur Erzeugung des
Stroms reduzieren. Demzufolge ist der Wirkungsgrad des herkömmlichen
Generators zu gering für
den praktischen Gebrauch als ein Mini-Stromgenerator. Um die oben
erwähnten
Nachteile zu lösen
ist es notwendig, einen flachen Stromgenerator mit hohem Wirkungsgrad
zu entwickeln, der als ein Mini-Stromgenerator einsetzbar ist und
die Anforderungen für
einen leichten, dünnen,
kurzen und kleinen Stromgenerator erfüllt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
Anbetracht der obigen Probleme ist es das Ziel der Erfindung, einen
flachen Drehstromgenerator bereitzustellen, der einen Strom mittels
einer spiralförmig
gewickelten, ringförmigen
Spulenstruktur zum Durchtrennen von Magnetlinien, die mittels einer koaxialen,
drehbaren, scheibenförmigen
Magnetpolstruktur erzeugt werden, erzeugen kann.
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Zum
Erreichen des obigen Ziels wird gemäß eines Aspekts der Erfindung
ein flacher Drehstromgenerator bereitgestellt, umfassend: mindestens
eine ringförmige
Spulenstruktur zum Durchtrennen von Magnetlinien, um einen Strom
zu induzieren; mindestens eine scheibenförmige Magnetpolstruktur, welche
parallel zu der ringförmigen
Spulenstruktur ausgerichtet und auf der Seite der ringförmigen Spulenstruktur
angeordnet ist, wobei die Magnetlinien, welche durch die mindestens
eine scheibenförmige
Magnetpolstruktur erzeugt werden, durch die mindestens eine ringförmige Spulenstruktur
laufen können, wobei,
wenn die scheibenförmige
Magnetpolstruktur mittels einer externen Kraft, wie z. B. mechanischen Kraft,
hydraulischen Kraft oder Windkraft gedreht wird, die ringförmige Spule
die Magnetlinien durchtrennen kann, die durch sie hindurch laufen,
um einen induzierten Strom zu erzeugen.
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Des
weiteren besitzt der Stromgenerator gemäß eines anderen Aspekts der
Erfindung kein Siliziumstahlblech oder anderen magnetisch permeablen Kern.
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Des
weiteren umfasst der Stromgenerator gemäß eines anderen Aspekts der
Erfindung eine Vielzahl ringförmiger
Windungen und scheibenförmiger
Polstrukturen, die abwechselnd und parallel angeordnet sind.
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Des
weiteren umfasst die mindestens eine scheibenförmige Polstruktur gemäß eines
anderen Aspekts der Erfindung mindestens zwei Magnetpole, die abwechselnd
angeordnet sind, oder Paare abwechselnder Pole, die in Reihe angeordnet
sind.
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Des
weiteren können
Magnete der scheibenförmigen
Magnetpolstruktur gemäß eines
anderen Aspekts der Erfindung separate Polstrukturen umfassen, die
verbunden sind, um eine Scheibe oder eine einzige scheibenförmige Struktur
zu bilden, die magnetisiert ist, um die Pole zu bilden.
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Des
weiteren ist gemäß eines
anderen Aspekts der Erfindung die ringförmige Spulenstruktur fixiert
und die scheibenförmige
Magnetpolstruktur angeordnet sich zu drehen und die ringförmige Spulenstruktur
und die scheibenförmige
Magnetpolstruktur sind koaxial.
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Daher
kann die Erfindung die Nachteile eines herkömmlichen Drehstromgenerators
lösen,
wie z. B. den niedrigen Wirkungsgrad, hohe Kosten und die erhebliche
Größe, was
durch die Verwendung permeablen Materials in dem herkömmlichen
Generator verursacht wird.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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1 ist
eine schematische Zeichnung, welche die Struktur eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
eine schematische Zeichnung, welche die Struktur eines anderen Ausfüh- rungsbeispiels
gemäß der Erfindung
zeigt;
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3 ist
eine schematische Zeichnung, welche den Betrieb der scheibenförmigen Magnetpolstruktur
gemäß der Erfindung
zeigen;
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4 ist
eine schematische Zeichnung, welche die ebene Struktur der scheibenförmigen Magnetpolstruktur
der Erfindung zeigt;
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5(a) und 5(b) sind
schematische Zeichnungen, welche die Abschnittsansicht der scheibenförmigen Magnetpolstruktur
der Erfindung zeigen; und
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6(a) und 6(b) sind
schematische Zeichnungen, welche die Windungsstruktur der Windungsscheibe
der Erfindung zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Allgemeinen kann die induzierte elektromotorische Kraft auf dem
Faraday'schen Gesetz
basieren:
(wobei E die elektromotorische
Kraft darstellt, N die Anzahl der Windungen darstellt, ϕ den
Fluss darstellt und t die Zeit darstellt.) Da die Magnetlinien durch den
Durchtrennungswinkel des drehenden Magnetfelds variiert werden,
sind die elektromotorischen Kräfte
nicht identisch. Die regelmäßige Änderung
der elektromotorischen Kraft kann durch die Anzahl von Magnetlinien
(Φ) angegeben
werden, die durchtrennt werden, welche gegeben ist als ϕ = Φ
max*cos(ωt) (wobei ω eine rotierende
Winkelgeschwindigkeit darstellt). Daher ist die Beziehung zwischen
der elektromotorischen Kraft und der rotierenden Winkelgeschwindigkeit
gegeben durch E = N*Φ*sin(ωt)* 10
–8, und
die effektive elektromotorische Kraft gegeben durch
Erms = 4,44**N*Φ*sin(ωt)* 10–8.(wobei
f die Drehfrequenz der magnetischen, scheibenförmigen Polstruktur darstellt).
Um die Anzahl der Magnetlinien Φ zu
maximieren ist es daher notwendig den Wir kungsgrad des Leitvermögens der
Schleifen zu erhöhen,
die durch das Magnetfeld gebildet werden.
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Erfindungsgemäß verwendet
die magnetische Induktion einen Luftkern als Medium. Vorzugsweise
wird, dass mehr Magnetlinien durch den Kern laufen können, eine
scheibenförmige
Magnetpolstruktur auf jeder Seite einer ringförmigen Spulenstruktur angeordnet,
so dass die Magnetlinien von einer Magnetpolstruktur zu der anderen
Magnetpolstruktur durch die spiralförmige Spulenstruktur laufen,
um eine mehrfach scheibenförmige
Magnetpolstruktur zu bilden, obwohl der Fachmann verstehen wird,
dass auch eine einzige scheibenförmige
Polstruktur verwendet werden kann.
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Wenn
kein Kern oder Siliziumstahlblech vorgesehen ist, kann die elektromotorische
Kraft durch die Drehgeschwindigkeit und die magnetische Kraft erhalten
werden: Erms =4,44*N*Φ* 10–8
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Somit
kann die Methode der Erfindung maximalen Fluss erreichen und kann
als ein Stromgenerator in einer Vielzahl elektronischer Produkte
verwendet werden, um die Verwendung von Batterien zu vermindern
und die Verschmutzung in Verbindung mit Stromerzeugung zu reduzieren.
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Nachfolgend
wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß der Zeichnungen beschrieben
werden. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Eine
in dieser Technologie fachkundige Person kann sie ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen modifizieren oder ändern.
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1 illustriert
eine schematische Struktur eines bevorzugten Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung.
Der flache Drehstromgenerator umfasst eine ringförmige Spulenstruktur 1 und
eine koaxiale, scheibenförmige
Magnetpolstruktur 2. Die ringförmige Spulenstruktur 1 kann
eine einzige spiralförmige Windung
oder mehrere, in Reihe verbundene spiralförmige Windungen umfassen. Wenn
die ringförmige Spulenstruktur 1 fixiert
ist, ist die scheibenförmige Magnetpolstruktur 2 drehbar.
Andererseits, wenn die ringförmige
Spulenstruktur 1 drehbar ist, ist die scheibenförmige Magnetpolstruktur 2 fixiert.
Die spiralförmige
Spulenstruktur 1 wird in diesem Beispiel zum Durchtrennen
von Magnetlinien zwischen zwei scheibenförmigen Magnetpolstrukturen 2 verwendet, um den
Strom zu induzieren, obwohl stattdessen eine einzige solche Polstruktur
verwendet werden kann. Die scheibenförmige Magnetpolstruktur 2 ist
parallel zu der ringförmigen
Struktur 1 ausgerichtet und auf der Seite davon angeordnet.
Die scheibenförmige Magnetpolstruktur 2 und
die spiralförmige
Spulenstruktur 1 besitzen einen Luftkern, der keinerlei
permeables Material verwendet. Die Magnetlinien, die durch die zwei
scheibenförmigen
Magnetpolstrukturen erzeugt werden, können durch die spiralförmige Spulenstruktur
laufen. Wenn die scheibenförmigen Magnetpolstrukturen
oder die ringförmigen
Spulenstrukturen mittels externer Kraft gedreht werden, durchtrennt
die ringförmige
Spulenstruktur 1 die Magnetlinien und induziert den Strom.
Die externe Kraft kann eine Vibrationskraft, eine Schwingkraft oder
irgendeine andere Kraft umfassen, die eine relative Bewegung der
Spule und der Magnetpolstruktur oder -strukturen verursacht.
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2 illustriert
ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in dem der Stromgenerator erneut keine permeablen
Materialien besitzt, wie z. B. ein Siliziumstahlblech oder eine
andere permeable Kernstruktur, und in dem mehrere spiralförmige Spulen
und scheibenförmige
Magnetpolstrukturen abwechselnd und parallel angeordnet sind.
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3 illustriert
den Betrieb der scheibenförmigen
Magnetpolstruktur 2 gemäß der Erfindung.
Die Magnetpole zweier scheibenförmiger
Magnetpolstrukturen 2 sind in ihrer Polarität gegensätzlich,
so dass wenn sie gestoppt werden oder während ihrer Drehung, Pole entgegengesetzter
Polarität
einander gegenüberliegen.
Die ringförmige
Spulenstruktur 1 ist zwischen diesen scheibenförmigen Magnetpolstrukturen
zum Durchtrennen der Magnetlinien angeordnet. Diese Figur zeigt
nur zwei Pole an jeder scheibenförmigen
Magnetpolstruktur 2, jedoch ist die Erfindung nicht darauf
beschränkt.
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4 ist
eine Flächenansicht
eines Beispiels einer scheibenförmigen
Magnetpolstruktur 2 gemäß der Erfindung.
Jeder Magnetpol in der scheibenförmigen
Magnetpolstruktur 2 ist ein Abschnitt, der durch zwei Radien
begrenzt ist. 5(a) und 5(b) sind
Seitenansichten der 4. Die Abschnitte der scheibenförmigen Magnetpolstruktur 2 sind
in N-S Reihen angeordnet.
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6(a) und 6(b) illustrieren
die Windungsstrukturen der ringförmigen
Spulenstruktur 1 der Erfindung. 6(a) zeigt
eine kreisförmige
Windungsstruktur und 6(b) zeigt
eine nicht kreisförmige
Windungsstruktur. In beiden Fällen
können
die ein zelnen Windungen gestapelt sein oder nicht, verflochten sein
oder nicht, oder in irgendeiner geeigneten Konfiguration gewickelt
sein, um eine ringförmige Spulenstruktur
zu bilden. Diese Windungen können auf
ein Material wie z. B. Epoxydharz gewickelt sein.
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Schließlich kann
auch ein Motor durch Verwendung der Erfindung implementiert werden,
da die Theorie eines Motors ähnlich
zu der des Stromgenerators ist.
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Beispielsweise
kann in der ringförmigen Spulenstruktur
ein Strom von einer externen Quelle eingespeist werden, so dass
die ringförmige
Windung ein Magnetfeld erzeugen kann. Die scheibenförmige Magnetpolstruktur
wird dann aufgrund der abstoßenden
Kraft drehen, die durch das Magnetfeld verursacht wird.
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Obwohl
ein spezielles Ausführungsbeispiel illustriert
und beschrieben wurde, wird es für
den Fachmann offensichtlich sein, dass unterschiedliche Modifizierungen
gemacht werden können,
ohne von dem Grundgedanken abzuweichen, der nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein
soll.
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Zusammenfassung
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Ein
flacher Drehstromgenerator umfasst mindestens eine ringförmige Spulenstruktur
zum Durchtrennen von Magnetlinien, um einen Strom zu induzieren,
und mindestens eine scheibenförmige Magnetpolstruktur,
die parallel zu der spiralförmigen Spulenstruktur
ausgerichtet ist. Wenn mehrere ringförmige Spulenstrukturen und
scheibenförmige
Magnetpolstrukturen enthalten sind, sind die ringförmigen Spulenstrukturen
und scheibenförmigen
Magnetspulenstrukturen abwechselnd angeordnet. Die ringförmige Spulenstruktur
und die scheibenförmige
Magnetpolstruktur sind nicht mit einem permeablen Material versehen.
Wenn entweder die ringförmige
Spulenstruktur oder die mindestens eine scheibenförmige Magnetpolstruktur
mittels einer externen Kraft gedreht wird, durchtrennt die ringförmige Spulenstruktur
die Magnetlinien, die durch sie hindurch laufen, um einen induzierten
Strom zu erzeugen.
