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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Klauenrotor einer elektrischen Rotationsmaschine mit mindestens einer an einer Hinterkante einer Klaue ausgebildeten Fase. Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte, aber nicht ausschließliche, Anwendung im Bereich der Generatoren und reversiblen elektrischen Maschinen für Kraftfahrzeuge. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Eine reversible Maschine ermöglicht es auch, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, insbesondere um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
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In bekannter Weise umfasst ein Generator, wie er in Dokument
EP0762617 beschrieben ist, aus einem Gehäuse und einem in diesem befindlichen Klauenrotor, der direkt oder indirekt mit einer Welle drehfest verbunden ist, und einem Stator, der den Rotor mit einem Luftspalt umgibt. Am vorderen Ende der Welle ist eine Riemenscheibe befestigt.
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Der Stator umfasst einen Körper in Form eines Blechpakets, der mit Nuten versehen ist, die mit einer Nutenisolierung zur Montage der Statorwicklung ausgestattet sind. Die Wicklung umfasst eine Mehrzahl von Phasenwicklungen, die durch die Nuten des Körpers verlaufen und gemeinsam mit allen Phasenwicklungen einen vorderen Wickelkopf und einen hinteren Wickelkopf auf beiden Seiten des Statorkörpers bilden. Die Wicklungen werden z.B. aus einem mit Emaille überzogenen Endlosdraht oder aus leitfähigen Elementen in Form eines Stabes, wie beispielsweise Stiften in Form eines „U“, erhalten, deren Enden zum Beispiel durch Schweißen miteinander verbunden sind.
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Diese Phasenwicklungen sind beispielsweise dreiphasige Wicklungen, die in Form eines Sterns oder Dreiecks verschaltet sind, deren Ausgänge an mindestens ein elektronisches Gleichrichtermodul mit Gleichrichterelementen wie Dioden oder Transistoren angeschlossen sind.
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Außerdem umfasst der Rotor zwei Polräder. Jedes Rad hat einen Flansch mit Querausrichtung, der an seinem Außenumfang mit Klauen versehen ist, die z.B. trapezförmig und axial orientiert sind. Die Klauen eines Rades sind axial zum Flansch des anderen Rades ausgerichtet. Jede Klaue eines Polrades dringt in den Raum ein, der zwischen zwei benachbarten Klauen des anderen Polrades liegt, so dass die Klauen der Polräder ineinander geschachtelt sind. Ein zylindrischer Kern ist axial zwischen den Flanschen der Räder angeordnet. Dieser Kern trägt an seinem Außenumfang eine Erregerwicklung, die auf einen radial zwischen dem Kern und dieser Wicklung angeordneten Isolator gewickelt ist.
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Es ist bekannt, dass diese Art von elektrischer Maschine ein akustisches Betriebsgeräusch abgibt, das durch Vibrationen verursacht wird, die durch die vorhandenen magnetischen Kräfte erzeugt werden. Dieses Geräusch ist besonders in einem niedrigen Drehzahlbereich störend, insbesondere zwischen 1800 und 4000 Umdrehungen/Minute. Tatsächlich überdeckt darüber hinaus das Lüftergeräusch des Ventilators das magnetische Betriebsgeräusch, so dass es nicht mehr notwendig ist, letzteres zu reduzieren.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe die magnetischen Betriebsgeräusche effektiv zu minimieren, in dem ein Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen wird, umfassend:
- - zumindest ein Polrad aufweisend eine Mehrzahl an Klauen,
- - jede Klaue umfasst eine Vorderkante und eine Hinterkante, die sich zwischen einer Basis und einem freien Ende der entsprechenden Klaue erstrecken,
- - der besagte Rotor ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Klaue eine Fase an einer Hinterkante umfasst, und dass in einem Betriebsdrehzahlbereich ein Verhältnis einer maximalen Breite der besagten Fase zu einer Polteilung zwischen 0,16 und 0,37 liegt.
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Durch die Ausbildung einer solchen Fasenkonfiguration an der Hinterkante wird die Ausdehnung des Luftspalts lokal so vergrößert, dass die magnetischen Kräfte und damit die Geräuschentwicklung in deutlicher Weise reduziert werden. Diese Verringerung des Betriebsgeräusches wird erreicht, ohne die magnetische Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu verringern.
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Gemäß einer Ausführungsform sind Fasen ausschließlich an den Hinterkanten der Klauen ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst besagter Rotor ein erstes Polrad und ein zweites Polrad, und dass Klauen des besagten ersten Polrades jeweils eine erste, einem ersten Verhältnis zugeordnete Fase für eine niedrige Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs, und Klauen des besagten zweiten Polrades jeweils eine zweite, einem zweiten Verhältnis zugeordnete Fase für eine hohe Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs umfassen. Die optimale Fase hängt von der Drehzahl des Rotors ab, wobei eine solche Konfiguration erlaubt, die magnetischen Betriebsgeräusche in optimaler Weise über den gesamten Betriebsbereich zu minimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die besagte Fase einem optimalen Verhältnis zugeordnet, das gleich einem Mittelwert aus einem ersten Verhältnis für eine niedrige Drehzahl eines Betriebsdrehzahlbereichs und einem zweiten Verhältnis für eine hohe Drehzahl eines Betriebsdrehzahlbereichs ist. Damit wird eine alternative Klauenkonfiguration definiert, die es erlaubt, die magnetischen Betriebsgeräusche in optimaler Weise über den gesamten Betriebsbereich zu minimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Betriebsdrehzahlbereich zwischen 1800 und 4000 Umdrehungen/Minute.
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Gemäß einer Ausführungsform nimmt eine Oberfläche der Fase zum freien Ende der entsprechenden Klaue hin ab.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Oberfläche der besagten Fase auf der Höhe des freien Endes der Klaue im Wesentlichen gleich null.
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Gemäß einer Ausführungsform hat die Klaue eine äußere radiale Oberfläche, und dass die Fase auf der besagten äußeren radialen Oberfläche ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Fase axial zwischen der Basis und dem freien Ende der entsprechenden Klaue.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich ein radialer Querschnitt der Fase entlang einer Geraden.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich ein radialer Querschnitt der Fase entlang eines Kreisbogens.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die besagten Klauen des besagten Polrades symmetrisch.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die besagten Klauen des besagten Polrades asymmetrisch.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der besagte Rotor interpolare Magnete, die jeweils im Inneren eines Raumbereichs positioniert sind, der zwei aufeinanderfolgende Klauen separiert.
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Die Erfindung hat auch eine elektrische Rotationsmaschine des Generatortyps oder eine reversible Maschine zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Rotor umfasst, wie er vorstehend definiert ist.
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Die Erfindung wird besser beim Lesen der folgenden Beschreibung und beim Studium der sie begleitenden Figuren verstanden. Diese Figuren dienen der reinen Veranschaulichung, jedoch nicht der Einschränkung der Erfindung.
- Die 1 ist eine schematische Ansicht von einem Generator gemäß der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt;
- Die 2a und 2b sind jeweils schematische Ansichten einer mit einer Fase versehenen Klaue eines Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung von der Seite und von oben;
- Die 3 ist eine Grafik zeigend zwei Kurven, die den Geräuschpegel eines dreiphasigen Generators in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen einer maximalen Breite der Fase und einer Polteilung darstellen, wobei jede Kurve einer bestimmten Drehzahl des Generators entspricht;
- Die 4 ist eine schematische Darstellung eines partiellen Querschnitts einer Klaue des Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Die 5 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Fasen der Klauen von einem Polrad zum anderen zwei verschiedene Konfigurationen haben;
- Die 6 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsvariante eines Rotors gemäß der vorliegenden mit asymmetrischen Klauen.
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Identische, ähnliche oder analoge Elemente behalten von einer Figur zur anderen dasselbe Bezugszeichen. Im Rahmen der Beschreibung wird angenommen, dass ein „vorderes“ Element auf der Seite der Riemenscheibe der Maschine angeordnet ist, und ein „hinteres“ Element auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
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1 zeigt einen kompakten, mehrphasigen Generator 10, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Dieser Generator 10 wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um und ist reversibel. Ein solcher reversibler Generator 10, Generator-Starter genannt, ermöglicht es, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, insbesondere um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
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Dieser Generator 10 umfasst ein Gehäuse 11 und in dessen Inneren einen auf einer Welle 13 montierten Klauenrotor 12, sowie einen Stator 16, der den Rotor 12 mit einem Luftspalt 17 umgibt. Auf der Welle 13 ist eine Riemenscheibe 14 befestigt. Diese Riemenscheibe gehört zu einer Vorrichtung zur Bewegungsübertragung mit Riemen zwischen dem Generator 10 und dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs. Die Achse X der Welle 13 bildet die Drehachse des Rotors 12.
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Der Stator 16 umfasst einen Körper 19 in Form eines Blechpaketes mit eingebrachten Nuten, z.B. des halbgeschlossenen Typs, die mit einer Nutenisolierung zur Montage der Phasen des Stators 16 ausgestattet sind. Jede Phase umfasst mindestens eine Wicklung, die durch die Nuten des Körpers 19 des Stators 16 verläuft und mit allen Phasen einen vorderen Wickelkopf 20 und einen hinteren Wickelkopf 21 auf beiden Seiten des Statorkörpers 19 bildet.
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Die Wicklungen werden beispielsweise aus einem mit Emaille überzogenen Endlosdraht oder aus leitfähigen Elementen in Stabform, wie beispielsweise Stiften, erhalten, die miteinander z.B. durch Schweißen verbunden sind. Diese Wicklungen sind z.B. dreiphasige Wicklungen, die im Stern oder Dreieck verschaltet sind, deren Ausgänge mit mindestens einer Gleichrichterbrücke umfassend Gleichrichterelemente wie Dioden oder Transistoren vom Typ MOSFET verbunden sind, insbesondere wenn es sich um einen Generator-Starter handelt, wie er z.B. im Dokument
FR2745445 beschrieben ist.
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Der Rotor 12 umfasst zwei Polräder 24, 25, die jeweils einen Flansch 28 mit Querausrichtung haben, welcher an seinem Außenumfang mit Klauen 29 versehen ist, die z.B. trapezförmig und axial orientiert sind. Die Klauen 29 eines Rades 24, 25 sind axial zum Flansch 28 des anderen Rades gerichtet. Jede Klaue 29 eines Polrades 24, 25 dringt in den Raum ein, der zwischen zwei benachbarten Klauen 29 des anderen Polrades liegt, so dass die Klauen 29 der Polräder 24, 25 ineinander geschachtelt sind.
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Der Außenumfang der Klauen 29 definiert zusammen mit dem Innenumfang des Körpers 19 des Stators 16 den Luftspalt 17 zwischen dem Stator 16 und dem Rotor 12. Der Innenumfang der Klauen 29 ist derart geneigt, dass die Klauen 29 an ihrem freien Ende 54 weniger dick sind, wie in 2a zu sehen ist.
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Ein zylindrischer Kern 30 ist axial zwischen den Flanschen 28 der Räder 24, 25 angeordnet. In diesem Fall besteht der Kern 30 aus zwei Halbkernen, die jeweils zu einem der Flansche 28 gehören. Dieser Kern 30 trägt an seinem Außenumfang eine auf einen Isolator gewickelte Erregerspule 31, die radial zwischen dem Kern 30 und der Spule 31 angeordnet ist.
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Zusätzlich umfasst das Gehäuse 11 ein vorderes 35 und hinteres 36 Lager, die zusammengebaut sind. Die Lager 35, 36 haben eine Hohlform und tragen jeweils mittig ein Kugellager 37, 38 zur drehenden Halterung der Welle 13 des Rotors. Das hintere Lager 36 trägt einen Bürstenhalter 40, der mit Bürsten 41 versehen ist, die dazu bestimmt sind, an den Ringen 44 eines Kollektors 45 zu schleifen, welche durch Drahtverbindungen mit der Erregerwicklung 31 verbunden sind. Die Bürsten 41 sind elektrisch mit einem außerhalb der Maschine angebrachten Spannungsregler verbunden.
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Das vordere 35 und hintere 36 Lager umfassen im Wesentlichen seitliche Öffnungen vorn 60 und hinten 61, um die Kühlung des Generators 10 durch Luftzirkulation zu ermöglichen, die durch die Drehung eines Lüfters 62 auf der Vorderseite des Rotors 12 und eines weiteren Lüfters 63 auf der Rückseite des Rotors erzeugt wird. Jeder Lüfter 62, 63 ist mit einer Mehrzahl von Schaufeln 64 versehen. Die vordere 60 und hintere 61 seitliche Öffnung befinden sich gegenüber den Wickelköpfen entsprechend vorn 20 bzw. hinten 21.
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Wie in 2 zu sehen ist, umfasst jede trapezförmige Klaue 29 eine Vorderkante 51, die der Drehrichtung des Rotors 12 folgend, durch den Pfeil SR angedeutet, zuerst in Kontakt mit der Luft tritt, und eine Hinterkante 52, die auf der der Vorderkante 51 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Diese Kanten 51, 52 erstrecken sich zwischen der Basis 53 der Klaue 29, die örtlich mit dem Außenumfang des entsprechenden Flansches 28 zusammenfällt, und dem freien Ende 54 der Klaue 29.
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In diesem Fall ist an der Hinterkante 52 jeder Klaue 29 der Polräder 24, 25 eine Fase 57 ausgebildet. Alternativ ist eine Fase 57 nur an bestimmten Klauen 29 der Polräder 24, 25 ausgebildet. In allen Fällen ist die Fase 57 auf einer radialen Außenfläche 56 einer entsprechenden Klaue 29 ausgebildet. Die Fase 57 erstreckt sich vorzugsweise axial zwischen der Basis 53 und dem freien Ende 54 der entsprechenden Klaue 29, d.h. über die gesamte axiale Länge der Klaue 29.
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Diese Fase 57 ist insbesondere durch zwei Seitenschenkel 58, 59 begrenzt, die sich am freien Ende 54 der Klaue 29 treffen. Somit nimmt die Oberfläche der Fase 57 mit einer im Allgemeinen dreieckigen Form in Richtung eines freien Endes 54 der Klaue 29 hin ab. Die Oberfläche der Fase 57 ist auf Höhe des freien Endes 54 der Klaue 29 im Wesentlichen null.
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Es wird ein Verhältnis R' zwischen einer maximalen Breite Chb_max der Fase 57 und der Polteilung Tp definiert, nämlich R' = Chb_max / Tp. Die Polteilung Tp ist gleich dem Verhältnis zwischen dem Innenumfang des Stators und der Anzahl der Pole der Maschine, nämlich Tp= π D/2p, wobei D der Innendurchmesser des Stators und p die Polpaarzahl der Maschine ist.
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Die maximale Breite Chb_max wird in einer Umfangsrichtung gemessen, d.h. in einer Richtung parallel zur Richtung, in der sich der Flansch 28 des entsprechenden Polrades 24, 25 erstreckt. Jede Fase 57 kann eine ebene Form haben, d.h. dass sich ein radialer Querschnitt der Fase 57 entlang einer Geraden erstreckt.
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Alternativ dazu hat die Fase 57 einen radialen Querschnitt, der sich entlang eines Kreisbogens erstreckt, d.h. dass die Fase 57 eine abgerundete Ecke mit einem Krümmungsradius L1 hat, wie er in 4 dargestellt ist. In diesem Fall wird die maximale Breite Chb_max zwischen einer Geraden D1 parallel zur Mittelebene PM der Klaue 29 und tangential zur abgerundeten Ecke und dem Schnittpunkt zwischen dem ebenen Teil der Fase 57 und dem Bearbeitungsradius L2 des Rotors 12 gemessen. Der Winkel K zwischen dem ebenen Teil der Fase 57 und der Mittelebene PM der Klaue 29 liegt beispielsweise zwischen 60 und 78 Grad.
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Wie die Kurven in der 3 zeigen, liegt das optimale Verhältnis R als Geräuschreduktion ausgedrückt, bei einem Betriebsdrehzahlbereich P zwischen 1800 und 4000 Umdrehungen/Minute zwischen 0,16 und 0,37. Es ist zu beachten, dass der obige Betriebsdrehzahlbereich nicht der minimalen und maximalen Betriebsdrehzahl des Generators entspricht, sondern dem Drehzahlbereich, in dem das magnetische Betriebsgeräusch, welches einen beachtliches Niveau hat und nicht durch das Lüftergeräusch der Ventilatoren überdeckt wird, gedämpft werden muss.
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Vorzugsweise sind Fasen 57 nur an den Hinterkanten 52 der Klauen 29 ausgebildet. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass die Ausbildung von Fasen 57 an der Vorderkante 51 und der Hinterkante 52 jeder Klaue 29 die magnetische Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine reduziert.
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Die optimale Fase 57 häng von der Drehzahl des Rotors 12 ab, die Klauen 29 eines der Polräder 24 können jeweils eine erste Fase 57 mit maximaler Breite chb_max1 haben, die einem ersten Verhältnis R1 zugeordnet ist, das in Bezug auf die Geräuschreduktion für die niedrige Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs optimal ist. Das Verhältnis R1 beträgt zum Beispiel 0,17 für 1800 Umdrehungen/Minute. Die Klauen 29 des anderen Polrades 25 können jeweils eine zweite Fase 57' einer Breite chb_max2 haben, das einem zweiten Verhältnis R2 zugeordnet ist, das in Bezug auf die Geräuschreduktion für die hohe Geschwindigkeit des Betriebsdrehzahlbereichs optimal ist. Das Verhältnis R2 beträgt zum Beispiel 0,36 für 4000 Umdrehungen/Minute. Der entsprechende Rotor 12 mit unterschiedlichen Fasen 57, 57' von einem Polrad 24 zum anderen 25 ist in 5 dargestellt.
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Wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht, ermöglicht eine solche Konfiguration eine optimale Minimierung der magnetischen Betriebsgeräusche über den gesamten Betriebsbereich P des Rotors
12. Tatsächlich zeigt sich, dass man eine mittlere Reduzierung der Schallleistung in der Größenordnung von 1,5 dB gegenüber der optimalen Fasenkonfiguration entsprechend der niedrigen Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs P, und eine mittlere Reduzierung der Schallleistung in der Größenordnung von 2,6 dB gegenüber der optimalen Fasenkonfiguration entsprechend der hohen Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs P erhält.
| Verhältnis R1 = chb_max1/Tp erstes Polrad 24 | Verhältnis R2 = chb_max2/Tp zweites Polrad 25 | Schallleistung |
| 1800 U/min | 4000 U/min | Mittelwert (1800-4000 U/min) |
| 0.17 | 54.4 | 71.4 | 62.9 |
| 0.23 | 56.7 | 68.3 | 62.5 |
| 0.29 | 61.0 | 64.9 | 63.0 |
| 0.36 | 63.6 | 64.4 | 64.0 |
| 0.17 | 0.36 | 55.1 | 67.8 | 61.4 |
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Alternativ ist der an jeder der Klauen 29 ausgebildeten Fase 57 ein Verhältnis Rmoy zugeordnet, das gleich einem Mittelwert zwischen dem ersten Verhältnis R1 für die niedrige Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs P und dem zweiten Verhältnis R2 für die hohe Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs P ist. Man erhält somit im vorhergehenden Beispiel Rmoy = (0,15 + 0,27)/2 = 0,26.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Klauen 29 der Polräder 24, 25 symmetrisch, d.h. dass die Mittellinie M, die durch die Mitte der Basis 53 verläuft, auch durch das freie Ende 54 der Klaue 29 verläuft (vgl. 2b).
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Alternativ, wie in der 6 gezeigt, sind die Klauen 29 der Polräder 24, 25 asymmetrisch, d.h. dass die durch die Mitte der Basis 53 verlaufende Mittellinie M in Bezug zu einer parallelen Geraden D1 versetzt ist, die durch das freie Ende 54 der entsprechenden Klaue 29 verläuft. Eine asymmetrische Klaue 29 kann in die Drehrichtung SR (siehe Pfeil F1) oder in die der Drehrichtung SR entgegengesetzte Richtung geneigt sein (siehe Pfeil F2). Die Klauen 29 beider Polräder 24, 25 können in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen geneigt sein, wie in 6 dargestellt ist.
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Der Rotor 12 kann gegebenenfalls interpolare Magnete 46 umfassen, zu sehen in den 5 und 6, die jeweils in innerhalb von Hohlräumen 66 angeordnet sind, die zwei aufeinanderfolgende Klauen 29 trennen. Die Magnete 46 können im Inneren aller interpolaren Hohlräume 66 oder nur im Inneren einiger von ihnen angeordnet und gleichmäßig entlang des Umfangs des Rotors 12 verteilt sein. Die Magnete 46 können aus Seltenerden NeFeB bestehen (Neodym-Eisen-Bor) oder SmCo (Samarium-Kobalt). Die Wahl des Materials und der Anzahl der interpolaren Magnete 46 ermöglichen es, die magnetischen Eigenschaften des Rotors 12 leicht an die gewünschte Leistung des Generators anzupassen.
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Selbstverständlich ist die vorstehende Beschreibung nur als Beispiel gegeben und schränkt den Umfang der Erfindung nicht ein, der auch nicht durch Ersetzen der verschiedenen Elemente durch andere Äquivalente verlassen wird werden würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0762617 [0002]
- FR 2745445 [0028]
