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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen und insbesondere auf elektrische Generatoren. Sie betrifft insbesondere einen Generator mit einer zentralen magnetischen Welle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In einem herkömmlichen elektrischen Generatoraufbau ist ein innerster zentraler Teil des Generators der Rotor, der das rotierende Element des Generators ist. Dieser rotierende Teil ist die Quelle eines Magnetfeldes (d.h. ein magnetisierendes Element oder eine magnetisierende Schicht), die ein EMF (elektromagnetisches Feld) für den Generator erzeugt. Dieses rotor-erzeugte Magnetfeld kreuzt oder schneidet Leiter in Wicklungen, die Teil des Stators sind und einen elektrischen Strom erzeugen. Der Anmelderin sind Generatoraufbauten bekannt, die mehrere Rotorschichten und/oder mehrere Statorschichten aufweisen.
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Bei den meisten herkömmlichen Konstruktionen, von denen die Anmelderin weiß, ist die Magnetfeldquelle der Rotor, während der Stator immer stationär ist, und ein Leiter für Generatoren ist. Bei anderen Aufbauten ist der Stator keine Quelle für das Magnetfeld. Die Anmelderin bemerkt, dass es wünschenswert ist, die Magnetflussdichte zu erhöhen, um die Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie des Generators zu erhöhen.
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Die Anmelderin wünscht einen Generator, bei dem der Stator beim Formen und Verstärken des Magnetfelds hilft, aber dennoch eine Erzeugungsschicht und nicht eine Magnetisierungsschicht ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend stellt die Erfindung einen elektrischen Generator mit einem Stator und einem Rotor bereit, wobei:
- der Stator eine zentrale Welle aufweist und wenigstens eine axial versetzte Spule an einem axialen Ende (als gewundener Abschnitt bezeichnet) der zentralen Welle aufweist, so dass ein Hauptmittelabschnitt der zentralen Welle nicht von der Spule umgeben ist, wobei die Spule so konfiguriert ist, dass sie die zentrale Welle so magnetisiert, dass die zentrale Welle axial im Gegensatz zu magnetischen Polen beabstandet ist, wobei ein Pol an dem gewickelten Abschnitt vorgesehen ist und der andere Pol an dem Hauptmittelabschnitt vorgesehen ist;
- der Stator eine Vielzahl von Erzeugungsschichten umfasst, wobei jede Erzeugungsschicht Erzeugungswicklungen umfasst, die umfangsmäßig um die zentrale Welle herum vorgesehen sind, relativ zu der zentralen Welle fixiert sind und radial mit dem Hauptmittelabschnitt der zentralen Welle ausgerichtet sind;
- wobei der Rotor eine Magnetisierungsschicht umfasst, die koaxial um die erste Erzeugungsschicht angeordnet und radial zu dem Hauptmittelabschnitt ausgerichtet ist, wobei die Magnetisierungsschicht radial voneinander beabstandete ungleiche Magnetpole mit einem inneren Magnetpol aufweist, der eine ungleiche Polarität zu dem des ausgerichteten Hauptmittelabschnitts der zentralen Welle aufweist; und
- wenigstens eine der Erzeugungsschichten die Form einer rohrförmigen Baugruppe aufweist, umfassend:
- einen rohrförmigen Körper, der koaxial mit der zentralen Welle ist;
- wenigstens eine axial versetzte Spule an einem axialen Ende (als gewundener Abschnitt bezeichnet) des rohrförmigen Körpers, so dass ein Hauptmittelabschnitt des rohrförmigen Körpers nicht von der Spule umgeben ist, wobei die Spule so konfiguriert ist, dass sie den röhrenförmigen Körper derart magnetisiert, dass der röhrenförmige Körper axial ungleich beabstandete magnetische Pole aufweist, wobei ein Pol an dem gewundenen Abschnitt und der andere Pol an dem Hauptmittelabschnitt vorgesehen ist;
- wobei die Erzeugungswicklungen an dem zentralen Abschnitt des röhrenförmigen Körpers vorgesehen oder radial ausgerichtet sind.
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Der Hauptmittelabschnitt kann als aktiver oder magnetisierender Teil der zentralen Welle angesehen werden, obwohl die zentrale Welle allgemein eine Erzeugungsschicht ist.
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Die zentrale Welle kann an ihrem einen Ende eine einzelne Spule haben. In einem solchen Fall kann die zentrale Welle zwei Magnetpole haben, einen an dem gewickelten Abschnitt und einen an dem zentralen Hauptabschnitt. Die haupt-zentralen und gewickelten Abschnitte können N-S oder S-N sein (wobei in dieser Beschreibung N für Nordpol und S für Südpol steht).
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Die zentrale Welle kann ein Paar von Spulen haben, eine an jedem Ende davon. In diesem Fall kann die zentrale Welle drei Magnetpole haben, einen an jedem Spulenabschnitt und einen an dem zentralen Hauptabschnitt. Die drei Magnetpole können sich abwechseln, z.B. N-S-N oder S-N-S.
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Die zentrale Welle kann axial nach außen über die Erzeugungsschicht vorstehen. Insbesondere kann der gewickelte Abschnitt nach außen über die Erzeugungsschicht vorstehen, während der Hauptmittelabschnitt von der Erzeugungsschicht umgeben oder umhüllt sein kann. Falls zwei Spulen vorhanden sind, können beide Enden der zentralen Welle axial nach außen über die Erzeugungsschicht vorstehen.
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Der Hauptmittelabschnitt kann 1-5-mal größer oder länger als der gewickelte Abschnitt sein, und kann insbesondere 2-3-mal länger sein.
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Die Erzeugungsschicht kann eine erste Erzeugungsschicht sein und der Generator kann mehrere Erzeugungsschichten umfassen. Die Erzeugungsschichten können alle den Stator umfassen. Die Erzeugungsschichten können relativ zueinander und zu der zentralen Welle fixiert sein. Die Erzeugungsschichten können relativ zu einer Trägerstruktur oder einem Gehäuse des Generators fixiert sein.
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Es kann mehrere Magnetisierungsschichten geben. Die Magnetisierungsschichten und die Erzeugungsschicht oder -schichten können abwechselnd angeordnet sein. Die Magnetisierungsschichten können alle den Rotor umfassen. Die Magnetisierungsschichten können relativ zueinander fixiert sein. Stattdessen können die Magnetisierungsschichten gegenläufig sein. Die Magnetisierungsschichten können alternierende Polarität aufweisen.
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Es kann N Magnetisierungsschichten und N Erzeugungsschichten geben, wobei N gleich 1 oder mehr ist.
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Es kann N magnetisierende Schichten und N+1 erzeugende Schichten geben, wobei N gleich 1 oder mehr sein kann, z. B. gleich 2. Die äußerste Schicht kann eine Erzeugungsschicht sein. Die äußerste Schicht kann stationär sein. Der Generator kann eine zylindrische metallische Hülse umfassen, die eine äußerste Schicht umhüllt. Die metallische Hülse und die äußerste Schicht können auf einem Rahmen des Generators aufliegen oder an diesem befestigt sein. Die metallische Hülse kann dazu dienen, einen magnetischen Rückweg bereitzustellen und das Magnetfeld zu formen.
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Wenn drei oder mehr magnetisierende Schichten vorhanden sind (d.h. N≥3), können alternierende magnetisierende Schichten rotierend sein und einen Teil des Rotors bilden, während die verbleibenden magnetisierenden Schichten stationär sein können und einen Teil des Stators bilden. Ein Satz der Magnetisierungsschichten (z.B. die stationären Magnetisierungsschichten) kann elektronisch geschaltet werden, wenn sich der Rotor dreht, um die Anordnung mit wechselnder Polarität beizubehalten.
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Die (oder jede) Magnetisierungsschicht kann durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete bereitgestellt werden. Falls die Magnetisierungsschicht durch Elektromagnete bereitgestellt wird, können diese Elektromagneten elektronisch schaltbar sein, um ihre Polarität umzuschalten oder umzukehren.
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Ein Zweck der Konfiguration des Generators gemäß der Erfindung kann sein:
- * Erhöhen des magnetischen Flusses zwischen magnetischen Schichten und dadurch Erhöhen des Wirkungsgrades des Generators;
- * Richten des Magnetfeldes zwischen den Magnetisierungsschichten für ein senkrechtes Kreuzen oder Schneiden durch Leiter (in Wicklungen) in der/den Erzeugungsschicht(en);
- * Verringern der Zentrifugalbelastung, da der innerste Teil (d.h. die zentrale Welle) alle Schichten durch Flusskopplung an das Zentrum anzieht.
- * Reduzieren eines Abstands zwischen den Polen und dadurch Erhöhen der Effizienz des Generators.
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Es ist anzumerken, dass die Konfiguration der rohrförmigen Baugruppe eine Ähnlichkeit mit der der zentralen Welle aufweist. Die rohrförmige Anordnung kann einen Teil des Stators bilden.
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Die rohrförmige Anordnung kann eine einzelne Spule an einem einzelnen Ende davon aufweisen. In einem solchen Fall kann die rohrförmige Baugruppe zwei Magnetpole aufweisen, einen an dem gewickelten Abschnitt und einen an dem zentralen Hauptabschnitt. Die haupt-zentralen und gewickelten Abschnitte können N-S oder S-N sein.
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Die rohrförmige Baugruppe kann ein Paar Spulen haben, eine an jedem Ende davon. In einem solchen Fall kann die rohrförmige Baugruppe drei Magnetpole haben, einen an jedem Spulenabschnitt und einen an dem zentralen Hauptabschnitt. Die drei Magnetpole können sich abwechseln, z.B. N-S-N oder S-N-S.
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Der Körper der rohrförmigen Baugruppe kann aus Metall bestehen, z.B. aus Stahl.
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Der röhrenförmige Körper kann ein kreisförmiges oder vieleckiges (z.B. quadratisches, rechteckiges) Querschnittsprofil aufweisen.
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Der Körper der rohrförmigen Baugruppe kann eine Vielzahl von Laminierungen umfassen. Die Erzeugungswicklungen der rohrförmigen Baugruppe können unter den Laminierungen vorgesehen sein.
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Eine Magnetisierungsschicht kann radial innerhalb der rohrförmigen Baugruppe vorgesehen sein. Magnetisierungsschichten können auf beiden Seiten der rohrförmigen Baugruppe vorgesehen sein. Die oder jede Magnetisierungsschicht kann mit dem Hauptmittelabschnitt der rohrförmigen Baugruppe ausgerichtet sein. Ein benachbarter Pol der oder jeder Magnetisierungsschicht kann eine Polarität aufweisen, die von der des Hauptmittelabschnitts der rohrförmigen Baugruppe verschieden ist. Falls auf jeder Seite der röhrenförmigen Baugruppe eine Magnetisierungsschicht vorhanden ist, können die benachbarten Pole der Magnetisierungsschichten die gleichen sein und anders als die des Hauptmittelabschnitts der röhrenförmigen Baugruppe sein. Zum Beispiel kann der Hauptmittelabschnitt der rohrförmigen Baugruppe eine S-Polarität haben und die benachbarten Pole der oder jeder magnetisierenden Schicht können N sein.
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Falls eine magnetische Hülse vorhanden ist, kann der rohrförmige Körper physisch oder magnetisch mit der magnetischen Hülse gekoppelt sein.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen weiter beschrieben.
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In den Zeichnungen gilt:
- 1 zeigt eine schematische Axialschnittansicht einer Ausführungsform eines Generators gemäß der Erfindung, der eine rohrförmige Baugruppe als eine Erzeugungsschicht umfasst;
- 2 zeigt eine schematische Axialschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Generators, gemäß der Erfindung, der zwei rohrförmige Baugruppen als Erzeugungsschichten umfasst;
- 3 zeigt eine schematische Axialschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Generators, gemäß der Erfindung, der eine versetzte rohrförmige Baugruppe als eine Erzeugungsschicht umfasst; und
- 4 zeigt eine schematische Axialschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Generators, gemäß der Erfindung, der eine versetzte Rohranordnung als eine Erzeugungsschicht und eine magnetische Hülse umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines Generators 300 gemäß der Erfindung. In allen Figuren sind die Dicken der verschiedenen Schichten und Lücken zwischen den Schichten möglicherweise nicht maßstabsgetreu, sondern sie können zur Klarheit der Darstellung übertrieben oder skaliert sein.
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Der Generator 300 ist ein elektrischer Generator zum Erzeugen von Ausgangsstrom von einer mechanischen Dreheingabe. Der Generator 300 weist eine zentrale Welle 202 auf, die eine Basis eines Stators des Generators 300 bildet. Die zentrale Welle 302 ist zylindrisch und langgestreckt. Die zentrale Welle 302 hat zwei axial versetzte Spulen 204, 204.1, die um jedes Ende davon gewickelt sind. Das Vorhandensein der Spulen 104, 104.1 dient dazu, die zentrale Welle 102 in drei Teile zu teilen: zwei gewickelte Abschnitte 206 und einen zentralen Hauptabschnitt 208. Der Hauptmittelabschnitt 208 ist ungefähr dreimal länger als jeder gewickelte Abschnitt 106.
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Die Spulen 204, 204.1 sind im Betrieb energetisiert und dienen als ein Elektromagnet zum Magnetisieren der zentralen Welle 202. Wenn dementsprechend die Spulen 204, 204.1 energetisiert werden, entwickelt die zentrale Welle 202 drei magnetische Pole, die axial voneinander beabstandet sind. In diesem Beispiel haben die gewickelten Abschnitte 204, 204.1 eine S-Polarität und der zentrale Hauptabschnitt 208 hat eine N-Polarität.
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Generierende Wicklungen 210 sind um den zentralen Hauptabschnitt 208 der zentralen Welle 202 herum vorgesehen. Diese Erzeugungswicklungen 210 bilden im Wesentlichen eine Erzeugungsschicht 220. Die Wicklungen 210 können sich in unmittelbarer Nähe der Zentralwelle 202 befinden und sogar an diese angrenzen.
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Eine Magnetisierungsschicht 222 ist um die Erzeugungsschicht 220 herum vorgesehen, um einen Magnetfluss (der allgemein durch das Bezugszeichen 234 angezeigt wird) zu erzeugen, der sich durch die Erzeugungsschicht 220 erstreckt. Die Magnetisierungsschicht 222 wird durch Elektromagnete 212 bereitgestellt. Magnetpole in einem Paar, die von der Magnetisierungsschicht 222 bereitgestellt werden, sind radial beabstandet und so angeordnet, dass ein gegenüberliegender Pol (S) der Magnetisierungsschicht 222 mit dem zentralen Polabschnitt (N) des zentralen Abschnitts 208 ausgerichtet ist. Der magnetische Fluss 234 erstreckt sich geradlinig zwischen der Magnetisierungsschicht 222 und dem Hauptmittelabschnitt 208 der zentralen Welle 202, so dass die Wicklungen 210 der Erzeugungsschicht 220 das Magnetfeld 234 an wenigstens zwei Punkten bei einer vollen Umdrehung senkrecht schneiden.
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Des Weiteren hat der Generator 300 mehrere Erzeugungs- und Magnetisierungsschichten 220 - 228. In dieser Ausführungsform gibt es N+1 Erzeugungsschichten 220, 224, 228 und N Magnetisierungsschichten 222, 226, wobei N=2 ist. Der Hauptmittelabschnitt 208 der zentralen Welle 202 und die Magnetisierungsschichten 222, 226 weisen radial alternierende Magnetpole auf, die in diesem Beispiel als N-S-N-S-N angeordnet sind und daher ein relativ radial gerades Magnetfeld oder -fluss 234 bereitstellen, die sich von der zentralen Welle 202 nach außen erstreckt (oder nach innen, je nachdem). Die Magnetisierungsschichten 222, 226 werden durch Elektromagnete 212 bereitgestellt.
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Der Generator 300 weist die Magnetisierungsschichten 222, 226 auf, die so konfiguriert sind, dass sie sich drehen, wodurch sie einen Teil einer Rotorstruktur des Generators 300 bilden. Obwohl nicht dargestellt, sind die Magnetisierungsschichten 222, 226 mit einem Rotationseingang an den Generator 200 gekoppelt. Wenn sich die Magnetisierungsschichten 222, 226 relativ zu den Erzeugungsschichten 220, 224, 228 drehen, dreht sich der radial nach außen gerichtete Magnetfluss 234 wie Speichen eines Rads, und kreuzt die Wicklungen 210 der Erzeugungsschichten 220, 224, 228 in rechten Winkeln, wodurch ein Strom in den Wicklungen 210 induziert wird.
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Obwohl nicht dargestellt, könnte eine elektronische Steuerung verwendet werden, um die Pole der magnetischen Schicht(en) 222, 226 einschließlich der Spule 204, 204.1 der zentralen Welle 202 zu ändern. Die Magnetisierungsschichten 222, 226 könnten konfiguriert sein, um in der gleichen Richtung zu rotieren, oder können in der entgegengesetzten Richtung rotiert werden, wenn die Pole auf jeder Schicht 222, 226 die gleiche Polarität aufweisen. Die Magnetisierungsschichten 222, 226 könnten auch in der entgegengesetzten Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit oder einer anderen Geschwindigkeit rotiert werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass der zentrale Kern 202, der nun aktiv an der Erzeugung des magnetischen Flusses 234 beteiligt ist, koaxial innerhalb der inneren Magnetisierungsschicht 222 angeordnet ist, halbiert er den Abstand zwischen den Magnetfeldquellen. Nach dem Coulombschen Gesetz ist die Kraft auf die Ladungen indirekt proportional zu einem Quadrat der Entfernung zwischen den Ladungen, und daher erhöht diese Wirkung (Positionierung von Magnetfeldquellen) die Kraft auf die Ladungen proportional zu der Verringerung der Entfernung und erhöht daher den Gesamtwirkungsgrad des Generators 200.
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Der Generator 300 umfasst auch eine einzelne rohrförmige Anordnung 310. Die rohrförmige Anordnung 310 weist einen zylindrischen, rohrförmigen Körper 312 auf, der aus Stahl hergestellt ist und koaxial mit der zentralen Welle 202 ist. (Obwohl nicht dargestellt, umfasst der röhrenförmige Körper 312 eine Vielzahl von laminierten Schichten, und die erzeugenden Wicklungen 210 sind innerhalb von in und zwischen den laminierten Schichten definierten Schlitzen gewickelt.) Die Generatorwicklungen 210 sind radial mit dem Hauptmittelabschnitt 208 der zentralen Welle 202 ausgerichtet.
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Nur ein kleiner axialer Abschnitt des rohrförmigen Körpers 312 ist dargestellt. Der rohrförmige Körper 312 ragt an einem zentralen Abschnitt des Generators 300 vorbei, wobei der zentrale Abschnitt mit dem Hauptmittelabschnitt 208 und den Magneten 212 ausgerichtet Ist. Wie die zentrale Welle 202 ist die rohrförmige Anordnung 300 in einen zentralen Hauptabschnitt und einen gewickelten Abschnitt unterteilt, die mit den entsprechenden Abschnitten 208, 206 der zentralen Welle 202 ausgerichtet sind. Die gewickelten Abschnitte des rohrförmigen Körpers 312 sind so genannt, weil eine Spule 324 um jeden Endabschnitt des rohrförmigen Körpers 312 herum vorgesehen ist.
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Im Gebrauch werden die Spulen 314 wirksam erregt, um die rohrförmige Anordnung 310 in einen Elektromagneten mit axial beabstandeten Polen umzuwandeln (wiederum auf ähnliche Weise wie die zentrale Welle 202 betrieben wird). Die Pole (in dieser beispielhaften Implementierung) sind N-S-N, wobei N an den gewickelten Abschnitten und S an dem Hauptmittelabschnitt der rohrförmigen Baugruppe 310 ist, die der Polkonfiguration S-N-S der zentralen Welle 202 gegenüberliegt.
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Die Anmelderin glaubt, dass die Hinzufügung der röhrenförmigen Anordnung 310 die Stärke des erzeugten Magnetfelds 234 signifikant verbessern wird. Wenn sich die Erzeugungsschichten 222, 226 durch das stärkere Magnetfeld 234 bewegen (oder umgekehrt), würden sie dementsprechend mehr Strom erzeugen.
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Während die rohrförmige Anordnung 310 selbst einen Teil des Stators bilden kann, bemerkt die Anmelderin, dass eine Schaltanordnung erforderlich sein kann, um die Polarität der rohrförmigen Anordnung 310 zu wechseln, wenn sich der Rotor dreht, z.B. alle 180°. Bekannte Schaltanordnungen können verwendet werden.
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2 zeigt einen Generator 350, ähnlich dem Generator 300 von 1, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass eine zweite rohrförmige Baugruppe 320 (zusätzlich zu der (ersten) rohrförmigen Baugruppe 310) vorgesehen ist. Die zweite rohrförmige Baugruppe 320 weist eine nahezu identische Konfiguration zu der der ersten rohrförmigen Baugruppe 310 auf, weist jedoch einen größeren Durchmesser auf und fungiert als die radial äußere Erzeugungsschicht 228. Die zweite rohrförmige Baugruppe 320 hat einen rohrförmigen Körper 322 mit Wicklungen 324 an jedem Ende, um axial beabstandete magnetische Pole zu erzeugen. In dieser Konfiguration sind die Pole S-N-S, die denen der ersten rohrförmigen Baugruppe 310 entgegengesetzt sind.
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3 zeigt einen Generator 400, der dem von 1 darin ähnlich ist, dass eine einzelne rohrförmige Baugruppe 330 vorgesehen ist, die sich jedoch darin unterscheidet, dass die rohrförmige Baugruppe 330 axial asymmetrisch ist und einen rohrförmigen Körper 332 mit nur einem einzigen gewickelten Abschnitt und eine Spule 334 nur an einem Ende aufweist. Wiederum sind die Abschnitte oder die rohrförmige Baugruppe 330 und die zentrale Welle 202 radial ausgerichtet.
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4 zeigt einen Generator 450, der auf dem Beispiel von 3 basiert, hat aber auch eine metallische Hülse 250 vorgesehen, die mit einem Halterahmen (nicht dargestellt) des Generators 450 fest verbunden ist. Eine äußerste Erzeugungsschicht 252 ist an einer Innenseite der Hülse 250 und an wenigstens einem Ende der zentralen Welle 202 angebracht. Dies dient dazu, den magnetischen Fluss 234 darin zu isolieren und zu verbessern. Durch Verbinden eines Endes der zentralen Welle 202 mit einer äußersten Oberfläche der äußeren Erzeugungsschicht 252 wird ein magnetischer Rückweg bereitgestellt.
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Wiederum kann in den Generatoren 350, 400, 450 jeder der FIGs. 2-4 eine Schaltanordnung enthalten sein, um eine Richtung des Stroms durch die Spulen 314, 324, 334 umzukehren, um die Polaritäten der durch die rohrförmigen Baugruppen 310, 320, 330 erzeugten Pole zu vertauschen, wenn der Rotor relativ dazu rotiert wird (z.B. alle 90 ° oder 180 °, abhängig davon, wie viele Umfangspole die Generatoren 300, 350, 400, 450 haben).
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Die rohrförmige Baugruppe 310, 320, 330 in FIGs. 1-4 dient dazu, die Stärke oder Dichte des Magnetfelds 234 zu erhöhen, was durch die Verwendung der magnetischen Hülse 250 weiter verbessert werden kann. Dies bewirkt entsprechend, dass ein größerer Strom in den Erzeugungswicklungen 210 erzeugt wird. Es kann jedoch vorkommen, dass die Kosten für eine größere Maschinenkomplexität anfallen. Dementsprechend kann die genaue Konfiguration eine Frage der Aufbauten-Auswahl sein, abhängig von Kosten, Größe, Generatorleistung und Effizienz usw.
