DE3625994C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Ein herkömmlicher Genertor zur Umwandlung von mechani­ scher Energie in elektrische Energie, beispielsweise gemäß DE-OS 15 38 800, weist in der Regel einen Anker auf, der in einem Stator drehbar gelagert ist. Dabei kann der Anker In­ duktionsleiter, beispielsweise in Form von Ankerwicklungen, aufweisen, und der Stator kann einen Kranz von Magnetpolen aufweisen, die diesen Induktionsleitern zugeordnet sind und entweder durch Permanentmagnete oder durch Erregerspulen er­ zeugt werden. Es ist jedoch auch umgekehrt möglich, daß der An­ ker die Magnetpole trägt, während der Stator einen Kranz von Induktionsleitern aufweist. Wesentlich ist lediglich, daß die Induktionsleiter und die Magnetpole relativ zueinander beweg­ bar sind, um eine Änderung des magnetischen Kraftflusses zu er­ reichen, die eine Induktionsspannung an den Induktionsleitern bewirkt.

Die Indutionsspannung ist insbesondere proportional zur zeitlichen Änderung des magnetischen Kraftflusses. Dies bedeu­ tet bei einem herkömmlichen Generator, daß die Induktionsspan­ nung um so größer ist, je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen Magnetpolen und Induktionsleitern ist, d. h. je größer die Winkelgeschwindigkeit des Ankers ist. Dieser Winkelge­ schwindigkeit des Ankers sind jedoch aus mechanischen Gründen Grenzen gesetzt, so daß nicht eine beliebig hohe Winkelge­ schwindigkeit des Ankerrs erreicht werden kann, und damit auch keine beliebig hohe Induktionsspannung erzielt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator der eingangs genannten Gattung hinsichtlich des Ereichens ei­ ner höheren Induktionsspannung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Generator wird mit Vorteil eine höhere Relativgeschwindigkeit zwischen Magnetpolen und Induk­ tionsleitern dadurch erreicht, daß sowohl die Magnetpole als auch die zugeordneten Induktionsleiter gegensinnig zueinander bewegt werden. Dabei ist es in der Regel wieder unwesentlich, ob der Anker die Magnetpole trägt und der Rotor die Induktions­ leiter oder umgekehrt. Die Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Induktionsleitern und Magnetpolen wird insbesondere erreicht, ohne daß der Anker eine höhere Winkelgeschwindigkeit besitzen muß, die entweder aus mechanischen Gründen nicht mög­ lich wäre oder eine so hohe Beanspruchung z. B. des Antriebs und der Lager nach sich zöge, daß der Verschleiß des Genera­ tors unbefriedigend groß wäre. Ein gegensinniger Antrieb eines Rotors zum Anker ist dagegen mit einfachen und an sich bekann­ ten mechanischen Maßnahmen ohne weiteres möglich.

Bei gleich großer gewünschter Leistung kann der erfindungs­ gemäße Generator gegenüber einem herkömmlichen Generator mit Vorteil konstruktionsgünstig in seinen Ausmaßen verkleinert werden, da die entnehmbare Leistung von der Induktionsspannung abhängt.

Vorzugsweise werden der Anker und der Rotor mit einer dem Betrage nach gleichen Winkelgeschwindigkeit angetrieben, so daß die durch Anker und Rotor, z. B. auf den Antrieb und auf La­ ger, wirkenden Momente sich, Aufgrund der gegensinnigen Bewe­ gung, etwa aufheben.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Generator zusätzlich zu dem Anker noch einen Stator auf, an dem eben­ falls den Magnetpolen zugeordnete Induktionsleiter angeordnet sind. Insbesondere, wenn Anker und Rotor eine dem Betrag nach gleiche Winkelgeschwindigkeit aufweisen und dieselbe Anzahl von Induktionsleitern bzw. Magnetpolen aufweisen, passieren In­ duktionsleiter des Ankers und Magnetpole des Rotors immer gleichzeitig Induktionsleiter des Stators, so daß sich die Win­ dungen der Induktionsleiter von Anker und Stator in vorteilhaf­ ter Weise addieren, was eine zusätzliche Erhöhung der Induk­ tionsspannung bewirkt.

Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung kann mit Vorteil wenigstens ein weiterer, Induktionsleiter tragender An­ ker vorgesehen sein, wodurch die Induktionsspannung noch wei­ ter erhöht werden kann.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der Rotor etwa trommelförmig ausgebildet ist und daß der Anker ein um den Rotor umlaufender Ring ist, wobei ein Stator vor­ zugsweise einen Induktionsleiter tragenden Kranz aufweist, in dem der Rotor und, zwischen Rotor und Kranz, der Anker koaxial angeordnet sind. Vorzugsweise sind bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Generators als Induktionsleiter Induktions­ spulen vorgesehen, deren Spulenachsen radial zur gemeinsamen Rotationsachse von Anker und Rotor ausgerichtet sind.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind der An­ ker und der Rotor weitgehend eben ausgebildet und parallel zu­ einander angeordnet, wobei ein eventuell vorhandener Stator ei­ ne parallel zum Rotor und zum Anker angeordnete, Induktionslei­ ter tragende Leiterebene aufweist, die derart angeordnet ist, daß sich der Anker zwischen dem Rotor und der Leiterebene be­ findet. Bei einer bevorzugten Ausbildung sind an beiden Seiten des Rotors jeweils ein Anker und eine Leiterebene des Stators angeordnet. Vorzugsweise sind als Induktionsleiter Induktions­ spulen vorgesehen, deren Spulenachsen parallel zur gemeinsamen Rotationsachse von Anker und Rotor ausgerichtet sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung, für die auch selb­ ständiger Schutz beansprucht wird, ist der Generator als Dreh­ stromgenerator ausgebildet, dessen Stator wenigstens einen aus drei Induktionsleitern bestehenden Leitersatz aufweist, wobei jeweils zwei einander benachbarte Induktionsleiter eines Induk­ tionsleitersatzes um 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Mit dem erfindungsgemäßen Generator kann mit Vorteil ein drei­ phasiger Drehstrom erzeugt werden, wobei durch mehrere Leiter­ sätze eine entsprechend größere Anzahl von Phasen erreicht werden kann.

Nach einer letzten Weiterbildung der Erfindung kann der An­ ker ein ganzzahliges Vielfaches an Induktionsleitern besitzen, als der Rotor Magnetpole aufweist und besitzt der Anker eine um dieses Vielfache kleinere Winkelgeschwindigkeit als der Ro­ tor. Durch die Vervielfachung der Anzahl der Induktionsleiter des Ankers kann mit Vorteil die Winkelgeschwindigkeit des ge­ genüber dem Rotor ein relativ großes Trägheismoment aufweisen­ den Ankers herabgesetzt werden, wodurch die mechanische Bela­ stung des Generators verringert wird, ohne daß die Induktions­ spannung hierdurch vermindert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt schematisch

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Generators mit Anker, Rotor und Stator,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Generators mit Anker, Rotor und Stator,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Generator gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbei­ spieles eines Generators,

Fig. 5 einen als Drehstromgenerator ausgebildeten Genera­ tor gemäß Fig. 2,

Fig. 6 den Drehstromgenerator gemäß Fig. 5 in einer ande­ ren Drehstellung,

Fig. 7 ein Phasendiagramm des Drehstromgenerators gemäß den Fig. 5 und 6 und

Fig. 8 einen Drehstromgenerator gemäß den Fig. 5 und 6 mit verdoppelter Anzahl von Induktionsleitern.

Der in Fig. 1 dargestellte Generator weist einen Rotor 13 und einen Anker 14 auf, die koaxial zueinander gelagert und ge­ gensinnig zueinander antreibbar sind. Der Rotor 13 trägt Magnetpole N, S und der Anker 14 trägt als Induktionsspulen aus­ gebildete Induktionsleiter a, b. Zur Abnahme der in den Induk­ tionsleitern a, b induzierten Induktionsspannung sind Kontakte 15 vorgesehen, die an einem den Anker 14 umgebenden Stator 16 an Stellen angeordnet sind, die von den Magnetpolen N, S und den Induktionsleitern a, b bei dem Betrage nach gleich großer Win­ kelgeschwindigkeit von Rotor 13 und Anker 14 gleichzeitig pas­ siert werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Generator unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellte Generator insbesondere da­ durch, daß der Stator 16 im Bereich der Kontakte 15 zusätz­ liche, als Induktionsspulen ausgebildete Induktionsleiter 1-4 aufweist.

In Fig. 3, in der gleiche Bauelemente mit den gleichen Be­ zugszeichen bezeichnet sind wie in Fig. 2, ist insbesondere die Anordnung von Rotor 13, Anker 14 und Stator 16 zu erken­ nen.

Der Rotor 13 wird mittels eines Antriebes 17 und eines Ge­ triebes 18 über eine Welle 19, die in eine Lagerung 20 gela­ gert ist, in eine Drehbewegung versetzt. Der Anker 14 wird über eine die Welle 19 koaxial umgebende Hohlwelle 21, eben­ falls mittels des Antriebs 17 und des Getriebes 18, in eine zum Rotor 13 gegensinnige Drehbewegung versetzt. Der Stator 16 ist drehfest angeordnet. Mit zueinander parallelen Feldlinien 22 sind die Ausrichtungen der Achsen der Induktionsleiter 1-4 und a, b sowie der Magnetpole N, S radial zu den Wellen 19, 21 an­ gedeutet.

Der Rotor 13 ist in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 etwa trommelförmig ausgebildet, der Anker 14 ist als um den Rotor 13 umlaufender Ring ausgebildet und der Stator 16 weist einen den Anker 14 umgebenden Kranz auf, der gegebenen­ falls Induktionsleiter 1-4 trägt.

Der in Fig. 4 dargestellte Generator, bei dem gleiche Bau­ elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind wie in Fig. 3, unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten Ge­ nerator insbesondere dadurch, daß der Rotor 13 und der Anker 14 weitgehend eben ausgebildet sind und parallel zueinander an­ geordnet sind, wobei auf jeder Seite des Rotors 13 ein Anker 14 angeordnet ist. Auch die Induktionsleiter 1-4 des Stators 16 sind in Leiterebenen angeordnet, die zu dem Rotor 13 und den Ankern 14 parallel ausgerichtet sind. Die Feldlinien 22 verlaufen in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu den Wellen 19, 21.

Eine Zuführung des beispielsweise für Erregerspulen zur Ausbildung der Magnetpole N, S notwendigen Versorgungsstromes kann über Versorgungseinrichtungen 23 über Bürstenkontakte oder bürstenlos durch Induktion erfolgen.

Fig. 5 zeigt einen Generator gemäß Fig. 2, der dadurch zum Drehstromgenerator ausgebildet ist, daß er zwei Leitersätze von jeweils drei Induktionsleitern 1, 3, 5 und 2, 4, 6 aufweist, wobei jeweils zwei einander benachbarte Induktionsleiter eines Leitersatzes um 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Zu­ dem weist der Anker 14 des Drehstromgenerators gemäß Fig. 5 vier Induktionsleiter a-d auf, so daß sich der Anker 14 mit der halben Winkelgeschwindigkeit des zwei Magnetpole aufwei­ senden Rotors 13 drehen kann.

Fig. 6 zeigt den Drehstromgenerator gemäß Fig. 5 in einer anderen Drehstellung, nachdem der Rotor 13 ein sechstel Umdre­ hung und der Anker 14 eine zwölftel Umdrehung vollzogen hat. In dieser Drehstellung passieren, genau wie in Fig. 5, Magnet­ pole des Rotors 13 gleichzeitig mit Induktionsleitern des An­ kers 14 Induktionsleiter des Stators 16.

In Fig. 7 ist ein Phasendiagramm dargestellt, das die Span­ nungsphasen der Induktionsspannung bei Betrieb eines Drehstrom­ generators gemäß den Fig. 5 und 6 zeigt.

Auf der Abszisse des Diagramms sind die Winkelstellungen und die Umdrehungsbruchteile des Rotors 13 aufgetragen, wäh­ rend auf der Ordinate die den Induktionsleitern des Stators 16 zugeordneten Phasen der Induktionsspannung aufgetragen sind. Die in dem Diagramm eingezeichneten Kurven geben etwa die Form der Spannungsimpulse der Induktionsspannung wieder.

In Fig. 8 ist ein Drehstromgenerator gezeigt, der prinzi­ piell genauso gebaut ist, wie der Drehstromgenerator gemäß den Fig. 5 und 6. Der Drehstromgenerator gemäß Fig. 8 weist jedoch die doppelte Anzahl von Magnetpolen N, S, von Induktionsleitern a-h und von Induktionsleitern 1-12 auf. Die Magnetpole N, S sind so angeordnet, daß einander gleichnamige Magnetpole N, S einander gegenüberliegen. Von den Induktionsleitern 1-12 des Stators 16 sind jeweils einander gegenüberliegende Induktions­ leiter elektrisch leitend miteinander verbunden. Bei Betrieb des Drehstromgenerators gemäß Fig. 8 ergibt sich ein ähnliches Diagramm wie das in Fig. 7 dargestellte Diagramm, jedoch sind demgegenüber die Amplituden der Spannungsimpulse sowohl in ih­ rer Scheitelhöhe als auch in ihrer Anzahl verdoppelt.

Claims (13)

1. Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, der ein Magnetpolsystem aufweist, dessen Magnetpolen Induktionsleiter, vorzugsweise Induktionsspulen, derart zugeordnet sind, daß die Magnetpole und die Induktions­ leiter relativ zueinander bewegbar sind, und der einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, der vorzugsweise das Magnetpolsy­ stem trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetpolen (N, S) zugeordneten Induktionsleiter (a-h) an einem koaxial zum Rotor (13) drehbar gelagerten Anker (14) angeordnet sind, der zu dem Rotor (13) gegensinnig an­ treibbar ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor (13) und Anker (14) mit einer dem Betrage nach gleichen Winkelgeschwindigkeit antreibbar sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Stator (16), an dem den Magnetpolen (N, S) zugeordnete In­ duktionsleiter (1-12) angeordnet sind.

4. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch wenigstens einen zweiten, Induktionsleiter (a-h) tragenden Anker (14).

5. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (13) etwa trommelförmig ausgebildet ist und daß der Anker (14) ein um den Rotor (13) umlaufender Ring ist.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stator (16) einen die Induktionsleiter (1-12) tra­ genden Kranz aufweist, in dem der Rotor (13) und der Anker (14) koaxial angeordnet sind.

7. Generator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß als Induktionsleiter (1-12; a-h) Induktionsspulen vor­ gesehen sind, deren Spulenachsen radial zur gemeinsamen Rota­ tionsachse von Rotor (13) und Anker (14) ausgerichtet sind.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (13) und der Anker (14) weitge­ hend eben ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind.

9. Generator nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch wenigstens eine parallel zum Anker (14) und zum Rotor (13) an­ geordnete, Induktionsleiter (1-12) tragende Leiterebene des Stators (16), die derart angeordnet ist, daß sich der Anker (14) zwischen dem Rotor (13) und der Leiterebene befindet.

10. Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten des Rotors (13) jeweils ein Anker (14) und eine Leiterebene des Stators (16) angeordnet sind.

11. Generator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Induktionsleiter (1-12; a-h) Induktions­ spulen vorgesehen sind, deren Spulenachsen parallel zur gemein­ samen Rotationsachse von Rotor (13) und Anker (14) ausgerich­ tet sind.

12. Generator zu Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, der ein Magnetpolsystem aufweist, dessen Magnetpolen Induktionsleiter, vorzugsweise Induktionsspulen, derart zugeordnet sind, daß die Magnetpole und die Induktions­ leiter relativ zueinander bewegbar sind, und der einen drehbar gelagerten Rotor (13) aufweist, der vorzugsweise das Magnetpol­ system trägt, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er als Drehstromgenerator ausgebil­ det ist, dessen Stator (16) wenigstens einen aus drei Induk­ tionsleitern (1-12) bestehenden Leitersatz aufweist, wobei je­ weils zwei einander benachbarte Induktionsleiter (1-12) eines Leitersatzes um 120° zueinander versetzt angeordnet sind.

13. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 12, ohne Rückbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (14) ein ganzzahliges Vielfaches an Induktionsleitern (a-h) besitzt, als der Rotor (13) Magnetpole (N, S) aufweist, und daß der Anker (14) eine um dieses Vielfache kleinere Winkelgeschwindigkeit besitzt als der Rotor (13).