DE4027041A1 - Elektrischer generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein elektrischer Generator dient zur Umwandlung von mechani­ scher Energie in elektrischen Strom. Er wird auch als Wech­ selstromerzeuger oder Dynamo bezeichnet. Der Betrieb eines Generators beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Wenn ein Leiter durch ein magnetisches Feld bewegt wird, wird ein elektrischer Strom in dem Leiter induziert.

Ein Generator oder Wechselstromerzeuger besteht grundsätz­ lich aus zwei Teilen, nämlich dem Feld, das durch den Elek­ tromagnet mit seiner Wicklung gebildet wird, und dem Anker, der die Leiter trägt, die das magnetische Feld zerschneiden und den induzierten Strom in den Generator führen. Gewöhn­ lich ist der Anker ein Weicheisenkern in Schichtbauweise, auf den die Leiterdrähte in Windungen aufgewickelt sind. Ein einfacher Generator erzeugt einen elektrischen Strom, der die Richtung wechselt, während sich der Anker dreht. Oft ist es erwünscht, eine größtmögliche Spannung zu erzeugen, aber sich drehende Anker sind für solche Fälle wegen der mögli­ chen Funkenbildung zwischen den Bürsten und den Schleifrin­ gen und der Gefahr mechanischer Störungen, die Kurzschlüsse hervorrufen könnten, nicht geeignet. Wechselstromgeneratoren werden daher üblicherweise mit einem ortsfesten Anker ausge­ rüstet, innerhalb dem sich ein Rotor dreht, der aus einer Anzahl von Magneten besteht. In einem solchen Fall befindet sich das magnetische Feld in Bewegung, während die Leiter des Ankers stillstehen.

Der von einem herkömmlichen Wechselstromgenerator erzeugte Strom steigt auf einen Spitzenwert an, sinkt auf null ab, fällt auf einen negativen Spitzenwert und steigt wieder auf null mehrere Male pro Sekunde, je nachdem, für welche Fre­ quenz die Maschine ausgelegt ist. Ein solcher Strom ist als Einphasenwechselstrom bekannt. Wenn jedoch der Anker aus zwei Wicklungen besteht, die rechtwinklig zueinander an­ geordnet sind, und getrennte externe Anschlüsse aufwei­ sen, werden zwei Stromwellen erzeugt, von denen jede auf ihrem Maximum ist, wenn die andere null ist. Ein solcher Strom wird als Zweiphasenwechselstrom bezeichnet. Wenn drei Ankerwicklungen benutzt werden, wird ein Strom in Form einer Dreifachwelle, der als Dreiphasenwechselstrom bekannt ist, erzeugt. Eine noch größere Anzahl von Phasen kann durch Erhöhen der Anzahl von Wicklungen in dem Anker erhalten werden.

Herkömmliche Wechselstromgeneratoren, wie sie oben beschrie­ ben sind, werden in den unterschiedlichsten Industriezweigen zum Erzeugen von elektrischer Leistung eingesetzt. In der Anwendung werden aber solche Wechselstromgeneratoren durch ihr Gewicht und ihre Größe beschränkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Generator zu schaffen, der mehr elektrische Energie als herkömmliche Generatoren der gleichen Größe erzeugt. Außer­ dem soll der elektrische Generator in der Lage sein, ver­ schiedene Spannungen gleichzeitig zu erzeugen. Schließlich soll der Generator eine Einzelspannung erzeugen können, die höher ist als die von herkömmlichen Generatoren, die in Gewicht und in der Größe ähnlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Generator hat also ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, in dem ein äußerer Weicheisenkern angeordnet ist, der eine Vielzahl von Zähnen hat, die von ihm radial einwärts vorstehen. Um jeden Zahn des äußeren Kerns ist ein Draht herumgewickelt, um eine Spule zu bilden, und die Spulen sind untereinander und mit mindestens einem elektrischen Draht verbunden, der aus dem Gehäuse herausge­ führt ist, um die Elektrizität zu leiten, die in den Spulen induziert wird. Ein hohler zylindrischer Rotor, der aus Magneten gebildet ist, ist in dem Gehäuse drehbar, radial innerhalb des äußeren Kerns und koaxial zu ihm angeordnet. Ein Pol eines jeden Rotormagneten ist radial auswärts ge­ richtet, und der entgegengesetzte Pol ist radial einwärts gerichtet, wobei die Magnete so angeordnet sind, daß die auswärts und einwärts gerichteten magnetischen Felder sich um den Rotor herum abwechseln. Ein innerer Weicheisenkern ist mit dem Gehäuse verbunden und radial innerhalb des Rotors angeordnet. Der innere Kern hat eine Vielzahl von Zähnen, die von ihm radial auswärts vorstehen, wobei jeder Zahn eine Drahtwicklung um sich herum hat. Die Spulen des inneren Kerns sind untereinander und mit mindestens einem elektrischen Draht verbunden, der aus dem Gehäuse herausge­ führt ist, um die Elektrizität zu leiten, die in den Spulen des inneren Kerns induziert wird. Eine Riemenscheibe ist mit dem Rotor verbunden, um den Rotor und die Magnete zwischen dem inneren und äußeren Kern zu drehen. Die Riemenscheibe kann durch einen Treibriemen oder dergleichen angetrieben werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Magnete Elektromagnete und mit einem Paar Schleifringe elektrisch verbunden, die an einem Ende des Rotors angeordnet sind. Ein Paar elektrischer Bürsten, die an dem Gehäuse angeordnet sind, stehen mit den Schleifringen im elektrischen Kontakt, um Gleichstrom zu den Magneten zu leiten, um Elektromagnete aus ihnen zu machen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfin­ dungsgemäßen elektrischen Generators,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Bauteile des Generators und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 1, wobei ein Ende des Generators auseinandergezogen dargestellt ist.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die gleichen oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugs­ ziffern bezeichnet sind. In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße elektrische Generator global mit 10 bezeichnet. Er weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 auf, das auf einem Unterteil 14 montiert ist. Eine Riemenscheibe 16 ist an einem Ende, das als vorderes Ende 18 des Gehäuses 12 be­ zeichnet wird, angeordnet, und eine Rückwandplatte 20 ist an dem hinteren Ende 22 des Gehäuses 12 angeordnet.

Wie aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, hat das Gehäuse 12 einen zylindrischen Weicheisenkern 24, der darin angeord­ net ist und eine Reihe von Polen oder Zähnen 26 aufweist, die von ihm radial einwärts vorstehen, wie es bei herkömm­ lichen Generatoren üblich ist. Die Zähne 26 sind mit Leiter­ draht 28 umwickelt, um Spulen oder Wicklungen zu bilden, wie in Fig. 2 zu sehen und es ebenfalls üblich ist. Elektrische Drähte 30 sind mit den Leiterdrahtspulen 28 wie üblich verbunden und erstrecken sich durch die Rückwandplatte 20, um die in den Leiterdrähten 28 im Kern 24 induzierte Elek­ trizität zu leiten. Ein Rotor 32 ist aus einer Vielzahl von länglichen Magneten 34 ähnlich wie bei herkömmlichen Genera­ toren gebildet. Die Magente 34 sind so ausgerichtet, daß sie einen Hohlzylinder bilden, und sind parallel zueinander und voneinander beabstandet, wobei ihre äußeren Flächen, sich abwechselnde Pole haben, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Obwohl Dauermagneten verwendet werden könnten, werden Elektromagne­ te bevorzugt, wie weiter unten näher beschrieben werden wird. Die Magnete 34 sind zwischen einem Paar ringförmiger Lagerplatten 36 und 38 angeordnet.

Die Fig. 3 und 4 zeigen das vordere Ende des Generators in auseinandergezogener Form, um die Bauteile des Generators besser darzustellen. Die hintere Fläche der ringförmigen vorderen Lagerplatte 36 ist unmittelbar an den Magneten 34 angeordnet. Die vordere Fläche der Lagerplatte 36 hat einen inneren ringförmigen Flansch 40 und einen äußeren ringförmi­ gen Flansch 42, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Die Flansche 40 und 42 nehmen einen inneren Lagerring 44 bzw. einen äußeren Lagerring 46 auf, die an der Lagerplatte 36 in Fig. 3 gezeigt sind. Ein innerer und ein äußerer Gehäusering 48 bzw. 50 sind an dem vorderen Ende des Generators angeordnet, um den Rotor 32 zurückzuhalten. Ein ringförmiger Flansch 52 ist in der hinteren Außenkante des inneren Gehäuserings 48 gebildet und liegt an dem inneren Lagerring 44 an. Ein ringförmiger Flansch 54 ist entlang der inneren Hinterkante des äußeren Gehäuserings 50 gebildet und liegt an dem äuße­ ren Lagerring 46 an. Eine Vielzahl langer Schrauben 56 (siehe Fig. 4) erstrecken sich durch Bohrungen im äußeren Gehäusering 50 und dem Gehäuse 12 und sind in die Rückwand­ platte 20 gedreht, um den Generator zusammenzuhalten. Ferner sind lange Schrauben 58 durch Bohrungen im inneren Gehäuse­ ring 48, durch einen inneren Kern, der weiter unten näher beschrieben werden wird, und durch einen hinteren inneren Gehäusering 62 geführt und in die Rückwandplatte 20 gedreht.

Das hintere Ende des Rotors 32 weist ähnliche Bauteile auf, nämlich einen hinteren äußeren und inneren Gehäusering 60 bzw. 62, einen inneren und äußeren Lagerring 44 bzw. 46, die zwischen den Flanschen an dem inneren und äußeren Gehäuse­ ring und den Flanschen an der hinteren Lagerplatte 38 an­ geordnet sind. Außerdem sind ein innerer und ein äußerer elektrisch leitender Schleifring 64 bzw. 66, wie in Fig. 4 gezeigt, an der hinteren Fläche der hinteren Lagerplatte 38 angeordnet. Die Schleifringe 64 und 66 sind elektrisch voneinander isoliert und mit den sich abwechselnden inneren und äußeren Flächen der Magnete 34 elektrisch verbunden. Dadurch kann ein Gleichstrom einem Schleifring zugeführt und durch den entgegengesetzten Schleifring zurückgeführt wer­ den, um sich abwechselnde elektromagnetische Felder in jedem der Magnete 34 zu bilden. Jeder Magnet 34 ist so verdrahtet, daß er auf seiner äußeren Fläche eine Polarität erzeugt, die zu den Polaritäten der äußeren Flächen der beiden benach­ barten Magnete 34 entgegengesetzt ist. Ebenso ist die Pola­ rität der inneren Fläche eines jeden Magnets 34 entgegen­ gesetzt zu den Polaritäten der inneren Flächen der beiden benachbarten Magnete 34. Dadurch bewirkt die Drehung der Magnete 34, daß ein Wechselstrom in den Drahtspulen 28 und 72 auf dem äußeren und inneren Kern 24 bzw. 68, wie unten beschrieben, induziert wird. Die Magnete 34 werden durch ein Paar Bürsten 67 erregt, die auf der Innenseite der Rück­ wandplatte 20 angeordnet sind, so daß sie den Schleifring 64 bzw. 66 berühren.

Bei einem herkömmlichen Generator würde eine Welle in dem Gehäuse verlaufen und mit dem Rotor 32 verbunden sein, um den Rotor in dem Kern 24 zu drehen und Elektrizität zu erzeugen. Bei dem erfindungsgemäßen Generator wird dieser Raum für einen zweiten Weicheisenkern 68 benutzt, der die Form eines Hohlzylinders hat. Der innere Kern 68 ist in­ nerhalb des Rotors 32 angeordnet, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Der innere Kern 68 ist dem äußeren Kern 24 ähnlich und hat eine Vielzahl von Zähnen 70, die von ihm radial aus­ wärts vorstehen und von einem Leiterdraht 72 umwickelt sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch erzeugen die einwärts gerichteten Pole der Magnete 34 ein magnetisches Feld, das von den Drahtspulen 72 durchschnitten wird, und werden die auswärts gerichteten magnetischen Felder der Magnete 34 von den Drahtspulen 28 zerschnitten. Gleichzeitig ist der Gene­ rator innen hohl, wodurch das Gesamtgewicht des Generators vermindert ist. Ähnlich wie beim äußeren Kern erstrecken sich elektrische Drähte 74 von den gewickelten Leiterdrähten 72 durch die Rückwandplatte 20 und nach außen aus dem Gene­ rator heraus (siehe Fig. 2 und 4).

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist die Riemenschei­ be 16 an der vorderen Lagerplatte 36 und dadurch an dem Rotor 32 in dem Raum zwischen dem inneren und äußeren Gehäu­ sering 52 bzw. 54 angeordnet. Ein Riemen ist an der Riemen­ scheibe 16 angelegt und mit einer Kraftquelle verbunden, um den Rotor 32 mit der gewünschten Geschwindigkeit zu drehen.

Obwohl die Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels gezeigt und beschrieben wurde, können Änderungen gemacht werden, die im Bereich der Erfindung liegen. Bei­ spielsweise können die Leiterdrähte 72 und 28 an dem inneren und äußeren Kern 68 bzw. 24 in vielen verschiedenen Anord­ nungen gewickelt werden, um viele verschiedene Spannungen gleichzeitig mit dem gleichen Generator zu erzeugen. Die Spulen 72 und 28 können auch so gebildet werden, daß sie eine einzelne sehr große Spannung erzeugen, indem die von dem inneren und äußeren Kern 68 bzw. 24 erzeugten Spannungen vereinigt werden. Auch die Lagerringe 44 und 46 können abgewandelt werden, um den sich drehenden Rotor 32 zu la­ gern. Es ist somit ersichtlich, daß durch die vorliegende Erfindung mindestens alle der oben genannten Ziele erreicht werden.

Claims (5)

1. Elektrischer Generator mit einem hohlzylindrischen Gehäuse, einem an dem Gehäuse angeordneten äußeren Kern, der eine Vielzahl von Zähnen hat, die sich von ihm radial ein­ wärts erstrecken und mit einem elektrisch leitenden Draht umwickelt sind, um Spulen zu bilden, mindestens einem elek­ trischen Draht, der mit einer oder mehreren Spulen verbunden ist und aus dem Gehäuse heraus verläuft, um in den Spulen induzierte Elektrizität zu leiten, einem zylindrischen Rotor, der in dem Gehäuse drehbar, radial innerhalb des äußeren Kerns und koaxial zu dem Gehäuse angeordnet ist und eine Vielzahl von Magneten aufweist, von denen jeder ein radial auswärts gerichtetes magnetisches Feld erzeugt, und einer mit dem Rotor verbundenen Vorrichtung zum Drehen des Rotors, wobei Elektrizität in den Spulen induziert wird, wenn die magnetischen Felder der Magnete von den Spulen durchschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (32) hohlzylindrisch ist, jeder Magnet (34) auch ein radial einwärts gerichtetes magnetisches Feld mit entgegengesetzter Polarität erzeugt, ein innerer Kern (68) mit dem Gehäuse (12) verbunden und radial innerhalb des Rotors (32) angeord­ net ist und eine Vielzahl von Zähnen (70) hat, die von ihm radial auswärts vorstehen und mit einem elektrisch leitenden Draht umwickelt sind, um Spulen (72) zu bilden, mindestens ein elektrischer Draht (74) mit einer oder mehreren Spulen (72) des inneren Kerns (68) verbunden sind und aus dem Gehäuse (12) heraus verlaufen, um in den Spulen (72) des inneren Kerns (68) induzierte Elektrizität zu leiten, wobei Elektrizität auch in den Spulen (72) des inneren Kerns (68) induziert wird, wenn die magnetischen Felder der Magnete (34) von den Spulen (72) des inneren Kerns (68) durchschnit­ ten werden.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern (68) hohl und im wesentlichen zylin­ drisch ist.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (72) des inneren Kerns (68) auf die Zähne (70) so gewickelt sind, daß eine Spannung erzeugt wird, die von der Spannung des äußeren Kerns (28) verschieden ist, wenn sich der Rotor (32) dreht.

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (34) Elektromagnete sind.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter elektrisch leitender Schleif­ ring (64, 66) an dem Rotor (32) drehfest angeordnet sind, die Schleifringe (64, 66) elektrisch voneinander isoliert und mit den Magneten (34) so verbunden sind, daß ein an den Ringen (64, 66) angelegter Gleichstrom magnetische Felder erzeugt, ein Paar elektrischer Bürsten (67) an dem Gehäuse (12) angeordnet sind, wobei eine Bürste im elektrischen Kontakt mit dem ersten Schleifring (64) und die zweite Bürste im elektrischen Kontakt mit dem zweiten Schleifring (66) steht, und daß eine Gleichstromquelle mit den Bürsten (67) verbunden ist, um einen Stromfluß durch die Schleifrin­ ge (64, 66) zu den Magneten (34) zu erzeugen, während sich der Rotor (32) dreht.