DE4209568A1 - Induktor-Alternatoren - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich weitgehend auf Alternatoren, und insbesondere Induktor-Alternatoren.

Bei traditionellen Alternatoren, d. h., Alternatoren der Nicht-Induktor- Type, wie sie in Maschinen, wie z. B. Automobilen, angewendet werden, sind entweder bewegliche Leiter, die ein stationäres magnetisches Feld schneiden (Drehanker-Alternatoren), oder ein bewegliches magnetisches Feld, welches über stationäre Leiter bewegt wird (Drehfeld-Alternatoren), vorgesehen. In beiden dieser Fälle wird eine elektromotorische Kraft (EMK) in den Leitern oder den Ankerwicklungen erzeugt. Folglich schließen die herkömmlichen Alternatoren ein Feld, einen Anker oder eine Ausgangswicklung ein.

In einem Drehanker-Alternator ist im wesentlichen ein stationäres magnetisches Feld vorgesehen, üblicherweise durch den Strom in den Feldspulen. Der als Rotor wirkende Anker dreht in dem magnetischen Feld, und schneidet dadurch die Linien des Magnetflusses, wodurch in den Ankerwicklungen eine EMK induziert wird, welche einen Strom treibt. In einem Drehfeld-Alternator ist diese Anordnung umgekehrt. Die Ankerwicklungen sind fest am Stator und das Feld wird im Rotor erzeugt. Mit dem drehenden Rotor ändert sich der Fluß in den Ankerwicklungen, und eine EMK wird an den im wesentlichen festen Ankerwicklungen induziert. Allgemein benötigten herkömmliche Alternatoren elektrische Verbindungen zwischen dem bewegten Rotor und der feststehenden Struktur des Alternators. Im Falle von Drehfeld-Alternatoren ist diese Verbindung notwendig zur Versorgung der Feldspulen mit Strom zur Erzeugung des Magnetfelds: im Falle von Drehanker- Alternatoren ist es erforderlich, den Ausgangsstrom zu tragen. Die an sich gebräuchlichen Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Rotor in einem Alternator besteht in der Anordnung von Bürsten an der feststehenden Struktur des Alternators, die in Kontakt mit Schleifringen am Rotor gehalten werden. Die Bürsten und Schleifringe haben eine Anzahl Nachteile: sie unterliegen ständigem Verschleiß, erhöhen die Wartungserfordernisse der Alternatoren; der Verschleiß und die Friktion führen zu häufigen Ausfällen der Alternatoren; sie bilden oft einen limitierenden Faktor für die Drehzahl der Alternatoren.

Bei den herkömmlichen Induktor-Alternatoren rotiert weder das Feld- noch dieAusgangswicklung: beide, die Feldspulen (oder das permanentmagnetische Material) und die Ausgangswicklungen sind am Stator angebaut. Eine EMK wird in den Ausgangswicklungen durch periodische Wechsel im Magnetfluß durch die Wicklungen induziert, hervorgerufen durch entsprechende Wechsel in der Reluktanz im magnetischen Nebenstromkreis, der den Magnetfluß durch die Wicklungen trägt. Die Reluktanz wird bestimmt durch die Form des Rotors relativ zum Stator. Wenn sich der Rotor bewegt, erzeugt er, beruhend auf oder gegeben durch diese Form, Wechsel oder Pulsationen in der Reluktanz der lokalen Nebenstromkreise des den Fluß tragenden Gesamt-Magnetkreises. Der Rotor dient nur als ein Teil des Magnetkreises oder Kraftflußweges des Alternators und trägt somit keine Spulen oder Wicklungen. Folglich besteht hier nicht die Notwendigkeit elektrischer Verbindungen mit dem Rotor, und damit sind solche Einrichtungen, wie Bürsten und Schleifringe, eliminiert.

Generell können Induktor-Alternatoren in zwei Kategorien unterteilt werden. Wenn die Richtung des Magnetflusses durch jede Sektion des Rotors dieselbe bleibt, wenn der Rotor dreht, wird die Maschine als Homopolar- oder Gleichpol-Induktor-Alternator bezeichnet. Wenn die Richtung des Flusses in Sektionen des Rotors wechselt, wenn dieser sich dreht, ist die Maschine ein Heteropol- oder Wechselpol-Induktor- Alternator. Der derzeitige Stand der Technik, sofern er ermittelt wurde, ist beispielsweise dargestellt durch Timing Devices in US-PS 36 34 743, und Relays, wie in US-PS 30 36 248. Infolge Nichtvorhandenseins eines analogen oder sachdienlichen Standes der Technik sei auf Fachbücher, wie "Alternating Current Machines 3", von M. G. Say (1976), "Electromagnetic Electromechanical Machines" von Leonard W. Matsch (1977) und "Electrical Machines", von A. Draper (1967) verwiesen. Wie in diesen Texten hervorgeht, sind die den Magnetfluß im Alternator erzeugenden Feldspulen im Stator angrenzend den Statorkernen angeordnet. Die Wechselstrom-Ausgangswicklungen sind an den Statorkernen nächst dem jeweiligen Luftspalt zwischen desselben und dem Rotor festgelegt. Wie in jedem Alternator, ist der Weg geringster Reluktanz für den Magnetfluß durch den Rotor. Die Reluktanz des Flußweges oder Magnetkreises spielt eine Rolle erster Ordnung bezüglich der Größe oder Bemessung des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor (vorausgesetzt selbstverständlich, daß die magnetische Flußdichte nicht in einigen Teilen des Magnetkreises durch magnetische Sättigung begrenzt wird). In der Regel ist die Oberfläche des Rotors nächst dem Stator mit Zähnen versehen, die zwischen sich jeweils einen Spalt ausbilden. (Wenn angestrebt, können diese Spalte mit einem magnetisch armen Material ausgefüllt werden, um so eine gleichförmige glatte Oberfläche auf dem Rotor zu erzielen, und die Luftreibung zu reduzieren oder um die konstruktionstechnische Festigkeit zu erhöhen). Der Weg oder Pfad der geringsten Reluktanz zwischen dem Stator und dem Rotor, den der größte Teil des Magnetflusses passiert, ist durch die kurzen Luftspalte zwischen den Stator- und Rotorzähnen. Weit weniger erfolgt der Magnetfluß durch die größeren Luftspalte im Bereich der Schlitze zwischen Rotorzähnen, wo die Reluktanz weit größer ist. Wenn der Rotor dreht, kommen dessen Schlitze oder Nuten abwechselnd in Positionen gegenüberliegend Sektionen der Statorkerne und bewirken damit den Magnetfluß durch diese Sektionen und erfahren so periodische Variationen, wodurch eine EMK in der dort jeweils angeordneten Ausgangswicklung induziert wird.

In einigen Induktor-Alternatoren weist der Rotor als auch der Stator Spalte und Zähne auf. In diesen Maschinen fließt hier der größte Teil des Magnetflusses durch die Stator- und Rotorzähne, die miteinander ausgerichtet sind. Derartige gezahnte Statormaschinen werden zur Erzeugung einer Hochfrequenz verwendet ohne die Erfordernis engabständlicher Ausgangswicklungen. Die Steigung der Ausgangswicklung auf den Statorkernen anderer Induktor-Alternatoren ist den Rotorzähnen angepaßt.

Induktor-Alternatoren wurden zur Erzeugung von Hochfrequenzleistung dort verwendet, wo strukturelle Grenzen gesetzt waren oder Drehzahlbegrenzungen (die oft von Bürsten und Schleifringen verursacht wurden) die traditionellen Alternatoren unzweckmäßig machten. Die Induktor- Alternatoren wurden auch mit Antrieben mit hohen Drehzahlen, (wie Gasturbinen) verwendet, wo traditionelle Nicht-Induktor-Alternatoren schwere und kostenintensive Untersetzungsgetriebe erforderlich machen würden. Traditionelle Nicht-Induktor-Alternatoren wurden in der Regel gegenüber Induktor-Alternatoren für die niedrigen und moderaten Drehzahlen-Anwendungen bevorzugt, und dies trotz der Nachteile durch Bürsten und Schleifringe. Anders als bei den traditionellen Nicht-Induktor-Alternatoren wechselt der Fluß durch die Ausgangswicklungen in einem Induktor-Alternator nicht die Richtung, sondern verändert sich nur zwischen einem Minimum und einem Maximum gleicher Polarität. Folglich, alle Dinge ausgeglichen, ein Induktor- Alternator hat ungefähr die halbe EMK-Abgabe gegenüber einem traditionellen Alternator ähnlicher Größe bei gleicher Drehzahl.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Vielfalt Induktor-Alternatoren vor, die Induktor-Alternatoren für Anwendungen in niedrigen und moderaten Drehzahlbereichen ersetzen können. Herkömmliche Wege oder Methoden, einen Nicht-Induktor-Alternator in Anwendungen mit derart niedrigen und moderaten Drehzahlen zu ersetzen, schlossen die Vergrößerung der Abmessungen des Induktor-Alternators, oder eine Erhöhung der Drehzahl auf ungefähr das Zweifache eines vergleichbaren Nicht-Induktor-Alternators ein. Die erstere Lösung hat den Nachteil größerer Abmessungen und höherer Kosten, während die zweite Lösung in der Regel zu Schwierigkeiten mit den Drehlagern und Übersetzungsgetrieben führte. Diese Erfindung überwindet beide dieser Nachteile.

Eine Type des Induktor-Alternators schließt einen den Rotor umgreifenden Stator und einen zur Drehung im Stator ausgelegten Rotor ein. Wicklungen sind für die Erzeugung eines Magnetflusses in einem Magnetkreis durch den Stator, über zum Rotor, durch den Rotor und zurück zum Stator ausgelegt. Abständliche Induktorzähne am Rotorumfang sind derart angeordnet, daß der Weg geringster Reluktanz für den Magnetfluß durch diese Zähne führt. Die Ausgangswicklungen innerhalb des Stators übertragen die abgegebene Leistung darin induziert, wie die Flußdichte durch die Wicklungen wechselt von einem Maximum zu einem Minimum so, wie die Fluß-Nebenkreise durch die Wicklungen abwechselnd dies ausführen, und keine Rotorzähne einschließen. Eine elektromotorische Kraft wird durch diese Magnetfluß-Variation induziert. Dieser Induktor-Alternator wird hierin durch die Verwendung eines Stators verbessert, der den Rotor nicht umschließt. Die Verbesserung umfaßt die Kombination eines Rotors, und zwar mit einem Statorsegment, ausgelegt einen Magnetflußkreis durch einen Sektor des Rotors zu bilden, und Mitteln, das Statorsegment mit einem Rotorsektor zu koppeln, so daß die Rotorzähne der Weg der geringsten Reluktanz für den Magnetfluß ist, induzierend eine elektromotorische Kraft bei drehendem Rotor. Ein solcher Induktor-Alternator hat einen großen Anwendungsbereich, der herkömmlichen Alternatoren nicht zugängig ist.

In traditionellen Drehfeld- oder Drehanker-Alternatoren variiert die Magnetflußdichte durch einen Anker kennzeichnend von einem Maximalwert B zu einem Minimalwert gleicher Größenordnung, jedoch umgekehrter Polarität, -B. Dies ergibt eine Gesamt-Doppelspitzen-Amplitude von 2B in den Flußdichte- oder Induktionszyklen. In einem herkömmlichen Induktor-Alternator variiert diese Magnetflußdichte durch eine Sektion Ankerwicklungen von einem Maximalwert B zu einem Minimalwert b gleicher Polarität, was eine Amplitude von B-b ergibt. Die Minimum- Flußdichte b ist kennzeichnend sehr nahe an Null, wodurch sich eine Doppelspitzen-Amplitude für die Flußdichtezyklen von annähernd B ergibt. Da die Größenordnung von B kennzeichnend durch die magnetischen Sättigungseigenschaften des in den Magnetkreisen verwendeten Materials bestimmt wird, ist die Amplitude der Flußdichtezyklen in einem Induktor-Alternator kennzeichnend die Hälfte dessen eines vergleichbaren traditionellen Alternators. Das heißt, daß der Induktor- Alternator von nur der Hälfte der Leistungsabgabe des traditionellen Alternators hat. Trotzdem sind die Induktor-Alternatoren im besonderen für Anwendungen im Bereich hoher Drehzahlen geeignet, in welchem traditionelle Alternatoren durch deren Bürsten und Schleifringe nur beschränkt einsatzfähig sind. Die Induktor-Alternatoren werden auch in der Hochfrequenz vorgesehen, wo die erforderliche größere Anzahl an Polpaaren und Wicklungen sich für einen traditionellen Alternator von selbst verbietet. Die in der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Alternatoren erfüllen nicht nur diese Erfordernisse, sondern viele andere, für die frühere Induktor-Alternatoren nicht eingesetzt werden konnten.

Die vorhergehend generell erläuterte Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Gleichpol- Induktor-Alternators;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Wechselpol- Induktor-Alternators;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Gleichpol-Induktor- Alternators der Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung einer bevorzugten Form eines Gleichpol-Induktor- Alternators dieser Erfindung;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht des Induktor-Alternators der Fig. 4;

Fig. 6 eine Ausführungsform eines Rotors des Induktor-Alternators mit einer Zahnform, die den Wirbelstrom reduziert:

Fig. 7 eine teilweise schematische Ansicht eines Wechselpol-Induktor- Alternators dieser Erfindung:

Fig. 8 und 9 eine spezielle Ausführungsform des Induktor-Alternators dieser Erfindung.

Wie bereits vorhergehend erläutert, bestehen herkömmliche Induktor- Alternatoren aus einem den Rotor umschließenden Stator. Sofern bekannt, ist der Rotor generell vom Stator eingeschlossen. Die Erfindung setzt aus von Induktor-Alternatoren, in denen der Rotor nicht vom Stator eingeschlossen ist, was eine geringaufwendige Verwendung von Rotoren mit einem vergleichsweise großen Radius und entsprechend hoher Umfangsgeschwindigkeit für eine gegebene Drehzahl erlaubt.

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Kombination eines Rotors (1), mit einem Stator (2), ausgelegt für die Koppelung mit lediglich einem Teil des Rotorumfangs. Folglich kann in der bevorzugten Ausführungsform der einfachste Teil eines solchen Induktor-Alternators, nämlich der Rotor, zur Erhöhung der Leistungsabgabe bei niedrigen Drehzahlen vergrößert werden, während der schwerste, komplizierteste und teuerste Teil, der Stator, klein gehalten werden kann. Im wesentlichen wird durch den Rotor mit großem Radius ein andererseits normal-dimensionierter Induktor-Alternator ohne die Verwendung von Getrieben, Riemen und Scheiben oder anderen mechanischen Einrichtungen "hochgestuft". Letztlich ermöglicht diese Type eines Induktor- Alternators ein gewisses Niveau für Konstruktions-Flexibilität, was das Ein- oder Angliedern in bzw. an andere rotierende Maschinenelemente, wie Motor-Schwungräder, erleichtert.

Die Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen gleichpoligen Induktor-Alternator 2, ausgestattet mit einem Stator 4 und einem Rotor 6. Es kann daraus ersehen werden, daß der Stator 4 den Rotor 6 vollständig umschließt. Der Induktor-Alternator 2 wird mit zwei lamellierten Statorkernen 8 und 10, wie in Fig. 3 dargestellt, gefertigt. Außerdem sind zwei Sätze Induktor-Rotorzähne 12 und 14 vorgesehen, wovon nur einer 12 in der Fig. 1 sichtbar ist. Die Statorkerne 8 und 10 (Fig. 3) tragen die Ausgangswicklungen 16 und 18. Die Feldwicklung 20 besteht aus einer konzentrisch mit der Maschinen-Achse ausgerichteten Spule zur Erzeugung eines unidirektionalen Flußpfades 22 durch beide, den Stator 4 und den Rotor 6, verbindend die Ausgangswicklungen 16, 18. Der größte Teil des von der Feldwicklung 20 erzeugten Magnetflusses fließt durch den Rotor 6 über die Zähne 12 und 14 wie in Fig. 3 gezeigt. Die Steigung der Ausgangswicklungen 16 und 18 ist derart ausgelegt, daß, wenn dieser Rotor 6 dreht, der Magnetfluß durch den Rotor über die Zähne 12 und 14 zyklisch wird. Der Magnetfluß insgesamt durch Rotor 6 und Stator 4 bleibt bei drehendem Rotor in etwa konstant, wodurch jede Reaktion in der Feldspule 20 auf einem Minimum gehalten wird.

Ein herkömmlicher wechselpoliger Induktor-Alternator 30 ist in der Fig. 2 gezeigt. Der Induktor-Alternator ist auch mit einem Gehäuse 32, einem Stator 34, sowie Feldwicklungen 36 und Ausgangswicklungen 38 versehen. Im Gegensatz zu den Feldwicklungen 20 in einer gleichpoligen Maschine, wie der Alternator 2, sind die Feldwicklungen 30 in Spulen 36 in speziellen Statornuten aufgeteilt. Diese Feldspulen sind nicht konzentrisch zur Alternatorwelle ausgerichtet, und die Polarität des Magnetflusses durch die Induktorzähne 37 variiert mit der Rotordrehung. Wie in einem gleichpoligen Induktor-Alternator, hängt der Magnetfluß durch jeden Punkt auf der Oberfläche des Statorkerns nächst dem Rotor von der lokalen Reluktanz des Magnetkreises ab, die eine Rolle erster Ordnung zur Bestimmung der Größe des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor an diesem Punkt spielt. Folglich variiert der Magnetfluß durch jeden Punkt, von einem Maximum, wenn gegenüberliegend einem Zahn, zu einem Minimum, wenn dann gegenüberliegend einem Luftspalt 40. Der örtliche Magnetfluß durchläuft einen kompletten Zyklus und zwar jedesmal wenn der Rotor sich durch eine Rotor-Zahnteilung bewegt. Wenn der Rotor dreht, verläuft der lokale Magnetfluß in jedem dieser magnetischen Nebenkreise zyklisch, und eine entsprechend zyklische EMK wird auch in den Ausgangswicklungen 38 induziert, die so nah als möglich zur Oberfläche des Stators nächst dem Rotor plaziert sind, wo der örtliche Magnetfluß am stärksten variiert.

Die Ausgangs-EMK steht im direkten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit des Rotors. Die Erhöhung der Geschwindigkeit wird in erster Linie die Ausgangs-EMK des Alternators proportional erhöhen. Wie in der vorhergehenden Beschreibung erläutert, erzeugt ein Induktor-Alternator in etwa die Hälfte der Ausgangsleistung eines vergleichbaren traditionellen Alternators gleicher Größe. Wenn, z. B., ein traditioneller Drehfeld-Alternator durch einen herkömmlichen Induktor-Alternator in etwa gleicher Größe ersetzt würde, so müßte dieser mit in etwa der zweifachen Drehzahl angetrieben werden, um die gleiche Leistung abzugeben. Ein derartiger Lösungsweg hat viele Nachteile zur Folge, wie sorgfältiger ausgewählte oder teuere Drehlager und extra Getriebe. In vielen Einsatzbereichen werden diese Nachteile aufgewogen durch die inhärenten Vorteile eines Induktor- Alternators. Ein großer Induktor-Alternator könnte mit der gleichen Drehzahl arbeitend eingesetzt werden wie eine Drehfeldmaschine, jedoch nur mit den Nachteilen eines höheren Gewichts und höherer Kosten.

In der praktischen Ausübung dieser Erfindung kann ein Induktor-Alternator, eher als ein reiner Alternator, vergrößert werden. Der an sich einfachste Teil des Induktor-Alternators ist der Rotor. Durch diese Erfindung kann der Rotor in seiner Größe oder seinen Dimensionen verdoppelt werden, wobei die Größe des jeweiligen Stators konstant bleibt. Die Form des Stators ist modifiziert, und der Stator mit einem Teil oder Sektor des Umfangs des Rotors in einem koppelnden Eingriff. Der Induktor-Alternator wird folglich zu einem aus Segmenten gebildeten Stator-Induktor-Alternator, worin dann der Rotor nicht mehr vollständig vom Stator eingeschlossen ist. Durch die erhöhte Umfangsgeschwindigkeit hat eine solche Maschine eine Leistungsabgabe, vergleichbar mit dem Drehfeld-Alternator bei gleicher Drehzahl, und, bei nur einer relativ geringen Gewichtszunahme. In der Weiterverfolgung der Lehren dieser Erfindung, kann dieser Rotor auch noch größer gemacht werden und das Statorsegment in seinen Dimensionen verkleinert werden, bis eine optimale Konstruktion für eine bestimmte Anwendung erreicht ist. Diese Erfindung bietet damit einen neuen Grad an Freizügigkeit in der Konstruktion von Alternatoren.

Ein bevorzugter Induktor-Alternator dieser Erfindung mit einem Statorsegment, welches mit nur einem Sektor des Rotors gekoppelt ist, zeigt die Fig. 4. Der Rotor 52 weist Zähne 54 und Spalte auf, wie in anderen Induktor-Alternatoren. Wie jedoch daraus zu ersehen ist, umschließt der Stator 50 nicht den Rotor 52. Eine Feldwicklung 56 ist, wie gezeigt, am Stator 50 festgelegt. In der in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform, läuft ein flacher Rotor 52 in einer Öffnung oder einem Spalt 55 in einem C-förmig ausgebildeten Stator 50. Während ein Rotor, wie der mit Bezugsziffer 6 in Fig. 1 auch für einen Alternator dieser Erfindung verwendet werden kann, ist doch diese flache Ausführungsform weniger komplex und billiger für eine bestimmte Größe eines Rotors. Die in der Fig. 5 sichtbare Feldspule 56 umgreift den Stator gegenüberliegend dem Spalt 55. Der Magnetflußpfad verläuft dann um den Stator herum, wie dies gezeigt ist mit dem größten Teil des Magnetflusses über den Spalt 55 durch die Rotorzähne 54, welches der Pfad der geringsten Reluktanz ist. Ein sehr geringer Teil des Magnetflusses überbrückt die größeren Luftspalte zwischen den Zähnen. Wie in anderen Induktor-Alternatoren, wenn der Rotor dreht, verändert sich die lokale magnetische Flußdichte nächst der Spalte und eine EMK wird dadurch in den Ausgangswicklungen induziert. Die Ausgangswicklungen 58 sind nächst einer oder beider Stirnseiten des Stators 50 in der Nähe des Spaltes 55 angeordnet wo die Änderungen der Flußdichte am größten sind. Der Stator 50 ist so ausgelegt, daß er die Reaktion in der Feldspule auf ein Minimum zurückführt durch Aufrechterhaltung in etwa der gleichen Total-Reaktanz im Gesamt-Magnetkreis, wenn die Einrichtung arbeitet. Grundsätzlich erfordert dies, daß hier eine gleiche Anzahl an Zähnen und Zwischenräumen zwischen den Zähnen immer überlappend sind, obwohl die Auswirkungen der magnetischen Streuflußbildung in der Konstruktion u. a. auch in Betracht gezogen werden sollten.

Da nun, wenn der Rotor dreht, die Zähne am Rotor sich ein und aus dem Statorspalt 55 und folglich in und aus dem Magnetfeld bewegen, ist die Tendenz vorhanden, daß Wirbelströme an den Rotorzähnen erzeugt werden. Die durch die Wirbelströme entstehenden Verluste können reduziert werden, indem Kernwerkstoffe oder lamelliertes Material für die Rotorzähne zur Verwendung kommt, was an sich auf diesem Fachgebiet bekannt ist. Eine alternative Methode, die für einige Anwendungsbereiche zu bevorzugen wäre, ist die, in die Rotorzähne schmale radiale Schlitze einzuarbeiten, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Das Problem der Wirbelströme muß auch in der Statorkonstruktion in Betracht gezogen werden, welche auch aus magnetischen Kernwerkstoffen bestehen sollte. Eine Ausnahme besteht allerdings hier, und zwar ist dies der Teil des Stators nächst der oder eingeschlossen von der Feldspule. Dieser Teil kann, wenn erforderlich, aus massivem leitfähigen Material bestehen. Alle darin induzierten Ströme neigen hauptsächlich zu einer Dämpfung der Reaktion in der Feldspule. Spezielle Dämpfungsspulen können, wenn erforderlich auf die gleiche Weise eingesetzt werden.

Der in der Fig. 4 gezeigte Alternator ist ein gleichpoliger Induktor- Alternator in seiner Ausführungsform, da die Richtung des Magnetflusses in die Rotorzähne nicht wechselt, während sie koppelnd in Eingriff sind. Einen wechselpoligen Induktor-Alternator 60 zeigt die Fig. 7, mit seinem Statorsegment 62, dem Rotor 64, multipolaren Magnetflußpfaden 61, der Feldspule 65 und den Ausgangswicklungen 68 fällt er auch unter das Schutzbegehren der vorliegenden Erfindung.

Wie hierzu zu bemerken ist, ist die Größe des Statorsegments ausreichend für eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit zur Erzeugung einer geforderten induzierten elektromotorischen Kraft. Obwohl eine solche EMK-Bestimmung an sich auf diesem Fachgebiet bekannt ist, soll nachfolgend ein spezifisches Beispiel gegeben werden.

Es wird dazu ein Induktor-Alternator mit einem segmentförmigen Stator, wie in der Fig. 4 dargestellt, in Betracht gezogen, mit einem Rotordurchmesser von 30,5 cm (in etwa der eines Automobilschwungrades), was einen Umfang von 96 cm ergibt. Dieser Rotor weist Zähne von annähernd 2 cm×2 cm Fläche mit ähnlich dimensionierten spaltenförmigen Zwischenräumen zwischen den Zähnen auf, was insgesamt 24 Zähne und 24 Zwischenräume um den Umfang ergibt. Die genaue Form und die relativen Fläche der Zähne und Spalten kann variieren mit den verschiedenen Alternator-Konstruktionen. Die Zähne und Spalten können z. B. so geformt sein, eine bestimmte Ausgangswellenform unter bestimmten Lastkonditionen zu erzeugen. Zum Zweck dieser Berechnung wird davon ausgegangen, daß alle Wellenformen approximiert werden können durch eine einfache Sinuswelle. Die allgemeine Formel für die Leerlauf-EMK, V, induziert um einen geschlossenen Kreis, ist

worin Φ der Magnetfluß ist, koppelnd den elektrischen Kreis. Unter Annahme der Fluß kann approximiert werden durch eine Sinuswelle, und der Ausgangsstromkreis besteht aus N Windungen um den Magnetflußpfad,

Φ=NΦ₀sin (2πft+ϕ) (2)

worin Φ₀ ist die Amplitude des Magnetflusses durch den Flußpfad, f ist die Frequenz, und eine beliebige Phasenkonstante. Wenn B ist die effektive Amplitude der magnetischen Flußdichte,

Φ₀=B₀A (3)

worin A ist die Querschnittsfläche des Magnetflußpfades. Dies ergibt eine Spannungs-Amplitude von

V₀=2πNfB₀A (4)

oder eine Effektivwert-Amplitude von

V_rms=√πNfB₀A (5)

In einem Induktor-Alternator variiert der Fluß von einem Maximum B zu einem Minium b, und die effektive Flußdichte-Amplitude ist hier

worin b ist klein. Die meisten in Alternatoren verwendeten Materialien sättigen bei einer Magnetflußdichte von wesentlich über 1 Tesla. Deshalb würde eine zurückhaltende Schätzung der Amplitude der Flußdichte- Schwankungen bei 0,5 Tesla liegen. Unter Verwendung der Formel (3), mit dem Stator drei Paar Zähne und Spalten überlappend, würde voll aktive Fläche des Alternators 24 cm² (0,0024 m²) sein, was eine Gesamt-Flußamplitude durch den Magnetkreis von =0,0012 Webbers ergibt.

Mit einer Wellendrehzahl von 500 U/min wird eine Frequenz von f= 200 Hz erzeugt. Durch die Gleichung (5) mit einer Ausgangswicklung von N=15 Windungen ergibt dies eine effektive Leerlaufspannung von V---=16,0 Volt. Die obige Berechnung kann verallgemeinert werden zu einer arbiträren periodischen Wellenform unter Verwendung der Fourier-Analyse.

Es wurde besonderer Wert darauf gelegt, daß ein bevorzugter Aspekt dieser Erfindung sich auf die Einbeziehung des Rotors des Induktor- Alternators in einen existierenden rotierenden Bauteil einer Maschine gerichtet ist. Die Verwendung eines Statorsegments macht dies ausführbar. Die letztliche Gesamtgröße des Alternators wird nicht allein des zur Verwendung kommenden rotierenden Elements bestimmt. Darüberhinaus schränkt ein segmentförmiger Stator nicht den Zugang für die Unterhaltung oder Reparaturen in der Weise ein, wie es bei einem Vollstator der Fall ist.

Das Integrieren des Rotors eines Induktor-Alternators mit einem rotierenden Element in seine Antriebsmaschine bietet signifikante Vorteile in vielen Anwendungsbereichen. Ein gutes Beispiel ist hier das Schwungrad an einer Verbrennungs-Kraftmaschine, welches modifiziert als Rotor für einen segmentförmigen Stator eines Induktor-Alternators dieser Erfindung dienen kann. Die meisten dieser Maschinen erfordern einen Alternator oder Generator für zusätzliche elektrische Leistungen. Diese elektrische Leistung wird sehr oft von einer Drehfeld- oder Ankermaschine erzeugt, die am Motorblock angebaut ist und über Riemen und Riemenscheiben angetrieben wird. Die Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen alternativen Lösungsweg aufzeigt. Die für einen Induktor-Alternator erforderlichen Zähne sind in und um den Umfang des Schwungrades eingeformt. Eine Unterbringung in einem Gehäuse oder eine Ummantelung des gesamten Schwungrades würde sich verbieten und den Zugang zum Schwungrad in jeder Weise beschränken, und es würde dann ein Alternator mit einer für die meisten Erfordernisse überhöhten Leistungsabgabe unrichtigerweise vorgesehen. Unter Nutzung der vorliegenden Erfindung kann ein Statorsegment 90 vorgesehen werden. Auf diese Weise kann der Stator für den tatsächlich benötigten elektrischen Leistungsbedarf, die Motordrehzahl und auf die Größe des für den Motor benötigten Schwungrades ausgelegt werden. Der Zugang oder Zugriff zum Schwungrad ist dadurch nur minimal behindert und dieser Stator kann an das Schwungradgehäuse an jeder beliebigen Stelle z. B. ohne Behinderung des Anlassers angebaut werden. Die Konstruktion selbst reduziert den Raumbedarf des Motors insgesamt durch den Wegfall der sperrigen Anhängsel eines separaten Alternators. Es steigert auch die Zuverlässigkeit durch Wegfall der Riemen, Riemenscheiben, separaten Alternator- Drehlagern sowie Bürsten und Schleifringen.

Der Induktions-Alternator mit segmentförmigem Stator der vorliegenden Erfindung, dessen Stator nur mit einem Sektor des Rotor in Eingriff kommt, kann die traditionellen Alternatoren in vielen Anwendungsbereichen mit niedrigen Drehzahlen ersetzen. Der am meisten herausragende Vorteil des Induktor-Alternators ist die Eliminierung von Bürsten und Schleifringen. Diese Teile unterliegen dem Verschleiß und der Korrosion, und erfordern oft periodisch Ersatz. Diese Teile sind auch die Hauptursache für Ausfallzeiten, Versagen und Fehler in diesen Alternatoren. Sie neigen auch zur Funkenbildung, was in potentiell explosiver Umgebung ein Sicherheitsrisiko darstellt, sie produzieren Ozon, was wiederum eine Umweltgefährdung darstellt. Alle diese Probleme können durch die Verwendung des hiermit zur Verfügung stehenden Induktor-Alternators eliminiert werden. Letztlich, durch Eingliedern des Rotors in die Struktur verschiedener anderer rotierender Elemente einer Antriebsmaschine, kann die Verwendung eines Segmentstator- Induktor-Alternators die Notwendigkeit für separate Alternator- Drehlager und der verschiedenen Antriebsmittel, wie Getriebe oder Riemen und Riemenscheiben, eliminiert werden, was die Zuverlässigkeit dieses Alternator-Systems steigert und die Instandhaltungsarbeiten reduziert. Dies kann auch zu einer kompakteren und leichteren Maschineneinheit führen, und auch die Produktionskosten senken.

Zusammenfassend, wie vorhergehend beschrieben, bestehen Induktor-Alternatoren gewöhnlich aus einem den Rotor umschließenden Stator. Dies ist hier nicht der Fall. Diese Type zeigt eine Linie der konstruktiven Ausführungs- und Einsatz-Flexibilität auf, die es ermöglicht, den Rotor in oder an anderen rotierenden Maschinenelementen, wie Schwungräder oder -scheiben, Getrieben, Turbinenrotoren oder Bremsscheiben an- oder einzugliedern. Es ist möglich, einen mehrphasigen Ausgang mit einem Segmentstator zu erzielen. Dies kann durchgeführt werden, indem wie in der Praxis mit herkömmlichen Alternatoren, durch eine entsprechende Anzahl Spulensätze am Stator, die versetzt zueinander angeordnet werden. Es kann auch auf andere Weise erfolgen, indem dann für jede Phase ein separater Stator mit jeweils einer Spule vorgesehen wird. Der Anbau dieser Statoren erfolgt dann physikalisch versetzt um den Rotor. In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung, wie in Fig. 8 gezeigt, wird ein Rotor 80 eingesetzt, dessen Zähne 82 senkrecht zum rotierenden Teil ausgerichtet sind. Eine solche Ausführung, wenn eingegliedert in einem Maschinenteil, läßt die äußere Kante frei für andere Verwendung. Es kann auch aus der obigen Beschreibung entnommen werden, daß ein Großteil des Rotors, einschließlich des mittigen Teils, nicht als Teil des Magnetkreises genutzt wird, und somit keine magnetischen Eigenschaften haben muß. Diese Teile könnten z. B. aus Plastik (Kunststoff) bestehen. Folglich ist der Bereich der Maschinenelemente, denen ein Rotor zugeordnet werden kann, nicht beschränkt auf jene aus magnetischem Material. Der Alternator kann auch als ein Drehzahlsensor oder -meßgerät verwendet werden. Die Zyklen können pro Zeiteinheit zur Erfassung der Drehzahl einfach gezählt werden, oder mit einer stabilen Feldstärke, die Ausgangs-EMK ist proportional zur Drehzahl. Für diese Anwendungen kann der Stator wesentlich kleiner ausgeführt werden, da er lediglich einen Zahn und einen Spalt erfaßt. Wie mit den meisten rotierenden elektrischen Maschinen, kann diese Type eines Induktor-Alternators auch als eine Linearmaschine gebaut werden. Diese und andere Vorteile und Modifikationen werden als innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung beansprucht.

Claims (14)

1. Induktor-Alternator zur Erzeugung von Energie, wo die Umgebungsverhältnisse gegen verfügbare Alternatoren sprechen, die einen vom Stator voll umschlossenen Rotor aufweisen, gekennzeichnet durch (a) einen Rotor mit einem gegenüber entsprechenden verfügbaren umschlossenen Rotoren relativ großen Radius und damit entsprechend höherer Umfangsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Drehzahl, wobei der Rotor eine Vielzahl abständlich voneinander angeordneter Rotorzähne aufweist, die bei der Drehung des Rotors einen Kreis oder Kreisring beschreiben, (b) einen Stator, der nur einen Sektor des Rotors zugekehrt ausgebildet ist anstelle den Rotor zu umschließen, wobei der Stator die Form eines Segments hat, angeordnet angrenzend dem Rotor und jeweils nur mit einem Bogen des beschriebenen Kreises oder Kreisbogens in Eingriff stehend, (c) stationäre Feldspulen in Anordnung innerhalb des Stators zur Erzeugung eines einen Magnetkreis ausbildenden Magnetflusses durch Statorsegment und Rotor, mit dem Hauptmagnetflußpfad durch die Rotorzähne in dem Bogen des beschriebenen Kreises oder Kreisbogens, und (d) Ausgangswicklungen in Anordnung innerhalb des Stators nächst einer Stator- Stirnfläche, an der die Flußdichtewechsel am größten sind, wobei die Ausgangswicklungen für die Führung des Ausgangsstroms ausgelegt sind, der darin durch die aus der Bewegung der Rotorzähne durch den Stator hindurch resultierenden Flußänderungen induziert wird.

2. Induktor-Alternator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl Feldwicklungen einen Magnetfluß in einer Reihe Magnetkreise innerhalb des Stators erzeugen und eine Vielzahl Ausgangswicklungen den induzierten Strom übertragen.

3. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen so ausgelegt sind, einen in einer Richtung wirkenden Fluß in den Magnetkreisen zu zu erzeugen.

4. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen so ausgelegt sind, einen Fluß in den Magnetkreisen zu erzeugen, die entgegengerichtet sind.

5. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in einem Maschinenteil inkorporiert ist.

6. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil des Rotors aus einem nicht-magnetischen Material besteht, und der gezahnte Umfang aus einem magnetischen Material.

7. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Statorsegments ausreichend ausgelegt ist, gebend dem Rotor Umfangsgeschwindigkeit, Flußpfad-Reluktanz, Feldwicklungswindungen und Strom, um in Eingriff mit einer Anzahl Rotorzähnen zu kommen, die bestimmt sind, die erforderliche elektromagnetische Kraft und Strom zu erzeugen.

8. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Rotor zugeordnet erhaltende Maschinenelement direkt mit der Antriebswelle seiner Antriebsmaschine verbunden ist, wodurch ein separater Alternator, Alternator- Antriebsmittel und zugehörige Drehlager, Riemen und Scheiben eliminiert werden.

9. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Schwungrad oder eine Schwungscheibe ist.

10. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Getrieberad ist.

11. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Turbinen-Rotor ist.

12. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Bremsscheibe oder -trommel ist.

13. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Rad ist.

14. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Kupplungselement ist.