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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motor-Generator, umfassend
einen Rotor aus Permanentmagnetstücken, welcher drehbar in einem Statorgehäuse gelagert
ist, einen Stator, welcher die Außenseite des Rotors umgibt,
und Magnetwicklungen, welche jeweils an axial entgegengesetzten
Enden des Stators vorgesehen sind, um eine Spannung stabil zu halten.
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Moderne
und hochentwickelte Permanentmagneten mit hoher Leistungsfähigkeit
werden häufig
im Rotor von Motor-Generatoren verwendet. Da Motor-Generatoren mit
einer Rotorstruktur mit Permanentmagneten eine hohe Effizienz bezüglich ihrer elektromechanischen
Energieumwandlung sowie einen einfachen Aufbau aufweisen, werden
sie neuerdings verstärkt
in Industriemaschinen und Apparaten verschiedener Art verwendet.
Umfangreiche Forschung und Entwicklung haben dazu beigetragen, Motor-Generatoren kompakter
zu machen oder mit einer schlankeren Bauweise zu versehen, bei gleichzeitig
hoher Leistungsfähigkeit
und hoher Leistungsabgabe, so dass eine entsprechende Vielfalt von Bauteilen
und Komponenten notwendig war.
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Um
das Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten während des Betriebs von herkömmlichen
Motor-Generatoren zu erhöhen,
hat es sich als effektiv erwiesen, die Stärke des magnetischen Feldes
des Stators um den Rotor zu erhöhen, und
somit das Drehmoment zu steigern. Was die Motoren betrifft, so führt eine
Erhöhung
des Drehmoments auch zu einer Erhöhung der elektromotorischen
Kraft bei geringen Geschwindigkeiten, so das eine wirtschaftlich
vertretbare Stromquelle für
Maschinen bereitgestellt werden kann. Als rotierende Maschine mit
einem Permanentmagnet-Rotor ist beispielsweise die in der japanischen
Offenlegungsschrift Nr. 272850/1987 offenbarte Permanentmagnet-Rotor-Maschine
bekannt. Diese bekannte Permanentmagnet-Rotor-Maschine hat einen
Rotor, in welchem Permanentmagneten angeordnet sind, und Behälter bereitgestellt
sind, um darin ein magnetisches Material zu enthalten, welches auf grund
der Drehung des Motors in radialer Richtung fließen kann, um somit magnetische
Polstücke
zu bilden.
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Ein
weiterer herkömmlicher
Wechselstrom-Motor-Generator, welcher in der Lage ist eine hohe
Leistungsabgabe zu erzeugen ist in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 236260/1995 offenbart, wobei die magnetische Flußdichte
proportional zur Geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute (rpm)
des Rotors kontrolliert wird, um somit die erzeugte Stromstärke oder
Spannungsstärke
in geeigneter Weise anzupassen. Ein Kontrollring ist zwischen dem
Rotor und dem Stator zur Drehung relativ zu denselben angeordnet,
und weiterhin ist ein permeables Bauteil in einer solchen Weise
vorgesehen, dass es sowohl mit dem Kontrollring in Kontakt kommen
als auch davon beabstandet sein kann.
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Ferner
wird in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 261996/2000, welche
eine ebenfalls anhängige
Anmeldung des Erfinders ist, ein Motor-Generator mit hohem Drehmoment
offenbart, in welchem das permeable Bauteil aus amorphen Legierungen
gemacht ist, um die magnetischen Kräfte effektiv durch die kleinen
Räume passieren
zu lassen, wodurch das Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit in
rpm des Rotors erhöht
wird. Dieser Motor-Generator besteht aus permeablen Bauteilen, welche
nebeneinander gestellt um eine Rotorwelle angeordnet sind, wobei
nicht magnetische Bauteile zwischen jeweils zwei aneinandergrenzende
permeable Stücken
vorgesehen sind, einem magnetischen Pfadkern, der um die Außenseite
der permeablen Bauteile angeordnet ist, flache Permanentmagneten, welche
um die Außenseite
des magnetischen Pfadkerns angeordnet sind, und nicht magnetische
Verstärkungselemente,
welche an der Außenseite
der Permanentmagneten befestigt sind.
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Da
die meisten Geräte
der Autoelektrik so ausgelegt sind, dass sie entweder 12 V oder
29 V benötigen,
müssen
Lichtmaschinen für
Fahrzeuge solche Erzeugungseigenschaften aufweisen, dass sie eine
elektrische Leistung in Übereinstimmung mit diesen
Spannungswerten ausgeben können.
Trotzdem ist die Gleichstromleistung von entweder 12 V oder 24 V
zu gering, um andere industrielle Geräte, wie zum Beispiel Hilfsgeräte, die
im Fahrzeug vorgesehen sind, zu betreiben, wenn diese eine große Leistung
für ihren
Betrieb benötigen
und somit Übertragungsverluste
in den dazugehörigen
Kabeln auftreten. Ferner besteht ein größeres Problem darin, dass zu
dicke Leiterquerschnitte für
Leitungen und Kabel benötigt
werden. Um damit fertig zu werden, muss die Lichtmaschine nicht
nur die elektrische Leistung mit geringer Spannung in Übereinstimmung mit
der für
die Fahrzeugelektrik notwendige Spannung abgeben können, sondern
auch eine weitere elektrische Leistung mit hoher Spannung, die geeignet
ist, um Hilfsgeräte,
industrielle Geräte
uns so weiter zu betreiben. Die hohe Spannung der erzeugten elektrischen
Leistung reduziert die Übertragungsverluste
in den Kabeln, so dass die Leitungen, wie zum Beispiel Kabel, mit
dünnem
Querschnitt versehen werden können,
wodurch die Lichtmaschine selbst kompakter beziehungsweise mit einer
schlankeren Bauweise versehen werden kann.
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In
einem Permanent-Motor-Generator hat der Permanentmagnet eine feste
magnetische Flußdichte,
so dass seine magnetische Kraft unveränderlich bleibt, ob bei geringer
oder bei hoher Geschwindigkeit. Nichts desto trotz steigt die Spannung
und damit auch die Leistungsabgabe des Motor-Generators proportional
mit einer erhöhten
Drehzahl des Rotors. Somit haben Motor-Generatoren, die so ausgelegt
sind, dass sie die gewünschte
Ausgangsspannung erzeugen, wenn der Rotor eine niedrige Geschwindigkeit
aufweist, eine zu hohe Spannungsabgabe, um sie richtig zu steuern.
Im Gegensatz zur oben beschriebenen Situation ist es zur Steigerung der
Ausgangsspannung bei niedriger Geschwindigkeit notwendig, entweder
den Permanent-Magneten groß zu machen
oder den Strom zu verstärken
und gleichzeitig die Anzahl der Schlaufen beziehungsweise Windungen
in den Wicklungen zu erhöhen,
um die Stärke
des Magnetfeldes auf der Statorseite zu verstärken, wodurch ein größeres Drehmoment
erzielt wird. Allerdings werden die Ausgangs spannungen bei hoher
Geschwindigkeit auch zu hoch, um sie adäquat zu steuern. Um das Drehmoment
des Motor-Generators zu erhöhen,
ist es ferner notwendig, den um den Statorkern gewickelten Leiter
mit einem großen
Querschnitt zu versehen, so dass er einen großen Strom führen kann, wodurch die magnetische Kraft
im Stator verstärkt
wird.
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Es
ist ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu
lösen,
und einen Motor-Generator mit Spannungsstabilisator bereitzustellen,
in welchem die in den Schlitzen eines Statorkerns gelegenen Wicklungen
in mehr als einen Wicklungssatz gruppiert werden, welche seriell und/oder
parallel angeschlossen werden, um unabhängig von Schwankungen der Rotorgeschwindigkeit in
rpm weiterhin eine gewünschte
Ausgangsspannung zu erzeugen, und in welchem sich ferner ein zylindrischer
magnetischer Pfad in axialer Richtung des Rotors erstreckt, und
zwar gegenüber
zu Elektromagnet-Wicklungen,
welche jeweils an axial entgegengesetzten Enden des Rotors vorgesehen
sind, und wobei die Leitung zu den Elektromagnet-Wicklungen so gesteuert
wird, dass die magnetische Kraft in Permanentmagnet-Stücken intensiviert
wird, wenn die Ausgangsspannung gering ist, wohingegen die magnetische
Kraft abgeschwächt
wird, wenn die Ausgangsspannung hoch ist, so dass immer die gewünschte Ausgangsspannung
vorliegt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Motor-Generator mit Spannungsstabilisator,
umfassend einen multipolaren Permanentmagnetrotor, der auf einer
Rotorwelle befestigt ist, welche drehbar in einem Statorgehäuse gelagert
ist, einen Stator, der an dem Gehäuse befestigt ist und um den
Rotor angeordnet ist, und Elektromagnetwicklungen, die gegenüber den
axial entgegengesetzten Enden des Rotors jeweils an axial entgegengesetzten
Enden des Gehäuses
befestigt sind, wobei der Rotor umfasst: einen zylindrischen magnetischen
Pfad, der um die Rotorwelle angeordnet ist und sich axial bis zu
Bereichen gegenüber
den Elektromagnetwicklungen erstreckt, ein permeables Bauteil, das
den zylindrischen magnetischen Pfad umgibt, und eine Permanentmagnetanordnung
aus mehr als einem Permanentmagnetstück, die sich in axialer Richtung
erstreckt und rings um die Außenseite
des permeablen Bauteils angeordnet ist, wobei N- und S-Pole in ihrer Polarität rings
um den Rotor abwechseln, und wobei der zylindrische magnetische
Pfad ein gegenüber
einer der Elektromagnetwicklungen angeordnetes N-Pol-Ringstück, gegenüber den
N-Polen der Permanentmagnetstücke
liegende N-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade, die vom N-Pol-Ringstück stammen,
ein gegenüber
einer anderen der Elektromagnetwicklungen angeordnetes S-Pol-Ringstück, und gegenüber den
S-Polen der Permanentmagnetstücke
liegende S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade,
die vom S-Pol-Ringstück
stammen umfasst, wobei die N-Pol- und S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade
umlaufend in ihrer Polarität
abwechseln und nicht magnetische Stücke jeweils zwischen zwei benachbarten Elektromagnet-Magnetpfaden vorgesehen
sind.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator offenbart,
in welchem ein erstes Verstärkungselement
um die Außenseite der
Permanentmagnetanordnung vorgesehen ist, um zu verhindern, dass
die Permanentmagnetanordnung aufgrund einer hohen Zentrifugalkraft
vom Rotor abfällt,
und wobei das Verstärkungselement
aus sehr zugfesten Kohlefasern gemacht ist, und zwar aus einem Kernmaterial,
welches mit geschmolzenem Aluminium imprägniert ist, gefolgt von Verfestigung.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem sowohl der N-Pol- als auch der S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfad
von einem zweiten Verstärkungselement
umgeben ist, so dass sich eine insgesamt zylindrische Anordnung
ergibt.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem nicht magnetische Elemente aus einem Material,
durch das die magnetische Kraft nur schwer hindurch dringt, wie
zum Beispiel Aluminium, Kupferle gierungen, Kunstharzmaterial und
Austenit-Stahl, zwischen jede Spitze des N-Pol-Elektromagnet-Magnetpfads
und dem S-Pol-Zylinderstück, wie
auch zwischen jede Spitze des S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfads und dem N-Pol-Zylinderstück, gefüllt sind,
und die Lücke
zwischen allen benachbarten N-Pol- und S-Pol-Elektromagnetpfaden im Abstand
größer ist als
die Summe eines Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator und
einer Lücke
zwischen dem magnetisch permeablen Bauteil und dem Rotor.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem geschmolzenes Aluminium oder Kunstharzmaterial
mit Hitzebeständigkeit
in alle Lücken
zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagnetstücken wie
auch in alle Lücken
zwischen benachbarten N-Pol- und S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfaden gefüllt ist.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem der Stator umfasst: einen Statorkern mit Statorzähnen, die
in umlaufender Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind,
um jeweils zwei benachbarte Statorschlitze voneinander zu trennen, und
Wicklungen, die mehrere Statorschlitze überspannend auf die Statorzähne gewickelt
sind, um im wesentlichen mit gleicher Phase angeordnet zu sein, und
wobei die Wicklungen jeweils in mehr als einen Wicklungssatz gruppiert
sind, wobei die Wicklungssätze
versetzt zueinander angeordnet sind um dreiphasige Sternverbindungen
zu bilden, welche entweder in Serie oder parallel angeschlossen
werden können,
so dass eine Steuerung selektiv zwischen Ausgangsanschlüssen, die
aus den Verbindungen aller Wicklungssätze herausgeführt werden
wechselt, und somit eine gewünschte
Ausgangsleistung in Abhängigkeit
von der Drehzahl der Rotors erzeugt wird.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem die Wicklungen des Stators in Niederspannungswicklungssätze und
Hochspannungswicklungssätze
gruppiert sind, und die Steuerung den magnetischen Fluss steuert,
um zwei Arten von Leistung mit unterschiedlicher Nennspannung zu
erzeugen. Dabei sind die Niederspannungswicklungssätze und
die Hochspannungswicklungssätze
parallel aneinander geschaltet, um Erzeugungseigenschaften von niedriger
Spannung und hohem Strom zu erzielen.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem die Steuerung in Antwort auf einen Fall, in
dem der Motor oder Rotor eine niedrige Drehzahl hat, die aus den
Verbindungen herausgeführten
Ausgangsanschlüsse
seriell miteinander verbindet, und die Anzahl der seriellen Verbindung
mit steigender Drehzahl reduziert, um somit sicherzustellen, dass
die gewünschte
Ausgangsspannung ohne Rücksicht
auf Drehzahlschwankungen immer konstant gehalten wird.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem der Rotor in einem ausgewählten Drehzahlbereich betrieben
wird, die Steuerung, in Antwort auf einen Fall in dem die Ausgangsanschlüsse angeschlossen
sind, um eine niedrige Spannung zu erzeugen, die Elektromagnetwicklungen
in einer Richtung, in der die N-Pol-Magnetkraft erhöht wird, leitend macht, wohingegen
sie, in Antwort auf einen anderen Fall in dem eine hohe Spannung
erzeugt wird, die Elektromagnete in einer Richtung, in der die N-Pol-Magnetkraft
gesenkt wird, leitend macht, wodurch die gewünschte Ausgangsspannung immer konstant
gehalten wird. Ferner enthält
die Steuerung einen Gleichrichter, in dem die erzeugte Leistung
der gewünschten
Spannung zu Gleichstrom gleichgerichtet wird, sowie einen Inverter,
welcher Wechselstrom einer gewünschten
Frequenz bereitstellt.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor-Generator
offenbart, in welchem die Steuerung die Elektromagnetwicklungen derart
leitend macht, dass die magnetische Kraft der Permanentmagnetanordnung
reduziert wird, wenn der Motor-Generator als Motor verwendet wird.
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Mit
einem derart konstruierten Motor-Generator wird einen gewünschte konstante
Spannung unabhängig
von Schwankungen in der Drehzahl des Rotors sichergestellt. Somit
kann die erzeugte Spannung korrekt gesteuert werden, ohne bei hoher
Geschwindigkeit zu hoch zu werden. Die meisten elektrischen Systeme
in Fahrzeugen benötigen
zum Beispiel eine Leistung von 0,5 KW bis 1 KW bei Spannungen von
12 V bis 28 V, wohingegen Hilfsgeräte oder industrielle Geräte, die
in den Fahrzeugen vorgesehen sind, eine Leistung von etwa 2 KW bis
3 KW benötigen.
Wenn die Spannungen von 12 V bis 28 V auch für die Leistungen von etwa 2
KW bis 3 KW für die
Höchstgeräte verwendet
werden würden,
dann würde
der Strom zu groß werden,
so dass aufgrund einer großen
Hitzeerzeugung Leistungsverluste auftreten würden. Im Gegensatz zum oben
beschriebenen Zustand können
Hilfsgeräte
bei hohen Spannungen von etwa 100 V bis etwa 200 V betrieben werden,
so dass kein Problem bezüglich
Leistungsverlusten in den Leitungen auftritt. Somit können für die Kabel
für die
Zuführung
der hohen Spannung zu den Hilfsgeräten dünne Leitungen oder Leitungen
mit kleinem Querschnitt verwendet werden, was wiederum dazu beiträgt, dass
der Generator mit einer schlanken Bauweise und geringem Gewicht
versehen ist. Außerdem
kann bei der Verwendung von Relais die Spannung erhöht werden,
was dazu führt, dass
der Strom geringer wird, und somit jeglicher Kontakt gegen eine
mögliche
Fusion geschützt
wird.
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Mit
dem Motor-Generator der vorliegenden Erfindung ist es ausreichend,
lediglich die Anschlüsse
der Wicklungen in den Wicklungssätzen
in Serie und/oder parallel anzuschließen, um die gewünschte Spannung
zu erzeugen, und zwar entweder bei hoher Geschwindigkeit oder bei
niedriger Geschwindigkeit, was dazu beiträgt, dass eine korrekte Spannungssteuerung
gegeben ist.
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Mit
dem vorliegenden Motor-Generator, in welchem die Elektromagnet-Wicklungen
jeweils an den axial entgegengesetzten Enden des Stators vorgesehen
sind, wohingegen das permeable Bauteil außerhalb der in axialer Richtung
entgegengesetzten Enden des Rotors bis zu Bereichen gegenüber den Elektromagnet-Wicklungen
erstreckt, wenn der Rotor in einem vorausgewählten Drehzahlbereich betrieben
wird, dann macht die Steuerung in Antwort auf den Fall, dass die
Ausgangsanschlüsse
derart angeschlossen sind, dass sie eine niedrige Spannung abgegeben,
die Elektromagnet-Wicklungen in einer solchen Richtung leitend,
dass die N-Pol-Magnetkraft erhöht
wird, wohingegen in Antwort auf einen anderen Fall, in dem eine
hohe Spannung abgegeben wird, die Steuerung die Elektromagneten
in einer entgegengesetzten Richtung leitend macht, und somit die
N-Pol-Magnetkraft senkt, wodurch die gewünschte Ausgangsspannung immer
konstant gehalten wird.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Zuhilfenahme
der beigefügten
Zeichnungen in beispielhafter Weise beschrieben.
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1 ist
eine axiale Querschnittsansicht, welche eine bevorzugte Ausführungsform
eines Motor-Generators mit Spannungsstabilisator nach der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Motor-Generators in 1,
entlang der durch I-I gekennzeichneten Ebene;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen zylindrischen Magnetpfad
im Motor-Generator von 1 zeigt;
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4 zeigt
einen fragmentarischen vergrößerten Ausschnitt
des durch die Kurve B in 2 eingekreisten Teils;
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5 ist
ein Schaltplan, welcher ein Beispiel für die Schaltkreisanschlüsse der
Wicklungssätze
im Motor-Generator von 1 darstellt;
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6(A) und 6(B) sind
Schaltpläne,
welche andere Beispiele für
die Schaltkreisanschlüsse
der Wicklungssätze
im Motor-Generator von 1 darstellen; und
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7(A) und 7(B) sind
graphische Darstellungen, welche das Verhältnis von Drehzahl und Ausgangsspannung
des Motor-Generators
in 1 zeigen.
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird im folgenden ein
Motor-Generator mit Spannungsstabilisator nach der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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Dieser
Motor-Generator ist zum Beispiel geeignet als Generator in Verbindung
mit einem Automobilmotor, der in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem
Kraftfahrzeug vorgesehen ist, als Generator in einem Motor für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem, als
Generator, der an die Ausgangswelle ei nes Motors für ein Hybridfahrzeug
befestigt ist, als Generator zum Bereitstellen von elektrischem
Strom für
ein Heizgerät
in einem Diesel-Partikelfilter, der in einem Fahrzeug vorgesehen
ist, als Generator in Verbindung mit einem Turbolader zur Rückgewinnung
von thermischer Energie aus Abgasen, oder als Generator, der in
einer Energierückgewinnungsvorrichtung vorgesehen
ist.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst der Motor-Generator der
vorliegenden Erfindung ein Statorgehäuse 1 aus einem Paar
von Gehäusehälften 1A und 1B sowie
einem Zwischengehäuse 1C,
die mit Befestigungsschrauben 19 aneinander befestigt sind,
eine Rotorwelle 2, die mittels einem Paar von in Axialer
Richtung gegenüberliegend
angeordneten Kugellagern 23 drehbar in den Gehäusehälften 1A und 1B gelagert
ist, einen Rotor 3 aus einer multipolaren Permanentmagnetanordnung 5,
in welcher mehrere flache Permanentmagnetstücke 15 in gleichmäßigen Abständen rings
um die Rotorwelle 2 angeordnet und an der Rotorwelle 2 befestigt
sind, einen Stator 4, der um die Außenseite des Rotors 3 angeordnet
ist und an den Gehäusehälften 1A und 1B befestigt
ist, wobei ein Luftspalt 32 zwischen dem Rotor 3 und
dem Stator 4 vorgesehen ist, und Elektromagnetwicklungen 10,
die jeweils gegenüber
von den in axialer Richtung entgegengesetzten Enden des Rotors 3 angeordnet
sind und an den Gehäusehälften 1A und 1B an
den in axialer Richtung entgegengesetzten Seiten des Stators 4 befestigt
sind.
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Der
Rotor 3 ist drehbar in einer zylindrischen Aussparung innerhalb
des Stators 4, welcher an den Gehäusehälften 1A und 1B befestigt
ist, angeordnet, unter Beibehaltung eines vorbestimmten radialen
Abstands durch den Luftspalt 32. Der Rotor 3 ist
zwischen einer Abdeckplatte 22 und einer Halteplatte 26,
welche in axial entgegengesetzter Richtung vorgesehen sind, befestigt.
Die Abdeckplatte 22 und die Halteplatte 26 liegen
jeweils an einem Ende in axialer Richtung des Rotors 3 an,
wobei ihre Drehung bezüglich
der Rotorwelle 2 dadurch verhindert wird, dass eine Befestigungsmutter 24 auf
ein mit einem Gewinde versehenen Ende 21 der Rotorwelle 2 aufgeschraubt
ist. Eine Motor-Generator-Riemenscheibe, die mit einer Mutter an
einem Ende der Rotorwelle 2 befestigt ist, ist über einen
Riemen mit einer rotierenden Welle, Turbinenwelle oder dergleichen
verbunden, welche über
ein geeignetes Getriebesystem mit dem Motor verbunden ist. Der Rotor 3 beinhaltet einen
zylindrischen magnetischen Pfad 7, welcher auf der Rotorwelle 2 vorgesehen
ist und sich in axialer Richtung bis zu den Bereichen gegenüber den Elektromagnetwicklungen 10 auf
der Rotorwelle 2 erstreckt, ein magnetisch permeables Bauteil 6,
welches um den zylindrischen magnetischen Pfad 7 angeordnet
ist, und die Permanentmagnetanordnung aus mehreren Permanentmagnetstücken 15,
die sich in axialer Richtung erstrecken und rings um die Außenseite
des magnetisch permeablen Bauteils 6 angeordnet ist, wobei
nicht magnetische Stücke 14 zwischen
jeweils zwei benachbarten Permanentmagnetstücken 15 vorgesehen
sind.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Permanentmagnetstücke 15 derart
angeordnet sind, dass ungleiche Pole, also N- oder S-Pol, in ihrer Polarität abwechselnd
rings um den Rotor 3 angeordnet sind. Um die Außenseite
der Permanentmagnetanordnung 5 ist ein erstes Verstärkungselement 13 vorgesehen, welches
sicherstellt, dass die Permanentmagnetanordnung 5 aufgrund
der hohen Zentrifugalkräfte
nicht vom Rotor 3 abfällt.
Das Verstärkungselement 13 ist aus
sehr zugfesten Kohlefasern gemacht, und zwar aus einem Kernmaterial,
welches mit geschmolzenem Aluminium imprägniert ist, gefolgt von Verfestigung.
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Wie
insbesondere in den 3 und 4 dargestellt
ist, enthält
der zylindrische magnetische Pfad 7 ein N-Pol-Ringstück 7N,
welches gegenüber einer
der Elektromagnetwicklungen 10 angeordnet ist, N-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 16,
welche von dem N-Pol-Ringstück 7N stammen,
gegenüber den
N-Polen der Permanentmagnetstücke 15,
ein S-Pol-Ringstück 7S,
welches gegenüber
der anderen elektromagnetischen Spule 10 angeordnet ist,
sowie S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 17, welche von dem
S-Pol-Ringstück 7S stammen,
gegenüber
den S-Polen der Permanentmagnetstücke 15. Die N-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 16 greifen
umlaufend in die S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 17 ein,
wobei nicht magnetische Elemente 34 jeweils zwischen zwei
aneinander grenzende N-Pol- und S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfaden 16 und 17 vorgesehen
sind. Sowohl die N-Pol- als auch die S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfadteile 7N und 7S sind
von einem zweiten Verstärkungselement 33 umgeben,
wobei eine insgesamt zylindrische Anordnung ausgebildet wird. Ferner
sind zwischen jeder Spitze 35 der N-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 16 und
dem S-Pol-Zylinderteil 7S wie auch zwischen jeder Spitze 36 der
S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfade 17 und dem N-Pol-Zylinderteil 7N nicht
magnetische Elemente 18 aus einem Material durch welches
die magnetische Kraft nur schwer hindurchdringt, wie zum Beispiel
Aluminium, Kupferlegierungen, Kunstharz und Austenitedelstahl eingefüllt. Ferner
ist geschmolzenes Kunstharz mit hoher Hitzebeständigkeit in alle Aussparungen
zwischen zwei aneinandergrenzenden Permanentmagnetstücken 15 sowie
in alle Aussparungen zwischen aneinandergrenzenden N-Pol- und S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfaden 16 und 17 gefüllt. Die
Aussparungen zwischen aneinandergrenzenden N-Pol- und S-Pol-Elektromagnet-Magnetpfaden 16 und 17 sind
dabei im Abstand größer als
die Summe des Luftspalts 32 zwischen dem Rotor 3 und
dem Stator 4 und der Aussparung zwischen dem magnetisch
permeablen Bauteil 6 und einem Magnetpfad 9, wodurch
Lecks im magnetischen Fluß verhindert
werden.
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Wie
aus den 2 und 4 ersichtlich
ist, enthält
der Stator 4 einen gezahnten Statorkern 37, welcher
einen äußeren zylindrischen
Magnetpfad 38 umfasst, wobei Statorzähne 11 in umlaufender
Richtung beabstandet voneinander vorgesehen sind, um somit jeweils
zwei benachbarte Statorschlitze 12 voneinander zu trennen,
welche sich auf oder nahe dem Luftspalt 32 zwischen der
Außenseite
des Rotors 3 und den Zahnspitzen öffnen, sowie Wicklungen 8,
welche um die Statorzähne 11 gewi ckelt
sind und jeweils mehrere Statorschlitze 12 überspannen
und dabei im Wesentlichen in gleicher Phase liegen. Ferner sind
magnetische Pfade 9 jeweils an den Gehäusehälften 1A und 1B an
den in axialer Richtung entgegengesetzten Enden des Stators 4 befestigt.
Die Elektromagnetwicklungen 10 sind an den jeweils dazu
gehörigen
Magnetpfaden 9 angebracht, um das rotierende magnetisch
permeable Bauteil 6 einzuschließen. Ein Magnetpfadspalt 40 ist
jeweils zwischen der Innenseite der Magnetpfade 9 und der
Außenseite
des Rotors 3 gebildet.
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Die
Wicklungen 8 sind jeweils in mehr als einem Wicklungssatz
1 U-1 V-1 W, 2 U-2 V-2 W und 3 U-3 V-3 W gruppiert, die um die Statorschlitze 12 des Statorkerns 37 aufgeteilt
sind und versetzt zueinander im Statorschlitz 12 angeordnet
sind, um drei-phasige Sternverbindungen zu bilden, welche in Serie angeschlossen
werden können.
In dem so konfigurierten Permanentmagnet-Motor-Generator haben die
Wicklungen 8, die zu jeweils einem Wicklungssatz gehören, wie
in 5 dargestellt jeweils Anschlüsse für Verbindungen 27,
an denen Ausgangsanschlüsse
vorgesehen sind, welche in Übereinstimmung
mit Anweisungen einer Steuereinheit 25 umgeschaltet werden,
so dass in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Rotors die gewünschte elektrische Leistung
erzeugt werden kann. Die Wicklungen 8 sind, wie in 5 dargestellt,
zum Beispiel in drei Wicklungssätze
gruppiert: ein erster Wicklungssatz (1 U-1 V-1 W), ein zweiter Wicklungssatz
(2 U-2 V-2 W) und ein dritter Wicklungssatz (3 U-3 V-3 W). Die Wicklungen 8 eines
jeden dieser drei Wicklungssätze sind
um einen elektrischen Winkel von 120 Grad versetzt gewickelt, um
somit ein Dreiphasensystem von Wicklungen bereitzustellen, welches
eine im vorhinein ausgewählte
Spannung sicherstellt. Die Steuereinheit 25 verbindet die
Ausgangsanschlüsse,
die aus den Verbindungen 27 entweder wie in 5 in Serie
oder wie in 6(B) parallel herausgeführt werden,
in Antwort auf einen Fall, in dem der Motor oder der Rotor 3 eine
niedrige Drehzahl hat, wodurch die Anzahl der seriellen Verbindungen 17 reduziert wird,
wenn die Drehzahl steigt, wodurch sichergestellt wird, dass unabhängig von
Drehzahlschwankungen die gewünschte
Ausgangsspannung immer konstant gehalten wird. Obwohl bisher gezeigt
wurde, dass alle Wicklungssätze
in Serie miteinander verbunden sind, sollte ersichtlich sein, dass
es auch möglich
ist, den ersten und den zweiten Wicklungssatz in Serie zu verbinden,
und, wie in 6(A) dargestellt, nur
den dritten Wicklungssatz eine weitere dreiphasige Verbindung für die Niederspannungsseite
machen zu lassen.
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Wenn
der Rotor 3 in einem ausgewählten Drehzahlbereich betrieben
wird, dann macht die Steuereinheit 25 in Antwort auf einen
Fall, in dem die Ausgangsanschlüsse
angeschlossen sind, um eine niedrige Spannung zu erzeugen, die elektrischen Wicklungen 10 derart
leitend, dass ein Strom in derjenigen Richtung fließt, bei
der die N-Pol-Magnetkraft erhöht
wird, wohingegen sie in Antwort auf einen anderen Fall in dem eine
hohe Spannung erzeugt wird, die Elektromagneten 10 derart
leitend macht, dass ein Strom in derjenigen Richtung fließt, bei
der die N-Pol-Magnetkraft abnimmt, wodurch die gewünschte Ausgangsspannung
immer konstant gehalten wird. Wenn der vorliegende Permanentmagnet-Motor-Generator
als Motor verwendet wird, dann macht die Steuereinheit 25 die
Elektromagnetwicklungen 10 leitend, um so die Magnetkraft
der Permanentmagnetanordnung 5 abklingen zu lassen.
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Die
Steuereinheit 25 ist über
Leitungen 28 und Relais 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F, 30G, 30H und 30I mit
den Verbindungen 27 zwischen den Wicklungssätzen verbunden.
Somit schaltet die Steuereinheit 25 die ausgewählten der
Relais 30A bis 30I ein und/oder aus, wodurch die
Wicklungssätze
jeweils wahlweise parallel und/oder in Serie verbunden werden können, um
eine dreiphasige Wechselspannungsquelle 30 herzustellen.
Somit führt
die Steuereinheit 25 in Abhängigkeit von der Drehzahl des
Rotors 3 nicht nur eine Leitungssteuerung der Elektromagnetwicklungen 10 durch,
sondern auch eine Ein-/Aus-Steuerung der Schaltrelais, um die Wicklungssätze parallel
und/oder in Serie anzuschließen,
wodurch eine Dreiphasen-Wechselstrom quelle 30 mit einer
gewünschten
Wechselspannung erreicht wird. Die Steuereinheit 25 enthält einen Gleichrichter 31,
in dem die erzeugte Leistung mit der gewünschten Spannung in einen Gleichstrom
von beispielsweise 24 V gleichgerichtet wird, sowie einen Inverter 29,
welcher einen Dreiphasen-Wechselstrom
von 50–60
Hz bei 200 V erzeugt.
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Wenn
die Steuereinheit 25 beispielsweise die Relais 30C, 30D und 30G einschaltet
und die übrigen
Relais abschaltet, dann bleiben alle Wicklungen nicht angeschlossen,
so dass die in 7(A) dargestellt Ausgangsspannung
erzeugt wird. Wenn die Relais 30B, 30E und 30H eingeschaltet
werden, während
alle anderen Relais ausgeschaltet sind, dann sind jeweils zwei Wicklungen
in serieller Verbindung so, dass eine andere Ausgangsspannung als
in 7(A) dargestellt, erzeugt wird.
Und wenn die Relais 30A, 30F und 30I eingeschaltet
sind während
die anderen Relais ausgeschaltet sind, dann werden drei Wicklungen
in Serie geschaltet, wodurch eine wiederum andere Ausgangsspannung
als in 7(A) dargestellt, erzeugt wird.
Es sollte beachtet werden dass es möglich ist, alle Wicklungen 8 wie
in 7(B) dargestellt in Serie zu verbinden.
Wie bereits erwähnt
steuert die Steuereinheit 25 den Ein-/Aus-Betrieb der Relais, und zwar in
Abhängigkeit
von der Drehzahl des Rotors 3, wodurch eine Ausgangsspannung
(V) mit einem bestimmten Pegel, wie in 7(A) dargestellt,
realisiert wird. Alternativ dazu kann ein Generator mit niedriger
Spannung und hohem Strom bereitgestellt werden, in dem die Wicklungen 8 auf
dem Stator 4 in Phase in Übereinstimmung mit der Anzahl
der Pole der Permanentmagneten auf dem Rotor 3 angeordnet
sind und die Wicklungssätze
1 U-1 V-1 W, 2 U-2 V-2 W und 3 U-3 V-3 W parallel angeschlossen
sind.