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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren,
Generatoren und regenerative Motoren. Der Begriff regenerativer
Motor wird hier dazu verwendet, eine Vorrichtung zu bezeichnen,
die entweder als Elektromotor oder als Generator betrieben werden
kann. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen Elektromotor,
Generator oder regenerativen Motor mit einer Statoranordnung, die
wiederum eine Elektromagnetanordnung mit einem amorphen metallischen
Magnetkern aufweist, welcher aus mehreren individuell geformten
amorphen Metallkernstücken
besteht. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Steueranordnung
bereit, welche die Aktivierung und Deaktivierung eines Elektromagneten
mittels einer beliebigen Kombination aus mehreren Aktivierungs-
und Deaktivierungsparametern variabel steuern kann, um die Geschwindigkeit, den
Wirkungsgrad, die Leistung und das Drehmoment der Vorrichtung zu
steuern.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Elektromotor- und Generatorindustrie sucht fortgesetzt nach Wegen,
um Motoren und Generatoren mit erhöhter Effizienz und Leistungsdichte bereitzustellen.
Seit geraumer Zeit ist angenommen worden, dass Motoren und Generatoren,
die mittels Superpermanentmagnetrotoren (beispielsweise Kobalt-Seltene-Erden-Magnete
und Neodymium-Eisen-Bor-Magnete)
und Statoren mit Elektromagneten mit amorphen magnetischen Metallkernen
aufgebaut sind, das Potential haben, wesentlich höhere Wirkungsgrade
und Leistungsdichten im Vergleich zu herkömmlichen Motoren und Generatoren
zu liefern. Da amorphe Metallkerne in der Lage sind, auf Änderungen
in einem Magnetfeld viel schneller zu reagieren als herkömmliche
Eisenkernmaterialien, haben amorphe magnetische Metallkerne das
Potential, ein viel schnelleres Umschalten von Feldern innerhalb von
Motoren und Generatoren zu ermöglichen
und daher höhere
Geschwindigkeiten und besser gesteuerte Motoren und Generatoren
zu ermöglichen
als herkömmliche
Eisenkerne. Bisher hat es sich jedoch als sehr schwierig erwiesen,
einen leicht herstellbaren Motor oder Generator bereitzustellen,
der amorphe Metallmagnetkerne aufweist.
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Amorphes
Metall wird typischerweise in einem dünnen kontinuierlichen Streifen
mit gleichmäßiger Streifenbreite
geliefert. Amorphes Metall ist jedoch ein sehr hartes Material,
das sehr schwer zu schneiden oder zu formen ist, und das, wenn es
geglüht
ist, um magnetische Spitzeneigenschaften zu erzielen, sehr spröde wird.
Dies macht es schwierig und teuer, den herkömmlichen Lösungsweg zum Aufbau eines Magnetkerns
einzuschlagen. Dieser herkömmliche
Lösungsweg
umfasst typischerweise das Schneiden individueller Kernschichten
mit einer gewünschten
Form aus einer Lage von Kernmaterial und das Zusammenlegen der Schichten,
um eine gewünschte
Gesamtmagnetkernform zu bilden. Die Sprödigkeit von amorphem Metall
gibt auch zu Besorgnis über
die Standzeit eines Motors oder Generators Anlaß, der amorphe Metallmagnetkerne
einsetzt. Magnetkerne sind sehr hohen Magnetkräften ausgesetzt, die sich mit
sehr hohen Frequenzen ändern.
Diese magnetischen Kräfte
können
erhebliche Belastungen auf das Kernmaterial ausüben, was den amorphen Metallmagnetkern
beschädigen
kann.
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Ein
weiteres Problem bei amorphen Metallmagnetkernen besteht darin,
dass die magnetische Permeabilität
amorphen Metallmaterials reduziert ist, wenn es physikalischen Belastungen
ausgesetzt ist. Diese geringere Permeabilität kann je nach der Intensität der Belastungen
des amorphen Metallmaterials erheblich sein. Wenn ein amorpher Metallmagnetkern
Belastungen ausgesetzt ist, wird der Wirkungsgrad, mit dem der Kern
einen Magnetfluß richtet
oder fokussiert, verringert, was zu höheren magnetischen Verlusten,
einem reduzierten Wirkungsgrad, einer erhöhten Wärmeerzeugung und einer verringerten Leistung
führt.
Diese Erscheinung wird als Magnetostriktion bezeichnet und kann
durch Belastungen verursacht werden, die sich aus Magnetkräften während des
Betriebs des Motors oder Generators ergeben, durch mechanische Belastungen,
die sich aus einem mechanischen Festklemmen oder einem anderweitigen
Befestigen des Magnetkerns an Ort und Stelle ergeben, oder durch
interne Belastungen, die durch die Wärmedehnung und/oder eine Dehnung
infolge magnetischer Sättigung
des amorphen Metallmaterials verursacht werden.
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Herkömmliche
Magnetkerne werden durch Laminieren bzw. Übereinanderlagern aufeinanderfolgender
Schichten von Kernmaterial geformt, um den Gesamtkern zu bilden.
Wie oben erwähnt
wurde, ist es jedoch schwierig, amorphes Metall zu schneiden oder
einfach zu formen. Daher sind in der Vergangenheit amorphe Metallkerne
oft durch Walzen eines amorphen Metallbandes zu einer Spule geformt
worden, wobei jede der aufeinanderfolgenden Schichten des Materials
auf die vorhergehende Schicht mittels eines Klebemittels wie Epoxyharz
laminiert wurde. Wenn dieser laminierte Aufbau bei einem Elektromotor
oder Generator im Einsatz ist, schränkt er die Wärmedehnung
und magnetische Sättigungsdehnung
der Spule amorphen Metallmaterials ein und führt zu hohen internen Belastungen.
Diese Belastungen bewirken eine Magnetostriktion, welche den Wirkungsgrad
des Motors oder Generators nach obiger Beschreibung reduziert. Ferner
wird bei diesem Aufbau eine Klebemittelschicht zwischen jede Spule des
Kerns plaziert. Da amorphes Metallmaterial typischerweise als sehr
dünnes
Band bereitgestellt wird, beispielsweise von nur einigen mils Dicke,
kommt es dazu, dass ein erheblicher Prozentsatz des Volumen des
Kerns Klebematerial ist. Dieses Klebematerialvolumen reduziert die
Gesamtdichte des amorphen Metallmaterials innerhalb des laminierten
Kerns und verringert daher unerwünschterweise
den Wirkungsgrad des Kerns, um den Magnetfluß für ein gegebenes Volumen von
Gesamtkernmaterial zu fokussieren oder auszurichten.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, wie er in
Anspruch 1 definiert ist.
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Die
Vorrichtung kann die Merkmale von Anspruch 2 aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, wie es in
Anspruch 3 definiert ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Anordnung zum
Minimieren der Belastungen eines amorphen Metallmagnetkerns in einem Elektromotor,
Generator oder regenerativen Motor bereit. Dieses Verfahren und
diese Anordnung eliminieren die Notwendigkeit des Laminierens der
verschiedenen Schichten des amorphen Metalls, wodurch die internen
Belastungen an dem Material verringert werden und die Dichte des
amorphen Materials in dem Gesamtkern erhöht wird. Ferner stellt die vorliegende
Erfindung, um vorteilhaft die Hochgeschwindigkeits-Schaltfähigkeiten
des amorphen Metallmagnetkernmaterials zu nutzen, Steuerverfahren und
Anordnungen bereit, welche die Aktivierung und Deaktivierung des
Elektromagneten eines Elektromotors, eines Generators oder einer
regenerativen Motorvorrichtung mit einem amorphen Metallmagnetkern
variabel steuern können,
und zwar durch Verwendung einer Kombination mehrerer verschiedener Aktivierungs-
und Deaktivierungsparameter, um die Geschwindigkeit, den Wirkungsgrad,
das Drehmoment und die Leistung der Vorrichtung zu steuern.
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Wie
nachstehend in näheren
Einzelheiten beschrieben wird, ist hier eine Vorrichtung wie z.B. ein
Elektromotor, ein elektrischer Generator oder ein regenerativer
Elektromotor offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Rotoranordnung,
mindestens eine Statoranordnung und ein Vorrichtungsgehäuse zum
Haltern der Rotoranordnung und der Statoranordnung in den vorbestimmten
Positionen relativ zueinander. Das Vorrichtungsgehäuse trägt auch
die Rotoranordnung zur Drehung entlang einem vorbestimmten Drehweg
um eine gegebene Rotorachse. Die Statoranordnung hat mindestens
eine anregbare Elektromagnetanordnung mit einem amorphen metallischen
Gesamtmagnetkern und einer elektrischen Spulenanordnung, die zusammen
mindestens ein Magnetpolstück
festlegen. Der amorphe metallische Gesamtmagnetkern besteht aus
mehreren individuell geformten amorphen Metallkernstücken. Die
Statoranordnung umfasst auch ein dielektrisches Elektromagnetgehäuse zum
Haltern der Elektromagnetanordnung derart, dass die Magnetpolstücke angrenzend an
den Drehweg der Rotoranordnung positioniert sind. Das dielektrische
Elektromagnetgehäuse
hat Kernstücköffnungen,
die in dem Elektromagnetgehäuse
ausgebildet sind, um die individuell geformten amorphen Metallkernstücke in nahe
aneinander gelegenen Positionen zu halten, um so den amorphen metallischen
Gesamtmagnetkern zu bilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Rotoranordnung mindestens einen Rotormagneten mit Nord-
und Südpolen,
und die Rotoranordnung weist eine Anordnung zum Haltern des Rotormagneten
zur Drehung um eine gegebene Rotorachse auf, so dass mindestens
einer der Magnetpole entlang einem vorbestimmten Drehweg um die
gegebene Rotorachse zugänglich
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Rotormagnet ein Supermagnet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
sind die individuell geformten amorphen Metallkernstücke amorphe
Metallwicklungen, die aus einem fortlaufenden Band amorphen Metalls
geformt sind. Vorzugsweise hat das fortlaufende Band amorphen Metalls
eine im wesentlichen konstante Bandbreite. Die individuell geformten
amorphen Metallkernstücke
können
verschiedenartige Querschnittsformen aufweisen, wie z.B. einen Kreis,
ein Oval, eine Eiform, einen Torusring, ein Dreieck mit abgerundeten
Ecken und ein Trapezoid mit abgerundeten Ecken. Alternativ können die
individuell geformten amorphen Metallkernstücke aus einzelnen Streifen
amorphen Metallmaterials gebildet sein, die in einer dazugehörigen Kernstücköffnung eines
Kernstückgehäuses gestapelt bzw. übereinandergeschichtet
sind. Ferner sind in einigen Ausführungsformen etwaige Leerstellen
in den Kernstücköffnungen
des die amorphen Metallkernstücke
haltenden elektromagnetischen Gehäuses mit einem dielektrischen Öl gefüllt. Außerdem können die
amorphen Metallkernstücke
mit Öl
imprägniert sein.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Statoranordnung mehrere Elektromagnetanordnungen, von
denen jede mehrere Polstücke
aufweist. Jedes der Polstücke
ist ein individuell geformtes amorphes Metallkernstück. Ferner
ist mindestens eines der individuell geformten amorphen Metallkernstücke ein Torusring,
der ein elektromagnetisches Joch bildet, welches jedes der Polstücke mit
einem anderen magnetisch koppelt. Das elektromagnetische Torusring-Joch
umfasst eine ringförmige
oder eine andere solche kontinuierliche Oberfläche, die von einem fortlaufenden
Rand des fortlaufenden Bandes amorphen Metalls festgelegt wird,
nachdem das Band amorphen Metalls um sich selbst gewickelt worden
ist. Jedes der Polstücke
der elektromagnetischen Anordnung hat ein erstes Ende (von einem
fortlaufenden Rand des Bandes festgelegt), das angrenzend an den
vorbestimmten Drehweg des Rotormagneten positioniert ist. Ferner
hat jedes der Polstücke
der Elektromagnetanordnung ein zweites Ende (durch das andere fortlaufende
Ende des Bandes festgelegt), das angrenzend an die Ringfläche des
Torusrings des elektromagnetischen Jochs positioniert ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der Elektromagnet der Statoranordnung einen im allgemeinen
U-förmigen amorphen
metallischen Gesamtmagnetkern mit zwei Polstücken. Die beiden Polstücke sind
jeweils individuell ausgebildete amorphe Metallkernstücke. Ein
zusätzliches
individuell ausgebildetes amorphes Metallkernstück bildet ein elektromagnetisches
Joch, welches die beiden Polstücke
miteinander magnetisch koppelt, so dass die Kernstücke zusammen
den U-förmigen
Gesamtkern festlegen.
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In
einer noch anderen Ausführungsform
haltert die den Rotormagneten halternde Anordnung diesen so, dass
sowohl die Nordpole als auch die Südpole entlang unterschiedlicher
vorbestimmter Drehwege um die gegebene Rotorachse herum zugänglich sind.
Der Elektromagnet der Statoranordnung umfasst einen im allgemeinen
C-förmigen amorphen
Metall- Gesamtmagnetkern
mit zwei Polstücken,
wobei jedes der Polstücke
nahe an einem entsprechenden der vorbestimmten Drehwege der Nord-
und Südpole
des Rotormagneten positioniert ist. Der Gesamtmagnetkern der Elektromagnetanordnung
ist ein allgemein C-förmiger
amorpher Metall-Gesamtmagnetkern, der die beiden Polstücke so festlegt,
dass jedes der Polstücke
nahe einem entsprechenden der verschiedenen vorbestimmten Drehwege
positioniert ist. Die beiden Polstücke sind jeweils individuell
geformte amorphe Metallkernstücke.
Zusätzliche
individuell geformte amorphe Metallkernstücke bilden ein elektromagnetisches
Joch, welches die beiden Polstücke
magnetisch miteinander koppelt, so dass die Kernstücke zusammen
den C-förmigen
Gesamtkern festlegen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines amorphen Metallmagnetkerns für einen
Elektromagneten einer Vorrichtung wie z.B. eines Elektromotors,
eines elektrischen Generators oder eines regenerativen Elektromotors
ist hier ebenfalls offenbart. Das Verfahren umfasst den Schritt
des Ausbildens mehrerer individuell geformter amorpher Metallkernstücke, von denen
jedes eine gewünschte
Kernstückform
aufweist. Ein dielektrisches Magnetkerngehäuse mit Magnetkernstücköffnungen,
welche die gewünschte Gesamtmagnetkernform
festlegen, ist vorgesehen. Die mehreren individuell geformten amorphen
Metallkernstücke
werden in die Kernstücköffnungen
des dielektrischen Magnetkerngehäuses
so eingebaut, dass das dielektrische Kerngehäuse die Kernstücke nahe
aneinander hält,
um so die gewünschte
Gesamtmagnetkernform zu bilden. In einem bevorzugten Verfahren wird
jedes Kernstück
zu seiner endgültigen
Form aus einem fortlaufenden Band amorphen Metalls gewickelt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung sind am besten durch Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
verständlich,
in denen zeigen:
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1 eine
diagrammartige Schnittansicht einer Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist, mit einer Rotoranordnung, einer Statoranordnung
mit einem Statorgehäuse
und einem amorphen metallischen Gesamtmagnetkern, der aus individuell
geformten amorphen Metallkernstücken
gebildet ist, sowie einer Steueranordnung mit einer Codierplatte,
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2 eine
diagrammartige Draufsicht auf die Rotoranordnung der Vorrichtung
von 1,
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3A eine
orthographische diagrammartige Ansicht einer Ausführungsform
eines amorphen metallischen Gesamtmagnetkerns, der einen Teil der Statoranordnung
der Vorrichtung von 1 bildet,
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3B eine
diagrammartige Schnittansicht des Statorgehäuses von 1,
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4 eine
diagrammartige Draufsicht auf die Codierplatte der Vorrichtung von 1,
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5 eine graphische Darstellung verschiedener
Aktivierungs- und Deaktivierungsparameter, welche die Steueranordnung
der Vorrichtung von 1 verwenden kann, um die Vorrichtung
von 1 zu steuern,
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6 eine
diagrammartige Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei
der eine Windmühle
einen Generator antreibt,
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7 eine
diagrammartige Ansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Turbinenmotor
einen Generator antreibt,
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8 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines amorphen metallischen
Gesamtmagnetkerns, der gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist,
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9 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines amorphen metallischen
Gesamtmagnetkerns, der gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist,
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10 eine
perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines amorphen metallischen Gesamtmagnetkerns,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist,
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11A–H
diagrammartige perspektivische Ansichten verschiedener Ausführungsformen
der einzelnen amorphen Metallkernstücke mit verschiedenen Querschnittsformen,
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12 eine
diagrammartige Schnittansicht einer Mehrphasenvorrichtung, und
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13 eine
diagrammartige Draufsicht auf eine Statoranordnung einer weiteren
Ausführungsform
einer Mehrphasenvorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird nun auf die Zeichnungen eingegangen, in denen gleiche Komponenten
durch gleiche Bezugsziffern in den gesamten verschiedenen Figuren
bezeichnet werden, wobei anfänglich
auf die 1 bis 3B eingegangen
wird. 1 stellt eine Schnittansicht einer Vorrichtung 10 dar,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist. Die Vorrichtung 10 wird zwar verschiedentlich
während
dieser Beschreibung als Elektromotor oder als elektrischer Generator
bezeichnet, es ist jedoch anzumerken, dass die Vorrichtung 10 auch
die Form eines Motors, eines Generators, eines Wechselstromgenerators oder
eines regenerativen Motors je nach den Anforderungen der Anwendung,
bei der die Vorrichtung eingesetzt wird, annehmen kann. Für die Zwecke
dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff "regenerativer Motor" auf eine Vorrichtung, die entweder
als Elektromotor oder als elektrischer Generator betrieben werden
kann. Ferner wird die Vorrichtung 10 in den meisten Fällen zwar
als bürstenloser
Gleichstrommotor beschrieben, es ist jedoch anzumerken, dass er
auch die Form einer Vielzahl anderer Arten von Motoren und/oder
Generatoren annehmen kann und dabei im Schutzumfang der Erfindung
bleibt. Diese anderen Arten von Motoren und/oder Wechselstromgeneratoren/Gleichstromgeneratoren
umfassen synchrone Gleichstromvorrichtungen, Vorrichtungen mit variabler
Reluktanz oder geschalteter Reluktanz und Induktionsmotoren, sind
jedoch nicht auf diese beschränkt.
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Wie
am besten aus 1 hervorgeht, umfasst die Vorrichtung 10 eine
Welle 14, eine Rotoranordnung 16, eine Statoranordnung 18 und
ein Vorrichtungsgehäuse 20.
Das Vorrichtungsgehäuse 20 haltert
die Welle 14 zur Drehung um die Longitudinalachse der Welle
mittels Lagern 22 oder irgendeiner anderen geeigneten und
einfach bereitstellbaren Anordnung zum Haltern einer Welle zur Drehung.
Die Rotoranordnung 16 ist an der Welle 14 zur
Drehung mit der Welle um die longitudinale Drehachse der Welle 14 befestigt.
Die Statoranordnung 18 ist durch das Vorrichtungsgehäuse 20 so
gelagert, dass die Statoranordnung angrenzend an den Drehweg der Rotoranordnung
positioniert ist.
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Es
wird nun auf 2 eingegangen, die eine Draufsicht
auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Rotoranordnung 16 ist; die Rotoranordnung 16 wird im
folgenden detailliert beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
ist die Rotoranordnung 16 eine Scheibe oder ein axialer
Rotor mit sechs radial beabstandeten Superpermanentmagneten 24a–f (beispielsweise
Magnete aus Kolbalt und Seltener-Erden), die jeweils Nord- und Südpole festlegende
gegenüberliegende
Enden aufweisen. Die Magnete 24a–f sind zur Drehung um die
Achse der Welle 14 durch eine Rotorscheibe 26 oder
irgendeine andere geeignete Anordnung gelagert, so dass die Magnetpole
der Magnete 24a–f
entlang zweier vorbestimmter Drehwege um die Wellenachse und nahe
der Rotoranordnung zugänglich
sind. Sie sind relativ zueinander so ausgerichtet, dass auf jeder
Seite der Rotorscheibe die Magnete alternierend Nord- und Südpole aufweisen, wie 2 zeigt.
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Die
Magnete 24a–f
sind zwar als Superpermanentmagnete beschrieben worden, dies ist
jedoch nicht zwingend. Alternativ können die Magnete andere magnetische
Materialien sein oder können
in einigen Fällen
Elektromagnete sein. Ferner ist die Rotoranordnung zwar als Scheibe
oder als axialer Rotor beschrieben worden, dies ist jedoch zwingend.
Stattdessen kann der Rotor eine breite Vielfalt spezifischer Konfigurationen
annehmen, wie z.B. Trommel- oder Radialrotoren, wobei die Magnete
am Außenumfang
der Trommel oder des Radialrotors positioniert sind. Der Rotor wurde
zwar mit sechs Magneten beschrieben, es ist jedoch anzumerken, dass
der Rotor auch irgendeine beliebige Anzahl von Magneten aufweisen
kann und dabei im Schutzumfang der Erfindung verbleibt. Schließlich ist
die Rotoranordnung zwar mit Magneten beschrieben worden, dies ist
jedoch keine Notwendigkeit. Beispielsweise würde im Fall eines Induktionsmotors
die Rotoranordnung 16 keine Magnete 24a–g aufweisen.
Stattdessen würde die
Rotorscheibe 26, wie es Fachleuten verständlich ist,
aus einem auf Eisen basierenden Material oder irgendeinem anderen
magnetischen Material aufgebaut sein, um einen Magnetrotorkern zu
bewirken, der durch ein Drehmagnetfeld angetrieben wird, das durch
Schalten der Statoranordnung erzeugt wird.
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Wie
am besten in 1 gezeigt ist, umfasst bei der
beschriebenen Ausführungsform
die Statoranordnung 18 zwei Statorgehäuse 28a und 28b,
wobei die Statorgehäuse
angrenzend an gegenüberliegende
Seiten der Rotoranordnung 16 positioniert sind. Die Statorgehäuse 28a und 28b sind
zueinander spiegelbildlich und es wird daher nur ein Statorgehäuse 28a im
Detail beschrieben. Das Statorgehäuse 28a ist aus einem
dielektrischen Material gebildet, wie z.B. ein sehr festes Verbund-
oder Kunststoffmaterial, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Irgendein geeignetes
Material kann zur Bildung des Statorgehäuses verwendet werden, so lange
es dielektrisch ist und alle zugehörigen, die Statoranordnung 18 bildenden
Komponenten in geeigneter Weise haltern kann.
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Das
Statorgehäuse 28a hat
mehrere Öffnungen
mit Kernstücköffnungen 30 und
Spulenöffnungen 32,
die in dem Gehäuse
zum Haltern einer dynamisch aktivierbaren und deaktivierbaren Elektromagnetanordnung 34 ausgebildet
sind. Die Elektromagnetanordnung 34 umfasst einen amorphen
metallischen Gesamtmagnetkern 36 und eine Spulenanordnung 38.
Die Spulenanordnung 38 ist in Spulenöffnungen 32 gehaltert.
Ferner besteht gemäß der Erfindung
der amorphe metallische Gesamtkern 36 aus mehreren individuell
geformten amorphen Metallkernstücken 36a–g, von
denen einige Magnetpolstücke bilden,
wie am besten aus 3A hervorgeht. Das Statorgehäuse 28a haltert
die Elektromagnetanordnung 34 so, dass die Polstücke der
Elektromagnetanordnung angrenzend an einen der vorbestimmten Drehwege
der Magnetpole der Magnete 24a–f an der Rotoranordnung 16 gehalten
werden, wie am besten in 2 gezeigt ist.
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3A veranschaulicht
die spezifische Konfiguration des amorphen metallischen Gesamtkerns 36 für die spezielle,
in 1 gezeigte Ausführungsform. Jedes einzelne
Kernstück 36a–g wird
durch Wickeln eines kontinuierlichen Bandes amorphen Metallmaterials
zu der gewünschten
Form gebildet. Im Fall der Kernstücke 36a–f ist die
Kernstückform
allgemein eine zylindrische Form der Art, dass die gegenüberliegenden
fortlaufenden Kanten bzw. Ränder
jedes dieser Kernstücke
gegenüberliegende
Enden 37a und 37b des Kernstücks festlegen. Im Fall des Kernstücks 36g jedoch
ist die Kernstückform
ein Torusring mit einer Ringfläche 40,
die durch eine fortlaufende Kante des zur Bildung des Torusring-Kernstücks 36g gewickelten
fortlaufenden amorphen Metallbandes festgelegt ist. In beiden Fällen wird
bei dieser Ausführungsform
das fortlaufende amorphe Metallband nicht weiter geschnitten, geätzt oder
anderweitig maschinell bearbeitet als das anfängliche Aufschneiden des fortlaufenden
Bandes amorphen Metalls auf die gewünschte Länge, die zur Bildung der gewünschten
Kernstückform
erforderlich ist. Jedes der zylindrisch geformten Kernstücke 36a–f bildet
ein Polstück
eines Gesamtkerns 36, wobei ein Ende 37a jedes
zylindrischen Kernstücks
gegen die Ringfläche 40 des
torusringförmigen
Kernstücks 36g positioniert ist
und das andere Ende 37b von der Ringfläche 40 nach außen vorsteht.
Das Torusring-Kernstück 36g wirkt
als magnetisches Joch, das ein Entweichen des Magnetflusses verhindert
und jedes der zylindrischen Kernstücke 36a–f magnetisch
koppelt.
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3B stellt
ein Statorgehäuse 28a abgesetzt
von dem Kern 36 der 3A dar,
ist aber so gestaltet, dass es diesen enthält. Man beachte insbesondere
die verschiedenen Kernstücköffnungen 30 und
Spulenöffnungen 32.
Das Statorgehäuse 28a umfasst
auch Kühlmittelöffnungen 39 und
Verdrahtungs-Laufringöffnungen 41.
Mittels der Kühlmittelöffnungen 39 kann
ein Kühlmittelfluid
durch das Statorgehäuse 28a zirkuliert
werden, um einen exzessiven Hitzeaufbau im Statorgehäuse 28a,
der Spulenanordnung 38 und dem Kern 36 zu verhindern.
Die Kühlmittelöffnungen
können
an irgendeiner geeigneten Stelle innerhalb des Statorgehäuses ausgebildet sein,
um für
die Kühlung
der Vorrichtung zu sorgen. Die Verdrahtungs-Laufringöffnungen 41 werden
dazu verwendet, Drähte
zur Verbindung der Spulenanordnung 38 zu verlegen. Die 3B veranschaulicht zwar
nur eine spezifische Konfiguration des Statorgehäuses, die zur Aufnahme der
in 3A dargestellten Kernstücke gestaltet ist, es ist jedoch
anzumerken, dass das Statorgehäuse
eine breite Vielfalt von Konfigurationen annehmen kann, die je nach
der spezifischen Kerngestaltung variieren.
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Wie
am besten in 1, 3A und 3B gezeigt
ist, sind individuell ausgeformte Kernstücke 36a–g in den
Kernstücköffnungen 30 des
Statorgehäuses 28a so
gelagert, dass sie in ihren jeweiligen Positionen relativ zueinander
gehalten werden. Da die Kernstücköffnungen 30 im
Statorgehäuse 28a mit der
geeigneten Form zum Haltern jedes der verschiedenen individuell
geformten Kernstücke 36a–f ausgebildet
sind, können
die Kernstücke 36a–f durch
Wickeln des amorphen metallischen Bandmaterials ohne Laminieren
der Schichten der Wicklung gebildet werden. Dies ermöglicht es,
dass jedes einzeln geformte Kernstück sich thermisch dehnt und/oder sich
infolge magnetischer Sättigung
dehnt, was bewirkt, dass sich die Wicklung geringfügig aufwickelt, ohne
eine interne Belastung in dem Gesamtkern oder in irgendeinem der
individuell geformten Kernstücke zu
verursachen. Diese Anordnung verringert die im Hintergrund der Erfindung
beschriebenen, durch Magnetostriktion verursachten Probleme erheblich.
Ferner eliminiert diese Anordnung die Notwendigkeit, die Kernstücke zu laminieren,
und beseitigt daher das Raumvolumen innerhalb des Gesamtkerns, das
von dem Laminiermaterial eingenommen wird. Deswegen kann eine größere Menge
an amorphen Metallmaterial in ein gegebenes Volumen eingebracht
werden, was den Wirkungsgrad verbessert, mit dem ein Magnetkern
einen Magnetfluß ausrichten
oder fokussieren kann. Gleichzeitig hält jedes Statorgehäuse die
Polstücke 36a–f in direktem
Kontakt mit dem Joch 36g, so dass der Gesamtkern von einem
funktionellen Standpunkt her sich einem einzigen, integral ausgebildeten
Kern nähert.
Das Statorgehäuse 28a kann ebenfalls
vollständig
den amorphen metallischen Gesamtkern umschließen und ein abgedichtetes Gehäuse bilden,
welches eine Korrosion der Kernstücke verhindert.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform werden etwaige Leerstellen
in Kernstücköffnungen 30,
die nicht von den Kernstücken 36a–g ausgefüllt sind,
mit einem dielektrischen Öl 42 gefüllt, und
die Kernstücköffnungen 30 werden
abgedichtet, um das Öl
in den Leerstellen zu halten. Dieses Auffüllen mit Öl der Kernstücköffnungen
wirkt als Polster, um eine Beschädigung
an dem amorphen Metallmaterial zu verhindern, wenn dieses den starken
und variierenden magnetischen Kräften
im Zusammenhang mit dem Motor ausgesetzt ist. Dieses Auffüllen mit Öl trägt auch
dazu bei, die Statoranordnungen thermisch auszugleichen und kann
dazu verwendet werden, die Wärmeableiteigenschaften
der gesamten Vorrichtung zu verbessern. Auch die amorphen Metallkernstücke 36a–g sind
mit Öl
imprägniert.
Dies ermöglicht
es den Wicklungen der amorphen Metallkernstücke, infolge magnetischer Sättigung
und Wärmedehnung
des amorphen Metallmaterials leichter zu expandieren, was Belastungen
weiter reduziert, die durch Magnetostriktion verursacht werden können. Die
oben beschriebenen Kernstücköffnungen sind
zwar mit Öl
gefüllt
und die Kernstücke
mit Öl
imprägniert,
dies ist jedoch keine Notwendigkeit. Die Erfindung wäre ebenso
auf Vorrichtungen anwendbar, welche aus individuell ausgeformten
amorphen metallischen Magnetkernstücken gebildete Magnetkerne
verwenden, die in Öffnungen
eines Gehäuses
gehaltert sind, um eine amorphe metallische Gesamtmagnetkernform
zu bilden, ungeachtet der Tatsache, ob die Öffnungen mit Öl gefüllt sind
oder die Kernstücke
mit Öl
imprägniert
sind oder nicht.
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Die
Vorrichtung 10 ist eine bürstenlose synchrone Vorrichtung,
bei der die die Elektromagnetspulenanordnung 38 in dem
Statorgehäuse 28a bildenden
Spulen elektrisch so verbunden sind, dass sie gleichzeitig aktiviert
und deaktiviert werden. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform
umfasst die Spulenanordnung 38 sechs Polstückspulen,
von denen zwei in 1 als Spulen 38a und 38d dargestellt sind.
Die Spulenanordnung 38 kann mit Epoxidharz überzogen
oder anderweitig in ihrer Position festgestellt sein, um die gesamte
strukturelle Integrität
der Statoranordnung zu verstärken.
Jede Spule ist um entsprechende Kernstücke 36a–f herum
positioniert, von denen zwei in 1 als Kernstücke 36a und 36d dargestellt
sind. Die Spulenanordnung 38 ist so gewickelt, dass die
vorstehenden Enden der durch die magnetischen Kernstücke 36a–f gebildeten
Polstücke
alternierende Nord- und Südpole
bilden, wenn die Spulenanordnung 38 aktiviert ist. Ein
Torusring-Kernstück 36g wirkt
als magnetisches Joch, welches den den Enden der Kernstücke 36a–f angrenzend
an das Torusring-Kernstück 36g zugeordneten Magnetfluß zu den
benachbarten Polstücken
entgegengesetzter Polarität
umrichtet. Wenn die Vorrichtung als Elektromotor betrieben wird,
kehrt das Umschalten der Richtung des Stromflusses durch die Spulenanordnung 38 die
Polarität
jedes der Polstücke
der Elektromagnetanordnung 34 um. Wie in näheren Einzelheiten
nachstehend beschrieben wird, steuert ein Schalten des Wegs, auf
dem die Elektromagnete mit einer Last verbunden sind, die Ausgangsleistung
und den Zustand der von dem Generator erzeugten Elektrizität. Diese
Anordnung gestattet es, dass alternierende Nord- und Südpole der Elektromagnetanordnung 34 der
Statoranordnung 18 auf steuerbare Weise mit den alternierenden
Nord- und Südpolen
der Permanentmagnete 24a–f der Rotoranordnung 16 in
Interaktion treten.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst auch eine Steueranordnung 44 zum
Aktivieren und Deaktivieren der Spulenanordnung 38 mit
alternierender Polarität.
Die Steueranordnung 44 umfasst einen Controller 46,
der ein beliebiger geeigneter und einfach bereitstellbarer Controller
sein kann, welcher die Elektromagnetanordnung 34 mit variierender
Polarität
dynamisch aktivieren und deaktivieren kann. Vorzugsweise ist der Controller 46 ein
programmierbarer Controller, welcher die Elektromagnetanordnung 34 mit
einer viel höheren
Geschwindigkeitsrate, als es typischerweise bei herkömmlichen
Elektromotoren und Generatoren geschieht, aktivieren und deaktivieren
kann. Wegen der inhärenten
Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld bei einem amorphen Metallkern
bei jedem Betriebszyklus der Vorrichtung geschaltet werden kann, ermöglicht es
die Statoranordnung der Vorrichtung 10 dem Controller 46,
eine beliebige Kombination aus mehreren Aktivierungs- und Deaktivierungsparametern
durch Steuerung der Drehgeschwindigkeit, der Leistung und der Drehmomentausgabe
der Vorrichtung 10 zu verwenden. Für die Zwecke dieser Beschreibung
ist ein Betriebszyklus als die Bewegung eines bestimmten Punktes
des Rotors von einem gegebenen Statorpunkt angrenzend an ein elektromagnetisches
Polstück
der Statoranordnung bis zu einem gegebenen Statorpunkt angrenzend
an das nachfolgende elektromagnetische Polstück der Statoranordnung definiert,
wie vorher erwähnt
wurde.
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Wiederum
gemäß 1 umfasst
die Steueranordnung 44 auch eine Positionsdetektoranordnung 48 zum
Bestimmen der Position und der Drehgeschwindigkeit der Rotoranordnung 16 relativ
zur Statoranordnung 18 zu jeder gegebenen Zeit für jeden Betriebszyklus,
und zum Erzeugen entsprechender Signale. Die Detektoranordnung 48 umfasst
eine Codierscheibe 50, die an der Welle 14 zur
Drehung mit der Rotoranordnung 16 gelagert ist. Die Detektoranordnung 48 umfasst
auch eine Anordnung optischer Sensoren 52, die angrenzend
an die Codierscheibe positioniert sind.
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Wie
in 4 dargestellt ist, die eine Draufsicht auf die
Codierscheibe 50 ist, umfasst die Codierscheibe 50 mehrere
konzentrische Spuren 54 mit Positionsanzeigeöffnungen 56,
die in jeder der Spuren ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform
umfasst die Scheibe 50 sechs konzentrische Spuren 54a–f. Die
Scheibe 50 ist in drei tortenförmige Abschnitte 58 eines
120-Grad-Bogens unterteilt, die jeweils miteinander identisch sind.
Jeder Abschnitt 58 ist einem tortenförmigen Abschnitt der Rotoranordnung
zugeordnet, der sich von einem gegebenen Punkt eines ersten Rotormagneten
mit einer bestimmten Polarität
zu einem entsprechenden Punkt an dem nächstfolgenden Magneten mit
der gleichen Polarität
erstreckt (d.h. von einem Südpol
an einem Nordpol vorbei zum nächsten
Südpol).
Die innere Spule 54a hat eine lange Öffnung 56a, die sich
in jedem Abschnitt 58 über
die halbe Länge
(einen 60-Grad-Bogen) der Spur 54a erstreckt. In diesem Fall
entspricht jede dieser Öffnungen
einem Betriebszyklus der Vorrichtung, und die drei Öffnungen
sind zusammen mit jedem anderen der sechs Rotormagnete ausgerichtet
(d.h. den drei Magneten der gleichen Polarität auf jeder gegebenen Seite
der Rotorscheibe). Innerhalb jedes Abschnitts hat jede der aufeinanderfolgenden
Spuren doppelt so viele Öffnungen,
die halb so lang sind wie die Öffnungen
in der vorhergehenden Spur. Das heißt, die Spur 54b hat zwei Öffnungen 56b in
jedem Abschnitt, die Spur 54c hat vier Öffnungen 56c usw.,
wobei die äußere Spur 32 Öffnungen
aufweist, von denen jede einen Bogen von 1 7/8 Grad hat.
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Die
optische Sensoranordnung 52 umfasst sechs optische Sensoren,
wobei jeder Sensor einer der konzentrischen Spuren an der Codierscheibe 50 entspricht
und in optischer Ausrichtung hierzu positioniert ist. Die Anordnung 52 ist
nahe der Codierscheibe 50 so positioniert, dass die optischen
Sensoren die Präsenz
der Öffnungen 56 erfassen.
Wenn jeder der optischen Sensoren 1 Bit Information liefert, ist die
Anordnung 52 in der Lage, den Controller 56 mit einem
Binärwort
(einem Byte) zu versorgen, welches die Position der Rotoranordnung
innerhalb von weniger als 2 Bogengraden identifiziert. Mittels des
Bits mit dem höchsten
Stellenwert, d.h. dem Sensor in Zuordnung zur Spur 54a ist
der Controller 46 auch in der Lage, die Stelle der alternierenden
Nord- und Südpole
der Magnete zu bestimmen, da die Öffnungen 56a der Spur 54a jedem
anderen Magnet auf der Rotorscheibe nach obiger Beschreibung entsprechen.
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Der
Controller 46 umfasst auch eine Zähleranordnung 49,
die in Zeitzählschritten
zählen
kann, welche eine Unterteilung jedes Betriebszyklus (60-Grad-Bogen)
in mehrere Zeitspannen oder Zählungen
gestattet, beispielsweise 1600 Zählungen
pro Betriebszyklus, wenn die Vorrichtung sich mit einer vorbestimmten
Maximalgeschwindigkeit dreht. Dies entspricht 100 Zählungen
für jede Öffnung 56f,
oder anders ausgedrückt
das Hundertfache der von der Codierscheibe bereitgestellten Auflösung. Zu
Veranschaulichungszwecken würde
dies für
einen Hochgeschwindigkeitsmotor, der mit 20.000 U/min arbeiten kann,
eine Zähleranordnung
oder eine Taktuhr erfordern, die mit 3,2 Mio Zählungen pro Sekunde arbeiten
kann, oder eine 3,2-MHz-Taktuhr.
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Der
Controller 46 ist so angeordnet, dass er die Elektromagnetanordnung 34 bei
jeder vorbestimmten Zählung
der Zähleranordnung 49 aktivieren oder
deaktivieren kann. Dies liefert eine extrem genau Steuerung der
Aktivierung und Deaktivierung der Elektromagneten. Es wird zwar
das Beispiel einer Betriebsgeschwindigkeit von 20.000 U/min verwendet,
es ist jedoch anzumerken, dass dies keine Obergrenze ist. Wegen
der extrem schnellen Schaltfähigkeit
der amorphen Metallstatoranordnung und der präzisen Aktivierungs- und Deaktivierungssteuerung der
Elektromagnete, die von der oben beschriebenen Steueranordnung bereitgestellt
wird, sind Motor- und Generatorvorrichtungen in der Lage, Vorrichtungen mit
extrem hohen Geschwindigkeiten mit Drehzahlen von 50.000 U/min oder
sogar mehr als 100.000 U/min bereitzustellen Um ein diskretes Erfassen
der Präsenz
der Öffnungen
der verschiedenen Spuren in der Codierscheibe 50 durch
den Controller 46 zu ermöglichen, sind die Öffnungen
in den verschiedenen Spuren geringfügig relativ zueinander versetzt, so
dass die verschiedenen optischen Sensoren der Anordnung 52 nicht
versuchen, die Erfassung des Beginns einer Öffnung für verschiedene Spuren zu genau
der gleichen präzisen
Zeit anzugeben. Diese Codierungskonfiguration wird allgemein als "gray code" bezeichnet, und
ist dazu vorgesehen, Fehler durch den Controller, die durch sehr
geringfügige
Ungenauigkeiten in den Positionierungen der Positionsanzeigeöffnungen
verursacht werden, auszugleichen.
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Es
wird nun nach der Beschreibung der verschiedenen die Vorrichtung 10 bildenden
Komponenten wieder auf 1 eingegangen, wobei die Arbeitsweise
der Vorrichtung in verschiedenen Moden in näheren Einzelheiten beschrieben
wird.
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Da
das amorphe metallische Magnetkernmaterial sein Magnetfeld extrem
schnell schalten, kann und da die Steueranordnung 44 die
Elektromagnetanordnung 34 zu extrem präzisen Zeiten aktivieren und
deaktivieren kann, ermöglicht
es die Steueranordnung 44 der vorliegenden Erfindung, dass
der Controller 46 eine beliebige Kombination mehrerer Elektromagnetanordnungs-Aktivierungs-
und Deaktivierungsparameter einsetzen kann, um die Geschwindigkeit,
den Wirkungsgrad, das Drehmoment und die Leistung der Vorrichtung
zu steuern. Diese Parameter umfassen die Betriebszyklus-Aktivierungszeit,
die Start-/Stoppunkte der Betriebszyklus-Aktivierungszeit und die Modulation
der Betriebszyklus-Aktivierungszeit,
sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
Die Aktivierungs- und Deaktivierungsparameter werden mit Bezug auf
die 5A–C
näher beschrieben,
die graphische Darstellungen des Aktivierungs-/Deaktivierungsstatus
der Elektromagnetanordnung 34 für zwei aufeinanderfolgende
Betriebszyklen D1 und D2 zeigen.
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Die
Elektromagnetanordnung wird mit alternierender Nord- und Süd-Polarität für jedes
der die Elektromagnetanordnung bildenden Polstücke aktiviert. Für jedes
gegebene Statorpolstück
entspricht der Betriebszyklus D1 der Zeit, welche die Rotoranordnung
braucht, um sich von einem Punkt aus zu drehen, an dem ein Nordpol
eines der Rotormagneten sich angrenzend an das obere Totpunktzentrum mit
dem gegebenen Statorpolstück
ausgerichtet befindet, zu der Zeit, zu der der Südpol des nächstfolgenden Rotormagneten
sich an dem oberen Totpunktzentrum mit dem gegebenen Statorpolstück und auf
dieses ausgerichtet befindet. Wie durch das Bezugssymbol N angegeben
ist, wird die Elektromagnetanordnung während des Betriebszyklus D1
so aktiviert, dass das gegebene Statorpolstück als Nordpol wirkt. Der Betriebszyklus
D2 entspricht der Zeit, welche die Rotoranordnung braucht, um sich von
dem Punkt, an dem der Südpol
des Rotormagneten am Ende des Betriebszyklus D1 am oberen Totpunktzentrum
mit dem gegebenen Statorpolstück ausgerichtet
ist, zu der Zeit, zu der der Nordpol des nächstfolgenden Rotormagneten
am oberen Totpunktzentrum mit dem gegebenen Statorpolstück ausgerichtet
ist, zu drehen. Wie durch das Bezugssymbol S angedeutet ist, wird
die Elektromagnetanordnung während
des Bezugszyklus D2 so aktiviert, dass das gegebene Statorpolstück als Südpol wirkt.
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Wie
in 5A gezeigt ist, ist die Betriebszyklus-Aktivierungszeit
die kontinuierliche Zeitdauer, in der die Elektromagnetanordnung 34 der
Statoranordnung für
einen gegebenen Betriebszyklus aktiviert ist. Die Betriebszyklus-Aktivierungszeit
wird in den 5A–C durch den Buchstaben T angegeben.
Die Start-/Stoppunkte der Betriebszyklus-Aktivierungszeit sind die Zeitpunkte,
zu denen die Betriebszyklus-Aktivierungszeit während des Betriebszyklus relativ
zu der Drehposition des Rotors startet (durch die Bezugsziffer 60 angegeben)
und stoppt (durch die Bezugsziffer 62 angegeben). Wie in 5B dargestellt
ist, kann die Start-/Stoppzeit geändert werden, während die
Betriebszyklus-Aktivierungszeit
T konstant gehalten wird, oder sie kann geändert werden, während gleichzeitig
die Länge
der Betriebszyklus-Aktivierungszeit T geändert wird. Und schließlich ist
die Modulation der Betriebszyklus-Aktivierungszeit die Pulsbreitenmodulation
der Elektromagnetanordnung 34 während der Betriebszyklus-Aktivierungszeit
T zwischen deren Start- und Stoppunkten. Wie in 5C dargestellt
ist, wird dies durch Aktivieren und Deaktivieren des Elektromagneten 34 während der
Zeit vorgenommen, die andernfalls die kontinuierliche Betriebszyklus-Aktivierungszeit
T sein würde.
Während
die Pulsbreitenmodulation als gleiche ON-Impulse und OFF-Impulse
dargestellt wird, können
die ON-Impulse in der Dauer unterschiedlich zu den OFF-Impulsen
sein. Ferner kann jeder Satz von Impulsen untereinander variieren,
um eine gewünschte
Gesamtaktivierungszeit innerhalb der Zeit T bereitzustellen. Gemäß der Erfindung
können
die Geschwindigkeit, der Wirkungsgrad und die Leistung sowie die
Drehmomenteingabe/-ausgabe
der Vorrichtung 10 mittels der Steueranordnung 44 zum
Aktivieren und Deaktivieren der Elektromagnetanordnung 34 mit
Hilfe irgendeiner Kombination dieser Parameter oder irgendwelchen
anderen vorbestimmten Aktivierungs- und Deaktivierungsparametern
in einer bestimmten Kombination gesteuert werden.
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Im
Fall eines Elektromotors verwendet der Controller 46 die
Positionsinformation, um die Drehung der Rotoranordnung durch Anregen
der Elektromagnetanordnung 34 zu starten, so dass die Polstücke 36 die
richtige Polarität
aufweisen, um die Drehung des Motors in der gewünschten Richtung zu starten.
Der Controller 46 aktiviert und deaktiviert die Elektromagnetanordnung 34,
so dass die Polarität
jedes Polstücks
sich für
jeden nachfolgenden Betriebszyklus umkehrt. Sobald sich der Motor
mit genügender
Geschwindigkeit dreht, verwendet der Controller 46 nur
die äußeren Spuren
der Codierscheibe 50, um die Drehgeschwindigkeit der Rotoranordnung
in bezug auf die Statoranordnung zum Kalibrieren der Zähleranordnung 49 zu
bestimmen. Der Controller 46 setzt die Steuerung der Vorrichtung 10 mittels
der Zähleranordnung 49 und
der von der Codierscheibe 50 erzeugten Signale fort, um
vorbestimmte Vorrichtungssteuereinstellungen auszuwählen und
zu verwenden, welche in dem Controller 46 programmiert oder
diesem anderweitig bereitgestellt werden können, um die Aktivierung und
Deaktivierung der Elektromagnetanordnung 34 zu steuern.
Da die Steueranordnung 44 die Elektromagnetanordnung 34 bei einem
beliebigen der Zählschritte
der Zähleranordnung 49 aktivieren
oder deaktivieren kann, kann die Steueranordnung 44 sehr
genau die Geschwindigkeit, den Wirkungsgrad, das Drehmoment und
die Leistung der Vorrichtung 10 mittels irgendeiner Kombination
der oben beschriebenen Aktivierungs- und Deaktivierungsparameter steuern.
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Die
Präzision,
Geschwindigkeit und Flexibilität
der Steueranordnung 44 ermöglicht den Einsatz einer gemäß der vorliegenden
Erfindung gestalteten Vorrichtung für eine breite Vielfalt von
Anwendungen. Ferner ist die Vorrichtung durch Verwendung von Supermagneten
in der Rotoranordnung und von amorphen metallischen Magnetkernen
zu sehr hohen Leistungsdichten und sehr hohen Drehgeschwindigkeiten
im Vergleich zu herkömmlichen
Elektromotoren und Generatoren fähig.
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In
einem ersten Beispiel ist eine Ausführungsform ein Elektromotor
zur Verwendung in einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerungsanwendung,
bei der mehrere Werkzeuge mittels der gleichen Spindel und der gleichen
Aufspannvorrichtung angetrieben werden. In dem Fall, in dem der Elektromotor
die Spindel direkt antreibt und der Motor und die Spindel zur Bewegung über eine
Arbeitsfläche
gehaltert sind, müssen
die Spindel und das gesamte Werkzeug wegen des geringen Gewichts
und der hohen Leistungsdichte des Motors nicht annähernd so
schwer gebaut sein. Ferner kann der Motor wegen der Flexibilität der Steueranordnung
des Motors für
eine breite Vielfalt spezifischer Arbeitsgänge programmiert werden. Beispielsweise
kann das Werkzeug anfänglich
als Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine
mit relativ geringer Energie bei etwa 20.000 U/min eingesetzt werden.
Dann kann durch Antrieb des Motors in der entgegengesetzten Richtung
der Motor und die Spindel sehr schnell angehalten werden, so dass
ein anderes Werkzeug automatisch in die Aufspannvorrichtung eingesetzt
werden kann. Falls beispielsweise der nächste Arbeitsgang ein Bohrvorgang
mit niedriger Geschwindigkeit, aber höherer Leistungsanforderung
ist, kann die Steueranordnung des Motors so programmiert werden,
dass sie die/den gewünschte
Geschwindigkeit, Wirkungsgrad, Leistung und Drehmomentausgabe liefert.
Mittels eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein viel breiterer Bereich an Motorgeschwindigkeits-, Leistungs-
und Drehmomenteinstellungen verfügbar
als bei herkömmlichen
Motoren.
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In
einer weiteren, in 6 dargestellten Anwendung wird
die Vorrichtung 10 als Generator verwendet, der durch eine
Windmühle 100 angetrieben wird.
In dieser Situation ist die Steueranordnung 44 so konfiguriert,
dass sie die Art und Weise der Aktivierung und Deaktivierung der
Elektromagnetanordnung 34 schaltet, um die von der Vorrichtung 10 erzeugte
Leistung bzw. Energie je nach der von der Windmühle 100 verfügbaren Energieeingabe
zu variieren. Diese Anordnung ermöglicht es, dass der Generator
in einem viel breiteren Bereich von Betriebsbedingungen betrieben
wird als es mittels herkömmlicher
Generatoren möglich
ist.
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Typischerweise
sind Windmühlengeneratoren
so konfiguriert, dass sie eine vorbestimmte elektrische Ausgangsleistung
aufweisen. Wenn Wind aufkommt, ist der Generator nicht in der Lage
zu arbeiten, bis die Windgeschwindigkeit eine minimale Betriebsgeschwindigkeit
erreicht. Da typische Windmühlen
so gestaltet sind, dass sie an einem Punkt nahe der durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit für den
Bereich, in dem sie installiert sind, arbeiten, bedeutet dies, dass
die Windmühle
nicht in der Lage ist, irgendeine Leistung zu erbringen, wenn der
Wind unter der minimalen Betriebsgeschwindigkeit der Windmühle liegt.
Wenn der Wind über
die designierte Betriebsgeschwindigkeit ansteigt, muss die Windmühle abgefedert
sein oder einen Bremsmechanismus aufweisen, um einen Teil der Windenergie
abzuführen, um
ein Überdrehen
der Windmühle
zu verhindern. In einigen Fällen
muss die Windmühle
bei sehr starken Windsituationen vollkommen abgeschaltet werden, um
eine Beschädigung
oder eine Überhitzung
des Bremsmechanismus zu vermeiden. Daher wird bei Situationen starken
Windes oder sehr starken Windes ein Großteil oder die gesamte verfügbare Windenergie
nicht genutzt, da der Windmühlengenerator nicht
in der Lage ist, seine vorbestimmte elektrische Ausgangsleistung
zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung
kann die Vorrichtung 10 so gestaltet sein, dass sie eine
maximale Ausgangsleistung aufweist, die mehr der hohen, der Windmühle verfügbaren Windenergie
entspricht als der durchschnittlichen Windenergie. In dieser Situation,
wenn der Wind seine durchschnittliche Windgeschwindigkeit aufweist,
verbindet und trennt die Steueranordnung 44 die Elektromagnetanordnung 34 derart,
dass die Vorrichtung 10 eine wesentlich geringere Ausgangsleistung
als ihre maximale Ausgangsleistung hat. In der Tat kann bei schwachen
Windsituationen die Vorrichtung 10 als Elektromotor verwendet
werden, um die Windmühle
anlaufen zu lassen. Sobald sie mit geeigneter Geschwindigkeit dreht, kann
die Vorrichtung 10 als Generator mit sehr niedriger Ausgangsleistung
betrieben werden. Wenn der Wind auf höhere als durchschnittliche
Windgeschwindigkeiten zunimmt, aktiviert und deaktiviert die Steueranordnung 44 einfach
die Magnetanordnung 34 so, dass die Ausgangsleistung zunimmt,
um mit der Energieeingabe des Windes übereinzustimmen. Bei sehr starken
Windsituationen, bei denen die Windenergie noch größer ist
als die maximale Ausgangsleistung der Vorrichtung 10, kann
die Vorrichtung 10 einen bestimmten Bruchteil der Zeit
als Elektromotor betrieben werden, der die Windmühle in der entgegengesetzten
Richtung antreibt, um als Bremse zu wirken. Diese Gesamtkonfiguration
ermöglicht
es, dass die Windmühle
in einem viel breiteren Bereich von Windbedingungen arbeitet und
Leistung produziert als es mit herkömmlichen Generatoren möglich ist.
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Die
Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 wird durch Aktivieren
und Deaktivieren der Elektromagnetanordnung 34 nach obiger
Beschreibung gesteuert. Jede Kombination von Aktivierungs- und Deaktivierungsparametern
einschließlich
der Betriebszyklus-Aktivierungszeit, der Start-/Stoppunkte der Betriebszyklus-Aktivierungszeit
und der Modulation der Betriebszyklus-Aktivierungszeit kann verwendet
werden, um die Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 zu steuern.
Durch Steuern dieser Aktivierungs- und Deaktivierungsparameter kann
ein breiter Bereich von Ausgangsleistungen für jede gegebene Vorrichtung
erzielt werden. Da die Vorrichtung 10 in jeder Richtung
als Elektromotor durch Anregen der Elektromagnetanordnung 34 mit
der richtigen Polarität
für jede
gewünschte
Zeitspanne während
ihres Betriebs angetrieben werden kann, kann die Vorrichtung die
erforderliche Leistungs- bzw. Energiemenge zur Drehung der Vorrichtung
als Generator reduzieren oder steigern. Daher ist die Vorrichtung
in der Lage, als Generator mit einem extrem breiten Bereich von
Ausgangsleistungen zu arbeiten.
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Wenn
die Vorrichtung 10 als Generator arbeitet, ermöglicht es
die durch die Steueranordnung 44 bereitgestellte Flexibilität auch,
dass die Vorrichtung 10 zur Konditionierung der Ausgangsleistung der
Vorrichtung 10 eingerichtet werden kann, ohne die Verwendung
zusätzlicher
Leistungskonditionierungsvorrichtungen zu erfordern. Bei dem in 6 dargestellten
Beispiel der Windmühlenanwendung nach
obiger Beschreibung kann die Steueranordnung 44 die Elektromagnetanordnung 34 so
aktivieren und deaktivieren, dass die Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 gesteuert
wird. Deswegen ist die Steueranordnung 44 in der Lage,
die Geschwindigkeit, mit der die Windmühle betrieben wird, zu steuern.
Ferner kann die Steueranordnung 44 die Aktivierungs- und Deaktivierungsparameter
nach obiger Beschreibung steuern. Dies gestattet es, die Steueranordnung 44 so
zur Aktivierung und Deaktivierung der Elektromagnetanordnung zu
konfigurieren, dass die Ausgabe der Vorrichtung 10 auf
eine gewünschte elektrische
Ausgangsleistung eingestellt wird, ohne die Verwendung zusätzlicher
elektrischer Leistungskonditionierungsvorrichtungen zu erfordern.
Dies geschieht durch Steuern der Geschwindigkeit der Vorrichtung
und Aktivieren und Deaktivieren der Elektromagnetanordnung zu den
angemessenen Zeiten, um eine elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen,
die auf eine gewünschte
elektrische Ausgangsleistung abgestimmt ist. Wenn die Ausgangsleistung ein
gepulster Gleichstrom sein soll, wie es der Fall beim Laden von
Batterien wäre,
kann ein H-Brücken-Controller
den Wechselstromausgang der Vorrichtung in einen gepulsten Gleichstrom
umwandeln. Dies ist als "aktive
Rektifizierung" bekannt.
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Wie
in 7 dargestellt ist, ist eine weitere Anwendung,
bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung
gut geeignet ist, eine gasturbinengetriebene Generatoranwendung.
Wegen der extrem hohen Drehgeschwindigkeiten von Turbinenmotoren
sind herkömmliche
Generatoren typischerweise mit einem Turbinenmotor mittels Untersetzungsgetrieben
verbunden, welche die Drehgeschwindigkeit, mit der der Generator
durch den Turbinenmotor angetrieben wird, erheblich reduziert wird.
Diese Untersetzungsgetriebeanordnungen erhöhen die Kosten des Gesamtsystems
und verursachen Energieverluste, welche den Gesamtwirkungsgrad der
Kombination reduzieren. Ein Generator, der nach obiger Beschreibung gestaltet
ist, wird direkt durch eine Gasturbine ohne die Verwendung von Reduktionsgetrieben
oder irgendeiner anderen Anordnung zur Verringerung der Drehgeschwindigkeit,
mit der der Turbinenmotor den Generator antreibt, angetrieben. Wie
in 7 gezeigt ist, wird die Vorrichtung 10 direkt
durch den Turbinenmotor 200 angetrieben. Die Vorrichtung 10 kann
auch als Startermotor für
den Turbinenmotor eingesetzt werden. Wie ebenfalls oben beschrieben ist,
kann wegen der extrem hohen Geschwindigkeit, mit der der amorphe
Metallmagnetkern der Vorrichtung 10 auf Änderungen
im Magnetfeld antwortet, und wegen der extrem schnellen Schaltfähigkeit
der Steueranordnung 44 die Vorrichtung 10 wirksam
bei extrem hohen Drehgeschwindigkeiten arbeiten. Dies ermöglicht einen
direkten Antrieb der Vorrichtung 10 durch den Turbinenmotor 200 und
eliminiert die Notwendigkeit irgendwelcher Untersetzungsgetriebe oder
anderer Anordnungen zum Reduzieren der Drehgeschwindigkeit, mit
der der Turbinenmotor die Vorrichtung 10 antreibt.
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Die
Scheibenkonfiguration oder axiale Vorrichtungskonfiguration nach
obiger Beschreibung stellt ein kompaktes Gesamtgehäuse dar,
das so gestaltet werden kann, dass es extrem hohen Zentrifugalkräften widersteht.
Dies gestattet einer Vorrichtung dieser Konfiguration, mit extrem
hohen Drehgeschwindigkeiten zu arbeiten und daher eine extrem hohe
Ausgangsleistung für
eine Vorrichtung gegebener Größe zu bieten.
In einer besonders interessanten Anwendung wird die Vorrichtung
zur Verwendung als Elektromotor vorgesehen, um direkt einen Kühleinheits-Turbokompressor
mit extrem hohen Drehgeschwindigkeiten anzutreiben. Diese Drehgeschwindigkeiten
können
50.000 bis 100.000 U/min oder mehr betragen. Durch Betreiben des
Turbokompressors mit diesen Drehgeschwindigkeiten wird der Wirkungsgrad
des Kompressors wesentlich verbessert. Mit herkömmlichen Elektromotoren, die
bei viel geringeren Geschwindigkeiten arbeiten, geht der Großteil oder
die Gesamtheit des Zugewinns an Wirkungsgrad im Zusammenhang mit
dem Hochgeschwindigkeits-Turbokompressor an mechanische Verluste
verloren, die mit der notwendigen Getriebeanordnung verbunden sind,
um die hohe Drehgeschwindigkeit zu erreichen. Durch direkten Antrieb des
Kompressors mit einem Hochgeschwindigkeitsmotor, der gemäß der Erfindung
gestaltet ist, werden die Verluste an Wirkungsgrad im Zusammenhang
mit der herkömmlichen
Getriebeanordnung eliminiert. Dies liefert eine Gesamtanordnung,
welche wesentlich effizienter ist als herkömmliche Anordnungen.
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Der
amorphe metallische Gesamtmagnetkern 36 der Vorrichtung 10 ist
zwar als Torusring in seiner Gesamtform mit Hohlvorsprüngen, die
aus einer der Ringflächen
des Rings gemäß 3A vorstehen,
beschrieben worden, dies ist jedoch nicht zwingend. Stattdessen
kann der amorphe metallische Gesamtmagnetkern irgendeine gewünschte Form
annehmen und nach wie vor in den Schutzumfang der Erfindung fallen,
so lange der amorphe metallische Gesamtkern aus mehreren einzeln
geformten amorphen metallischen Kernstücken gebildet ist, die durch
ein Kerngehäuse
nahe aneinander gehaltert bzw. gelagert sind.
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Gemäß 8 kann
der amorphe metallische Gesamtkern die Form von U-förmigen amorphen
Gesamtmetallkernen annehmen. In einer spezifischen Ausführungsform
ersetzen drei separate U-förmige Gesamtkerne 300 die
Torusringkonfiguration gemäß 3A.
Jeder Kern 300 besteht aus drei individuell geformten amorphen
Metallkernstücken 300a–c. Die Kernstücke 300a und 300b sind
zylindrische Kernstücke ähnlich den
Kernstücken 36a–f der 3A. Die
Kernstücke 300c sind
jedoch Kernstücke
mit einer länglichen
ovalen Querschnittsform. In dieser Ausführungsform hätte das
Statorgehäuse
Kernstücköffnungen,
die so angeordnet sind, dass jedes Paar Kernstücke 300a und 300b nahe
einem zugeordneten Kernstück 300c gehalten
wird. Die elektromagnetische Spulenanordnung für diese Ausführungsform
wäre ähnlich der
oben für
die Vorrichtung 10 beschriebenen. Der einzige Unterschied
zwischen der oben beschriebenen Vorrichtung mit dem Torusring-Kernstück und der
U-förmigen
Konfiguration besteht darin, dass die Torusring-Konfiguration magnetisch alle sechs
von den Kernstücken 36a–f gebildeten
Polstücke
koppelt, während
bei der U-förmigen Konfiguration
nur jedes zugeordnete Paar von den Kernstücken 300a und 300b gebildeter
Polstücke magnetisch
gekoppelt ist.
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9 stellt
eine weitere mögliche
Konfiguration zur Bereitstellung des Magnetkerns der vorliegenden
Erfindung dar. Wie oben beschrieben wurde, umfasst die Vorrichtung 10 der 1 zwei
Statoranordnungen mit amorphen metallischen Gesamtkernen 36,
einen auf jeder Seite der Rotoranordnung 16. 9 veranschaulicht
einen allgemein C-förmigen amorphen
metallischen Gesamtkern 400 mit fünf individuell geformten amorphen
metallischen Kernstücken 400a–e. Die
beiden Torusring-Gesamtkerne der 1 können durch
sechs amorphe metallische Gesamtkerne 400 ersetzt werden,
die radial um die Rotoranordnung herum positioniert sind. In dieser
Ausführungsform
bilden sechs Kernstücke 400a Polstücke ähnlich den
Polstücken 36a–f auf einer
Seite der Rotoranordnung. Die Kernstücke 400b bilden entsprechende
Polstücke,
die auf der anderen Seite der Rotoranordnung positioniert sind.
Für jeden
C-förmigen
amorphen metallischen Gesamtmagnetkern 400 bilden die Kernstücke 400c–e ein magnetisches Joch,
welches ihre zugeordneten Kernstücke 400a und 400b magnetisch
koppelt. Ferner wäre
bei dieser Ausführungsform
das Statorgehäuse
so konfiguriert, dass es alle verschiedenen Kernstücke in ihren
betreffenden Positionen haltert, um die sechs C-förmigen Gesamtmagnetkerne
zu bilden. Wie oben mit Bezug auf die U-förmigen Kerne beschrieben wurde, besteht
der einzige Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der Ausführungsform
von 1 darin, dass statt einer magnetischen Kopplung aller
Polstücke
auf einer Seite der Rotoranordnung durch das Torusring-Kernstück jedes
Paar von Polstücken,
das durch die zugeordneten Kernstücke 400a und 400b auf
entgegengesetzten Seiten der Rotoranordnung gebildet wird, magnetisch
gekoppelt ist.
-
10 veranschaulicht
eine weitere mögliche
Konfiguration zur Bereitstellung des Magnetkerns der vorliegenden
Erfindung. In diesem Fall nimmt die Vorrichtung die Form einer Trommel
oder einer radialen Vorrichtung statt der einer Platte oder einer
axialen Vorrichtung an. Bei dieser Konfiguration würde die
Rotoranordnung 500 die Form einer Trommel statt einer Scheibe
annehmen. In diesem Beispiel würde
die Rotoranordnung 500, falls die Vorrichtung ein bürstenloser
Gleichstrommotor ist, sechs Rotormagnete 502 aufweisen,
die an der Außenumfangskante
der Rotoranordnung angebracht sind. Wenn die Vorrichtung hingegen
ein Induktionsmotor ist, würden
die Magnete 502 nicht aufgenommen und die Rotoranordnung 500 würde aus
in geeigneter Weise geformten, auf Eisen basierendem Material oder
einem anderen magnetischen Kernmaterial gebildet sein.
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Die
Statoranordnung dieser trommelartigen Ausführungsform umfasst nur einen
amorphen Gesamtmetallkern in der Form eines allgemein rohrförmigen amorphen
Gesamtmetallkerns 504. Der Kern 504 besteht aus
einem rohrförmigen,
individuell geformten amorphen Metallkernstück 504a und sechs individuell
geformten amorphen Metallkernstücken oder
Zähnen 504b–g. Das
Kernstück 504a wird
durch Walzen eines fortlaufenden Bandes amorphen Metallmaterials
einer gewünschten
Breite zu der Rohrform eines gewünschten
Durchmessers gebildet. Die Kernstücke 504b-g können entweder
durch Schichten individueller Streifen amorphen Metallmaterials geformt
werden, um die gewünschte
Kernstückform zu
bilden, oder können
alternativ durch Wickeln eines kontinuierlichen amorphen Metallstreifens
zu einer stark länglichen,
ovalen Form gebildet werden. Bei dieser Ausführungsform hat ein Statorgehäuse 506 Kernstücköffnungen,
die so angeordnet sind, dass jedes der Kernstücke 504b–g angrenzend
an die Innenfläche
des Kernstücks 504a gehalten
wird. Die Elektromagmetspulenanordnung für diese Ausführungsform
wäre ähnlich der
oben für
die Vorrichtung 10 beschriebenen. Der einzige Unterschied
zwischen der oben beschriebenen Konfiguration mit dem Torusring-Kernstück und dieser
Trommel- oder Radialkonfiguration besteht darin, dass bei der Trommelkonfiguration
die Spulen sehr langgestreckte Spulen wären, die longitudinal parallel
zur Achse der Rotoranordnung verlaufen und jeweils um die Kernstücke oder
Zähne 504b–g herum
positioniert sind.
-
Die
verschiedenen Kernstücke
sind zwar in der gesamten Beschreibung mit spezifischen Querschnittsformen
beschrieben worden, es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung
nicht auf diese spezifischen Querschnittsformen beschränkt ist.
Stattdessen können
gemäß den 11A–F
die individuell geformten Kernstücke
eine beliebige Querschnittsform, beispielsweise die eines Kreises,
eines Ovals, einer Eiform, eines Torusrings, eines Dreiecks mit
abgerundeten Ecken oder eines Trapezoids mit abgerundeten Ecken
annehmen, wie durch die Kernstücke 510, 512, 514, 516, 518 und 520 in
den 11A–F jeweils dargestellt ist.
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Die
Kernstücke
sind zwar als aus einem fortlaufenden Band amorphen Metallmaterials
gewickelt beschrieben worden, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Alternativ können
die Kernstücke
durch Schichten individuell geformter Streifen oder Stücke amorphen
Metalls geformt werden, um ein Kernstück einer gewünschten
Form zu bilden, wie z.B. ein rechteckiges Kernstück 522 oder ein Kernstück 524 mit trapezoidförmigem Querschnitt,
wie in den 11G und 11H dargestellt
ist, oder mit einer breiten Vielfalt anderer spezieller Querschnittsformen.
Wie in diesen Figuren dargestellt ist, können die einzelnen Streifen übereinander
geschichtet werden, wobei jedes Stück die gleiche Größe und Form
aufweist, wie in 11G angegeben ist. Alternativ
können
die einzelnen Streifen nebeneinander geschichtet werden, wobei die
verschiedenen einzelnen Stücke
verschiedene Größen und
Formen aufweisen, wie in 11H dargestellt
ist. Diese verschiedenen Lösungen
gestatten eine breite Vielfalt von auszubildenden Formen.
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Wie
Fachleuten bekannt ist, hat amorphes Metallmaterial, wenn es hergestellt
wird, typischerweise eine bestimmte Richtung, entlang der ein Magnetfluß am wirksamsten
gerichtet wird. Für
ein Band aus amorphem Metallmaterial ist diese Richtung typischerweise
entweder entlang der Länge
des Streifens oder über
die Breite des Streifens. Durch Anwendung des geeigneten Lösungswegs
nach obiger Beschreibung zur Ausbildung jedes der Kernstücke eines
amorphen Metallgesamtkerns können
die einzelnen Kernstücke
so ausgebildet werden, dass das amorphe Metallmaterial immer derart
ausgerichtet ist, das der Magnetfluß durch die Stücke entlang
derjenigen Richtung des amorphen Metallmaterials gerichtet wird,
welche den Magnetfluß am
wirksamsten leitet. Im Fall der Ausführungsform der 3A mit dem
Torusring würde
das Torusring-Kernstück 36g durch
Wickeln eines amorphen Metallbandes gefertigt, dessen wirksamste
Flussrichtung entlang der Länge
des Bandes ausgerichtet ist. Jedes der Polstücke 36a–f würde jedoch
durch Wickeln eines amorphen Metallbandes geformt, dessen wirksamste Flussrichtung über die
Breite des Bandes ausgerichtet ist. Diese Konfiguration richtet
das amorphe Metallmaterial derart aus, dass der Magnetfluß durch den
Kern entlang der Richtung des Materials gerichtet wird, welche den
Magnetfluß am
wirksamsten leitet.
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Die
Erfindung ist zwar als Einphasenvorrichtung beschrieben worden,
bei der alle Elektromagnete der Statoranordnung gleichzeitig aktiviert
werden, dies ist jedoch keine Erfordernis. Wie einem Fachmann ersichtlich
ist, kann die Vorrichtung der Erfindung auch die Form einer Mehrphasenvorrichtung annehmen. 12 veranschaulicht
einen Lösungsweg
zur Bereitstellung eines Mehrphasen-Elektromotors 600.
Bei dieser Ausführungsform
sind drei Vorrichtungen 10a–c, die nach obiger Beschreibung
für die
Vorrichtung 10 gestaltet sind, in-line auf einer gemeinsamen
Welle angebracht. Jede dieser Vorrichtungen 10a–c wird
um 20 Grad relativ zu der vorhergehenden Vorrichtung gedreht. Mit
anderen Worten wird die Vorrichtung 10b um 20 Grad relativ
zur Vorrichtung 10a gedreht, so dass jedes der Polstücke der
Statoranordnung der Vorrichtung 10b an einer Position befestigt
wird, die 20 Grad vor dem entsprechenden Polstück der Statoranordnung der
Vorrichtung 10a liegt. Dasselbe trifft für die Vorrichtung 10c in
bezug auf die Vorrichtung 10b zu. Da der Betriebszyklus
der Vorrichtungen 10a–c
sich über
einen 60-Grad-Bogen erstrecken kann, wie vorher beschrieben wurde,
bewirkt diese Konfiguration, dass die drei Vorrichtungen um ein
Drittel ihres Betriebszyklus außerphasig
zueinander laufen. Somit können die
drei Vorrichtungen 10a–c
insgesamt als Dreiphasenvorrichtung betrieben werden, wobei jede
der Vorrichtungen 10a–c
einer Phase entspricht.
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Alternativ
kann gemäß 13 eine
Dreiphasenvorrichtung durch Aufbau einer Vorrichtung bereitgestellt
werden, welche eine Statoranordnung mit einer Elektromagnetanordnung 700 aufweist,
die aus individuell ausgeformten Kernstücken und drei separat steuerbaren
Spulenanordnungen gebildet ist. In diesem Beispiel würde die
Rotoranordnung (in 13 nicht gezeigt) nach wie vor
sechs Rotormagnete aufweisen, wie dies der Fall für die Vorrichtung 10 von 1 war.
Auf ähnliche
Weise umfasst die Vorrichtung zwei Statoranordnungen, von denen
eine auf jeder Seite der Rotoranordnung positioniert ist, wie dies
für die
Vorrichtung 10 von 1 auch der Fall
war. Wie 13 zeigt, die eine Draufsicht
auf die Elektromagnetanordnung 700 ist, umfasst diese Elektromagnetanordnung
jedoch einen amorphen Gesamtmetallkern 702, der aus neunzehn
individuell geformten amorphen Metallkernstücken 702a–s gebildet
ist. Ein erstes Kernstück 702a der
neunzehn Kernstücke
ist ein Torusring-Kernstück ähnlich dem Kernstück 36g,
das am besten aus 3 zu ersehen ist.
Achtzehn Kernstücke 702b–s sind
individuell gewickelte Kernstücke,
von denen ein Ende angrenzend an das Torusring-Kernstück 702a positioniert ist,
wodurch achtzehn Polvorsprünge
gebildet werden. Die Elektromagnetanordnung 700 umfasst
auch drei separat steuerbare Spulenanordnungen 704a-c. Jede der separat
steuerbaren Spulenanordnungen ist ähnlich der Spulenanordnung 38 von 1,
wobei jede Anordnung eine Spule aufweist, welche um jedes dritte
aufeinanderfolgende Kernstück 702b–s gewickelt
ist. Bei dieser Anordnung entspricht jede Spulenanordnung einer
der Phasen einer Dreiphasenvorrichtung.
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Die
Vorrichtung ist oben zwar als Dreiphasenvorrichtung beschrieben
worden, es ist jedoch anzumerken, dass die Vorrichtung alternativ
auch als Zweiphasenvorrichtung vorgesehen sein kann. In diesem Fall
würde der
amorphe Metallkern 702 dreizehn Kernstücke statt neunzehn Kernstücke aufweisen,
wobei von den Kernstücken
zwölf Kernstücke bilden
und eines ein Kernstück,
das als das oben beschriebene Magnetjoch dient. Ferner würde die
Zweiphasenvorrichtung nur zwei individuell steuerbare Spulenanordnungen
aufweisen. Außerdem
ist anzumerken, dass die Mehrphasenvorrichtungen nicht auf die oben
beschriebene Torusing-Kernkonfiguration beschränkt sind. Stattdessen kann
die Kernkonfiguration eine breite Vielfalt von Konfigurationen annehmen
und dabei im Schutzumfang der Erfindung verbleiben.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen sind
zwar so beschrieben worden, dass die verschiedenen Komponenten jeweils
spezielle Ausrichtungen aufweisen, es ist jedoch anzumerken, dass
die vorliegende Erfindung eine breite Vielfalt spezifischer Konfigurationen
annehmen kann, bei denen die verschiedenen Komponenten in vielerlei
Positionen und gegenseitigen Ausrichtungen angeordnet sein können und
dabei im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verbleiben. Beispielsweise
wurde zwar jede Statoranordnung der Vorrichtung 10 mit
sechs Polstücken
beschrieben, und der Rotor wurde mit sechs Magneten beschrieben,
dies ist jedoch keine Notwendigkeit. Stattdessen kann die Statoranordnung eine
beliebige gewünschte
Anzahl von Polstücken und
der Rotor eine beliebige Anzahl von Magneten aufweisen und nach
wie vor im Schutzumfang der Erfindung verbleiben.
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Außerdem könnte die
vorliegende Erfindung ebenso auf eine breite Vielfalt von Elektromotoren und
Generatoren angewandt werden, so lange die Statoranordnung der Vorrichtung
einen amorphen Metallgesamtkern aufweist, der aus individuell geformten
Kernstücken
besteht, die über
ein dielektrisches Gehäuse
gehaltert sind. Diese verschiedenen Generatoren und Motoren umfassen
Motoren und Generatoren des bürstenlosen
Gleichstromtyps, des synchronen Gleichstromtyps, des Typs mit variabler Reluktanz
oder geschalteter Reluktanz, des Induktionstyps und vieler anderer
Typen von Generatoren, Motoren und Wechselstromgeneratoren, ist
jedoch nicht hierauf beschränkt.
Daher sind die vorliegenden Beispiele als veranschaulichend und
nicht einschränkend
anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen
Details beschränkt,
sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche modifiziert
werden.