DE102020204716A1

DE102020204716A1 - Electric generator

Info

Publication number: DE102020204716A1
Application number: DE102020204716.2A
Authority: DE
Inventors: Georg Tenckhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator (1), der einen Erregerleiter (5 - 7), einen Generatorleiter (2 - 4) und eine elektronische Einheit (8) umfasst, die eingangsseitig mit dem Generatorleiter (2 - 4) und ausgangsseitig mit dem Erregerleiter (5 - 7) elektrisch verbunden ist. Die elektronische Einheit (8) ist dazu eingerichtet, eine elektrische Generator-Leistung (Pgen) von dem Generatorleiter (2 - 4) aufzunehmen, und einen ersten Anteil (P1) der aufgenommenen Generator-Leistung (Pgen) als Ausgangs-Leistung an ein elektrisches Netz (24) abzugeben. Weiterhin ist die elektrische Einheit (8) dazu eingerichtet, aus einem zweiten Anteil (P2) der aufgenommenen Generator-Leistung (Pgen) einen Erreger-Wechselstrom (12) zu erzeugen, der in dem Erregerleiter (5 - 7) fließt, sodass ein elektromagnetisches Wechselfeld im Bereich des Erregerleiters (5 - 7) erzeugt wird, wobei sich das elektromagnetische Wechselfeld mit einer festgelegten Mindestgeschwindigkeit bewegt oder mit einer festgelegten Mindestdrehzahl dreht, und wobei das elektromagnetische Wechselfeld eine elektrische Spannung in den Generatorleiter (2 - 4; 102 -104; 202) induziert.The invention relates to an electrical generator (1) which comprises an excitation conductor (5-7), a generator conductor (2-4) and an electronic unit (8) which is connected to the generator conductor (2-4) on the input side and to the exciter conductor on the output side (5 - 7) is electrically connected. The electronic unit (8) is set up to receive electrical generator power (Pgen) from the generator conductor (2-4), and a first portion (P1) of the generator power (Pgen) consumed as output power to an electrical unit Net (24) to be delivered. Furthermore, the electrical unit (8) is set up to generate an alternating excitation current (12) from a second portion (P2) of the generator power (Pgen) that is consumed and flows in the excitation conductor (5-7) so that an electromagnetic Alternating field is generated in the area of the excitation conductor (5-7), the electromagnetic alternating field moving at a specified minimum speed or rotating at a specified minimum speed, and wherein the electromagnetic alternating field generates an electrical voltage in the generator conductor (2-4; 102-104; 202) induced.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator.The invention relates to an electric generator.

Insbesondere für drehende oder oszillierende Systeme ist es zielführend, Energie generatorisch (über eine in einem Magnetfeld bewegte Spule) aus der Bewegung des Systems zu erzeugen. Allerdings ist in den meisten dieser Systeme eine gewisse Mindestgeschwindigkeit bzw. Mindestdrehzahl erforderlich, damit sie effizient funktionieren, also genügend Leistung generieren. Mit gewissen Einschränkungen hinsichtlich des verfügbaren Raumes und des technischen Aufwands, lässt sich diese Grenze durch die Verwendung hoher Polzahlen noch verschieben, ohne dass die Beschränkung an sich fällt.Particularly for rotating or oscillating systems, it is expedient to generate energy from the movement of the system as a generator (via a coil moving in a magnetic field). However, in most of these systems a certain minimum speed or minimum rotational speed is required in order for them to function efficiently, i.e. to generate sufficient power. With certain restrictions with regard to the available space and the technical effort, this limit can still be shifted by using a large number of poles without the restriction per se.

Es sind Generatoren bekannt, welche elektrische Leistung aus der Bewegung einer Spule oder eines Spulensystems in einem Magnetfeld induzieren. Dieses kann statisch über Permanentmagnete oder aber über den in einer Spule fließenden Strom und dann auch als Wechselfeld erzeugt werden. Typische Systeme benutzen eine Rotation, um die Spulen im Magnetfeld oder das Magnetfeld um die Spulen zu ändern. Solche Systeme heißen Generator oder auch Dynamo. Jedoch sind auch Systeme mit anderen Bewegungsformen, wie Pendel-Bewegungen und Schwing-Bewegungen oder solche entlang einer nicht runden, geschlossenen oder beschränkten Bahn bekannt. Alle diese Systeme benötigen eine gewisse Mindestgeschwindigkeit oder zumindest eine mittlere Mindestgeschwindigkeit, um eine von der Bauform abhängige Leistung oder mittlere Leistung zu erzielen.Generators are known which induce electrical power from the movement of a coil or a coil system in a magnetic field. This can be generated statically via permanent magnets or via the current flowing in a coil and then also as an alternating field. Typical systems use rotation to change the coils in the magnetic field or the magnetic field around the coils. Such systems are called generators or dynamos. However, systems with other forms of movement, such as pendulum movements and swinging movements or those along a non-circular, closed or restricted path are also known. All of these systems require a certain minimum speed or at least an average minimum speed in order to achieve a performance or average performance that is dependent on the design.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, einen elektrischen Generator bereitzustellen, der auch bei einer niedrigen mittleren Mindestgeschwindigkeit eine ausreichend hohe mittlere Leistung erbringt. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.An object of the present invention can be seen in providing an electrical generator which produces a sufficiently high average power even at a low average minimum speed. The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the subclaims, the following description and the figures.

Der elektrische Generator gemäß der vorliegenden Erfindung präsentiert einen Weg, die Beschränkung der mittleren Mindestgeschwindigkeit in ganz allgemeiner Weise zu umgehen. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Problem ausreichend Leistung auch bei niedrigen Drehzahlen zu erzeugen, durch die Bewegung eines Generatorleiters, insbesondere einer Generatorspule, in einem „virtuellen“ elektromagnetischen Dreh- oder Wanderfeld zu lösen. Dieses Dreh- oder Wanderfeld dient ausschließlich dazu, dem Generatorleiter eine gewisse Mindestdrehzahl (bzw. Mindestgeschwindigkeit) quasi vorzugaukeln, da sich der Generatorleiter relativ zu diesem Drehfeld mit der Differenzdrehzahl dreht, und zwar auch dann, wenn der Generatorleiter selbst im Raum steht (oder sich sogar rückwärts dreht bzw. bewegt). Für die Erzeugung des Dreh- bzw. Wanderfeldes wird eine gewisse bauartspezifische Leistung benötigt, welche der generierten Leistung verloren geht. Solange aber beispielsweise bei einem Generator mit Rotor und Stator aus der mechanischen Eingangs-Leistung, gegeben durch $P_{m e c h} = \vec{M} \cdot {\vec{ω}}_{r e l},$

mit

{\vec{ω}}_{r e l}

der Differenzdrehzahl zwischen Rotor und Erregerspule, mehr elektrische Leistung generiert wird, als für die Erzeugung des Drehfeldes verbraucht wird, ist der Energieerhaltungssatz nicht verletzt und es wird effektiv elektrische Leistung nach außen abgegeben.The electrical generator according to the present invention presents a way of circumventing the limitation of the average minimum speed in a very general manner. According to the invention, it is proposed that the problem of generating sufficient power even at low speeds be solved by moving a generator conductor, in particular a generator coil, in a “virtual” rotating or traveling electromagnetic field. This rotating or traveling field serves exclusively to simulate a certain minimum speed (or minimum speed) for the generator conductor, as the generator conductor rotates relative to this rotating field with the differential speed, even when the generator conductor itself is in the room (or itself even rotates or moves backwards). For the generation of the rotating or traveling field, a certain type-specific power is required, which is lost to the generated power. As long as, for example, in a generator with rotor and stator from the mechanical input power, given by

{P.}_{m e c H} = \vec{M.} \cdot {\vec{ω}}_{r e l},

with

{\vec{ω}}_{r e l}

the difference in speed between the rotor and the excitation coil, more electrical power is generated than is used to generate the rotating field, the conservation of energy law is not violated and electrical power is effectively released to the outside.

Im Gegensatz zu den sogenannten „Doubly Fed Inductive Generators“ (DFIG, deutsch: doppelt gespeister Asynchrongenerator), bei denen ein Erregerfeld dazu dient, bei veränderlicher Generatordrehzahl, unabhängig von dieser eine Netzsynchrone (z.B. 50 oder 60 Hz) Wechselspannung in ein Stromnetz einzuspeisen, ohne dass die komplette konvertierte Leistung mittels eines Umrichters auf die Netzfrequenz umgerichtet (meist transformatorisch mit Schaltwandlern) werden muss, ermöglicht der elektrische Generator gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Einstellung des „virtuellen“ Drehfeldes auf eine gewisse Mindestdrehzahl auch bei Systemen mit an sich zu niedriger Drehzahl für den Betrieb eines Generators, mechanische in elektrische Leistung zu konvertieren.In contrast to the so-called "Doubly Fed Inductive Generators" (DFIG, German: double-fed asynchronous generator), in which an exciter field is used to feed a mains-synchronous (e.g. 50 or 60 Hz) alternating voltage into a power network at a variable generator speed, independently of this, without the entire converted power having to be converted to the mains frequency by means of a converter (mostly transformer-like with switching converters), the electrical generator according to the present invention enables the "virtual" rotating field to be set to a certain minimum speed even in systems with per se too low Speed for operating a generator to convert mechanical power into electrical power.

In diesem Sinne wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektrischer Generator bereitgestellt. Der elektrische Generator ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt, insbesondere durch elektromagnetische Induktion. Der Generator ist das Gegenstück zum Elektromotor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt. Der elektrische Generator umfasst wenigstens einen Erregerleiter, wenigstens einen Generatorleiter und eine elektronische Einheit, die eingangsseitig mit dem Generatorleiter und ausgangsseitig mit dem Erregerleiter elektrisch verbunden ist. Die elektronische Einheit ist dazu eingerichtet, eine elektrische Generator-Leistung von dem Generatorleiter aufzunehmen. Die elektrische Generator-Leistung resultiert aus einer elektrischen Generator-Spannung, die in den Generatorleiter induziert wird. Bei der elektrischen Generator-Spannung handelt es sich um eine Wechselspannung. Mit der elektrischen Generator-Spannung geht ein elektrischer Generator-Strom einher, der durch den Generatorleiter fließt.With this in mind, an electrical generator is provided according to the present invention. The electrical generator is an electrical machine that converts kinetic energy into electrical energy, in particular through electromagnetic induction. The generator is the counterpart to the electric motor, which converts electrical energy into kinetic energy. The electrical generator comprises at least one excitation conductor, at least one generator conductor and an electronic unit which is electrically connected on the input side to the generator conductor and on the output side to the excitation conductor. The electronic unit is set up to receive electrical generator power from the generator conductor. The electrical generator power results from an electrical generator voltage that is induced in the generator conductor. The electrical generator voltage is an alternating voltage. The electrical generator voltage is accompanied by an electrical generator current that flows through the generator conductor.

Weiterhin ist die elektronische Einheit dazu eingerichtet, einen ersten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung als Ausgangs-Leistung an ein elektrisches Netz abzugeben. An das elektrische Netz kann insbesondere ein elektrischer Verbraucher oder ein elektrischer Speicher angeschlossen sein. In den Generatorleiter wird eine Generator-Wechselspannung induziert, die zu einem Generator-Wechselstrom führt, der in dem Generatorleiter fließt. Aus der Generator-Wechselspannung und dem Generator-Wechselstrom ergibt sich die elektrische Generator-Leistung. Der erste Anteil der von der elektrischen Einheit aufgenommenen Generator-Leistung, rein beispielhaft 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der aufgenommenen elektrischen Generator-Leistung, wird dafür verwendet, um das elektrische Netz und damit auch den elektrischen Verbraucher oder den elektrischen Speicher mit einer Ausgangs-Leistung bzw. mit einem Ausgangs-Strom zu versorgen.Furthermore, the electronic unit is set up to supply a first portion of the generator power consumed as output power to deliver an electrical network. In particular, an electrical consumer or an electrical storage device can be connected to the electrical network. A generator alternating voltage is induced in the generator conductor, which leads to a generator alternating current which flows in the generator conductor. The generator alternating voltage and the generator alternating current result in the electrical generator power. The first portion of the generator power consumed by the electrical unit, purely by way of example 50%, 60%, 70%, 80% or 90% of the electrical generator power consumed, is used to power the electrical network and thus also the electrical consumer or to supply the electrical storage unit with an output power or with an output current.

Dazu kann die elektronische Einheit einen Gleichrichter umfassen. Der Gleichrichter kann mit dem Generatorleiter elektrisch verbunden sein, sodass an dem Gleichrichter die Generator-Wechselspannung anliegt. Der Gleichrichter kann dazu eingerichtet sein, die Generator-Wechselspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung umzuwandeln. Der Gleichrichter kann - direkt oder indirekt - mit dem elektrischen Netzt elektrisch verbunden sein, sodass die Ausgangs-Gleichspannung an dem elektrischen Netz anliegt und ein Ausgangs-Gleichstrom beispielsweise in oder durch den elektrischen Verbraucher oder den elektrischen Speicher fließt.For this purpose, the electronic unit can comprise a rectifier. The rectifier can be electrically connected to the generator conductor so that the generator AC voltage is applied to the rectifier. The rectifier can be set up to convert the generator AC voltage into an output DC voltage. The rectifier can - directly or indirectly - be electrically connected to the electrical network, so that the output DC voltage is applied to the electrical network and an output DC current flows, for example, into or through the electrical consumer or the electrical storage device.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Ausgangs-Leistung dem elektrischen Generator parallel zu der elektronischen Einheit (insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen AC-DC-AC-Wandler) entnommen werden. Die elektrische Einheit muss dann nicht dazu eingerichtet sein, den ersten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung als Ausgangs-Leistung an das elektrische Netz abzugeben.In an alternative embodiment, the output power can be taken from the electrical generator in parallel with the electronic unit (in particular with the AC-DC-AC converter described above). The electrical unit then does not have to be set up to deliver the first portion of the absorbed generator power as output power to the electrical network.

Weiterhin ist die elektronische Einheit dazu eingerichtet, aus einem zweiten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung einen Erreger-Wechselstrom zu erzeugen, der in dem Erregerleiter fließt, sodass ein elektromagnetisches Wechselfeld im Bereich des Erregerleiters erzeugt wird, wobei sich das elektromagnetische Wechselfeld relativ zu dem Generatorleiter bewegt und wobei das elektromagnetische Wechselfeld eine elektrische Spannung in den Generatorleiter induziert.Furthermore, the electronic unit is set up to generate an alternating excitation current from a second portion of the generator power consumed, which flows in the excitation conductor so that an alternating electromagnetic field is generated in the area of the excitation conductor, the alternating electromagnetic field relative to the generator conductor moves and wherein the electromagnetic alternating field induces an electrical voltage in the generator conductor.

Das elektromagnetische Wechselfeld (Drehfeld) bewegt sich mit einer festgelegten Mindestdrehzahl relativ zu dem Generatorleiter, wenn es sich um einen Generator mit einem Rotor und einem Stator handelt. Durch die Einstellung dieses „virtuellen“ Drehfeldes auf eine gewisse Mindestdrehzahl kann so auch bei Systemen mit an sich zu niedriger Drehzahl für den Betrieb eines Generators mechanische in elektrische Leistung konvertiert werden. Die elektronische Einheit ist dazu eingerichtet, den Erreger-Wechselstrom derart einzustellen, dass sich das elektromagnetische Wechselfeld entsprechend bewegt. Beispielsweise kann die Mindestdrehzahl konstant gehalten werden. Drehzahl Alternativ bewegt sich das elektromagnetische Wechselfeld (lineares Wanderfeld) mit einer festgelegten Mindestgeschwindigkeit oder Mindestfrequenz relativ zu dem Generatorleiter, wenn es sich bei dem elektrischen Generator beispielsweise um einen Linearwandler handelt.The alternating electromagnetic field (rotating field) moves at a specified minimum speed relative to the generator conductor if it is a generator with a rotor and a stator. By setting this "virtual" rotating field to a certain minimum speed, mechanical power can be converted into electrical power for the operation of a generator even in systems with a speed that is inherently too low. The electronic unit is set up to adjust the excitation alternating current in such a way that the electromagnetic alternating field moves accordingly. For example, the minimum speed can be kept constant. Speed Alternatively, the alternating electromagnetic field (linear traveling field) moves at a specified minimum speed or minimum frequency relative to the generator conductor if the electrical generator is, for example, a linear converter.

Der zweite Anteil der von der elektrischen Einheit aufgenommenen Generator-Leistung, rein beispielhaft 50%, 40%, 30%, 20% oder 10% der aufgenommenen elektrischen Generator-Leistung, wird dafür verwendet, um den Erregerleiter mit Strom zu versorgen. Dazu kann die elektronische Einheit einen Wechselrichter umfassen. Der Wechselrichter kann mit dem Gleichrichter elektrisch verbunden sein, sodass an dem Wechselrichter die Ausgangs-Gleichspannung anliegt. Der Wechselrichter kann dazu eingerichtet sein, einen Anteil der Ausgangs-Gleichspannung in eine Erreger-Wechselspannung umzuwandeln. Der Wechselrichter kann - insbesondere über einen Wechselkreis mit wenigstens einem Drehübertrager oder Schleifring - mit dem Erregerleiter elektrisch verbunden sein, sodass die Erreger-Wechselspannung an dem Erregerleiter anliegt und ein Erreger-Wechselstrom durch den Erregerleiter fließt. The second portion of the generator power consumed by the electrical unit, purely by way of example 50%, 40%, 30%, 20% or 10% of the electrical generator power consumed, is used to supply the exciter conductor with current. For this purpose, the electronic unit can comprise an inverter. The inverter can be electrically connected to the rectifier, so that the output DC voltage is applied to the inverter. The inverter can be set up to convert a portion of the output DC voltage into an excitation AC voltage. The inverter can - in particular via an alternating circuit with at least one rotary transmitter or slip ring - be electrically connected to the exciter lead, so that the exciter alternating voltage is applied to the exciter lead and an exciter alternating current flows through the exciter lead.

Dadurch wird das elektromagnetische Wechselfeld erzeugt, dass sich relativ zu dem Generatorleiter bewegt. In Folge dessen wird - auch wenn sich der Generatorleiter und die Erregerleitung an sich nicht relativ zueinander bewegen - eine elektrische Spannung in den Generatorleiter induziert.This generates the alternating electromagnetic field that moves relative to the generator conductor. As a result, an electrical voltage is induced in the generator conductor, even if the generator conductor and the excitation line do not move relative to one another.

Der Erregerleiter kann in dem Rotor angeordnet sein und der Generatorleiter kann in dem Stator angeordnet sein. Die Elektronik kann dann mit dem Generatorleiter des Stators verbunden sein. Auf diese Weise fungiert der Rotor als Erregerleiter und die generierte elektrische Leistung kann dem Generatorleiter des Stators entnommen werden. In diesem Sinne umfasst der Generator in einer Ausführungsform einen Rotor, welcher den Erregerleiter aufnimmt, und einen Stator, welcher den Generatorleiter aufnimmt. Dabei ist die elektronische Einheit dazu eingerichtet, aus dem zweiten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung den Erreger-Wechselstrom zu erzeugen, der in dem Erregerleiter fließt, sodass das elektromagnetische Wechselfeld in Form eines elektromagnetischen Drehfelds im Bereich des Erregerleiters erzeugt wird, wobei sich das elektromagnetische Drehfeld relativ zu dem Generatorleiter mit der festgelegten Mindestdrehzahl dreht und eine elektrische Spannung in den Erregerleiter induziert.The excitation conductor can be arranged in the rotor and the generator conductor can be arranged in the stator. The electronics can then be connected to the generator conductor of the stator. In this way, the rotor functions as an excitation conductor and the generated electrical power can be taken from the generator conductor of the stator. In this sense, in one embodiment, the generator comprises a rotor, which receives the excitation conductor, and a stator, which receives the generator conductor. The electronic unit is set up to generate the exciter alternating current from the second portion of the absorbed generator power, which flows in the exciter conductor, so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of an electromagnetic rotating field in the area of the exciter conductor Rotating field rotates relative to the generator conductor at the specified minimum speed and induces an electrical voltage in the exciter conductor.

Alternativ kann der Stator als Erregerleiter fungieren. Dazu kann der Erregerleiter in dem Stator angeordnet sein. Die generierte Leistung kann in diesem Falle dem Rotor, insbesondere über Drehübertrager-Transformatoren oder über Schleifringe, entnommen und die Elektronik-Einheit mit einem entsprechenden Strom gespeist werden. In diesem Sinne umfasst der Generator in einer Ausführungsform einen Rotor, welcher den Generatorleiter aufnimmt, und einen Stator, welcher den Erregerleiter aufnimmt. Dabei ist die elektronische Einheit dazu eingerichtet, aus dem zweiten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung den Erreger-Wechselstrom zu erzeugen, der in dem Erregerleiter fließt, sodass das elektromagnetische Wechselfeld in Form eines elektromagnetischen Drehfelds im Bereich des Erregerleiters erzeugt wird, wobei sich das elektromagnetische Drehfeld relativ zu dem Generatorleiter mit der festgelegten Mindestdrehzahl dreht und eine elektrische Spannung in den Generatorleiter induziert.Alternatively, the stator can act as an excitation conductor. For this purpose, the excitation conductor can be arranged in the stator. In this case, the generated power can be taken from the rotor, in particular via rotary transformer transformers or via slip rings, and the electronics unit can be supplied with a corresponding current. In this sense, the generator in one embodiment comprises a rotor, which receives the generator conductor, and a stator, which receives the excitation conductor. The electronic unit is set up to generate the excitation alternating current from the second portion of the absorbed generator power, which flows in the excitation conductor, so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of an electromagnetic rotating field in the area of the excitation conductor, with the electromagnetic Rotating field rotates relative to the generator conductor with the specified minimum speed and induces an electrical voltage in the generator conductor.

Vorteilhafte Antriebsmöglichkeiten für den elektrischen Generatoren, insbesondere dessen Rotor, sind hydraulische oder pneumatische Turbinen (z.B. auch aus der Druckenergie bzw. Strömungsenergie von Schmier-Kreisläufen oder Druckluft-Systemen), verschiedenen Ausführungsformen von Strömungs- und Wellengeneratoren oder Schrittgeneratoren. Ein Wesentlicher Vorteil ist dabei der Entfall der Notwendigkeit eines mechanischen Getriebes, um den Generator in einem günstigen Drehzahlbereich zu betreiben.Advantageous drive options for the electric generators, in particular their rotor, are hydraulic or pneumatic turbines (e.g. also from the pressure energy or flow energy of lubrication circuits or compressed air systems), various embodiments of flow and wave generators or step generators. A major advantage here is the elimination of the need for a mechanical transmission in order to operate the generator in a favorable speed range.

Mit linearen Wanderfeldern lassen sich entsprechend den erfindungsgemäßen Drehfeld-Generatoren auch Linearwandler realisieren, welche aus einer Linearbewegung auch bei kleinen Relativgeschwindigkeiten effizient elektrischen Strom generieren. Insbesondere kann durch eine lineare Bewegung des Wechselfelds in den Generatorleiter eine Spannung induziert werden. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der elektrische Generator als elektromagnetischer Linearwandler ausgeführt ist. Dabei ist die elektronische Einheit dazu eingerichtet, aus dem zweiten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung den Erreger-Wechselstrom zu erzeugen, der in dem Erregerleiter fließt, sodass das elektromagnetische Wechselfeld in Form eines elektromagnetischen linearen Wanderfelds im Bereich des Erregerleiters erzeugt wird, wobei sich das elektromagnetische lineare Wanderfeld relativ zu dem Generatorleiter linear mit der festgelegten Mindestgeschwindigkeit oder Mindestfrequenz bewegt und wobei das elektromagnetische lineare Wanderfeld eine elektrische Spannung in den Generatorleiter induziert. Unter einer linearen Bewegung ist eine Bewegung entlang einer einzigen Achse zu verstehen, also eindimensionale Bewegung.With linear traveling fields, in accordance with the rotating field generators according to the invention, linear converters can also be implemented which efficiently generate electrical current from a linear movement even at low relative speeds. In particular, a voltage can be induced in the generator conductor by a linear movement of the alternating field. In this sense, it is provided according to a further embodiment that the electrical generator is designed as an electromagnetic linear converter. The electronic unit is set up to generate the excitation alternating current from the second portion of the absorbed generator power, which flows in the excitation conductor, so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of an electromagnetic linear traveling field in the area of the excitation conductor moving electromagnetic linear traveling field relative to the generator conductor linearly with the specified minimum speed or minimum frequency and wherein the electromagnetic linear traveling field induces an electrical voltage in the generator conductor. A linear movement is to be understood as a movement along a single axis, that is to say a one-dimensional movement.

Die vorstehend beschriebenen elektromagnetischen Drehfelder bzw. linearen Wanderfelder können auch derart hochfrequent eingestellt werden (beispielsweise im kHz-Bereich), dass sie ähnlich wie bei Hochfrequenztransformatoren („Schalt-Netzteilen“) die Energiekonversion bevorzugt aus der hohen Frequenz der Feldäderung speisen. Rein beispielhaft kann die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfelds auf 125 kHz eingestellt werden. Ähnlich den Hochfrequenztransformatoren können so mit deutlich kleineren Feld-führenden Querschnitten bzw. Volumina gleiche Leistungen übertragen werden. Allerdings kann aus dem höherfrequenten Drehfeld kein Drehmoment-Vorteil gezogen werden. Mit steigender Drehzahl-Differenz geht das Drehmoment (bzw. die Kraft für den linearen Fall) nach Durchlaufen eines Maximums kontinuierlich zurück. Dies ist anders als bei Hochfrequenztransformatoren, bei denen es rein um Leistungsübertragung und nicht um die Kraftwirkung geht. In diesem Sinne ist die elektronische Einheit in einer Ausführungsform dazu eingerichtet, den Erreger-Wechselstrom derart zu erzeugen, dass das elektromagnetische Wechselfeld im kHz-Bereich liegt.The electromagnetic rotating fields or linear traveling fields described above can also be set at such a high frequency (for example in the kHz range) that, similar to high-frequency transformers ("switching power supplies"), they preferably feed the energy conversion from the high frequency of the field veining. Purely by way of example, the frequency of the electromagnetic alternating field can be set to 125 kHz. Similar to high-frequency transformers, the same power can be transmitted with significantly smaller field-guiding cross-sections or volumes. However, no torque advantage can be drawn from the higher-frequency rotating field. As the speed difference increases, the torque (or the force for the linear case) decreases continuously after passing through a maximum. This is different from high-frequency transformers, which are purely about power transmission and not about the force effect. In this sense, the electronic unit is set up in one embodiment to generate the alternating excitation current in such a way that the alternating electromagnetic field is in the kHz range.

Weiterhin ist auch eine kapazitive anstatt einer induktiven Übertragung möglich, indem anstatt induktiver Elemente wie den vorstehend beschriebenen Spulen kapazitive Elemente eingesetzt werden. Diese Variante ist insbesondere vorteilhaft zur generatorischen Erzeugung hoher Spannungen bei gleichzeitig vergleichsweisen kleinen Strömen. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Erregerleiter wenigstens eine Erregerkapazität umfasst, und dass der Generatorleiter wenigstens eine Generatorkapazität umfasst.Furthermore, capacitive instead of inductive transmission is also possible by using capacitive elements instead of inductive elements such as the coils described above. This variant is particularly advantageous for generating high voltages in generator mode with comparatively low currents at the same time. In this sense, it is provided according to a further embodiment that the excitation conductor comprises at least one excitation capacitance, and that the generator conductor comprises at least one generator capacitance.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Erregerleiter wenigstens eine Erregerspule, und der Generatorleiter umfasst wenigstens eine Generatorspule. Die Erregerspule und die Generatorspule können elektrische Bauelemente, insbesondere Wicklungen, verstanden werden, die dazu eingerichtet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. So kann insbesondere die Erregerspule das elektromechanische Wechselfeld erzeugen, und in die Generatorspule kann die elektrische Spannung induziert werden.In a further embodiment, the excitation conductor comprises at least one excitation coil, and the generator conductor comprises at least one generator coil. The excitation coil and the generator coil can be understood to mean electrical components, in particular windings, which are set up to generate or detect a magnetic field. In particular, the excitation coil can generate the electromechanical alternating field, and the electrical voltage can be induced in the generator coil.

In einer weiteren Ausführungsform kann die wenigstens eine Erregerspule in einer Platinentechnologie bzw. in einer Planartechnologie ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch die wenigstens eine Generatorspule in der Platinentechnologie ausgeführt sein. Unter „Platinentechnologie“ kann verstanden werden, dass Windungen der Spulen (Erregerspule und/oder Generatorspule) als Teilspulen auf Lagen einer Platine realisiert sind und mittels Durchkontaktierungen verbunden sind. Solche Anordnungen können auch magnetisierbare Kerne (beispielsweise: Eisen, Ferrite, Magnete, Kunststoff gebundene Magnete) enthalten.In a further embodiment, the at least one excitation coil can be designed in a circuit board technology or in a planar technology. As an alternative or in addition, the at least one generator coil can also be designed using circuit board technology. “Board technology” can be understood to mean that turns of the coils (excitation coil and / or generator coil) are implemented as partial coils on layers of a circuit board and are connected by means of vias. Such Arrangements can also contain magnetizable cores (for example: iron, ferrites, magnets, plastic-bound magnets).

Die für den Aufbau eines hier beschriebenen elektrischen Generators erforderlichen Spulen können auch innerhalb eines Halbleiter-Elements (Integrierter Schaltkreis (IS, IC, „Chip“) in den dafür gängigen Technologien (auch Dünnschicht und Dickschicht) realisiert werden. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die wenigstens eine Erregerspule und/oder die wenigstens eine Generatorspule als Halbleiter-Element ausgeführt ist.The coils required for the construction of an electrical generator described here can also be implemented within a semiconductor element (integrated circuit (IC, IC, "chip") using the technologies commonly used for this purpose (including thin-film and thick-film) Another embodiment provided that the at least one excitation coil and / or the at least one generator coil is designed as a semiconductor element.

Die Spulen können ferner als Stanzgitter, als in Kunststoff eingebettete Spulen (auch in 3D-Technologie, z.B. „3D-MID“) oder in Flexfolien-Technologie aufgebaut sein. Die zugehörigen Elektronik-Komponenten (für Ansteuerung, Regelung und AC-DC, DC-AC Wandler können mit auf diesen Komponenten angebracht und mit diesen durch Kunststoff umspritzt sein. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die wenigstens eine Erregerspule und/oder die wenigstens eine Generatorspule als Stanzgitter ausgeführt ist. Unter einem Stanzgitter kann eine durch Stanzen eines Metallstreifens erzeugte flache Struktur verstanden werden, die ein System elektrischer Leiter bereitstellt. Das Stanzgitter weist vergleichbare Eigenschaften auf wie ein Leiterplatte. Weiterhin kann die wenigstens eine Erregerspule und/oder die wenigstens eine Generatorspule in Kunststoff eingebettet sein, insbesondere in einer Flexfolie. Eine Flexfolie ist eine flexible Folie. Flexfolien werden für insbesondere für einen einmaligen Transferdruck eingesetzt.The coils can also be constructed as stamped grids, as coils embedded in plastic (also in 3D technology, e.g. "3D-MID") or in flexible film technology. The associated electronic components (for control, regulation and AC-DC, DC-AC converters can also be attached to these components and encapsulated with them by plastic. In this sense, a further embodiment provides that the at least one excitation coil and / or the at least one generator coil is designed as a stamped grid. A stamped grid can be understood as a flat structure produced by punching a metal strip, which provides a system of electrical conductors. The stamped grid has properties comparable to those of a printed circuit board. Furthermore, the at least one excitation coil and / or or the at least one generator coil can be embedded in plastic, in particular in a flexible film. A flexible film is a flexible film. Flex films are used, in particular, for a one-off transfer printing.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Referenzsystem des hier vorgestellten elektrischen Generators durch ein Unwucht-Pendel gebildet. Unter einem Unwucht-Pendel kann eine Masse verstanden werden, welche durch die Schwerkraft oder Fliehkraft ein Bezugssystem bildet. Ein Unwucht-Pendel wird auch als POHLsches Pendel bezeichnet. Das Unwucht-Pendel ermöglicht, dass auf drehenden Systemen auch außermittig nach dem erfindungsgemäßen Prinzip mechanische Energie in elektrische gewandelt werden kann, ohne dass ein Getriebe und andere Vorrichtungen notwendig wären. Das Unwucht-Pendel kann auch Pendelbewegungen und Schwingbewegungen ausführen, jedoch reicht für die erfindungsgemäße Funktion auch eine reine Drehbewegung aus. In diesem Sinne umfasst der erfindungsgemäße elektrische Generator in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Unwucht-Pendel.In a further embodiment, the reference system of the electrical generator presented here is formed by an imbalance pendulum. An imbalance pendulum can be understood as a mass which forms a reference system through gravity or centrifugal force. An imbalance pendulum is also known as a POHL pendulum. The imbalance pendulum enables mechanical energy to be converted into electrical energy on rotating systems even off-center according to the principle according to the invention, without the need for a gearbox and other devices. The unbalance pendulum can also perform pendulum movements and oscillating movements, but a pure rotary movement is also sufficient for the function according to the invention. In this sense, the electrical generator according to the invention comprises, in an advantageous embodiment, an imbalance pendulum.

Im Falle loser magnetischer Kopplung (z.B. aufgrund konstruktiver Beschränkungen) kann das erfindungsgemäße Generatorprinzip ferner auch resonant ausgelegt werden, was zu einer effizienten Energieübertragung trotz schwacher Kopplung im Resonanzfall zwischen Drehfeld-Frequenz und resonantem Generatorspulen System führt. In diesem Sinne ist der elektrische Generator in einer weiteren Ausführungsform resonant ausgelegt.In the case of loose magnetic coupling (e.g. due to constructional restrictions), the generator principle according to the invention can also be designed to be resonant, which leads to efficient energy transfer despite weak coupling in the case of resonance between the rotating field frequency and the resonant generator coil system. In this sense, the electrical generator is designed to be resonant in a further embodiment.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

1 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Generators,
2 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Generators und
3 ein Schema eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Generators.

In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the schematic drawing. Here shows

1 a diagram of a first embodiment of an electrical generator according to the invention,
2 a diagram of a second embodiment of an electrical generator according to the invention and
3 a diagram of a third embodiment of an electrical generator according to the invention.

1 zeigt einen elektrischen Generator 1. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit drei Phasen in Sternschaltung. Der Generator 1 umfasst einen Generatorleiter in Form einer ersten Generatorspule 2, einer zweiten Generatorspule 3 und einer dritten Generatorspule 4 sowie einen Erregerleiter in Form einer ersten Erregerspule 5, einer zweiten Erregerspule 6 und einer dritten Erregerspule 7. Ferner umfasst der elektrische Generator 1 eine elektronische Einheit 8, einen Rotor 9 und einen Stator 10, welcher den Rotor 9 radial außen umgibt. 1 shows an electric generator 1 . In the embodiment shown with three phases in a star connection. The generator 1 comprises a generator conductor in the form of a first generator coil 2 , a second generator coil 3 and a third generator coil 4th and an excitation conductor in the form of a first excitation coil 5 , a second excitation coil 6th and a third excitation coil 7th . The electric generator also includes 1 an electronic unit 8th , a rotor 9 and a stator 10 which is the rotor 9 surrounds radially on the outside.

Der Rotor 9 wird von einer Antriebswelle 15 angetrieben. Die Antriebswelle 15 wiederum kann rein beispielhaft neben anderen Antriebsaggregaten durch eine hydraulische Turbine 19 oder eine pneumatische Turbine 20 oder einen Strömungsgenerator 21 oder einen Wellengenerator 22 oder einen Schrittgenerator 23 angetrieben werden. Angetrieben durch das entsprechende Antriebsaggregat dreht sich die Antriebswelle 15 mit einer Drehzahl n stellt und ein Drehmoment M bereit, das auf den Rotor 9 übertragen wird. Der rotierende Rotor 9, nimmt die drei Erregerspulen 5, 6 und 7 auf und der sich nicht drehende Stator 10 nimmt die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 auf.The rotor 9 is driven by a drive shaft 15th driven. The drive shaft 15th again, purely by way of example, in addition to other drive units, a hydraulic turbine 19th or a pneumatic turbine 20th or a flow generator 21 or a wave generator 22nd or a step generator 23 are driven. Driven by the corresponding drive unit, the drive shaft rotates 15th with a speed n and a torque M ready, which on the rotor 9 is transmitted. The rotating rotor 9 , takes the three excitation coils 5 , 6th and 7th on and the non-rotating stator 10 takes the three generator coils 2 , 3 and 4th on.

Die elektronische Einheit 8 nimmt eine elektrische Generator-Leistung P_gen von den drei Generatorspulen 2, 3 und 4 auf. Die elektrische Generator-Leistung P_gen resultiert aus einer elektrischen Generator-Wechselspannung U_gen , die in die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 induziert wird. Mit der elektrischen Generator-Wechselspannung U_gen geht ein elektrischer Generator-Wechselstrom I_gen einher, der durch die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 fließt.The electronic unit 8th takes an electrical generator power P _gen from the three generator coils 2 , 3 and 4th on. The electrical generator power P _gen results from an alternating electrical generator voltage U _gen that are in the three generator coils 2 , 3 and 4th is induced. With the electric generator alternating voltage U _gen an alternating electric generator goes I _gen accompanied by the three generator coils 2 , 3 and 4th flows.

Die elektronische Einheit 8 gibt einen ersten Anteil der aufgenommenen Generator-Leistung P_gen (rein beispielhaft 80% der aufgenommenen Generator-Leistung P_Gen) als Ausgangs-Leistung P₁ an ein elektrisches Netz 24 ab, an das ein elektrischer Verbraucher 13 oder ein elektrischer Speicher 14 angeschlossen sein kann. Die elektronische Einheit 8 umfasst dabei einen Gleichrichter 11. Der Gleichrichter 11 ist mit den drei Generatorspulen 2, 3 und 4 elektrisch verbunden, sodass an dem Gleichrichter 11 die Generator-Wechselspannung U_gen anliegt. Der Gleichrichter 11 wandelt die Generator-Wechselspannung U_gen in eine Ausgangs-Gleichspannung U₁ um, wodurch auch der Generator-Wechselstrom U_gen in einen Gleichstrom I₁ umgewandelt wird. Der Gleichrichter 11 kann über einen ausgangsseitigen elektronischen Anschluss 12 der elektronischen Einheit 8 mit dem elektrischen Netz 24 verbunden sein, sodass die Ausgangs-Gleichspannung U₁ an dem elektrischen Netz 24 anliegt und sodass der Ausgangs-Gleichstrom I₁ in oder durch den elektrischen Verbraucher 13 oder den elektrischen Speicher 14 fließt. Alternativ kann die Ausgangs-Leistung P₁ den drei Generatorspulen 2, 3 und 4 parallel zu der elektronischen Einheit 8 entnommen werden.The electronic unit 8th gives a first part of the absorbed generator power P _gen (purely by way of example 80% of the recorded Generator power P _Gen ) as output power P ₁ to an electrical network 24 from to which an electrical consumer 13th or an electrical storage system 14th can be connected. The electronic unit 8th includes a rectifier 11 . The rectifier 11 is with the three generator coils 2 , 3 and 4th electrically connected so to the rectifier 11 the alternating voltage of the generator U _gen is present. The rectifier 11 converts the generator alternating voltage U _gen into an output DC voltage U ₁ um, which also causes the generator alternating current U _gen into a direct current I ₁ is converted. The rectifier 11 can be via an electronic connection on the output side 12th the electronic unit 8th with the electrical network 24 be connected so that the output DC voltage U ₁ on the electrical network 24 and so that the output direct current I ₁ in or through the electrical consumer 13th or the electrical storage 14th flows. Alternatively, the output power P ₁ the three generator coils 2 , 3 and 4th parallel to the electronic unit 8th can be removed.

Die elektronische Einheit 8 erzeugt aus einem zweiten Anteil P₂ der aufgenommenen Generator-Leistung P_gen (rein beispielhaft 10% der aufgenommenen Generator-Leistung P_Gen ) einen dreiphasigen Erreger-Wechselstrom 12, der über einen elektrischen Zwischenkreis 16 mit drei induktiven Drehübertragern 18 (oder Schleifringen) den drei Erregerspulen 5, 6 und 7 zugeführt wird, sodass ein elektromagnetisches Drehfeld im Bereich der drei Erregerspulen 5, 6 und 7 erzeugt wird. Das elektromagnetische Drehfeld dreht sich relativ zu den feststehenden drei Generatorspulen 2, 3 und 4. Durch diese Relativbewegung wird durch das elektromagnetische Wechselfeld eine elektrische Spannung in die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 induziert.The electronic unit 8th generated from a second part P ₂ the absorbed generator power P _gen (Purely as an example, 10% of the consumed generator power P _gen ) a three-phase alternating excitation current 12th that has an electrical intermediate circuit 16 with three inductive rotary joints 18th (or slip rings) the three excitation coils 5 , 6th and 7th is supplied so that an electromagnetic rotating field in the area of the three excitation coils 5 , 6th and 7th is produced. The rotating electromagnetic field rotates relative to the three stationary generator coils 2 , 3 and 4th . As a result of this relative movement, the electromagnetic alternating field generates an electrical voltage in the three generator coils 2 , 3 and 4th induced.

Dazu umfasst die elektronische Einheit 8 einen Wechselrichter 17, der mit dem Gleichrichter 11 elektrisch verbunden ist, sodass an dem Wechselrichter 17 die Ausgangs-Gleichspannung U₁ anliegt. Der Wechselrichter 17 wandelt die Ausgangs-Gleichspannung U₁ in eine Erreger-Wechselspannung U₂ um. Der Wechselrichter 17 ist über den elektrischen Zwischenkreis 16 mit den drei Erregerspulen 5, 6 und 7 elektrisch verbunden, sodass die Erreger-Wechselspannung U₂ an den drei Erregerspulen 5, 6 und 7 anliegt und der Erreger-Wechselstrom I₂ durch die drei Erregerspulen 5, 6, und 7 fließt. Dadurch wird das elektromagnetische Wechselfeld erzeugt, das sich relativ zu den drei Generatorspulen 2, 3 und 4 mit einer festgelegten Mindestdrehzahl bewegt. In Folge dessen wird - auch wenn sich bei still stehender Antriebswelle 15 die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 und die drei Erregerspulen 5, 6 und 7 nicht relativ zueinander drehen, oder wenn sich bei sehr langsam drehender Antriebswelle 15 die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 und die drei Erregerspulen 5, 6 und 7 nur mit sehr niedriger Drehzahl relativ zueinander drehen - basierend auf dem elektromagnetischen Drehfeld eine elektrische Spannung in die drei Generatorspulen 2, 3 und 4 induziert.To do this, the electronic unit includes 8th an inverter 17th that with the rectifier 11 is electrically connected, so on the inverter 17th the output DC voltage U ₁ is present. The inverter 17th converts the output DC voltage U ₁ into an alternating excitation voltage U ₂ around. The inverter 17th is via the electrical intermediate circuit 16 with the three excitation coils 5 , 6th and 7th electrically connected so that the exciter alternating voltage U ₂ on the three excitation coils 5 , 6th and 7th and the excitation alternating current I ₂ through the three excitation coils 5 , 6th , and 7th flows. This creates the alternating electromagnetic field, which is relative to the three generator coils 2 , 3 and 4th moves at a specified minimum speed. As a result - even if the drive shaft is at a standstill 15th the three generator coils 2 , 3 and 4th and the three excitation coils 5 , 6th and 7th do not rotate relative to each other, or when rotating with the drive shaft rotating very slowly 15th the three generator coils 2 , 3 and 4th and the three excitation coils 5 , 6th and 7th only rotate at a very low speed relative to each other - based on the rotating electromagnetic field, an electrical voltage is applied to the three generator coils 2 , 3 and 4th induced.

Somit setzt sich die Generator-Leistung P_gen aus zwei Leistungskomponenten P_gen1 und P_gen2 zusammen (P_gen = P_gen1 + P_gen2). Die erste Leistungskomponente P_gen1 resultiert aus einer Rotation des Rotors 9, der mechanisch durch die Antriebswelle 15 angetrieben wird. Die zweite Leistungskomponente P_gen2 resultiert aus dem elektromagnetischen Drehfeld, das wie vorstehend beschrieben erzeugt wird und sich relativ zu den feststehenden drei Generatorleitern 2, 3 und 4 mit der festgelegten Mindestdrehzahl dreht. Diese Mindestdrehzahl kann beispielsweise konstant gehalten werden.Thus the generator power continues P _gen composed of two performance _components P gen1 and P _gen2 (P _gen = P _gen1 + P _gen2 ). The first power _component P gen1 results from a rotation of the rotor 9 mechanically driven by the drive shaft 15th is driven. The second power _component P gen2 results from the electromagnetic rotating field, which is generated as described above and is relative to the three stationary generator conductors 2 , 3 and 4th rotates at the specified minimum speed. This minimum speed can be kept constant, for example.

2 zeigt einen alternativen elektrischen Generator 101, der ähnlich aufgebaut ist und eine ähnliche Funktionsweise aufweist wie der elektrische Generator 1 nach 1. Die Unterschiede des elektrischen Generators 101 nach 1 zu dem elektrischen Generator 1 nach 1 werden im Folgenden beschrieben. Der elektrische Generator 101 nach 2 umfasst eine elektrische Einheit, die aufgeteilt ist in eine erste elektronische Einheit 108.1 und eine zweite elektronische Einheit 108.2. Die erste elektronische Einheit 108.1 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die elektronische Einheit 8 nach 1 und umfasst insbesondere einen Gleichrichter 111 und einen Wechselrichter 117. Mittels des Gleichrichters 111 wird - ähnlich wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben - ein erster Leistungsanteil P₁ der Generator-Leistung Pgen nach einer Gleichrichtung an ein elektrisches Netz 121 abgegeben, an das ein elektrischer Verbraucher 113 oder Speicher 114 angeschlossen sein kann. 2 shows an alternative electrical generator 101 which has a similar structure and function as the electrical generator 1 after 1 . The differences of the electric generator 101 after 1 to the electric generator 1 after 1 are described below. The electric generator 101 after 2 comprises an electrical unit which is divided into a first electronic unit 108.1 and a second electronic unit 108.2 . The first electronic unit 108.1 has a structure similar to that of the electronic unit 8th after 1 and in particular comprises a rectifier 111 and an inverter 117 . By means of the rectifier 111 becomes - similar to in connection with 1 described - a first performance component P ₁ the generator power Pgen after rectification to an electrical network 121 delivered to an electrical consumer 113 or memory 114 can be connected.

Die erste elektronische Einheit 108.1 erzeugt weiterhin aus einem zweiten Leistungsanteil P₂ der aufgenommenen Generator-Leistung P_gen einen einphasigen Erreger-Wechselstrom I₂ , der über einen elektrischen Zwischenkreis 116 mit einem einzigen induktiven Drehübertrager 118 (oder Schleifring) der zweiten elektronischen Einheit 108.2 zugeführt wird. Die zweite elektronische Einheit 108.2 erzeugt mittels eines zweiten Gleichrichters 119 und eines zweiten Wechselrichters 120 aus der einphasigen Wechselspannung die Phasenströme für die Erregerspulen 105, 106 und 107, sodass ein elektromagnetisches Drehfeld im Bereich der drei Erregerspulen 105, 106 und 107 erzeugt wird. Das elektromagnetische Drehfeld dreht sich relativ zu den feststehenden drei Generatorspulen 102, 103 und 104 mit einer festgelegten Mindestdrehzahl. Durch diese Relativbewegung wird durch das elektromagnetische Wechselfeld eine elektrische Spannung in die drei Generatorspulen 102, 103 und 104 induziert.The first electronic unit 108.1 continues to be generated from a second performance component P ₂ the absorbed generator power P _gen a single-phase excitation alternating current I ₂ that has an electrical intermediate circuit 116 with a single inductive rotary joint 118 (or slip ring) of the second electronic unit 108.2 is fed. The second electronic unit 108.2 generated by means of a second rectifier 119 and a second inverter 120 the phase currents for the excitation coils from the single-phase AC voltage 105 , 106 and 107 so that an electromagnetic rotating field in the area of the three excitation coils 105 , 106 and 107 is produced. The rotating electromagnetic field rotates relative to the three stationary generator coils 102 , 103 and 104 with a specified minimum speed. As a result of this relative movement, the electromagnetic alternating field generates an electrical voltage in the three generator coils 102 , 103 and 104 induced.

Anders als durch 1 und 2 gezeigt können auch jeweils die Statorspulen 2, 3 und 4 bzw. 102, 103 und 104 als Erregerspule fungieren und die generierte Leistung kann dem Rotor 9 bzw. 109 über die Drehübertrager-Transformatoren 18 bzw. 118 (oder über Schleifringe) entnommen werden. Die Funktionen der Erregerspulen und der Generatorspulen können somit getauscht werden. Die durch 1 und 2 gezeigten Erregerspulen 5–7 und 105 - 107 sowie die Generatorspulen 2-4 und 102 - 104 können herkömmlicherweise als Windungen um einen Eisenkern ausgeführt sein. Alternativ können sie jedoch auch beispielsweise als Stanzgitter, in einer Platinentechnologie oder als Halbleiter-Element ausgeführt oder in Kunststoff eingebettet sein. Alternativ können die Erregerspulen 5-7 und 105 - 107 sowie die Generatorspulen 2-4 und 102 - 104 auch als kapazitive Elemente ausgeführt sein. Weiterhin können die elektrischen Generatoren 1, 101 jeweils ein Unwucht-Pendel aufweisen (nicht gezeigt). Ferner können die Generatoren 1, 101 resonant ausgelegt sein.Other than through 1 and 2 The stator coils can also be shown in each case 2 , 3 and 4th respectively. 102 , 103 and 104 act as an excitation coil and the generated power can go to the rotor 9 respectively. 109 via the rotary transformer transformers 18th respectively. 118 (or via slip rings). The functions of the excitation coils and the generator coils can thus be exchanged. By 1 and 2 shown excitation coils 5-7 and 105-107 as well as the generator coils 2-4 and 102-104 can conventionally be designed as windings around an iron core. Alternatively, however, they can also be designed, for example, as stamped grids, in circuit board technology or as semiconductor elements, or they can be embedded in plastic. Alternatively, the excitation coils 5-7 and 105-107 as well as the generator coils 2-4 and 102 - 104 also be designed as capacitive elements. Furthermore, the electrical generators 1 , 101 each have an imbalance pendulum (not shown). Furthermore, the generators 1 , 101 be designed to be resonant.

3 zeigt einen elektrischen Generator 201, der als elektromagnetischer Linearwandler ausgeführt ist. Eine Erregerwicklung 203 ist dabei an einem lediglich in einer Richtung x, also linear hin und her beweglichen Erregerkörper 204 angebracht. Dies kann durch einen Linearantrieb 207 erfolgen. Weiterhin ist eine Generatorwicklung 202 an einem ortsfesten Ständer 205 angeordnet. Eine elektronische Einheit 206 des elektromechanischen Linearwandlers 201 ist eingangsseitig elektrisch mit der Generatorwicklung 202 und ausgangsseitig elektrisch mit der Erregerwicklung 203 verbunden. Die elektronische Einheit 206 nimmt eine elektrische Generator-Leistung P_gen von der Generatorwicklung 202 auf und gibt einen ersten Leistungsanteil P₁ der aufgenommenen Generator-Leistung P_gen als Ausgangs-Leistung an ein elektrisches Netz 210 ab, an welches ein elektrischer Verbraucher 208 oder an ein elektrischer Speicher 209 angeschlossen sein kann. Weiterhin erzeugt die elektronische Einheit 206 aus einem zweiten Anteil P₂ der aufgenommenen Generator-Leistung P_gen einen Erreger-Wechselstrom 12, der in der Erregerwicklung 203 fließt, sodass ein elektromagnetisches, lineares Wanderfeld (das sich in der x-Richtung hin und her bewegt) im Bereich der Erregerwicklung 203 erzeugt wird. Das elektromagnetische lineare Wanderfeld bewegt sich linear relativ zu der Generatorwicklung 202 mit einer festgelegten Mindestgeschwindigkeit oder Mindestfrequenz und induziert dabei eine elektrische Spannung in die Generatorwicklung 202. 3 shows an electric generator 201 , which is designed as an electromagnetic linear transducer. An excitation winding 203 is in one direction only x , i.e. the exciter body that can move linearly back and forth 204 appropriate. This can be done by a linear drive 207 take place. There is also a generator winding 202 on a stationary stand 205 arranged. An electronic unit 206 of the electromechanical linear transducer 201 is electrically connected to the generator winding on the input side 202 and on the output side electrically with the excitation winding 203 tied together. The electronic unit 206 takes an electrical generator power P _gen from the generator winding 202 up and gives a first share of performance P ₁ the absorbed generator power P _gen as output power to an electrical network 210 from which an electrical consumer 208 or to an electrical storage system 209 can be connected. Furthermore, the electronic unit generates 206 from a second part P ₂ the absorbed generator power P _gen an excitation alternating current 12th , the one in the excitation winding 203 flows, so that an electromagnetic, linear traveling field (which moves back and forth in the x-direction) in the area of the excitation winding 203 is produced. The electromagnetic linear traveling field moves linearly relative to the generator winding 202 with a specified minimum speed or minimum frequency and induces an electrical voltage in the generator winding 202 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

I1I1: Ausgangs-Gleichstrom für das elektrische NetzOutput direct current for the electrical network
I2I2: Ausgangs-Gleichstrom für ErregerspulenOutput direct current for excitation coils
IgenIgen: Generator-WechselstromAlternator alternating current
P1P1: Leistungsanteil für das elektrische NetzPower share for the electrical network
P2P2: Leistungsanteil für ErregerspulenPower share for excitation coils
PgenPgen: Generator-LeistungGenerator power
xx: Lineare Bewegungsrichtung des ErregerkörpersLinear direction of movement of the exciter body
U1U1: Ausgangs-Gleichspannung für das elektrische NetzDC output voltage for the electrical network
U2U2: Ausgangs-Gleichspannung für ErregerspulenDC output voltage for excitation coils
UgenUgen: Generator-Wechselspannung Alternator voltage
11: elektrischer Generatorelectric generator
22: erste Generatorspulefirst generator coil
33: zweite Generatorspulesecond generator coil
44th: dritte Generatorspulethird generator coil
55: erste Erregerspulefirst excitation coil
66th: zweite Erregerspulesecond excitation coil
77th: dritte Erregerspulethird excitation coil
88th: elektronische Einheitelectronic unit
99: Rotorrotor
1010: Statorstator
1111: GleichrichterRectifier
1212th: ausgangsseitiger elektronischer Anschluss der elektronischen EinheitElectronic connection on the output side of the electronic unit
1313th: elektrischer Verbraucherelectrical consumer
1414th: elektrischer Speicherelectrical storage
1515th: Antriebswelle des RotorsDrive shaft of the rotor
1616: elektrischer Zwischenkreiselectrical intermediate circuit
1717th: WechselrichterInverter
1818th: DrehübertragerRotary joint
1919th: hydraulische Turbinehydraulic turbine
2020th: pneumatische Turbinepneumatic turbine
2121: StrömungsgeneratorFlow generator
2222nd: WellengeneratorWave generator
2323: SchrittgeneratorStep generator
2424: elektrisches Netz (Stromnetz)electrical network
101101: elektrischer Generatorelectric generator
102102: erste Generatorspulefirst generator coil
103103: zweite Generatorspulesecond generator coil
104104: dritte Generatorspulethird generator coil
105105: erste Erregerspulefirst excitation coil
106106: zweite Erregerspulesecond excitation coil
107107: dritte Erregerspulethird excitation coil
108.1108.1: erste elektronische Einheitfirst electronic unit
108.2108.2: zweite elektronische Einheitsecond electronic unit
109109: Rotorrotor
110110: Statorstator
111111: GleichrichterRectifier
112112: ausgangsseitiger elektronischer Anschluss der elektronischen EinheitElectronic connection on the output side of the electronic unit
113113: elektrischer Verbraucherelectrical consumer
114114: elektrischer Speicherelectrical storage
115115: Antriebswelle des RotorsDrive shaft of the rotor
116116: elektrischer Zwischenkreiselectrical intermediate circuit
117117: WechselrichterInverter
118118: DrehübertragerRotary joint
119119: zweiter Gleichrichtersecond rectifier
120120: zweiter Wechselrichtersecond inverter
121121: elektrisches Netz (Stromnetz)electrical network
201201: elektrischer Linearwandlerelectrical linear converter
202202: GeneratorwicklungGenerator winding
203203: ErregerwicklungExcitation winding
204204: ErregerkörperExciter body
205205: StänderStand
206206: elektronische Einheitelectronic unit
207207: Linearantrieb für den ErregerkörperLinear drive for the exciter body
208208: elektrischer Verbraucherelectrical consumer
209209: elektrischer Speicherelectrical storage
210210: elektrisches Netz (Stromnetz)electrical network

Claims

Electric generator (1; 101; 201) comprising - an excitation conductor (5-7; 105-107; 203), - a generator conductor (2-4; 102-104; 202) and - an electronic unit (8; 108.1, 108.2 ; 206), which is electrically connected on the input side to the generator conductor (2-4; 102-104; 202) and on the output side to the excitation conductor (5-7; 105-107; 203), the electronic unit (8; 108.1, 108.2 ; 206) is set up to - take up an electrical generator power (P _gen ) from the generator conductor (2-4; 102-104; 202), - a first portion (P ₁ ) of the generator power (P _gen ) consumed to output power to an electrical network (24; 121; 210) as output power, and - from a second portion (P ₂ ) of the generator power (P _gen ) consumed, to generate an alternating excitation current (12) which is in the excitation conductor (5 - 7; 105 - 107; 203) flows so that an alternating electromagnetic field is generated in the area of the excitation conductor (5 - 7; 105 - 107; 202), whereby the electromagnetic alternating field relative to the generator conductor (2-4; 102-104; 203) moves at a specified minimum speed or rotates at a specified minimum speed, and wherein the electromagnetic alternating field induces an electrical voltage in the generator conductor (2-4; 102-104; 202).

Electric generator (1; 101) according to Claim 1 , the electrical generator (1; 101) comprising - a rotor (9; 109), which receives the excitation conductor (5-7; 105-107), and - a stator (10; 110), which the generator conductor (2-4 ; 102-104), the electronic unit (8; 108.1, 108.2) being set up to - generate the alternating excitation current (12) _{from the second portion (P 2} ) of the generator power (P _gen), which flows in the excitation conductor (5 - 7; 105 - 107) so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of an electromagnetic rotating field in the area of the excitation conductor (5-7; 105 - 107), the electromagnetic rotating field being relative to the generator conductor ( 2 - 4; 102 -104) rotates at the specified minimum speed and an electrical voltage is induced in the generator conductor (2 - 4; 102 -104).

Electric generator (1; 101) according to Claim 1 , the electrical generator (1; 101) comprising - a rotor (9; 109), which receives the generator conductor (2-4; 102-104), and - a stator (10; 110), which the excitation conductor (5-7 ; 105-107), the electronic unit (8; 108.1, 108.2) being set up to generate the alternating excitation current (12) _{from the second portion (P 2} ) of the generator power (P _{gen) that is consumed} flows in the excitation conductor (5-7; 105-107), so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of a rotating electromagnetic field in the area of the excitation conductor (5-7; 105-107), the electromagnetic rotating field being relative to the generator conductor (2 - 4; 102 -104) rotates at the specified minimum speed and induces an electrical voltage in the generator conductor (2 - 4; 102 -104).

Electric generator (1; 101) according to Claim 2 or 3 , wherein the rotor (9; 109) is driven by - a hydraulic turbine (19) or - a pneumatic turbine (20) or - a flow generator (21) or - a wave generator (22) or - a step generator (23).

Electric generator (201) according to Claim 1 Wherein - the electric generator (201) is designed as an electromagnetic linear transducer, and - the electronic unit (206) is adapted from the second portion of the recorded generator power (P _gen) (P ₂₎ the excitation alternating current (12 ), which flows in the excitation conductor (203), so that the electromagnetic alternating field is generated in the form of an electromagnetic linear traveling field in the area of the excitation conductor (203), the electromagnetic linear traveling field relative to the generator conductor (202) linearly with the specified Moved minimum speed and wherein the electromagnetic linear traveling field induces an electrical voltage in the generator conductor (202).

Electric generator (1; 101; 201) according to one of the preceding claims, wherein the electronic unit (8; 108.1, 108.2; 206) is set up to generate the alternating excitation current in such a way that the alternating electromagnetic field is in the kHz range.

Electric generator (1; 101; 201) according to one of the preceding claims, wherein - The excitation conductor (5-7; 105-107; 203) comprises at least one excitation capacitance, and - The generator conductor (2-4; 102-104; 202) comprises at least one generator capacitor.

Electric generator (1; 101; 201) according to one of the preceding claims, wherein - the excitation conductor (5-7; 105-107; 203) comprises at least one excitation coil (5-7; 105-107; 203), and - The generator conductor (2-4; 102-104; 202) comprises at least one generator coil (2-4; 102-104; 202).

Electric generator (1; 101; 201) according to Claim 8 , wherein the at least one excitation coil (5-7; 105-107; 203) and / or the at least one generator coil (2-4; 102-104; 202) is designed in a circuit board technology or as a semiconductor element.

Electric generator (1; 101) according to Claim 8 , wherein the at least one excitation coil (5-7; 105-107; 203) and / or the at least one generator coil (2-4; 102-104; 202) is designed as a stamped grid or has turns that are embedded in plastic.