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Die
Erfindung betrifft einen Energiewandler, der mechanische Energie
in elektrische Energie umwandelt, mit einer Eingangswelle, die mit
mindestens einem, insbesondere von kleiner Drehzahl zu hoher Drehzahl übersetzenden,
Getriebemittel in Wirkverbindung steht. Da der Energiewandler auch
einen Energieüberträger (Getriebe)
aufweist, handelt es sich insbesondere um einen kombinierten Energiewandler
und Energieüberträger. Dabei
kann die Energiewandlung und/oder die Energieübertragung auch mehrstufig
sein, d. h. über
mehrere, zusammenwirkende Komponenten erfolgen.
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Ein
solcher Energiewandler ist beispielsweise als Antriebsstrang bei
Windenergieanlagen bekannt. Dabei ist der vom Wind angetriebene
Rotor mit einem zum Beispiel leistungsverzweigenden Getriebe verbunden.
Um die Leistung des leistungsverzweigenden Getriebes zusammenzuführen, ist
hinter den beiden Getriebestufen des leistungsverzweigenden Getriebes
noch ein z. B. Differentialgetriebe vorgesehen. In der Regel wird
dann die über
das Getriebe übertragene
Leistung über
ein z. B. Stirnradgetriebe (so genanntes Generatorgetriebe) auf
einen angeschlossenen Generator übertragen.
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Der
Aufbau ist – zumindest
mechanisch – relativ
komplex und erfordert viele, mechanische Bauteile (Differentialgetriebe,
Generatorgetriebe, Generatoren und aufwärts im Leistungsfluss gesehen noch
ein leistungsverzweigendes Hauptgetriebe). Zudem wird bei der Übertragung
und Umwandlung insbesondere hoher, mechanischer und schließlich auch
elektrischer Leistungen die Komplexität und Größe der Bauteile sehr groß. Dies
gilt zumindest entweder für
das Hauptgetriebe, welches bei hohen Leistungen ein entsprechend
hohes Übersetzungsverhältnis haben
muss, damit die hohen Leistungen durch einen Generator mit vertretbar
großer
Komplexität
bewältigt
werden können.
Andererseits gilt das auch für
den Generator, welcher – insbesondere
bei geringeren Übersetzungsverhältnissen
oder auch bei einem direkt angetriebenen Generator – insbesondere
bei kleineren Drehzahlen und/oder höherer, elektrischer Ausgangsleistung
entsprechend groß und komplex
aufgebaut sein muss, z. B. eine besonders hohe Polanzahl haben muss.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energiewandler
der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass beim Generator
und/oder beim Getriebe eines Antriebsstranges – insbesondere bei der Übertragung
hoher Leistungen – Aufbaukomplexität und/oder
Bauteilanzahl und/oder Gewicht und/oder Größe verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, und für eine Windenergieanlage
durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.
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Dazu
hat das Getriebemittel mindestens zwei Abtriebswellen und der Generator
mindestens zwei Läufer,
wobei jede der mindestens zwei Abtriebswellen, insbesondere lediglich,
mit einem zugeordneten Läufer
der mindestens zwei Läufer
in mechanischer Wirkverbindung steht. Dadurch hat der Generator
eine mindestens doppelte Funktion: er kann wie ein Differentialgetriebe
wirken und/oder Drehzahlen von z. B. zwei Ausgangswellen zusammenführen oder
ausgleichen; andererseits kann er eine besonders effiziente Umwandlung
von mechanischer in elektrische Energie leisten, da eine Relativbewegung
der beiden Läufer
zueinander ermöglicht ist.
Dabei können
die Läufer
beispielsweise auch gegensinnig zueinander angetrieben werden. Hierauf wird
später
noch näher
eingegangen.
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Die
beiden Läufer
sind jeweils an einer Ausgangswelle beziehungsweise einer Abtriebswelle
eines Getriebes angeschlossen. Bei einem Energiewandler mit Getriebe
sind immer mehrere Anschlussmöglichkeiten
(mechanische Anschlussmöglichkeiten)
gegeben, um zwei oder mehrere Läufer
bzw. Rotoren anzuschließen.
Bei einem Planetengetriebe können
die einzelnen Getriebekomponenten (Sonnenrad, Hohlrad, Planetenträger, Planetenrad)
für den
Anschluss eines oder beider Rotoren verwendet werden. Bei einem
Stirnradgetriebe könnten
die jeweiligen Zahnräder
des Stirnradgetriebes für
den Anschluss eines oder beider Rotoren verwendet werden. Insbesondere
beim leistungsverzweigenden Getriebe können die jeweils vorgesehenen
Ausgangswellen der beiden leistungsverzweigenden Getriebestufen
an jeweils einen Rotor angeschlossen werden.
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Im
folgenden wird der Begriff Läufer
synonym mit dem Begriff Rotor verwendet. Beide Begriffe sind jedoch
stets austauschbar gemeint, so dass der Begriff Rotor einen drehenden
Rotor oder einen Läufer,
der sich auch linear bewegen kann, meint. Andererseits meint der
Begriff Läufer
auch einen Rotor. Beide Begriffe sind somit im Sinne der vorliegenden Anmeldung
austauschbar.
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Ein
solcher Doppelläufer-Generator
hat in einem Antriebsstrang eine neue, funktionell eigenständige Getriebefunktion
und/oder eine unterstützende Getriebefunktion.
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Außerdem hat
die Erfindung den Vorteil, dass Generator und/oder Getriebe kleiner
und einfacher aufgebaut sein können.
Wenn der Generator eine Getriebefunktion übernimmt, ist das schon aus sich
heraus evident. Aber auch für
den Fall, dass der Generator die Getriebefunktion übernimmt,
kann der Generator selber trotzdem noch – im Vergleich mit einem üblichen
Generator – einfacher
aufgebaut sein, indem Übersetzungsverhältnisse
und/oder gegensinnige, resultierende Drehrichtungen der Anschlussmöglichkeiten
der beiden Rotoren, die die Erfindung bietet, effizient ausgenutzt
werden.
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Die
Erfindung wird in den Unteransprüchen näher konkretisiert.
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Eine
deutlich verringerte Aufbaukomplexität und eine bessere Energieausnutzung
bei verringertem, baulichen Aufwand des Generators und des Getriebes
ergibt sich, wenn ein innerer Läufer
in einem Hohlzylinder-Läufer
angeordnet ist und diese zwei Läufer
aufgrund der resultierenden Übersetzungsverhältnisse
ihrer Abtriebswellen eine gegensinnige Bewegung, insbesondere die
zwei Rotoren eine gegensinnige Rotation, ausführen. Durch die gegensinnige
Bewegung, insbesondere die gegensinnige Rotation, wird in Bezug
auf den Luftspalt des Generators eine sehr große Relativgeschwindigkeit der
beiden elektromagnetisch aktiven Oberflächen automatisch erzeugt. Dabei
wird die Doppelfunktion voll ausgenutzt, dass der Generator eine,
insbesondere mechanische oder einer mechanischen äquivalente, Getriebefunktion
bietet und gleichzeitig durch die hohe Relativgeschwindigkeit eine
effiziente Energieumsetzung möglich
und die Komplexität
des Generators z. B. durch eine geringere Polzahl vermindert werden
kann.
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Dazu
werden die erfindungsgemäßen Vorteile
bereits vollständig
realisiert bei einem sehr einfachen und wenig komplexen Aufbau eines
erfindungsgemäßen Energiewandlers,
wenn genau zwei Läufer vorgesehen
sind.
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Die
Konfiguration eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges ist sehr
flexibel im Aufbau und es können
sogar drei oder mehrere Getriebefunktionen in einen Generator verlagert
werden, wenn genau drei Läufer
vorgesehen sind, wobei zusätzlich
zu den Läufern
aus Anspruch 3 oder 4 noch ein äußerer, insbesondere
die zwei inneren Läufer
umgebender, Läufer
vorgesehen ist, und die Drehsinne von direkt benachbarten Rotoren
gegensinnig sind und/oder die Drehsinne der Rotoren in der Abfolge
von innen nach außen
von Rotor zu Rotor jeweils umgekehrt sind.
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Der
mechanische und elektrische Aufbau kann vereinfacht werden und/oder
es können
mechanisch flexiblere Anschluss- und Übersetzungsverhältnisse
realisiert werden, wenn zwischen zumindest zwei radial aufeinanderfolgenden
Rotoren ein Stator angeordnet ist und/oder wenn radial außen ein
Stator angeordnet ist, der die Rotoren umschließt. Zum Beispiel kann bei dem
vorgeschlagenen Aufbau die Zahl der stromführenden, drehenden Teile, die Strom-Drehdurchführungen
erfordern, reduziert werden. Dazu kann einer der Rotoren oder es
können beide
Rotoren mit Permanentmagneten belegt sein. Zum anderen können die
beiden Rotoren gegensinnig oder auch gleichsinnig und sogar im wesentlichen mit
gleicher Drehrichtung und mit im wesentlichen gleichem Drehsinn
betrieben werden.
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Wenn
das Getriebemittel mindestens ein Planetengetriebe aufweist, ist
ein solider, mechanischer Aufbau mit einer großen Anzahl von möglichen Anschluss-
und Übersetzungsmöglichkeiten
für den Anschluss
eines oder beider Rotoren gegeben.
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Wenn
das Getriebemittel mindestens ein Stirnradgetriebe aufweist, ist
der Bauteileaufwand und die Komplexität des Antriebsstranges einerseits reduziert,
und andererseits können
immer noch durch die vorhandenen Anschlussmöglichkeiten alle erfindungsgemäßen Vorteile
realisiert werden. Hinzu kommt, dass bei einem z. B. leistungsverzweigenden Stirnradgetriebe
automatisch zwei Getriebeanschlüsse
vorhanden sind, die für
die mechanische Verschaltung verwendet werden können. Bei einfacher und kostengünstiger
Realisierung stehen automatisch zumindest zwei (oder mehr) Anschlussmöglichkeiten zur
Verfügung,
nämlich
an jedem lasttragenden Zahnrad eines z. B. ein- oder mehrstufigen
Stirnradgetriebes.
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Wenn
das Getriebemittel eine Kombination von einem oder mehreren Planetengetrieben und/oder
einem oder mehreren Stirnradgetrieben aufweist, welche zueinander
parallel und/oder in Reihe verschaltet sind, wobei insbesondere
lediglich teilweise Reihen- oder Parallelschaltungen vorgesehen sind,
hat das den Vorteil, dass eine mechanisch und z. B. hinsichtlich
einer Leistungsaufteilung oder Leistungsverzweigung günstige Kombination
verwendet werden kann, die ein insgesamt günstigeres Übersetzungsverhältnis erlaubt,
sodass die einzelnen Rotoren kleiner und/oder einfacher bauen können. Außerdem sind
dann automatisch auf Grund der Verschaltung und der Auswahl der
kombinierten Getriebeeinheiten viele Möglichkeiten zur effizienten
Verschaltung gegeben, sodass insgesamt die Auswahlmöglichkeiten
durch die Erfindung wesentlich erhöht werden, einen hoch effizienten
Antriebsstrang zu realisieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
das Getriebemittel mindestens zwei Getriebestufen (mehrstufiges
Getriebemittel) hat, welche insbesondere miteinander mechanisch
derart verschaltet sind, dass die über das Getriebemittel übertragene
Leistung zwischen den mindestens zwei Getriebestufen, insbesondere im
Verhältnis
50:50 bis 75:25, aufgeteilt ist, wobei bei asymmetrischer Leistungsverzweigung,
die von 50:50 abweicht, insbesondere eine Eingangsstufe den höheren Leistungsanteil überträgt. Dadurch
werden Übersetzungsverhältnisse,
insbesondere größere Übersetzungsverhältnisse,
ermöglicht,
die für
die Auslegung der Rotoren und deren Anschlussmöglichkeiten Vereinfachungen
bedeuten und/oder es wird eine Leistungsverzweigung erreicht, die
die Lebensdauer des Getriebes erhöht, so dass sich insgesamt
eine Lebensdauererhöhung
der gesamten Anlage mit der Erfindung ergibt. Auch die Lebensdauer der
Rotoren geht in diese Gesamtlebensdauerbetrachtung ein, so dass
das gesamte System verbessert wird, wenn diese flexibler und/oder
einfacher und/oder integrierter ausgelegt werden können und damit
auch eine höhere
Lebensdauer erreichen können,.
Des weiteren wird dadurch auch die Anzahl möglicher Anschlussstellen für Rotoren
gesteigert, sodass sich insgesamt der Vorteil der Erfindung erhöht. Bei
asymmetrischem Aufbau und/oder asymmetrischer Leistungsverzweigung
wird vorgeschlagen, dass die Ausgangswelle mit stärker ausgelegten Komponenten
bzw. dem höheren
Leistungsanteil einen Rotor mit größerem Durchmesser, z. B. den äußeren Rotor,
beaufschlagt. Dann ist das durch den größeren Durchmesser höhere Drehmoment
an der Ausgangswelle mit dem höheren
Drehmoment und/oder der höheren
Leistung. Dadurch wird die Erfindung bei Leistungsverzweigung effizient
ausgenutzt. Es kann aber auch der umgekehrte Fall (durchmessergrößerer Läufer an
Ausgangswelle mit kleinerer Leistung/kleinerem Drehmoment) vorgesehen sein.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Läufer mit jeweils einem Zahnrad
und/oder einer Welle und/oder einer Zwischenwelle eines Stirnradgetriebes
in Wirkverbindung stehen. Bei dieser konstruktiven Ausgestaltung
können
die Getriebekomponenten und die Rotoren erfindungsgemäß eine Doppelfunktion
haben. Besonders hervorzuheben ist dabei, dass vorzugsweise alle
Zahnrad-Komponenten eines Stirnradgetriebes (also z. B. zwei Hauptzahnräder) diese
Doppelfunktion aufweisen.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Läufer mit jeweils einem Zahnrad und/oder
einer Welle und/oder einer Zwischenwelle eines Planetengetriebes
in Wirkverbindung stehen. Durch das Planetengetriebe erhöht sich
pro Getriebe die Anzahl der Anschlussstellen für Rotoren und damit auch der
Integrationsfaktor und/oder die Flexibilität der vorliegenden Erfindung.
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Schließlich wird
vorgeschlagen, dass ein zweistufiges Planetengetriebe vorgesehen
ist und einer der Läufer
mit einem Sonnenrad der einen Planetenstufe und ein anderer Läufer mit einem
Sonnenrad der anderen Planetenstufe in Wirkverbindung steht. Dann
sind auf einfachere und mechanisch und konstruktiv sehr stabile
Weise effiziente Anschlussmöglichkeiten,
und insbesondere Anschlussmöglichkeiten
gegeben, die eine hohe Relativ-Drehgeschwindigkeit der beiden Rotoren
zueinander gestatten.
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Des
weiteren kann, z. B. in einer elektrischen Steuerung und/oder in
einem elektrischen Stromregler des Energiewandlers, vorgesehen sein,
eine Schwingungsdämpfung
durch elektrisches Verspannen der Rotoren zueinander zu erreichen.
Dies kann beispielsweise bei einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator
realisiert werden, indem die Erregerseite mit einem entsprechenden
Spannungsverlauf beaufschlagt wird. Bei einer solchen Schwingungsdämpfung werden
die Schwingungen, die gedämpft werden
sollen, gemessen. Dies kann beispielsweise am Generatorausgang erfolgen.
Aufgrund der vorhandenen Schwingungen können dem Generatorausgangssignal
nämlich
entsprechende Schwingungen aufgeprägt sein. Die Schwingungen können aber auch
mechanisch an einer geeigneten Stelle des Antriebsstranges oder
des strukturellen Aufbaus z. B. einer Windenergieanlage gemessen
werden.
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Durch
Variieren der Läuferdrehzahlen
im Betrieb kann Energie mechanisch gespeichert und insbesondere
zum Ausgleich kurzfristiger Schwankungen des Antriebsmomentes am
Getriebeeingang verwendet werden.
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Zusätzlich oder
alternativ kann mindestens einer der Läufer als Schwungrad ohne stromerzeugende
Funktion oder mit lediglich teilweise stromerzeugender Funktion
ausgeführt
werden, um kurzfristig Energie zu speichern und/oder zwischenzuspeichern
und/oder zu Puffern.
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Es
wird eine Ausführung
des Energiewandlers für
höhere
Wandlungs- und/oder übertragene Leistungen
vorgeschlagen, insbesondere für
Leistungen von 2 bis 10 MW, insbesondere 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5,
5, 5,5, ..., 10 MW oder alle Zwischenwerte davon, die hier einzeln
und/oder individuell umfasst sein sollen. Alternativ kann der Energiewandler
für kleinere
Leistungen verwendet werden oder vorgesehen sein, z. B. 0,1 bis
2 MW und – wie
oben beispielhaft erläutert – für jeden
Zwischenwert.
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Es
wird eine Windenergieanlage, insbesondere mit Drehachse im wesentlichen
in Windrichtung, mit einem Energiewandler nach einer der hier enthaltenen
Ausgestaltungen vorgeschlagen. Des weiteren wird die Verwendung
eines Energiewandlers nach einer der hier offenbarten Ausgestaltungen
für eine Windenergieanlage
vorgeschlagen, insbesondere mit Drehachse im wesentlichen in Windrichtung,
insbesondere mit den oben genannten Leistungsklassen. Weiter insbesondere
kann ein erfindungsgemäßer Energiewandler
für eine
kleinere Windenergieanlage einer dezentralen Versorgungsanlage,
z. B. einer Blockenergieerzeugung, verwendet werden.
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Die
Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
einen Generator mit Doppelläuferanordnung,
der einem Antriebsstrang mit einem Rotor und einem zwischengeschalteten, leistungsverzweigenden
Planetengetriebe nachgeschaltet ist,
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2 schematisch
einen Generator mit Doppelläufer
und dazwischen befindlichem Stator,
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3 einen
Generator mit drei Rotoren.
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In 1 ist
grob schematisch (alle Figuren sind grob schematische Prinzipskizzen)
eine Windenergieanlage 22 dargestellt. Alle hier nicht
erwähnten und/oder
nicht gezeigten Teile und Funktionen einer üblichen Windenergieanlage sind
umfasst, wie z. B. Fundament, Turm, Azimutgetriebe und -Antrieb, Pitchverstellung,
Netzanschluss, elektrische Komponenten wie Regler, Umrichter, sowie
hydraulische Komponenten wie Regler, Pitchantrieb etc.
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Die
Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie (Strom) erfolgt
hier über
einen erfindungsgemäßen Energiewandler 1.
Der Energiewandler 1 umfasst hier im wesentlichen ein Generatormittel 6 und
ein damit in Wirkverbindung stehendes Getriebemittel 3.
Der Wind 30 treibt den Rotor 29 an. Der Rotor 29 beaufschlagt über die
Rotorwelle 2 (Eingangswelle) das Getriebemittel 3,
welches eine Übersetzung
vom Langsamen ins Schnelle bewirkt. Am Getriebeausgang ist das elektrische
Generatormittel 6 angeschlossen. Das Generatormittel hat
zwei Läufer 7, 8.
Es sind zwei Getriebeausgangswellen 4, 5 vorhanden.
Die Getriebeausgangswelle 5 (innere Welle) steht mit dem
inneren Rotor 8, die Getriebeausgangswelle 4 mit
dem äußeren Rotor 7 in
mechanischer Wirkverbindung. Jede Getriebeausgangswelle 4, 5 beaufschlagt
somit einen eigenen, separaten Läufer 7, 8.
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Hier
ist ein leistungsverzweigendes Getriebemittel 3 mit zwei
teilweise (oder auch vollständig) parallel
geschalteten Planetengetrieben 18, 19 vorgesehen.
Die Eingangswelle 2 beaufschlagt die Planetenräder 24 des
Eingangs-Planetengetriebes 18. Die Planetenräder 24 – und damit
die Eingangswelle 2 – beaufschlagen
das Hohlrad 26 des inneren Planetengetriebes 19.
Das Hohlrad 25 des äußeren Planetengetriebes 18 ist
fest. Das Sonnenrad 20 des Eingangs-Planetengetriebes 18 ist über die
Abtriebswelle 5 (Sonnenwelle) mit dem inneren Rotor 8 des Generators 6 in
Wirkverbindung. Über
das Hohlrad 26 wird ein Teil der Leistung und des Drehmomentes über die
innere Planetengetriebestufe 19 übertragen. Das Hohlrad 26 steht
mit den Planetenrädern 23 in Wirkverbindung.
Die Planetenräder 23 sind
bezogen auf die Zentralachse des Getriebemittels fest gehalten.
Sie drehen sich lediglich um ihre eigene Planetenradachse. Das Sonnenrad 21 überträgt das Moment
schließlich über die
Getriebeausgangswelle 4 auf den äußeren Rotor 7.
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Die
resultierenden Drehsinne sind derart, dass beide Rotoren 7, 8 mit
unterschiedlichen Drehsinnen drehen. Sie können aber auch gleichsinnig
mit unsterschiedlichen Drehzahlen drehen.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung, wobei zwischen zwei radial aufeinanderfolgenden
Rotoren 15, 16 ein Stator 17 angeordnet
ist. Die Getriebeausgangswellen können mit einem Getriebe wie
in 1 gezeigt wie dort gezeigt in Wirkverbindung stehen.
Alles dort gesagte gilt sinngemäß auch hier,
wobei insbesondere auch eine gleichsinnige Drehung der beiden Getriebeausgangswellen
vorgesehen sein kann.
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3 zeigt
die Konfiguration, dass genau drei Läufer 9, 10, 11 vorgesehen
sind, wobei zusätzlich
zu den Läufern 10, 11 wie
in Anspruch 3 beschrieben noch ein äußerer, insbesondere die zwei inneren
Läufer
umgebender, Läufer 9 vorgesehen
ist, und die Drehsinne von direkt benachbarten Rotoren 9, 10; 10,11 gegensinnig
sind und/oder die Drehsinne der Rotoren in der Abfolge von innen
nach außen 11, 10, 9 von
Rotor zu Rotor jeweils umgekehrt sind. Dementsprechend sind die
Ausgangswellen 12, 13, 14 mit einem vorgeschalteten
Getriebemittel in Wirkverbindung.
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- 1
- Energiewandler
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Getriebemittel
- 4
- Abtriebswelle
- 5
- Abtriebswelle
- 6
- Generator
- 7
- Läufer oder
Rotor
- 8
- Läufer oder
Rotor
- 9
- Läufer oder
Rotor
- 10
- Läufer oder
Rotor
- 11
- Läufer oder
Rotor
- 12
- Abtriebswelle
- 13
- Abtriebswelle
- 14
- Abtriebswelle
- 15
- Läufer oder
Rotor
- 16
- Läufer oder
Rotor
- 17
- Stator
- 18
- Planetengetriebe
- 19
- Planetengetriebe
- 20
- Sonnenrad
- 21
- Sonnenrad
- 22
- Windenergieanlage
- 23
- Planetenrad
- 24
- Planetenrad
- 25
- Hohlrad
- 26
- Hohlrad
- 27
- Abtriebswelle
- 28
- Abtriebswelle
- 29
- Rotor
- 30
- Wind
und/oder Windrichtung