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Stand der Technik
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Bei Arbeiten mit Elektrowerkzeugen sind häufig Hilfsmittel notwendig, um die Durchführung der Arbeit zu optimieren. Beispielsweise kann eine Beleuchtung der Arbeitsfläche durch Leuchtmittel sachdienlich sein.
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Es sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 045 157 A1 Werkzeuge bekannt, bei denen die Leuchtmittel in das Werkzeug integriert sind. Die Versorgung der Leuchtmittel mit Energie kann jedoch ein Problem darstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine verbesserte Werkzeugmaschine bereitzustellen, welche eine Energieversorgung von Zusatzelementen ermöglicht.
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Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Werkzeugmaschine, wie beispielsweise eine Handwerkzeugmaschine, mit einem Generator, der elektrische Energie bzw. Strom erzeugt, beschrieben. Der Generator weist einen Stator und einen in Relation dazu beweglichen Rotor auf. Auf dem Stator ist mindestens eine Spule, beispielsweise eine Induktionsspule, und mindestens ein Magnet, z. B. ein Permanent- oder Elektromagnet, angeordnet. Der Rotor weist mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Bereich auf. Der erste Bereich hat eine erste magnetische Permeabilität und eine erste geometrische Ausgestaltung. Der zweite Bereich hat eine zweite magnetische Permeabilität und eine zweite geometrische Ausgestaltung. Die erste und die zweite Permeabilität sind dabei unterschiedlich und/oder die erste und die zweite geometrische Ausgestaltung sind unterschiedlich. Je nachdem ob sich der erste oder zweite Bereich des Rotors näher zum Stator befindet, können sich die magnetischen Feldlinien ausgehend vom Magneten unterschiedlich ausbreiten. Bei einer Bewegung des Rotors relativ zum Stator ändert sich die Position des ersten und zweiten Bereichs des Rotors gegenüber dem Stator kontinuierlich. Dadurch ändert sich der magnetische Fluss und eine Spannung in der Spule des Stators wird induziert.
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Der erste und zweite Bereich des Rotors können z. B. als ein Profil im Rotor ausgestaltet sein. D. h. der erste Bereich kann Erhebungen und der zweite Bereich Ausnehmungen im Rotor entsprechen. Optional können für die unterschiedlichen Bereiche unterschiedliche Materialien, insbesondere mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität verwendet werden.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Generators kann Spannung bzw. elektrische Energie für Werkzeugmaschinen-interne Komponenten, wie beispielsweise Lichtquellen zur Beleuchtung der Arbeitsfläche, bereitgestellt werden. Diese elektrische Energie ist vorteilhafterweise unabhängig von einer Netz- bzw. Batterie-Spannung der Werkzeugmaschine. Damit sind keine zusätzlichen Elemente zur Gleichrichtung und Transformation des Netzstroms in der Werkzeugmaschine nötig. Dies kann insbesondere bei Handwerkzeugmaschinen vorteilhaft sein, da auch Gewicht eingespart werden kann. Ferner kann der elektrische Schaltkreis des erfindungsgemäßen Generators für den Betrieb mit einer geringen Spannung (z. B. kleiner als 50 V) ausgelegt sein und damit nicht den Vorschriften für netzbetriebene Maschinen, wie z. B. die Einhaltung von Isolationsabständen unterliegen. Dadurch werden mehr Freiheiten bei der konstruktiven Gestaltung der Werkzeugmaschine ermöglicht.
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Ferner ist der erfindungsgemäße Generator vorzugsweise ohne bewegliche Magneten ausgeführt. Beim Betrieb der Werkzeugmaschine bewegt sich lediglich der Rotor, während sowohl Spule als auch Magnet unbeweglich am Stator angeordnet sind. Dies ermöglicht eine einfache Nachrüstung von bereits existierenden Werkzeugmaschinen. Ferner wird eine einfache, raumsparende und kostengünstige Umsetzung einer Energiequelle für Maschinen-interne Komponenten neu herzustellender Werkzeugmaschinen, wie z. B. Lichtquellen ermöglicht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen der Stator und der Rotor ferromagnetische Materialien auf. D. h. die Permeabilitätszahl μ der Materialien ist gleich, größer oder bevorzugt wesentlich größer als 1 (μ >> 1). Solche Materialien können z. B. Stahl, Eisen, Kobalt, Nickel und Kombinationen daraus sein. Stator und Rotor können zum Großteil oder komplett aus diesen Materialien bestehen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Rotor mit dem Abtrieb, beispielsweise einer Abtriebswelle, der Werkzeugmaschine mechanisch kraft-, form- und/oder reibschlüssig gekoppelt sein oder als ein Teil des Abtriebs ausgebildet bzw. in ihn integriert sein. Dies kann beispielsweise durch die Änderung von vorhandenen Teilen des Abtriebs geschehen und dadurch kostensparend umgesetzt werden. Der Rotor kann auch stofflich, wie z. B. durch einen Klebstoff mit dem Abtrieb verbunden sein. Der Abtrieb kann ein Teil der Maschine sein, der Leistung abgibt und kann beispielsweise eine Spindel, ein Tellerrad, ein Aufnahmeflansch bzw. eine Werkzeugaufnahme, eine Motorwelle bzw. deren Fortsatz sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Generator einen zweiten von einem ersten Stromkreis der Maschine elektrisch getrennten bzw. unabhängigen Stromkreis aufweisen. Der erste Stromkreis ist z. B. an eine Netz- bzw. Akkuversorgung angeschlossen. Der zweite Stromkreis kann durch den Betrieb des Generators eine zum ersten Stromkreis unterschiedliche Spannung erzeugen. Dadurch kann z. B. eine Maschinen-interne Lichtquelle mit Energie versorgt werden, ohne dass eine Netzspannung transformiert und gleichgerichtet werden muss. Dadurch kann auf Zusatzkomponenten verzichtet werden und somit kann Bauraum und erhebliche Zusatzkosten eingespart werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Werkzeugmaschine eine oder mehrere Lichtquellen aufweisen. Die Lichtquelle wird durch den erfindungsgemäßen Generator mit Energie versorgt und ist mit ihm z. B. direkt oder über einen elektrischen Wandler verbunden. Ferner kann die Lichtquelle direkt in die Maschine integriert bzw. an ihr angeordnet sein und kann eine Lichtquelle sein, die eine eventuell kontinuierliche Beleuchtung einer Arbeitsfläche bei Betrieb der Maschine ermöglicht. Eine zusätzliche Lichtquelle kann ein Lichtsignal, beispielsweise mittels eines Farbwechsels oder mittels eines Intensitätswechsels, ausgeben und damit eine aktuelle Drehzahl des Rotors anzeigen. Beispielsweise kann das Signal ein Blinken sein. Dadurch kann ein Durchfahren, Überschreiten und/oder Unterschreiten bestimmter Drehzahlen z. B. bei Überlast und ein Nachlaufen des Rotors bzw. des Motors auch nach Abschalten der Maschine signalisiert werden. Ferner kann z. B. eine zusätzliche Lichtquelle als Laserlichtquelle zur Markierung der Arbeitsfläche und Führung der Maschine ausgestaltet sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Werkzeugmaschine einen Stromspeicher, wie z. B. einen Kondensator und/oder einen Akku auf. Durch den Stromspeicher kann z. B. die Nachleuchtdauer und Intensität der Lichtquelle verbessert werden. Der Stromspeicher kann z. B. in eine Elektronik der Maschine integriert werden. In der Elektronik kann die erzeugte elektrische Spannung an die Erfordernisse der Lichtquelle angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Spule bzw. mehrere Spulen des Stators an bzw. auf einem den magnetischen Fluss verstärkenden Joch angeordnet. Das Joch kann den bzw. die Magneten miteinander und/oder mit der bzw. den Spulen verbinden. Das Joch kann eine höhere magnetische Permeabilität als beispielsweise das Material des Statorgehäuses aufweisen und zu einer gezielten Führung der magnetischen Feldlinien beitragen und den magnetischen Fluss verstärken. Durch diese Flussverstärkung kann auch bei geringen Betriebsdrehzahlen eine ausreichende Spannung z. B. für den Betrieb von Lichtquellen generiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Rotor eine rotierende oder linear oszillierende Bewegung durchführen. Die Werkzeugmaschine kann also z. B. als Winkel- und Geradschleifer, Schrauber, Bohrmaschine, Kreissäge oder als Säge, z. B. Stich-, Säbel-, Fuchsschwanz- oder Feinschnittsäge, ausgestaltet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Winkelschleifer
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2 zeigt schematisch die Funktionsweise des Generators der Werkzeugmaschine
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3 zeigt einen Generator mit einem Aufnahmeflansch als Rotor
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4 zeigt mögliche Ausführungen des Stators aus 3
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5 zeigt einen Generator mit einem Tellerrad als Rotor
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6 zeigt mögliche Ausgestaltungen des Rotors
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7 zeigt eine Ausgestaltung des Stators mit Magnetspulen
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8 zeigt einen Querschnitt durch eine Stichsäge
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9 zeigt einen Generator mit einem linear oszillierenden Rotor
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10 zeigt eine alternative Ausführung des Generators aus 9
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 bis 7 ist die Werkzeugmaschine mit einem rotierenden Rotor am Ausführungsbeispiel eines Winkelschleifers und in den 8 bis 10 mit einem linear oszillierenden Rotor am Beispiel einer Stichsäge dargestellt.
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In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen Winkelschleifer 1 dargestellt. Der Winkelschleifer 1 weist die üblichen Komponenten wie Motorgehäuse 25, Motor 27, Lüfter 29, Ritzel 31, Getriebegehäuse 33, Schutzhaube 35, Zweilochmutter 37, Spindel 39, Tellerrad 41, Lagerflansch 43 und Aufnahmeflansch 47 auf. Eine Lichtquelle 15 kann einen Arbeitsbereich 45 bzw. die Arbeitsfläche 45 ausleuchten. Die Lichtquelle 15 kann beispielsweise am Lagerflansch 43 integriert werden. Als Rotor 7 kann bei dem Winkelschleifer 1 beispielsweise das Tellerrad 41, der Aufnahmeflansch 47 oder die Spindel 39 verwendet werden.
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In 2 ist die Funktionsweise des Generators 3 der Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Dabei sind in 2A und 2B Querschnitte durch den Generator 3 in unterschiedlichen Bewegungsphasen des Rotors 7 gezeigt. Auf dem Stator 5 ist eine Spule 11 und zwei unterschiedlich gepolte Magneten 13 angeordnet. Die Magneten 13 und die Spule 11 sind an einem Joch 23 zur Verstärkung des magnetischen Flusses angeordnet.
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Durch die (mit dem Pfeil angedeutete) Bewegung 63 des Rotors 7 gegenüber dem Stator 5 ändert sich das Magnetfeld, in dem sich die Spule 11 befindet. Dadurch wird in der Spule 11 eine Spannung induziert, die z. B. über die Elektronik 21, die einen Stromspeicher 19 aufweisen kann, an eine Lichtquelle 15 weitergeleitet werden kann. Eine Veränderung des Magnetfeldes kann z. B. durch die Änderung des Widerstandes (auch Reluktanz genannt) des magnetischen Kreises erreicht werden.
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In 2A befindet sich ein erster Bereich 51 des Rotors 7 gegenüber der Spule 11 des Stators 5. Gegenüber den Magneten 13 des Stators 5 befinden sich zweite Bereiche 53 des Rotors 7. Im Ausführungsbeispiel haben der erste Bereich 51 und der zweite Bereich 53 unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen. Der erste Bereich 51 weist ein Erhebung in Richtung des Stators 5 auf. Der zweite Bereich 53 ist dagegen im Vergleich zum ersten Bereich 51 gegenüber dem Stator 5 zurückversetzt, so dass der Luftspalt 9 zwischen Stator 5 und Rotor 7 im zweiten Bereich 53 größer ist als im ersten Bereich 51.
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Bei einer Bewegung 63 des Rotors 7 ändert sich der magnetische Fluss ausgehend von den Permanentmagneten 13. Damit ändern sich die magnetischen Feldlinien 17 wie in 2 dargestellt und in der Spule wird eine Spannung 11 induziert.
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Die Bereiche 51, 53 des Rotors 7 können bei gleicher oder unterschiedlicher geometrischer Ausgestaltung unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität aufweisen. Der Rotor 7 kann dabei durch Änderungen von vorhandenen Teilen des Abtriebs 49 der Werkzeugmaschine 1 realisiert werden. Beispielsweise kann der Rotor 7 mit Nuten versehen werden. Bei einer Bewegung des Rotors 7 ändert sich die Reluktanz wie folgt: bei einer Position der Nuten 51 gegenüber den Magneten 13 wird durch den großen Luftspalt 9 eine hohe Reluktanz bewirkt; bei einer Position von Stegen 51 gegenüber den Magneten wird eine geringe Reluktanz bewirkt.
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In 3 ist ein Generator 3 mit einem Aufnahmeflansch 47 als Rotor 7 dargestellt. 3A und 3B zeigen unterschiedliche Perspektiven des Generators 3. In 3C und 3D sind Querschnitte durch den Generator 3 dargestellt. In dem Aufnahmeflansch 47 sind Stege 51 und Nuten 53 angeordnet. Bei einer Positionierung der Magnete 13 gegenüber von Stegen 51 des Flansches 47 kann sich der magnetische Fluss dank der geringen Reluktanz sowohl tangential (3C) als auch radial (3D) entfalten. Dies ist durch die magnetischen Feldlinien 17 in 3C und 3D angedeutet.
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Wie in 3B gezeigt können beispielsweise auf der der Spindel 39 zugewandten Seite des Flansches 47 Zusatznuten 55 angeordnet sein. Dadurch kann die Schwankung des magnetischen Flusses in den unterschiedlichen Positionen des Rotors 7 erhöht werden. Dadurch können höhere Spannungen in der Spule 11 des Stators 5 induziert werden. Der Stator kann dabei in den Lagerflansch 43 integriert sein.
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In 4 sind mögliche Ausführungen des Stators aus 3 dargestellt. Wie in 4A gezeigt kann der Stator 5 ringförmig ausgestaltet sein und mehrere Magneten 13 und Spulen 11 verbunden durch ein Joch 23 aufweisen. Alternativ, z. B. falls nicht genügend Bauraum vorhanden ist oder die induzierte Spannung ausreichend ist, kann der Stator 5 wie in 4B und 4C gezeigt aus einem Jochabschnitt und einer Spule 11 bestehen. Das Joch 23 kann dabei aus massivem Material oder aus Blechstreifen bestehen. Es ist auch eine Ausführung des Stators mit lediglich einem Magneten 13 möglich. Dies ist in 4C gezeigt.
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In 5A und 5B sind unterschiedliche Perspektiven eines Generators 3 mit einem Tellerrad 41 als Rotor 7 dargestellt. Die Unterseite des Tellerrads kann zur Realisierung der unterschiedlichen Bereiche 51, 53 des Rotors 7 mit einer Verzahnung versehen sein.
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In 6 sind mögliche Ausgestaltungen des Rotors 7 dargestellt. 6A zeigt ein Verstärkungsjoch 50 mit einer im Vergleich zu den Materialien des Rotors hohen Permeabilitätszahl. Das Verstärkungsjoch 50 kann die Reluktanz verringern. Es kann für sich genommen wie in 6A gezeigt als Rotor 7 eingesetzt werden. Alternativ kann das Verstärkungsjoch 50 wie in 6B gezeigt in andere Teile des Abtriebs 49 wie das Tellerrad 41 oder den Aufnahmeflansch 47 integriert werden und den gewünschten Reluktanzverlauf ermöglichen. Es ist ferner möglich die gewünschten Materialeigenschaften in die Teile des Abtriebs 49 direkt zu integrieren. Z. B. kann dies durch die gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Verarbeitung von mehreren Materialien bei der Herstellung der Komponenten in einem Sinterprozess geschehen.
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In 7 ist die Ausgestaltung des Stators 5 mit Magnetspulen 57 dargestellt. 7A zeigt eine Magnetspule 57 mit einem Permanentmagnet 13 und einer um den Kern 59 gewickelten Spule 11. Wie im Querschnitt durch den Generator 3 in 7C gezeigt ist die Magnetspule 57 axial bzw. senkrecht zum Tellerrad 41 bzw. zum Aufnahmeflansch 47 ausgerichtet. Die magnetischen Feldlinien 17 schließen sich über den Rotor 7 (hier: Tellerrad 41) und den Kern 59 der Magnetspule 57.
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Wie in 7B gezeigt können die Magnetspulen 57 in den Lagerflansch 43 integriert werden. Die Magnetspulen 57 können auch in ein zusätzliches Element, wie den Magnetspulenträger 61 integriert werden. Die Spulen 11 bzw. die Magnetspulen 57 können z. B. so in Reihe geschaltet werden, dass die Leistungsausbeute maximiert wird. Die Anzahl und Position der Magnetspulen 57 kann unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise können sie rotationssymmetrisch angeordnet werden.
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In 8 ist schematisch ein Querschnitt durch eine Werkzeugmaschine 1, ausgeführt als Stichsäge, dargestellt. Die Stichsäge 1 weist eine Hubstange 65 auf, die sich linear auf und ab bewegen kann. Der Stator 5 ist um die Hubstange 65 angeordnet. Die Lichtquelle 15 beleuchtet bei Betrieb des Rotors 7 eine Arbeitsfläche 45. Die Hubstange 65 und das daran angeordnete Sägeblatt 67 führen eine (durch einen Pfeil angedeutete) linear oszillierende Bewegung 63 aus.
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In 9 sind Ausführungsformen des Generators 3 mit einem linear oszillierenden Rotor 7 dargestellt. 9A zeigt eine Draufsicht auf den Generator 3. 9B und 9C zeigen den Generator 3 im Querschnitt in unterschiedlichen Postionen des Rotors 7. Der Stator 5 mit der Spule 11 und dem Magneten 13 umgibt die Hubstange 65 ringförmig. Auf dem Stator ist ferner eine Rückschlussscheibe 69 mit einer bevorzugterweise hohen magnetischen Permeabilitätszahl angeordnet Der Rotor 7 besteht aus der Hubstange 65 und einem Rückschlussjoch 71, das als Scheibe ausgestaltet ist und mit der Hubstange 65 mit bewegt wird. Das Rückschlussjoch 71 bleibt im Ausführungsbeispiel von 9 unterhalb des Stators 5.
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In 9B befindet sich der Rotor 7 in einer unteren Position, so dass das Rückschlussjoch 71 des Rotors 7 vom Stator 5 so weit entfernt ist, dass die magnetischen Feldlinien 17 (gestrichelt angedeutet) nicht durch das Joch 71 hindurchgehen und relativ schwach sind. In 9C ist der Rotor 7 in einer oberen Position, so dass die magnetischen Feldlinien 17 über das Rückschlussjoch 71 des Rotors 7 verlaufen und die magnetischen Feldlinien 17 stärker ausgeprägt sind. Dabei kann das Rückschlussjoch 71 als ein erster Bereich 51 des Rotors 7 mit einer hohen Permeabilität betrachtet werden. Die übrigen Bereiche der Hubstange 65 können als zweiter Bereich 53 mit einer niedrigen Permeabilität betrachtet werden.
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In 10 sind alternative Ausführungen des Generators 3 aus 9 dargestellt. In 10A ist eine Draufsicht auf den Generator 3 gezeigt. 10B stellt einen vergrößerten Ausschnitt der 10A dar. In 10C, 10D und 10E sind Querschnitte des Generators in unterschiedlichen Bewegungsphasen des Rotors 7 dargestellt. Der Stator 5 in 10 ist mit jeweils einer Rückschlussscheibe 69 oberhalb und unterhalb des Magneten 13 ausgeführt. Der Rotors 7 mit dem Rückschlussjoch 71 kann sich im Ausführungsbeispiel in 10 komplett durch den Stator 5 bewegen. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 9 kann dies den Vorteil haben, dass eine Bewegung der Hubstange 59 nicht beeinträchtigt wird und dass höhere Spannungen, aufgrund einer höheren möglichen Frequenz der Schwankung der magnetischen Feldlinien 17, in der Spule 11 induziert werden können. Wie in 10 gezeigt kann eine zylindrische Ausgestaltung der Komponenten des Rotors 7 und des Stators 5 vorteilhaft sein.
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Durch das Rückschlussjoch 71 können die Bereiche 51, 53 unterschiedlicher geometrischer Ausgestaltung bzw. unterschiedlicher magnetischer Permeabilität am Rotor 7 realisiert werden. Das Rückschlussjoch 71 kann aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität bestehen. Ferner kann das Rückschlussjoch 71 als Teil der Hubstange 59 realisiert sein. Durch die Bewegung 63 des alternierend verjüngten Rückschlussjochs 71 ändert sich die Reluktanz des magnetischen Kreises. Dadurch variiert der magnetische Fluss und eine Spannung wird in der Spule 11 induziert. Der Rotor 7 kann als ein „magnetisches Ventil” betrachtet werden, das wie ein Riege die Entfaltungswege des magnetischen Flusses blockieren kann.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend” oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006045157 A1 [0002]
