DE69916476T2

DE69916476T2 - Synchronmaschine mit rotierenden bürsten

Info

Publication number: DE69916476T2
Application number: DE69916476T
Authority: DE
Inventors: Dah Yu Cheng
Original assignee: Cheng Dah Yu Los Altos Hills
Current assignee: Cheng Dah Yu Los Altos Hills
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2019-09-23
Also published as: ATE264561T1; CA2345234C; DE69916476D1; US6047104A; WO2000017989A1; CN1173453C; AU760947B2; EP1116320B1; KR20010075297A; EP1116320A1; CN1326605A; KR100752802B1; AU6146899A; EP1116320A4; CA2345234A1; JP2002526020A; JP4469085B2

Description

Das System und das Verfahren, wie sie in dieser Patentbeschreibung beschrieben werden, befinden sich auf dem Gebiet elektrischer Maschinen wie Motoren und Generatoren, und es geht bei ihnen spezieller darum, derartige Maschinen in die Lage zu versetzen, in einem Stationärzustand mit einer wahlweisen Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zwischen der mechanischen Drehung des Rotors (Ankers) und des dabei erzeugten Magnetfelds zu arbeiten. Anders gesagt, wird eine Drehung des Magnetfelds (des Flusses) des Rotors synchronisiert, jedoch ist die mechanische Drehzahl des Rotors selektiv verschieden, um das Erfordernis einer Drehmomentumsetzung zu beseitigen, wenn es erwünscht ist, dass die mechanische Drehzahl des Rotors von der Synchronisierdrehzahl verschieden ist.
Ein Beispiel ist die Fähigkeit, einen elektrischen Generator mit einer Antriebsmaschine wie einer Turbine anzutreiben, die bei Drehzahlen über der typischen Synchronisierdrehzahl eines Spannungsgenerators (z. B. bei einer Drehzahl über 3.000 oder 3.600 U/Min. für eine elektrische Spannung auf 50 bzw. 60 Hz) effektiver arbeitet, ohne dass ein das Drehmoment wandelndes Getriebe zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator verwendet wird.
Elektromotoren und Generatoren werden seit über einem Jahrhundert verwendet, wobei das Prinzip auf Faraday und Fouquet zurückgeht. Dieses Prinzip kann einfach angegeben werden: Ein durch einen Draht in einem Magnetfeld fließender Strom erzeugt eine Kraft, die die Kraft relativ zum Feld verschiebt und so die elektrische Energie in eine mechanische Kraft wandelt, während umgekehrt dann, wenn ein Draht durch eine mechanische Kraft (größer als die elektromagnetische Kraft) in einem Magnetfeld relativ zu diesem bewegt wird, ein Strom im Draht oder eine Spannung an diesem erzeugt wird und so die mechanische Bewegung in elektrische Energie gewandelt wird. Um den verschiedenen Erfordernissen von Energieerzeugungsstandards zu genügen, wurden verschiedene Formen elektrischer Generator/Motor-Systeme entwickelt. Grob eingeteilt, sind als Generatoren oder Motoren dienende Elektromaschinen die Folgenden: (1) Gleichstrom(oder DC)-Typ, (2) Wechselstrom(oder AC)-Typ und (3) Induktionstyp. Es kann gesagt werden, dass diese alle dem elektromotorischen Prinzip gemäß Faraday, wie es später von Lenz genauer be schrieben wurde, dahingehend genügen, dass ein einen elektrischen Strom führender Draht, der einem Magnetfeld unterliegt, eine sich resultierende Kraft rechtwinklig sowohl zum Strom als auch zum Magnetfluss erzeugen sollte.
Eine typische Dc-Maschine verfügt über einen Stator, der ein Stator-Magnetfeld (Fluss) erzeugt, das im Raum im Wesentlichen stationär ist (oder zumindest relativ zur Rotationsachse eines Rotors), und einen Rotor, der Ankerwicklungen trägt, die in Kommutatorsegmenten enden. Bürsten stehen mit den Kommutatorsegmenten in elektrischem Kontakt, um den Rotor-Ankerwicklungen elektrische Energie zuzuführen und im Anker ein Rotor-Magnetfeld zu erzeugen, dessen Achsenwinkel zu demjenigen Teil des Statorfelds einen Winkel bildet, das eine elektromotorische Kraft erzeugt. Nachdem sich der Anker über einen bestimmten Winkel gedreht hat, gelangt ein neuer Satz von Kommutatorsegmenten mit den Bürsten in elektrischen Kontakt, um dadurch die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft fortzusetzen. Wenn der Stationärzustand vorliegt, dreht sich der Anker in einem festen Stator-Magnetfeld und das vom Anker erzeugte Magnetfeld ist im Raum ungefähr fixiert (wobei es sich nur über einen Winkel in Zusammenhang mit dem der Kommutatorsegmente bewegt), jedoch dreht sich das durch den Anker erzeugte Magnetfeld relativ zu den Ankerwicklungen mit ungefähr derselben Winkelgeschwindigkeit wie der mechanischen Drehzahl des Rotors in der umgekehrten Richtung. Wenn die Maschine als Elektromotor arbeitet, wird umso mehr Drehmoment erzeugt, je höher der Strom durch die Ankerwicklungen ist. Andererseits sollte die Ankerwicklung auch elektrische Energie erzeugen, da sich die Wicklungen im festen Statorfeld drehen. Je schneller die Drehung ist, desto höher ist die auf diese Weise in den Ankerwicklungen erzeugte Energie. Diese Energie (-"Rückwärts-EMK") wirkt der über die Kommutatoren angelegten elektrischen Spannung entgegen, wodurch der im Anker fließende Strom abnimmt. Dies verhindert tatsächlich, dass ein typischer DC-Motor eine Weglauf-Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) erreicht. Die Kombination aus dem Stator-Magnetfeld und dem Ankerfeld verstellt die Achse des Magnetflusses. Einige DC-Motoren höherer Qualität können die Bürstenposition abhängig von der Drehzahl verstellen, um die Effizienz und so die Ausgangsleistung des Motors zu verbessern. Dies bedeutet, dass die Bürstenposition die axiale Richtung des Ankerfelds steuert. In ähnlicher Weise wird die Bürste im Generatormodus manchmal abhängig von der Generatordrehzahl verdreht, um die elektrische Ausgangsleistung zu verbessern.
Ein typischer AC-Generator/Motor arbeitet mit einem zeitlich variablen Feld, da sich die räumliche Richtung des Felds zeitabhängig ändert. Wenn der Kommutator eines DC-Generators gegen ein Paar elektrisch leitender Ringe mit einem Paar von mit ihnen in Kontakt stehenden Bürsten ausgetauscht wird (um Spannung vom rotierenden Anker abzugreifen), wird er zu einem typischen AC-Generator.
Wenn die Positionen des Ankers und des felderzeugenden Magnetfelds vertauscht werden, können die elektrischen Bürsten weggelassen werden. Die Ausgangsspannung ist proportional zur Stärke des Magnetfelds, und die Frequenz ist eine direkte Funktion der Drehzahl. Diese Umkehrung ist die Grundlage für das Design moderner synchronisierter Elektrogeneratoren. Dem drehenden Magnetfeld wird von einem Paar von Schleifringen und Bürsten ein Gleichstrom zugeführt. Die Einstellung dieses Stroms steuert die elektrische Ausgangsleistung. Der Vorteil des synchronisierten Generators besteht darin, dass das rotierende Feld nicht einen gemäß dem Design festgelegten Magnetfluss schneidet und daher keine oder nur eine geringe EMK erzeugt wird. Das System ist ferner so verfeinert, dass der Strom durch einen kleinen AC-Generator, mit Gleichrichtung in einen Gleichstrom zugeführt werden kann. Die Stärke des kleinen AC-Generators regelt die Gleichfeldstärke. Der kleine AC-DC-Generator kann auf derselben Achse wie der Anker montiert sein, und sein Ausgang ist dauerhaft mit den Ankerspeisepunkten verbunden, wodurch der Schleifring und die Bürsten beseitigt sind. Im Motorbetriebsmodus muss ein rotierendes Feld bereitgestellt werden – eine zweckdienliche Weise dazu besteht im Verwenden einer dreiphasigen Wechselspannung mit Delta- oder Y-Wicklungen. Diese AC-Maschine dreht das Magnetfeld, während sich der Anker im DC-Modus befindet; dies im Gegensatz zu einer DC-Maschine, bei der sich das Magnetfeld im DC-(oder fixierten)Modus befindet und sich das Feld im Anker rückwärts dreht.
Ein Induktions-Motor/Generator verfügt über ein rotierendes elektrisches Feld, das entweder durch eine dreiphasige Wechselspannungsquelle oder einen einphasigen Wechselstrom erzeugt werden kann, wobei jedoch eine Ecke des Felds durch eine sich selbst kurzschließende induktive Wicklung verzögert wird. Eine wünschenswerte Einfachheit des Motors beruht auf der Tatsache, dass die Ankerwicklung in Form eines Käfigankers vorliegen kann. Der Strom im Anker wird durch den Drehzahlunterschied zwischen dem Feld und dem Anker induziert oder erzeugt. Diese Differenz wird als Schlupfdrehzahl bezeichnet. Wenn der Induktionsmotor bei synchronisierter Drehzahl arbeitet, haben die Leiter in der Wicklung praktisch keine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld, und so erzeugt kein induzierter Strom eine Betriebskraft. Demgemäß muss der Induktionsmotor relativ zur Felddrehzahl verzögert oder über sie hinaus beschleunigt werden. Daher ist eine Induktionsmaschine eine in einem gemischten Modus arbeitende Maschine. Sie hat den Vorteil der Einfachheit, kann jedoch nicht zweckdienlicherweise bei konstanter Drehzahl oder als Maschine fester Frequenz verwendet werden.
Eine synchronisierte AC-Maschine verknüpft die Drehzahl mit der Netzfrequenz, so dass das höchste, mit dem sich eine 60-Hz-Maschine drehen kann, 3.600 U/Min. ist, während für eine 50-Hz-Maschine 3.000 U/Min. gelten, oder es gilt ein ganzzahliger Bruchteil dieser Drehzahl. Dadurch können in der Spannungserzeugungsindustrie und beim Maschinenkonstrukteur Schwierigkeiten dahingehend entstehen, dass die einen Generator antreibende Antriebsmaschine ebenfalls mit der Synchronisierdrehzahl betrieben werden muss (mit Ausnahme eines Induktionsgenerators, dem eine Bezugsfrequenz zugeführt werden muss). Einhergehend mit dem Auftreten von Verbesserungen an Antriebsmaschinen können einige Antriebsmaschinen sehr hohe Leistungen erzeugen, wenn sie mit sehr hohen U/Min.-Werten betrieben. Dies bedeutet, dass das Maschinengewicht verringert werden kann, dass jedoch ein schwerer Drehmomentgetriebekasten hinzugefügt werden muss, was die Wartung und die Kosten erhöht.
EP-A-0 462 340 beschreibt eine Gleichstrommaschinenkonstruktion, bei der der Rotor über einen Permanentmagnet verfügt und der Stator (500) über Feld(520)wicklungen verfügt, die durch eine Gleichstromquelle speisbar sind. Erste und zweite stationäre Schleifringe sind mit einer externen Gleichspannungsquelle verbunden, und es sind eine erste und eine zweite Bürstenanordnung für Drehung mit der Achse gekoppelt. Der Kommutator für die Feld(520)wicklungen ist stationär zum Gehäuse, und er verfügt über mehrere Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530), die zwischen den Schleifringen für Kontakt mit den Kommutatorbürsten (40, 43) positioniert sind. Die Feld(520)wicklungen befinden sich auf dem Stator (500), wobei sie von außerhalb des Stators (500) zugänglich sind, damit Schaltbauteile dazu verwendet werden können, die Anzahl der Windungen der Stator(500)wicklungen zu ändern, um dadurch die Motoreigenschaften nach Bedarf zu variieren. Die Schaltbauteile können mechanische Schaltbauteil oder statische Halbleiter-Schaltbauteile sein. Alternativ kann eine Kommutation durch kontaktfreie Positionserfassungsvorrichtungen, wie Codierräder, optische Bauteile und dergleichen, erzielt werden. Mit von außen zugänglichen Leitungen kann die Maschine alternativ sowohl als Antriebsmotor als auch Generator in derselben Vorrichtung zum Zurückführen von Energie zur Gleichspannungsquelle verwendet werden.
US-A-2 137 738 beschreibt einen Elektrogenerator, der so ausgebildet ist, dass er seine Nennausgangsleistung liefert, während er mit ungefähr der Hälfte der Drehzahl läuft, die normalerweise erforderlich ist. Dies erfolgt durch Koppeln der Feld(520)spule und des Ankers (16, 32, 34, 36) in solcher Weise, dass sie sich entgegengesetzt zueinander drehen.
Diese Beschreibung beschreibt einen Synchrongenerator oder -motor mit rotierendem Feld (520) unter Verwendung einer elektrischen oder elektronischen Steuerung zum Ersetzen der Funktion eines schweren mechanischen Getriebes, mit dem die Antriebsmaschine den Rotor antreibt, so dass sich die Antriebsmaschine (entweder antreibend oder angetrieben) nicht mit einer Drehzahl drehen muss, die direkt mit der elektrischen Netzfrequenz gekoppelt ist. Änderungen zwischen den Systemen auf 60 Hz und 50 Hz sind relativ vereinfacht. Durch computergesteuerte Systeme kann das Umschalten relativ einfach durch Softwareprogrammierung erfolgen.
Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform wird die elektrische Energie den Ankerwicklungen so zugeführt, dass sich das elektromotorische Feld mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die selektiv verschieden von der des Rotors ist. So kann die Winkelgeschwindigkeit des Rotors von den Winkelgeschwindigkeitseinschränkungen des durch ihn erzeugten Felds entkoppelt werden. Im Ergebnis besteht ein Beispiel dahingehend, dass eine Turbine hoher Drehzahl den Rotor eines Generators mit einer Winkelgeschwindigkeit antreiben kann, bei der die Turbine besonders effizient arbeitet, ohne dass irgendein mechanisches Getriebe erforderlich wäre, während sich die in den Statorwicklungen induzierte, ergebende Spannung auf der erforderlichen Netzfrequenz, z. B. 50 Hz oder 60 Hz, liegt. Ein anderes Beispiel besteht darin, dass ein Motor auf einfache und effiziente Weise mit variablen Rotordrehzahlen betrieben werden kann.
Demgemäß ist gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Gleichstrom geschaffen, wie es im Anspruch 1 dargelegt ist.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gleichstrom geschaffen, wie sie im Anspruch 5 dargelegt ist.
Ein Vorteil des offenbarten Systems besteht darin, dass es die Maschinenanlage vereinfacht, wenn eine Antriebsmaschine und Elektromaschine verschie dene Betriebsdrehzahlen aufweisen, so dass das Getriebe entweder weggelassen wird oder es nicht das Drehmoment der Ausgangskraft überträgt. Die Größe, das Gewicht und die Kosten der sich ergebenden Baugruppe können gesenkt werden.
Ein anderer Vorteil ist das Ersetzen des mechanischen Getriebes durch eine elektrische oder elektronische Anordnung, so dass das Schalten der Übersetzung oder automatische Übertragung zu einem kontinuierlichen Prozess werden kann. Dadurch können elektrische Antriebskonzepte für Fahrzeuge, Schiffe und turbinenbetriebene Luftfahrzeuge, Raumfahrzeuge und andere Anwendungszwecke geändert werden.
Ein anderer Vorteil besteht in der Wandlung von Motoren mit hohem Gleichstrom in Maschinen mit hoher Wechselspannung mit relativ kleinen elektrischen Leitern, wodurch Gewicht eingespart wird. Eine Wechselspannung kann einfacher als eine Gleichspannung gewandelt werden, jedoch ist die Wandlung von Gleich- in Wechselspannung durch die heutige Elektroniktechnologie relativ zweckdienlich.
Noch ein anderer Vorteil ist die Fähigkeit, elektrische Systeme mit einer Frequenz unabhängig von der Achsendrehzahl zu betreiben.
Ein Vorteil einer in dieser Patentbeschreibung beschriebenen Elektromaschinen mit rotierendem Feld besteht darin, dass sie im Wesentlichen eine Synchronmaschine ist, ohne dass sich die Achse notwendigerweise mit einer Synchronisierdrehzahl dreht.
Ein anderer Vorteil der Maschine besteht darin, dass sie synchronisiert ist, aber dennoch eine Rückwärts-EMK erzeugt, die als Maßnahme zum Regulieren des Speisestroms verwendet werden kann, um die Drehzahl bei niedrigem Ankerstrom oder niedrigem Drehmoment niedriger zu halten. Eine derartige Drehzahlregulierung kann ein schwieriges Problem darstellen, wenn es erforderlich ist, einen großen Elektromotor von bekanntem Typ zu starten. Die Startschaltung kann sehr kompliziert sein und manchmal sehr schwierig zu betreiben sein.
Ein anderer Vorteil ist die Verwendung einer kontaktfreien Kopplung wie einer optischen Kopplung, um Bürsten und Kommutatoren zu ersetzen, so dass auf zweckdienliche Weise sogenannter bürstenfreier Betrieb erzielt werden kann.
Eine Festkörperschaltung kann für eine Impuls- oder Signalverlaufsformung sorgen, um das Problem einer plötzlichen Entladung zu lindern, zu deren Auftreten die Tendenz besteht, wenn zwei Kommutatoren gleichzeitig mit der Bürste in Kontakt stehen.
Noch ein anderer Vorteil des in dieser Patentbeschreibung betriebenen Systems besteht darin, dass es in zweckdienlicher Weise vergrößert oder verkleinert werden kann, da eine höhere Drehzahl mit niedrigerem Drehmoment, und umgekehrt, dieselbe Leistung erzeugt, wodurch der Elektromotor/-generator noch leichter gebaut werden kann.
1 veranschaulicht Grundprinzipien elektromotorischer Maschinen.
2 veranschaulicht das Prinzip der Konfiguration eines typischen Gleichstrommotors oder -generators.
3 veranschaulicht im Prinzip einen typischen Wechselstromgenerator.
4a veranschaulicht im Prinzip eine Schnittansicht eines typischen Induktionsmotors/-generators; und die 4b ist eine dreidimensionale Ansicht zum Veranschaulichen eines Käfigrotors/-ankers eines Induktionsmotors/-generators.
5a veranschaulicht im Prinzip eine Schnittansicht eines zweipoligen, synchronisierten, dreiphasigen elektrischen Generators/Motors; 5b veranschaulicht im Prinzip eine Schnittansicht eines vierpoligen elektrischen Generators/Motors; und die 5c veranschaulicht das Feldkonfigurationssymbol einer dreiphasigen elektrischen Feldwicklung.
6 veranschaulicht eine Schnittansicht eines DC-Motors/Generators sowie eine typische Wicklungs- und Kommutatorstruktur.
7a veranschaulicht einen dreiphasigen Generator/Motor mit rotierendem Feld; und die 7b veranschaulicht eine Schaltung zum Zuführen von Strom zum rotierenden Feldanker, die mit einer Schaltung übereinstimmt oder dieser ähnlich ist, die für einen synchronisierten Generator/Motor bei bürstenlosem Betrieb verwendet wird.
8a und 8b veranschaulichen das Ankerfeld (durch die Bürsten- und Kom mutatorposition gesteuert), das sich mit einer Drehzahl dreht, die mit den Drehzahlen des dreiphasigen rotierenden Felds synchronisiert ist, wobei sie von der Rotordrehzahl verschieden sein kann.
9a veranschaulicht eine mechanische, rotierende Bürstenanordnung; 9b veranschaulicht eine typische Getriebeanordnung zum Antreiben der Bürste mit der rotierenden Achse; 9c ist eine Stirnansicht einer typischen Getriebeanordnung; und die 9d ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer Einzelheit der 9b.
10 veranschaulicht ein Beispiel einer Festkörper-Kommutieranordnung eines Einzelsegments.
11a–11d veranschaulichen die Kommutierwirkung und den Grund für einen elektrischen Funken vom Bürstenelement.
12a veranschaulicht einen durch ein mechanisches Kommutiersystem erzeugten Signalverlauf; und die 12b veranschaulicht einen angepassten Signalverlauf, wie er durch Formung einer elektrischen Welle erzeugt wird.
13 veranschaulicht ein optisches Kopplungsrad für den Stator und den Rotor.
14 veranschaulicht ein Beispiel zur Verwendung zweier verschieden gefärbter Lichtemissionsdioden (LEDs), die über Farbfilter gekoppelt sind, um ein Signal an Fotodioden zu senden.
15a und 15b veranschaulichen einen Festkörper-Impulsgenerator mit gesteuerter Verzögerung zum sequenziellen Triggern der LEDs.
16a veranschaulicht eine Schaltung mit integriertem Chip zum Erzeugen von Rechteckimpulsen; 16b veranschaulicht eine Schaltung zum Wandeln von Triggerimpulsen in Wegsignale; und die 16c veranschaulicht eine Schaltung für hohe Spannung und hohen Strom mit Fotodioden als Triggereingängen sowie die Anordnung eines einzelnen Kommutiersegments.
17 veranschaulicht eine Schnittansicht durch eine Elektromaschine.
Die 1 veranschaulicht im Prinzip eine typische Maschine mit elektromotorischer Wechselwirkung. Ein Statormagnetfeld 20 ist der Fluss, wie er durch eine durch eine DC-Quelle 1 betriebene Spule 10 erzeugt wird. Der Rotor oder Anker 30 erzeugt aus mit einer Quelle (oder Last) 2 verbundenen Spule 15 einen Rotorfluss. Die Kraft der elektrischen Anziehung dreht den Anker 30. Wenn das Element 2 eine Last ist und ein Motor (nicht dargestellt) den Anker 30 antreibt, um ihn mit geeigneter Winkelgeschwindigkeit in Bezug auf die Statorspule 10 zu drehen, wird in den Spulen 15 elektrische Energie erzeugt und an die Last 2 geliefert. Wenn das Element 2 statt dessen eine Quelle eines sich geeignet ändernden Stroms ist, der an die Spulen 15 geliefert wird, dreht sich der Rotor relativ zur Statorspule 10.
Die 2 veranschaulicht im Prinzip einen DC-Motor/Generator unter Verwendung eines Gleichmagnetfelds 21, das durch einen Permanentmagnet erzeugt werden kann. Ein Rotor 31 ist mit Ankerwicklungen 16 versehen, wobei ein Symbol x den Strom kennzeichnet, der in den Draht fließt, und ein Punktsymbol den aus dem Draht austretenden Strom kennzeichnet. Bürsten 40 liefern Strom an die Ankerwicklungen 16, während sich der Rotor 31 dreht. Im Betrieb im Stationärzustand als Motor wird durch Zuführen von Spannung geeigneter Polarität zu den Wicklungen 16 durch die Bürsten 40 ein Rotor-Magnetfeld erzeugt, das den Rotor 31 relativ zum Statorfeld 21 verdreht. Im Stationärbetrieb als Generator induziert der sich relativ zum Statorfeld 21 drehende Rotor 31 in den Wicklungen 16 einen Strom, der über die Bürsten 40 an eine Last (nicht dargestellt) entnommen wird.
Die 3 veranschaulicht im Prinzip einen AC-Generator. Das Statorfeld 21 ist ein Gleich- oder Permanentmagnetfeld. Die Ankerspule 18 ist mit Schleifringen 50 und 51 verbunden, um den Strom und die Spannung abzugreifen, wenn sich die Ankerspule 18 im Stator-Magnetfeld 21 dreht. Durch Drehung der Ankerspule 18 wird ein sinusförmiger Signalverlauf erzeugt, der zu einem Standard-AC-Signalverlauf passt.
Die 4a veranschaulicht im Prinzip einen Induktionsmotor/-generator. Durch eine einphasige AC-Spannungsquelle wird mittels einer Statorfeldwicklung 23 um Pole 22 ein rotierendes Feld erzeugt. Eine Zeitverzögerungs-Kurzschlussspule 24 liegt in einer Ecke der Pole 22 zum Erzeugen der rotierenden Statorfeldbewegung. Der Rotor ist ein Anker in Form eines Käfigankers 32, der sich mit einer von der an die Feldwicklungen 23 gelegten AC-Frequenz verschiedenen Frequenz dreht, um einen induktiven Strom zu erzeugen; die sich ergebenden Wechselwirkungskräfte drücken oder ziehen den Rotor 32 weg. Wenn sich der Rotor 32 mit einer Drehzahl unter der des rotierenden Statorfelds dreht, erzeugt die Differenzdrehzahl einen Strom im Kä figanker. Dies ist das Funktionsprinzip eines Induktionsmotors. Andererseits wird das System zu einem Generator, wenn der Rotor mit höherer Drehzahl als der des rotierenden Felds angetrieben wird.
Die 4b ist eine dreidimensionale Ansicht des Ankers 32 mit geraden Leitern 19 statt einer Wicklung, die an ihren Enden 17 abschließen, und mit einer Achse 60 zum Halten der Rotorstruktur für drehende Bewegung.
Die 5a ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen eines Synchrongenerators/-motors mit zwei Polen und einer dreiphasigen Statorfeldwicklung 24 und einem Rotor 34 zum Erzeugen eines rotierenden Gleich-Magnetfelds mittels Spulen um den Rotor herum. Diese Rotorspulen dienen auch als Maßnahmen zum Steuern des Betriebs. Da der Rotor mit dem Statorfeld synchronisiert wird, existiert im Wesentlichen kein induzierter Strom oder eine Rückwärts-EMK. Die 5b ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen eines vierpoligen Synchrongenerators mit einem rotierenden Feld 26 an der Außenseite sowie einem Rotor 36 mit vier Polen. Dieser hat dieselbe elektrische Frequenz wie die zweipolige Maschine, jedoch dreht sich der Rotor körperlich mit der halben Drehzahl der zweipoligen Maschine der 5a. Die 5c ist das Symbol einer dreiphasigen Feldwicklung; die Winkel zwischen den Drähten im Symbol repräsentieren den Winkel zwischen den Phasen.
Die 6 veranschaulicht einen Querschnitt eines kommutierenden DC-Motors, bei dem ein Stator ein Gleichfeld 21 erzeugt und ein Rotor 16 über eine typische Wicklungsgeometrie mit Kommutatorsegmenten 80 und Kontaktbürsten 40 verfügt. Jedes Kommutierungssegment verbindet im Allgemeinen zwei Sätze von Ankerspulen.
Die 7a veranschaulicht Prinzipien des Generators mit rotierendem Feld im Schnitt. Die Anordnung des äußeren rotierenden Felds an den Statorspulen 22 ist dasselbe wie bei einem dreiphasigen AC-Generator/Motor. Das rotierende Feld kann ein Einzelphasensystem wie für eine Elektromaschine vom Induktionstyp oder irgendeinem anderen Typ sein. Der Rotor im Inneren ist ein typisches Rotorsystem vom Kommutationstyp mit Kommutatorsegmenten 80 und Bürsten 40 in Kontakt mit diesen, mit der Ausnahme, dass die Bürsten 40 auf einer Achse 61 konzentrisch zum Rotor montiert sind und sie sich mit einer Drehzahl drehen, die mit der des äußeren Felds synchronisiert ist. Die Bürsten 40 sind ferner mit einem Paar von Schleifringen 50 und 51 verbunden. Der Strom wird über Bürsten 42 und 43 an die Schleifringe geleitet. Die Spannungsversorgung von einer DC-Quelle (nicht dargestellt) liefert den erforderlichen Strom. Der Unterschied zum in der 5a dargestellten bekannten Synchrongenerator besteht darin, dass sich der Rotor mit einer anderen Drehzahl drehen kann, als sie der Wechselspannung entspricht, so dass er eine Spannung betreffend eine Rückwärts-EMK erzeugt. Daher ist die Feldsteuerung eine Stromrückführschaltung, wohingegen das bekannte System ohne Rückführung spannungsgesteuert werden kann. Die Spannung der Rückwärts-EMK bei diesem Design begrenzt den Stromstoß, wie er beim Erststart eines Induktionsmotors auftritt. Wenn sich der Rotor mit derselben synchronisierten Drehzahl dreht, existiert im Wesentlichen keine Rückwärts-EMK-Spannung mehr, und dann arbeitet der Generator auf dieselbe Weise wie eine synchronisierte Maschine. Wenn sich der Rotor mit einer höheren Drehzahl als der Synchronisierdrehzahl dreht (ein Zustand, wie er für kleine Gasturbinen und Benzinmotoren hoher Drehzahl anzunehmen ist), wäre die Rückwärts-EMK-Spannung umso höher, je höher die Rotordrehzahl wäre (oder der Strom wäre bei konstanter Versorgungsspannung niedriger), wodurch sich die elektromotorischen Kräfte verringern oder der Rotor als Motor verzögert wird. Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Rotors selbstbegrenzt sein kann. Als Generator tritt der entgegengesetzte Effekt auf, was eine Rückkopplungsschaltung erfordert, um die angelegte Spannung mit höherer Rate als der der Rotorbeschleunigung zu erhöhen, um für den Selbsteinstelleffekt zu sorgen. Andererseits besteht kein Problem, da bei einem Generator die Drehzahlregelung im Allgemeinen durch die Maschinen selbst erfolgt. Es wird davon ausgegangen, dass dieselbe bürstenlose Schaltung mit oder ohne Modifizierung angewandt werden kann, um die Schleifringe 50 und 51 sowie die Bürsten 42 und 43 zu ersetzen.
Die 7b veranschaulicht einen kleinen Ac-Generator, der auf derselben Achse 61 wie der Rotor montiert werden kann, um die Wechsel- in eine Gleichspannung gleichzurichten und Strom ohne Schleifring an die rotierende Magnetspule in der 7a zu liefern. Dies ist als bürstenloser Generator bekannt.
Die 8a und 8b veranschaulichen ein Beispiel, bei dem sich die Bürsten in derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit wie das Feld (d. h. synchronisiert) drehen, wobei der Rotor jedoch in der entgegengesetzten Richtung angetrieben werden kann. Wenn diese Anordnung als Generator arbeitet, liegt die Rückwärts-EMK-Spannung in Reihe (additiv) zur angelegten Spannung, um so dasselbe begrenzende Drehmoment zu erzeugen. In allen Fällen bestimmt die Bürstenposition die Achsenrichtung des Rotor-Magnetfelds. Die Bürstendrehzahl ist als ω_B gekennzeichnet, die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds als ω_f und die Drehzahl der Achse als ω_s. ω_s kann von ω_f verschieden sein, jedoch hat ω_B denselben Wert wie ω_f.
Die 9a veranschaulicht eine typische mechanische Anordnung, bei der eine selektive Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zwischen der mechanischen Drehung des Rotors und der Drehung des von ihm erzeugten elektromagnetischen Felds vorliegen kann. Die Ankerachse 60 wird durch Lager 72 gelagert, jedoch sind Bürsten 40 an einer anderen Struktur 63 mit einer Achse 62 vorhanden, die durch ein gesondertes Lager 70 gelagert wird und koaxial zur Ankerachse 60 verläuft. Die 9b veranschaulicht die Verwendung eines Getriebesystems mit Zahnrädern 74 und 73 zum Verbinden rotierender, durch ein Lager 75 gelagerter Bürsten 40 mit der Ankerachse 60, wodurch die Konstruktion zu einem elektrisch gekoppelten Synchrongenerator wird. Dies ist ferner durch die 9c veranschaulicht, aus der es erkennbar ist, dass das Getriebesystem nicht die Drehmomentbelastung der Maschine überträgt. Die 9d veranschaulicht die Position eines Verbindungsstabs 76 im Schnitt, der die rotierenden Bürsten 70 und das äußere Zahnrad 74 verbindet, das mit elektrischen Anschlüssen X und Y verbunden ist. Da der Verbindungsstab 76 nicht konzentrisch um die Achse 61 herum angeordnet ist, ist ein Abstandshalter 77 erforderlich, um den Zwischenraum zwischen beiden auszufüllen. Es können andere Getriebebeispiele, wie Planetengetriebe, verwendet werden.
Die 10 veranschaulicht ein Design unter Verwendung eines optisch getriggerten Fotosensors zum Steuern des Leitungszustands eines Festkörperbauteils, um die Winkelgeschwindigkeit des Rotors selektiv von der des rotierenden elektromagnetischen Felds zu machen. Ein moderner Festkörpertransistor wie der CM 300 HA-IZE kann 500 Ampere Strom bei 500 Volt schalten. Dies ist mehr als ausreichend für diese Aufgabe. Kommutatorelemente 81 sind mit einem Paar optisch gekoppelter Festkörperbauteile 102 und 201 verbunden, das eine in positiver Richtung und das andere in der negativen. Diese Festkörperbauteile sind mit ihren jeweiligen Strombusschienen 90 und 91 verbunden, die den Rotorwicklungen Strom zuführen. Es bildet auch einen Gesichtspunkt des offenbarten Systems, dass die positive und die negative Busschiene 90 und 91 in Form eines Rings vorliegen können. Das positive Bauteil 102 verfügt über einen optischen Sensor 104, und das negative Bauteil 201 verfügt über einen optischen Sensor 204. Das Bauteil wird durch eine Lichtemissionsdiode oder ein gut definiertes optisches Schaltsystem getriggert, um die mechanischen, rotierenden Bürsten zu ersetzen. Die Busschiene kann auf dieselbe Weise wie bei einem normalen Synchrongenerator/- motor angeschlossen sein, wodurch eine bürstenlose Maschine gebildet ist.
Die 11a–11d veranschaulichen einige der Eigenschaften eines Systems mit mechanischen Bürsten. Wenn die Bürste mit zwei Kommutatorelementen in Kontakt steht, schließt sie ein Segment der Spule kurz, und die eingeschlossene Magnetfeldenergie muss freigesetzt werden, bevor der Strom umgekehrt werden kann. Dadurch besteht die Tendenz, dass ein Stromstoß und ein sichtbarer Funke hervorgerufen wird. Die 11d veranschaulicht die Tatsache, dass die Bürstenkommutation eine Schrittfunktion ist, die plötzlich geschieht. Wegen der Induktivität der Spule ist daher die tatsächliche Kommutation nicht so ideal wie ein lineares Umschalten.
Die 12a veranschaulicht einen elektrischen Rechteckimpuls, wie er sich aus der nichtlinearen Bürstenkommutation ergibt. Dies kann auch bei optischer Kopplung geschehen, jedoch mit einer Puffer(Glättungs)schaltung, die den Impuls zu einer Glockenform (12b) formen kann, wodurch der Strom im Wesentlichen linear ausgegeben werden kann. Die 12b veranschaulicht die Einhüllende einzelner Impulse -wenn z. B. drei Impulse verwendet werden, wäre der mittlere höher als die zwei flankierenden Impulse.
Die 13 veranschaulicht ein Beispiel einer Anordnung mit optischem Ring, wie zur Erzeugung eines rotierenden elektromagnetischen Felds verwendet, dessen Winkelgeschwindigkeit selektiv gegenüber derjenigen des Rotors einer Elektromaschine differieren kann. Ein stationärer Ring 300 besteht aus einem undurchsichtigen und isolierenden Material mit einzelnen Fotoemissions-Bauteilen 310 und 320 zum Triggern der positiven und der negativen Stromsteuerschaltung. Die Emitter 310 und 320 leuchten mit zeitlicher Abfolge auf, um die Drehung im stationären Ring 300 zu simulieren. Das Bauteil 310 triggert das positive Element (wie 102 in der 10), und das Bauteil 320 triggert das negative Element (wie 201 in der 10). Der Ring kann als Zylinder oder mit anderer Form gestaltet sein, ohne dass sich seine Funktion oder Effektivität wesentlich ändern würde.
Die 14 ist ein anderes Beispiel einer optischen Kopplung, die zum Erzeugen eines rotierenden elektromagnetischen Felds verwendet werden kann, dessen Winkelgeschwindigkeit selektiv von der des Rotors in einer Elektromaschine differieren kann. Ein Lichtemitter 120 wird durch eine Quelle 140 getriggert. Licht durchläuft einen optischen (z. B. roten) Filter 121. Ein rotierender Sensor 122, vor dem ein roter Filter platziert ist, nimmt das Lichtsignal vom Emitter 120 ohne übermäßige Interferenz auf. Ein grünes Element 130 an einer um 180° verschiedenen Position wird gleichzeitig getriggert, und Licht von ihm durchläuft einen grünen Filter 131 und wird durch einen rotierenden Sensor 132 erfasst, der, wenn er durch Licht vom Emitter 130 getriggert wird, einen negativen Strom führt. Daher wirken das rote und das grüne Element als Bürsten und Kommutatoren, jedoch mit verbesserter elektronischer Steuerung und verbessertem Funktionsvermögen. Die Emitter können mit einer Abfolge getriggert werden, die so gesteuert wird, wie es unten in Zusammenhang mit den 15a und 15b erörtert wird.
Die 15a veranschaulicht ein Festkörperbauteil mit einem Signal, das eine digitale Verzögerungsschaltung 140 durchläuft, um ein genau verzögertes Rechtecksignal, 141, 142, ..., 150 und zurück, so geformt, wie es in der 15b dargestellt ist, zu erzeugen, um das kommutierende Lichtsignal zu simulieren.
Die 16a–16c veranschaulichen Festkörperschaltungen, die die in Zusammenhang mit den 13–15b erörterten gewünschten Funktionen ausführen können. Die 16a veranschaulicht eine Schaltung zum Erzeugen von Rechteckimpulsen mit variabler Breite (wie aus der 15b erkennbar), die die bereits beschriebenen Lichtemissionsschaltungen triggern. Die 16b veranschaulicht die Konfiguration einer Steuerschaltung 405, die Triggerimpulse 400 empfängt und Lichtemissionspaare 410 mit ausgewählter Abfolge aktiviert. Die 16c veranschaulicht eine andere Konfiguration der in der 10 beschriebenen bürstenlosen optischen Schaltstufe unter Hinzufügung von Ankerwicklungen 450, die Kommutatorelemente 440 verbinden. In der Zukunft können neuere Bauteile verfügbar sein, jedoch ändert dies nichts an der vorgesehenen Funktion des Systems und dem hier offenbarten Verfahren.
Die 17 veranschaulicht im Schnitt Hauptkomponenten einer Elektromaschine mit rotierendem Feld. Ein Stator 500 verfügt über Statorspulen 510, und Kommutatorsegmente 530 sind elektrisch mit Ankerwicklungen verbunden, die von einem Rotor (nicht dargestellt) getragen werden, der sich im Stationärzustand innerhalb eines Stators 500 dreht. Wenn angenommen wird, dass die Maschine stationär als Generator betrieben wird, erzeugen die Ankerwicklungen ein rotierendes elektromagnetisches Feld 520, das in den Statorwicklungen 510 einen Strom erzeugt, der an eine Last geliefert wird. Die Emitter 560 werden durch eine optische Schaltanordnung, wie oben erörtert, gesteuert, um Fotodioden 562 zum Steuern der Zufuhr elektrischen Stroms zu Kommutatorsegmenten 530 mit einer Abfolge zu aktivieren, wie sie durch Pfeile 550 dargestellt ist, mit solcher Konzeption, dass sich das Feld 520 mit der gewünschten Winkelgeschwindigkeit dreht, wobei die mechanische Drehzahl des Rotors berücksichtigt wird, der die Kommutatorsegmente 530 trägt. Die zwei Winkelgeschwindigkeiten (des Rotors und des Felds 520) können um einen durch die Abfolge beim Aktivieren der Emitter 560 bestimmten ausgewählten Wert differieren, was durch elektronische oder sogar Softwaresteuerung erfolgen kann, was Freiheit beim Auswählen und/oder Ändern dieser Drehzahldifferenz ermöglicht. Wenn angenommen wird, dass die Maschine als Motor betrieben wird, gelten ähnliche Überlegungen dahingehend, dass die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Felds selektiv von der des Rotors verschieden sein kann, der Kommutatorsegmente 530 trägt.
Bei einem herkömmlichen Generator/Motor drehen sich der Anker und das von ihm erzeugte Magnetfeld typischerweise im Wesentlichen mit der Synchronisierdrehzahl der Feldwicklung. Dies zwingt den Anker dazu, sich nur mit der Synchronisierdrehzahl zu drehen. Demgegenüber verwenden das offenbarte System und das Verfahren eine synchronisierte Magnetfeld-Drehzahl auf Ankerniveau, um es dennoch zu ermöglichen, dass die körperliche Drehzahl des Ankers einen etwas anderen Wert einnimmt. Dies wird durch ein rotierendes Kommutierungssystem bewerkstelligt, das mechanisch oder elektronisch (z. B. durch einen Computer) gesteuert so betrieben wird, dass die Bürstendrehzahl ω_B unabhängig von der Ankerdrehzahl ω_A mit der Feldrotier-Drehzahl ω_F übereinstimmt (d. h. ω_B = ω_F) übereinstimmt, wobei Annäherungen aufgrund einer einzigartigen Geometrie berücksichtigt sind. Die Differenz zwischen der Ankerdrehzahl und der Bürstendrehzahl kann aufrecht erhalten werden, und sie ist als Differenzdrehzahl (Differenzdrehzahl = ω_A – ω_B) bekannt. Dies ermöglicht eine Rückwärts-EMK zur Selbstbegrenzung der Weglaufgeschwindigkeit sowie Computerrückkopplung durch Erfassen der Drehzahl der Ankerachse. Die Magnetfeld-Drehzahlen erfolgen mit einem Phasenwinkel, um elektronisch eine "Bürstendrehzahl" zu erzeugen, so dass sich das sich ergebende Anker-Magnetfeld synchronisiert und in Phase dreht.
Demgemäß können das System und das Verfahren, wie sie in dieser Patentbeschreibung offenbart sind, das Erfordernis eines schweren und komplizierten mechanischen Getriebes unter Verwendung eines elektronisch gesteuerten Drehmomentwandlersystems für elektrische AC- und DC-Motor/Generator-Systeme erübrigen. Dadurch werden Gewicht, Kompliziertheit und Kosten eingespart. Das optisch gesteuerte Bürstenbewegungssystem ist bei synchronisierten Wechselspannungsanwendungen besonders wirkungsvoll. Es ist bekannt, dass die Bürstenposition geändert oder eingestellt werden sollte, wenn sich die Drehzahl des Motors ändert. In der Vergangenheit wurde eine dritte Bürste für Bewegung mit einer anderen Drehzahl angebracht. Diese kann durch optisch gekoppelte Kommutation ersetzt werden, bei der nur ein Bruchteil des Rings erforderlich ist und der Lichtermitter durch Rückkopplung automatisch um die Position der maximalen Feldstärke herum eingestellt werden kann. Das offenbarte System und das Verfahren können die Baugruppe zur elektrischen Energieerzeugung extrem einfach, billig und leicht machen. Das offenbarte System und das Verfahren können so das Konzept eines elektrischen DC-Motors/Generators und eines AC-Synchronmotors/-Generators mit dem Konzept optisch gekoppelter Kommutation kombinieren, und wenn ein Getriebe verwendet wird, muss es kein Drehmoment führen. Als Energiewandlungsvorrichtung hat, wenn der Motor eine synchronisierte Spannung erzeugt und sich dabei der Rotor mit z. B. hoher Drehzahl dreht, das Produkt aus dem Drehmoment und der Drehzahl von der zweiten Potenz, wodurch die Eingangswelle die Energie mit niedrigerem Drehmoment übertragen kann. Dies bewerkstelligt im Wesentlichen die Aufgabe eines mechanischen Getriebes, ohne dessen Kosten und andere unerwünschte Folgen hervorzurufen. Die Auswirkungen dieser Vorgehensweise können so grundlegend sein, dass sie Designs elektromotorischer Systeme für Anwendungen wie Elektroautomobile und den Betrieb synchronisierter Wasserturbinen ändern, die häufig nicht für Teillastbetrieb optimiert sind. Die Anwendungen sind zahlreich.
Das offenbarte System und das Verfahren sind dadurch besonders zweckdienlich, dass aktuell geeignete Festkörper-Schaltbauteile verfügbar sind. Unter Verwendung von anderen Bauteilen als optischen Systemen, wie Bauteilen mit lokalisierten magnetischen Impulsen oder mit elektrischem Feldeffekt, kann eine weiche Kopplung bewerkstelligt werden. Selbstverständlich schließen das offenbarte System und das Verfahren das Bürstensystem nicht aus. Das mechanische Bürstensystem kann bei Miniaturgrößen und für spezielle Anwendungen besonders praxisgerecht sein.
Während die obige Beschreibung für eine volle und vollständige Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sorgt, können verschiedene Modifizierungen, alternative Konstruktionen und Äquivalente angewandt werden, ohne dass vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Daher sollten die obige Beschreibung und die Veranschaulichungen nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend ausgelegt werden, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von elektrischem Wechselstrom, wobei: elektrische Energie an ausgewählte mit einem Anker (16, 32, 34, 36) verbundene Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) in einer ausgewählten Abfolge durch eine mit den Kommutatorsegmenten (80, 81, 440, 530) und einer elektrischen Stromquelle verbundene Schaltanordnung übertragen wird, wobei durch die Übertragung des elektrischen Stroms an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) und damit an die Ankerwindungen (18, 19, 450) ein den Anker (16, 32, 34, 36) umgebendes Magnetfeld (520) erzeugt wird; und die ausgewählte Abfolge beim Übertragen der elektrischen Energie an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) gesteuert wird; dadurch gekennzeichnet, daß: der Ankerwindungen (18, 19, 450) und die damit verbundenen Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) tragende Anker (16, 32, 34, 36) mit einer ausgewählten Winkelgeschwindigkeit relativ zu einem nicht rotierenden, Statorwindungen (22, 24, 510) tragenden Stator (500) gedreht wird; und das den Anker (16, 32, 34, 36) umgebende Magnetfeld (520) mit einer ausgewählten Winkelgeschwindigkeit relativ zum Stator (500) rotiert und dadurch elektrischen Wechselstrom in den Statorwindungen (22, 24, 510) erzeugt, wobei der Anker (16, 32, 34, 36) und das elektromagnetische Feld (520) im eingeschwungenen Zustand mit ausgewählten verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten rotieren; und die Steuerung der ausgewählten Abfolge beim Übertragen von elektrischer Energie an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) eine ausgewählte Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Ankers (16, 32, 34, 36) relativ zum Stator (500) und der Winkelgeschwindigkeit des durch die Ankerwindungen (18, 19, 450) erzeugten Magnetfelds (520) im eingeschwungenen Zustand aufrecht erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltanordnung eine optische Schaltanordnung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die optische Schaltanordnung das Anregen einer Gruppe von Lichtermittern (102, 120, 130, 180, 201 310, 320, 560) in einer ausgewählten Abfolge und eine Gruppe von Lichtdetektoren (104, 122, 132, 204, 562) zum Reagieren auf das Anregen der Lichtermitter (102, 120, 130, 180, 201, 310, 320, 560) beinhaltet, um die Schaltelemente zur Übertragung von elektrischer Energie an die entsprechenden Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) zu aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltanordnung das Herstellen von elektrischem Kontakt zwischen Bürsten (40, 43) und den Kommutatorsegmenten (80, 81, 440, 530) beinhaltet, wobei die Bürsten (40, 43) relativ zum Stator (500) mit einer Winkelgeschwindigkeit rotieren, die von der des Ankers (16, 32, 34, 36) verschieden ist und mit der Winkelgeschwindigkeit des Ankermagnetfelds (520) in Beziehung steht.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischem Wechselstrom, umfassend: eine Einrichtung zum Übertragen von elektrischer Energie an ausgewählte mit einem Anker (16, 32, 34, 36) verbundene Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) in einer ausgewählten Abfolge durch eine mit den Kommutatorsegmenten (80, 81, 440, 530) und einer elektrischen Stromquelle verbundene Schaltanordnung, wobei durch die Übertragung der elektrischen Energie an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) und damit an die Ankerwindungen (18, 19, 450) ein den Anker (16, 32, 34, 36) umgebendes Magnetfeld (520) erzeugt wird; und eine Einrichtung zur Steuerung der ausgewählten Abfolge beim Übertragen der elektrischen Energie an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530); gekennzeichnet durch: eine Einrichtung zum Drehen des Ankerwindungen (18, 19, 450) und die damit verbundenen Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) tragenden Ankers (16, 32, 34, 36) mit einer ausgewählten Winkelgeschwindigkeit relativ zu einem nicht rotierenden Statorwindungen (22, 24, 510) tragendenen Stator (500); und dadurch daß: das den Anker (16, 32, 34, 36) umgebende Magnetfeld (520) im Betriebszustand mit einer ausgewählten Winkelgeschwindigkeit relativ zum Stator (500) rotiert und dadurch elektrischen Wechselstrom in den Statorwindungen (22, 24, 510) erzeugt, wobei der Anker (16, 32, 34, 36) und das elektromagnetische Feld (520) im eingeschwungenen Zustand mit ausgewählten verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten rotieren; und die Einrichtung zum Steuern der ausgewählten Abfolge zum Übertragen von elektrischer Energie an die Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) im Betriebszustand eine ausgewählte Differenz zwischen den zum Stator (500) relativen Winkelgeschwindigkeiten des Ankers (16, 32, 34, 36) und des durch die Ankerwindungen (18, 19, 450) erzeugten Magnetfelds (520) im eingeschwungenen Zustand aufrecht erhält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schaltanordnung eine optische Schaltanordnung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die optische Schaltanordnung eine Einrichtung zum Anregen einer Gruppe von Lichtemittern (102, 120, 130, 180, 201 310, 320, 560) in einer ausgewählten Abfolge und eine Gruppe von Lichtdetektoren (104, 122, 132, 204, 562) zum Reagieren auf das Anregen der Lichtemitter (102, 120, 130, 180, 201, 310, 320, 560) umfasst, um die Schaltelemente zur Übertragung von elektrischer Energie an die entsprechenden Kommutatorsegmente (80, 81, 440, 530) zu aktivieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schaltanordnung das Herstellen von elektrischem Kontakt zwischen Bürsten (40, 43) und den Kommutatorsegmenten (80; 81, 440, 530) beinhaltet, wobei die Bürsten (40, 43) relativ zum Stator (500) mit einer Winkelgeschwindigkeit rotieren, die von der des Ankers (16, 32, 34, 36) verschieden ist und mit der Winkelgeschwindigkeit des Ankermagnetfelds (520) in Beziehung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Getriebeanordnung (73, 749) zum Drehen der Bürsten (40, 43) relativ zum Anker (16, 32, 34, 36).