DE1489088A1 - Polarisiertes elektromagnetisches Antriebssystem - Google Patents

Description

• Polarisiertes elektromagnetisches Antriebesystem Es sind zahlreiche elektromagnetische Systeme bekannt, bei denen das Kraftspiel zwischen einem permanentmagnetiechen und einem elektromagnetischen Teil ausgenützt wird* Eines der bekanntesten Systeme ist das des elektrodynamischen Lautsprechers$ bei dem eine stromdurchflosaene Spule in einem permanentmagnetischen Feld quer zur Richtung der Feldlinien bewegt wird. Dieses System wird auch schon zur Schwingkrafterzeugung mit technischem Wechselstrom benutzt wie z.B. zum Antrieb von kleinen Kompressoren. Es gibt ferner Systeme, bei denen scheibenförmi-e Permanentmagnete innerhalb eines eisenarmierten wechseletrombeschickten Statorsystems in axialer Richtung bewe"t werden, und weiterhin solchet bei denen sowohl die Spulen mit ihren Eisenarmierungen als auch die Permanentmagnete statorseitig feststehen, während nur ein ferritischer Anker als magnetische Feldbrücke benutzt wird. Schlieselich sind Anordnungen bekanntl bei denen ein axial magnetisierter Permanentmagnet im Innern von Solenoidspulen zur Antriebewirkung gebracht wird. Diese Systeme arbeiten eisenlos, sie sind daher zwar querkraftfrei aber nur für geringe Leistungen verwendbar. Die vorliegende Erfindung setzt in diesem Punkt ein. Es soll ein möglichst querkraftarmen System geschaffen werden, dessen Wirk-Effekt dem der besten bisher bekannten magnetischen oder dynamischen Systeme gleich oder nahe kommen soll, Aufbaumäseig werden in an sich bekannter Weise axial magnetisierte zy--# lindrische Permanentmagnete in koaxialen zylindrischen Spulen dadurch zur Kraft- und Bewegungewirkung gebracht, daso ihr radial sich ausbrei-; tender Fluse mit den stromdurchflossenen Spulen eine dynamische Relativkraft erzeugt, wobei aber die Spulen mit ihren Armierungen feststehen, während nur die Permanentmagnete die Bewegung und Kraftabgabe übernehmen, Auch bei der Verwendung von Armierungen zum Zweck der Effekt-Erhöhung lassen sich die Querkräfte hierbei klein halten, ebenso wie sich Feinstpassungen zwischen polbildenden Teilen vermeiden lassen* Im Rahmen der Erfindung wurde versucht, eine optimale Antriebeleistung einen solchen Systems zu erreichen. Hierzu müssen folgende Merkmale richtig erkannt sein und kombiniert werden: Die Eizenarmierung muse so gestaltet sein, dase der erzeugte magnetische Fluse allein auf die Spulenbereiche konzentriert wird. Dies erreicht man erfindungegemäse dadurchl dase der Eisenmantel im Bereich der Spulen dieselben möglichst eng umschliesst, während der Bereich des Mantels zwischen den Spulen (bei Verwendung zweier Spulen) sogar eine Wölbung nach aussen aufweisen kann, Zweitens muss der Permanentmagnet so dimensioniert seing dass seine Länge und damit sein H-Wert so gross wirdt daso ein Luftspalt von der Dicke der Spulen mit einem Fluse durchsetzt wird, der dem Geaamtfluse gleich oder nahe kommt, den der Permanentmagnet hergibt. Diese Dimensionierung des Permanentmagneten, in Bezug auf Durchmesser zur Länge, bewegt sich erfindungegemänn im Zahlenverhältnie 1 : o12 bis 1 3 bei Verwendung von Barium-Ferrit und im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : bei Verwendung von Alnico. Drittens müseen die Spulen so bemessen sein, dass insbesondere in ihrer bicke (Fensterhöhe) der Bezirk nichfwesentlich überschritten wird, in dem eine genügende Flusadichte des Permanentmagneten vorherrschte Erzielt man durch niedrige Spulenhöhe (- geringem Luftep&t) eine entsprechend höhere Luftspalt-Induktiong so muse bei gegebener Bemessung des Permanentmagneten die Wirkbreite der Spule ebenfalls abnehmen* Man gelangt also durch Wahl einen kleinen Luftspaltes (= geringer Spulenhöhe) zu einer grossen Kupferersparnis. Dabei wird die Energie'Beaufschlagung des Kupfers zwar grose, aber durch Vergieasen der Spule(n) mit dem Mantel und durch weitere geeignete wärmetechnische Massnahmen läset sich die Wärme gut genug ableiten, eben weil die Spulen auf der Statorseite fest angeordnet sind. Ausserdem gelangt man durch die Verwendung einer solchen kleinen Spule zu einer hohen Kraftabgabe, allerdings unter dem Nachteil eines geringeren Hubes, Da sich aber die Magnet-Arbeit aus Kraft mal Hub zusammensetztg muss das System durch Vergrösserung der Wirkbreite der Spulen den praktischen Bedingungen angepasst werden. Hierbei fällt zwar die Kraft mit der Wurzel der Wirkbreitenvergrösserung, die Arbeit steigt jedoch linear mit dem Hub. Nachstehende Formeln machen das deutlich* A = F . x (2) F - Kraft, B = Mittlere Induktion im Spulenbereich, P = Leistung, s = Spulenlänge (Wirkbreite), h Spulendicke (Fensterhöhe)i D m = Mittlerer Spulendurchmesser, A = Arbeit, x Hub, K = Zahlenfaktor. Es gilt also nun bei einem gewünschten Hub und damit gegebener Wirkbreite ein Optimum für die Spulendicke zu finden, Die Bemessung der Spule erfolgt demnach erfindiin:-s-emg'ss drrart, dass - im Rahmen des -eivdnschten Ihibes - ihre Abr.mess-.inren in Tr#A.te ind 1-1;--ih,- auf len magnef-isch durchsetzten I-t-iiim konzr#ntriert sind. Für das richtiZe Zusammenwirken von Permaneritmag.net und Spulen ist schlieselich die Verbindun- des in den vorgestellten entsprechenden Abschnitten Gesagten ausschla-gabend. Zrf4-ndungsgnmäse werden die optimalen Abmessungen unter Berücksichtigung der baulichen Gegebenheiten - jeweils aus der Formel (1) bestimmte Die AnwendungsmÖglichkeiten eines solchen elektromagnetischen Antriebesystems sind sehr mannigfaltig. Sie reichen von Hubmagneten über Relais und Schütze zu Steuerungsmagneten und Schwingantrieben (für Pumpen, Kompressoren uoaeme). Es ist aber auch in der Umkehrung als Indikator und Generator benutzbar* In der Ausführung gibt es zahlreiche Varianten, wobei entweder eine oder mehrere Spulen oder ein oder zwei (bis mehrere) Permanentmagnete in gegenseitige Wirkverbindung gebracht werden können* Die Eisenarmierung kann sich darauf beschränken, nur auf der Auesenseite. der Spulen den Rückschluse des lpermanentfeldea zu verbesserng so dase die Eisenteile vom beweglichen Permanentmagnetanker weit.genug entfernt bleiben, um so gut wie keine Querkräfte zu erzeugen. Führt man das Eisen zur Rückschlugsverbesserung an eine Seite des Permanentmagneten näher heran, so kann man nichtsdestoweniger den Luftspalt gross genug halten, um Querkräfte tunlichst niedrig zu lassene Ngn wird-die Spule oder die Spulen in Vergiesamassen mit ferritischen Mantelteilen oder sogar mit ferritischen Füllstoffen so vergiessen, daso ein Körper grösseren Wärmeabgabevermögens entsteht, so daso man die Spulen selbst elektrisch höher beaufschlagen kann. Insbesondere als Hubmagnet bietet das erfindungegemässe System grösste Vorteile. Die Hauptkraftwirkung kommt auch bei grösseren Hüben schon im Hub-Beginn zustande und auch die Induktivität wird wesentlich geringer, so dase die Ansprechzeit aus diesen beiden Gründen bedeutend herabgesetzt wird. anker kann ein- oder beidseitig ferritische Polatücke tragen, die die 0,uerüberleitung des Flusses ohne Beeinträchtigung den Magneten begünetigen. Die Rückführung den Flusses erfolgt Uber einen Eisenmantel und rückseitig Uber einen:Einenflanach. Will man gegen Hubende die Kraftwirkung zunehmen lassen, so kommt man zu einer Kombination dieses dynamischen Prinzips mit einem normalen Elektromagneten, wobei man vorderseitig einen Eisenschluse vorsiehtl der den Geaamtfluse zum Hubende schlieset. Hirbei muse allerdings berücksichtigt werden, dasa der permanente Flussanteil nach dem Abschalten des Magneten stehen bleibt und daas eine Rückstellfeder vorgesehen sein muss, die die korrespondierenden Kräfte überwindet. Bei Oppositionspolen setzt dies einen gröaeeren Restluftspalt und eine Rückstellfeder mit progressiver Charakteristik oder eine zusätzliche Abdrückfeder voraus. Noch besser ist es aber, mit Schubpolen zu arbeiten und auch bei diesen einen grösseren radialen Luftspalt zu belassen, so dass eine nicht zu starke Rückstellfeder in der Lage ist# die permanentmagnetisch stehenbleibenden Kräfte zu überwinden. Natürlich bietet ein solcher Hubmagnet auch noch einen weiteren Vorteile Er kann durch Gegen-Impuls zur zwangsläufigen, kraftstarken Rückstellung gebracht werden@ Hierbei wäre unter Umständen eine permanentmagnetische Haftung in der Hubendlage erwünscht, da der Magnet dann stromlos in dieser Stellung verbleiben kann, bis er durch Gegenimpule gelöst und beschleunigt (nämlich mit voller Kraftwirkung) zurückgestellt wird. Wie die Erfindung ausgeführt werden kanng zeigen mit den für sie weaentlichen Teilen folgende Zeichnungen. Fig. 1 zeigt zwei gegeneinnig magnetisierteg fest miteinander verbundene Permanentagnete (3 und 4), die innerhalb einer Spule (1) zur gleichgerichteten Antriebewirkung gebracht werden* Die Nordpole der beiden Dauermagnete können aijeh durch ein ferritisches Zwischenstück verbunden sein. Für die GrÖsse der Spule ist die dick gezeichnete Form zu bevorzugen. Das gezeic4-nete elektromagnetische Antriebasyntem kann sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben werden. Das gleiche gilt für alle folgenden gezeichneten Systeme bis einschliesalich Tig,' 6, In Tig. 2 ist ein Antriebesystem dargestellt, bei dem zwei gleicheinnig magnetisierte Permanentmagnete (3 und 4) innerhalb einer Spule (1) gegenginander angetrieben werden. (In Fig. 1 und 2 ist der an sich notwendige Eisenmantel nicht gezeichnet)@ Tig- 3-stellt ein elektromagnetischen Antriebssystem dar# das mit einem Permaneutmagneten (3) und zwei gegeneinandergeschalteten Spulen (1 und 2) arbeitet. Hierbei sind die beiden Spulen in eine Vergiesamasse (5) eingegossen, die ferritische Fülletoffe enthält zur Verbesserung des magnetischen Rückaohlussee und zur Herstellung eines Körpers grösseren Wärmeabgabevermögens, Die Zone (6) zwischen den beiden Spulen muse jedoch frei von den ferritischen Einachlüasen bleiben. Tig. 4 zeigt den Halbschnitt eines Systems, dessen beide Spulen (1 und 2) durch einen rückschlusaverbessernden Eisenmantel (7) umschloseen bzw. verbunden sind. Der innerhalb der Spulen zur Antriebawirkung gebrachte Permanentmagnet (3) ist an seinen Enden mit ferritischen PolatÜcken (8 und9) zur Verbesserung der Flussausbreitung versehen* In Tige 5 ist ein Antriebssystem gezeichnet, das ähnlich dem in Fig. 4 dargestellten arbeitet* Der die Spulen (1 und 2) umschliessende rückschluseverbessernde Mantel (7) ist jedoch rohrförmig aubgebildet und der Permanentmagnet (3) trägt statt der Polatücke vorgezogene ringförmige Pole. Fig. 6 zeigt achliesslich ein System, das nur mit einer Spule (1) und einem Permanentmagneten (3) arbeitet. Der Eisenmantel (7) ist hierbei verhältnismässig nahe an däs freie Polende des Permanentmagneten herangeführte Ale letzte Variante der Erfindung ist in Fig. 7 ein Hubmagnet dargestellt* Im Innern einer schlanken Spule (1) ist als'Tauchanker ein Permanentmagnet (3) angeordnet. Der Gegenpol (lo) ist bei dieser Ausführung als Schubpol ausgebildet. Zur Rückstellung des Permanentmagneten wird zweckmäaeigerweine .eine Rückatellfeder mit progressiver Charakteristik oder eine zusätzliche Abdrückfeder verwendet.

Claims (2)

1. Patentansprüche Polarisiertes elektromagnetisches Antriebssystem mit axial magnetisierten Dauermagneten als bewegliche Teile innerhalb konzentrischer Spulen dadurch gekennzeichnet, dass eine optimale Antriebewirkung im Sinne des elektrodynamischen Prinzips erzielt wird durch die Kombination folgender Merkmale: 1. Eisenarmierungen dergestalt, dass der permanentmagnetisch erzeugte Fluse allein auf die Spulenbereiche konzentriert wird* 2. Eine Dizensionierung der Permaneutmagnete, bei der die Längen und damit die H - Werte (in Oersted) so grose gehalten sind, dass der Luftspalt von der Dicke der Spulen mit einem Fluas durchsetzt wird, der dem Gesamtfluss gleich oder nahe kommt, den der Permanentmagnet hergibte 3* Eine Bemessung der Spule in ihrer Höhe, solldase eine möglichst hohe Induktion entsteht, wobei die Breite den Erfordernissen des gewünschten Hubes angepasst ist. 49 Eine Kombination von Cem unter 2. und 3- Gesagten derart, dass Länge und Querschnitte der Permanentmagnete zu den Abmessungen der Spulen in eine solche Beziehung gebracht werden, dase nach dem Kraftwirkungegesetz von Biot-Savart zwischen den etromdurchflossenen Spulen und dem sie radial durchdringenden Permanentmagnetfluss eine maximale dy- namische Relativkraft erzeugt wird.
2. 2) Polarisiertes elektromagnetisches Antriebesystem gemäse 1) dadurch gekennzeichnet,.da.-,s.zwei gegensinnig magnetisierte, mechanisch starr verbundene Permanentmagnete innerhalb einer Spule zur Antriebswirkung gebracht werden. Polarisiertes elektromagnetisches Antriebssystem gemäse 1) dadurch gekennzeichnet, daso zwei gleicheinnig magnetisierte, mechanisch gegeneinander laufende Permanentmagnete innerhalb einer Spule zur Antriebswirkung gebracht werden. 4) Polarisierten elektromagnetisches Antriebesystem gemäße 1) dadurch gekennzeichnet, dase ein zylindrischer Dauermagnet innerhalb zweier, gegeneinander geschalteter Spulen zur Antriebewirkung gebracht wird. 5) Polarisiertes elektromagnetisches Antriebssystem gemäße 1) dadurch gekennzeichnet, daso das System mit einem Dauermagneten und einer Spule arbeitet, wobei zur Rückschlusaverbesserung ein die Spule umschliessender Eisenmantel verhältniemäaeig nahe an das freie Polende des Dauermagneten herangeführt ist* 6) Polarisiertes elektromagnetisches Antriebesystem gemäas 1) bis 5) dadurch gekennzeichnet, daso in Umkehrung des Systeme der Permanentmagnetkern mechanisch angetrieben wird und in der oder den Spulen eine Spannung induziert. (Indikator- oder Generatorwirkung). 7) Polarisiertes elektromagnetischen Antriebssystem gemäße 1) bis 6) dadurch gekennzeichnet, daso die Permanentmagnete aus Barium-Ferrit bestehen und ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 1 : o,2 und 1 2 3 aufweisen. 8) Polarigiertes elektromagnetischeg Antriebesystem gemäße 1) bis 6) dadurch gekennzeichnetg ddes die Permanentmagnete aus Alnico bestehen und ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 1 : 1 und 1 : 5 aufweisen. 9) Polarisiertes elektromagnetischee Antriebssystem gemäse 1) bis 8) dadurch gekennzeichnet, dase die Spule oder Spulen in einem grossvolumigen gespritzten Körper aus Vergiesemasse eingegossen sind, der ferritische Mantelteile oder Fülletoffe enthält zum Zwecke verbesserter magnetischer Leitfähigkeit im Rückschluss und zur Herstellung-eines Körpers vergrösserten Wärmeabgabevermögenen lo) Polarisiertee elektromagnetischen Antriebasystem gemäaa 1), 2) und 6) bis 9) dadurch gekennzeichnetg daas die beiden angetriebenen zylindrischen Dauermagnete durch ein ferritisches Zwischenstück verbunden sind. 11) Polarisiertes elektromagnetieches Antriebesystem gemäas 2)9 3)9 6)9 8) und lo), dadurch gekennzeichnet, dase das System mit ferritischen Endscheiben ausgestattet ist, die entweder mit bewegt werden oder statorseitig feststehen und die der besseren Fluaaaunbreitung dienene 12) Polarisiertee elektromagnetisches Antriebssystem gemäss 1) bis 11) dadurch ;ekennzeichnet, dase bei entsprechender Spulenform die Dauer -magnete rechteckige (#Zuerschnitte aufweisen* 13) Polarisiertes elektromagnetisches Antriebssystem -emäss 1) dadurch gekennzeichnet, dase das Prinzip der elektrodynamischen Kraftbildung mit der Wirkung des einfachen Hubmagneten kombiniert ist, wobei ein als Tauchanker benutzter Permanentmagnet innerhalb.einer langen, schlanken Spule zür Antriebewirkung gebracht wird und der Gegenpol vorzugsweise als Schubpol ausgebildet ist.