DE19850314A1

DE19850314A1 - Elektromagnetisch betriebener Motor

Info

Publication number: DE19850314A1
Application number: DE19850314A
Authority: DE
Inventors: Johann Weinzierl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-31
Filing date: 1998-10-31
Publication date: 2000-05-11
Also published as: DE29909293U1; DE59910857D1

Abstract

Ein elektromagnetisch betriebener Motor arbeitet mit einer Rotationsmagnet-Anordnung (5) und dazu synchronisierten Permanent-Hubmagneten (17), die in eine oszillatorische Bewegung versetzt werden. Diese wird über einen Kurbeltrieb (18, 22, 23) in eine Drehbewegung der Rotorwelle (1) umgesetzt. Die Rotationsmagnet-Anordnung umfaßt mindestens zwei Sektoren mit einander entgegengesetzter Orientierung ihrer Magnetpole. Zwischen den Sektoren ist ferner ein Überbrücker-Magnet zur Kompensation der Abstoßungskraft zwischen Hubmagnet und dem Sektor der Rotationsmagnet-Anordnung (5) mit gleichnamiger Polung der Magnete angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch betriebenen Motor zur Er zeugung hoher Drehmomente unter geringstem Energieeinsatz.

Im Stand der Technik sind elektromagnetisch betriebene Motoren in vielfa chen und sehr unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. So verwen det der landläufig als "Elektromotor" bezeichnete Motor oszillierend elek trisch beaufschlagbare Magnetspulen, was zu einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad führt.

Ferner sind aus dem Stand der Technik Maschinen bekannt, bei denen mehr oder weniger geschickt angeordnete Permanentmagneten zur Umwandlung von magnetischer in kinetische Energie verwendet werden. So zeigt die DE 43 02 511 A1 eine Vorrichtung, welche die statische Energie eines Ma gneten in permanente dynamische Energie umwandelt, was mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung mit zwei magnetischen Rotoren erfolgt.

Die DE 43 25 026 A1 zeigt eine entsprechende Vorrichtung, bei der an ei nem drehbar gelagerten Rad sich radial gegenüberstehend mindestens zwei verschieblich gelagerte Permanentmagnete angeordnet sind. Durch Wech selwirkung der Permanentmagnete, die jeweils von einem kompressiblen Druckelement beaufschlagt werden, wird eine Drehung des Rades hervor gerufen.

Aus der DE 43 06 909 A1 ist es bekannt, einen Magnetmotor mit einem Rotor und Stator zu betreiben, wobei die hohe Remanenz der als Rotor und Stator eingesetzten Magnete ein stetiges Drehmoment erzeugt. Auf einem ähnlichen Prinzip basiert auch der aus der DE 42 43 098 A1 bekannte Ma gnetmotor.

Bei der aus der DE 40 33 394 A1 bekannten Vorrichtung, die als Ma gnetarm-Schlaufenspulen-Pleuelmaschine bezeichnet wird, wird die Absto ßungskraft zwischen dem Magnetfeld eines Magnetstabes und eines glei tend darauf gelagerten Leiterringes genutzt.

Aus der DE 44 19 535 A1 und DE 44 12 209 A1 ist schließlich ein Ma gnetmotor bekannt, bei dem in Gruppen angeordnete Permanentmagneten durch gegenseitige Wechselwirkung eine Oszillationsbewegung ausführen, die über einen Kurbeltrieb in kinetische Energie umgewandelt wird.

Die genannten Druckschriften zum Stand der Technik offenbaren teilweise sehr komplexe Maschinen, deren Umsetzung in die Praxis nicht unerhebli che konstruktive Probleme aufwerfen dürfte. Auch ist generell die Effizienz der im Stand der Technik beschriebenen Maschinen und Motoren zumin dest zweifelhaft.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elek tromagnetisch betriebenen Motor zu schaffen, der aufgrund minimalen Ein satzes elektrische Energie und Ausnutzung von Permanent-Magnetfeldern effizient unter Erzeugung hoher Drehmomente zu betreiben ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Motor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach ist ein Motor vorgesehen mit

- einer Rotoranordnung, die mit einer zentralen, drehgelagerten Welle verbunden ist,
- einer auf mindestens einer Seite der Rotoranordnung angeordneten, ringförmigen Permanent-Rotationsmagnet-Anordnung, die in minde stens zwei Sektoren geteilt ist, von denen der eine eine erste Magnet pol-Orientierung aufweist, und von denen der andere eine dazu entge gengesetzte Magnetpol-Orientierung oder ferromagnetische Eigen schaften aufweist,
- mindestens einem vor den Magnetpolen der Rotationsmagnet- Anordnung angeordneten Permanent-Hubmagneten,
- der unter zyklischer Abstoßung und Anziehung durch die während der Rotordrehung vorbeilaufende Rotationsmagnet-Anordnung li near hin- und herverschiebbar an einem Motorgestell gelagert ist, und
- der mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist,
- einem Getriebe zur Kopplung der Kurbelwelle mit der Rotorwelle, und
- einem zwischen einem der beiden Endenpaare der Rotationsmagnet- Sektoren angeordneten, elektrisch betriebenen Überbrückermagnet zur Erzeugung eines mit dem Magnetfeld des jeweiligen Hubmagneten derart kooperierenden Wechselmagnetfeldes, daß beim Wechsel des Hubmagneten vom anziehend wirkenden Rotationsmagnet-Sektor in den abstoßend wirkenden Rotationsmagnet-Sektor die momentan wir kende Abstoßkraft zwischen Hubmagneten und abstoßendem Perma nentmagnet-Sektor kompensierbar ist.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß sich aufgrund der erfindungsge mäßen Konstruktion des Motors der Einsatz elektrischer Energie auf die Kompensation der beim Vorbeilaufen der Rotationsmagnet-Anordnung kurzzeit auf den Hubmagneten wirkenden Anziehungs- und Abstoßkraft beschränkt. Im übrigen läuft der Motor lediglich aufgrund der gegenseiti gen Anziehung und Abstoßung zwischen Hubmagnet und Rotationsma gnet-Anordnung, was insoweit energieneutral ist.

Versuche mit Prototypen des Erfindungsgegenstandes haben insofern auf gezeigt, daß durch Einsatz mehrerer Hubmagnete, die über jeweils ihnen zugeordnete Kurbeltriebe mit der zentralen Welle gekoppelt sind, ein im mer höheres Drehmoment durch den laufenden Motor erzeugbar ist, wobei der Versorgungsstrom für den elektrisch betriebenen Überbrückermagnet praktisch konstant bleibt. Dies ist insoweit erklärbar, als der Überbrücker magnet jeweils nur singulär die Anziehungs- und Abstoßkraft beim Wech sel eines einzigen Hubmagneten kompensieren muß, während an der Drehmoment-Erzeugung alle verbleibenden Hubmagneten beteiligt sind. Zur Verringerung des Fremdenergie-Bedarfs kann die Motorleistung z. T. für die Umsetzung in elektrische Energie zur Versorgung des Überbrüc kermagneten verwendet werden.

Zu der beanspruchten Rotoranordnung ist festzuhalten, daß es sich dabei nicht nur um ein starres, drehbares Gebilde, wie z. B. eine Scheibe, sondern auch um eine umlaufende, entsprechend geführte Kette handeln kann, auf der die Permanent-Rotationsmagnet-Anordnung montiert ist.

Zusammenfassend ist der erfindungsgemäße Motor durch seinen relativ einfachen Aufbau kostengünstig herstellbar, wodurch er eine kurze Amorti sierungszeit bietet. Sein Betrieb ist umweltfreundlich und von langer Le bensdauer sowie universeller Einsetzbarkeit geprägt.

Bevorzugte Ausführungsformen des Motors sind in den Unteransprüchen angegeben. Zu den damit verbundenen Vorteilen wird auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsge genstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine höchst schematische Seitenansicht des Motors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rotor des Motors gemäß Pfeilrichtung II nach Fig. 1,

Fig. 3A bis 3E Prinzipdarstellungen der Abfolge beim Arbeitszyklus des Motors,

Fig. 4 eine höchst schematische Teilseitenansicht eines Motors mit paar weiser Hubmagnet-Anordnung, und

Fig. 5 ein Schaubild der Abfolge beim Arbeitszyklus des Motors gemäß Fig. 4.

Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, bildet das zentrale Teil des Motors eine an einem nicht dargestellten Maschinengestell gelagerte Welle 1, auf der dreh fest ein scheibenförmiger Rotor 2 gelagert ist. Über die Welle 1 erfolgt ei nerseits der Motorabtrieb, andererseits stellt sie die Synchronisation der motorinternen Arbeitsvorgänge sicher, wie im folgenden noch näher erläu tert wird.

Wie aus Fig. 1 in Zusammenschau mit Fig. 2 deutlich wird, ist auf der Oberseite 3 des Rotors 2 eine ringförmige, koaxial zur Wellenachse 4 an geordnete Permanent-Rotationsmagnet-Anordnung 5 vorgesehen, die aus einzelnen Permanentmagnet-Stücken 6 zusammengesetzt sind. Die Rotati onsmagnet-Anordnung 5 ist dabei in zwei knapp 180° überdeckende Sekto ren 7, 8 getrennt. Im einen Sektor 7 sind die Permanentmagnet-Stücke 6 so angeordnet, daß ihr magnetischer Nordpol nach oben weist, wogegen im Sektor 8 der magnetische Südpol nach oben weit. Die Polflächen 9 der Permanentmagnet-Stücke 6 weisen dabei in einer zur Wellenachse 4 paral lelen Richtung.

Die beiden Sektoren 7, 8 weisen jeweils paarweise gegenüberstehende En den 10 bzw. 11 auf, von denen die Enden 11 so weit auseinandergerückt sind, daß dazwischen ein elektrisch betriebener Überbrückermagnet 12 an geordnet werden kann. Die Achse seiner Magnetspule 13 weist ebenfalls in einer zur Wellenachse 4 parallelen Richtung. Die Magnetspule 13 wird über Zuleitungen 14 entlang der Welle 1 und über eine daran angeordnete Kommutator-Schleifring-Anordnung 15 mit einer Stromquelle 16 - bei spielsweise einer Batterie - verbunden.

Die Rotationsmagnet-Anordnung 5 wirkt nun mit oszillierenden Hubma gneten 17 zusammen, von denen in Fig. 1 nur einer dargestellt ist. Wie in Fig. 2 jedoch angedeutet ist, können beispielsweise drei Hubmagneten 17 über den Umfangsrand des Rotors 2 verteilt an den strichliert angedeuteten Positionen angeordnet werden. Die Lagerung und Einbindung der Hubma gneten 17 in den Arbeitszyklus des Motors erfolgt dann in der Weise, wie sie am Beispiel des einen in Fig. 1 dargestellten Hubmagneten 17 im fol genden erläutert wird.

Dieser Hubmagnet 17 ist an einem als Kolbenschieber zu bezeichnenden Teil 18 so angeordnet, daß seine Polfläche 19 frontal gegenüber den Polflä chen 9 der Rotationsmagnet-Anordnung 5 angeordnet ist. Der Kolben schieber 18 ist in einem entsprechenden Schiebelager 20 des hier angedeu teten Maschinengestells 21 parallel zur Wellenachse 4 hin- und herver schiebbar gelagert. Der Kolbenschieber 18 ist an seinem dem Hubmagneten 17 abgewandten Ende mit dem zugewandten Ende eines Pleuels 22 ver bunden, das an seinem anderen Ende an eine Kurbelwelle 23 gekoppelt ist. Kolbenschieber 18, Pleuel 22 und Kurbelwelle 23 bilden einen Kurbeltrieb, der die Auf- und Abbewegung des Hubmagneten 17 in eine Rotationsbe wegung der Kurbelwelle 23 überträgt. Letztere ist quer zur Wellenachse 4 angeordnet und mit der Welle 1 über ein Kegelstirn-Zahnrad-Getriebe 24 gekoppelt, so daß die Rotation des Rotors 2 und die Auf- und Abbewegung des Hubmagneten 17 in genau definierter und synchroner Weise zueinander erfolgen können. Im übrigen kann anstatt des Kegelstirn-Zahnrad-Getriebes auch ein schrägverzahntes Stirnradgetriebe, Kardangetriebe oder Schnec kengetriebe eingesetzt werden.

Vom Grundprinzip her wird der Hubmagnet, bei dem beispielsweise der magnetische Nordpol nach unten zur Rotationsmagnet-Anordnung 5 hin gerichtet ist, dann abgestoßen und damit eine Kraft auf den Kolbenschieber 18 nach oben ausgeübt, wenn unter dem Hubmagneten 17 der Sektor 7 der Rotationsmagnet-Anordnung 5 vorbeiläuft, bei dem der magnetische Nord pol nach oben gerichtet ist. Sobald der Hubmagnet 17 unter dem Einfluß des Kreissektors 8 mit nach oben gerichtetem magnetischen Südpol gerät, erfolgt dagegen eine Anziehung des Hubmagneten 17, so daß oszillierende Kräfte auf diesen wirken. Diese oszillierenden Kräfte können eine Oszilla tionsbewegung des Kolbenschiebers 18 hervorrufen, die wiederum eine Rotationsbewegung über den erwähnten Kurbeltrieb aus Schieber 18, Pleu el 22 und Kurbelwelle 23 hervorruft. Dies ist anhand von Fig. 3 augen scheinlich zu erläutern:
Ausgehend von der in Fig. 3A gezeigten Stellung wirkt auf den Hubma gneten 17 eine Kraft nach oben, die über das Pleuel 22 zu einer Drehung der Kurbelwelle 23 führt. Diese Rotation wird über das Getriebe 24 auf die Welle 1 zurückübertragen, so daß der Rotor 2 sich unter dem Hubmagneten 17 weiterbewegt, bis der Sektor 8 mit dem nach oben gerichteten magneti schen Südpol unter den Hubmagneten 17 einläuft. Die Synchronisierung der Hubmagnet- und Rotor-Bewegung wird so gewählt, daß in diesem Zu stand der obere Totpunkt OT des Kurbeltriebes erreicht ist, so daß die an ziehende Kraft zwischen Sektor 8 und Hubmagnet 17 folgerichtig in eine nach unten gerichtete Bewegung des Hubmagneten 17 mit entsprechender Weiterdrehung der Kurbelwelle 23 umgesetzt wird (Fig. 3C).

Besonderer Maßnahmen bedarf es nun beim Wechsel des Hubmagneten 17 aus dem Einflußbereich des Sektors 8 zurück in den Sektor 7, da hier hohe Abstoßungskräfte zwischen dem Magneten 17 und den gleichnamig gepol ten Permanentmagnet-Stücken 6 des Sektors 7 herrschen. Um diese mo mentan wirkende Abstoßungskraft zu kompensieren, ist der Überbrücker magnet 12 vorgesehen, der kurz vor Durchlaufen des unteren Totpunktes UT so aktiviert wird, daß eine anziehende Kraft auf den Hubmagneten 17 ausgeübt wird. Mit Durchlaufen des unteren Totpunktes UT wird der Über brückermagnet 12 mit Hilfe der Kommutator-Schleifring-Anordnung 15 umgepolt, so daß dann wieder eine maschinenzyklus-gerechte Abstoßung des Hubmagneten 17 erfolgt (Fig. 3E). Der Motor läuft schließlich in die in Fig. 3A gezeigte Stellung, wo der Motorzyklus von neuem beginnt. Insge samt erzeugt der elektrisch betriebene Überbrückermagnet 12 also ein Wechselmagnetfeld, das mit dem Magnetfeld des jeweiligen Hubmagneten in der erläuterten Weise kooperiert.

Bei der in Fig. 2 angedeuteten Verwendung von drei Hubmagneten 17 lau fen deren Kurbeltriebe um 120° zueinander phasenversetzt, so daß sich ein runder Lauf des Motors ergibt. Dieser kann natürlich durch Verwendung weiterer Hubmagnete noch gesteigert werden. Nur beispielhaft ist auf einen Prototy-Versuch mit dem Erfindungsgegenstand zu verweisen, bei dem mit einem Magnetpaar ein Drehmoment von 20 Nur an der Welle abgegriffen werden konnte, das sich bei zwei und drei Magnetpaaren auf Werte von 42 Nur bzw. 64 Nur bei konstantem Leistungsbedarf des Überbrückermagne ten steigerte.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Motors mit den vorstehend erwähnten Magnetpaaren in einer Teildarstellung schematisch angedeutet. Hierbei arbeitet die Rotationsmagnet-Anordnung 5 am Rotor 2 paarweise mit jeweils mindestens einem Hubmagneten 17, 17' mit zugeordneter Baugruppe aus Kolbenschieber 18, 18', Pleuel 22, 22' und Kurbelwelle 23, 23' zusammen. Damit die untere Kurbelwelle 23' ebenfalls auf die Welle 1 über ein nicht dargestelltes Kegelstirn-Zahnrad- Getriebe 24 arbeiten kann, ist die Welle 1 entsprechend weit nach unten über den Rotor 2 hinaus verlängert. Analog dem Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 1 bis 3 können bei der paarweisen Anordnung gemäß Fig. 4 wie derum mehrere der gezeigten Hubmagnet-Paare über den Umfangsrand des Rotors 2 verteilt angeordnet sein.

Die Funktionsweise des Motors gemäß Fig. 4 ergibt sich ohne die Notwen digkeit weiterer Erläuterungen aus der beschriebenen Funktionsweise des Motors nach Fig. 1 bis 3, wobei die magnetischen Verhältnisse und mecha nisch-kinematischen Bewegungen der hinzugekommenen Hubmagnet- Baugruppe sich durch Spiegelung an der horizontalen Rotorebene ergeben. Entsprechend liest sich das Schaubild gemäß Fig. 5 durch die eingetrage nen Magnetpol-Bezeichnungen "N" und "S" und die Wirkpfeile "F" der magnetischen Kräfte aus sich heraus. Der Deutlichkeit halber ist lediglich darauf hinzuweisen, daß in Fig. 5 praktisch eine Abwicklung des Rotors 2 mit der darauf befindlichen Rotationsmagnet-Anordnung 5 mit Sektoren 7, 8 dargestellt ist. Dieser Darstellung zeigt nach Art eines in Einzelbilder aufgelösten Filmes die jeweils passende Hubstellung der Hubmagneten 17, 17' in Relativstellung zum Rotor 2. Ferner ist in Fig. 5 angedeutet, daß die Einzelmagneten 6 so auf dem Rotor 2 angeordnet sind, daß das Niveau ih rer Polflächen 9 der Hubbewegung der Hubmagneten 17, 17' folgt.

Claims

1. Elektromagnetisch betriebener Motor mit

1. einer Rotoranordnung (2), die mit einer zentralen, drehgelagerten Welle (1) verbunden ist,
2. einer auf mindestens einer Seite (3) des Rotoranordnung (2) angeord neten, ringförmigen Permanent-Rotationsmagnet-Anordnung (5), die in mindestens zwei Sektoren (7, 8) geteilt ist, von denen der eine eine er ste Magnetpol-Orientierung aufweist, und von denen der andere eine dazu entgegengesetzte Magnetpol-Orientierung oder ferromagnetische Eigenschaften aufweist,
3. mindestens einem vor den Magnetpolen der Rotationsmagnet- Anordnung (5) angeordneten Permanent-Hubmagneten (17, 17'),
4. der unter zyklischer Abstoßung und Anziehung durch die während der Rotordrehung vorbeilaufende Rotationsmagnet-Anordnung (5) linear hin- und herverschiebbar an einem Motorgestell (21) gela gert ist, und
5. der mit einer Kurbelwelle (23, 23') gekoppelt ist, einem Getriebe (24) zur Kopplung der Kurbelwelle (23, 23') mit der Rotorwelle (1), und
6. einem zwischen einem der beiden Endenpaare (10, 11) der Rotations magnet-Sektoren (7, 8) angeordneten, elektrisch betriebenen Überbrüc kermagnet (12) zur Erzeugung eines mit dem Magnetfeld des jeweili gen Hubmagneten (17, 17') derart kooperierenden Wechselmagnetfel des, daß beim Wechsel des Hubmagneten (17, 17') vom anziehend wirkenden Rotationsmagnet-Sektor (7, 8) in den abstoßend wirkenden Rotationsmagnet-Sektor (7, 8) die momentan wirkende Abstoßkraft zwischen Hubmagneten (17, 17') und abstoßenden Permanentmagnet- Sektor (7, 8) kompensierbar ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoranord nung einen drehfest auf der Welle (1) sitzenden Rotor (2) umfaßt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Per manent-Rotationsmagnet-Anordnung (5) koaxial zur Achse (4) der Welle (1) angeordnet und mit ihren Polflächen (9) in zur Wellenachse (4) paral leler Richtung weist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsmagnet-Anordnung (5) durch einzelne, in dem jeweiligen Sektor (7, 8) aneinandergereihte Permanent-Magnete (6) gebildet ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (6) derart dimensioniert oder auf der Rotoranordnung (2) angeordnet sind, daß das Niveau ihrer Polflächen (9) der Hubbewegung der Hubmagneten (17, 17') folgt.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnet-Anordnung (5) einzeln oder paarweise mit jeweils mindestens einer zugeordneten, aus Hubmagnet (17, 17'), Kurbeltrieb (18, 18', 22, 22', 23, 23') und Getriebe (24) gebildete Baugruppe oberhalb und unterhalb der Rotoranordnung (2) kooperiert.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, aus Hubmagnet (17, 17'), Kurbeltrieb (18, 18', 22, 22', 23, 23') und Getriebe (24) bestehende Baugruppen äquidistant über dem Umfangs rand des Rotors (2) verteilt angeordnet sind.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zwischen Kurbelwelle (23, 23') und Rotorwelle (1) jeweils durch ein Kegelstirn-Zahnrad-Getriebe (24) gebildet ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überbrückermagnet (12) an der Rotoranordnung (2) über eine Kom mutator-Anordnung (15) mit einer Stromquelle (16) verbindbar ist.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Hubmagneten (17, 17') gekoppelte Kurbeltrieb (18, 18', 22, 22', 23, 23') derart mit der Bewegung der Rotoranordnung (2) gekop pelt ist, daß der Vorbeilauf des Überbrückermagneten (12, 12') am jeweili gen Hubmagneten zumindest näherungsweise im unteren Totpunkt des Kurbeltriebes (18, 18', 22, 22', 23, 23') erfolgt.