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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von magnetischer Energie in mechanische Energie, bestehend aus einem Planetengetriebe mit mindestens einem Sonnenzahnrad und mindestens einem Planetenzahnrad.
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Vorrichtungen der vorbezeichneten Art sind im Stand der Technik in einer Vielzahl an Variationen und Ausführungen bekannt und bestehen zu meist aus einem Rotor und einem Stator, welche durch eine bestimmte Anordnung der installierten Magnete innerhalb der Baugruppe eine Drehbewegung des Rotors erzielen soll. Die bisher bekannten Maschinen beziehungsweise Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind hinsichtlich der Wandlung oder Erzeugung mechanischer Energie aus der magnetischen Energie ineffizient oder ohne Funktion. Weiterhin gibt es zahlreiche sehr extravagante Vorrichtungen, unter der sich auch die nachfolgende Erfindung zählt.
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Die Problemstellung für diese Erfindung ist die Bereitstellung einer umweltfreundlichen, dezentralen und erneuerbaren Energiequelle durch die Umwandlung von magnetischer Energie in mechanische Energie.
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Nach dem Stand der Technik ist die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Wandlung von magnetischer Energie in mechanische Energie bestehend aus einem Planetengetriebe mit mindestens einem Sonnenzahnrad und mindestens einem Planetenzahnrad, die bezüglich der Eigenschaft zur Umwandlung der magnetischen Energie zur mechanischen Energie eine Funktion hat und im Gegensatz zu vergleichbaren Systemen sich nicht als Perpetuum Mobile versteht, sondern nach den physikalischen Gesetzen und insbesondere dem Hebelgesetz Energie umwandelt.
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Zur technischen Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Wandlung von magnetischer Energie in mechanische Energie mit mindestens einem Sonnenzahnrad und mindestens einem Planetenzahnrad dargereicht, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Sonnenzahnrad feststehend und in einem bestimmten Abstand an einer Halterung gelagert ist,
an einem Sonnenzahnrad formschlüssig mindestens ein Planetenzahnrad angeordnet ist, wobei ein Planetenzahnrad sowie das Sonnenzahnrad vorzugsweise den gleichen Teilkreisdurchmesser, die gleiche Zahnradzahnanzahl und den gleichen Modul besitzen,
ein Planetenzahnrad zu seinem Sonnenzahnrad vorzugsweise in parallelen Mittelpunktachsen angeordnet ist,
ein Planetenzahnrad in seinem Teilkreismittelpunkt durch eine Führung drehbar um das Sonnenzahnrad gelagert ist,
die Führung mit einer Welle fest verbunden ist, wobei die Welle im Teilkreismittelpunkt des Sonnenzahnrades vorzugsweise in eine bestimmte Richtung drehbar gelagert ist,
an einem Planetenzahnrad ein Magnethalter fest verbunden und koaxial um die Teilkreismittelpunktachse des Planetenzahnrads gelagert ist, wobei jeder Magnethalter mit mindestens einem Magneten vorzugsweise auf dem Teilkreisdurchmesser seines Planetenzahnrades deckungsgleich fest verbunden ist,
ein Magnet auf dem Magnethalter des Planetenzahnrads innerhalb des Umlaufs seines Planetenzahnrads um das Sonnenzahnrad vorzugsweise dieselbe Epizykloide-Kurve beschreibt,
mindestens ein Magnet auf der Halterung derart angeordnet und mit ihr fest verbunden ist, wodurch eine vorzugsweise anziehende Kraftwirkung zu dem Magneten an dem Magnethalter über einen bestimmten Abwälzwinkel gegeben ist,
welche den Magneten an dem Magnethalter derart anzieht, dass der Magnet an dem Magnethalter sein Planetenzahnrad in eine Rotationsbewegung versetzt,
ein Magnet auf der Halterung und ein Magnet an einem Magnethalter vorzugsweise in parallelen Ebenen der Polflächen und mit unterschiedlichen magnetischen Polen zueinander angeordnet sind,
ein Magnet an einem Magnethalter und ein Magnet auf der Halterung so zueinander angeordnet sind, dass mindestens ein Magnetpaar der Vorrichtung eine Kraftwirkung miteinander aufweist und eine Drehwirkung mindestens eines Planetenzahnrads um das Sonnenzahnrad verursacht.
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Die Erfindung ist gegenüber bereits bekannten und vergleichbaren Erfindungen vorteilhafter, da diese eine bessere Nutzung des Magnetfeldes inne hat und eine geringe Anzahl an Magneten benötigt, um ein Drehmoment zu erzeugen. Weiterhin besitzt diese Erfindung einen höheren Nutzungsgrad gemessen an der Umwandlung der magnetischen in mechanische Energie.
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Die Erfindung bedient sich dabei vorteilhaft den physikalischen Gesetzmäßigkeiten und insbesondere dem Hebelgesetz, indem die Magnete auf den Teilkreisdurchmessern ihrer Planetenzahnräder über den Abwälzwinkel unterschiedliche Abstände zum Abwälzpunkt besitzen und sich daraus in Verbindung mit der Kraftwirkungslinie der Anziehungskraft zum Abwälzpunkt unterschiedlich große Hebel ergeben. Dabei wird erfindungsgemäß realisiert, dass das Drehmoment, welches sich durch die Summe aller angreifenden Kräfte zwischen den Magneten und der zusammenhängenden Hebel ergibt, in eine bestimmte Drehrichtung größer ist, als das entgegenwirkende Drehmoment.
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Eine besonders vorteilhafte Konfiguration ist gekennzeichnet durch den Aufbau der Planetenzahnräder um das Sonnenzahnrad und der Position ihrer Magnete auf deren Teilkreisdurchmessern zu den Magneten auf der Halterung insofern, dass das Anziehungskraft-Hebelverhältnis zwischen den eintretenden oder auf der Anziehungsbahn laufenden Magneten stets größer ist als das Anziehungskraft-Hebelverhältnis der sich von der Magnetbahn entfernenden Magneten.
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Eine nächste vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Größe und der Anziehungskraft der Magneten und der Planetenzahnräder. Durch eine bestimmte Kombination zwischen diesen drei Parametern kann das Drehmoment effektiv verändert werden. So können bei gleich großen Magneten auf unterschiedlich großen Planetenzahnrädern verschiedene Drehmomente erwirkt werden.
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Eine zuzügliche vorteilhafte Gestaltung der Erfindung ist die Anordnung der Magnete an ihren Planetenzahnrädern. Dabei ist der Magnet vorzugsweise deckungsgleich auf dem Teilkreisdurchmesser seines Planetenzahnrades installiert und beschreibt somit eine Epizykloide-Kurve während seines Umlaufes um das Sonnenzahnrad. Idealer Weise ist das eine Kardioide-Kurve, welche den Vorteil hat, dass sich bei einem Abwälzwinkel von 0° der Kurvenpunkt des Magneten am Planetenzahnrad auf dem Teilkreisdurchmesser des Sonnenzahnrades befindet und somit kein Hebel und in diesem Punkt kein Drehmoment vorherrscht.
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Eine implizite vorteilhafte Konstruktion der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Anordnung der Magnete auf der Halterung. Die Polflächen der Magnete sind dabei vorzugsweise in parallelen Ebenen ausgerichtet und zwischen diesen in unterschiedlichen Abständen zueinander auf einer Halterung befestigt. Dabei kann die Form der Magnete frei variieren. Ein anderer vorteilhafter Aufbau der Erfindung ist, dass die Magnete der Planetenzahnräder mit der gegenpoligen Seite zu den Magneten der Halterung ausgerichtet sind und somit eine Anziehungskraft vorhanden ist, welche durch die unterschiedlichen Abstände der Magnete der Magnetbahn zueinander verstärkt wird.
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Eine überdies vorteilhafte Konfiguration ist die Variabilität der Anordnung der Magnete auf der Halterung. So kann die Anziehungskraft auch dadurch erzeugt werden, dass die Abstände der einzelnen und auf einer Ebene befindenden gleichpoligen Magnete der Halterung zu der Epizykloiden-Laufbahn zu ihrem Ende hin verringert werden.
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Eine andere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist die Unabhängigkeit der Lage. Sofern ein Massengleichgewicht eines Systems hergestellt ist, können die Planetenzahnräder vorteilhaft in jeder beliebigen Lage im Raum betrieben werden.
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Ein zusätzliches vorteilhaftes Attribut dieser Erfindung ist der dezentrale und mobile Einsatz durch die kompakte Bauweise und nahezu uneingeschränkte örtliche Einsetzbarkeit. Außerdem ist ein großer Vorteil, dass die Erfindung keine direkten Schadstoffe emittiert und somit eine umweltfreundliche Neuerung ist.
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Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist der Einsatz als Antriebsmotor für alle rotatorischen angetriebenen Maschinen oder Vorrichtungen.
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Die Spezifikationen und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen eines Anwendungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine geometrische Darstellung der Epizykloiden-Umlaufbahn eines mit einem Planetenzahnrad fest verbundenen Magnets der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 die vordere Ansicht eines beispielhaften Moduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 die seitliche Ansicht eines beispielhaften Moduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine Darstellung der räumlichen und anteiligen Anziehungskraft im Sinn der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine Magnetkraftkurve der verwendeten Magneten der erfindungsgemäßen Erfindung;
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6. eine schematische Darstellung der Drehmomententstehung im Sinn der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7 einen Drehmomentverlauf über ein Abwälzwinkelintervall der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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8 eine schematische Darstellung der Drehmomententstehung an der Welle der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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9 die vordere Ansicht eines Anwendungsbeispiels mit drei Epizykloiden-Umlaufbahnen;
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10 eine schräge Ansicht einer treppenförmigen Magnetbahn eines beispielhaften Anwendungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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11 die isometrische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung.
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1 bis 11 zeigen schematische oder konstruktive Elemente einer Vorrichtung zur Wandlung von magnetischer Energie in mechanische Energie und wird als Ganzes folgend auch als Motor bezeichnet.
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Alle bezeichneten Magnete 3A und 3B des Motors sind in ihrer Form, ihrem Aufbau und ihrer Magnetisierung identisch. Für dieses Anwendungsbeispiel sind Nickel beschichtete Rundmagnete mit einem Durchmesser von 15 Millimeter und einer Länge von 10 Millimeter aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) mit einer axialen N42-Magnetisierung und einer 3,4 Millimeter Mittelpunktbohrung gewählt worden, welche eine Haftkraft von nahezu 36 Newton besitzen. Die Magnete 3A und 3B haben die Eigenschaft, sich mit entgegengesetzten Polen zu ihren Polflächenmittelpunkten hin anzuziehen. Das Verhalten ist die Eigenschaft von Magneten sich zu dem Punkt ihrer dichtesten Magnetfeldlinien hin auszurichten. Daher wird folgend vereinfacht angenommen, dass die Kraftwirkung der Magnete 3A und 3B zwischen ihren Polflächenmittelpunkten oder folgend auch als Magnetpunkt MP bezeichnet, stattfindet.
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Alle bezeichneten Zahnräder 1 und 2 des Motors sind in ihrer Form, ihrem Aufbau und ihren Dimensionen identisch und können zur Gewichtsreduzierung Aussparungen besitzen. Für dieses Anwendungsbeispiel sind Azetalharz-Zahnräder mit einem Teilkreisdurchmesser von 140 Millimeter und dementsprechend 140 Zähnen im Modul 1 und einer Nabe mit einer Mittelpunktbohrung gewählt worden. In den Mittelpunktbohrungen der Zahnräder 1 und 2 sind Wälzlager oder andere Lagerarten installiert, welche eine Rotationsbewegung der Planetenzahnräder 2 um das Sonnenzahnrad 1 ermöglichen.
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Der Motor dieses Anwendungsbeispiels besteht aus vorzugsweise nicht magnetischen Materialien oder magnetisch beeinflussbaren Materialien, welche so angeordnet sind, dass diese keine Auswirkung auf die Funktion des Motors haben.
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Der Motor funktioniert nach einem Epizykloiden-Prinzip. Wenn ein Magnet 3A mit seinem Magnetpunkt MP auf dem Teilkreisdurchmesser eines Planetenzahnrads 2 fest verbunden ist, dann folgt er nach 1 einer Epizykloiden-Umlaufbahn beziehungsweise einer Kardioiden-Umlaufbahn in der Rotation des Planetenzahnrades 2 um das Sonnenzahnrad 1. Diese Kardioide-Kurve ist über die x-Achse symmetrisch. Der Berührungspunkt zwischen dem Planetenzahnrad 2 und dem Sonnenzahnrad 1 wird als Abwälzpunkt AWP bezeichnet. Zwischen dem Abwälzpunkt AWP und dem Magnetpunkt MP entstehen in Abhängigkeit des Abwälzwinkels unterschiedliche Längen. In der Darstellung der 1 sind als Beispiel über die Abwälzwinkel 180°, 90° und 45° die unterschiedlichen Längen zwischen den beiden Punkten angegeben. Der maximale Abstand wird in diesem Anwendungsbeispiel einer Kardioiden-Umlaufbahn bei einem Abwälzwinkel von 180° erreicht, während genau im Abwälzwinkel von 0° bei einer Kardioiden-Umlaufbahn keine Länge vorhanden ist, da der Abwälzpunkt AWP gleich dem Magnetpunkt MP ist.
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Ein Teilsystem oder auch Modul des Motors in diesem Anwendungsbeispiel besteht nach 2 und 3 aus folgenden Komponenten: einem Sonnenzahnrad 1 und vier Planetenzahnrädern 2 mit jeweils einem fest installierten Magnethalter 4 und einem daran befestigten Magneten 3A, der die gleiche Epizykloide-Umlaufbahn beschreibt. Die Planetenzahnräder 2 sind durch eine Führung 5 mit sich und mit dem Sonnenzahnrad 1 verbunden und umlaufen das Sonnenzahnrad 1 in eine bestimmte Richtung. Die Planetenzahnräder 2 sind in einem Winkel von 90° zueinander kreisversetzt angeordnet. Außerdem sind die Planetenzahnräder 2 zueinander und zum Sonnenzahnrad 1 deckungsgleich angeordnet, um optimale Laufeigenschaften des Zahnradtriebes zu gewährleisten. Die Planetenzahnräder 2 sind über die Führung 5 mit Schrauben oder Bolzen und Distanzhülsen durch die Wälzlager verbunden. Die Führung 5 ist mit einer Nabe 8 durch Schrauben oder andere Verbindungselemente fest verbunden. Die Nabe 8 ist wiederum durch eine vorzugsweise Passfederverbindung oder andere Verbindungsmöglichkeiten fest mit der Welle 7 verbunden, welche durch die Module des Motors in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Ein Modul hat nach 2 und 3. eine Anziehungsbahn aus identischen einzelnen Magneten 3B, die vorzugsweise auf der Epizykloiden-Kurve der Magnetumlaufbahn der Magnete 3A und in einer ganz bestimmten Position gegenpolig zu den Magneten 3A auf der Halterung 6 installiert sind. Die Polflächen der Magnete 3B können zusätzlich in ihren Ebenen unterschiedlich zueinander angeordnet sein. Die Anzahl der Magnete 3B kann ebenso variieren. Für das Anwendungsbeispiel sind vorzugsweise 4 Magnete je Modul gewählt worden.
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Die Anziehungskraft ist bedingt durch die Lagerung der Modulkomponenten ein räumlicher Kraftvektor, dessen anteilige Kraft über einen Abstand auf der z-Achse dividiert ist. Somit ergibt sich nach 4 die real wirkende Anziehungskraft F entlang der Ebene, auf der sich die Magnete 3A an ihren Planetenzahnrädern 2 um das Sonnenzahnrad 1 bewegen. Für dieses Anwendungsbeispiel ist ein z-Abstand von 2 mm gewählt. Die anteilige Anziehungskraft F ist die Grundlage zur Drehbewegung der Planentenzahnräder 2.
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Praktische Zugversuche zwischen den Magneten 3A und 3B ergaben die in der 5 abgebildete Magnetkraftkurve. Die Exponentialfunktion zeigt die vorherrschenden Anziehungskräfte zwischen den gegenpolig ausgerichteten Magneten 3A und 3B über den Abstand ihrer Magnetpolflächen. Die verwendeten Magnete 3A und 3B haben die Eigenschaft sich innerhalb ihrer maximalen magnetischen Reichweite mit jedem gegenpoligen Magnetpunkt MP anzuziehen. So können sich mehrere angreifende Anziehungskräfte F auf den Magnetpunkt MP des Magnets 3A am Planetenzahnrad 2 ergeben.
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Die Drehbewegung der Planetenzahnräder 2 um ihr Sonnenzahnrad 1 entsteht durch ein Drehmoment im Abwälzpunkt AWP, welches durch die Anziehungskraft F zwischen dem Magnetpunkt MP des Magnets 3A am Planetenzahnrad 2 und den Magneten 3B der Anziehungsbahn, und den unterschiedlichen Hebelverhältnissen erzeugt wird. Ein Hebel ergibt sich nach 6 aus dem senkrechten Abstand zwischen dem Kraftvektor F und seiner Kraftwirkungslinie durch den Drehpunkt. Dabei ist der Drehpunkt gleich dem Abwälzpunkt AWP. Der maximale Hebel ist nach 1 folglich der Abstand zwischen dem Abwälzpunkt AWP und dem Magnetpunkt MP des Magnets 3A. So ergeben sich über jeden Abwälzwinkel unterschiedlich große Hebel und somit auch unterschiedliche Drehmomente in Abhängigkeit der Magnetkraft. Die Richtung der Anziehungskraft bestimmt die Drehrichtung um den Abwälzpunkt AWP. Dabei ist die Drehrichtung der Welle 7 nach 2 im Uhrzeigersinn als rechtsdrehend und die Drehrichtung entgegen des Uhrzeigersinns als linksdrehend definiert.
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Durch die Wirkung mehrerer Anziehungskräfte F auf den Magnetpunkt MP des Magnets 3A sind mehrere Drehmomente im gleichen Abwälzwinkel möglich. Die Summe aller Drehmomente in einem Abwälzwinkel ergibt das Gesamtdrehmoment genau für diesen Winkel. Der für diesen Motor ergebende Gesamtdrehmomentverlauf ist in der 7 dargestellt. Die Kurve zeigt die Drehmomente im Abwälzwinkelintervall von 50° bis 90°. In den anderen Winkeln besitzt, aufgrund der Anordnung der Magnete 3B auf der Halterung 6, ein System in dieser Konfiguration keine Anziehungskräfte und somit auch kein Drehmoment. Positive Drehmomente wirken rechtsdrehend und negative Drehmomente wirken linksdrehend. Ein Magnet 3A besetzt in einem Modul nach 2 und 3 dieses Anwendungsbeispiels die Abwälzwinkel 0°, 90°, 180° und –90°. Für eine Drehbewegung und damit für die Funktion des Motors müssen die Magnete 3A so angeordnet sein, dass diese in der Summe ihrer Drehmomente die Welle 7 über jeden Abwälzwinkel entweder ausschließlich rechtsdrehend oder linksdrehend beeinflussen beziehungsweise ausschließlich positive Drehmomente oder nur negative Drehmomente besitzen. Dazu können mehrere Module in unterschiedlichen Winkeln kreisversetzt zueinander zusammengeschalten werden, dass eine geeignete Kombination über jeden Abwälzwinkel gegeben ist, um eine stetige Rotationsbewegung zu erzeugen.
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Für dieses Anwendungsbeispiel sind insgesamt 90 Module mit einem Versatzwinkel von 1° zueinander in der Reihe zusammengeschaltet worden. Somit wird jeder Abwälzwinkel von einem Magneten 3A besetzt. Die Summe des sich daraus ergebenden Drehmoments kann ebenfalls durch eine Flächenintegration des Gesamtdrehmomentverlaufs in 7 erfolgen und ergibt 103,94 Nmm rechtsdrehend am Abwälzpunkt AWP.
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Das Drehmoment MAWP im Abwälzpunkt AWP wird nach 8 über die Länge l1 an die Führung 5 und wiederum über die Länge l2 auf die Welle 7 übertragen. Dabei ist die Länge l1 der Radius des Planetenzahnrades 2 und die Länge l2 die Summe aus den Radien des Sonnenzahnrads 1 und eines Planetenzahnrads 2. In diesem Anwendungsbeispiel sind die Radien gleich groß. Somit ist das Verhältnis der Länge l2 zur Länge l1 gleich 2:1. Das Drehmoment MAWP geht also mit dem Faktor zwei auf die Welle 7 ein. Das in diesem Anwendungsbeispiel nur durch die Anziehungskraft nutzbare Drehmoment MW beträgt 0,21 Nm am Ausgang der Welle 7.
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Die Anzahl der Module eines Motors ist abhängig von der Anzahl und Anordnung der Magnete 3B auf der Halterung 6 und der Anzahl und Anordnung der Magnete 3A an einem Planetenzahnrad 2. So kann beispielsweise ein Modul mit einem Sonnenzahnrad 1 und vier Planetenzahnrädern 2 ähnlich wie in 2 und 3 bereits ausreichen, wenn jeweils drei Magnete 3A an den Planetenzahnrädern 2 um 120° versetzt an den Magnethaltern 4 installiert sind. Dadurch entstehen nach 9 drei identische und um 120° versetzte Epizykloide-Umlaufbahnen. Durch eine bestimmte Anordnung in Form einer Anziehungsbahn der Magnete 3B auf der Halterung 6 dreht jeder Magnet sein Planetenzahnrad um einen Abwälzwinkel von 30° bis an das Ende der Anziehungsbahn. Erreicht ein Magnet 3A das Ende der Anziehungsbahn durch Erreichung des Punktes seiner stärksten Anziehungskraft, verbindet sich ein anderer Magnet 3A am Anfang einer Anziehungsbahn, welcher aufgrund des Hebelverhältnisses ein größeres Drehmoment als der Magnet 3A am Ende der Anziehungsbahn aufweist und diesen über das Ende hinausschiebt. Die Magnete 3B müssen dabei so angeordnet sein, dass diese keinen Einfluss auf die weiteren Magnete 3A im Umlauf um das Sonnenzahnrad 1 haben und eine Rotationsbewegung ermöglicht wird.
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Eine Anziehungsbahn nach dem Aufbau aus 9 ist in 10 dargestellt. Die Magnete 3B sind in Form einer Treppe auf der Halterung 6 fest installiert. Durch die resultierenden unterschiedlichen Abstände zu den Magneten 3A, werden diese über die Anziehungsbahn hinweg zu der Stelle ihrer stärksten Anziehungskraft hinbewegt. Der Abwälzwinkel, den das Planetenzahnrad 2 dabei zurücklegt ist abhängig von der Länge und Anordnung der Anziehungsbahn.
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Die Funktion des Motors ist begünstigt, wenn unterschiedliche Module in einer Reihenschaltung nach 11 zusammengefügt sind. Dabei können die Magnete 3A der einzelnen Module so angeordnet sein, dass sie bestimmte Abwälzwinkel einnehmen und somit eine einseitige Drehwirkung verursachen. Dabei sind die einzelnen Module über vorzugsweise eile Welle 7 miteinander verbunden. Die Module können ebenso parallel geschaltet werden und über Antriebe miteinander verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonnenzahnrad
- 2
- Planetenzahnrad
- 3A
- Magnet am Planetenzahnrad
- 3B
- Magnet an der Halterung
- 4
- Magnethalter
- 5
- Führung
- 6
- Halterung
- 7
- Welle
- 8
- Nabe
- AWP
- Abwälzpunkt
- MAWP
- Drehmoment am Abwälzpunkt
- MP
- Magnetpunkt
- MW
- Drehmoment an der Welle