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Elektrische Maschine
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine zur Erzeugung
einer periodischen, mechanischen Bewegung mittels Dauermagneten.
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Die Verwendung von Dauermagneten in umlaufenden elektrischen Maschinen
ist hinreichend bekannt. Entweder wird mit Hilfe der Dauermagnete ein stationäres
Magnetfeld erzeugt, in welchem sich auf einem Läufer angeordnete stromdurchflossene
Leiter bewegen. Dieses Prinzip ähnelt demjenigen der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine.
In andere Fällen ist-der Läufer als Permanentmagnet ausgebildet, der in einem Stator
sitzt, längs dessen Umfangs ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird.
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Hierbei ist der Läufer bestrebt, synchron mit der Drehfeidfrequenz
umzulaufen, womit hier das Prinzip Synchronmaschine gegeben ist.
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Der Erfindung liegt dagegen der Gedanke zugrunde, die aufeinander
einwirkenden Magnetfelder sämtlich durch Dauermagnete zu erzeugen. Da somit anstelle
der sonst üblichen stromdurchflossenen
Leiter, die in Reaktion
mit einem Magnetfeld stehen, ein Dauermagnet tritt, muß dafür Sorge getragen werden,
daß durch eine fortlaufende magnetische Umpolung eine in mechanische Bewegung umsetzbare
Kraft aufrecht erhalten wird. Hierzu kann man sith die Erkenntnisse über die Ummagnetisierung
von Permanentmagneten zunutze machen. Bekanntlich kann man einen Dauermagneten umpolen,
indem man auf ihn eine elektrische Wicklung aufbringt und diese mit einer elektrischen
Durchflutung beaufschlagt, die im magnetischen Fluß entgegengerichtet ist. Dabei
tritt nach Überwindung der Koerzitivkraft, die dem entmagnetisierten Zustand entspricht,
ein in seiner Richtung umgekehrter remanenter Magnetismus ein, der sich in seiner
Größe einerseits nach den Materialeigenschaften und andererseits nach der aufgebrachten
elektrischen Durchflutung richtet.
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Dabei ist besonders wichtig, daß diese elektrische Durchflutung nur
kurzzeitig aufgebracht werden muß, denn nach Beendigung der Ummangnetisierung bzw.
Umpolung der Magnetrichtung kann der Magnetisierungsstrom abgeschaltet werden, ohne
daß die erzeugte Magnetkraft davon noch beeinflußt wird. Man hat festgestellt, daß
in den in einzelne Diepole zerlegbaren Bezirken eines solchen Permanentmagneten
eine spontane Magnetisierung eintritt und somit die zeitliche Dauer des Magnetisierungsstroms
nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Man benötigt deshalb zur jeweiligen Ummagnetisierung
nur einen kurzzeitigen Stromimpuls, dessen zeitliche Dauer theoretisch soweit verkürzt
werden kann, daß man die angestrebte Ummagnetisierung nahezu energielos bewerkstelligen
kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die weitgehend energiefreie
Umpolung von Dauermagneten für die Gewinnung mechanischer Arbeit aus den eigentlichen
Magnetkräften zu nutzen.
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Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine der gattungsgemäßen
Art dadurch gelöst, daß im Magnetfeld eines oder mehrerer Dauermagnete ein oder
mehrere weitere Dauermagnete beweglich angeordnet
sind und die
beweglichen Dauermagnete durch eine periodische elektrische Umpolung der Magnetpole
der stationären und/ oder der beweglichen Dauermagnete von einer in ihrer Richtung
entsprechend periodisch wechselnden Magnetkraft beaufschlagt sind.
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Einerseits könnte man die Umpolung der Dauermagnete durch sogenannte
Erregermagnete bewirken, vorteilhafter ist es jedoch, wenn zur elektrischen Umpolung
der Magnetpole auf den Dauermagneten elektrische Wicklungen angeordnet sind, auf
die jeweils ein der magnetischen Flußrichtung entgegenwirkender Stromimpuls aufgeschaltet
wird.
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Um eine fortlaufende Bewegung zu erreichen ist es von Vorteil, wenn
die Wicklungen der Dauermagnete an einen oder mehrere Impulsgeneratoren angeschlossen
sind, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung der beweglichen Dauermagnete
gesteuert sind.
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Dabei kann man der Maschine von außen her durch entsprechende Vorgabe
eines Steuerimpulses eine Bewegung aufzwingen, oder man kann in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung die Impulsgeneratoren unmittelbar von den beweglichen Dauermagneten
steuern lassen.
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Um eine für die Spontanmagnetisierung einerseits ausreichende und
andererseits jedoch darüber nicht hinausgehende elektrische Energie zur Verfügung
zu stellen, ist es von Vorteil, wenn den Impulsgeneratoren Impulsverstärker für
die Stärke und/oder die Dauer der Stromimpulse nachgeschaltet sind. Der jeweilige
Impulsgenerator oder Impulsverstärker besitzt somit insbesondere ein Zeitglied,
über das die Impulsdauer optimal kurzgehalten werden kann.
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In vorteilhafter Ausführung nach der Erfindung sind ein oder mehrere
der beweglichen Dauermagnete auf einer Geradführung hin- und herbeweglich angeordnet
und dazu koaxial an den Enden
der Geradführung die stationären Dauermagnete.
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In anderer vorteilhafter Ausführung nach der Erfindung sind ein oder
mehrere Dauermagnete drehbeweglich gelagert und längs ihrer Kreisbahn die stationären
Dauermagnete angeordnet.
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In weiterer vorteilhafter erfindungsgemäßer Ausführung sind ein oder
mehrere der beweglichen Dauermagnete linear beweglich längs der entsprechend bahnförmig
aneinandergereihten stationären Dauermagnete angeordnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Maschine mit
linar hin- und herbeweglichem Dauermagneten und Fig. 2 schematisch den Aufbau einer
erfindungsgemäßen Maschine mit drehbeweglichem Dauermagneten.
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Im einzelnen erkennt man in Figur 1 zwei stationär angeordnete Dauermagnete
1 und 3. Beide tragen je eine Ummagnetisierungswicklung 2 und 4. Zwischen den beiden
Dauermagneten 1 und 3 ist beweglich ein weiterer Dauermagnet 5 angeordnet, der auf
einer Geradführung 6 gelagert ist Er ist somit in Richtung der Pfeile A und B geradlinig
hin- und herbeweglich. Nimmt man an, daß sich der Südpol des Dauermagneten 5 auf
der in Richtung des Pfeils A liegenden Seite befindet, und einerseits der Dauermagnet
1 derart magnetisiert ist, daß sich sein Nordpol auf der dem Dauermagneten 5 zugewandten
Seite befindet, während der zweite stationäre Dauermagnet 3 mit seinem Nordpol in
Richtung auf den beweglichen Dauermagneten 5 weist, dann bewegt sich der Dauermagnet
5 in Richtung des Pfeils A auf den ersten stationären Dauermagneten
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zu. Die Bewegungsrichtung des Dauermagneten 5 kehrt sich um, sobald die Magnetisierungsrichtung
der beiden stationären Dauermagnete 1 und 3 umgepolt sind. Wenn nämlich der linke
Dauermagnet 1 mit seinem Südpol in Richtung des beweglichen Dauermagneten 5 zeigt
und ebenso der Südpol des zweiten stationären Dauermagneten 3 zum Dauermagneten
5 hin liegt, dann bewegt sich dieser letztere Dauermagnet 5 in Richtung des Pfeiles
B, da seine Magnetisierungsrichtung unverändert bleibt.
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Um die gewünschte Ummagnetisierung der Dauermagnete 1 und 3 zu bewirken,
müssen die Ummagnetisierungswicklungen 2 und 4 kurzzeitig erregt werden. Erreicht
der Dauermagnet 5 bei seiner Bewegung in Richtung des Pfeiles A einen in der Nähe
des Dauermagneten 1 angeordneten Taster 7, wird dadurch ein Impulsgenerator 8 angesteuert,
der über einen Impulsverstärker 9 die Ummagnetisierungswicklungen 2 und 4 mit einem
einzigen Stromimpuls versorgt. Dieser Stromimpuls ist hinsichtlich seiner Amplitude
und Dauer derart bemessen, daß eine vollständige Ummagnetisierung der Dauermagnete
1 und 3 erreicht wird. Für das Eintreten der Sportanmagnetisierung ist vor allem
die Impuls stärke bedeutsam, die Impulsdauer kann dagegen sehr klein gehalten werden
Bewegt sich der Dauermagnet 5 in Richtung des Pfeiles B,erreicht er in der Nähe
des zweiten stationären Dauermagneten 3 einen weiteren Endtaster 10, der wiederum
einen Impulsgeber i1 ansteuert, welcher über einen Verstärker 12 einen Stromimpuls
auf die beiden Ummagnetisierungswicklungen 2 und 4 gibt, der dem zuvor erzeugten
Stromimpuls durch den Impulsgenerator 8 entgegengerichtet ist. Damit werden die
Dauermagnete 1 und 3-wieder umgepolt.
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An dem hin- und herbewegten Dauermagneten 5 kann nun eine mechanische
Arbeit abgegriffen werden, die von der aufgebrachten elektrischen Energie zur Ummagnetisierung
der beiden Dauermagnete-1 und 3 unabhängig ist.
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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 soll lediglich das erfindungsgemäße
Prinzip veranschaulichen. Anstelle der stationären Dauermagnete 1 und 3 kann auch
jeweils der bewegliche Dauermagnet 5 umgepolt werden, sofern man ihn mit einer entsprechenden
Ummagnetisierungswicklung versieht. Auch können die Impulsgeber und -verstärker
zusammengefaßt werden, sofern nur dafür gesorgt ist, daß jeweils die Stromrichtung
in den Ummagnetisierungsspulen umgekehrt wird.
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Bei einer drehenden Maschine könnte man die Umkehr dieser Stromrichtung
durch einen Stromwender bewerkstelligen, der sich zusammen mit dem Läufer dreht.
Das grundsätzliche Prinzip einer solchen Maschine ist in Figur 2 wiedergegeben.
Hier sitzen auf einem nicht näher dargestellten Gestell 15 Dauermagnete 13 mit Ummagnetisierungswicklungen
14, die für den zeichnerisch festgehaltenen Augenblick eine magnetische Polung entsprechend
der dargestellten Südpole S und Nordpole N besitzen. Ein weiterer Dauermagnet 16
ist auf einer Achse 17 als Läufer angeordnet und ist entsprechend seiner Polung
bestrebt, sich im Sinne der beiden Pfeile um die Achse 17 zu drehen. Sobald er mit
einem seiner Pole einen entsprechend ungleichnamigen Pol an einem der Dauermagnete
13 erreicht, muß über die jeweilige Ummagnetisierungswicklung 14 die Polung des
betreffenden Dauermagneten 13 umgekehrt werden. Damit stehen sich dann zwei gleichnamige
Pole mit abstoßender Wirkung gegenüber.
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann ebenso auf einen sogenannten Linearmotor
übertragen werden, wenn man auch hier eine solche Umpolung der Dauermagnete vorsieht,
daß auf den bzw. die-beweglichen Dauermagnete eine fortlaufende Kraft ausgeübt wird.