DE102005005060A1 - Magnetischer Trägheitskraftgenerator mit gesteigerter Leistung - Google Patents

Abstract

Ein Magnetkraftgenerator umfasst einen Magnetmantel, der innen eine Ankerkammer definiert. Zumindest drei sich um den Umfang erstreckende elektrische Wicklungen sind axial in der Kammer beabstandet. Ein in der Kammer zur Hin- und Herbewegung darin gelagerter Anker umfasst eine Vielzahl ausgerichteter Magnete, die durch zumindest eine Zwischenmagnetstahlplatte getrennt sind, die zwischen gleiche Pole von aneinander angrenzenden Magneten geschichtet ist, und ein Paar von Endstahlmagnetplatten an entgegengesetzten Enden des Ankers. Die Platten erstrecken sich seitlich zu einem Umfang des Ankers in allgemein seitlicher Ausrichtung mit den elektrischen Wicklungen. Federn zentrieren den Anker zwischen den nicht magnetischen Enden der Kammer nominell. Eine gesteuerte Anregung der Wicklungen hat eine axiale Hin- und Herbewegung des Ankers relativ zu dem Mantel zur Folge, wodurch eine entgegengesetzte Trägheitskraft an dem Mantel zur Anwendung auf einen damit verbundenen Körper entwickelt wird. Die Verwendung mehrerer Magnete verbessert die Leistungsfähigkeit und/oder verringert die Kosten im Vergleich zu einem einzelnen Magneten mit vergleichbarer Größe.

Description

• Diese Erfindung betrifft magnetische Trägheitskraftgeneratoren und insbesondere einen verbesserten Generator, der eine höhere Leistung aufweist und/oder bei geringeren Kosten herstellbar ist.
• 1 zeigt eine bekannte Form eines magnetischen Trägheitskraftgenerators 60 mit einem zylindrischen Gehäuse 62, das innen eine Ankerkammer 64 definiert, die einen Anker 66 umfasst, der entlang einer zentralen Achse 68 hin- und herbewegbar ist. Das Gehäuse 62 ist mit einem zylindrischen magnetischen Stahlmantel 70 ausgebildet, der durch Aluminiumendkappen 71, 72 geschlossen ist und ein Paar axial beabstandeter elektrischer Wicklungen 73, 74 umfasst, die im Inneren des Gehäuses 62 angebracht sind.
• Der Anker 66 umfasst einen Permanentmagneten 76 mit axial beabstandetem Nord-(N)- und Süd-(N)-Pol an gegenüberliegenden Enden, an denen ein Paar magnetischer Stahlendplatten 78 befestigt sind. Die Endplatten 78 erstrecken sich seitlich zu den Außenenden 80, wodurch ein Umfang des Ankers 66 allgemein in Ausrichtung mit den elektrischen Wicklungen 73, 74 gebildet wird. Der Permanentmagnet 76 erzeugt ein magnetisches Flussfeld, das in den Stahlendplatten 78 konzentriert ist und sich radial durch die Wicklungen 73, 74 in den Stahlmantel 70 erstreckt. Elastische Federn 82 zwischen den Endplatten 78 und den Endkappen 71, 72 des Gehäuses 62 sind derart ausgebildet, dass sie den Anker 66 zwischen den Endkappen in der Kammer 64 nominell zentrieren.
• Im Betrieb erzeugt eine Wechselfrequenz, die die Wicklungen lädt, elektromagnetische Kräfte, die auf das permanentmagnetische Flussfeld wirken, um eine relative hin- und hergehende Bewegung zwischen dem Anker 66 und dem umgebenden Gehäuse 62 zu bewirken. Die hin- und hergehende Bewegung hat zur Folge, dass die Trägheit des Ankers 66 eine reaktive Trägheitskraft an das Gehäuse 62 anlegt, die für eine gewünschte Aufgabe auf einen verbundenen Körper ausgeübt werden kann. Derartige Aufgaben können beispielsweise umfassen: eine Vibrationsprüfung hergestellter Zusammenbauten und eine Verringerung oder Beseitigung von Vibrationen durch Anwendung von Kräften, die den die Bewegung der Vibration stimulierenden Kräften entgegengesetzt sind.
• Die vorliegende Erfindung sieht einen verbesserten Magnetkraftgenerator vor, der eine erhöhte Trägheitskraft in einem Paket mit derselben Größe vorsehen kann und/oder eine vergleichbare Leistung bei geringeren Kosten zur Herstellung eines Kraftgenerators vorsehen kann.
• Der Kraftgenerator wird dadurch verbessert, dass mehrere von zwei oder mehr Permanentmagneten anstelle des einzelnen Magneten der Ausgestaltung nach dem Stand der Technik verwendet werden. Zwischen jeden der separaten Magnete ist eine Zwischenstahlplatte geschichtet, die durch gleiche Pole der benachbarten Magnete in Kontakt steht. Ein Paar von Stahlmagnetendplatten ist an den magnetischen Enden des Ankers angeordnet, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
• Die separaten Platten des Ankers erstrecken sich alle seitlich zu dessen Umfang und sind in allgemeiner Ausrichtung mit elektrischen Wicklungen angeordnet, die an der Innenfläche des umgebenden Gehäuses vorgesehen sind. Das Gehäuse ist bevorzugt zylindrisch, könnte jedoch auch jede andere gewünschte Querschnittsgestaltung besitzen. Das umgebende Gehäuse kann aus magnetischem Stahl, wie zuvor, bestehen und mit Aluminiumendkappen und Federn versehen sein, die den Anker zwischen den Endplatten zentrieren. Eine Auswertung zeigt, dass die Verwendung mehrerer ausgerichteter Magnete in dem Anker eine größere Leistung von einem Anker mit derselben Länge vorsieht und mit geringeren Kosten hergestellt werden kann, da die Menge an magnetischem Material durch Zusatz der Zwischenplatten, die zwischen die Magnetabschnitte geschichtet sind, verringert ist.
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• 1 eine Schnittansicht eines Magnetkraftgenerators nach dem Stand der Technik ist, und
• 2 eine Schnittansicht ähnlich zu 1 ist, die jedoch einen verbesserten Magnetkraftgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• In 2 der Zeichnungen zeigt Bezugszeichen 10 allgemein einen Magnetkraftgenerator, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Kraftgenerator 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einem allgemein zylindrischen Außenmantel 14, der eine innere zylindrische Kammer 16 definiert, die an ihren Enden durch nicht magnetische Aluminiumendkappen 18, 20 geschlossen ist. Es sind mehrere aus zumindest drei sich um den Umfang herum erstreckenden elektrischen Wicklungen, die Endwicklungen 22 und eine Zwischenwicklung 24 umfassen, in Längsrichtung innerhalb der Kammer 16 beabstandet und an der zylindrischen Innenfläche 26 des Außengehäuses 14 angebracht. Die Endwicklungen 22 umfassen jeweils eine einzelne Wicklungsreihe, während die Zwischenwicklung 24 zwei konzentrische Wicklungsreihen umfasst, obwohl diese Anordnung für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist.
• Innerhalb der Kammer 16 ist ein Anker 28 hin- und herbewegbar gelagert. Der Anker 28 umfasst eine Vielzahl aus zumindest zwei axial ausgerichteten Permanentmagneten 30, 32, die durch eine Zwischenmagnetstahlplatte 34 getrennt sind, die zwischen gleichen Polen der beiden Magnete 30, 32 verbunden ist, wie beispielsweise den Südpolen S. Die Magnete 30, 32 können Ringmagnete sein, wie gezeigt ist, oder können mit einer beliebigen gewünschten Gestaltung ausgebildet sein. Die Ringmagnete sind bevorzugt, da der Hohlraum innerhalb des Magnetes einen geeigneten Ort vorsieht, um Gewicht hinzuzufügen und damit ein Einstellen der Resonanzfrequenz des Aktuators zu unterstützen. Jedoch können auch zylindrische Magnete verwendet werden.
• An den gegenüberliegenden Enden des Ankers 28 sind magnetische Stahlendplatten 36 an den Nordpolenden (N-Enden) des Magneten 30, 32 befestigt. Im zusammengebauten Zustand entwickeln die Magnete 30, 32 des Magnetkraftgenerators 10 doppelte Magnetflussfelder (in dem Fall doppelter Magnete), die beispielsweise von den Nordpolen der Magnete durch die Endplatten 36 an den Magnetaußenmantel 14 und dann in Richtung des Zentrums in die Zwischenstahlplatte 30 gelangen.
• Der Anker 28 ist in der Kammer 16 durch ein Paar Druckfedern 38 zentriert. Die Federn 38 sind an den Endplatten 36 angebracht und stehen mit den Endkappen 18 in Eingriff, um den Anker in Richtung des Zentrums der Kammer 16 vorzuspannen. Die Anordnung erlaubt, dass sich der Anker gegen die Federn 38 entlang der Zentralachse 40 hin- und herbewegen kann, hindert jedoch den Anker an einer Querbewegung innerhalb der Kammer 16. Wenn der Anker zentriert ist, sind die äußeren Enden 42 der Zwischen- und Endstahlplatten 34, 36 gegenüberliegend den in dem Gehäuse 12 angebrachten Zwischen- und Endwicklungen 24, 22 angeordnet und sind allgemein längs mit diesen ausgerichtet.
• Um den gewünschten Betrieb des Kraftgenerators vorsehen zu können, sind zur Verbindung der Wicklungen mit einer Wechselspannung (AC) mit steuerbarer Frequenz die Endwicklungen 22 bevorzugt in einer ersten Richtung gewickelt und die Zwischenwicklung 24 ist bevorzugt in einer entgegengesetzten Richtung gewickelt. Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Arten des Wickelns der Wicklungen und der Verbindung der Wicklungen mit der Wechselspannung verwendet werden können. Auch sei zu verstehen, dass mehr als zwei einzelne Permanentmagnete in Reihe ausgerichtet sein können, um den Anker 28 zu bilden, wobei in dem Fall die Anordnung in den Polen des Magnetes demgemäß eingestellt würde.
• Im Betrieb wird eine Wechselspannung mit steuerbarer Frequenz an die End- und Zwischenwicklungen 22, 24 angelegt, so dass alle Wicklungen Kräfte auf ihre zugeordneten Stahlplatten 34, 36 in derselben Richtung zur selben Zeit ausüben. Da der Strom ein Wechselstrom ist, variieren die Kräfte natürlich in der Richtung zweimal pro Periode des Wechselstroms und haben zur Folge, dass der Anker entlang der Achse 40 in dem Gehäuse 12 schwingt. Die Trägheit des Ankers 28 widersteht der Bewegung des Ankers und sieht somit gleiche und entgegengesetzte Kräfte an den am Gehäuse befestigten Wicklungen vor, was zur Folge hat, dass das Gehäuse 12 in einer Richtung entlang der Achse 40 entgegen der Richtung bewegt wird, in der der Anker zur Bewegung gedrängt wird.
• Die wechselnden Kräfte, die zwischen dem Anker 28 und den Wicklungen 22, 24 erzeugt werden, legen somit hin- und herwechselnde Kräfte an das Gehäuse 12 an, die an einen beliebigen Körper, der nicht gezeigt ist, übertragen werden können, mit dem das Gehäuse verbunden ist oder an dem es befestigt ist. Somit kann das Gehäuse 12 beispielsweise an einer Platte befestigt sein, an der Teile zur Vibrationsprüfung befestigt sind. Bei einem anderen Beispiel kann das Gehäuse an einer Motorkomponente befestigt sein, die durch Vibrationskräfte, die durch die sich bewegenden Komponenten des Motors während des Betriebs erzeugt werden, stimuliert wird.
• Durch geeignete Sensoren und Steuermittel, die in der Technik bekannt sind, kann die Wechselspannung, die an die Wicklungen 22, 24 angelegt wird, zeitlich so abgestimmt werden, dass entgegengesetzte hin- und herwechselnde Kräfte in dem Gehäuse erzeugt werden, die zeitlich so abgestimmt sind, dass die Schwingungen der Motorkomponente, an der der Kraftgenerator befestigt sein kann, kompensiert werden. Auf diese Art und Weise legt die hin- und hergehende Bewegung des Gehäuses die entwickelte Trägheitskraft gegen die Vibrationsbewegung des Motors an, an dem das Gehäuse befestigt ist, und kompensiert somit vollständig oder teilweise die Vibration des Motors, was zur Folge hat, dass der Betrieb desselben in einer glatten und nicht vibrierenden Art und Weise wahrgenommen wird.
• Die Anordnung der Wicklungen 22, 24 und die Verwendung doppelter Magnete bei der Ausführungsform von 2 zeigt lediglich ein mögliches Beispiel eines verbesserten Magnetkraftgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung wurde zum Vergleich der neuen Vorrichtung mit der Vorrichtung von 1 nach dem Stand der Technik entwickelt, wobei die Größen der Vorrichtungen gleich sind und die gleiche Gesamtzahl von Windungen der Wicklungen verwendet ist. Die Menge an Magnetmaterial bei der neuen Gestaltung ist durch Zusatz des Mittelpols verringert, was die Kosten des Magnetmaterials verringert. Die Größen der drei Platten sind bei dieser Ausführungsform gleich.
• Eine Auswertung sehr ähnlicher Vorrichtungen zeigte, dass der Doppelmagnetkraftgenerator von 2 eine um 31 % höhere Kraftkonstante (Newton/Ampere) als ein Einzelmagnetkraftgenerator nach dem Stand der Technik von 1 besitzt. Auch enthält die Doppelmagnetgestaltung von 2 etwa 8 % weniger Magnetmaterial, was in einer Kostenverringerung resultiert.
• Diese Ergebnisse zeigen, dass durch zusätzliche Abwandlungen, wie beispielsweise einer erhöhten Anzahl kürzerer Magnete, die durch zusätzliche Platten getrennt sind, und die Vorkehrung zusätzlicher Wicklungen in dem Gehäuse, eine zusätzliche Leistungsfähigkeit wie auch Kostenverbesserungen erhalten werden können. Andere Abwandlungen, die die Masse der Vorrichtungen und die effektive Leistung der Wicklungen beeinflussen, können selbstverständlich ebenfalls von Nutzen sein.
• Zusammengefasst umfasst ein Magnetkraftgenerator einen Magnetmantel, der innen eine Ankerkammer definiert. Zumindest drei sich um den Umfang erstreckende elektrische Wicklungen sind axial in der Kammer beabstandet. Ein in der Kammer zur Hin- und Herbewegung darin gelagerter Anker umfasst eine Vielzahl ausgerichteter Magnete, die durch zumindest eine Zwischenmagnetstahlplatte getrennt sind, die zwischen gleiche Pole von aneinander angrenzenden Magneten geschichtet ist, und ein Paar von Endstahlmagnetplatten an entgegengesetzten Enden des Ankers. Die Platten erstrecken sich seitlich zu einem Umfang des Ankers in allgemein seitlicher Ausrichtung mit den elektrischen Wicklungen. Federn zentrieren den Anker zwischen den nicht magnetischen Enden der Kammer nominell. Eine gesteuerte Anregung der Wicklungen hat eine axiale Hin- und Herbewegung des Ankers relativ zu dem Mantel zur Folge, wodurch eine entgegengesetzte Trägheitskraft an dem Mantel zur Anwendung auf einen damit verbundenen Körper entwickelt wird. Die Verwendung mehrerer Magnete verbessert die Leistungsfähigkeit und/oder verringert die Kosten im Vergleich zu einem einzelnen Magneten mit vergleichbarer Größe.

Claims (7)

1. Magnetkraftgenerator mit: einem magnetischen Mantel, der innen eine Ankerkammer, die eine Achse umfasst, definiert; zumindest drei sich um den Umfang erstreckenden elektrischen Wicklungen, die axial in der Kammer beabstandet sind; einem Anker, der in der Kammer zur Hin- und Herbewegung an der Achse gelagert ist, wobei der Anker eine Vielzahl ausgerichteter Magnete, die durch zumindest eine Zwischenmagnetstahlplatte getrennt sind, die zwischen gleiche Pole von angrenzenden Magneten geschichtet ist, und ein Paar von Endstahlmagnetplatten an entgegengesetzten Enden des Ankers umfasst, wobei sich die Platten seitlich zu einem Umfang des Ankers in allgemein seitlicher Ausrichtung mit den elektrischen Wicklungen erstrecken; und elastischen Elementen, die den Anker zwischen nicht magnetischen Enden der Kammer nominell zentrieren; wobei sich ein gesteuertes Anregen der Wicklungen auf die Magnetplatten derart auswirkt, das der Anker axial in einer gesteuerten Art und Weise relativ zu dem Mantel hin- und herbewegt wird, um eine entgegengesetzte Trägheitskraft an dem Mantel zur Anwendung auf einen damit verbundenen Körper zu entwickeln.
2. Magnetkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei die elastischen Elemente Druckfedern sind.
3. Magnetkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der ausgerichteten Magnete zwei beträgt.
4. Magnetkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei die ausgerichteten Magnete Ringmagnete sind.
5. Magnetkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Zwischen- und Endstahlmagnetplatten in dem Anker gleich der Anzahl der in dem Mantel beabstandeten, sich um den Umfang erstreckenden elektrischen Wicklungen ist.
6. Magnetkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei der Magnetmantel ein Teil eines Gehäuses ist, das nicht magnetische Endmagnete umfasst, die die Enden der Kammer schließen.
7. Magnetkraftgenerator mit: einem magnetischen Mantel, der innen eine Ankerkammer, die eine Achse umfasst, definiert; zumindest drei sich um den Umfang erstreckenden elektrischen Wicklungen, die axial in der Kammer beabstandet sind; einem Anker, der an der Kammer zur Hin- und Herbewegung an der Achse gelagert ist, wobei der Anker eine Vielzahl ausgerichteter Magnete, die durch zumindest eine Zwischenmagnetstahlplatte getrennt sind, die zwischen gleiche Pole von angrenzenden Magneten geschichtet ist, und ein Paar Endstahlmagnetplatten an entgegengesetzten Enden des Ankers umfasst, wobei sich die Platten seitlich zu einem Umfang des Ankers in allgemein seitlicher Ausrichtung mit den elektrischen Wicklungen erstrecken, und elastischen Elementen, die den Anker zwischen Enden der Kammer nominell zentrieren; wobei sich ein gesteuertes Anregen der Wicklungen auf die Magnetplatten derart auswirkt, das der Anker axial in einer gesteuerten Art und Weise bezüglich des Mantels hin- und herbewegt wird, um eine entgegengesetzte Trägheitskraft an dem Mantel zur Anwendung auf einen damit verbundenen Körper zu entwickeln.