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Diese
Erfindung betrifft magnetische Trägheitskraftgeneratoren und
insbesondere einen verbesserten Generator, der eine höhere Abgabeleistung
aufweist und/oder mit geringeren Kosten herstellbar ist.
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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.
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Der
Anker 66 umfasst einen Permanentmagneten 76 mit
axial beabstandetem Nord-(N)- und Süd-(S)-Pol an entgegengesetzten
Enden, an denen ein Paar magnetischer Stahlendplatten 78 befestigt ist.
Die Endplatten 78 erstrecken sich seitlich zu 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.
Obere und untere elastische Federn 82, 84 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.
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Im
Betrieb wird eine Wechselspannung mit steuerbarer Frequenz an die
elektrischen Wicklungen 73, 74 angelegt, so dass
ein Wechselstrom in den Wicklungen fließt. Die Wechselwirkung des
magnetischen Flusses von dem Anker 66 und des Stroms in
den Wicklungen erzeugt eine Kraft auf den Anker und eine gleiche
und entgegengesetzte Kraft auf die Wicklung. Da die Wicklungen 73, 74 starr
an dem Außenmantel 70 befestigt
sind, wird von der Wicklung keine Kraft von dem Trägheitskraftgenerator
nach außen übertragen.
Wenn sich der Anker 66 aufwärts bewegt, wird die obere
Feder 82 gedrückt und
die untere Feder 84 gedehnt. Wenn der Anker sich abwärts bewegt,
gilt das Umgekehrte. Wenn die Federn 82, 84 gedrückt und
gedehnt werden, wird die Kraft auf die Endkappen 71 und 72 übertragen.
Da die Endkappen starr an dem Außenmantel 70 befestigt
sind, wird von den Federn keine Kraft von dem Trägheitskraftgenerator nach außen übertragen.
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Wenn
sich der Anker 66 aufwärts
und abwärts
bewegt, ist der Anker einer mit der Zeit variierenden Position,
Geschwindigkeit und Beschleunigung ausgesetzt. Da der sich bewegende
Anker eine Masse besitzt, ist eine Kraft erforderlich, um die Position
des Trägheitskraftgenerators 60 beizubehalten. Ohne
die gleiche und entgegengesetzte Kraft würde sich der Mantel 70,
die Wicklungen 73 und 74 wie auch die Endkappen 82 und 84 zusammen
abwärts bewegen,
wenn sich der Anker 66 aufwärts bewegt, um den Massenschwerpunkt
des Trägheitskraftgenerators
in derselben Position zu halten. Infolge dessen kann der Trägheitskraftgenerator 60 eine
Kraft auf einen damit verbundenen Körper für beliebige geeignete Aufga ben
ausüben.
Derartige Aufgaben können beispielsweise
eine Vibrationsprüfung
von hergestellten Zusammenbauten wie auch eine Verringerung oder
Beseitigung von Vibrationen durch Anwendung von Kräften umfassen,
die den Kräften
entgegengesetzt sind, die die Bewegung der Vibration stimulieren.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen verbesserten magnetischen Kraftgenerator
vor, der in der Lage ist, eine erhöhte Trägheitskraft in einem Paket
mit derselben Größe vorzusehen
und/oder eine vergleichbare Abgabeleistung bei geringeren Kosten zur
Herstellung eines Kraftgenerators vorzusehen.
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Der
Kraftgenerator wird dadurch verbessert, dass ein erster und zweiter
radial magnetisierter Permanentmagnet anstelle des axial magnetisierten Permanentmagneten
der Konstruktion nach dem Stand der Technik verwendet wird. Die
Magnete sind axial beabstandet, an einem sich längs erstreckenden magnetischen
Stahlrohr befestigt und sind allgemein mit elektrischen Wicklungen
ausgerichtet, die in der Innenfläche
eines umgebenden Gehäuses
vorgesehen sind. Da die Magnete radial magnetisiert sind, wirkt
der magnetische Fluss, der durch die Magnete erzeugt wird, direkt
auf die Wicklungen, wodurch die Endplatten von dem Anker weggelassen werden
können.
Um die Übertragung
des magnetischen Flusses zwischen den Magneten und den Wicklungen
weiter zu verbessern, ist die axiale Länge der Wicklungen bevorzugt
auf die axiale Länge der
Magnete erhöht,
um zu ermöglichen,
dass der elektrische Widerstand beibehalten oder unter den verringert
werden kann, der mit Wicklungen aus Draht mit kleinerem Querschnitt
erreicht wird.
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Das
Gehäuse
ist bevorzugt zylindrisch, könnte
jedoch jede gewünschte
Querschnittsgestaltung besitzen. Das umgebende Gehäuse kann
aus magnetischem Stahl, wie zuvor, bestehen, und mit Aluminiumenden
und oberen und unteren Federn versehen sein, die den Anker zwischen
den Endplatten zentrieren. Eine Auswertung zeigt, dass die Verwendung
mehrerer radial magnetisierter Permanentmagnete in dem Anker eine
Verbindung mit größerem magnetischem
Fluss zwischen den Magneten und den Wicklungen vorsieht. Aufgrund
dessen kann ein Anker mit derselben Länge mit weniger Magnetmaterial
eine gleichwertige oder größere Abgabeleistung
vorsehen und kann aufgrund der Verringerung an Magnetmaterial mit
geringeren Kosten hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Schnittansicht eines magnetischen Kraftgenerators nach dem Stand
der Technik ist.
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2 eine
Schnittansicht ähnlich
zu 1 ist, die jedoch einen verbesserten magnetischen Kraftgenerator
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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3 eine
schematische Schnittansicht ist, die die Flusslinien des magnetischen
Kraftgenerators von 2 zeigt.
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In 2 der
Zeichnungen zeigt Bezugszeichen 10 allgemeinen einen magnetischen
Kraftgenerator, der gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist. Der Kraftgenerator 10 umfasst
ein Gehäuse 12 mit
einem allge mein zylindrischen Außenmantel 14, der
eine innere zylindrische Kammer 16 definiert, die an ihren
Enden durch nicht magnetische Aluminiumenden 18, 20 geschlossen
ist. Es sind zumindest zwei sich um den Umfang herum erstreckende
elektrische Wicklungen 22, 24 in Längsrichtung
in der Kammer 16 beabstandet und an der zylindrischen Innenfläche 26 des
Außenmantels 14 angebracht.
Die Wicklungen 22, 24 sind in entgegengesetzten
Richtungen gewickelt, wobei jede eine einzelne Wicklungslage bzw.
-reihe umfasst, obwohl gegebenenfalls auch mehrere Wicklungslagen
verwendet werden könnten.
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In
der Kammer 16 ist ein Anker 28 hin- und herbewegbar
gelagert. Der Anker 28 umfasst zumindest zwei radial magnetisierte,
hohlzylindrische Permanentmagnete 30, 32, die
axial beabstandet und an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Kern,
wie beispielsweise einem magnetischen Stahlrohr 34, angebracht
sind. Bevorzugt sind die Magnete aus einem magnetischen Material
gebildet, wie beispielsweise einem Ferrit oder einem anderen geeigneten magnetischen
Material. Die Magnete 30, 32 sind in entgegengesetzten
Richtungen radial magnetisiert, so dass sich die Nord-(N)- und Süd-(S)-Pole
eines Magneten 30 an seinen radial inneren und äußeren Flächen befinden,
während
sich die N- und S-Pole des anderen Magneten 32 jeweils
an seinen äußeren und
inneren Flächen
befinden. Die Magnete 30, 32 können Ringmagnete sein, wie
gezeigt ist, oder können
mit einer beliebigen Gestaltung geformt sein. Das magnetische Stahlrohr 34 ist
bevorzugt, da der Hohlraum innerhalb des Rohres einen geeigneten Ort
vorsieht, um Gewicht hinzuzufügen
und damit ein Einstellen der Resonanzfrequenz des Aktuators zu unterstützen. Jedoch
kann das magnetische Stahlrohr 34 auch durch einen massiven
Kern ersetzt werden.
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An
gegenüberliegenden
Enden des Ankers 28 sind Endkappen 36 an dem Stahlrohr 34 befestigt, um
Verschlüsse
vorzusehen. Die Endkappen 36 stehen mit oberen und unteren
Federn 38 und 39 in Eingriff, die an den Enden 18, 20 befestigt
sind, um den Anker in Richtung des Zentrums der Kammer 16 vorzuspannen.
Diese Anordnung erlaubt, dass sich der Anker 28 gegen die
Federn 38 und 39 entlang der Zentralachse 40 hin-
und herbewegen kann, hindert jedoch den Anker an einer Querbewegung
innerhalb der Kammer 16. Wenn der Anker 28 zentriert
ist, sind die Magnete 30, 32 gegenüberliegend
der entsprechenden elektrischen Wicklungen 22, 24,
die in dem Gehäuse 12 angebracht
sind, positioniert und befinden sich in allgemeiner radialer Ausrichtung
damit. Die Querschnittsfläche
(Volumen), die durch die stationären
Wicklungen besetzt wird, ist erheblich größer als diejenige des Kraftgenerators
von 1.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wirken die Magnete 30, 32 zusammen,
um ein kontinuierliches magnetisches Flussfeld zu entwickeln, das
beispielsweise von dem inneren Nordpol N des Magneten 30 durch das
Stahlrohr 34 an den inneren Südpol S des Magneten 32 und
durch seinen äußeren Nordpol
N gelangt und anschließend
durch die Wicklung 24, den Außenmantel 14 und die
Wicklung 22 an den äußeren Südpol S des
Magneten 30 und durch den Magneten an seinen inneren Nordpol
N gelangt.
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Um
den gewünschten
Betrieb des Kraftgenerators vorsehen zu können, sind die elektrischen Wicklungen 22, 24 in
entgegengesetzten Richtungen gewickelt und sind mit einer in der
Frequenz steuerbaren Wechselspannung (AC-Spannung) verbunden. Die
erhöhte
Querschnittsfläche
der Wicklungen 22, 24 erlaubt eine erhöhte Anzahl
von Wicklungswindungen für
eine höhere
Kraftkonstante oder eine erhöhte
Drahtgröße für einen
verringerten elektrischen Widerstand oder eine Kombination von beiden.
Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls auch andere Arten
des Wickelns der Wicklungen und Verbindens der Wicklungen mit der
AC-Spannung verwendet
werden können.
Es sei ebenfalls angemerkt, dass mehr als zwei einzelne Permanentmagnete
in Reihe ausgerichtet sein können,
um den Anker 28 zu bilden, wobei in diesem Fall die Anordnung in
den Polen der Magnete dementsprechend eingestellt wird.
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Im
Betrieb wird eine Wechselspannung mit steuerbarer Frequenz an die
elektrischen Wicklungen 22, 24 angelegt, so dass
ein Wechselstrom in den Wicklungen fließt. Die Wechselwirkung des
magnetischen Flusses von den Magneten und des Stromes in den Wicklungen
erzeugt eine Kraft auf den Anker und eine gleiche und entgegengesetzte
Kraft auf die Wicklung. Da die Wicklungen starr an dem Außenmantel 14 angebracht
sind, wird keine Kraft von der Wicklung von dem Trägheitskraftgenerator nach
außen übertragen.
Wenn sich der Anker aufwärts
bewegt, wird die obere Feder 38 gedrückt und die untere Feder 39 gedehnt.
Wenn sich der Anker abwärts
bewegt, gilt das Umkehrte. Wenn die Federn gedrückt und gedehnt werden, wird
die Kraft an die Endkappen 18 und 20 übertragen.
Da die Endkappen starr an dem Außenmantel 14 angebracht
sind, wird von den Federn keine Kraft von dem Trägheitskraftgenerator nach außen übertragen.
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Wenn
sich der Anker aufwärts
und abwärts bewegt,
ist der Anker einer mit der Zeit variierenden Position, Geschwindigkeit
und Beschleunigung ausgesetzt. Da der sich bewegende Anker eine
Masse besitzt, ist eine Kraft erforderlich, um die Position des Trägheitskraftgenerators 10 beizubehal ten.
Ohne gleiche und entgegengesetzte Kraft würden sich der Mantel, die Wicklungen
und die Endkappen gemeinsam abwärts
bewegen, wenn der Anker aufwärts
bewegt wird, um den Massenschwerpunkt des Trägheitskraftgenerators in derselben
Position zu halten.
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Die
Anordnung der Wicklungen 22, 24 und die Verwendung
zweier Magnete bei der Ausführungsform
in 2 stellt lediglich ein mögliches Beispiel eines verbesserten
magnetischen Kraftgenerators gemäß der Erfindung
dar. Die Anordnung wurde zum Vergleich der neuen Vorrichtung mit
der Vorrichtung von 1 nach dem Stand der Technik
entwickelt, wobei die Größen der
Vorrichtung gleich sind.
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Die
Bewertung dieser Vorrichtungen zeigte, dass der Kraftgenerator mit
zwei Magneten von 2 eine um etwa 40 % höhere Kraftkonstante (Newton
pro Ampere) als der Kraftgenerator mit einzelnem Magneten nach dem
Stand der Technik von 1 besitzt. Auch umfasst die
Konstruktion mit zwei Magneten von 2 etwa 75
% weniger Magnetmaterial, was eine Kostenverringerung zur Folge
hat.
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Zusammengefasst
umfasst ein magnetischer Trägheitskraftgenerator
einen magnetischen Mantel, der innen eine Ankerkammer definiert.
Es sind zumindest zwei sich um den Umfang erstreckende elektrische
Wicklungen in Längsrichtung
in der Kammer beabstandet und an einer zylindrischen Innenfläche des
Außenmantels
befestigt. Ein Anker, der durch Federn zentriert ist, ist in der
Kammer hin- und herbewegbar gelagert und umfasst zumindest zwei
axial beabstandete, radial magnetisierte Permanentmagnete, die an
einem sich in Längsrichtung
erstreckenden magnetischen Stahlrohr befestigt sind. Die Magnete
erstrecken sich in allgemeiner Ausrichtung mit den Wicklungen. Ein
gesteuertes Anregen der Wicklungen bewegt den Anker axial relativ
zu dem Mantel hin und her, um eine entgegengesetzte Trägheitskraft
auf den Mantel zum Aufbringen auf einen damit verbundenen Körper zu
entwickeln. Die Verwendung mehrerer radial magnetisierter Magnete sieht
eine verbesserte Leistungsfähigkeit
und/oder verringerte Kosten vor.