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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmaschine mit einem drehbaren
Rotor, wenigstens einem an dem Rotor verschiebbar angeordneten,
insbesondere geführten, Massenelement und einem Stator.
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Die
DE 100 49 956 A1 und
die
DE 10 2004 006
228 A1 schlagen so genannte Schwerkraftmotoren mit beweglichen
Massenelementen vor, wobei durch eine kulissengeführte
Verschiebung der Massenelemente ein Schwerpunkt eines die Massenelement
tragenden Rotors derart verändert werden soll, dass beständig
ein Drehmoment erzeugt wird. Da ohne zusätzliche äußere
Kräfte in solchen Vorrichtungen lediglich die anfänglich
gespeicherte potentielle und kinetische Energie zur Verfügung
steht, erzeugen diese Vorrichtungen jedoch kein zusätzliches Drehmoment,
sie können daher nicht als Kraftmaschinen, sondern lediglich
als Energiespeicher genutzt werden.
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Die
DE 37 32 362 A1 schlägt
daher einen elektromagnetischen Schwerkraftmotor vor, bei dem Kugeln,
die von oben einem Rotor aufgegeben werden und unten aus diesem
herausfallen, nachdem ihre potentielle Energie zur Erzeugung eines
Abtriebsdrehmomentes genutzt worden ist, durch einen elektromagnetischen
Aufzug wieder nach oben transportiert werden. Diese Kraftmaschine,
bei der die dem elektromagnetischen Aufzug zugeführte elektrische
Energie in mechanische Energie an der Abtriebswelle des Rotors umgesetzt
wird, ist konstruktiv aufwändig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße
Kraftmaschine zu verbessern.
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Hierzu
ist eine Kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch
dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet.
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Erfindungsgemäß wird
eine Kraftmaschine mit einem drehbaren Rotor, beispielsweise einem Hohlzylinder,
einer Scheibe, einem Stern oder dergleichen, und einem Stator vorgeschlagen,
gegenüber dem sich der Rotor im Schwerefeld drehen kann. Insbesondere
kann der Rotor an oder in dem Stator drehbar gelagert sein.
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An
dem Rotor sind ein oder mehrere Massenelemente verschiebbar angeordnet,
in einer bevorzugten Ausführung radial und/oder in Umfangsrichtung
bzw. tangential zu einer Drehbewegung des Rotors verschiebbar geführt.
Eine solche Zwangsführung kann insbesondere formschlüssig
ausgebildet sein, beispielsweise, indem ein Massenelement an oder
auf einer Führungsstange oder an oder in einer Führungsschiene
des Rotors verschieblich gelagert ist. Zur Verminderung der Reibung
kann die Führung gleit- und/oder wälzgelagert
sein. Gleichermaßen kann die Führung auch kraftschlüssig,
beispielsweise magnetisch und/oder hydrodynamisch, insbesondere als
Luftlager ausgebildet sein. Die Führung kann auch an dem
Rotor bzw. Massenelement angelenkte Hebel, Gelenke, Seilzüge,
Rollen und/oder Federn aufweisen.
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In
einer Ausführungsform sind ein oder mehrere an dem Rotor
befestigte Massenelemente elastisch, plastisch oder fluidisch verformbar
ausgebildet, so dass sie unter Verformung relativ zum Rotor verschiebbar
sind. Beispielsweise kann ein solches Massenelement eine relativ
zum Rotor verschiebbare Flüssigkeit oder ein am Rotor an
beiden Stirnseiten gefesselter elastischer Balken sein.
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In
einer bevorzugten Ausführung sind mehrere Massenelemente
an dem Rotor angeordnet, wobei ihre Führungen vorzugsweise
symmetrisch zu einer Drehachse des Rotors ausgebildet sind, um die Drehbewegung
des Rotors zu vergleichmäßigen, oder asymmetrisch,
beispielsweise, um eine äquidistante Verteilung der Führungen
zu erzielen.
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Erfindungsgemäß sind
der Stator und ein oder mehrere Massenelemente nun derart ausgebildet,
dass eine magnetische Kraft zwischen Stator und Massenelement wenigstens
eine Komponente aufweist, die in einer ersten, vorzugsweise vorgebbaren
Winkelstellung des Rotors relativ zum Stator bzw. der Gravitationsrichtung
radial nach innen wirkt, und/oder eine Komponente aufweist, die
in einer zweiten, von der ersten Winkelstellung verschiedenen Winkelstellung
radial nach außen wirkt. Erste und/oder zweite Winkelstellung
können sich jeweils über einen Winkelbereich erstrecken.
Vorzugsweise sind die Winkelstellungen zwischen der Komponente der
magnetischen Kraft und der Gravitationsrichtung durch eine inertiale
Lagerung der Kraftmaschine, insbesondere des Stators, an der Umgebung
fest oder einstellbar vorgegeben. Bevorzugt stellt die Komponente
den gesamten oder wesentlichen Anteil der magnetischen Kraft dar,
wie dies beispielsweise bei zwei kollinear ausgerichteten Stabmagneten
der Fall ist.
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Die
magnetische Kraft bewirkt somit eine Verschiebung des bzw. der Massenelemente
nach innen in der ersten Winkelstellung bzw. nach außen in
der zweiten Winkelstellung. Ein solcherart (auch) in radialer Richtung
verschobenes Massenelement übt in einer radial weiter außen
liegenden Position aufgrund des größeren Hebelarms
seiner Gewichtskraft ein größeres Drehmoment auf
den Rotor aus als in einer radial weiter innen liegenden Position.
Dementsprechend wird durch die magnetisch bewirkte Verschiebung
des Massenelements in einem Winkelbereich, in dem das Massenelement
durch die magnetische Kraft radial weiter nach außen verschoben
ist, ein nutzbarer Abtriebsdrehmomentüberschuss erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführung sind ein oder mehrere,
insbesondere radiale, vorzugsweise verstellbare, Anschläge vorgesehen,
die die Verschiebung eines Massenelementes begrenzen. Somit können
dynamisch vorteilhafte Endlagen definiert werden.
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Um
eine solche magnetische Kraft aufzuprägen, kann der Stator
eine Magnetanordnung mit einem oder mehreren Elektro- und/oder Permanent- bzw.
Dauermagneten aufweisen, deren Nord- oder Südpol radial
nach innen gerichtet ist.
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Ein
Massenelement, das einen durch einen Magneten anziehbaren, selbst
nicht notwendigerweise magnetischen Teil aufweist, beispielsweise
einen Teil aus einem ferromagnetischen Werkstoff, der vorzugsweise
Eisen, Kobalt und/oder Nickel enthält, wird von einer solchen
Magnetanordnung des Stators angezogen, so dass der Stator auf das
Massenelement eine magnetische Kraft radial nach außen ausübt.
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Weist
umgekehrt ein Massenelement eine Magnetanordnung auf, deren Nord-
oder Südpol radial nach außen gerichtet ist, zieht
diese einen durch einen Magneten anziehbaren, selbst nicht notwendigerweise
magnetischen Teil des Stators an, beispielsweise ein Segment aus
einem ferromagnetischen Werkstoff, der vorzugsweise Eisen, Kobalt und/oder
Nickel enthält, so dass wiederum eine Kraft radial nach
außen auf das Massenelement wirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Effekte derart
kombiniert, dass ein oder mehrere Massenelemente jeweils eine Magnetanordnung aufweisen,
deren Nord- oder Südpol radial nach außen gerichtet
ist, und der Stator ebenfalls wenigstens eine Magnetanordnung aufweist.
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In
einer ersten Winkelstellung, in der die Magnetanordnungen von Stator
und Massenelement einander zugewandt sind, wirkt bei gleicher Polarität, beispielsweise
radial nach innen gerichtetem Nordpol auf Stator- und radial nach
außen gerichtetem Nordpol auf Massenelementseite bzw. radial
nach innen gerichtetem Südpol auf Stator- und radial nach außen
gerichtetem Südpol auf Massenelementseite eine abstoßende
Kraft zwischen Stator und Massenelement und damit eine Komponente
radial nach innen auf das Massenelement.
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Sind
umgekehrt in einer zweiten Winkelstellung die Polaritäten
der einander zugewandten Magnetanordnungen von Stator und Massenelement
entgegengesetzt, weisen also beispielsweise Nordpole einer statorseitigen
Magnetanordnung radial nach innen und Südpole der massenelementseitigen
Magnetanordnung nach außen bzw. die Südpole der
statorseitigen Magnetanordnung radial nach innen und die Nordpole
der massenelementseitigen Magnetanordnung radial nach außen,
ziehen beide einander zugewandten Magnetanordnungen einander an,
so dass zwischen Stator und Massenelement eine magnetische Kraft
radial nach außen auf das Massenelement wirkt.
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Beide
Effekte können vorteilhafterweise kombiniert werden, indem
beispielsweise der Stator eine Magnetanordnung und ein durch einen
Magneten anziehbaren weiteren Teil aufweist, so dass eine Magnetanordnung
eines Massenelements von der statorseitigen Magnetanordnung radial
nach innen abgestoßen wird und andererseits bei Weiterdrehung das
Massenelement zum weiteren Teil hin radial nach außen zieht.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist an dem Rotor eine gerade
Anzahl von Massenelementen im Wesentlichen symmetrisch zur Drehachse
des Rotors vorgesehen und ist der radiale Abstand zwischen zwei
sich über die Drehachse des Rotors gegenüber liegenden
Massenelementen im Wesentlichen fest. Dies wird zum Beispiel dadurch
erreicht, dass jeweils zwei sich über die Drehachse des
Rotors gegenüber liegende Massenelemente mechanisch miteinander
gekoppelt sind.
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Durch
eine derartige Kopplung zwischen gegenüber liegenden Massenelementen
können die oben beschriebenen Effekte der magnetischen
Anziehungs- und Abstoßungskräfte weiter verstärkt werden.
Hierdurch lassen sich wiederum größere Abtriebsdrehmomente
durch die Kraftmaschine erzeugen.
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In
einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich der Stator
ein- oder mehrteilig im Wesentlichen ringförmig um den
Rotor und/oder weist eine Magnetanordnung auf einem Teilkreis und
einen weiteren Teilkreis aus einem durch einen Magneten anziehbaren,
selbst nicht notwendigerweise magnetischen Material, insbesondere
einem ferromagnetischen Werkstoff, auf, so dass ein Massenelement,
das ebenfalls eine Magnetanordnung aufweist, in einer ersten Winkelstellung
von der Magnetanordnung des Stators abgestoßen wird und
andererseits in einer zweiten Winkelstellung von dem Teilkreis aus
magnetisch wechselwirkendem Material angezogen wird.
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Um
die magnetischen Kräfte zwischen Stator und Massenelement
möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist der Rotor
mit Ausnahme der Massenelemente in einer bevorzugten Ausführung
im Wesentlichen wenig oder nicht magnetisch wechselwirkend ausgebildet.
Hierzu kann er insbesondere wenigstens teilweise aus nicht-ferromagnetischem
Werkstoff hergestellt sein, der vorzugsweise Kunststoff, Aluminium,
Kupfer, Messing und/oder austenitischen Stahl enthält.
In einer bevorzugten Ausführung wird faserverstärkter
Kunststoff verwendet.
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Die
Abgabeleistung der Kraftmaschine kann beispielsweise durch auf die
Abtriebswelle bzw. den Rotor wirkende Bremsen, beispielsweise mechanische
Reibungsbremsen oder elektromagnetische Wirbelstrombremsen gesteuert
bzw. geregelt werden. In einer bevorzugten Ausführung ist
zusätzlich oder alternativ eine Steuervorrichtung zur Veränderung
einer magnetischen Kraft zwischen Stator und Massenelement vorgesehen.
Diese kann beispielsweise die Elektromagneten zugeführte
elektrische Leistung oder die Lage und/oder Orientierung von Permanentmagneten
einstellen. Werden beispielsweise statorseitige Permanentmagnete
vom Rotor weiter beabstandet, verringert sich die magnetische Kraft
zwischen diesen Permanentmagneten und den Massenelementen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen
und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigen, teilweise
schematisiert
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1:
eine Kraftmaschine nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung von vorne; und
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2:
eine Kraftmaschine nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden
Erfindung von vorne.
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1 zeigt
eine Kraftmaschine nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung von vorne, wobei die Gravitationsrichtung in 1 vertikal
von oben nach unten verläuft.
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Die
Kraftmaschine umfasst einen Rotor 1 mit einer radial innenliegenden
Zentralplatte, die mit einer Abtriebswelle der Maschine verbunden
und durch diese inertial gegen die Umgebung gelagert ist (nicht
dargestellt). Auf den neun gleichen, um jeweils 40° gegeneinander
geneigten Außenfläche 1.1 der Zentralplatte
sind jeweils Führungsstangen 1.3 befestigt, an
deren freien Enden Muttern 1.2 aufgeschraubt sind. Zentralplatte
und Führungsstangen 1.3 sind aus nicht mit Magneten
wechselwirkendem Material, beispielsweise Kunststoff und/oder austenitischem
Stahl, hergestellt.
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Auf
jeder Führungsstange 1.3 ist ein Massenelement 2.1 bis 2.9 radial
verschiebbar geführt, es kann zwischen der als fester radialer
Anschlag dienenden Außenfläche 1.1 der
Zentralplatte und dem durch die Mutter 1.2 gebildeten verstellbaren
radialer Anschlag reibungsarm gleiten und weist hierzu eine von
der Führungsstange 1.3 im Wesentlichen formschlüssig
durchgriffene Bohrung auf, die sich radial außen in eine
Aussparung zur Aufnahme der Mutter 1.2 fortsetzt, wie in
dem teilweise aufgebrochen dargestellten, oberen mittleren Massenelement 2.1 in 1 veranschaulicht.
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Jedes
der identischen Massenelemente 2.1, 2.2, ... 2.9 weist
radial innen einen teilweise keilförmigen durch Magnete
anziehbaren Teil 20.3 aus Eisen auf.
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Radial
außen ist auf diesem ein Permanentmagnet angeordnet, dessen
Nordpol 20.1 (in 1 schwarz
dargestellt) radial nach außen und dessen Südpol 20.2 (in 1 weiß dargestellt)
radial nach innen zeigt.
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Ringförmig
um den Rotor 1 erstreckt sich ein zweiteiliger Stator mit
einem ersten Kreisringsegment 3.1 in Form eines oder mehrerer
Permanentmagnete, dessen bzw. deren Nordpol(e) (schwarz in 1)
radial nach innen zeigt bzw. zeigen, und einem gegenüber
liegenden zweiten Kreisringsegment bzw. durch Magnete anziehbaren
Teil 3.2 aus Eisen. In einer nicht dargestellten Abwandlung
weist auch das zweite Kreisringsegment einen oder mehrere Permanentmagnete
auf, dessen bzw. deren Südpol(e) (weiß in 1)
radial nach innen zeigt bzw. zeigen.
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Die
radial außen liegenden Anschläge 1.2 und
die Massenelemente 2.1...2.9 sind so ausgebildet
und/oder angeordnet, dass auch bei radial maximal nach außen
verschobenen Massenelementen 2.1...2.9 zwischen
ihnen und dem Stator 3 ein kleiner Luftspalt verbleibt.
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In
der in 1 gezeigten Ausgangslage sind die in 1 rechten
Massenelemente 2.6 bis 2.9 radial weiter außen
angeordnet als die in 1 linken Massenelemente 2.2 bis 2.5.
Daher erzeugen ihre Gewichtskräfte ein resultierendes Drehmoment
auf die Abtriebswelle, welches in 1 durch
einen halbkreisförmigen Pfeil im Uhrzeigersinn angedeutet
ist.
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Dreht
sich der Rotor 1 unter diesem Drehmoment, gelangen die
zunächst radial außen liegenden Massenelemente 2.6 bis 2.9 sukzessive
in den Bereich des kreisringsegmentförmigen Permanentmagneten 3.1,
wobei gleichnamige Nordpole einander zugewandt sind. Die hieraus
resultierende abstoßende magnetische Kraft zwischen Stator
und Rotor, die in 1 durch einen Pfeil F eingezeichnet
ist, verschiebt in dieser ersten Winkelstellung die Massenelemente 2.6 bis 2.9 radial
nach innen, so dass sie die in 1 gezeigten
Positionen der Massenelemente 2.2 bis 2.5. einnehmen.
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Umgekehrt
gelangen die zunächst radial innen liegenden Massenelemente 2.2 bis 2.5 sukzessive
aus dem abstoßenden Bereich des kreisringsegmentförmigen
Permanentmagneten 3.1 und in die Nähe des Weicheisen-Kreisringsegmentes 3.2.
Die dabei wirkenden anziehende magnetische Kraft, die in 1 ebenfalls
durch einen Pfeil F angedeutet ist, verschiebt in dieser zweiten
Winkelstellung die Massenelemente 2.2 bis 2.5 radial
nach außen, so dass sie die in 1 gezeigten
Positionen der Massenelemente 2.6 bis 2.9. einnehmen.
Das Massenelement 2.1 führt unter der Wirkung
des Magnetfeldes zwischen Stator und massenelementseitigem Permantenmagneten
eine entsprechende Bewegung aus.
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Somit
wird durch die Verschiebung des Gesamtschwerpunktes des Rotors mittels
des magnetischen Feldes aus dessen Gewichtskraft ein nutzbares Drehmoment
erzeugt. Der Gesamtschwerpunkt des Rotors kann dabei im Magnetfeld
des Stators 3 und der Permanentmagnete 20 oszillieren
oder im Wesentlichen inertial ruhen.
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Entfernt
man beispielsweise die Statorsegmente 3.1, 3.2 weiter
vom Rotor 1 oder verstellt die Anschläge 2.2 radial
weiter nach innen, um den Abstand zwischen Massenelementen 2.1...2.9 und
Stator 3 zu vergrößern, nimmt die magnetische
Kraft ab. Dadurch kann die Verschiebung der Massenelemente und so
das abgegebene Drehmoment gesteuert bzw. geregelt werden.
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Man
erkennt, dass durch die einstellbare oder fest vorgegebene Lagerung
bzw. Orientierung des Stators 3 bzw. seiner Statorsegmente 3.1, 3.2 relativ
zur Gravitationsrichtung der Winkel zwischen der Gravitationsrichtung
einerseits und der ersten und/oder zweiten Winkelstellung andererseits
vorgegeben werden kann. Auch auf diese Weise kann das abgegebene
Drehmoment gesteuert bzw. geregelt werden.
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In 2 ist
eine Kraftmaschine nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden
Erfindung in einer Darstellung analog 1 gezeigt.
Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten und Bauelemente
mit den gleichen Bezugsziffern wie in der Ausführung von 1 gekennzeichnet.
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Diese
Ausführung der Kraftmaschine unterscheidet sich von der
oben beschriebenen dadurch, dass eine gerade Anzahl (hier acht)
von Massenelementen 2.1...2.8 um den Rotor 1 herum
angeordnet ist. Diese acht Massenelemente 2.1...2.8 sind
im Wesentlichen symmetrisch zur Drehachse des Rotors 1 angeordnet;
im vorliegenden Fall in einem im Wesentlichen gleichen Winkelabstand
von 45° zueinander. Mit anderen Worten liegen jeweils zwei
Massenelemente 2.1...2.8 über die Drehachse
des Rotors 1 hinweg einander gegenüber.
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Wie
in 2 angedeutet, sind jeweils zwei einander gegenüber
liegende Massenelemente 2.1 und 2.5, 2.2 und 2.6, 2.3 und 2.7, 2.4 und 2.8 über eine
mechanische Verbindung 4 miteinander gekoppelt. Durch diese
Kopplung 4 ist der gegenseitige Abstand eines solchen Paares
von Massenelementen 2.1... 2.8 in radialer Richtung
unabhängig von der Winkelstellung der Massenelemente 2.1...2.8 im
Wesentlichen konstant.
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Zwecks
besserer Übersichtlichkeit der Darstellung ist in 2 lediglich
eine der insgesamt vier Kopplungen 4 der acht Massenelemente 2.1...2.8 durch
den Rotor 1 hindurch dargestellt.
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Die
mechanische Kopplung 4 wird zum Beispiel durch eine starre
Stange oder dergleichen realisiert, welche mit den beiden gegenüber
liegenden Massenelementen 2.1...2.8 fest verbunden
ist. Eine solche Stange kann wahlweise geradlinig oder auch ein-
oder mehrfach gekrümmt ausgebildet sein. Es ist dabei darauf
zu achten, dass sich die mehreren Kopplungen 4 der jeweils
gegenüber liegenden Massenelemente 2.1...2.8 nicht
gegenseitig stören.
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Durch
eine derartige Kopplung 4 zwischen gegenüber liegenden
Massenelementen 2.1...2.8 wird der oben in Zusammenhang
mit der ersten Ausführungsform von 1 beschriebene
Effekt der magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte
weiter verstärkt. Während ein Massenelement eines Paares
(z. B. Massenelement 2.3 in 2) aufgrund magnetischer
Abstoßungskräfte radial nach innen gedrückt
wird, wird gleichzeitig das andere Massenelement dieses Paares (z.
B. Massenelement 2.7 in 2) aufgrund
magnetischer Anziehungskräfte radial nach außen
gezogen. Mit anderen Worten verstärken sich die hier vorherrschenden
magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte
gegenseitig.
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Mit
Hilfe der Kopplungen 4 zwischen gegenüber liegenden
Massenelementen 2.1...2.8 lassen sich daher größere
und/oder schnellere radiale Auslenkungen der Massenelemente 2.1...2.8 erzielen. Dies
kann wiederum zu einem größeren Abtriebsdrehmoment
führen.
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Die übrigen
Merkmale sowie deren Abwandlungen und Vorteile entsprechen jenen
der obigen ersten Ausführung von 1. Auf eine
wiederholte Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10049956
A1 [0002]
- - DE 102004006228 A1 [0002]
- - DE 3732362 A1 [0003]
