DE102009043123A1

DE102009043123A1 - Elektromagnetischer Antrieb

Info

Publication number: DE102009043123A1
Application number: DE200910043123
Authority: DE
Inventors: Klemig Peter Schulz
Original assignee: Individual
Current assignee: Luecke Heidrun De; NEHLS, HANS-JUERGEN, DE
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die als Fliehkraftmotoren ausgebildeten elektromagnetischen Antriebe besitzen einen Läufer, auf dessen Triebwelle segmentartige Schwungelemente axial versetzt sowie unwuchtausgleichend angeordnet sind, wodurch eine massive Bauweise entsteht, die technologisch aufwendig und für mobile Antriebslösungen wenig geeignet ist. Um diese Nachteile bei derartigen elektromagnetischen Antrieben auszuschließen, kommen erfindungsgemäß Schwungelemente auf der Triebwelle zum Einsatz, welche scheibenförmig und mit zwei massegleichen diametral gegenüberliegenden Segmenten in jeder Laufebene genannter Triebwelle unwuchtausgleichend ausgebildet sind. Geeignet sind derartige Fliehkraftmotoren vorzugsweise für massearme mobile Antriebslösungen, welche einen vorteilhaften Wirkungsgrad der eingesetzten Antriebsenergie ermöglichen sollen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für drehende Bewegungen, der die Vorschubkraft nach dem Prinzip eines Elektromagneten als Anziehungskraft zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Weicheisenteilen erzeugt, welche als Stator und Rotor fungieren.
Der Stator wird von Spulen bzw. Spulenpaaren elektrisch erregt, während der Rotor elektrisch passiv ist und beide Eisenteile periodische Strukturen in Form von Polteilungen aufweisen.
Genannte Pole werden hierbei in einer Folge derart elektrisch erregt, daß sich eine kontinuierliche Kraft in der gewünschten wählbaren Drehrichtung (rechts/links) entwickelt.
Bekannt sind elektromagnetische Gleichstromantriebe ( DE 195 00 095 ) mit periodisch gegeneinander versetzter Doppelpolanordnung zur Erzeugung rotierender Bewegungen.
Gemäß dem elektromagnetischen Prinzip wird hierbei die Vorschubkraft des Läufers/Rotors als Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor erzeugt.
Hierbei wird ein aus Weicheisen bestehender Stator durch Spulen elektrisch erregt, während der aus dem gleichen Werkstoff bestehende Rotor elektrisch passiv ist.
Stator und Rotor dieses Antriebes besitzen periodische Polteilungen, deren Pole in bestimmter Folge durch eine elektronische Schaltung erregt werden, um die Antriebskraft für den Läufer in der gewünschten Drehrichtung zu sichern.
Weitererhin ist ein elektromagnetischer Antrieb des gleichen Wirkprinzipes zur Erzeugung drehender Bewegungen bekannt ( DE 10 2006 037 249 ), dessen Läufer mehr als ein mit Magnetfeld versehenes Schwungelement aufweist, welches als Segment einer Schwungscheibe ausgebildet ist.
Diese Schwungelemente derartiger elektrischer Fliehkraftmotoren sind mit axialem Abstand und radial um einen bestimmten Teilungswinkel versetzt auf einer den Läufer/Rotor bildenden Triebwelle drehfest angeordnet.
In jeder Laufebene des analog zugeordneten Magnetfeldes im Stator ist hierbei nur jeweils ein halbes Schwungelement auf der Triebwelle angeordnet.
Durch den radialen Versatz der vorhandenen halbseitigen Schwungelemente auf ihrer Triebwelle um einen bestimmten Teilungswinkel wird der notwendige Unwuchtausgleich des Läufers gesichert.
Bei der Verwendung massiver Schwungelemente zur Realisierung großer Drehmomente treten hierbei Verwerfungen in der Längsachse der Triebwelle auf, die nur durch Überdimensionierung derselben kompensiert werden können.
Dies führt zu unvertretbar hohem Aufwand an Material, für die Ausbildung der Lagerung des Läufers, zu großer Masse des elektrischen Fliehkraftmotors sowie zu unrationeller Herstellungstechnologie für selbigen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung eines elektromagnetischen Antriebes für drehende Bewegungen in Form eines Fliehkraftmotors stationärer oder mobiler Antriebslösungen, dessen als Läufer ausgebildeter Rotor seine segmentartigen Schwungelemente so auf der Triebwelle anordnet, daß in jeder Laufebene ein Unwuchtausgleich gesichert ist und dadurch keine radialen Kräfte auftreten, die eine Verwerfung der Triebwelle in ihrer Längsachse und damit eine Funktionsbeeinträchtigung des Antriebes hervorrufen können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst, während die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des elektromagnetischen Antriebes ermöglichen, die im Hauptanspruch aufgeführt sind.
Diese erfindungsgemäße Ausbildung derartiger Antriebe ermöglicht eine kompakte Ausführung des Stators unter Beachtung einer massearmen Bauweise, da die Triebwelle des Läufers durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schwungelemente eine kürzere Gestaltung sichert und keine Verwerfung in ihrer Längsachse erfährt.
Dadurch werden Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser elektromagnetischen Fliehkraftmotoren erhöht und aufgrund kompakter und massearmer Bauweise der vorteilhafte Einsatz, insb. in mobilen Einrichtungen, vorzugsweise im Fahrzeugbau möglich.
Des Weiteren sichert die erfindungsgemäße Ausführung derartiger Fliehkraftmotoren einen wesentlich höheren Wirkungsgrad des investierten Energieaufwandes gegenüber den bekannten herkömmlichen Elektromotoren.
Nachfolgend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher dargestellt und beschrieben, wobei die Zeichnungen in vereinfachter Darstellung folgendes prinzipiell zeigen:
1 den Längsschnitt eines elektromagnetischen Antriebes mit Schwungelementen auf der Triebwelle in drei Laufebenen.
2 die Vorderansicht als Querschnitt des Antriebes gemäß 1 mit jeweils zwei diametral angeordneten Segmenten der Schwungelemente in jeder Laufebene. (Schnitt A-A)
3 den Längsschnitt eines elektromagnetischen Antriebes mit Schwungelement in nur einer Laufebene auf der Triebwelle.
4 die Darstellung des Segmentes eines Schwungelementes mit drei parallel angeordneten ringförmigen Magnetfeldern.
5 die Vorderansicht eines kompletten elektromagnetischen Antriebes für einen stromerzeugenden Generator als Längsschnitt.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb ist als rotierender Direktantrieb ausgebildet, wobei nach Ausführungsbeispiel 1 und 2 ein als Gehäuse fungierender Stator 1 innere ringförmige Magnetfelder 2 in jeder Laufebene 3 für die Schwungelemente 4 aufweist.
Die in mehreren separaten Laufebenen 3 angeordneten Schwungelemente 4a, 4b, 4c dieses Fliehkraftmotors sind auf einer Triebwelle 5 mit vorzugsweise gleichem axialen Abstand x drehfest angeordnet.
Genannte Triebwelle 5 bildet den Läufer und ist drehbar sowie koaxial im Stator 1 gelagert, wobei die Längsachse der Triebwelle 5 zur vorteilhaften Nutzung der Zentrifugalkräfte unter Beachtung der Gravitation grundsätzlich vertikal angeordnet sein sollte.
Die Lagerung der Triebwelle 5 erfolgt mittels spezieller Wälzlager, welche extrem große Fliehkräfte der Schwungelemente 4 aufnehmen müssen.
Jedes Schwungelement 4 ist peripher über seinen gesamten Bogenbereich mit einem aus magnetischem Werkstoff bestehenden Magnetfeld 6 versehen, welches mit dem jeweiligen Magnetfeld 2 des Stators 1 kooperiert.
Die in den einzelnen Laufebenen 3 angeordneten Schwungelemente 4a, 4b, 4c besitzen diametral gegenüberliegende unwuchtfreie Segmente 22, welche form- und massegleich sind und somit eine unwuchtfreie Ausbildung der als Läufer fungierenden Triebwelle 5 gewährleisten.
Genannte Schwungelemente 4a, 4b und 4c sind mit beiden Segmenten 22 als kompaktes scheibenförmiges Bauteil ausgebildet und mit axialem Abstand X auf der Triebwelle 5 drehfest angeordnet.
Die um 180° versetzt und gegenüberliegend angeordneten Segmente 22 sind mit dem Abstand eines Luftspaltes 7 in den zugeordneten separaten ringförmigen Magnetfeldern 2a, 2b und 2c des Stators 1 drehbar gelagert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach 3 trägt eine Triebwelle 8 lediglich ein in einer Laufebene 9 angeordnetes Schwungelement 10 mit zwei gegenüberliegend angeordneten Segmenten 22 für die Schwungmasse des Läufers, um für bestimmte Anwendungsfälle eine massearme sowie klein dimensionierte Bauweise derartiger Antriebe, insb. für mobile Einsätze im Fahrzeugbau zu gewährleisten.
Die Triebwelle 8 ist ebenfalls in einem als Stator 11 ausgebildeten Gehäuse koaxial gelagert, wobei der Stator 11 ein inneres ringförmiges Magnetfeld 12 in der Laufebene 9 aufweist.
Beide Segmente 22 des Schwungelementes 10 sind in ihrem Außenbereich mit einem Magnetfeld 13a; 13b versehen, welches mit dem zugeordneten Magnetfeld 12 des Stators 11 unter Beachtung eines Luftspaltes 14 kontaktiert.
Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Magnetfelder 2 und 12 sind als Spulenringe für Induktionsspannung ausgebildet, während die Magnetfelder 6 und 13 an der Peripherie der Schwungelemente 4 und 10, d. h. an den für die Schwungmasse zuständigen Segmenten 22 durch Permanentmagnete realisiert werden.
Gemäß 4 ist ein Schwungelement 15 dargestellt, welches an seinem breit ausgebildeten peripheren Bogenbereich 16 seines Segmentes 22 mit mehreren parallel angeordneten ringförmigen durch Permanentmagnete realisierten Magnetfeldern 17 ausgerüstet ist und diese mit dem zugeordneten Magnetfeld 2; 12 des Stators 1; 11 in Ausführungsbeispielen nach 1 und 3 kooperieren.
Bei der Ausbildung der kompakten Schwungelemente 4; 10; 15 besteht die Möglichkeit mehr als zwei Segmente 22 je Schwungelement anzuordnen, wobei diese Segmente 22 mit gleicher Winkelteilung am Umfang verteilt und damit unwuchtfrei angeordnet sind.
Von vielen gegebenen Anwendungsmöglichkeiten der elektromagnetischen Antriebe in mobilen oder stationären Anlagen wird in 5 ein Antrieb für einen stromerzeugenden Generator 18 gezeigt, welcher als Flachgenerator ausgebildet und am unteren Ende der Triebwelle 5 über eine Kupplung 19 drehfest mit diesem verbunden ist.
Auf einem Ständer 20 ist der Stator 1 eines elektromagnetischen Antriebes gemäß 1 und 2 mit drei Laufebenen 3 für die entsprechenden Schwungelemente 4a; 4b; 4c angeordnet.
Die Bestromung des elektromagnetischen Antriebes erfolgt über eine elektrische Leitung 21 direkt vom stromerzeugenden Generator 18.
Die auf der Triebwelle diametral angeordneten Schwungelemente erzeugen durch Rotation des Läufers entsprechend hohe Zentrifugalkräfte, die als Hebelkraft auf vorgenannte Triebwelle wirken und das gewünschte Drehmoment des elektromagnetischen Antriebes erzeugen.
Durch die beschriebene und gezeigte Anordnung der Schwungelemente dieser Fliehkraftmotoren in jeweils einer Laufebene der Triebwelle erfolgt eine optimale Energieerhöhung durch rotierende Schwungmassen unter Beachtung einer exakten Auswuchtung des Läufers, d. h. der unbedingten Vermeidung nachteiliger Unwucht auf die Triebwelle.
Die Realisierung des Magnetfeldes im Stator wird durch elektrisch angeregte Spulen bzw. Spulenpaare realisiert, welche mit dem jeweils zugeordneten Magnetfeld der Schwungelemente kommutieren, wodurch deren Rotation und die der Triebwelle des Läufers gesichert wird.
Aufgrund der segmentartigen Versorgung der Magnetfelder des Stators mit elektrischem Strom sowie durch zyklisches Weiterschalten des Stromes – Kommutierung genannt –, werden nur bestimmte Spulen bzw. Spulenpaare angeregt und somit jedes der genannten Magnetfelder versetzt sowie nacheinander zugeschaltet.
Der hiermit realisierte Phasenantrieb zwischen den Magnetfeldern des Stators und dem jeweils zugeordneten Magnetfeld des Schwungelementes unterbindet die permanente Stromversorgung jedes Magnetfeldes und sichert damit einen effektiven Energieeinsatz zum Betätigen des Antriebes und zur Realisierung optimaler Drehmomente an der Triebwelle des Läufers.
Sensoren werden mit Informationen über die jeweilige Position der Schwungelemente innerhalb der Magnetfelder des Stators versorgt/gespeist, wodurch die Ansteuerung einer als Impulsgeber fungierenden Leistungssteuereinheit erfolgt.
Genannte Leistungssteuereinheit ist für die Zu- bzw. Abschaltung der Stromquelle für diese Ansteuerung zuständig.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Magnetfeld
3: Laufebene
4a: Schwungelement
4b: Schwungelement
4c: Schwungelement
5: Triebwelle
6: Magnetfeld
7: Luftspalt
8: Triebwelle
9: Laufebene
10: Schwungelement
11: Stator
12: Magnetfeld
13a: Magnetfeld
13b: Magnetfeld
14: Luftspalt
15: Schwungelement
16: Bogenbereich
17: Magnetfeld
18: Generator
19: Kupplung
20: Ständer
21: Leitung
22: Segment
X: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19500095 [0004]
DE 102006037249 [0008]

Claims

Elektromagnetischer Antrieb für drehende Bewegungen, der die Vorschubkraft nach dem Prinzip eines Elektromagneten als Anziehungskraft zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Weicheisenteilen erzeugt, welche als Stator und Rotor fungieren, wobei der Stator von Spulen elektrisch erregt und der Rotor Schwungelemente besitzt und elektrisch passiv ist, sowie beide Weicheisenteile periodische Strukturen in Form von Polteilungen aufweisen und die Pole in einer Folge elektrisch erregt werden, dass sich eine kontinuierliche Kraft in der gewünschten Drehrichtung entwickelt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Läufer bildenden Triebwelle (5; 8) mindestens ein Schwungelement (4; 10; 15) angeordnet ist, welches aus zwei diametral gegenüberliegenden unwuchtfreien Segmenten (22) in einer gemeinsamen Laufebene (3; 9) besteht.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungelement (4; 10; 15) scheibenförmig sowie einteilig kompakt ausgebildet und drehfest auf der Triebwelle (5; 8) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (22) der scheibenförmigen Schwungelemente (15) jeweils einen breit ausgebildeten peripheren Bogenbereich (16) besitzen, der parallel angeordnete ringförmige Magnetfelder (17) aufweist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schwungelemente (4; 10; 15) mit axialem Abstand (X) auf der Triebwelle (5; 8) angeordnet sind.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Laufebene (3; 9) ein separates ringförmiges Magnetfeld (2; 12) im Stator (1; 11) für das Magnetfeld (6; 13; 17) der Schwungelemente (4; 10; 15) zugeordnet ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungelemente (4; 10; 15) mehr als zwei massebildende Segmente (22) aufweisen, welche winkelgleich versetzt sowie unwuchtfrei auf der Triebwelle (5; 8) des Läufers angeordnet sind.