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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenmotor mit Magnetantrieb und Abschirmung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mit Magneten und einer Abschirmvorrichtung wird eine lineare Bewegung von Kolben realisiert. Ein ferromagnetisches Metall als Zugstange, der am Kolben befestigt ist, wird mit starken Dauermagneten angezogen und durch Abschirmung der Magnetfelder mit einem Rotor wird auf die Zugstange wirkendes Magnetfeld abgeschwächt und die Auf- und Abbewegung des Kolbens mit einer Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, mit Hubkolbenmotoren eine Kurbel in eine Drehbewegung umzusetzen. Bei Verbrennungsmotoren wird die Volumenänderung eines Gases über einen sich linear bewegenden, zylindrischen Kolben über eine Pleuelstange und eine Kurbel in eine Drehbewegung umgesetzt.
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Ein Verbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt. Geläufige Beispiele für Verbrennungsmotoren sind der Ottomotor und der Dieselmotor in Automobilen.
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Die Verbrennungsmotoren haben neben den großen Vorteilen auch allgemein bekannte Nachteile, wie z. b. die Umweltverschmutzung durch Abgase, die Treibstoffkosten und die Vernichtung von wertvollen Rohstoffen wie Öl bzw. Benzin bei der Verbrennung.
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Aus
US 8058755B2 ist beispielsweise ein Kolbenmotor mit Permanent- und Elektromagneten in linearer Bauweise bekannt. Weitere Magnetmotor-Technologien zur Umwandlung von magnetischer Kraft in mechanische Arbeit werden in
DE3751215T2 und
DE 10 2007 037 186 B3 beschrieben.
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Aus der
DE 10 2007 037 186 B3 ist eine Vorrichtung zur Generierung eines magnetischen Wechselfeldes, welches mit einem ortsfesten magnetischen Feld interagiert, bekannt. Durch eine spezielle Anordnung der Dauermagnete des inneren Stators, des Rotors und des äußeren Stators wird bei Drehung des Rotors ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das eine weitgehend verlustfreie Drehbewegung des Rotors zwischen dem inneren Stator und dem äußeren Stator erlaubt.
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Die mit Permanentmagneten angetriebene Magnetmotoren haben den Nachteil, dass sie konstruktionsbedingt keine ausreichende Leistung für herkömmliche Anwendungen liefern. Auch eine Abschirmung des Magnetfeldes ist konstruktionsbedingt entweder nicht vorgesehen oder wird nicht optimal umgesetzt.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem einfachen Motorkonzept einen Kolbenmotor mit starken Dauermagneten und einer geeigneten Abschirmvorrichtung mit großem Drehmoment anzutreiben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, mit starken Dauermagneten und einer erfindungsgemäßen Abschirmung große Drehmomente wie die herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu erzeugen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird mit Neodym-Dauermagneten (NdFeB) eine starke Zugkraft auf die Kolben ausgeübt. Neodym-Magnete mit sehr starken Magnetfeldern sind auf dem Markt erhältlich. Quaderförmige Neodym-Magnete N45 mit den Abmessungen von ca. 110 × 90 × 20 mm können z. b. mit ihrem Magnetfeld etwa 800 kg Gewicht anziehen. Durch Verwendung von mehreren Magneten dieses Typs wird bei der vorliegenden Erfindung das Magnetfeld vervielfacht und zum effektiven Betrieb des Kolbenmotors notwendiges Drehmoment realisiert.
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In der Industrie werden beispielsweise Lasthebemagnete (
DE19911897A1 ) aus Permanentmagneten mit der Tragkraft von mehreren Tonnen Gewicht zum Heben und Transportieren von ferromagnetischen Metallen eingesetzt.
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Die Größe des Drehmomentes ist bei der vorliegenden Erfindung abhängig von der Magnetfeldstärke der einzelnen Permanentmagnete, Größe, Form und Material der Kolben, Zugstange und der Abschirmvorrichtung sowie von dem Abstand zwischen den Magneten, der Zugstange, dem Rotor und der Abschirmvorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zwei oder mehr Permanentmagnete 3 paarweise an jedem Kolben 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 in einer Achse angeordnet sind. An jedem Kolben 5 ist vorzugsweise eine quaderförmige Zugstange 4 aus ferromagnetischem Material wie Eisen angebracht. Es sind auch andere ferromagnetische Materialien und geometrische Formen möglich, um das Magnetfeld optimal auf die Zugstange zu übertragen.
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Die Auf- und Abbewegung der Kolben 5, wie in 1 dargestellt, wird durch die Zugkraft der oberhalb am Zylinder angebrachten zwei Permanentmagnete 3 an der Zugstange 4 gewährleistet. Mit linearer Bewegung des Kolbens 5 wird die Zugstange 4 durch magnetische Anziehungskraft in eine Position zwischen zwei Permanentmagnete 3 oberhalb der Zylinder gebracht und der magnetische Kreis wird geschlossen.
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Der drehbar gelagerte Rotor 1 in 1 mit den diagonal angebrachten ferromagnetischen Metallen in den Ronden durchkreuzt an den äußeren Seiten das Magnetfeld der Permanentmagnete 3 und das Magnetfeld wird teilweise auf das ferromagnetische Abschirmmetall am Rotor 1 umgelenkt. In dieser Position verringert sich die Anziehungskraft der Permanentmagnete 3 an der Zugstange 4 und die lineare Bewegung des Kolbens 5 wird ermöglicht.
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Die Ronden am Rotor 1 enthalten abwechselnd ferromagnetische und nicht-magnetische Metalle in diagonalen Kreissegmenten. Bei Drehbewegung des Rotors 1 wird das Magnetfeld zwischen dem Permanentmagneten 3 und der Zugstange 4 durch Abschirmung abgeschwächt und die Abwärtsbewegung des Kolbens 5 wird dadurch erleichtert. Ohne diesen Abschirmeffekt würde das Magnetfeld einen großen Widerstand ausüben und die Bewegung des Kolbens 5 abbremsen.
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Die Welle 2 des Rotors 1 ist nach einer dem Fachmann bekannten Art an der Kurbelwelle vorzugsweise mit einem Zahnrad mit dem passend gewählten Übersetzungsverhältnis verbunden und die diagonalen Abschirmungssegmente des Rotors 1 werden an die jeweiligen Kolbenstellungen angepaßt.
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Während die Kolben 5 durch magnetische Anziehungskraft der Permanentmagnete 3 mit abwechselnde lineare Bewegung in den Arbeitstakten die Kurbelwelle in Drehung versetzen, wird mit der synchronen Drehung des Rotors 1 eine Abschirmung realisiert.
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Das Prinzip der Abschirmung
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Jeder Magnet ist von einem Magnetfeld umgeben und ein Stück Eisen wird von einem Magnet angezogen indem das Magnetfeld teilweise auf dieses Eisen umgelenkt wird. Bei zwei getrennten Eisenteilen mit gleichen Abmessungen wird das Magnetfeld auf beide umgelenkt und der Anteil des Magnetfeldes für die einzelnen Eisenteile nimmt ab. Bei Eisenteilen mit unterschiedlichen Abmessungen werden auf das Eisen mit den größeren Abmessungen mehr Magnetfelder umgelenkt als zum Eisen mit den kleineren Abmessungen, d. h. größere ferromagnetische Objekte werden vom Magnetfeld stärker angezogen als kleinere.
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Das Prinzip der Abschirmung bei der vorliegenden Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken ein bestimmtes Magnetfeld von Permanentmagneten auf mehrere ferromagnetische Objekte mit unterschiedlichen Abmessungen umzulenken und dadurch das am Zielobjekt wirkendes Magnetfeld abzuschwächen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das Magnetfeld der beiden Magnete 3 in 1 zuerst auf die Zugstange 4 mit kleineren Abmessungen umgelenkt und zieht diese an. Der Rotor 1 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform aus zwei Abschirmsegmenten vorzugsweise aus Eisen mit größeren Abmessungen als die Zugstange 4. In der Nähe der Magnete wird das Magnetfeld der Permanentmagnete 3 neben der Zugstange 4 auch auf die doppelten, seitlichen Abschirmsegmente des Rotors 1 aus Eisen mit doppelte Dicke umgelenkt. Dadurch wird das Magnetfeld auf die Zugstange 4 abgeschwächt und die Ronde des Rotors 1 bewirkt eine Abschirmung und die Zugstange 4 kann mit dem Kolben 5 das Magnetfeld verlassen.
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Die FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) ergeben für eine bevorzugte Ausführungsform eine ausreichende Abschwächung des Magnetfeldes um eine fortwährende lineare Bewegung der einzelnen Kolben zu gewährleisten. Die auf ein Kolben 5 wirkende magnetische Anziehungskraft wird zwar größtenteils zum Drehen des Rotors und der anderen Kolben aufgebraucht und erzeugt kein Drehmoment an der Kurbelwelle, jedoch reicht die restliche Anziehungskraft um das notwendige Drehmoment zu produzieren. Auch beim Ottomotor geht ein Teil der produzierten Hubkraft bei einem Kolben beim Verdichten des Treibstoffs verloren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nichteinschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigt jeweils mit Vorder-, Seiten-, Perspektiv- und Explosionsansicht:
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1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Kolbens 5 mit Zugstange 4, Dauermagneten 3 und Rotor 1 mit Abschirmsegmenten
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2: eine schematische Prinzipdarstellung von zwei Kolben mit gegenläufige Bewegung
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3: eine schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Vierzylinder-Reihenmotors
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4: eine schematische Prinzipdarstellenung von erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenmotors mit Acht Zylindern in linearer Bauweise
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5: eine schematische Prinzipdarstellenung von erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenmotors mit 16 Zylindern in sternförmige Anordnung
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor und Ronde mit Abschirmsegmenten
- 2
- Welle vom Rotor
- 3
- Permanentmagnete
- 4
- Zugstange
- 5
- Kolben
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Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Kolbenmotors als 4-Zylinder-Reihenmotor ist in 3 schematisch dargestellt. Der erfindungsgemäße Kolbenmotor besteht aus einem Kurbelwellengehäuse nach heute gebräuchlicheren und dem Fachmann bekannter Bauart jedoch wird der Zylinderkopf, der den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors nach oben abschließt, nicht verwendet. Die klassischen Bestandteile des Kurbelwellengehäuses mit der Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolben mit den Zylinderlaufbuchsen können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Im Unterschied zu einem herkömmlichen Kolbenmotor weist der erfindungsgemäße Kolbenmotor gemäß 3 an Stelle des Zylinderkopfes parallel angeordnete Permanentmagnete 3 und einen Rotor 1 mit Ronden für die Abschirmung auf.
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Der Rotor besteht aus Ronden 1 mit abwechselnd unterschiedlichen diagonale Segmenten, vorzugsweise aus Eisen und Aluminium. Das diagonale Kreissegment mit dem Eisen bewirkt die Abschirmung und das Segment mit dem nicht-magnetischem Aluminium bildet den magnetisch neutralen Bereich. Die obenliegende Welle 2 des Rotors 1 wird entweder mit Zahnrädern, eine Steuerkette oder mit einem Zahnriemen mit der Kurbelwelle verbunden und angetrieben. Für jeden Kolben 5 werden zwei Ronden angebracht und bei Drehung des Rotors 1 wird das Magnetfeld der Permanentmagnete 3 in Richtung der Zugstange 4 abgeschwächt.
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An jedem Kolben 5 sind zwei Permanentmagnete 3 angebracht, die mit ihrem Magnetfeld die Zugstange 4 anziehen und somit den Kolben 5 hin- und her bewegen. Zweckmäßig sind die Permanentmagnete 3 als Stabmagnete ausgebildet und in mehreren parallelen Reihen als zwei Blöcke für jeden Kolben 5 angeordnet.
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Die Permanentmagnete 3 sind nach einer dem Fachmann bekannten Art gewählt, beispielsweise sind Seltenerdmagnete aus Neodym mit einem hohen Energieprodukt verwendbar, sodass große Drehmomente erreichbar sind. Die Permanentmagnete 3 sind mit einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung beweglich in ihrer Position gelagert um den Motor ein- und auszuschalten.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin,
- – daß der Kolben und die Zugstange aus einem einzelnen ferromagnetischem Material besteht und mit der Pleuelstange direkt verbunden ist.
- – daß an Stelle eines einzelnen Rotors mit Ronden für jeden Kolben separate und bewegliche Abschirmungsvorrichtungen mit unterschiedlichen Materialien und Formen verwendet wird.
- – daß die Abschirmvorrichtung nicht direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist, sondern durch mechanische, hydraulische oder elektronische Steuerung angetrieben wird.
- – daß der Abschirmeffekt mit Elektromagneten unterstützt wird.
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Auf der Basis der erläuterten Grundkonstruktion sind Motorvarianten mit unterschiedlichen Zylinderzahlen und Zylinderanordnungen, wie in 3, 4 und 5 schematisch dargestellt, möglich. Für verschiedene Einsatzmöglichkeiten kann die Konstruktion des Motorsystems den Anforderungen angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8058755 B2 [0006]
- DE 3751215 T2 [0006]
- DE 102007037186 B3 [0006, 0007]
- DE 19911897 A1 [0013]
