DE102019005796A1 - drive - Google Patents
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Abstract
Wenn auf relativ kleinem Raum über eine deutliche, aber nicht zu große Distanz (z.B. einige Millimeter) eine Kraft auf mindestens einen anzutreibenden Bewegt-Magneten, der mit einem Rotor oder Schlitten verbunden ist, ausgeübt werden soll, sind notwendige Magnetfeldstärken mit einem Elektromagnet oft nur mit großem technischen Aufwand und hohem Energieeintrag zu erreichen. Dagegen sind über die hier geforderten Distanzen mit modernen Dauermagneten auch große Kräfte ohne zusätzlichen Energieeintrag in die Felderzeugung übertragbar.Wenn die auf einem kreisförmigen oder linearen Stator angeordneten Antriebsmagnete mit untereinander festliegenden Drehlagen (von einem Primärantrieb, z.B. Elektro-, Pneumatik-, Hydraulik-Motor angetrieben) mit gleicher Geschwindigkeit synchron rotieren, können große Kräfte und Drehmomente auf Rotoren und/oder Schlitten übertragen werden. Durch die vorab festgelegten Drehlagen der Antriebsmagnete ist ein geringer Kraft und/oder Energieaufwand dafür erforderlich.Antrieb für Rotoren und/oder Schlitten mittels Magnetfelder über vorhandene Zwischenräume mit Wänden und Luftspalten in Gefäße hinein und/oder über Wände hinweg. Es können z.B. sterile und/oder kontaminierte Bereiche mit einem Verbraucher (Rotor, Schlitten, usw.) von Normalbereichen mit dem Antrieb getrennt gehalten werden. Der Nutzungsbereich kann von molekularen/atomaren Größenordnungen bis zu Antrieben für Großanlagen reichen.If a force is to be exerted on at least one moving magnet to be driven, which is connected to a rotor or slide, in a relatively small space over a clear, but not too large distance (e.g. a few millimeters), the necessary magnetic field strengths with an electromagnet are often only to achieve with great technical effort and high energy input. On the other hand, over the distances required here, with modern permanent magnets, even large forces can be transferred into the field generation without additional energy input. If the drive magnets are arranged on a circular or linear stator with mutually fixed rotational positions (from a primary drive, e.g. electric, pneumatic, hydraulic motor driven) rotate synchronously at the same speed, large forces and torques can be transmitted to rotors and / or slides. Due to the previously determined rotational positions of the drive magnets, little force and / or energy is required for this. Drive for rotors and / or slides by means of magnetic fields through existing spaces with walls and air gaps into vessels and / or across walls. For example, sterile and / or contaminated areas with a consumer (rotor, slide, etc.) can be kept separate from normal areas with the drive. The area of use can range from molecular / atomic orders of magnitude to drives for large systems.
Description
Die Erfindung betrifft ein Antriebskonzept unter Einsatz von Dauermagneten, um anzutreibende Elemente (Rührkörper, Rotoren, Läufer, Schlitten, ..) in Bewegung zu versetzen und mit diesen anzutreibenden Elementen Arbeit zu verrichten, wobei Antrieb und die anzutreibenden Elemente auf unterschiedlichen Seiten einer definierten Grenze, Wand oder Zwischenschicht liegen.The invention relates to a drive concept using permanent magnets to set elements to be driven (agitators, rotors, runners, slides, ...) in motion and to do work with these elements to be driven, the drive and the elements to be driven being on different sides of a defined limit , Wall or intermediate layer.
Unter anderem stellt die Erfindung damit einen Antrieb für im Inneren eines Gefäßes liegende Rotor-Elemente (Rührkörper, Rotoren, ..) dar, die von einer außerhalb des Gefäßes liegenden Stator-Anordnung mittels magnetischer Kraftkopplung in rotierende Bewegung versetzt werden können und im Gefäß Arbeit verrichten, wobei zwischen den im Außenraum liegenden Stator-Magneten und den im Innenraum liegenden Rotor-Magneten deutliche Zwischenräume liegen, insbesondere Luftspalte und/oder Zwischenwände.Among other things, the invention thus represents a drive for rotor elements (agitators, rotors, ...) located inside a vessel, which can be set in rotating motion by a stator arrangement located outside the vessel by means of magnetic force coupling and work in the vessel perform, with clear gaps between the stator magnets located in the outer space and the rotor magnets located in the inner space, in particular air gaps and / or partition walls.
Unter anderem stellt die Erfindung damit einen Linearantrieb für eine auf der anderen Seite einer Wand liegende Anordnung (Läufer, Schlitten, ..) dar, die mittels magnetischer Kraftkopplung in lineare translatorische Bewegung versetzt werden und Arbeit verrichten kann, wobei zwischen den Antriebs- und Bewegungsmagneten deutliche Zwischenräume, insbesondere Luftspalte und/oder Zwischenwände liegen.Among other things, the invention thus represents a linear drive for an arrangement (runner, slide, ...) lying on the other side of a wall, which can be set into linear translational movement by means of magnetic force coupling and can do work, with the drive and movement magnets between the drive and movement magnets clear spaces, in particular air gaps and / or partition walls.
Magnetisch gekoppelte Rühreinrichtungen sind im Stand der Technik in vielfältiger Form bekannt, u.a. die Magnetrührer als Laborgeräte.Magnetically coupled stirring devices are known in various forms in the prior art, including the magnetic stirrers as laboratory devices.
Dabei werden auf dem Stand der Technik die zwischen Magnetpolen sich ausbildenden Kräfte genutzt, um Kraft und Drehmoment von einem Antriebsmagneten auf einen mit einem Magneten verbundenen (Rühr-)Körper zu übertragen. Bei üblichen Magnetrührern der Labortechnik wird z.B. außerhalb eines Gefäßes ein motorangetrieben rotierender Antriebsmagnet genutzt, um ein magnetisches Drehfelder im Inneren des Gefäßes zu erzeugen. Auf dem Stand der Technik werden als primäre Antriebe oftmals Elektromotoren eingesetzt.In the prior art, the forces that develop between magnetic poles are used to transmit force and torque from a drive magnet to a (stirring) body connected to a magnet. With conventional magnetic stirrers in laboratory technology, e.g. a motor-driven rotating drive magnet is used outside of a vessel in order to generate a magnetic rotating field inside the vessel. In the prior art, electric motors are often used as primary drives.
Bei einer Anordnung eines üblichen Magnetrührers der Labortechnik des Stands der Technik ist die Zuordnung von Elementen zu einem Rotor oder zu einem Stator im Sinne des Gegenstands dieser Erfindung allerdings nur eingeschränkt herzustellen. Bei einer hier im Focus stehenden Anordnung stellt der im Gefäß rotierende Rührkörper den Innenraum-Rotor dar. Eine bezüglich dieses Rotors als Stator zu bezeichnende Anordnung von der eine Kraftwirkung auf den Rotor übertragen wird, also ein bezüglich dieses Rotors nicht rotierendes Element existiert bei einem üblichen Magnetrührer der Labortechnik nicht, weil dort i.a. der Antriebsmagnet parallel zum Rührmagneten liegt und beide zusammen eine gemeinsame Rotationsbewegung ausführen. Der im üblichen Magnetrührer der Labortechnik des Stands der Technik zum primären Antrieb, also zum Motor gehörende Stator ist nicht als Stator im Sinne dieser Erfindung zu sehen. In the case of an arrangement of a conventional magnetic stirrer in laboratory technology of the prior art, however, the assignment of elements to a rotor or to a stator within the meaning of the subject matter of this invention can only be established to a limited extent. In an arrangement in focus here, the stirring body rotating in the vessel represents the interior rotor. An arrangement to be referred to as a stator with regard to this rotor, from which a force is transmitted to the rotor, that is to say an element that does not rotate with respect to this rotor, exists in a conventional one Magnetic stirrers in laboratory technology are not, because there ia the drive magnet is parallel to the stirring magnet and both together perform a common rotational movement. The stator belonging to the primary drive, that is to say to the motor, in the usual magnetic stirrer in laboratory technology of the prior art is not to be seen as a stator in the sense of this invention.
Vergleichbare magnetische Drehfelder können auch von Spulenanordnungen erzeugt werden, die geeignet angesteuert werden. In diesem Fall stellt ein Rührkörper in einem Gefäß wieder den Innenraum-Rotor dar, die Spulenanordnung ist eine bezüglich dieses Rotors als Stator zu bezeichnende Anordnung. Von dieser Stator-Anordnung wirkt auf den Rotor eine antreibende Kraft, die Stator-Anordnung bewegt sich aber bezüglich des definierten Rotors nicht rotierend mit diesem mit, ist also ein bezüglich dieses Rotors nicht rotierendes Element.Comparable rotating magnetic fields can also be generated by coil arrangements that are suitably controlled. In this case, a stirring body in a vessel again represents the interior rotor, the coil arrangement is an arrangement that can be referred to as a stator in relation to this rotor. A driving force acts on the rotor from this stator arrangement, but the stator arrangement does not rotate with the defined rotor with respect to it, and is therefore an element which does not rotate with respect to this rotor.
Die derart bei Magnetrührern der Labortechnik erzeugten magnetischen Drehfelder üben eine Mitnahmekraft bzw. ein Drehmoment auf einen in das Gefäß eingelegten, mit einem Magneten verbundenen Rührkörper aus, der in eine rotierende Bewegung versetzt wird und dadurch das Medium im Gefäß rührt. Bei gegebener Konstruktion des Rührkörpers muss eine definierte Mindestdrehkraft (genauer ein Mindestdrehmoment) sicherstellen, dass der Rührkörper im Medium mit der jeweils gewünschten Umdrehungszahl rotieren kann. Diese Kraft muss zu jedem Zeitpunkt ausreichen, um das in Drehrichtung vor dem Rührkörper liegende Medium nach vorn zu schieben oder seitlich zu verdrängen, muss also gegen den (sich i.a. nichtlinear verhaltenden) Widerstand des Mediums arbeiten. Die zur Drehung des Rührkörpers im Medium benötigte Kraft muss letztendlich durch das auf den Rührmagneten wirkende Magnetfeld aufgebracht werden.The magnetic rotating fields generated in this way with magnetic stirrers in laboratory technology exert a drag force or torque on a stirring body placed in the vessel and connected to a magnet, which is set in a rotating movement and thereby stirs the medium in the vessel. Given the design of the agitator body, a defined minimum torque (more precisely a minimum torque) must ensure that the agitator body can rotate in the medium at the required number of revolutions. This force must be sufficient at all times to push the medium in front of the agitator body in the direction of rotation forwards or to displace it to the side, i.e. it must work against the resistance of the medium (which is generally non-linear). The force required to rotate the stirring body in the medium must ultimately be applied by the magnetic field acting on the stirring magnet.
Spulenanordnungen können die mit Dauermagneten im Nahbereich erreichbaren Kraftwirkungen im gegebenen Rahmen nur mit einem hohen technischen Aufwand und mit einem oft sehr hohen Energieaufwand erreichen, so dass rotierende Dauermagnete mit großer Feldstärke bezüglich der Kraftkopplung sowohl energetisch als auch konzeptionell an sich eine gute Lösung darstellen. Allerdings nimmt die Kraftwirkung eines Magneten mit zunehmender Entfernung (bereits im geringen Millimeterbereich) sehr schnell ab.Coil arrangements can only achieve the force effects that can be achieved with permanent magnets in the close range within the given framework with a high technical effort and often with a very high expenditure of energy, so that rotating permanent magnets with high field strengths with regard to the force coupling represent a good solution both energetically and conceptually. However, the force of a magnet decreases very quickly with increasing distance (even in the small millimeter range).
Bei allen Konstruktionen muss aber der räumliche Abstand zwischen den Antriebsmagneten und dem Magneten im angetriebenen Rührkörper (Rührmagnet) überbrückt werden; ein Abstand der i.a. nicht wesentlich verkleinert werden kann. Die Wand eines Gefäßes oder der für die Rotation des Antriebsmagneten freizuhaltende Zwischenraum oder der Raum für eine Heizung muss vom Magnetfeld überbrückt werden (oft etliche Millimeter). Dieser Abstand begrenzt aber auch die mit magnetischen Feldern übertragbaren Kraftwirkungen erheblich.In all constructions, however, the spatial distance between the drive magnets and the magnet in the driven stirring body (stirring magnet) must be bridged; a distance that generally cannot be reduced significantly. The wall of a vessel or the space or space to be kept free for the rotation of the drive magnet for heating, the magnetic field must be bridged (often several millimeters). However, this distance also considerably limits the force effects that can be transmitted with magnetic fields.
Aus der
Anders als bei der
Diese derart geometrisch definierten Lagen und Relationen z.B. der jeweiligen Rotationsachsen zueinander sind als „im Wesentlichen“ zu verstehen, das heißt, Drehachsen der Antriebsmagnete, die z.B. als „parallel zur Drehachse des Rührmagneten liegend“ beschrieben werden, erfüllen diese Bedingung funktionell auch dann noch, wenn sie nicht genau, sondern nur „in etwa parallel liegen, und u.U. sogar dann noch, wenn ein Winkel von z.B. 45° vorliegt, aber immer noch eine Komponente einer Projektion dieser Achsen auf die - funktionell beschriebene - parallele Achse diese Eigenschaft beisteuern kann. Wesentlich ist also, dass in einer tatsächlichen Anordnung eine beschriebene „parallel liegende Achse“ mit der dadurch beschriebenen Funktionalität ein „Parallelliegen der Achsen“ evtl. nur noch deshalb erfüllt, weil eine wesentliche Komponente der tatsächlichen Lage dies erfüllt.These geometrically defined positions and relationships, e.g. of the respective axes of rotation to one another, are to be understood as "essentially", that is, axes of rotation of the drive magnets, which are described, for example, as "lying parallel to the axis of rotation of the stirring magnet", functionally fulfill this condition, if they are not exactly, but only "roughly parallel, and possibly even if there is an angle of 45 °, for example, but a component of a projection of these axes onto the - functionally described - parallel axis can contribute this property. It is therefore essential that in an actual arrangement a described "parallel axis" with the functionality described thereby fulfills a "parallel axis" only because an essential component of the actual position fulfills this.
Auf dem Stand der Technik sind Motoren das übliche Mittel der Wahl für Antriebsaufgaben. Daher sind Antriebskonzepte mit außerhalb eines Gefäßes (z.B. einem Glasrohr) liegenden Spulen bekannt, die Kraft auf einen innen liegenden Rotor übertragen sollen. Von bekannten Motorkonstruktionen abgeleitet, werden dazu oft einfach nur Rotor und Stator bekannter Motorkonstruktionen auf die beiden Seiten der Zwischenwand des Gefäßes gelegt. Derartige Konstruktionen können aber auf Grund der zu überbrückenden großen Luft- bzw. Wegstrecken eine mit Motoren vergleichbare Leistung nicht aufbringen. Zwar sind Luftspalte nicht zu vermeiden, wenn sich eine bewegte Anordnung an einer unbewegten Anordnung ohne Reibung vorbeibewegen soll, aber die bei Elektromotoren zum Erreichen sehr hoher Kräfte und Drehmomente gegebene Möglichkeit, die Luftspalte konstruktiv sehr klein und deutlich unter einem Millimeter zu halten, ist hier nicht gegeben.In the prior art, motors are the usual means of choice for drive tasks. Therefore, drive concepts with coils located outside a vessel (e.g. a glass tube) are known, which are intended to transfer power to an internal rotor. Derived from known motor designs, the rotor and stator of known motor designs are often simply placed on the two sides of the intermediate wall of the vessel. However, due to the large air or travel distances to be bridged, such constructions cannot provide a performance comparable to that of motors. It is true that air gaps cannot be avoided if a moving arrangement is to move past an immovable arrangement without friction, but this is where the possibility of keeping the air gaps structurally very small and well below a millimeter in order to achieve very high forces and torques is possible not given.
Bei den hier im Focus der Erfindung stehenden Betrachtungen des Gegenstands der Erfindung ist zur Abgrenzung zum Stand der Technik also zu beachten, dass größere Luftspalte, Gefäßwände oder eine einen Magnetfluss nicht gut leitende Strecke im Kraftübertragungsweg liegen können. Die dabei zu überbrückenden Strecken liegen oberhalb von einem Millimeter bis zu Zentimetern oder sogar mehr. Der zur Verfügung stehende Raum-Nutzbereich wird zudem als eingeschränkt betrachtet, der es nicht erlaubt, sehr große Spulen als Elektromagnete einzusetzen.In the considerations of the subject matter of the invention, which are the focus of the invention here, it should be noted that larger air gaps, vessel walls or a path that does not conduct a magnetic flux well can lie in the power transmission path. The distances to be bridged are from one millimeter to centimeters or even more. The available space usable area is also considered to be restricted, which does not allow very large coils to be used as electromagnets.
In diesem technischen Rahmen ist es Aufgabe der Erfindung, einen sich (bezügliche einer anzutreibenden Einheit) außerhalb einer trennenden Wand befindenden kraftvollen Antrieb für eine anzutreibende Einheit anzugeben, wobei eine magnetische Kraftkopplung von außen über die Wand zusätzlich zu einem (u.U. mehrteiligen) Luftspalt hinweg vom Antriebsmagneten auf die anzutreibende Einheit (mit Magneten, im Folgenden „Bewegt- oder Rotor-Magneten“) erreicht werden muss. Anzutreibende Einheiten sollen hier insbesondere, aber nicht nur, Rotoren, insbesonere Innenraumrotoren oder Schlitten eines Linear-Antriebs sein.In this technical context, the object of the invention is to provide a powerful drive for a unit to be driven (with respect to a unit to be driven) outside a separating wall, with a magnetic force coupling from the outside via the wall in addition to a (possibly multi-part) air gap away from the Drive magnets on the unit to be driven (with magnets, hereinafter "moving or rotor magnets") must be reached. Units to be driven should in particular, but not exclusively, be rotors, in particular interior rotors or slides of a linear drive.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Details des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the characterizing details of
Insbesondere dadurch, dass
- - eine Kraftübertragung zwischen
- ◯ den Bewegt-Magneten (Rotor-, Innenraum-, Rühr-, Schlittenmagnete) und
- ◯ den Antriebs-Magneten eines außerhalb der Wand eines Gefäßes (z.B. eines evtl. längeren Rohres) liegenden Stators,
- - die Antriebs-Magnete als Dauermagnete
- ◯ auf einem Kreis um das Gefäß herum liegen
- ◯ oder auf parallel geführten Linien angeordnet sind (linear geführte Schlitten), und
- - diese Antriebs-Magnete
- ◯ bei einer insgesamt für alle Antriebs-Magnete festgelegten Drehlagenzuordnung
- ◯ untereinander drehgekoppelt sind und
- ◯ alle Antriebs-Magnete zusammen (oder zumindest gruppenweise zusammen) in einer einheitlichen Richtung rotieren.
- - a power transmission between
- ◯ the moving magnet (rotor, interior, stirring, slide magnets) and
- ◯ the drive magnet of a stator located outside the wall of a vessel (e.g. a possibly longer pipe),
- - the drive magnets as permanent magnets
- ◯ lie on a circle around the vessel
- ◯ or are arranged on parallel lines (linearly guided carriages), and
- - these drive magnets
- ◯ with a rotational position assignment that is defined for all drive magnets
- ◯ are rotatably coupled to one another and
- ◯ all drive magnets rotate together (or at least in groups) in a uniform direction.
Die Rotationsachse eines (Innenraum-)Rotor-Magneten und die Rotationsachsen der Antriebs-Magnete liegen i.W. parallel zueinander; beim Linearantrieb ist diese Sichtweise nicht unbedingt relevant. Alternative Antriebs- und Ausführungsformen erfindungsgemäßer Auslegungen werden in Nebenansprüchen angeführt.The axis of rotation of an (interior) rotor magnet and the axes of rotation of the drive magnets are generally located. parallel to each other; this view is not necessarily relevant for linear drives. Alternative drive and embodiments of designs according to the invention are given in the dependent claims.
Die Erfindung geht von den Erkenntnissen aus,
- - dass mit starken Dauermagneten über die hier in Frage stehenden Distanzen (Millimeter, Zentimeter) selbst dann starke Kraftwirkungen von einem Antriebsmagneten auf einen Bewegt-Magneten übertragen werden können, wenn keine zusätzliche Energie für die unmittelbare Kraftentwicklung bereitgestellt wird,
- - dass im vorgesehenen Rahmen (mit dem gegebenen Raumbereich) vergleichbare Kraftwirkungen mit Elektromagneten (Spulen) wenn überhaupt, dann nur unter Einsatz sehr hoher Energien und mit einem sehr hohen technischen Aufwand erreicht werden können,
- - dass Magnetfelder von starken Antriebs-Dauermagneten, die
- ◯ mit zueinander definiert eingerichteter und dann
- ◯ untereinander festliegenden Dreh-Lage
- ◯ gemeinsam gleichartig rotieren,
- - dass trotz evtl. sehr großer Magnetkraftwirkungen zwischen benachbart liegenden sehr starken Antriebs-Dauermagneten durch definiert zueinander eingestellte Drehlagen der Antriebs-Dauermagneten nur ein relativ geringer Kraft- und Energieaufwand von einem primären Antrieb aufzubringen ist, um mechanische Leistung über die hier in Frage stehenden Distanzen auf einen Bewegt-Magneten (Rotor oder Schlitten) zu übertragen
- - that with strong permanent magnets over the distances in question (millimeters, centimeters), strong force effects can be transmitted from a drive magnet to a moving magnet even if no additional energy is provided for the direct force development,
- - that within the envisaged framework (with the given spatial area) comparable force effects with electromagnets (coils), if at all, can only be achieved using very high energies and with a very high technical effort,
- - that magnetic fields from strong drive permanent magnets that
- ◯ with a defined set up and then
- ◯ fixed rotary position among each other
- ◯ rotate together in the same way,
- - that despite possibly very large magnetic force effects between adjacent very strong permanent drive magnets, only a relatively small amount of force and energy needs to be applied by a primary drive in order to achieve mechanical power over the distances in question here due to the rotational positions of the permanent drive magnets set in a defined manner to be transmitted to a moving magnet (rotor or slide)
Der letzte Punkt dieser Erkenntnisaufzählung erscheint banal, ist aber ein ganz wesentlicher Punkt: In erfindungsgemäßen Anordnungen können die eingesetzten Antriebs-Dauermagnete u.U. relativ eng beieinander liegen, können durch diese Nähe sehr große Kräfte aufeinander ausüben und sich daher mit entsprechend großen Kräften aneinander festhalten und sich damit gegen den primären Antrieb stemmen. Bei geeignet angeordneten und in der Drehbeziehungs-Phasenlage untereinander genau eingestellten, gemeinsam rotierenden Dauermagneten ist aber, selbst bei Nutzung von extrem starken Dauermagneten, nur ein erstaunlich geringer Kraft- und Energieaufwand des primären Antriebs nötig, um die gesamte Anordnung in Betrieb zu nehmen und im Betrieb zu halten.The last point of this list of findings seems banal, but it is a very important point: In the arrangements according to the invention, the drive permanent magnets used can under certain circumstances be relatively close to one another, can exert very large forces on one another due to this proximity and therefore hold on to one another with correspondingly large forces use it to press against the primary drive. However, if the permanent magnets are suitably arranged and precisely adjusted to one another in the rotational relationship phase position, jointly rotating permanent magnets, even when using extremely strong permanent magnets, only an astonishingly low expenditure of force and energy is required by the primary drive to put the entire arrangement into operation and in To keep operation.
Die tatsächlich effektive Nutzleistungsübertragung kann im Betrieb z.B. über die elektrische Leistung des primären Antriebs auch nachgewiesen werden: Der Energieaufwand für Reibung und andere Verluste (auch Wirbelstromverluste) muss natürlich immer aufgebracht werden. Aber die Leistungsaufnahme des primären Antriebs während des Betriebs, einmal ohne das eigentliche Verbraucher-Element (Rotor, Rührkörper, Schlitten) gemessen und einmal mit dem eigentlichen Verbraucher-Element unter Last gemessen, ergibt in der Differenz den nur für den eigentlichen Zielvorgang zusätzlich aufgewendeten Leistungsaufwand. Der nur für die eigentliche Zielarbeit am Verbraucher aufzubringende und derart messbare Aufwand zeigt einen effizient arbeitenden Antriebsmechanismus zur Übertragung mechanisch definierter Leistung über die hier in Frage stehenden Distanzen auf einen Bewegt-Magneten (Rotor oder Schlitten). Die Erkenntnis, dass ein primärer Antrieb relativ wenig Kraft und Energie aufbringen muss, um den Betrieb einer erfindungsgemäßen, geeignet ausgelegten und gut eingestellten Anordnung aufrecht zu erhalten, fordert in konkreten Ausgestaltungen der Erfindung die genaue physikalische Analysen des Leistungsflusses und der Verluste heraus (insbesondere auch zur Vermeidung von z.B. Wirbelstromverlusten).The actually effective transfer of useful power can also be proven during operation, e.g. via the electrical power of the primary drive: The energy expenditure for friction and other losses (including eddy current losses) must of course always be used. But the power consumption of the primary drive during operation, measured once without the actual consumer element (rotor, agitator, slide) and once measured with the actual consumer element under load, results in the difference in the additional power expenditure only for the actual target process . The effort that has to be invested in the actual target work on the consumer and that can be measured in this way shows an efficiently working drive mechanism for transmitting mechanically defined power over the distances in question to a moving magnet (rotor or slide). The knowledge that a primary drive has to generate relatively little force and energy in order to maintain the operation of a suitably designed and well-adjusted arrangement according to the invention calls for precise physical analyzes of the power flow and the losses in specific embodiments of the invention (in particular also to avoid eddy current losses, for example).
Im Rahmen dieser Erfindung erfolgt der Kraft- bzw. Energie- bzw. Leistungsfluss generell in der folgenden Reihenfolge:
- - Unter Nutzung einer primären Energieform wird ein primärer Antrieb eingesetzt; das kann z.B. ein Elektromotor (in jeder Motorform, also z.B. Schrittmotor, DC-Motor, usw.) sein, ein Druckluftmotor (in jeder Form, auch z.B. ein Druckluft-Schrittmotor), ein Hydraulikmotor, aber auch ein geringstufiger Schrittschaltmotor-Mechanismus oder ein handgetriebener Kurbelantrieb, usw.;
- - dieser primäre Antrieb versetzt über eine geeignete mechanische Anordnung (Ketten, Riemen, Zahnräder, Getriebe, usw.) starke Dauermagnete als Antriebs-Magnete (im Folgenden nur noch Antriebsmagnete) in Rotation, wobei diese Antriebs-Magnete
- ◯ Rotationsachsen an fest definierten Positionen auf einem Stator haben und
- ◯ zuvor untereinander in eine definierte Rotations-(Phasenlagen-)Zuordnung gebracht worden sind;
- - die Magnetfelder dieser rotierenden Antriebsmagnete wirken kraftübertragend über die größeren Zwischenräume (Luftspalt, Gefäßwand, usw.) auf (Bewegt-)Dauermagnete, die mit einem Verbraucher (Rotor, Schlitten, usw.) auf der anderen Seite des jeweiligen Zwischenraums verbunden sind, wodurch
- - diese (Bewegt-)Dauermagnete mit Verbraucher (Rotoren, Schlitten, ..) in Bewegung gesetzt werden und damit dort die eigentliche Ziel-Arbeit verrichten.
- - Using a primary form of energy, a primary drive is used; this can be, for example, an electric motor (in any form of motor, e.g. stepper motor, DC motor, etc.), a compressed air motor (in any form, including e.g. a compressed air stepper motor), a hydraulic motor, but also a low-speed stepper motor mechanism or a hand-operated crank drive, etc .;
- - This primary drive uses a suitable mechanical arrangement (chains, belts, gears, gears, etc.) to move strong permanent magnets as drive magnets (in the following only Drive magnets) in rotation, these drive magnets
- ◯ have axes of rotation at fixed positions on a stator and
- ◯ have previously been brought into a defined rotation (phase position) assignment;
- - The magnetic fields of these rotating drive magnets transmit force via the larger spaces (air gap, vessel wall, etc.) to (moving) permanent magnets that are connected to a consumer (rotor, slide, etc.) on the other side of the respective space, whereby
- - These (moving) permanent magnets with consumers (rotors, slides, ...) are set in motion and thus do the actual target work there.
In dieser Kette des Energieflusses ist die Energieübertragung über einen größeren Zwischenraum (Luftspalt, Gefäßwand, usw.) die zu lösende erfindungsgemäße Aufgabe, die unter Nutzung der Magnetfelder von starken Dauermagneten gelöst wird, weil im hier gegeben Rahmen (kleine Raumbereiche, Distanzen im deutlichen Millimeterbereich, eine begrenzte Energiebereitstellung, usw.) eine geeignet große Kraftentfaltung nur mit modernen Dauermagneten möglich ist und diese daher genutzt werden soll. Die Zwischenraumgrößen sind nicht reduzierbar, weil andere Gründe (z.B. eine evtl. notwendige Abgrenzung von sterilen oder kontaminierten Bereichen, die Eleganz und Einfachheit etablierter Geräte oder Prozesse oder Handhabungen, usw.) das nicht zulassen oder das nicht ratsam ist.In this chain of energy flow, the energy transfer over a larger space (air gap, vessel wall, etc.) is the task to be solved according to the invention, which is achieved using the magnetic fields of strong permanent magnets, because within the given framework (small spatial areas, distances in the clear millimeter range , a limited supply of energy, etc.) a suitably large power development is only possible with modern permanent magnets and this should therefore be used. The gap sizes cannot be reduced because other reasons (e.g. a possibly necessary demarcation of sterile or contaminated areas, the elegance and simplicity of established devices or processes or handling, etc.) do not allow this or it is not advisable.
Wie am Beispiel eines Rotor-Antriebs gezeigt werden kann, kann zwischen den innen liegenden angetriebenen Rotormagneten und außen liegenden antreibenden Antriebsmagneten ein mit Zahnradfunktionen vergleichbarer Kopplungsmechanismus gesehen werden. Im entwickelten Modell wird die formschlüssige Kraftübertragung kämmender Zahnräder durch periodisch sich wiederholende Kraftübertragungen von sich abstoßenden und anziehenden Magnetpolen ersetzt.As can be shown using the example of a rotor drive, a coupling mechanism comparable to gearwheel functions can be seen between the inner driven rotor magnets and the outer driving drive magnets. In the developed model, the positive power transmission of meshing gears is replaced by periodically repeating power transmissions from repelling and attracting magnetic poles.
Ausgehend von Beispielen der Antriebe für rotierende Rotoren können Antriebe für linear bzw. translatorisch bewegte Schlitten dargestellt werden. Das kann z.B. durch Abwicklung einer rotierenden erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Ebene bzw. auf eine lineare Struktur geschehen.Based on examples of the drives for rotating rotors, drives for linear or translationally moved carriages can be represented. This can be done, for example, by unrolling a rotating arrangement according to the invention on a plane or on a linear structure.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass bei den hier beschriebenen Anordnungen die Bewegt-Magnete i.a. auch geführt werden müssen, d.h., dass auch die Rotor- bzw. Schlitten-Bewegt-Magnete in Grenzen festgelegte Rotationsachsen haben; die zum Stator gehörenden Antriebs-Magnete werden ohnehin geführt. Dem Fachmann wird das nachvollziehbar sein, weil in Anordnungen, wie z.B. die der
Die Erfindung soll anhand der angefügten Abbildungen erläutert werden:
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mit 16 außen liegenden Antriebs-Magneten und einen innen liegenden Stabmagneten als Rotor und zeigt die Stadien der Bewegungszustände nach Lageänderungen von jeweils 45°. -
einen Rotor mit 2 Stabmagneten mit wechselnder Polarität); gezeigt werden Stadien der Bewegungszustände nach Lageänderungen von jeweils 45°; -
einem Stator mit 16 außen liegenden Antriebsmagneten und 4 innen liegende Stabmagneten als Rotor mit wechselnder Polarität und zeigt eineDrehbewegung von 22,5°. -
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invention 16 external drive magnets and an internal bar magnet as a rotor and shows the stages of the movement states after changes in position of 45 ° each. -
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stator 16 external drive magnets and 4 internal bar magnets as a rotor with alternating polarity and shows a rotary movement of 22.5 °. -
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Bei reinen Spulenantrieben (
Zum mit
Obwohl nicht stillstehend, können die Antriebsmagnete dieser (und auch erfindungsgemäßer) Anordnungen aber einem Stator im Sinne der obigen Definition zugeordnet werden: Eine bezüglich des Rotors (Rührmagnet) als Stator zu bezeichnende Einheit ist eine bezüglich des Rotors nicht (mit- oder gleichartig) rotierende funktionelle Einheit, von der eine Kraftwirkung (über Magnetfelder) auf den Rotor übertragen wird.Although not stationary, the drive magnets of these (and also according to the invention) arrangements can be assigned to a stator in the sense of the above definition: A unit that is referred to as a stator with respect to the rotor (stirring magnet) is one that does not rotate (co-or similarly) with respect to the rotor functional unit from which a force (via magnetic fields) is transmitted to the rotor.
Das ist bei den erfindungsgemäßen Anordnungen dieser Anmeldung der Fall.This is the case with the inventive arrangements of this application.
Die mit der Anordnung der
Um das zu erreichen, sind erfindungsgemäß die Bewegungen des Rotors und der sich ebenfalls rotierend bewegenden Antriebsmagnete in eine gemeinsame bzw. in parallel liegende Ebene(n) zu legen; dadurch liegen auch die Rotationsachsen des Rotors und die Rotationsachsen der Antriebsmagnete des Stators i.W. parallel.In order to achieve this, according to the invention the movements of the rotor and the likewise rotating drive magnets are to be placed in a common or in parallel plane (s); as a result, the axes of rotation of the rotor and the axes of rotation of the drive magnets of the stator are mainly located. parallel.
- Bezüglich eines solchen Rotors,
- - der im Zentrum einer Anordnung liegt,
- ◯ die als Antriebseinheit für den Rotor zu sehen ist,
- ◯ die hier aus vier Magneten (
20 ) (21 ) (22 ) (23 ) besteht (und den Stator bildet), - ◯ die nicht mit dem Rotor mitrotiert bzw. nicht gleichartig mit dem Rotor rotiert,
- ◯ die das Innere eines Gefäßes mit dem darin liegenden Rotor umschließt und
- ◯ von der eine über Magnetfelder vermittelte Antriebskraft auf den Rotor ausgeht, ist die Anordnung der vier Magnete (
20 ) (21 ) (22 ) (23 ) als Stator abzugrenzen und als Stator zu bezeichnen, auch wenn die hier vier Antriebsmagnete (20 ) (21 ) (22 ) (23 ) dieses Stators selbst alle (in einer gleichen Richtung) um ihre jeweils eigene Rotationsachse rotieren (also selbst nicht still stehen, aber auf einer am Stator fixierten Rotationsachse fest positioniert stehen).
- - der im Zentrum einer Anordnung liegt,
- Regarding such a rotor,
- - which is in the center of an arrangement,
- ◯ which can be seen as the drive unit for the rotor,
- ◯ the four magnets here (
20th ) (21st ) (22nd ) (23 ) consists (and forms the stator), - ◯ which does not rotate with the rotor or does not rotate in the same way with the rotor,
- ◯ which encloses the inside of a vessel with the rotor inside and
- ◯ from which a driving force mediated by magnetic fields exerts on the rotor is the arrangement of the four magnets (
20th ) (21st ) (22nd ) (23 ) as a stator and to designate it as a stator, even if the four drive magnets (20th ) (21st ) (22nd ) (23 ) all of this stator itself rotate (in the same direction) around its own rotation axis (i.e. do not stand still, but are firmly positioned on a rotation axis fixed to the stator).
- - which is in the center of an arrangement,
Das auf den im Zentrum liegenden Rotor wirkende magnetische Feld wird in
Drehen sich die Antriebsmagnete (
Dabei hat sich der Stator selbst nicht bewegt.The stator itself did not move.
Man kann durch Vergleich erkennen, dass sich diese neue Lage der Antriebsmagnete (
Die weiteren Darstellungen der
Ein sich bzgl. der oben definierten Stator-Anordnung im Inneren befindender an das Magnetfeld gekoppelter Rotor führt eine Drehung aus, die sich vergleichbar auch ergeben könnte, wenn statt der Magnete Zahnräder angenommen werden. Würden statt der Antriebsmagnete (
Als wesentlich soll zur
(Vergleichbar kann bei einem translatorischen bzw. linearen Antrieb die Rotationsbewegung der Antriebsmagnete auf einem linearen Stator auf der einen Seite einer Wand auf die lineare Bewegung eines Bewegt-Magneten an einem Schlitten auf der anderen Seite einer Wand übertragen werden).(Comparably, with a translational or linear drive, the rotational movement of the drive magnets on a linear stator on one side of a wall can be transferred to the linear movement of a moving magnet on a slide on the other side of a wall).
Die Bewegung aller Magnete des Stators erfolgt synchron; rotiert ein Antriebsmagnet in einer bestimmten Richtung (rechts oder links herum) um einen bestimmten Winkel, so bewegen sich alle Magnete des Rotors synchron gleichartig um den gleichen Winkel.All magnets in the stator move synchronously; If a drive magnet rotates in a certain direction (to the right or to the left) by a certain angle, all magnets of the rotor move synchronously and in the same way by the same angle.
Für die Antriebsfunktion ist die Winkellage wichtig, in der die untereinander drehgekoppelten Antriebsmagnete zueinander stehen, was durch die Darstellung einer definierten Startposition angegeben werden kann. Eine solche Startposition wird während des Betriebs periodisch immer wieder durchlaufen.For the drive function, the angular position is important in which the drive magnets, which are rotatably coupled to one another, are located, which is achieved by showing a defined starting position can be specified. Such a starting position is passed through periodically again and again during operation.
Bezüglich einer zu definierenden Startposition gibt es mehrere Möglichkeiten:
- - Die n Antriebsmagnete auf dem Außenkreis können zunächst so angeordnet werden, dass (gedacht) immer der gleiche Pol (Nord- oder Südpol) der Antriebsmagnete vom Zentrum weg nach außen zeigt, aus dieser so nur theoretisch gegebenen Zwischenposition können die Antriebsmagnete dann jeweils um den Winkel 360/n gegenüber dem Vorgänger-Antriebsmagneten weiter in einer Richtung gedreht werden, bis der Kreis vollendet ist.
- - Die n Antriebsmagnete auf dem Außenkreis können konstruktiv so angeordnet werden, dass die n Antriebsmagnete um jeweils einen Winkel 360/n gegenüber dem Vorgänger-Antriebsmagneten in einer Richtung gedreht sind.
- - Die n Antriebsmagnete auf dem Außenkreis können konstruktiv so angeordnet werden, dass sie absolut gesehen gegenüber einem Marker-Magnet (z.B. oberster Magnet) um den Winkel 360/n in einer Richtung gedreht sind.
- - The n drive magnets on the outer circle can initially be arranged in such a way that (imagined) the same pole (north or south pole) of the drive magnets always points outwards from the center; from this intermediate position, which is only theoretically given, the drive magnets can then each around the Angle 360 / n can be rotated further in one direction compared to the previous drive magnet until the circle is completed.
- - The n drive magnets on the outer circle can be structurally arranged in such a way that the n drive magnets are each rotated in one direction by an angle 360 / n with respect to the previous drive magnet.
- - The n drive magnets on the outer circle can be structurally arranged in such a way that, viewed in absolute terms, they are rotated by the angle 360 / n in one direction compared to a marker magnet (e.g. top magnet).
In einer damit definierten Startposition werden die Antriebs-Magnete jetzt durch eine geeignete technische Maßnahme (Zahnräder, Getriebe, Ketten, usw.) aneinander gekoppelt. Alle Antriebs-Magnete bewegen sich ab jetzt gemeinsam synchron und stets zugleich, in gleicher Richtung, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit.In a starting position defined in this way, the drive magnets are now coupled to one another using a suitable technical measure (gear wheels, gears, chains, etc.). From now on, all drive magnets move together synchronously and always at the same time, in the same direction, with the same angular speed.
Dies stellt insgesamt den Stator dar. Der konkrete Aufbau des Stators ist für die Darstellung der Erfindung nicht wesentlich und wird daher i.a. auch nicht näher dargestellt.This represents the stator as a whole. The specific structure of the stator is not essential for the presentation of the invention and is therefore generally used. also not shown in detail.
Dargestellt wird nur das Prinzipielle des erfindungsgemäßen Gedanken. Nicht dargestellt sind daher z.B. die Führung der Magnete, also keine Halterung oder Fixierung der Rotationsachsen, z.B. durch Achsen, Kugellager, usw. und auch nicht die Rotationskopplung der Antriebsmagnete untereinander, z.B. durch ein Getriebe, einen Ketten- oder Zahnriemenzug, usw.Only the principle of the inventive idea is shown. The guidance of the magnets, i.e. no mounting or fixing of the rotational axes, e.g. by means of axes, ball bearings, etc., and also not the rotational coupling of the drive magnets with one another, e.g. by a gear unit, a chain or toothed belt train, etc., are therefore not shown.
Die Mittelpunkte der Kreise, durch die die Rotationsachsen der außen liegenden Antriebsmagnete (z.B. diametral magnetisierte Ringmagnete) gehen, liegen auf einem (nicht näher dargestellten) Kreis, der z.B. ein (nicht dargestelltes) Gefäß oder Rohr umschließen kann. Man kann sich hier vorstellen, dass ein in die Papierebene senkrecht eintauchendes Rohr den Rotor (also den Stabmagnet (
Zwischen einem Antriebsmagnet (
Magnetpole sind in
Nach außen hin würde sich jede dieser Anordnungen der
Mit der hier in
Die N-S-N-S-Feldlinienfolge vom obersten Antriebsmagnet (
Nach außen äußert sich die gesamte Anordnung (also die Wirkung aller Magnete zusammen gesehen) wie ein vergrößerter Gesamtmagnet. Obwohl also an sich keine großräumige Rotation der Anordnung erfolgt, sondern nur kleinräumige Rotationen der an einem Stator sitzenden Antriebsmagnete, verhält sich die Gesamtanordnung großräumig wie ein rotierender langer, sehr starker Stabmagnet. Aus diesem Grund kann - als Randbemerkung - mit einem im Außenraum liegenden Magnetfeldsensor auf die Soll-Lage des Rotormagneten bzw. des Rotors geschlossen werden. Weitere Konsequenzen sind hier gegeben und nützlich.Outwardly, the entire arrangement (i.e. the effect of all magnets seen together) expresses itself like an enlarged overall magnet. Although there is no large-scale rotation of the arrangement, but only small-scale rotations of the drive magnets located on a stator, the overall arrangement behaves in a large-scale like a rotating long, very strong bar magnet. For this reason - as a side note - the target position of the rotor magnet or the rotor can be deduced from a magnetic field sensor located in the outer space. Further consequences are given and useful here.
Der Abstand, in dem die Antriebsmagnete (z.B. (
Eine zu große Kraft zwischen benachbart liegenden Antriebsmagneten sollte aber vermieden werden; das wird unten noch genauer analysiert; liegen sie zu eng beieinander, dann behindern sie sich u.U.However, too great a force between adjacent drive magnets should be avoided; this is analyzed in more detail below; if they are too close together, they may hinder each other.
Die jeweilige Größe der Antriebsmagnete und deren Anzahl bestimmt bei einem evtl. zwingend zwischen den Antriebsmagneten einzuhaltenden Abstand den minimal möglichen Umkreis des Stators. Konstruktiv kann es daher Sinn machen, die hier immer nur einer Ebene zugeordneten Antriebsmagnete evtl. auch in unterschiedlichen Ebenen (evtl. in Form mehrerer Teilantriebe) anzuordnen. Auch kann es sinnvoll sein, Teile der Stator-Antriebsmagnete zusammen mit einem Teil der Rotormagnete in unterschiedlichen Ebenen anzuordnen. Eine erfindungsgemäße Antriebskonstruktion kann also auf diese Weise in mehrere Teilantriebe aufgeteilt werden, was zusätzlich von Nutzen sein kann.The respective size of the drive magnets and their number determine the minimum possible circumference of the stator in the case of a distance that may have to be maintained between the drive magnets. In terms of design, it can therefore make sense to arrange the drive magnets, which are always assigned to only one level, possibly also in different levels (possibly in the form of several partial drives). It can also be useful to arrange parts of the stator drive magnets together with some of the rotor magnets in different planes. A drive construction according to the invention can thus be divided into several partial drives in this way, which can also be useful.
Die Größe der Antriebsmagnete kann praktisch von sehr groß, z.B. Magnete im DezimeterBereich, über Zentimeter, bis in den technisch jeweils noch gut beherrschbaren Millimeter- oder Submillimeterbereich hinein reichen; aber auch über diese Grenzen hinaus sind Konstruktionen denkbar, die unterhalb dieser Bereiche bis in molekulare und atomare Bereiche hinein reichen. Das ist für die Darstellung der erfindungsgemäßen Gedanken vorerst i.W. unerheblich.The size of the drive magnets can practically range from very large, e.g. magnets in the decimeter range, over centimeters, to the millimeter or submillimeter range that is technically still easily controllable; But also beyond these limits, constructions are conceivable that extend below these areas into molecular and atomic areas. For the time being, this is primarily important for the presentation of the inventive concept. irrelevant.
Man kann erkennen: Nach der ersten 45°-Drehbewegung nach rechts hat sich die gesamte Darstellung der Anordnung der
Von außen betrachtet kann man also bei einer so gegeben Anordnung zwar auf die Soll-Lage des Innenmagneten (des Rotors) schließen, kann aber aus dem Außenfeld - das einem Stabmagneten zu entsprechen scheint - nichts über den zugrundeliegenden Mechanismus im Inneren aussagen.Seen from the outside, with such an arrangement, one can infer the nominal position of the inner magnet (the rotor), but from the outer field - which seems to correspond to a bar magnet - nothing can say anything about the underlying mechanism inside.
Nach einer weiteren 45°-Drehung liegt der Rotormagnet schließlich ebenfalls um 90° gedreht vor. Die zuvor dargestellten Nordpol- (
Ein einzelner Stabmagnet (
Wie man hier wieder sehen kann: Der Rotor (
Die Übersetzung der Drehzahl ist also die gleiche wie zuvor bei der Anordnung der
Etwas anderes kann man hier ebenfalls im Ansatz erkennen: Die Antriebsmagnete der
Es werden die (hier mit wechselnder Polarität) nach außen zeigenden Pole des Rotors für die Kraftausbildung betrachtet.The poles of the rotor pointing outwards (here with alternating polarity) are considered for the force development.
Die Anzahl derart zentral zusammengefügte bzw. nach außen zeigende Stabmagnete kann gerade oder ungerade sein. Nur bei einer geraden Pol-Anzahl kann die Polarität der nach außen zeigenden Stabmagnete abwechseln; bei einer ungeraden Anzahl muss die Polarität aller nach außen zeigenden Stabmagnete gleich sein (entweder Nord- oder Südpol). Bei einer geraden Pol-Anzahl kann die Polarität gleich sein oder abwechselnThe number of bar magnets joined together centrally or pointing outwards can be even or odd. Only with an even number of poles can the polarity of the outward-pointing bar magnets alternate; if the number is odd, the polarity of all outward-pointing bar magnets must be the same (either north or south pole). With an even number of poles, the polarity can be the same or alternate
In dieser Anordnung der
Man kann der Anordnung
Wie man in
- Überlässt man die Antriebsmagnete sich selbst, dann würden sich diese (ohne Rotormagnet) etwa so einstellen, wie das in
71 ) zu sehen ist: Die Antriebsmagnete würden eine Nord-Süd-Nord-Polabfolge auf kürzestem Weg entlang eines Kreises auf dem Stator ausbilden (71 ); der Nordpol eines jeden Magneten (72 ) (73 ) (74 ) würde auf den Südpol des nächstliegenden Nachbars zeigen, so dass sich alle Magnete im Kreis ausrichten. Werden die Antriebsmagnete in diesem Zustand jetzt rotationsgekoppelt (d.h. sie müssten diesen Zustand immer wieder durchlaufen), dann hätte ein primärer Antrieb, der die Antriebsmagnete in Rotation versetzen soll, ein sehr großes Drehmoment dafür bereitzustellen. Alle Magnete würden sich mit großer Kraft gleichzeitig dagegen wehren, aus der Lage (71 ) herausgedreht zu werden und je näher die Antriebsmagnete dabei benachbart liegen, desto stärker wäre die dafür zu überwindende Kraft. Eine solche Anordnung mit derart eingestellten drehgekoppelten Antriebsmagneten wäre im Sinne der Erfindung sinn- und funktionslos.
- If you left the drive magnets to their own devices, then they would adjust (without the rotor magnet) as shown in
71 ) can be seen: The drive magnets would form a north-south-north pole sequence on the shortest path along a circle on the stator (71 ); the north pole of each magnet (72 ) (73 ) (74 ) would point to the south pole of the closest neighbor, so that all magnets align in a circle. If the drive magnets are now rotationally coupled in this state (ie they would have to go through this state again and again), then a primary drive, which is supposed to set the drive magnets in rotation, would have to provide a very large torque for it. All magnets would defend themselves with great force at the same time, from the position (71 ) to be unscrewed and the closer the drive magnets are, the stronger the force to be overcome would be. Such an arrangement with rotationally coupled drive magnets set in this way would be meaningless and functionless within the meaning of the invention.
Das gilt nicht für erfindungsgemäß richtig eingestellte Antriebs-Magnete (
Die umgekehrt vom mittleren Magneten (
Und das gilt generell: Auf Grund der Symmetrie der Anordnung werden sich global alle der in etwa gleich großen Kräfte gegenseitig i.W. aufheben. Aus den abstoßenden Kräften ist also auf Grund der Symmetrie dieser erfindungsgemäßen Anordnung kein großer Widerstand gegen den primären Antriebs zu erwarten, die Antriebsmagnete weiter zu drehen.And this applies in general: Due to the symmetry of the arrangement, globally all of the roughly equal forces are mutually largely mutually exclusive. cancel. Due to the symmetry of this arrangement according to the invention, no great resistance against the primary drive to turn the drive magnets further is to be expected from the repulsive forces.
In der Darstellung der
Tatsächlich ist in realen Ausführungen des erfindungsgemäßen Antriebs zu sehen, dass die von einem primären Antrieb für einen kontinuierlichen Betrieb der Antriebs-Magnete aufzubringenden Kräfte erstaunlich klein sein können, wenn erfindungsgemäß die definierten Startlagen der Antriebsmagnete und definierte Mindestabstände zwischen den Antriebsmagneten auf dem außen liegenden Umkreis der Mittelpunkte der Antriebsmagnete eingehalten werden. Dabei muss stets gesehen werden, dass das durch die sich einstellenden Gleichgewichtszustände geschieht; die auftretenden Kräfte selbst können im Einzelfall sehr groß werden: Anziehende und/oder abstoßende Kräfte (z.B. in
Ein einzelner Stabmagnet (
Nur eine gerade Anzahl an Rotormagneten (
Der Stabmagnet (
Bezüglich dieser dadurch gegebenen Kreisunterteilung können und werden sich die Vorgänge des Ablaufs des Antriebsvorgangs periodisch wiederholen. Folgerung: Wenn eine Darstellung insgesamt jeweils um diesen Unterteilungswinkel gedreht wird, dann wird i.a. die Darstellung selbstabbildend ineinander übergehend, d.h. gleich sein. Durch die in einem so definierten Abschnitt (
Zwei aufeinander folgende gleichnamige Pole des Rotors (im Fall des Stabmagnets als Rotor nur einmal vorhanden) teilen also zunächst den Umkreis in Abschnitte mit periodisch gleichen, sich wiederholenden Situationen ein. Die in jedem Abschnitt (
Mit dieser Definition wird das Problem umgangen, das dadurch entsteht, dass die nach außen zeigenden Pole von unterschiedlicher Anzahl und mit unterschiedlicher Pol-Folge vorliegen können. Das heißt, es besteht eine einheitliche Definition, egal wie viele Rotormagnete nach außen zeigen und ob die Polarität der aufeinander folgenden Magnete sich abwechselt (n gerade) oder stets gleich ist (n gerade oder ungerade).This definition circumvents the problem that arises from the fact that the outward-pointing poles can be present in different numbers and with different pole sequences. This means that there is a uniform definition, regardless of how many rotor magnets point outwards and whether the polarity of the successive magnets alternates (n even) or is always the same (n even or odd).
Mit dieser Darstellung der
Allgemein kann festgehalten werden, dass der Abschnitt eines Kreises, der durch zwei aufeinander folgende gleichnamige Pole des Rotors gebildet wird, einem zugehörigen Abschnitt auf dem Stator zugeordnet werden kann, der noch einmal in m Abschnitte aufgeteilt werden kann, womit z.B. die Positionen der Antriebsmagnete gefunden werden. Eine in diesem Abschnitt vorliegende definierte Konfiguration, wird sich in den folgenden Abschnitten immer wieder wiederholen (als Spezialfall evtl. nur einmal vorkommen).In general, it can be stated that the section of a circle which is formed by two consecutive poles of the same name on the rotor can be assigned to an associated section on the stator, which can be divided again into m sections, thus finding the positions of the drive magnets, for example become. A configuration defined in this section will be repeated again and again in the following sections (as a special case it may only occur once).
Die Darstellung der
Der Antrieb oben rechts(111) zeigt acht Antriebsmagnete auf dem Stator. Man kann hier gut erkennen, dass der obere Antriebsmagnet (
Die Anordnung Mitte links (112) weist 6 Antriebsmagnete auf dem Stator und 3 nach außen zeigende Rotormagnete auf. Man kann hier gut erkennen, dass jedem Rotormagnetpol genau ein ungleichnamiger Antriebs-Magnetpol auf dem Stator so gegenüber steht, dass eine maximale Kraftwirkung vom Stator auf den Rotor zu erwarten ist. Man kann hier zudem wieder sehr gut erkennen, wie jeder Pol eines Rotormagnets (
Die Anordnung Mitte rechts (113) weist 9 Antriebsmagnete auf dem Stator und 3 nach außen zeigende Rotormagnete (
Die Anordnung
Anhand von
- In der oberen Darstellungszeile bilden die drei oberen Antriebs-Magnete in der dargestellten Position eine Südpol-Zone (
232 ) und die drei unteren Antriebs-Magnete eine Nordpol-Zone (233 ) aus, in denen jeweils ein Pol des Rotors (240 ) wie in einem Potentialtopf zu liegen kommt. Eine solche Pol-Zone wird hier dadurch definiert, dass in diesem Zonen-Bereich eine Überlagerung der Magnetfelder mehrerer Magnet stattfindet, wobei sich eine bestimmte Pol-Art (Nord- oder Südpol) deutlich mehr auswirkt als die andere. Die Pol-Zonen (234 ) (235 ) (236 ), in denen sich gewissermaßen eine „Nordpolzone“ ausbildet und die Pol-Zonen (237 ) (238 ) (239 ), in denen sich gewissermaßen eine „Südpolzone“ ausbildet, werden jeweils durch drei benachbart liegende Antriebsmagnete gemeinsam ausgebildet. Dabei überlappen sich solche Pol-Zonen u.U. (vgl. die Antriebsmagnete der Pol-Zonen (232 ) und (234 ) (235 )).
- In the upper line of the illustration, the three upper drive magnets in the position shown form a south pole zone (
232 ) and the three lower drive magnets a north pole zone (233 ), in each of which one pole of the rotor (240 ) as it comes to rest in a potential well. Such a pole zone is defined here by the fact that the magnetic fields of several magnets are superimposed in this zone area, with one particular type of pole (north or south pole) having a significantly greater effect than the other. The pole zones (234 ) (235 ) (236 ), in which a "north pole zone" is formed and the pole zones (237 ) (238 ) (239 ), in which a "south pole zone" is formed, as it were, are each formed jointly by three adjacent drive magnets. Such pole zones may overlap (see the drive magnets of the pole zones (232 ) and (234 ) (235 )).
Durch eine Drehung der Antriebsmagnete um 90° nach rechts (Übergang von der oberen zu unteren Darstellungszeile) dreht die Lage des Stabmagnets (
In der unteren Darstellungszeile bilden wieder drei, jetzt etwas linkseitiger liegende, obere Antriebs-Magnete in der dargestellten Position eine Südpol-Zone (
Stellt man sich die so definierten Pol-Zonen, in denen der Pol eines Rotormagnets wie eine Ladung in einem Potentialtopf liegt, dann kann der Potentialtopf mit einem darin eingebetteten Magnet-Pol wie ein Zahn und Zahnlücke von kämmenden Zahnrädern gesehen werden. Die entstehende Analogie ist hilfreich, wenn man z.B. die Struktur eines Rotorantriebs aus den
Identifiziert man den oberen Magneten (
- Die Magnete (
54 ) (50 ) (53 ) der131 ) (130 ) (132 ) der52 ) wird auf die beiden Magnete (133 ) und (134 ) abgebildet (die beiden Magnete (133 ) und (134 ) stellen also jeweils den Beginn der Abbildung einer Periode dar). Die so auf die lineare Struktur der130 ) steht einem ungleichnamigen Pol (136 ) gegenüber und bildet eine starke Kraftbindung zu diesem Magnetpol aus. Die Kraftbindungen, die die Pole der beiden Magnete (133 ) (134 ) mit einem anderen ungleichnamigen Pol (135 ) (146 ) herstellen, entsprechen der Kraftbindung, die der Magnet (52 ) mit dem Rotormagneten (51 ) herstellt. Die Magnetpole (135 ) (136 ) (146 ) sind einem Schlitten zuzuordnen, der nicht rotierend, sondern linear angetrieben werden soll. Die Rotationsrichtung der Antriebs-Magnete aus
- The magnets (
54 ) (50 ) (53 ) of the131 ) (130 ) (132 ) of the52 ) is applied to the two magnets (133 ) and (134 ) shown (the two magnets (133 ) and (134 ) represent the beginning of the mapping of a period). The so on the linear structure of the130 ) stands at an unlike pole (136 ) opposite and forms a strong force bond to this magnetic pole. The force bonds that the poles of the two magnets (133 ) (134 ) with another unlike pole (135 ) (146 ) correspond to the force binding that the magnet (52 ) with the rotor magnet (51 ) manufactures. The magnetic poles (135 ) (136 ) (146 ) are to be assigned to a slide that is not rotating, but should be driven linearly. The direction of rotation of the drive magnets
Eine zweite Abbildung wird mit der unteren linearen Struktur dargestellt (die hier zur ersten Abbildung eine zweite Einzelschiene für eine Schlittenführung ausbilden soll): Dem Magneten (
Die so auf die lineare Struktur der
In vergleichbarer Weise können die zuvor für rotierende Anordnungen definierten Pol-Zonen hier den Magneten (
In
Ein Stabmagnet (
Gleichwertige Kraftbeziehungen der Rotationsstruktur der
- - In
50 ), der Rotormagnet (51 ) und ein zweiter Antriebsmagnet (52 ) einen Teil eines magnetischen Kreises mit einer sehr starken Kraftbeziehung aus. - - In
130 ), weitergehend über die beiden Magnetpole (136 ) (156 ) und weiter zum zweiten Antriebsmagneten (150 ). - - In
144 )) weiter konkretisiert: der zu vergleichende Magnetkreis beginnt mit dem ersten Antriebsmagnet (143 ), der unter der Trennwand (145 ) hinten liegt, führt über den Nordpol (139 ) des Stabmagneten (144 ) entlang des Stabmagneten (144 ) weiter zum Südpol (137 ) und von dort weiter über den zweiten Antriebsmagnet (142 ).
- - In
50 ), the rotor magnet (51 ) and a second drive magnet (52 ) part of a magnetic circuit with a very strong force relationship. - - In
130 ), further over the two magnetic poles (136 ) (156 ) and on to the second drive magnet (150 ). - - In
144 )) further specified: the magnetic circuit to be compared begins with the first drive magnet (143 ) under the partition (145 ) lies behind, leads over the North Pole (139 ) of the bar magnet (144 ) along the bar magnet (144 ) further to the South Pole (137 ) and from there via the second drive magnet (142 ).
Für einen translatorischen Transport (
Abschließend sollen einige Anwendungen des erfindungsgemäßen Antriebs mit rotierenden Antriebsmagneten auf einer Stator-Anordnung dargestellt werden:
-
175 ) (176 ) (177 ) (178 )) in den Kreuzungspunkten einer Matrix angeordnet. Rotoren sind hier Stabmagnete (Nordpole sind wieder schwarz gekennzeichnet, z.B. (174 )), die als Rührkörper in Rührgefäßen (179 ), die in den jeweiligen Zellen-Zwischenräumen angeordnet sind und ein Medium rühren. Ein Vergleich mit der Darstellung zur170 ) (171 ) (172 ) (173 )): Jeweils vier Magnete (175 ) (176 ) (177 ) (178 ) in den Ecken jeder Einzelzelle bilden eine Antriebsstruktur gemäß179 ) aus. Es entsteht für jedes Röhrchen jeweils ein vollständiger Antrieb durch die angrenzenden, in den Zwischenräumen positionierten Magnete (175 ) (176 ) (177 ) (178 ); die von links nach rechts fortschreitend dargestellten Situationen sind aufeinanderfolgende Zustände jeweils nach einer Drehung der Antriebs-Magnete um 90°. In ersten Zustand (170 ) liegt z.B. der Magnet (200 ) oben links in der Anordnung so wie dargestellt. Alle Antriebsmagnete rotieren gemeinsam so, dass nach 90° der Zustand in die Darstellung (171 ) übergeht und der Magnet (201 ) oben links jetzt so liegt, wie das die Darstellung (171 ) zeigt; das geht so weiter, so dass der Magnet oben links nacheinander die gezeigten Lagen (202 ) und (203 ) annimmt. Die Funktion jeder dieser Zellen ist mit
-
175 ) (176 ) (177 ) (178 )) arranged at the crossing points of a matrix. The rotors are bar magnets here (north poles are again marked in black, e.g. (174 )), which are used as stirring bodies in stirred vessels (179 ), which are arranged in the respective cell gaps and stir a medium. A comparison with the illustration for170 ) (171 ) (172 ) (173 )): Four magnets each (175 ) (176 ) (177 ) (178 ) in the corners of each individual cell form a drive structure according to179 ) out. For each tube, a complete drive is created by the adjacent magnets positioned in the gaps (175 ) (176 ) (177 ) (178 ); the situations shown progressively from left to right are successive states after the drive magnets have rotated 90 °. In first state (170 ) e.g. the magnet (200 ) at the top left in the arrangement as shown. All drive magnets rotate together so that after 90 ° the state is shown in the illustration (171 ) passes and the magnet (201 ) at the top left is now as shown in the illustration (171 ) shows; this continues, so that the magnet at the top left follows the positions shown (202 ) and (203 ) assumes. The function of each of these cells is with
Erkennbar könnten auch zwei Antriebe realisiert werden indem jeweils jedes zweite Zahnrad als Gruppe zusammengefasst und einen Antrieb zugeordnet wird.As can be seen, two drives could also be implemented by combining every second gear as a group and assigning a drive.
Es können auch Kombinationen solcher Anordnungen ausgestaltet werden, z.B. indem die innen liegende Archimedische Schraube von einem ersten erfindungsgemäßen Antrieb und das Rohr selbst (z.B. mittels in die Abschlusselemente (
Zum Abschluss soll noch einmal explizit darauf hingewiesen werden, dass der primäre Antrieb von beliebiger Art sein kann. Die Wirkung des erfindungsgemäßen Antriebs ist davon geprägt, dass mehrere, in spezifischer Weise miteinander gekoppelte, rotierende Antriebsmagnete mit ihren Magnetfeldern Antriebskräfte auf Rotor- oder Schlittenmagnete übertragen. Dass dafür ein primärer Antrieb notwendig ist, wurde beschrieben und auch, dass dieser primäre Antrieb von beliebiger Art sein kann, z.B. ein elektrischer, ein Druckluft- oder ein Hydraulik- Motor. Wie auch beschrieben, kann die Bewegungen der Antriebsmagnete in kleinen oder relativ großen Schritten erfolgen, z.B. in einem 22,5°-Raster oder feiner oder grober (z.B. 45°, 90°). Wenn z.B. eine druckluftgetriebene Schritt-Motor-Konstruktion in einem solchen Raster die Anordnung an Antriebsmagneten um jeweils diesen Winkel weiterdrehen kann (was träge erfolgen wird) dann kann eine erfindungsgemäße Anordnung auch ohne die Notwendigkeit elektrischer Energie betrieben werden. Das erweitert Anwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Antriebe ganz erheblich.To conclude, it should once again be explicitly pointed out that the primary drive can be of any type. The effect of the drive according to the invention is characterized by the fact that several rotating drive magnets, which are coupled to one another in a specific manner, transmit drive forces with their magnetic fields to rotor or slide magnets. It has been described that a primary drive is necessary for this, and also that this primary drive can be of any type, e.g. an electric, compressed air or hydraulic motor. As also described, the movements of the drive magnets can be made in small or relatively large steps, e.g. in a 22.5 ° grid or finer or coarser (e.g. 45 °, 90 °). If, for example, a stepper motor construction driven by compressed air can rotate the arrangement of drive magnets further by this angle in such a grid (which will take place slowly) then an arrangement according to the invention can also be operated without the need for electrical energy. This considerably expands the application possibilities of drives according to the invention.
Die Beschreibung erfindungsgemäßer Anordnungen stellte i.W. größere Bewegungsräume in den Vordergrund (i.a. Distanzen, die größer sind, als zwischen mindestens zwei Antriebsmagneten vorliegen). Bezüglich des Bewegungsfreiraums der Rotor- oder Schlittenmagnete (und damit insgesamt der Rotoren bzw. Schlitten) ist daher anzumerken, dass die von den Antriebsmagneten auf die Rotor- oder Schlittenmagnete übertragenen Bewegungen sehr kleine Bewegungsdistanzen (z.B. Zitterbewegungen, Vibrationen, usw.), aber auch größere Distanzen umfassen können. Bei Rotationsbewegungen sind kleine Rotorbewegungen durch kleine Hin- und Her-Bewegungen der Antriebsmagnete erreichbar, bzgl. großer Bewegungen kann die einzelne Umdrehungsbewegung des Rotors durch periodische Fortsetzung des Vorgangs beliebig verlängert werden, Ebenso sind kleine Translationsbewegungen eines Schlittens (z.B. Rüttel- oder Schüttel-Bewegungen) durch kleine Hin- und Her-Bewegungen der Antriebsmagnete möglich. Beschleunigte Bewegungen sind aber auf die Schienenabschnitte beschränkt, in denen rotierende Antriebsmagnete vorliegen. In Anordnungen mit geschlossener Schienenführung können aber beschleunigte Bewegungen als periodische Fortsetzung des Vorgangs einer Periode wieder beliebig lang werden. Derart größere lineare Bewegungsdistanzen, also die Länge, über die der Antrieb auf einen geführten Schlitten kraftübertragend funktioniert, können z.B. den Umfang von Spielzeuganlagen in Wohnräumen haben, könnten aber durchaus auch die Dimensionen von Achterbahnen eines Vergnügungsparks annehmen. Die als Antriebs-Magnete einzusetzenden Dauermagnete wären im letzten Fall sicher sehr groß, aber der mit anderen Techniken für einen derartigen Antrieb benötigte Energieaufwand ist das sicher auch.The description of the arrangements according to the invention placed largely larger movement spaces in the foreground (generally distances that are greater than are present between at least two drive magnets). With regard to the freedom of movement of the rotor or carriage magnets (and thus the rotors or carriage as a whole), it should be noted that the movements transferred from the drive magnets to the rotor or carriage magnets are very small movement distances (e.g. trembling movements, vibrations, etc.), but also can cover greater distances. In the case of rotational movements, small rotor movements can be achieved by small back and forth movements of the drive magnets, with regard to large movements, the individual rotational movement of the rotor can be extended as required by periodic continuation of the process, as are small translational movements of a slide (e.g. shaking or shaking movements ) possible by small back and forth movements of the drive magnets. However, accelerated movements are limited to the rail sections in which rotating drive magnets are present. In arrangements with a closed rail guide, however, accelerated movements as a periodic continuation of the process of a period can again be of any length. Such larger linear movement distances, i.e. the length over which the drive functions to transmit power to a guided slide, can, for example, have the size of toy systems in living rooms, but could also take on the dimensions of roller coasters in an amusement park. The permanent magnets to be used as drive magnets would be very large in the latter case, but the energy expenditure required for such a drive with other technologies is certainly also.
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