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Die Erfindung betrifft einen Magnetkolbenmotor mit einer Kurbelwelle, wenigstens einem Pleuel und wenigstens einem Kolben mit einem Permanentmagneten.
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Aus dem Stand der Technik ist unter anderem aus dem deutschen Patent
DE 696 28 036 T2 ein Magnetkolbenmotor vorbekannt, der geeignet ist, Antriebsleistung durch eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die durch die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in einem Zylinder hergestellt wird. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass die Kolbenmagnetisierungseinheit einen Elektromagneten mit einer Spule umfasst, die so um die Bodenendseite des Kolbens gewickelt ist, dass der Kolbenelektromagnet über einen verschiebbaren Kontaktmechanismus mit Strom versorgbar ist.
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Auch ist aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2015/015506 A1 ein Permanentmagnetkolbenmotor vorbekannt, der sich dadurch auszeichnet, dass dieser aus wenigstens einem Kolben mit einem Permanentmagneten ausgebildet ist, welcher mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Diese Kurbelwelle ist wiederum über einen Keilriemen mit einer obenliegenden Ansteuerung verbunden, wobei diese obenliegende Ansteuerung wiederum mit Permanentmagneten ausgestattet ist, so dass bei einer nach oben Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders der obere Permanentmagnet den Permanentmagnet des Kolbens derart ansteuert, dass beim oberen Totpunkt jeweils Gegenpole (N-N bzw. S-S) anliegen, wodurch der Permanentmagnetkolben nach unten bewegt wird, womit eine Rotationsbewegung entlang der Kurbelwelle erzeugt wird.
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Weiterhin ist aus der japanischen Patentanmeldung
JP 2016-160930 A ein Permanentmagnetmotor vorbekannt, welcher sich dadurch auszeichnet, dass dieser wie ein Verbrennungsmotor aufgebaut ist, allerdings die Abstoßungskraft der Magneten ausnutzt. Dabei ist ein Magnet am oberen Teil eines Kolbens befestigt, sowie ein weiterer Magnet mittels einer Feder gelagert und über eine unten liegende Nockenwelle ansteuerbar. Befindet sich der Kolben mit seinem Permanentmagneten am oberen Totpunkt, so wird mittels der unten liegenden Nockenwelle, der mit einer federgelagerten Permanentmagnet in Richtung des Permanentmagneten des Kolbens gebracht, so dass der Permanentmagnetkolben einen Kompressionshub erfährt und nach unten ausgelenkt wird. Gleichzeitig wird dabei über die unten liegende Nockenwelle der obere Permanentmagnet nach oben ausgelenkt.
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Die oben aufgeführten, offenbarten Vorrichtungen für Permanentmagnetkolbenmotoren haben alle das Prinzip eines Verbrennungsmotors inne, d. h. sie verfügen über eine Kurbelwelle, ein Pleuel und einen Kolben, wobei der Kolben mit einem Permanentmagneten ausgestattet ist oder selbst einer ist. Sie unterscheiden sich lediglich darin, dass unterschiedliche Ansteuerungseinheiten für die Taktgebung bzw. unterschiedliche Einheiten zum Ansteuern der Hubbewegung vorhanden sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Permanentmagnetkolbenmotor mit einer Ansteuerungseinheit bereitzustellen, mit welcher der Permanentmagnetkolbenmotor ansteuerbar ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen, gemäß des unabhängigen Anspruch 1, gelöst. Die Ansprüche 2 bis 18 betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß dem geltenden Anspruch 1, handelt es sich bei der Erfindung um einen Magnetkolbenmotor, umfassend eine Kurbelwelle, wenigstens einem Pleuel und wenigstens einen Kolben mit einem Permanentmagneten, wobei der Kolben selbst aus paramagnetischem Material, insbesondere Aluminium, besteht.
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Der Erfindungsgegenstand zeichnet sich dadurch aus, dass am oberen Ende wenigstens eines Kolbens ein Permanentmagnet vorhanden ist, sowie, dass oberhalb des Totpunktes des Kolbens wenigstens ein weiterer gegengepolter Permanentmagnet derart vorhanden ist, dass auf den Kolben mit Permanentmagnet durch den gegengepolten Magneten eine Kraft durch das gegengepolte Magnetfeld einwirkt, so dass der Kolben mit Permanentmagnet nach unten auslenkbar ist. Des Weiteren umfasst der Erfindungsgegenstand gemäß dem geltenden Anspruch 1 ferromagnetische Bleche, bevorzugt zwei solche Bleche, die unterhalb des gegengepolten Permanentmagneten angebracht sind, durch welche der Kolben mit Permanentmagnet beim unteren Totpunkt nach oben in Richtung des gegengepolten Permanentmagneten auslenkbar ist. Dies geschieht durch die positive Anziehung zwischen dem Permanentmagneten des Kolbens und den ferromagnetischen Blechen. Diese Bleche werden mittels einer Ansteuerungseinheit, basierend auf der jeweiligen Position des Kolbens, nun derart ausgelenkt, dass eine auf und ab Bewegung des Kolbens mit Permanentmagneten entsteht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass die Ansteuerungseinheit zur Auslenkung der ferromagnetischen Bleche, wenigstens zwei gegenüberliegende exzentrische Wellen mit Ansteuerungselementen umfasst, wobei bei einer exzentrischen Welle eine weitere exzentrische Welle vorhanden ist, insbesondere, dass diese zusätzliche exzentrische Welle darüber angeordnet ist, wodurch diese zweite exzentrische Welle gegenläufig zu der unteren Welle läuft. Weiterhin ist an den Blechen jeweils wenigstens ein Rückstellelement, insbesondere eine Zugfeder, angebracht. Damit sind die wenigstens zwei einander gegenüberliegenden ferromagnetischen Bleche, abhängig von der Position des Kolbens, mittels der Ansteuerungseinheit und des Rückstellelementes unter den gegengepolten Permanentmagneten ein- und ausfahrbar.
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Gemäß Anspruch 3, sieht die Erfindung in vorteilhafter Ausgestaltung für den Magnetkolbenmotor vor, dass an den exzentrischen Wellen als Ansteuerungselement Nocken angebracht sind, so dass die ferromagnetischen Bleche mittels dieser Nocken in die jeweilige Laufrichtung der an den Blechen angeordneten exzentrischen Wellen bewegbar sind.
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In einer alternativen Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass zum Ansteuern des Kolbens mit Permanentmagneten, die wenigstens zwei einander gegenüberliegenden ferromagnetischen Bleche jeweils an einer Welle befestigt sind, wobei die Wellen vertikal zum Kolben ausgerichtet sind. Somit sind die Bleche abhängig von der Position des Kolbens in einer radialen Bewegung unter den gegengepolten Permanentmagneten auslenkbar.
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Gemäß Anspruch 5, sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass die ferromagnetischen Bleche über Hebelkonstruktionen und/oder pneumatisch, hydraulisch oder elektromechanisch ansteuerbar sind.
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Weiterhin sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass an der Kurbelwelle und an den gegenüberliegenden exzentrischen Wellen jeweils eine Zahnriemenscheibe vorhanden ist, sowie, dass diese mittels eines Zahnriemens miteinander verbunden sind. Damit ist gewährleistet, dass abhängig von der Position des Kolbens und damit der Umdrehung der Kurbelwelle, die exzentrischen Wellen mit Ansteuerungselementen jeweils für sich zum korrekten Zeitpunkt und damit zur Aufrechterhaltung der Hubbewegung ansteuerbar sind.
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In abermaliger vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass an der Kurbelwelle und an den gegenüberliegenden exzentrischen Wellen jeweils ein Zahnrad vorhanden ist, sowie, dass diese Zahnräder mittels einer Steuerkette miteinander verbindbar sind und die Steuerkette mittels eines Steuerkettenspanners spannbar ist. Damit ist gewährleistet, dass abhängig von der Position des Kolbens und damit der Umdrehung der Kurbelwelle, die exzentrischen Wellen mit Ansteuerungselementen jeweils für sich zum korrekten Zeitpunkt und damit zur Aufrechterhaltung der Hubbewegung ansteuerbar sind.
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Auch sieht die Erfindung in vorteilhafter Ausgestaltung für den Magnetkolbenmotor vor, dass eine Schwungscheibe an der Kurbelwelle angebracht ist. Diese gleicht zum einen die Schwingungen des Kolbenbetriebes aus und hilft zum anderen den oberen und unteren Totpunkt ruckfrei zu überwinden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass ein Sensor zur Bestimmung der Position des Kolbens und der Drehzahl der Kurbelwelle vorhanden ist, insbesondere, dass ein Kurbelwellensensor an der Kurbelwelle angebracht ist. Damit ist durch die Kurbelwellendrehung sowohl die Position des Kolbens als auch die Drehzahl bestimmbar.
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Gemäß dem Anspruch 10, ist der gegengepolte Permanentmagnet in seiner Höhe verstellbar. Dies hat den Vorteil, dass durch die Annäherung des gegengepolten Permanentmagneten, also durch Verringerung des Abstandes zu diesen, die auf den Kolben mit Permanentmagneten wirkende Kraft vergrößert werden kann, sowie, dass hierdurch die Drehzahl der Kurbelwelle durch die erhöhte Auf- und Abbewegung des Kolbens mit Permanentmagneten ansteigt.
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Außerdem sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass an den ferromagnetischen Blechen ein separates Magnetfeld anlegbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch Anlegen eines Magnetfeldes an den Blechen die positive, zwischen den Permanentmagneten des Kolbens und den ferromagnetischen Blechen, wirkende Kraft erhöhbar ist, wodurch der Kolben mit Permanentmagneten schneller zum oberen Totpunkt gelangt und somit letztendlich die Drehzahl an der Kurbelwelle erhöht wird.
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In weiterer vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass die ferromagnetischen Bleche in ihrer Höhe verstellbar sind. Dies hat den Vorteil, dass der Kolben mit Permanentmagneten am unteren Totpunkt einen geringeren Abstand zu den ferromagnetischen Blechen innehat und somit früher eine positive Anziehung auf diesen einwirkt, wodurch letztendlich ebenfalls eine Erhöhung der Drehzahl an der Kurbelwelle realisierbar ist.
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Gemäß dem Anspruch 13, sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass ein wenigstens ein, einen Kolben umgebendes Motorgehäuse, insbesondere eine Zylinderbank, aus paramagnetischem Material, insbesondere Aluminium, enthalten ist. Durch die Ergänzung eines Motorgehäuses, in welchen der Kolben mit Permanentmagneten seine Auf- und Abbewegung durchführt, ist es möglich, dass die Auf- und Abbewegung des Kolbens mit Permanentmagneten zum Komprimieren von Luft nutzbar ist.
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In weiterer vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass 2, 3, 4, 5 oder 6 Kolben mit Permanentmagneten hintereinander in Reihe angeordnet sind. Dies ermöglicht den Aufbau von Magnetkolbenmotoren als Reihenzylinder, analog zu Verbrennungsmotoren, mit 2, 3, 4, 5 oder 6 Kolben in einer Reihe.
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Auch sieht die Erfindung in vorteilhafter Ausgestaltung für den Magnetkolbenmotor vor, dass 2, 4, 6, 8, 10 oder 12 Kolben mit Permanentmagneten in einer V-Form angereiht sind, sowie, dass jede Zylinderbank jeweils über eine Ansteuerungseinheit verfügt. Dies ermöglicht den Aufbau von Magnetkolbenmotoren als V-Motor, analog zu den Verbrennungsmotoren mit 2, 4, 6, 8, 10 oder 12 Kolben in einer V-Form.
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Weiterhin sieht die Erfindung in vorteilhafter Ausgestaltung vor, dass 2, 4, 6 oder 8 Kolben mit Permanentmagnete in einer Boxer-Form angereiht sind, sowie, dass jede Zylinderbank jeweils über eine Ansteuerungseinheit verfügt. Dies ermöglicht den Aufbau von Magnetkolbenmotoren als Boxer-Motor, analog zu den Verbrennungsmotoren, mit 2, 4, 6 oder 8 Kolben in einer Boxer-Form.
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Gemäß Anspruch 17, sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass 3, 6, 9, 12, 15 oder 18 Kolben mit Permanentmagneten in einer W-Form angereiht sind, sowie, dass jede Zylinderbank jeweils über eine Ansteuerungseinheit verfügt. Dies ermöglicht den Aufbau von Magnetkolbenmotoren als W-Motor, analog zu den Verbrennungsmotoren, mit 3, 6, 9, 12, 15 oder 18 Kolben in einer W-Form.
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Schließlich sieht die Erfindung für den Magnetkolbenmotor vor, dass jede gerade oder ungerade Anzahl von Kolben mit Permanentmagneten in einer Stern-Form angereiht sind, sowie, dass jeder Zylinder jeweils über eine Ansteuerungseinheit verfügt. Dies ermöglicht den Aufbau von Magnetkolbenmotoren als Stern-Motor, analog zu den Verbrennungsmotoren im Flugzeugbetrieb, mit jeder ungeraden bzw. geraden Anzahl von Kolben in einer Stern-Form.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des Magnetkolbenmotors in einer Frontansicht am oberen Totpunkt im Ausgangszustand,
- 2 den Magnetkolbenmotor, gemäß 1, in einer Frontansicht im ersten Takt,
- 3 den Magnetkolbenmotor, gemäß 1, in einer Frontansicht am unteren Totpunkt,
- 4 den Magnetkolbenmotor, gemäß 1, in einer Frontansicht im zweiten Takt, sowie
- 5 den Magnetkolbenmotor, gemäß 1, in einer perspektivischen Seitenansicht.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Magnetkolbenmotors 1, umfassend einen Kolben 4 mit oberhalb angebrachten Permanentmagneten 2, wobei der Kolben 4 mittels einer Pleuelstange 5 an einer Kurbelwelle 6 befestigt ist, in einer Frontansicht am oberen Totpunkt im Ausgangszustand.
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Dabei sind die ferromagnetischen Bleche 9 geschlossen, wodurch der Kolben 4 mit Hilfe des Permanentmagneten 2 nach oben bis zum oberen Totpunkt angezogen wird. Oberhalb der ferromagnetischen Bleche 9 befindet sich ein gegengepolten Permanentmagnet 3, welcher durch die geschlossenen ferromagnetischen Bleche 9 gegenüber dem Permanentmagneten 2 auf dem Kolben 4, abgeschirmt ist. An den ferromagnetischen Blechen 9 ist jeweils ein Rückstellelement, hier eine Zugfeder 8, befestigt, mit welcher die ferromagnetischen Bleche 9 nach außen auslenkbar sind, sobald die Ansteuerungselemente, hier die Nocken 7, welche sich jeweils auf den exzentrischen Wellen 11 befinden, die ferromagnetischen Bleche 9 nicht mehr in deren Laufrichtung hin bewegen, d. h. nicht mehr dem Permanentmagneten 2 des Kolbens 4 gegenüber des gegengepolten Permanentmagneten 3 abschirmen.
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Dabei wird die Laufrichtung der rechten exzentrischen Welle 11 durch eine zweite an die rechte Welle angeordnete exzentrische Welle 11, in den 1 bis 4 nicht weiter dargestellt, umgekehrt, so dass sich die rechte Ansteuerungseinheit, hier die rechte Nocke 7, entgegen der Laufrichtung der Kurbelwelle 6 bewegt und somit das rechte ferromagnetische Blech 9 unter den gegengepolten Permanentmagneten 3 in Linksrichtung schiebt.
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2 zeigt den Magnetkolbenmotor 1, gemäß 1, ebenfalls in einer Frontansicht, im ersten Takt, d. h., dass die ferromagnetischen Bleche 9 nicht mehr den gegengepolten Permanentmagneten 3 gegenüber dem Permanentmagneten 2 auf dem Kolben 4 abschirmen und somit auf den Permanentmagneten 2 am Kolben 4 eine Kraft in Form eines gegengepolten Magnetfeldes einwirkt, so dass der Kolben 4 nach unten ausgelenkt wird. Da die Nocken 7 der exzentrischen Wellen 11 die ferromagnetischen Bleche 9 nicht mehr in Richtung des gegengepolten Permanentmagneten 3 auslenken, werden die ferromagnetischen Bleche 9 mittels des Rückstellelements, hier der Zugfeder 8, ruckartig zurückgezogen.
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3 zeigt den Magnetkolbenmotor 1 ebenfalls in einer Frontansicht am unteren Totpunkt. Am unteren Totpunkt angelangt, wird der Kolben 4 sowohl durch die positive Anziehung zwischen dem Permanentmagneten 2 des Kolbens 4 und den ferromagnetischen Blechen 9, als auch durch den immer noch vorhandenen Schwung durch den ersten Takt, wieder in Richtung des gegengepolten Permanentmagneten 3 ausgelenkt. Gleichzeitig haben sich die Ansteuerungselemente, hier die Nocken 7, auf den exzentrischen Wellen 11 derart weiterbewegt, dass diese nun wieder die ferromagnetischen Bleche 9 unter den gegengepolten Permanentmagneten 3 schieben und gleichzeitig die Rückstellelemente, hier die Zugfedern 8, spannen.
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4 zeigt den Magnetkolbenmotor 1 in einer Frontansicht im zweiten Takt, d.h. nahe am oberen Totpunkt, also nahe der Ausgangssituation, gemäß 1. Aufgrund der positiven Anziehung zwischen den ferromagnetischen Blechen 9 und dem Permanentmagneten 2 auf dem Kolben 4 ist der Kolben 4 weiterhin in einer Aufwärtsbewegung. Gleichzeitig haben die Ansteuerungselemente, hier die Nocken 7, auf den exzentrischen Wellen 11 die ferromagnetischen Bleche 9 nahezu vollständig unter den gegengepolten Permanentmagneten 3 geschoben, sowie, dass die Rückstellelemente, hier die Zugfedern 8, wieder vollständig gespannt. Nachdem die ferromagnetischen Bleche 9 vollständig unter den gegengepolten Permanentmagneten 3 mittels der Ansteuerungselementen, hier den Nocken 7, geschoben wurden - hier nicht weiter abgebildet - und der Kolben 4 mit Permanentmagnet 2 am oberen Totpunkt angelangt ist, werden die ferromagnetischen Bleche 9 im ersten Takt, d.h. gemäß 2, mittels der Zugfedern 8 wieder ruckartig zurückgezogen, der gegengepolte Permanentmagnet 3 freigelegt und der Kolben 4 mit Permanentmagnet 2 aufgrund des gegengerichteten Magnetfeldes des gegengepolten Permanentmagnetes 3 abgestoßen und nach unten ausgelenkt.
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5 zeigt den Magnetkolbenmotor 1 in einer perspektivischen Seitenansicht, gemäß derer der Kolben 4 mit Permanentmagneten 2 mittels einer Pleuelstange 5 mit einer Kurbelwelle 6 verbunden ist, wobei die Kurbelwelle 6 sowohl über eine Zahnriemenscheibe 12 als auch über eine Schwungscheibe 10 verfügt.
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Die Ansteuerungseinheit zur Ansteuerung der ferromagnetischen Bleche 9 baut sich linksseitig aus einer exzentrischen Welle 11 auf, welche über eine Zahnriemenscheibe 12 und einem Ansteuerungselement, hier eine Nocke 7, zur Ansteuerung des linken ferromagnetischen Bleches, verfügt, wobei die exzentrische Welle 11 mittels der Zahnriemenscheibe 12 mit einem hier nicht weiter dargestellten Zahnriemen mit der Kurbelwelle 6 verbunden ist.
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Rechtsseitig baut sich die Ansteuerungseinheit zur Ansteuerung des rechten ferromagnetischen Bleches 9 derart auf, dass eine untenliegende exzentrische Welle 11, welche über ein Zahnrad sowie über eine Zahnriemenscheibe 12 verfügt, wobei die untenliegende exzentrische Welle 11 mittels dieses Zahnrades in ein weiteres Zahnrad der darüber angeordneten exzentrischen Welle 11 greift, wodurch die Laufrichtung der obenliegenden exzentrischen Welle 11 umgekehrt wird. Mittels der obenliegenden exzentrischen Welle 11, welche über ein Ansteuerungselement, hier eine Nocke 7, verfügt, ist das rechte ferromagnetische Blech 9 entgegen der Laufrichtung der Kurbelwelle 6, also nach links, unter den gegengepolten Permanentmagneten auslenkbar.
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Auch verfügt die Ansteuerungseinheit sowohl bei der linken als auch bei der rechten obenliegenden exzentrischen Welle 11 über jeweils ein Rückstellelement, hier Zugfedern 8, mit welchen die ferromagnetischen Bleche 9 ruckartig zurückziehbar sind, wodurch der gegengepolten Permanentmagneten 3 freilegbar ist.
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Somit ist vorstehend ein Magnetkolbenmotor offenbart, der eine Hubkolbenbewegung sowohl durch einen Permanentmagneten auf dem Kolben, als auch durch einen gegenüberliegenden gegengepolten Permanentmagneten realisiert, wobei zum Ansteuern der zwischen dem Permanentmagneten auf dem Kolben und dem gegengepolten Permanentmagneten befindlichen ferromagnetischen Blechen jeweils eine exzentrische Welle mit Ansteuerungselementen und Rückstellelement verwendet wird, so dass abhängig von der Position des Kolbens mit Permanentmagneten diese unter den gegengepolten Permanentmagneten ein- und ausfahrbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetkolbenmotor
- 2
- Permanentmagnet
- 3
- Gegengepolter Permanentmagnet
- 4
- Kolben
- 5
- Pleuelstange
- 6
- Kurbelwelle
- 7
- Nocken
- 8
- Zugfeder
- 9
- Ferromagnetische Bleche
- 10
- Schwungscheibe
- 11
- Exzenterwelle
- 12
- Zahnriemenscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69628036 T2 [0002]
- WO 2015/015506 A1 [0003]
- JP 2016160930 A [0004]
