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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen Hubkolbenmotor und einen Generator umfasst, wobei der Hubkolbenmotor aus einem Zylindergehäuse und einer in dem Zylindergehäuse angeordneten Zylinderhohlraum besteht, wobei der Zylinderhohlraum von einer Zylinderwandung umschlossen wird und innerhalb des Zylinderhohlraums ein Hubkolben angeordnet, der über eine Pleuelstange mechanisch gekoppelt ist und Pleuelstange wiederum mit einer Antriebsscheibe gekoppelt, die auf einer Antriebsachse gelagert ist. Und ferner Ein- und Auslassventile sowie eine Zündvorrichtung vorgesehen ist, die mit dem Hubkolben einen Brennraum eingrenzt.
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Definition
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Bei elektrischen Generatoren, die mittels elektromagnetischer Induktion arbeiten, ist das Prinzip, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln, gleich. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt. Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer (senkrecht) zum Magnetfeld, wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter in Richtung dieses Leiters und setzt sie so in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung bewirkt eine Potentialdifferenz und erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den Enden des Leiters. Je größer die Flächenänderung pro Zeitänderung (durchlaufene Strecke des Leiters) ist, desto höher ist die Spannung. Um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere in Form einer Spule in Reihe geschaltete Leiter verwendet.
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Diese Wirkungsweise ist von derjenigen elektrostatischer Generatoren zu unterscheiden, in denen die Trennung elektrischer Ladungen durch das elektrische und nicht durch das magnetische Feld vorgenommen wird.
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Im Inneren des Generators wird der Rotor (auch Läufer genannt) gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse (auch Ständer genannt) gedreht. Durch das vom Rotor mit einem Dauermagneten oder einem Elektromagneten (Feldspule oder Erregerwicklung genannt) erzeugte, umlaufende magnetische Gleichfeld wird in den Leitern oder Leiterwicklungen des Stators durch die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert.
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Bei Gleichstromgeneratoren wird der Strom im Rotor (Läufer) induziert, die Feldspule oder der Dauermagnet ist außen. Der generierte Strom wird mit einem Kommutator gleichgerichtet.
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Stand der Technik
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In der
WO 2008/119055 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren zum Bereitstellen und Steuern einer elektromechanischen Permanentmagnetvorrichtung, die als Motor oder Generator funktioniert, offenbart. Die elektromechanische Vorrichtung verwendet Steuerspulen, um den Magnetfluss von zwischen Statorsegmenten angeordneten Permanentmagneten zu steuern. Die Steuerspulen können um die Brücke eines Statorsegments, die Pole eines Statorsegments oder beides gewickelt sein. Die elektromechanische Vorrichtung kann einphasig oder mehrphasig sein und Controller, Sensoren, eine thermisch / elektrische Isolationsstruktur oder einen Reluktanzspalt umfassen. Die Statorpole sind gruppiert und mit einem Winkelabstand ausgelegt, der sich an der Anzahl der Permanentmagnete orientiert. Das elektromechanische Gerät hat eine höhere Leistungsdichte als herkömmliche Motoren und Generatoren und arbeitet effizienter, während es bei kühleren Temperaturen arbeitet.
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Es ist bekannt, aus der hin- und hergehenden Kolbenbewegung einer Kraftmaschine mit Hilfe eines Kurbeltriebs eine Drehbewegung zu erzeugen. Diese Drehbewegung wird dann in den meist mechanisch gekuppelten Arbeitsmaschinen z. B. Pumpen, Verdichtern, Getrieben, Generatoren in hydraulische, elektrische, pneumatische oder Bewegungsenergie umgeformt. Dabei wird der Energiebedarf an der Arbeitsmaschine geregelt, indem an der Kraftmaschine durch Verstellen von Druck, Zündzeitpunkt, Luft- oder Gasmenge die Drehzahl verändert wird. In anderen Fällen wird die mechanische Energie eines mit fossilen Brennstoffen angetriebenen Motors mit einem herkömmlichen Generator in elektrische Energie umgeformt, die einen Speicher auflädt. Bei Bedarf entnimmt dann der elektrische Antrieb oder weitere Akteure Energie aus dem Speicher.
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Nachteile des Standes der Technik
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Durch die Bewegung eines Rotors innerhalb eines Stators wird Strom in dem Stator und damit in der Spule erzeugt. Entweder kann durch einen klassischen Hubkolbenmotor durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen direkt ein Generator zur Erzeugung von Strom angetrieben werden. Dafür sind zwei Vorrichtungen notwendig, die einander bedingen und abhängig voneinander agieren. Es entstehen dabei hohe Kosten an der Erstellung und dem Betrieb.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hubkolbenmotor mit einem höheren Wirkungsgrad bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 dargestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Hubkolbenmotor oder -kompressor mit einem Generator in einer Baueinheit zu kombinieren, um eine Doppelfunktion zu erzielen. Ein solcher Hubkolbenmotor oder - kompressor besteht im Wesentlichen aus einem Zylinderraum mit einer Zylinderwandung und einem in dem Zylinderraum durch Verbrennungsprozesse oder Beaufschlagung von Druck bewegten Hubkolben.
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Der in dem Hubkolbenmotor oder -kompressor integrativ angeordnete Generator, vorzugsweise als ein Lineargenerator ausgebildet, besteht aus mindestens einer Induktionsspule und mindestens einem Permanentmagneten, wobei beide Bauteile Bestandteil des Motors sind. Von der Induktionsspule wird der induzierte Strom abgegriffen. Der Generator kann vorteilhafterweise sowohl als Aussen- wie auch Innenpolgenerator betrieben werden, in Abhängigkeit von der Anordnung der Induktionsspule und der Permanentmagnete.
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Als Innenpolgenerator ist die Induktionsspule in die Zylinderwandung integriert und bildet dort den Stator des Generators. Der Hubkolben ist entweder magnetisch oder mit Permanentmagneten versehen und bildet den Läufer des Generators.
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Ein Aussenpolgenerator ist derart aufgebaut, dass die Zylinderwandung magnetisch ist oder Magnete aufweist und der Hubkolben mit einer oder mehreren Spulen versehen ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Hubkolben mit Permanentmagneten, beispielsweise starken Neodym-Magneten versehen ist und die Zylinderwandung eine Spule mit einer hohen Windungszahl aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine höhere Induktionsspannung induziert werden kann. Zudem besteht der Vorteil darin, dass ein Abgriff des Induktionsstromes ohne Schleifkontakte (die bei einem Aussenpoolgenerator notwendig wären) möglich ist.
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Alternativ zu Permanentmagneten können auch Elektromagnete oder eine Kombination aus Elektromagneten und Permanentmagneten vorgesehen sein.
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Permanentmagnete haben eine maximale Einsatztemperatur - sie können also nicht jeder Temperatur standhalten. Das liegt daran, dass hohe Temperaturen die Elementarmagnete, die parallel ausgerichtet für das Magnetfeld sorgen, wieder neu durchmischen. Das Magnetfeld verschwindet bei hohen Temperaturen deshalb. Für jeden Magneten ergibt sich auf dieser Basis eine maximale Einsatztemperatur, die vom Hersteller angegeben wird - normalerweise in Form eines Buchstabens in der Gütebeschreibung.
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Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften werden durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert. Der Verbleib einer Permanenz nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes sorgt dafür, dass das Material magnetisch bleibt. Es kann so selbst als Magnet fungieren. Bei hohen Temperaturen (über der sogenannten Curie-Temperatur) verschwindet diese Remanenz, wodurch die Magnetisierung verschwindet. Zur Vermeidung einer Entmagnetisierung darf eine gewisse Einsatztemperatur nicht überschritten werden.
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Grundsätzlich darf die maximale Einsatztemperatur die Curie-Temperatur demnach nicht überschreiten. Jedoch wurde auch erklärt, dass es bereits vor dem Erreichen der Curie-Temperatur eine Wahrscheinlichkeit gibt, mit der sich einzelne Elektronenspins umordnen. Um dies zu vermeiden, liegt die angegebene Einsatztemperatur meist etwas weiter unterhalb der Curie-Temperatur. Doch nicht nur die Wahrscheinlichkeit für eine Entmagnetisierung ist der Grund dafür: Mit steigenden Temperaturen erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit für Materialverzerrungen oder Instabilitäten im Material. Deshalb wird die maximale Einsatztemperatur so gewählt, dass einerseits keine Entmagnetisierung des Magneten auftritt, andererseits aber auch keine Materialrisse oder andere Gitterfehler auftreten.
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Eine andere Variante besteht darin, Elektromagnete an der Stelle von Permanentmagneten zu verwenden, so dass die Curie-Temperatur nicht berücksichtigt werden muss.
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Der induzierte Strom wird von der Induktionsspule abgegriffen und über elektrische Schaltungen einem Speichermedium zugeführt.
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Hubkolben-Verbrennungsmotoren oder -Kompressoren gemäss dem Stand der Technik können bei nur geringfügiger Bauplanveränderung durch Integration von Induktionsspule und Magneten, in eine Hubkolben-Hybridmaschine gewandelt werden. Dadurch kann auch gleichzeitig der Wirkungsgrad solcher Hubkolbenmaschinen verbessert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen hervor.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnitt-Ansicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung, bestehend aus einem Hubkolbenmotor und einen in den Hubkolbenmotor eingebauten Generator;
- 2 eine schematische Schnitt-Ansicht eine alternative Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung, bestehend aus einem Hubkolbenkompressor und einen in den Hubkolbenkompressor eingebauten Generator.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung V gezeigt. Diese umfasst den Hubkolbenmotor H und den Generator G. Der Hubkolbenmotor besteht aus einem Zylindergehäuse 2 und einer in dem Zylindergehäuse 2 angeordneten Zylinderhohlraum 3. Der Zylinderhohlraum 3 wird von einer Zylinderwandung 4 umschlossen. Innerhalb des Zylinderhohlraums 3 ist ein Hubkolben 5 angeordnet, der über eine Pleuelstange 6 mechanisch gekoppelt ist. Die Pleuelstange 6 ist wiederum mit einer Antriebsscheibe 7 gekoppelt, die auf einer Antriebsachse 8 gelagert ist. Ein- und Auslassventile 9, 10 sowie eine Zündvorrichtung 11 umgeben mit dem Hubkolben 5 einen Brennraum 12. Innerhalb dieses Brennraums 12 wird ein Kraftstoffgemisch entzündet, das eine Bewegung des Hubkolbens 5 in Pfeilrichtung 13 bewirkt. Durch diese Bewegung wird mittelbar die Antriebsachse 8 in Drehung versetzt.
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Gleichzeitig mit der Bewegung des Hubkolbens 5 innerhalb des Zylinderhohlraums 3 wird über eine vorgesehene Schnittstelle 14 Strom abgegeben und einem in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Speicher zugeführt. Dieser Strom wird durch magnetische Induktion erzeugt. Dafür ist vorgesehen, dass der Hubkolben 5 magnetisch ist oder - wie in 1 dargestellt - auf seinem Umfang einen Permanentmagneten 16 oder mehrere Permanentmagnete 16 aufweist. In der Zylinderwandung 4 ist eine Spule 17 angeordnet, deren Enden mit der Schnittstelle 14 gekoppelt sind. Durch die Hin- und Herbewegung des Hubkolbens 5 in und gegen die Pfeilrichtung 13 wird innerhalb der Spule durch das von den Permanentmagneten 16 erzeugte magnetische Feld Strom induziert.
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Die Magnete 16 sind in entsprechenden Aussparungen innerhalb des Hubkolbens 5 untergebracht, so dass jeweils ein Formschluss mit dem Hubkolben 5 und damit einer homogenen Umfangsfläche gewährleistet ist. Alternativ kann auch der gesamte Hubkolben magnetisch sein oder mit einer magnetischen Schicht versehen sein, damit ein von diesem ausgehendes Magnetfeld in der Spule oder den Spulen 17 des Generators G einen Strom induziert, der über die Schnittstelle 14 abgegriffen wird.
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Die oben genannte Ausbildung hinsichtlich Magnet und Spule zeigt einen Innenpolgenerator an. Dieses hierin beschriebene Prinzip lässt sich auch zu einem Aussenpolgenerator ausbilden, wobei die Spule oder die Spulen am Hubkolben und die Zylinderwandung mit Magneten versehen ist.
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In der 2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung V' gezeigt. Diese umfasst den Hubkolbenkompressor K und den Generator G. Der Hubkolbenkompressor K besteht aus einem Zylindergehäuse 22 und einer in dem Zylindergehäuse 22 angeordneten Zylinderhohlraum 23. Der Zylinderhohlraum 23 wird von einer Zylinderwandung 24 umschlossen. Innerhalb des Zylinderhohlraums 23 ist ein Hubkolben 25 angeordnet, der über eine Pleuelstange 26 mechanisch gekoppelt ist. Die Pleuelstange 26 ist wiederum mit einer Antriebsscheibe 27 gekoppelt, die auf einer Antriebsachse 28 gelagert ist. Ein- und Auslassventile 29, 30 dienen dazu, die durch die Fremdbewegung des Hubkolbens 25 erzeugte Druckluft durch das Auslassventil 30 auszugeben. Diese Ein- und Auslassventile sind mit dem Zylinderhohlraum 23 verbunden. Die Druckluft entsteht durch Einsaugen von Luft durch das Einlassventil 29 und durch die Verkleinerung des Zylinderhohlraums 23 aufgrund der Bewegung des Hubkolbens 25. Durch diese Bewegung erfolgt durch die Drehung der Antriebsachse 28.
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Gleichzeitig mit der Bewegung des Hubkolbens 25 innerhalb des Zylinderhohlraums 23 wird über eine vorgesehene Schnittstelle 34 Strom abgegeben und einem in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Speicher zugeführt. Dieser Strom wird durch magnetische Induktion erzeugt. Dafür ist vorgesehen, dass der Hubkolben 25 magnetisch ist oder - wie in 2 dargestellt - auf seinem Umfang eine oder mehrere Permanentmagnete 36 aufweist. In der Zylinderwandung 34 ist eine Spule 37 angeordnet, deren Enden mit der Schnittstelle 34 gekoppelt sind. Durch die Hin- und Herbewegung des Hubkolbens 25 in und gegen die Pfeilrichtung 33 wird innerhalb der Spule durch das von den Permanentmagneten 16 erzeugte magnetische Feld B Strom induziert.
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Die Magnete 16 sind in entsprechenden Aussparungen innerhalb des Hubkolbens 25 untergebracht, so dass jeweils ein Formschluss mit dem Hubkolben 25 und damit einer homogenen Umfangsfläche gewährleistet ist. Alternativ kann auch der gesamte Hubkolben magnetisch sein oder mit einer magnetischen Schicht versehen sein, damit ein von diesem ausgehendes Magnetfeld in der Spule oder den Spulen 37 des Generators G einen Strom induziert, der über die Schnittstelle 34 abgegriffen wird.
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Die oben genannte Ausbildung hinsichtlich Magnet und Spule zeigt einen Innenpolgenerator an. Dieses hierin beschriebene Prinzip lässt sich auch zu einem Aussenpolgenerator ausbilden, wobei die Spule oder die Spulen am Hubkolben und die Zylinderwandung mit Magneten versehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- --
- 2, 22
- Zylindergehäuse
- 3, 23
- Zylinderhohlraum
- 4, 24
- Zylinderwandung
- 5, 25
- Hubkolben
- 6, 26
- Pleuelstange
- 7, 27
- Antriebsscheibe
- 8, 28
- Antriebsachse
- 9, 29
- Einlassventil
- 10, 30
- Auslassventil
- 11
- Zündvorrichtung
- 12
- Brennraum
- 13, 33
- Pfeilrichtung
- 14, 34
- Schnittstelle
- 15, 35
- --
- 16, 36
- Permanentmagnete
- 17, 37
- Spule
- V, V'
- Vorrichtung
- K
- Kompressor
- G
- Generator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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