DE10296891T5

DE10296891T5 - Selbst-zentrierender Linear-Motor

Info

Publication number: DE10296891T5
Application number: DE10296891T
Authority: DE
Inventors: Robert W Redlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2004-05-27
Also published as: CN1511368A; CN1320737C; US20020175570A1; WO2002095905A3; JP4469124B2; US6483207B1; JP2002369485A; WO2002095905A2; BR0209915A; BRPI0209915B1

Abstract

Ein elektromechanischer Wandler zur Umwandlung einer Hin- und Herbewegung in eine Wechselspannung oder zur Umwandlung von Wechselspannung in eine Hin- und Herbewegung, wobei besagter Wandler die Kombination a) bis d) wie folgt umfasst:
a) ein ringförmiger Permanentmagnet wird durch zwei Kreiszylinder und zwei parallele Ebenen begrenzt, wobei beide Zylinder koaxial zu einer Achse A-A und beide Ebenen senkrecht zur Achse A-A liegen, wobei der Permanentmagnet im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Zylinder magnetisiert wird, die Länge des Permanentmagnets (S+L) in einer Richtung parallel zur Achse A-A gemessen wird und wobei S und L weiter unten definiert werden,
b) mit einer Mehrzahl stationärer und im wesentlichen identischer Flussschleifen-Teile, die aus ferromagnetischem Material zusammengesetzt sind und sich generell radial nach außerhalb besagter Achse A-A erstrecken und jeweils ein Paar Luftspalte aufweisen, die durch eine Distanz S separiert sind, welche parallel zur Achse A-A gemessen ist, wobei alle besagten Spaltenpaare...

Description

(e) Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung entstammt dem allgemeinen Gebiet sich hin- und herbewegender magnetischer Permanentmagnet-Wechselstrommotoren und -generatoren. Genauer ergibt sie ein Mittel zur Erzeugung magnetischer, zentrierender Kräfte, um hin- und hergehende Magnete innerhalb von Luftspalten solcher Maschinen zu halten.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Fundstelle 1 offenbart eine Wechselstrom Elektromaschine, welche entweder als Generator zur Konvertierung hin- und hergehender Bewegungen eines Permanent-Magnetrings in eine Wechselspannung, oder als Motor zur Konvertierung einer Wechselstromspannung in eine hin- und hergehende Bewegung eines Permanent-Magnetrings genutzt werden kann. Gemäß 4 aus Fundstelle 1 gehen Permanent-Magneten 50 in Links-Rechts-Richtung hin und her, und wenn die Maschine konventionell gestaltet ist, wird keine Kraft auf die Permanent-Magneten entstehen, wenn kein Strom durch die Anker-Spule 56 fließt, vorausgesetzt, die Magneten treten nicht aus den Luftspalten aus. Wenn die Magneten austreten, werden starke magnetische Kräfte erzeugt, die die Magneten weiter hinausstoßen. Um das Austreten der Magneten und deren nachfolgende Expulsion aus den Luftspalten zu verhindern, wurden beim Stand der Technik mechanische und/oder magnetische Zentrierungs-Federungen genutzt. Das letztere ist in Fundstelle 2 offenbart. Zentrierungs-Federungen führen zu Komplikationen und verursachen Kosten. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, magnetisch generierte Zentrierungskräfte auf die hin- und hergehenden Magnete zu schaffen, ohne dabei weitere Kosten oder Komplexität zu verursachen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die ferromagnetische Struktur (60, 62, 64, 68 aus 6, Fundstelle 1) auf unkonventionelle Art gestaltet, indem ihr ganz oder teilweise die magnetische Sättigung ermöglicht wird, wenn die Permanent-Magneten 50 aus Fundstelle 1 sich den linken oder rechten Enden des Luftspalts, in dem sie sich hin- und herbewegen, annähern. Die Theorie zeigt und das Experiment bestätigt, dass durch magnetische Sättigung eine Kraft auf die hin- und hergehenden Magneten in einer Richtung ausgeübt wird, wodurch die Magneten in ihrem Luftspalt gehalten werden. Konventionelles Design verhindert eine magnetische Sättigung, da es die Leistung durch Herabsetzen der Effizienz mindert und im Falle von Generatoren die Wellenform der Spannung am Ausgang verzerrt. In einem sich linear bewegenden Wechselstrom-Motor-Generator des Typs, der in Fundstelle 1 offenbart, aber entsprechend der Erfindung modifiziert ist, wurde festgestellt, dass nützliche, zentrierende Kräfte, ohne das Auslösen einer signifikanten Leistungseinbuße, generiert werden können.
Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
1A ist eine querschnittliche Ansicht eines linearen Permanent-Magnetmotors oder -generators gemäß Stand der Technik. In 1A sind Dimensionen und magnetische Größen, die durch die Erfindung abgeändert werden, durch Symbole gekennzeichnet.
1B ist eine querschnittliche Ansicht eines linearen Permanent-Magnetmotors oder -generators, in der Dimensionen und magnetische Größen, die die Erfindung vom Stand der Technik unterscheiden, durch Symbole gekennzeichnet sind.
2 zeigt Graphen magnetischer Größen in der Eisenstruktur entsprechend dem Stand der Technik sowie der Erfindung. Diese Größen sind über den Versatz X der Magneten von ihrer zentrierten Position aufgetragen. Die dargestellten Größen sind: Magnetische Intensität N' (vorbekannte Bauweise), magnetische Flussdichte B' (vorbekannte Bauweise), H (Erfindung) und B (Erfindung).
3 zeigt für den Stand der Technik sowie für die Erfindung Graphen magnetischer Kraft auf die Motor-Magneten, welche über den Versatz der Magneten von ihrer zentrierten Position angebracht sind.
(h) Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1A ist eine querschnittliche Ansicht einer bekannten Ausführung eines hin- und hergehenden Permanent-Magnetmotors oder -generators, wie in U.S. Patent 4,602,174 dargestellt. Die Maschine ist im Wesentlichen achsensymmetrisch zur Achse A-A. Ein Permanent-Magnetring 1 wird radial mit der Magnetisierung M magnetisiert und geht parallel zu A-A in Luftspalten hin und her, welche durch eine äußere ferromagnetische Struktur 2 und eine innere ferromagnetische Struktur 3 begrenzt sind. Eine Spule aus Draht 4 umgibt die innere ferromagnetische Struktur 3. X bezeichnet den axialen Versatz des Magnetrings von der Position, in der dieser innerhalb der Luftspalte axial zentriert ist. Ohne Strom in der Spule 4 sind die magnetische Flussdichte B' und die magnetische Intensität N' in der inneren und der äußeren ferromagnetischen Struktur Funktionen von X und den Abmessungen y' und Y', und sie sind in 1A jeweils durch die konventionelle und funktionale Schreibweise B' (X) bzw. H'(X) bezeichnet.
2 zeigt Graphen von H' (X) und B' (X) einer Maschine früherer Bauweise, die konventionell gestaltet ist, um eine magnetische Sättigung zu verhindern. B' (X) ist eine weitgehend lineare Funktion von X mit einem Maximalwert, typischerweise weniger als 13000 Gauss, und N' (X) liegt typischerweise unter 10 Oersted für alle X.
1B ist eine querschnittliche Ansicht eines linearen Permanent-Magnetmotors oder -generators gemäß Erfindung. 1B zeigt dasselbe wie 1A mit der Ausnahme, dass eine von beiden oder beide Dimensionen y und Y ausreichend kleiner als ihre in der früheren Bauweise gebauten Gegenstücke y' und Y' sind, so dass eine magnetische Sättigung nahe X=L/2 und X=-L/2 eintritt, welches die X-Werte sind, bei denen die Magneten 1 beginnen, aus dem Luftspalt zwischen den Eisenstrukturen 2 und 3, auszutreten.
2 zeigt Graphen von N (X) und B (X) für einen Motor oder Generator gemäß der Erfindung. Nahe |X|=L/2 steigt H (X) über 20 Oersted, wobei die typische Sättigung für Stahl übertroffen wird, welche bei ungefähr 10 Oersted liegt. Nahe |X|=L/2 fällt B (X) unter eine lineare Projektion seiner Werte bei kleinem X, und erreicht einen Maximalwert, welcher 15000 Gauss übersteigt. Der Zweck, Teile der ferromagnetischen Strukturen 2 und 3 sich sättigen zu lassen, sobald der Magnetring 1 einem der Enden der Luftspalte nahekommt, ist es, magnetische Kräfte zu erzeugen, die den Magnetring vom Verlassen des Luftspalts abhalten. Die Existenz solcher Kräfte wird durch die Theorie über elektromagnetische Energie vorausgesagt, welche lehrt, dass Energie gleich (H × dB × dV) erforderlich ist, um die magnetische Flussdichte B durch einen differentiellen Betrag dB in einem differentiellen Volumen dV zu erhöhen. Bei der Erfindung ist die Quelle solcher Energie mechanische Arbeit, die an dem eine Distanz dX durchlaufenden Magnetring durch eine axiale Kraft verrichtet wird, woraus folgt, dass die Kraft F durch die folgende Gleichung berechnet werden kann: F = –∫H × dB/dX × dV Gleichung (1)
Das Minuszeichen in Gleichung (1) bedeutet, dass F in entgegengesetzter Richtung zu dX wirkt. Das Integral muss prinzipiell über den ganzen Raum genommen werden, aber in der vorbekannten Bauweise und in der Erfindung wird der Hauptanteil dazu durch das Volumen geliefert, welches durch die ferromagnetischen Strukturen 2 und 3 aus 1A und 1B eingenommen wird, vorausgesetzt, dass der Magnetring nicht die Luftspalte verlässt. Beim Stand der Technik wird die magnetische Sättigung durch Dimensionieren der ferromagnetischen Struktur verhindert, so dass H' deutlich weniger als 10 Oersted für alle X (5 Oersteds sind typisch) beträgt, und F zu gering ist, um von praktischem Nutzen beim Halten des Magnetrings zu sein. Jedoch erhöht sich bei der Erfindung die Sättigung H(L/2) typischerweise auf über 20 Oersted, was zu einem viel höheren Wert von F führt, wodurch Magnetring 1 am Verlassen des Luftspalts gehindert wird.
3 zeigt die Graphen von F für die vorbekannte Bauweise und für die Erfindung. In beiden Fällen werden die Magneten aus dem Luftspalt herausgestoßen, wenn |X|≧L/2 gilt, wie angezeigt durch die schnell ansteigende Kraft für |X|≧L/2. Nach der Erfindung, aber nicht beim Stand der Technik gibt es eine relativ große Festhalte-Kraft, um den Magnetring 1 vom Erreichen von |X|=L/2 und folglich vom Herausgestoßen werden aus dem Luftspalt abzuhalten.
Beträchtliche Variation ist im Sinne der Erfindung möglich. Zum Beispiel kann die magnetische Sättigung eher auf die äußere ferromagnetische Struktur 2 oder auf die innere ferromagnetische Struktur 3 beschränkt sein, anstatt in beiden Strukturen zu existieren.
Zusammenfassung
Es wird eine Methode zur Erzeugung einer magnetischen Zentrierungskraft auf die Permanentmagnete eines hin- und hergehenden Permagnetmotors oder -generators offenbart. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass man der ferromagnetischen Struktur der Maschine eine magnetische Sättigung ermöglicht, wenn die Permanentmagneten sich den Enden ihres Bewegungshubs annähern.

Claims

Ein elektromechanischer Wandler zur Umwandlung einer Hin- und Herbewegung in eine Wechselspannung oder zur Umwandlung von Wechselspannung in eine Hin- und Herbewegung, wobei besagter Wandler die Kombination a) bis d) wie folgt umfasst: a) ein ringförmiger Permanentmagnet wird durch zwei Kreiszylinder und zwei parallele Ebenen begrenzt, wobei beide Zylinder koaxial zu einer Achse A-A und beide Ebenen senkrecht zur Achse A-A liegen, wobei der Permanentmagnet im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Zylinder magnetisiert wird, die Länge des Permanentmagnets (S+L) in einer Richtung parallel zur Achse A-A gemessen wird und wobei S und L weiter unten definiert werden, b) mit einer Mehrzahl stationärer und im wesentlichen identischer Flussschleifen-Teile, die aus ferromagnetischem Material zusammengesetzt sind und sich generell radial nach außerhalb besagter Achse A-A erstrecken und jeweils ein Paar Luftspalte aufweisen, die durch eine Distanz S separiert sind, welche parallel zur Achse A-A gemessen ist, wobei alle besagten Spaltenpaare durch zwei zylindrische Oberflächen begrenzt sind, beide Oberflächen koaxial zur Achse A-A sind, jeder Luftspalt eine parallel zur Achse A-A gemessene Länge L besitzt, besagter Permanentmagnetring innerhalb der Mehrzahl von Luftspalt-Paaren positioniert und in eine Richtung parallel zur Achse A-A beweglich ist, und die so zurückgelegte Distanz, gemessen von dem Ort, an dem der Magnetring axial in den Luftspalten zentriert ist, hier mit X bezeichnet wird, c) eine Ankerspule, die gewunden ist, um auf die mittleren Abschnitte aller besagten Flussschleifen-Teile einzuwirken und/oder diese zu durchlaufen, und d) in einer oder mehreren Regionen besagter Flussschleifen-Teile ist, zum Zweck der Erzeugung einer magnetisch generierten, axialen zentrierenden Kraft auf besagten Magnetring, das besagte Region oder Regionen ausmachende ferromagnetische Material magnetisch gesättigt, wenn |X|=L/2 und der Strom in besagter Ankerspule Null ist, wobei die Sättigung hier als magnetische Intensität H, die 20 Oersteds überschreitet, definiert wird.