DE19719523A1

DE19719523A1 - Gleichstromgenerator sowie Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE19719523A1
Application number: DE19719523A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Liebscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromgenerator mit einem Magnetfeld sowie mit einem in dem Magnetfeld befindlichen elektrischen Leiter, wobei das Magnetfeld und der elektrische Leiter relativ zueinander bewegbar sind und wobei an den Enden des elektrischen Leiters durch eine Bewegung eine induzierte elektrische Gleichspannung abgreifbar ist. - Die Erfin dung betrifft ferner einen Gleichstrommotor mit einem Magnetfeld sowie mit einem in dem Magnetfeld befindlichen elektrischen Leiter, wobei das Magnetfeld und der elektrische Lei ter relativ zueinander bewegbar sind und wobei an den Enden des elektrischen Leiters ein elektrischer Gleichstrom einprägbar ist.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen, mit denen mittels besonderer elek trischer Komponenten entweder in Magnetfeldern ein Strom erzeugt (Generator) oder mit denen in Magnetfeldern durch Stromeinprägung eine Bewegung erzielt werden kann (Motor).

Vorrichtungen, welche aufgrund der Maxwellschen Gesetze funktionieren, sind hinlänglich bekannt. Solche Geräte sind beispielsweise Transformatoren, Motoren, Generatoren, Elek tromagnete, Bildröhren etc. Alle diese Anwendungen sind zum allergrößten Teil Wechsel stromanwendungen. Der erfindungsgemäße Generator sowie der erfindungsgemäße Motor beziehen sich jedoch vorzugsweise auf Gleichstromanwendungen, denen gleichermaßen die Maxwellschen Gesetze zugrundeliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Gleichstromgenerator sowie einen neuartigen Gleichstrommotor zu schaffen, welche unter Ausnützung des Erd magnetfeldes insbesondere auch im Weltraum verwendet werden können.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung bei einem Gleichstromgenerator sowie bei einem Gleichstrommotor vorgeschlagen, daß sich ein Teil des elektrischen Leiters in einem magnetfeldfreien Raum befindet, wobei der Leiter aus einem schlauchförmigen äu ßeren Leiter aus ferromagnetischem Material sowie aus einem Innenleiter, der sich in einem durch die Magnetfeldabschirmung durch den äußeren Leiter magnetfeldfreien Raum befin det, besteht und wobei der äußere Leiter an einem Ende mit dem Innenleiter elektrisch ver bunden ist.

Dadurch ist ein Gleichstromgenerator sowie gleichermaßen ein Gleichstrommotor geschaf fen, welche insbesondere im nahen Weltraum unter Ausnützung des Erdmagnetfeldes oder im Weltraum durch Ausnutzung des Magnetfeldes anderer Himmelskörper (z. B. der Sonne) eingesetzt werden können. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Prinzip auch für die Konstruktion von Gleichstromgeneratoren sowie Gleichstrommotoren verwendbar, wel che auf der Erde eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Prinzip ist dabei sowohl für einen Gleichstromgenerator als auch für einen Gleichstrommotor einsetzbar, da der Gleich strommotor gewissermaßen nur die elektrische Umkehr des Gleichstromgenerators ist.

Wird der erfindungsgemäße elektrische Leiter beliebiger Konfiguration quer zur Ausrichtung eines Magnetfeldes mit nicht konstanter Geschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld oder mit konstanter oder nicht konstanter Geschwindigkeit in einem inhomogenen Magnet feld bewegt, so wird in ihm gemäß dem zweiten Maxwellschen Gesetz eine Spannung indu ziert. Da aber erfindungsgemäß ein Teilabschnitt des elektrischen Leiters sich in einem ma gnetfeldfreien Raum befindet, wird in diesem Teilabschnitt des elektrischen Leiters keine Spannung induziert, so daß an den Enden des elektrischen Leiters eine elektrische Span nung anliegt. Dem elektrischen Leiter kann somit Strom entnommen werden, so daß die gesamte Einrichtung als Gleichstromgenerator arbeitet. Umgekehrt kann ein erfindungsge mäßer elektrischer Leiter dann in eine Bewegung versetzt werden, wenn an die Enden des zu bewegenden Leiters ein Strom eingeprägt wird, so daß in dem Abschnitt des elektri schen Leiters, der dem Magnetfeld ausgesetzt ist, in Wechselwirkung mit diesem Magnet feld eine Bewegung erzeugt wird. Diese Bewegung wird nicht dadurch aufgehoben, daß der gesamte elektrische Leiter sich im Magnetfeld befindet. Vielmehr wirkt auf einen Teilab schnitt des elektrischen Leiters kein Magnetfeld und damit auch keine Kraft. Die Grundidee des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors bzw. Gleichstromgenerators liegt somit darin, die elektromagnetische Wechselwirkung aufgrund der Maxwellschen Gesetze nur für einen Teilbereich des elektrischen Leiters zuzulassen, so daß sich gegenseitig kompensierende Effekte nicht auftreten können.

Der konstruktive Grundaufbau des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters besteht darin, daß ein Innenleiter im magnetfeldfreien Teilabschnitt von einer das Magnetfeld abschir menden Hülle umgeben ist. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um das Magnetfeld abzuschirmen. Vom Grundaufbau her ähnelt dieser Aufbau einem elektrischen Koaxialkabel. Solche Koaxialkabel sind bekannt und haben aus Festigkeitsgründen manchmal ein Stahldrahtgeflecht als Außenleiter, das eine gewisse magnetische Abschirmung des In nenleiters bewirkt. Solche Koaxialkabel können jedoch den Effekt im erfindungsgemäßen Sinne nicht bewirken. Die das Magnetfeld abschirmende Hülle besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität.

Die Hülle bildet somit einen äußeren Hohlleiter für einen im Innern befindlichen, galvanisch getrennten Innenleiter, wobei am einen Ende Hohlleiter und Innenleiter elektrisch kurz ge schlossen sind und an den anderen Enden bei Bewegung in Magnetfeldern eine Spannung anliegt und zusammen den elektrischen Leiter definieren. Die Grundidee besteht somit darin, die den äußeren Hohlleiter bildende Hülle zugleich als Bestandteil des elektrischen Leiters zu verwenden. Wird somit der aus dem äußeren Hohlleiter sowie aus dem Innenlei ter bestehende elektrische Leiter mit nicht konstanter Geschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld oder mit konstanter oder nicht konstanter Geschwindigkeit in einem inhomoge nen Magnetfeld unter Schneiden der Magnetfeldlinien bewegt, so wird in dem elektrisch leitenden äußeren Hohlleiter - da dieser voll dem Magnetfeld ausgesetzt ist - gemäß dem zweiten Maxwellschen Gesetz eine Spannung induziert. Über eine Verbindung am Ende dieses Hohlleiters mit dem Innenleiter kann dann der Strom über diesen Innenleiter zurück geführt werden. Weil in diesem Innenleiter infolge der ferromagnetischen Abschirmung kei ne Spannung induziert wird, kann an den Klemmen ein Strom entnommen werden. Der In nenleiter hat somit nur reine Stromrückführungseigenschaften. Vorzugsweise weist der fer romagnetische äußere Hohlleiter eine hohe Permeabilität sowie einen niedrigen spezifi schen elektrischen Widerstand auf. Der Innenleiter wird dabei innerhalb des Hohlleiters elektrisch isoliert von diesem geführt. Nur an dem einen Ende sind der äußere Hohlleiter und der Innenleiter elektrisch miteinander verbunden, während am anderen Ende des äu ßeren Hohlleiters sowie des Innenleiters jeweils Klemmen angebracht sind, an denen bei der Bewegung dieses Leiters in Magnetfeldern ein Strom entnommen werden kann. Umge kehrt bewirkt die Beaufschlagung des Leiters an den beiden Klemmen mit Strom eine Be wegung des Leiters in Magnetfeldern.

Schließlich wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, daß mehrere Leiter in Reihe oder parallel geschaltet sind.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichstromgenerators bzw. Gleichstrom motors werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung des physikalischen Grundprinzips, ohne je doch die zusätzliche erfindungsgemäße Anordnung eines äu ßeren Hohlleiters;

Fig. 2 die Basisausführung eines erfindungsgemäßen Gleichstrom generators bzw. Gleichstrommotors;

Fig. 3 eine Reihenschaltung der Vorrichtung in Fig. 2;

Fig. 4 eine Parallelschaltung des Vorrichtung in Fig. 2;

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Steuerung eines Satelliten im Welt raum unter Verwendung von drei erfindungsgemäßen Gleich strommotoren.

Anhand von Fig. 1 soll zunächst das physikalische Grundprinzip erläutert werden, welches der Erfindung zugrundeliegt insbesondere auch um auf den erfindungsgemäßen Gleich stromgenerator bzw. Gleichstrommotor hinzuführen. Zunächst ist ein Koordinatensystem mit den drei Koordinatenachsen X, Y, Z dargestellt. Parallel zur Y-Koordinatenachse ver läuft ein Magnetfeld M. Parallel zur Z-Koordinatenachse erstreckt sich ein elektrischer Leiter 1 in Form einer Leiterschleife mit den endseitigen Anschlüssen 2, 2'. Bewegt man in dem homogenen Magnetfeld M senkrecht zu den magnetischen Feldlinien (also beispielsweise in Richtung der X-Koordinatenachse) den elektrischen Leiter 1, so kann man an den An schlüssen 2, 2' des elektrischen Leiters 1 keinen Strom entnehmen, weil sich die in der Schleife induzierten Spannungen U wegen ihrer gleichgerichteten Polarität kompensieren. Dies ist in Fig. 1 durch die gleichgerichteten elektrischen Spannungen U angedeutet.

Die erfindungsgemäße Lösung für dieses Problem ist in Fig. 2 dargestellt. Der elektrische Leiter 1 besteht hier aus einem äußeren Hohlleiter 1' aus einem ferromagnetischen Material sowie aus einem elektrischen Innenleiter 1''. Während die hinteren Enden des äußeren Hohlleiters 1' sowie des Innenleiters 1'' durch eine Verbindung 3 elektrisch verbunden sind, definieren die vorderen Enden die Anschlüsse 2, 2'. Aufgrund des ferromagnetischen äuße ren Hohlleiters 1' befindet sich die Hälfte des elektrischen Leiters 1, nämlich der Innenleiter 1'' der Leiterschleife in einem magnetisch feldfreien Raum.

Diese Basis-Ausführungsform der Erfindung in Fig. 2 funktioniert wie folgt:
Wenn der elektrische Leiter mit nicht konstanter Geschwindigkeit in einem homogenen Ma gnetfeld M oder mit konstanter oder nicht konstanter Geschwindigkeit in einem inhomoge nen Magnetfeld M parallel zur X-Koordinatenachse bewegt wird, so wird in dem äußeren, elektrisch leitenden Hohlleiter 1' aus dem ferromagnetischen Material gemäß des zweiten Maxwellschen Gesetzes eine Spannung induziert. Über die Verbindung 3 am Ende des äußeren Hohlleiters 1' wird der Strom über den Innenleiter 1'' zurückgeführt. Weil im Innen leiter 1'' infolge der ferromagnetischen Abschirmung keine entgegengesetzte Spannung induziert wird, kann an den Anschlüssen 2, 2' entsprechend des Vektors des äußeren Hohlleiters 1' in einem homogenen Magnetfeld M, der magnetischen Feldstärke, der Be schleunigung des äußeren Hohlleiters 1' und des elektrischen Widerstandes der beiden Leiter 1', 1'' ein Strom entnommen werden.

Fig. 3 zeigt eine Variante zu der Basisanordnung in Fig. 2 dar, und zwar handelt es sich um eine Reihenschaltung zweier elektrischer Leiter 1. Dabei ist der Anschluß 2 des äußeren Hohlleiters 1' des linken elektrischen Leiters 1 mit dem Innenleiter 1'' des rechten elektri schen Leiters 1 elektrisch verbunden. Die hinteren Enden sind wie in der Basisversion in Fig. 2 verbunden. Wenn die beiden äußeren Hohlleiter 1' galvanisch getrennt eng beiein ander liegen und ein konstanter Strom an den Anschlüssen 2, 2' eingeprägt wird, so ent steht ein etwa doppelt so starkes, kreisförmiges Magnetfeld um die beiden äußeren Hohl leiter 1' herum wie um nur einen einzigen Hohlleiter 1', wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Wer den nun nicht nur zwei, sondern viele solcher Hohlleiter 1' mit im Innern rückgeführten In nenleitern 1'' gegeneinander galvanisch getrennt in Reihe geschaltet und zu einem größe ren Paket zusammengefaßt, so kann mit einer solchen Einrichtung auf relativ kleinem Raum nicht nur in sich ändernden magnetischen Feldern oder inhomogenen Magnetfeldern bei Bewegung dieser Pakete ein Strom gewonnen werden, es können auch mit einer sol chen Einrichtung durch Stromeinprägung Bewegungs- und Steuerungsvorgänge in magne tischen Feldern bewirkt werden.

Fig. 4 zeigt eine Variante der Basisversion in Fig. 2 mit einer Parallelschaltung von zwei elektrischen Leitern 1. In diesem Fall sind beide äußere Hohlleiter 1' sowie beide Innenleiter 1'' direkt miteinander elektrisch verbunden. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei der zuvor erwähnten Reihenschaltung der Hohlleiter 1'. Es sind lediglich für eventuelle Anwen dungen unterschiedliche Strom- bzw. Spannungswerte erforderlich. Ebenso können wie bei der Reihenschaltung nicht nur zwei, sondern viele solche Hohlleiter 1' parallel zu einem Hohlleiterpaket zusammengefaßt werden.

Nachfolgend sollen Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichstromgenerators bzw. Gleichstrommotors vorgestellt werden:

Anwendungsbeispiel 1

Ein einfaches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prinzips ist eine Strom erzeugung für die die Erde umlaufenden Satelliten. Vom Satelliten wird ein Koaxialkabel, dessen äußerer Mantel ferromagnetisch und welches gemäß Fig. 2 geschaltet ist, mit ge eigneter Länge ausgebracht. Dann kann man am Ende des Kabels an den Anschlußklem men bedingt durch das sich während des Erdumlaufes des Satelliten ändernde Magnetfeld zur Stromerzeugung des Satelliten auch im Erdschatten einen Strom entnehmen. Dabei ist es sinnvoll, wenn der Außenleiter aus zwei Schichten besteht. Die äußere Schicht besitzt dabei einen niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand. Wegen der im Weltraum vorhandenen Kälte ist dabei die Verwendung von supraleitenden Materialien von Vorteil. Um einen optimal magnetisch feldfreien Raum im Inneren des Hohlleiters zu erzielen, liegt unter dieser Außenschicht eine ferromagnetische Schicht mit einer hohen Permeabilitäts zahl. Das Grundprinzip dieser Anwendungsform liegt somit darin, daß der elektrische Leiter zur Stromerzeugung für die Erde umlaufende Satelliten verwendet wird, indem er als Koa xialkabel in geeigneter Länge ausgeführt ist und vom Satelliten derart in den Weltraum ausgebracht wird, daß das Kabel die magnetischen Feldlinien des Erdmagnetfeldes mög lichst senkrecht schneidet.

Anwendungsbeispiel 2

Es gibt auch zylinderförmige rotierende Satelliten, wobei die fotovoltaischen Elemente auf dem Zylindermantel befestigt sind. Bei solchen Satelliten kann ebenfalls ein ferromagne tisch abgeschirmtes Koaxialkabel gemäß Fig. 2 ausgebracht werden, welches sich mit der Rotation des Satelliten dreht. Gemäß dem nachfolgend noch zu erläuternden Unipolargene ratorprinzips kann mit dem erfindungsgemäßen Gleichstromgenerator nicht nur aus der Bewegung des Satelliten um die Erde, sondern auch aus der Rotation des Satelliten Strom gewonnen werden. Das Grundprinzip besteht hier somit darin, daß ein Hohlleiter bzw. Kabel für die während des Fluges rotierenden Satelliten verwendet wird, wobei das am Satelliten angebrachte Kabel sich mit der Rotation des Satelliten mitdreht und durch diese Drehbe wegung ähnlich einem Unipolargenerator eine Stromerzeugung für den Satelliten stattfin det.

Anwendungsbeispiel 3

Ein weiteres auf dem erfindungsgemäßen Prinzip beruhendes Anwendungsbeispiel ist ein Unipolargenerator. Unipolargeneratoren sind bekannt, haben aber in den meisten Fällen den Nachteil von vielen Schleifkontakten. In einem relativ homogenen Magnetfeld, welches beispielsweise das Erdmagnetfeld sein kann oder durch geeignet polarisierte Permanent magnete oder durch geeignete Elektromagnete realisiert wird, werden ein oder mehrere Leiter gemäß Fig. 2 an einem Ende um eine parallel zur Y-Koordinatenachse verlaufende Achse AY senkrecht zu den verlaufenden Feldlinien des Magnetfeldes M gedreht. Da sich entlang der Länge des Hohlleiters 1' bei einer Drehung um die AY-Achse die magnetische Feldliniendichte mit der Winkelgeschwindigkeit ändert, kann man an den Anschlüssen 2, 2' über nur zwei Schleifringe eine Gleichspannung entnehmen. Würde sich das homogene Magnetfeld (beispielsweise durch einen geeignet polarisierten Permanentmagneten reali siert) um die AY-Achse drehen, wobei der Leiter 1 (Fig. 2) feststeht, dann wären bei einem solchen Unipolargenerator ähnlichen Gebilde gar keine Schleifkontakte erforderlich.

Anwendungsbeispiel 4

Das umgekehrte Anwendungsbeispiel ist ein Gleichstrommotor. In einem homogenen Ma gnetfeld wird in einem ferromagnetischen Hohlleiter 1' mit rückgeführtem Innenleiter gemäß Fig. 2 über Schleifringe ein konstanter Strom eingeprägt. Dieser Hohlleiter sei nur an einem Ende um die AY-Achse beweglich. Dadurch wird der Hohlleiter 1 in eine rotierende Bewe gung versetzt.

Anwendungsbeispiel 5

Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors ohne Schleifringe ist ein feststehender Leiter 1 gemäß Fig. 2 und ein in der X-Z-Ebene um die AY-Achse drehbarer Permanentmagnet mit geeigneter Polarisierung, der ein zur Y-Koordinatenachse homoge nes Magnetfeld aufweist. Wird in den elektrischen Leiter 1 ein Strom eingeprägt, dann be ginnt sich der Permanentmagnet zu drehen.

Anwendungsbeispiel 6

Als weiteres Anwendungsbeispiel schließlich kann bei den die Erde umlaufenden oder geostationären Satelliten der umgekehrte Vorgang zu den Anwendungsbeispielen 1 und 2 erreicht werden. Alle Satelliten haben eine begrenzte Lebensdauer, weil zur laufenden Nachjustierung und Positionierung Treibstoff mitgeführt wird, der im Laufe der Zeit aufge braucht wird. Installiert man starr an solchen Satelliten geeignet dimensionierte Gleich strommotoren der erfindungsgemäßen Art in Form von Paketen in mindestens drei ver schiedenen senkrecht aufeinander stehenden Achsen (Fig. 4), so können die Satelliten mittels des von den Solarpaddeln gewonnenen Stroms justiert und dadurch bewegt bzw. nachpositioniert werden, daß in geeigneter Form Strom in die 3 Gleichstrommotoren einge prägt wird. Nach dem gleichen Prinzip sind geostationäre Satelliten möglich, die sich nicht in der Äquatorebene befinden, wobei die für den von der Äquatorebene abweichenden Breitengrad unerwünschten Gravitationskräfte kompensiert werden, indem der von den Solarpaddeln gewonnene Strom in geeigneter Weise durch die drei senkrecht zueinander stehenden Leiterpakete geschickt wird.

Die zuvor abgehandelten Anwendungsbeispiele stellen für sich eigenständige Erfindungen dar und können noch zum Gegenstand von zusätzlichen Ansprüchen gemacht werden. Mit dem ferromagnetisch abgeschirmten Leiter 1 können durch geeignete Gestaltung oder Länge des Bauelementes weitere z. B. flächen- oder ringförmige elektrisch erzeugte Ma gnetfelder geschaffen werden mit Anwendungen, die bisher noch nicht realisiert werden konnten.

Bezugszeichenliste

1

elektrischer Leiter

1

' äußerer Hohlleiter

1

'' Innenleiter

2

,

2

' Anschluß

3

Verbindung
M Magnetfeld
U Spannung
X, Y, Z Koordinatenachsen
AY Achse

Claims

1. Gleichstromgenerator mit einem Magnetfeld (M) sowie mit einem in dem Magnetfeld (M) befindlichen elektrischen Leiter (1), wobei das Magnetfeld (M) und der elektrische Leiter (1) relativ zueinander bewegbar sind und
wobei an den Enden des elektrischen Leiters (1) durch eine Bewegung eine induzierte elektrische Gleichspannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß sich ein Teil des elektrischen Leiters (1) in einem magnetfeldfreien Raum befindet,
wobei der Leiter (1) aus einem schlauchförmigen äußeren Leiter (1) aus ferromagneti schem Material sowie aus einem Innenleiter (1''), der sich in einem durch die Magnet feldabschirmung durch den äußeren Leiter (1') magnetfeldfreien Raum befindet, be steht und
wobei der äußere Leiter (1') an einem Ende (3) mit dem Innenleiter (1'') elektrisch ver bunden ist.

2. Gleichstrommotor mit einem Magnetfeld (M) sowie mit einem in dem Magnetfeld (M) befindlichen elektrischen Leiter (1),
wobei das Magnetfeld (M) und der elektrische Leiter (1) relativ zueinander bewegbar sind und
wobei an den Enden des elektrischen Leiters (1) ein elektrischer Gleichstrom einpräg bar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß sich ein Teil des elektrischen Leiters (1) in einem magnetfeldfreien Raum befindet,
wobei der Leiter (1) aus einem schlauchförmigen äußeren Leiter (1') aus ferromagneti schem Material sowie aus einem Innenleiter (1''), der sich in einem durch die Magnet feldabschirmung durch den äußeren Leiter (1') magnetfeldfreien Raum befindet, be steht und
wobei der äußere Leiter (1') an einem Ende (3) mit dem Innenleiter (1'') elektrisch ver bunden ist.

3. Gleichstromgenerator bzw. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiter (1) in Reihe oder parallel geschaltet sind.