DE19750235A1 - Kompaktmotor zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes - Google Patents

Description

Es wurde bereits vorgeschlagen, den Eötvös-Effekt energetisch zu nutzen /1/ und Drehbewegungsenergie der Erde in Rotationsenergie zu wandeln, die an einer Welle abgenommen werden kann.

Die Drehbewegungsenergie der Erde ist beträchtlich. Sie beträgt rund 80 Billionen Gigawattjahre. Sie ist damit auch bei einem weiter stark wachsenden Energieverbrauch der Menschheit praktisch unerschöpflich, völlig umweltneutral und rund um die Uhr gleichmäßig verfügbar, unabhängig vom Wetter sowie von Tages- und Jahreszeiten, allerdings mit dem - vernachlässigbaren - Nachteil, daß sie in den Polbereichen der Erde nicht verwertbar vorhanden ist. Gegenüber anderen Energiequellen bietet sie daher zahlreiche prinzipielle Vorteile, die auch zu wirtschaftlichen Vorteilen führen, wenn die notwendigen Energiewandler zur Verfügung stehen.

Der Eötvös-Effekt (/2/, /3/) besteht in den unterschiedlichen Gewichten einer Masse, die einmal mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach Westen und dann mit derselben Geschwindigkeit nach Osten bewegt wird. Bei Bewegung nach Westen ist die Masse schwerer als bei Bewegung nach Osten. Die Größe des Gewichtsunterschieds hängt ab von der Geschwindigkeit und von der geographischen Breite. Der Grund für den Eötvös-Effekt ist die Fliehkraft, der jede Masse auf der Erdoberfläche ausgesetzt ist und die der Anziehungskraft, welche die Erde auf jede Masse ausübt, entgegenwirkt. Der maximal erzielbare Gewichtsunterschied beträgt am Äquator dem Produkt von etwa 6,8% der Fallbeschleunigung und Masse. Dieser Wert ist zwar nicht besonders groß und in höheren geographischen Breiten noch geringer, reicht aber für eine wirtschaftliche Verwertbarkeit aus.

Aus der Physik sind die Wirkungen der Erdanziehung auf Kreisel bekannt /4/. Diese werden bei Schwerkraftmotoren zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes ausgeschaltet durch periodische Umkehr der Drehvektoren der benutzten Kreisel oder Drehmassen /5/. Infolge dieser Drehrichtungsumkehr kann das infolge des Eötvös-Effektes an einer horizontalen Drehmasse auftretende Kippmoment in Präzessionskräfte umgewandelt werden, die über einen Kreisumfang wirken, eine Masse kontinuierlich beschleunigen und damit eine Energie- und Leistungsgewinnung ermöglichen.

Die bereits vorgeschlagenen Schwerkraftmotoren zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes eignen sich mehr für stationäre Anwendungen. Für Fahrzeuge erscheinen sie weniger geeignet. Ziel für den erfindungsgemäßen Kompaktmotor ist daher sein Einsatz in Fahrzeugen, um einen stoffumsatzfreien und daher auch abgasfreien Fahrzeugverkehr zu ermöglichen.

Der Kompaktmotor kann vorteilhaft wie in den Patentansprüchen 2-11 angegeben ausgestaltet werden. Die Erfindung wird beispielhaft anhand von Bildern verdeutlicht und im folgenden beschrieben.

Es zeigen

Bild 1 Kompaktmotor zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes,

Bild 2 prinzipielle Wirkungsweise des Kompaktmotors,

Bild 3 Kräfte und Leistungen,

Bild 4 Kompaktmotor mit Trägerrahmen für die Drehmassen,

Bild 5 Ausführungen von Drehmassen,

Bild 6 Gehäuseentlüftung,

Bild 7 vertikale Kombination von Kompaktmotoren,

Bild 8 Aufbau von flachen Motorgruppen.

Bild 1 zeigt einen vertikalen Schnitt des Kompaktmotors zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes. Der Motor besteht aus den konzentrierten Massen M, die an den Enden von Armen T befestigt sind. Jeweils zwei Massen M und ein Arm bilden eine Drehmasse, die von einem Motor A angetrieben wird, der zusätzlich als Lager dient. Der Motor ist exzentrisch auf der Zentralwelle P befestigt. Die zweite Drehmasse mit ihrem Antrieb befindet sich auf der anderen Seite der Zentralwelle P und ist ebenfalls auf dieser exzentrisch befestigt. Die Drehmassen rotieren im Betrieb immer gegenläufig und horizontal. Die Zentralwelle P ist mit den auch als Lager dienenden Schwenkmotoren D verbunden, die ihrerseits am rotierbaren Rahmen R starr befestigt sind. Der Rahmen ist in den Lagern L gelagert, die am Gehäuse H befestigt sind. Das untere Lager L ist in einem Motor G enthalten, der am Betriebsbeginn als Anlasser arbeitet und im Betrieb als Generator geschaltet ist, der die Energie zum Antrieb der beiden Drehmassen und den der beiden Schwenkmotoren D liefert. Lager L und Motor G sind am gasdichten Gehäuse H befestigt, durch das die Abtriebswelle W führt, die mit dem Rahmen R starr verbunden ist. Der Steuerteil des Kompaktmotors, der Nordsensor und die Anlasserbatterie sind nicht dargestellt, da sie dem Stand der Technik entsprechen.

Zur Aufnahme des Betriebs werden der Rahmen R in langsame und die beiden Drehmassen in schnelle Drehung versetzt. Die entgegengesetzt rotierenden Drehmassen werden auf eine Umfangsgeschwindigkeit gebracht, die der Umfangsgeschwindigkeit der Erde am Betriebsort entspricht, am Äquator also rund 465 m/s. Die beiden rotierenden Drehmassen unterliegen dem Eötvös-Effekt, d. h. die sich nach Westen bewegende Teilmasse einer Drehmasse ist schwerer als die ihr gegenüber liegende Teilmasse, die sich nach Osten bewegt. Infolgedessen ergeben sich Präzessionskräfte, die tangential und horizontal über die Antriebe A, die Zentralwelle P und die Schwenkmotoren D auf den Rahmen R wirken. Damit diese Präzessionskräfte immer gleichsinnig wirken, z. B. im Uhrzeigersinn (beim Blick auf den Motor von oben), ist die periodische Umkehrung des Drehsinnes der Drehmassen immer dann erforderlich, wenn Rahmen R, Zentralwelle P und Arme T in Ost/West-Richtung verlaufen. Um dies zu erreichen, erfolgt die Schwenkung des gesamten innerhalb des Rahmens R liegenden Systems aus Drehmassen, Antrieben und Zentralwelle um 180°. Um die Schwenkkräfte und die Schwenkenergie zu minimieren, d. h. um den Wandlerwirkungsgrad des Kompaktmotors zu maximieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Massenträgheitsmoment dieses Systems bezogen auf die Längsachse der Zentralwelle P klein im Vergleich zu seinem Massenträgheitsmoment bezogen auf die vertikale, durch die Welle W verlaufende - virtuelle - Achse des innerhalb des Rahmens R liegenden Systems zu halten. Je größer das Verhältnis des Durchmessers der Drehmassen zum Abstand der Drehmassen voneinander ist, desto günstiger läßt sich der Wandlerwirkungsgrad gestalten.

Bild 2 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise des Kompaktmotors. Dargestellt sind zehn Moment-Posi­ tionen der beiden Drehmassen. Die Kreisbahn der jeweils oben liegenden Teilmassen einer Drehmasse ist immer durchgezogen skizziert, die Kreisbahn der unten liegenden Teilmassen einer Drehmasse immer gestrichelt. Die Arme, welche die Teilmassen halten, sind nicht skizziert, um die Übersichtlichkeit zu bewahren. Die Teilmassen der beiden Drehmassen sind unterschieden durch fehlende beziehungsweise vorhandene Eindunkelung sowie durch Numerierung. Der dicke Pfeil in der Mitte symbolisiert den Rahmen R aus Bild 1 und seine Lage. Die Drehzahlen der Drehmassen sind phasensynchronisiert, d. h. die Teilmassen der Drehmassen kreuzen immer gleichzeitig die zentrale Ost/West-Linie. Die Drehzahl der Drehmassen ist lokal konstant, weil sie von der Umfangsgeschwindigkeit der Erde auf dem lokalen Breitenkreis vorgegeben wird. Die Drehzahl des Kompaktmotors wird dagegen von der jeweils gewünschten Leistung des Motors bestimmt. Sie ist daher weitgehend unabhängig von der Drehzahl der Drehmassen. Dagegen sind Motordrehzahl und Schwenkfrequenz streng miteinander korreliert. Die Schwenkung der Drehmassen erfolgt immer dann, wenn der Rahmen R und die Arme der Drehmassen in Ost/West-Richtung liegen. Die Schwenkfrequenz ist also abhängig von der jeweiligen Drehzahl des Kompaktmotors. Dieser funktioniert prinzipiell folgendermäßen.

In Position 1 des Bildes 2 dreht sich die obere Drehmasse mit ihren eingedunkelten Teilmassen, die gerade auf dem lokalen Breitenkreis liegen, im Uhrzeigersinn, während die untere Drehmasse mit ihren hellen Teilmassen, die ebenfalls auf dem lokalen Breitenkreis liegen, entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert. Der Rahmen R, symbolisiert durch den zentralen Pfeil, liegt in Nord/Süd-Rich­ tung. In dieser Lage sind keine Vortriebskräfte aufgrund des Eötvös-Effektes vorhanden, die Drehung des Kompaktmotors erfolgt allein aufgrund von Trägheitskräften (Schwungradeffekt). In Position 2 treten dagegen die maximalen Präzessionskräfte aufgrund des Eötvös-Effektes auf. Sie sind durch die beiden Pfeile parallel zum Breitenkreis symbolisiert. Diese Kräfte treten auf, weil die Teilmassen der Drehmassen jetzt in Nord/Süd-Richtung liegen, inertial unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, daher unterschiedliche Gewichte haben und infolgedessen einem Kippmoment unterliegen, das für die obere Drehmasse zu einer Präzessionskraft nach Osten und für die gegenläufig drehende untere Drehmasse zu einer Präzessionskraft nach Westen führt. Diese Kräfte greifen an am zentralen Pfeil, sie wurden jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nach außen verlegt. Von diesen Präzessionskräften werden nur die Anteile als Vortriebskräfte wirksam, die orthogonal am Zentralpfeil angreifen. Die anderen Anteile sind Fliehkräfte, die in und entgegen der Pfeilrichtung wirken. Die maximalen Präzessionskräfte werden voll zu Vortriebskräften, wenn der Zentralpfeil und die Teilmassen der Drehmassen auf dem örtlichen Meridian liegen, also die Teilmassen in Position 1 um 90° weiter gedreht wurden.

In Position 3 erfolgt die erfindungsgemäße Schwenkung der Drehmassen um 180°, die Voraussetzung für die Leistungsabgabe des Kompaktmotors ist. Die Schwenkgeschwindigkeit ist als sehr hoch gegenüber der Drehfrequenz der Drehmassen angenommen. Weiter ist angenommen, daß Motor- und Drehmassen-Drehfrequenzen gleich sind. In Position 3a liegen Zentralpfeil und Teilmassen auf dem lokalen Breitenkreis. Damit die Richtung der Vortriebskräfte gleichsinnig bleibt, müssen jetzt die Drehrichtungen der Drehmassen umgekehrt werden, d. h. die Drehvektoren der Drehmassen müssen um je 180° um die Ost/West-Achse gedreht werden. Das erfolgt durch die in Bild 1 skizzierten Schwenkmotoren D über die Zentralwelle P und die Antriebe A. Die Teilmassen bewegen sich dabei auf einer halbkreisförmigen Bahn - deren Durchmesser dem Abstand der Arme der Drehmassen voneinander entspricht - orthogonal zum lokalen Breitenkreis. Die Antriebsmotoren der Drehmassen behalten bei der Drehvektorschwenkung ihre Drehrichtung bei. Als Ergebnis der Schwenkung befindet sich, wie in Position 3b skizziert, die vorher untere Drehmasse jetzt oben, während die vorher obere Drehmasse jetzt unten liegt, und alle Teilmassen bewegen sich in die jeweils entgegengesetzten Richtungen. Daher wirken bei Weiterdrehung des Motors die erneut auftretenden Vortriebskräfte unverändert in der ursprünglichen Richtung, wie in Position 4 dargestellt ist. Diese Kräfte beschleunigen kontinuierlich über die Zentralwelle P den Rahmen R und liefern damit Leistung an der Welle W. Die Positionen 5 bis 8 sind in gleicher Weise zu erklären wie die Positionen 1 bis 4. Daher kann hier darauf verzichtet werden.

Prinzipiell wäre es auch möglich, anstelle des Einsatzes der Schwenkung die Geschwindigkeit der Teilmassen über ihre Antriebe auf null abzubremsen und anschließend wieder in die entgegengesetzten Richtungen auf die Ausgangsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dabei könnte die Bremsenergie mechanisch oder elektrisch gespeichert und wieder zur Beschleunigung eingesetzt werden. Jedoch wirft der intermittierende Betrieb der Drehmassen eine Reihe von Problemen bei der Kräftebeherrschung auf, die bei der beschriebenen Schwenkmethode entfallen.

Bild 3 zeigt eine Zusammenstellung von Kräften und Leistungen für ausgewählte Versionen des Kompaktmotors. Die bestimmenden Parameter der Ausgangsleistung sind Größe der Teilmassen und Durchmesser der Drehmassen sowie die Motorgeometrie. Es zeigt sich, daß auch bei vergleichsweise kleinen Massen und Maßen die Leistung über hohe Drehzahlen gesteigert werden kann, und zwar in dem Maße in dem die Kräftebeherrschung möglich ist, die wiederum von den jeweils verfügbaren Materialien und Konstruktionen abhängt. Deutlich wird aber, daß der Eötvös-Effekt trotz der nur kleinen differentiellen Fallbeschleunigung unter 0,068 g zu Motorleistungen und Leistungsgewichten führt, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen interessant sind.

In Bild 1 sind die Drehmassen so gelagert wie Räder bei Fahrzeugen, also einseitig. Zur Verbesserung der Möglichkeiten zur Kräftebeherrschung kann es sinnvoll sein, die Drehmassen zweiseitig zu lagern. Das ist in Bild 4 gezeigt mit einem Kompaktmotor, bei dem die horizontale Zentralwelle durch einen Schwenkrahmen R2 ersetzt ist. Diese Version in Verbindung mit den Wellen w1 und w2 bietet eine höhere Steifigkeit, hat allerdings ein größeres Trägheitsmoment um die horizontale Achse und erfordert daher eine größere Schwenkleistung.

Bild 5 zeigt zwei Möglichkeiten zur Gestaltung der Drehmassen. Um deren Abstand voneinander möglichst klein halten zu können, was die Schwenkung erleichtert, sind flache Teilmassen zweckmäßiger als kugelförmige. Jedoch wird die Gestaltung der Drehmassen auch von der Optimierung der für die Schwenkleistungen entscheidenden Massenträgheitsmomente um die horizontale Achse bestimmt. Wichtig zur Ausbildung der Präzessionskräfte ist die "weiche" Lagerung der Teilmassen einer Drehmasse. Dazu wird entweder der Arm T so gestaltet, daß er zwar in der Horizontalen möglichst steif ist, aber in der Vertikalen etwas federn kann. Das ist in Bild 5 skizziert, in dem Flachmaterial angenommen ist wie bei Blattfedern verwendet. Oder die Enden der Antriebswellen der Antriebe A werden mit zusätzlichen Lagern versehen, welche die Schwenkung jedes Drehmassenarms T innerhalb eines kleinen Winkelbereichs in der Vertikalebene, d. h. um eine horizontale und zur Antriebswelle orthogonalen Achse gestattet.

Bild 6 zeigt, wie sich in einem Motorgehäuse ein technisches Vakuum ständig mittels einer Vakuumpumpe U aufrecht erhalten läßt. Als Besonderheit ist vorgesehen, das gasdichte Gehäuse H über die Hohlwelle W zu entlüften, damit nur ein Gehäusedurchbruch erforderlich ist.

Zur Bildung von größeren Leistungseinheiten kann es zweckmäßig sein, mehrere Standardmotoren kleinerer Leistung zu einer Antriebsgruppe miteinander zu kombinieren. Bild 7 zeigt, wie sich mehrere Kompaktmotoren vertikal stapeln und zu einer Motorgruppe verbinden lassen, die eine um die Zahl der Motoren erhöhte Ausgangsleistung an der Abtriebswelle aufweist. Dabei ist es zur Erzielung eines gleichmäßigeren Drehmoments wichtig, die Motoren so zu kombinieren, daß ihre Rahmen R um bestimmte Winkel gegeneinander versetzt sind. Im skizzierten Beispiel mit vier Einheiten betrüge der Winkelversatz 45°, bei sechs Einheiten 30°, bei drei Einheiten 60°. Eine solche Antriebsgruppe eignet sich als Motor für kleinere Fahrzeuge. Wegen des vorzugsweise mit konstanter Drehzahl betriebenen Motors ist jedoch seine direkte Verbindung mit einer Kupplung und einem Getriebe in herkömmlicher Weise zwar nicht ausgeschlossen, aber weniger sinnvoll. Statt dessen erscheint die Kombination des Kompaktmotors mit elektrischen oder hydraulischen Antrieben, u. U. integriert in die Rader von Fahrzeugen in Verbindung mit Energiespeichern, als mehr versprechender Einsatzweg.

Wenn wenig Raum in der Höhe bei viel Grundfläche vorhanden ist, etwa bei LKW-Fahrgestellen, dann kann eine andere Kombination der Kompaktmotoren zweckmäßig sein. Bild 8 zeigt, wie sich Motorgruppen z. B. für Unterflurantriebe bilden lassen. Im skizzierten Beispiel sind die Kompaktmotoren über mechanische Getriebe, insbesondere sperrbare Differentialgetriebe, miteinander verbunden. Jedoch sind auch Zahnriemen, Keilriemen, Ketten und Hydraulikgetriebe einsetzbar.

Literatur
/1/ Deutsche Patentanmeldung 197 39 314.4, September 1997;
/2/ R. v. Eötvös: Experimenteller Nachweis der Schwereänderung, die ein auf normal geformter Erdoberfläche in östlicher oder westlicher Richtung bewegter Körper durch diese Änderung erleidet, Annalen der Physik, (4) 59, 1919, 743-752;
/3/ I. Szolnoki: Der Eötvös-Effekt und seine Anwendungen Die Naturwissenschaften, 19, 1941, 273 ff;
/4/ Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 1, 1974, 206 ff;
/5/ H. Stöcker: Taschenbuch der Physik, 1993, 61;
/6/ H. Kuchling: Taschenbuch der Physik, 1986, 126;
/7/ Brockhaus: Naturwissenschaften und Technik, 1983, Bd. 2, 197/198;
/8/ Brockhaus: Naturwissenschaften und Technik, 1983, Bd. 2, 293.

Claims (12)

1. Kompaktmotor zur energetischen Nutzung des Eötvös-Effektes, dadurch gekennzeichnet, daß zwei horizontale und versetzt in geringem Abstand übereinander übereinander liegende Drehmassen, die aus vertikal etwas federnden und horizontal biegesteifen Flachstäben mit Kompaktmassen an deren Enden bestehen, über vertikale kurze Achsen von an einer Zentralwelle exzentrisch befestigten Motoren gegenläufig und phasensynchron angetrieben werden, daß die Zentralwelle in einem vertikalen und um eine vertikale Achse drehbaren Rahmen gelagert ist, der eine vertikale, in das Motorgehäuse eingefügte Welle mit Abtriebsende aufweist, und daß die Zentralwelle an ihren beiden Enden mit Schwenkmotoren verbunden ist, welche sie und die beiden Drehmassen mit ihren Antriebsmotoren periodisch um jeweils 180° schwenken können, und daß die Schwenkung immer dann erfolgt, wenn Zentralwelle, vertikaler Rahmen und die Arme der beiden Drehmassen in Ost/West-Richtung liegen.

2. Kompaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorgehäuse gasdicht ist und durch eine motorgetriebene Vakuumpumpe mit einem kontinuierlich aufrecht erhaltenen technischen Vakuum versehen wird.

3. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Abtriebswelle gegenüber liegende Wellenende des vertikalen Rahmens von einem elektrischen Anlassermotor angetrieben wird, der bei Betrieb des Kompaktmotors als Generator zur Versorgung der Drehmassen- und Schwenkmotoren arbeitet.

4. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der horizontalen Zentralwelle ein Schwenkrahmen verwendet wird, der die Drehmassen trägt und ihre zweiseitige Lagerung ermöglicht.

5. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwenkung der Drehmassen hydraulische Schwenkmotoren benutzt werden.

6. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Reduzieren oder Abstellen der Motorleistung die Schwenkung der Drehmassen um einen Winkel erfolgt, der kleiner ist als 180° und im Grenzfall für die Leistung Null 90° beträgt.

7. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor als integraler Bestandteil des Motors ständig die Ost/West-Richtung ermittelt und diese Information in analoger oder digitaler Form kontinuierlich an die Motorsteuerung liefert.

8. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtungssensor ein externer Kompaß oder ein nordsuchender Sensor auf der Basis von mindestens zwei orthogonalen optischen Kreiseln oder mehreren mikromechanischen Kreiseln verwendet wird.

9. Kompaktmotor nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kompaktmotor mit mechanischen, elektrischen, und hydraulischen Schnittstellen versehen ist, die es ermöglichen, mehrere Kompaktmotoren zur Erzielung einer größeren Gesamtleistung vertikal miteinander zu verbinden, wobei ein gleichwinkliger Versatz der Motorrahmen gegeneinander in bekannter Weise sichergestellt wird.

10. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswellen mehrerer nebeneinander befindlicher Kompaktmotoren mittels Getriebewellen, Ketten oder Keilriemen so miteinander und mit einer zusätzlichen Abtriebswelle verbunden sind, daß die Einzelleistungen der Kompaktmotoren summiert werden und die Gesamtleistung an der Zusatzwelle verfügbar ist.

11. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß sein Betrieb in einem Fahrzeug so erfolgt, daß er einen Stromgenerator ständig antreibt, der den Strom für einen oder mehrere Fahrmotoren liefert, wenn das Fahrzeug fährt und eine Batterie speist, wenn das Fahrzeug steht.

12. Kompaktmotor nach Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß sein Betrieb rund um die Uhr und in Verbindung mit einer Batterie erfolgt und daß das Verhältnis von Motorenergie während 24 Stunden gleichmäßigen Betriebes und in der Batterie speicherbarer Energie sich etwa wie eins-zu-eins verhält.