DE19938148C2 - Elektromagnetische Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvor­ richtung, bestehend aus einer Schwungscheibe mit an beiden Seiten in gleichen Abständen angebrachten kreisrunden ferro­ magnetischen Ankerscheiben. Denen gegenüber befinden sich in gleicher Höhe auf ebenfalls kreisrunden Scheiben in gleichen Abständen angeordnete Elektromagnete gleicher Bauart im gleichen Durchmesser der ferromagnetischen Ankerscheiben. Elektromagnete und Ankerscheiben sind durch Luftspalte getrennt.

Aus der EP 0 348 984 A1 ist ein zweiteiliger, bürstenloser Generator und Motor bekannt, dessen Abtriebswelle an einer Rotorscheibe aus Aluminium angeschlossen ist und in gleichen Abständen ferromagnetische Ankerscheiben am Radiusende der Rotorscheibe sich gegenüberliegend angebracht sind. Diesen liegen axial durch Luftspalttrennung Elektromagnete als Statorpole gegenüber. Die Ankerscheiben können zwei hinter­ einander liegende Statorpole überbrücken, um den Magnetfluß zu unterbrechen und zu schließen, wenn sich der Rotor dreht. Da­ durch entstehen Flußlinien mit alternierenden Richtungen durch die Spulen, wodurch die Wechselspannung entsteht.

Aus der US 5 514 923 ist ein DC Motor mit Generator und Schwung­ radcharakteristik bekannt. Bei dem Motor sind als Ankerplatten kreisrunde Permanentmagnete in offensichtlich amagnetische Rotorscheiben, die auch als Schwungscheiben dienen, eingefügt. Den Rotorscheiben axial gegenüber liegt eine offensichtlich ebenfalls amagnetische Statorscheibe, in der Luftspulen inte­ griert sind. Dies sind um die Innenwände der Rundgehäuse ge­ wundene Spulen mit Draht von hoher Leitfähigkeit. Es soll hiermit ein hohes Ausgangs-Drehmoment erzeugt werden. Die scheibenförmigen Rotoren plus das Gewicht der Permamentmag­ nete, die rundum der Rotorscheiben angebracht sind, sollen genügend Masse haben, um die kinetische Energie zu speichern.

Die US 5 747 902 zeigt ein rotierendes Gerät mit mehreren, ineinander verschachtelten Rotoren, welche mit Permamentmagneten bestückt sind, wobei mit Radiallagern der Abstand konstant gehalten werden soll.

Die vorliegende Erfindung weicht generell von dem genannten Stand der Technik sowohl im Aufbau als auch von der Aufgabe weitgehend ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromag­ netische Antriebsvorrichtung zu schaffen, die ohne wesentlichen Stromanstieg größere Leistungen abgibt, dabei platz- und gewichtseinsparend ist und mit hohem Wirkungsgrad besonders in Fahrzeugen Anwendung finden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten Weiterbildungen und Ausgestal­ tungen.

Bei der Lösung übernehmen Elektromagnete und ferromagnetische Ankerscheiben berührungsfrei durch gezielte Strominjektionen, die über Gabelsensoren geschaltet werden, die Funktion des Schwungradlaufs.

Gibt man Strom in die Drahtwicklungen der Elektromagnete, wird nicht wie beim rotierenden Elektromotor ein elektromagneti­ sches Drehfeld, sondern durch die fortlaufenden Strominjek­ tionen auf die im Kreis angeordneten Elektromagnete in Verbindung den jeweils gegenüberliegenden ferromagnetischen Ankerscheiben ein rotierendes, elektromagnetisches Wanderfeld erzeugt.

Bei einem Beispiel von 12 Elektromagneten und 8 gegenüberlie­ genden ferromagnetischen Ankerscheiben, jeweils 6 + 4 auf beiden Seiten der Schwungscheibe, wird durch eine Dreiertakt­ schaltung die entsprechende Drehung der Schwungscheibe er­ zeugt. Diese Schaltung wird durch Gabelsensoren in Verbindung von durchlaufenden Blechfahnen ausgelöst. Die Fahnen sind auf der Welle eines kleinen elektrischen Steuermotors fest ange­ bracht. Sie sind so eingestellt, daß beim Eintauchen einer Fahne in den jeweiligen Gabelsensor die vorher austretende Fahne unwirksam ist.

Die Fahnen sind so eingeteilt, daß keine Überschneidungen in der Art entstehen, daß das Schwungrad zum Stillstand kommt.

Die Drehzahl wird durch stufenlose Einstellung des Steuermo­ tors, auf dessen Welle die Blechfahnen befestigt sind, bewirkt. Mit der Beschleunigung des Steuermotors wird auch die Drehzahl des Schwungrades erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines der Fig. 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Draufsicht auf eine feststehende Aluminiumscheibe mit Elektromagneten,

Fig. 2: Draufsicht auf eine drehbare Aluminiumscheibe mit Ankerscheiben,

Fig. 3: Schnitt durch einer erfindungsgemäßen Antriebs- Vorrichtung,

Fig. 4: Detailansicht der feststehenden Aluminiumscheibe,

Fig. 5: Querschnitt durch eine Ankerscheibe,

Fig. 6: Skizze zum Zusammenwirken von Stator und Rotor,

Fig. 7: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebs­ kombination mit Lagern,

Fig. 8: Skizze zur Erläuterung der Funktion der Gabelsensoren,

Fig. 9 und 10: Schnitt und Draufsicht auf eine mit der Antriebsvorrichtung verwendbaren elektromag­ netischen Kupplung.

Fig. 1 zeigt eine an der Gehäusewand 14 angebrachte runde Aluminiumscheibe 6 in der Mitte der Gehäusewand. Hierauf ist ein Radiallager 13 montiert. Innerhalb des Lagerkranzes sind Elektromagnete 4 in gleichen Abständen auf der Aluminiumschei­ be 6 angebracht.

Fig. 2 zeigt eine Aluminiumscheibe 1, auf der ein Lagerring 13a passend zum Radiallager 13 eingelassen ist. Innerhalb des Lagerrings sind ferromagnetische Ankerscheiben 2 in gleichen Abständen auf der Scheibe 1 befestigt.

Die Zusammensetzung der Antriebsvorrichtung ist aus Fig. 3 er­ sichtlich. Auf der Abtriebswelle 7 ist eine Schwungscheibe 10 fest montiert. An der Schwungscheibe sind links und rechts die Aluminiumscheiben 1 und 1b befestigt. Auf diesen Aluminium­ scheiben sind ferromagnetische Ankerscheiben 2 und 2b montiert Auf den Aluminiumscheiben 6 und 6a sind jeweils die Elektro­ magnete 4 und 4a montiert.

Fig. 4 zeigt die Randabschlüsse der Aluminiumplatten 6 und 6a. Sie sind so beschaffen, daß sie mit der Schwungscheibe 10 randschlüssig abschließen. Die hervorragenden Ränder der Plat­ ten 1 und 1b überdecken die ferromagnetischen Ankerscheiben 2 und 2b wie auch teilweise die Elektromagnete 4 und 4a. Eben­ falls überdecken die hervorragenden Ränder der Scheiben 6 und 6a die Elektromagnete 4 und 4a teilweise. Die Ränder werden durch Radiallager 13 und 13b getrennt gehalten. Mit dem Schwungrad drehen sich die Scheiben 1 und 1b mit den jeweil­ igen ferromagnetischen Ankerscheiben 2 und 2b. Die Ankerschei­ ben sind, wie Fig. 5 zeigt, etwa 1/3 des Durchmessers einsei­ tig abgeschrägt. Dies bewirkt eine jeweils vollständige Abdec­ kung der Anzugsmagnete während des Betriebes. Fig. 6 zeigt den. Bewegungsrhythmus zwischen den Elektromagneten A, B, C, D, E, F und den Ankerscheiben 1', 2', 3', 4'.

Fig. 7 zeigt das Gesamtpaket des Antriebs und Fig. 8 die Ga­ belsensoren 19 und 26 mit den Blechfahnen 17 und 18.

Fig. 9 und 10 zeigt eine Gehäusewand mit der Abtriebswelle 7 und einer stufenlos steuerbaren elektri­ schen Kupplung zur zusätzlichen Drehmomentübertragung.

Der Antrieb arbeitet folgendermaßen:

Der regelbare Steuermotor wird eingeschaltet, gleichzeitig Strom über elektronische Steuerungen auf die Elektromagnete gegeben. Der Steuermotor dreht mit seiner Welle die Blech­ fahne 17, 18 für die ersten 4 Elektromagnete 4, 4a in den dafür vorgesehenen Gabelsensor 19, 20. Die ersten 4 Elektromagnete ziehen die nächstliegenden ferromagnetischen Ankerscheiben 2, 2b an, bis diese die Elektromagnete vollkommen abdecken. Im selben Moment schalten wegen Verlassen der Blechfahne 17, 18 aus dem Gabelsensor 19, 20 diese Magnete ab, und zur gleichen Zeit werden die 4 nächsten Elektromagnete aktiviert, weil die nächste Blechfahne in den nächsten Gabelsensor eintaucht. Diese Elektromagnete ziehen wieder die nächsten ferromagne­ tischen Ankerscheiben bis zur restlosen Abdeckung der Elektro­ magnete an und so setzt es sich weiter fort. Durch Hochdrehen des Steuermotors wird die Drehzahl des Schwungrades erhöht. Hierdurch wird der Ankerscheibentransport zügig vorangetrie­ ben. Die Schwungscheibe hat außer der Aufgabe der Energie­ speicherung auch den Ausgleich bei evtl. auftretenden Pausen in Sekundenbruchteilen zu bringen.

Bei dem zeichnerisch angegebenen Beispiel auf Fig. 6 besteht die Bestückung aus 6 Elektromagneten A, B, C, D, E, F und 4 ferro­ magnetischen Ankerscheiben 1', 2', 3', 4'. Ankerscheiben und Elektromagnete werden durch Luftspalte von äußerst geringem Abstand getrennt, damit es zu keinem Kraftschluß kommt und die Funktion in Frage gestellt würde.

Über die entsprechenden Gabelsensoren 19, 20 wird Strom in die Elektromagnete C und F gegeben. Hierdurch werden die Anker­ scheiben 2' und 4' von den Elektromagneten C und F angezogen. Noch bevor die Ankerscheiben 2' und 4' die Position über die Elektromagneten C und F richtig eingenommen haben, schalten die Elektromagnete E und B ein und ziehen die Ankerscheiben 1' und 3' an. So geht es wechselseitig weiter in der Form, daß immer, bevor die jeweiligen 2 Elektromagnete einschalten durch Eintauchen der jeweiligen Blechfahne 17 in den Gabelsensor 19, die anderen zwei durch Verlassen der Blechfahne 18 aus dem Ga­ belsensor 20 in Sekundenbruchteilen ausgeschaltet haben.

Die Funktion des Antriebs wird durch die Magnetwirkung ausge­ löst.

Aus den Ergebnissen von Versuchen ist bekannt, daß bei dieser Form der Nutzbarmachung der Elektromagnetenergie durch

• 1. die Abschrägung der Ankerscheiben
• 2. die Luftspalteinstellung
• 3. indirekte Magnetanziehung der Ankerscheiben

ein gewisser Prozentsatz aus der Primärenergie verloren geht. Dieser Verlust wird durch die Zusammenfassung mehrerer Elektromagnete kompensiert, was den rotierenden Antrieb ausmacht und so auch als Fahrzeugantriebe nutzbar machen.

Der Luftspalt zwischen Magneten und Ankerscheiben 11 ergibt sich durch den festen Sitz der Radiallager 13. Die Scheiben­ ränder 1 u. 1b; 6 u. 6a sind durch die Radiallager 13 u. 13b getrennt. Die Lager sind so eingepaßt, daß die Luftspalte 11 u. 11a entstehen. Entsprechende Montageeinstellungen werden für den genauen Abstand zwischen den Elektromagneten 4 u. 4a und den Ankerscheiben 2 u. 2b durchgeführt. Die Luftspalte be­ wegen sich zwischen 0,05 und 0,1 mm.

Für eine zusätzliche Drehmomentübertragung ist an der Seiten­ wand 14, durch welche die Abtriebswelle 7 läuft, eine stufen­ los steuerbare elektromagnetische Kupplung mit axialer An­ ziehung des Ankers angebaut. Aus Fig. 9 und 10 ist die durch­ laufende Abtriebswelle 7 ersichtlich, der Rotor 30 mit dem Luftspalt 33, der Stator 27 mit Magnetkörper 26, der Haltering 25 und der Freilauf 16. Eine Hohlwelle 32 steht in direkter Verbindung zu der Radachse. Sinn der steuerbaren elektromag­ netischen Kupplung ist die steuerbare Drehmomentübertragung, indem das Drehmoment je nach Erfordernissen abgeleitet werden kann.

Wegen des Stromverbrauchs der Vorrichtung ist die magnetische Kombination in der vorliegenden Version gewählt worden, weil mit verhältnismäßig sehr geringer Nennleistung hohe Kräfte entwickelt werden, die - unbedeutend der Höhe der zu bewältig­ ten Aufgabe - gleichbleibend sind. Bei geringer oder sehr hoher Belastung bleibt die Stromaufnahme gleich, was gegenüber anderen Elektroantrieben einen überaus hohen Vorteil hat. Es bietet sich außerdem wegen des geringen Stromverbrauchs die Verwendung von Solarstrom an.

Claims (4)

1. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung, bestehend aus

• - einer Schwungscheibe (10) mit einer Abtriebswelle (7)
• - zwei mit jeder Stirnseite der Schwungscheibe (10) verbundenen Aluminiumscheiben (1, 1b), die den gleichen Durchmesser wie die Schwungscheibe (10) aufweisen, wobei an den Aluminiumscheiben (1, 1b) in gleichen Abständen untereinander sowie zum Rand der Aluminiumscheibe (1, 1b) mindestens vier runde, ferromagnetische Ankerscheiben (2, 2b) angebracht sind,
• - zwei feststehenden Aluminiumscheiben (6a), die den mit der Schwungscheibe (10) verbundenen Aluminiumscheiben (1, 1b) jeweils axial gegenüberliegen und auf denen in gleichen Abständen untereinander mindestens 6 Elektromagnete (4, 4a) so angeordnet sind, daß sie den ferromagnetischen Anker­ scheiben (2, 2b) unter Bildung eines Luftspaltes gegenüber­ stehen,
• - in den Außenrändern der Aluminiumscheiben (1, 1b; 2, 2b) eingebauten Radiallagern zur Konstanthaltung des Luftspal­ tes und zur drehbaren Lagerung der Schwungscheibe (10).

2. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wo­ bei die ferromagnetischen Ankerscheiben (2, 2b) in Umfangs­ richtung gesehen auf mindestens einem Drittel ihres Durch­ messers einseitig abgeschrägt sind.

3. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abtriebswelle (7) mit einer stufenlos steuerbaren elektrischen Kupplung verbunden ist.

4. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, wobei zusätzlich ein Elektro-Klein­ motor vorgesehen ist, an dessen Welle Blechfahnen (17, 18) angebracht sind, die beim Ein- und Austauchen in/aus Gabelsensoren (19, 20) die Bestromung der Elektromagnete (4) steuern.