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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die mechanische Stromerzeugung durch Rotationskraft, die mittels eines Elektromotors erzeugt wird.
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Die folgende Erfindung betrifft insbesondere einen Motor, der die Kraft ausnutzt, die durch eine Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern einer Mehrzahl von Permanentmagneteinrichtungen auf dem Rotor und parallelen Magnetfeldern einer Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen auf dem Stator ausgeübt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Motoren, die weltweit in vielen Instrumenten weitverbreitet verwendet werden, gibt es in unterschiedlichen Größen und Kategorien von Betriebsarten. Die klassische Einteilung von Elektromotoren ist die von Gleichstrom-(DC-) gegenüber Wechselstrom-(AC-)Motoren. Ein typischer Wechselstrommotor besteht aus einem äußeren stationären Stator, der Windungen aufweist, die mit Wechselstrom versorgt werden, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, und einem inneren Rotor, der auf der Abtriebs- bzw. Ausgangswelle befestigt ist, die durch das Rotationsfeld ein Drehmoment erfährt.
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Der andauernde Trend hin zu elektronischer Steuerung verwischt den Unterschied noch, da moderne Antriebe den Kommutator außerhalb des Motorgehäuses bewegt bzw. verschoben haben. Für diese neue Art von Motoren verlässt man sich auf Antriebsschaltkreise, um sinusartige Wechselstromantriebsströme oder eine beliebige andere Wellenform von gewünschter Form zu erzeugen. Die beiden besten Beispiele sind: der büstenlose Gleichstrommotor und der Schrittmotor, die beide mehrphasige Wechselstrommotoren sind, die eine externe elektronische Steuerung erfordern.
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Die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie durch einen Motor mittels elektromagnetischer Induktionskraft ist dem Betrieb eines elektrischen Generators entgegen gesetzt, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. So wie sich ein Motor und ein Generator bei der Umwandlung von mechanischer und elektrischer Energie gegenüber stehen, gibt es einen auf physikalischen Prinzipien basierenden wesentlichen Zusammenhang zwischen dem Betrieb eines Elektromotors und eines elektrischen Generators.
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Die Wechselbeziehung zwischen der Energieumwandlung von elektrisch zu mechanisch und die umgekehrte Energieumwandlung von mechanisch zu elektrisch hat die Entwickler von Elektromotoren über die Jahre hinweg dazu geführt, Elektromotoren mit Konfigurationen zu konstruieren, die derart anpassbar sind, dass sie als elektrische Generatoren arbeiten.
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Die
US 5,903,082 , die hierin unter Bezugnahme umfasst ist, offenbart eine Vorrichtung wie zum Beispiel einen Elektromotor, einen elektrischen Generator oder einen regenerativen Elektromotor, die eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung umfasst. Die Statoranordnung weist ein dielektrisches elektromagnetisches Gehäuse und mindestens eine erregbare Elektromagnetenanordnung einschließlich eines gesamthaft amorphen metallenen Magnetkerns auf. Der gesamthaft amorphe metallene Magnetkern ist aus einer Mehrzahl von individuell geformten amorphen Metallkernstücken gebildet. Das dielektrische elektromagnetische Gehäuse weist Kernstücköffnungen auf, die in dem elektromagnetischen Gehäuse zum Halten der individuell geformten amorphen Metallkernstücke an zueinander angrenzenden Positionen gebildet sind, um den gesamthaft amorphen metallenen Magnetkern zu bilden. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Steuerungsanordnung, die geeignet ist, die Aktivierung und Deaktivierung des Elektromagneten unter Verwendung einer beliebigen Kombination einer Mehrzahl von Aktivierungs- und Deaktivierungsparametern variabel zu steuern, um die Geschwindigkeit, die Wirksamkeit, das Drehmoment und die Leistung der Vorrichtung zu regeln bzw. zu steuern.
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Die
US 6,259,233 , die hierin unter Bezugnahme umfasst ist, offenbart eine Vorrichtung wie zum Beispiel einen Elektromotor, einen elektrischen Generator oder einen regenerativen Elektromotor, die eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung umfasst. Die Statoranordnung weist ein dielektrisches elektromagnetisches Gehäuse und mindestens eine erregbare Elektromagnetenanordnung einschließlich eines gesamthaft amorphen metallenen Magnetkerns auf. Der gesamthaft amorphe metallene Magnetkern ist aus einer Mehrzahl von individuell geformten amorphen Metallkernstücken gebildet. Das dielektrische elektromagnetische Gehäuse weist Kernstücköffnungen auf, die in dem elektromagnetischen Gehäuse zum Halten der individuell geformten amorphen Metallkernstücke an zueinander angrenzenden Positionen gebildet sind, um den gesamthaft amorphen metallenen Magnetkern zu bilden. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Steuerungsanordnung, die geeignet ist, die Aktivierung und Deaktivierung des Elektromagneten unter Verwendung einer beliebigen Kombination einer Mehrzahl von Aktivierungs- und Deaktivierungsparametern variabel zu steuern, um die Geschwindigkeit, die Wirksamkeit, das Drehmoment und die Leistung der Vorrichtung zu regeln bzw. zu steuern.
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Die
US 7,105,974 , die hierin unter Bezugnahme umfasst ist, offenbart einen synchronen Wechselstrommotor, der einen Stator mit Statorpolen aufweist, die als eine Mehrzahl von sich umfänglich erstreckenden Statorpolgruppen angeordnet sind, wobei jede Statorpolgruppe ein Paar von entsprechenden, sich umfänglich erstreckenden Statorwindungen in einer Schleifenkonfiguration aufweist, die auf jeder Seite angeordnet sind, oder eine einzelne derartige Windung, die angrenzend an einer Seite angeordnet ist, wobei die angrenzenden Statorpolgruppen wechselseitig umfänglich um ein festgelegtes Maß verschoben sind, das einem bestimmten elektrischen Phasenwinkel entspricht. Das Anlegen von entsprechenden mehrphasigen Wechselspannungen auf die Windungen erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, so dass in jedem Paar Ströme von wechselseitig entgegen gesetzter Richtung fließen.
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Es existiert daher ein lange bestehende Bedürfnis nach einem wirksamen Elektromotor, der die mechanische Ausgangsleistung bei einer gegebenen physikalischen Größe maximiert, indem eine vergleichbare Generatorkonfiguration verwendet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist demgemäß eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zu offenbaren, der durch Anlegen einer Spannung an ein Array von geneigten bzw. schrägen elektromagnetischen Spulen betreibbar ist, die an dem Stator befestigt sind. Die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern der geneigten Spulen und den entsprechenden geneigten Magnetfeldern zwischen passenden Paaren von magnetischen Vorrichtungsarrays erzeugt einen schrägen bzw. geneigten Kraftvektor mit einer tangentialen Komponente, die ein Drehmoment auf den Rotor des Motors bewirkt bzw. ausübt. Daher kann eine Generatorkonfiguration mit vertikalen Magnetfeldern und vertikaler Spulenkonfiguration mühelos durch Neigen des Magnetfelds jedes Vorrichtungspaares und entsprechendes Neigen der zugehörigen Spulen in einen Motor umgewandelt werden.
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Die Konfiguration einer leistungsstarken, ausgeprägten und gleichförmigen Mehrzahl von Magnetfeldern mit hoher magnetischer Flussdichte und dazu passenden geneigten Spulen, die den Großteil des Motorvolumens verbrauchen, ist geeignet, die Motorwirksamkeit und die mechanische Leistung pro vorgegebener physikalischer Größe des Motors zu maximieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor zu offenbaren mit:
- (i) einer Mehrzahl von Oberflächen mit einem Array von Magneten, die auf jeder Oberfläche angeordnet sind, die eine Mehrzahl von geneigten Magnetfeldern zwischen gegenüber liegenden Paaren von versetzten Magneteinrichtungen umfasst, die auf zwei beliebigen, aneinander angrenzenden Oberflächen angeordnet sind;
- (ii) einer Mehrzahl von stationären Trägerstrukturen, die jede ein elektromagnetisches Spulenfeld tragen; wobei jede der Spulen zwischen jedem der passenden magnetischen Paare angeordnet ist;
- (iii) einer rotierenden Welle, die an den Oberflächen befestigt ist.
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Eine an die Spulen angelegte elektrische Spannung erzeugt dabei innerhalb jeder Spule ein axiales Magnetfeld.
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Die Wechselwirkung zwischen dem Spulenmagnetfeld und dem Magnetfeld eines dazugehörigen Vorrichtungspaares erzeugt einen Kraftvektor, der axial mit den schrägen bzw. geneigten Magnetfeldern ausgerichtet ist, mit einem Drehmomentbestandteil, der auf die Oberflächen des magnetischen Arrays ausgeübt wird, die an der Drehwelle befestigt sind.
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Der Elektromotor ist dabei geeignet, die Wirksamkeit und die mechanische Leistungsdichte zu maximieren, indem er mit der leistungsfähigen, distinkten und gleichförmigen Mehrzahl von Magnetfeldern und dazu passenden elektromagnetischen Spulen konfiguriert ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor bereitzustellen, der geeignet ist, mechanische Energie zu erzeugen, wobei sowohl die Motorwirksamkeit als auch die mechanische Leistungsdichte erhöht wird, wobei der Elektromotor aufweist:
- (i) eine Mehrzahl von Scheibenflächen mit einer Hauptlängsachse, von denen jede an ein Array von versetzten Magneten gekoppelt ist; wobei die Magneten als passende magnetische Paare auf zwei aneinander angrenzenden Scheibenflächen angeordnet sind, um eine Mehrzahl von Magnetfeldern zwischen den passenden Magnetenpaaren zu erzeugen; wobei die Magnetfelder in einem Winkel A bezüglich der Hauptlängsachse geneigt sind;
- (ii) eine Mehrzahl von stationären Trägerstrukturen, wobei jede ein elektromagnetisches Spulenarray aufweist, das zwischen jedem der passenden Magnetenpaare angeordnet ist, und geeignet ist, ein axiales Magnetfeld bereitzustellen, wenn eine Spannung auf die elektromagnetische Spule angelegt wird; wobei das elektromagnetische Spulenarray um den Winkel A bezüglich der Längsachse geneigt ist; und,
- (iii) einer Drehwelle, die auf den Scheibenflächen befestigt ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Winkel A größer als etwa 0° und geringer als etwa 180° ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Elektromotor die Leistungserzeugungswirksamkeit gemäß IEC 60034-30 um etwa 90% erhöht.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Elektromotor die Leistungserzeugungswirksamkeit gemäß Edict 553/2005 um etwa 90% erhöht.
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Es ist einer weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Form der Magneten aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer kreisförmigen Form oder einer polynomischen bzw. mehreckigen Form besteht.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, der eine Auswahl von magnetischen Vorrichtungsgrößen aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Magneten Magnetfeldquellen sind, die aus einem Seltene-Erden-Material wie Samarium oder Neodym gebildet sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Magneten Eisenteile sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Elektromotor derart konfiguriert ist, um die Luftzwischenräume zwischen den Magneten und den Spulen zu minimieren und damit die Magnetfeldverluste zu reduzieren.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Scheibenfläche eine nichtmagnetische Schicht aufweist, so dass die Magnetfelder zwischen jedem der passenden Magnetenpaare distinkt und getrennt voneinander sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, der eine Mehrzahl von Spulenträgerstrukturen zum Aufhängen der Spulenarrays aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, der Spulen aufweist, die in einer Richtung gewunden sind oder zur Optimierung der Generatorwirksamkeit umkehrbar in dem Array angeordnet sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei das Array aus Magneteinrichtungen auf der Scheibenfläche angeordnet ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei alle Magneten auf den Scheibenflächen dieselbe magnetische Polorientierung aufweisen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die magnetischen Paare gegenüber den Polen ein Magnetfeld einer Anziehungskraft erzeugen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die obere Fläche der oberen Scheibe und die untere Fläche der unteren Scheibe die Eisenwände des Generatorpakets kontaktieren, um für einen niedrigen Verlustmediumspfad für das Magnetfeld zu sorgen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Anordnung der Magneten auf zwei aneinander angrenzenden radialen Linien versetzt ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Magneten auf beliebig geformten, gekrümmten Linien von der Mitte der Scheibe hinaus zu dem Rand der Scheibe angeordnet sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Magneten auf einer Spirallinie von der Mitte der Scheibe hin bis zum Rand der Scheibe angeordnet sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei jedes der passenden magnetischen Paare und Spulenneigungswinkel für den gesamten Motor gleich sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die Neigungswinkel für verschiedene konzentrische Ringe auf der Scheibenfläche unterschiedlich sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Elektromotor als eine Kugelstruktur konfiguriert ist und eine erste Fläche, die im Inneren einer ersten Kugel angeordnet ist, und eine zweite Fläche aufweist, die auf der Außenfläche einer zweiten Kugel angeordnet ist, die innerhalb der ersten Kugel angeordnet ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei der Elektromotor als ein Ellipsoid konfiguriert ist und eine erste Fläche, die im Inneren eines ersten Ellipsoids angeordnet ist, und eine zweite Fläche aufweist, die auf der Außenfläche eines zweiten Ellipsoids angeordnet ist, das innerhalb des ersten Ellipsoids angeordnet ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, der eine erste wellenförmige Oberfläche aufweist, die innerhalb angeordnet ist, und eine zweite wellenförmige Oberfläche aufweist, die außen angeordnet ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei die erste Fläche und die zweite Fläche in Kontakt mit der aus Eisen gebildete Drehwelle sind, um einen verlustlosen Mediumsweg für das Schließen Magnetfelder bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den wie oben definierten Elektromotor bereitzustellen, wobei jede der stationären Generatorspulen in einer Richtung angeordnet ist, die durch das Magnetfeld definiert ist, das zwischen einem Paar von Magneten erzeugt wird.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erhöhen der Motorwirksamkeit und der mechanischen Leistungsdichte offenbart. Das Verfahren weist Schritte auf, die unter anderem aus den folgenden ausgewählt sind:
- a. Bereitstellen einer Mehrzahl von Scheibenflächen mit einer Hauptlängsachse;
- b. Bereitstellen einer Mehrzahl von Arrays von versetzten Magneten;
- c. Koppeln der Arrays von Magneten an jede der Scheibenflächen, so dass man ein passendes magnetisches Paar von zwei aneinandergrenzenden Scheibenflächen erhält, so dass eine Mehrzahl von Magnetfeldern zwischen den passenden magnetischen Paaren erzeugt werden; wobei die Magnetfelder um einen Winkel A bezüglich der Hauptlängsachse geneigt sind;
- d. Anordnen einer Mehrzahl von stationären Trägerstrukturen, wobei jede ein elektromagnetisches Spulenarray aufweist, das zwischen jedem der passenden Magnetenpaare angeordnet ist;
- e. Befestigen einer Drehwelle an den Scheibenflächen;
- f. Minimieren der Größe der Luftspalte zwischen den Spulen und den Magneten, wodurch die Magnetfeldverluste minimiert werden und die Motorwirksamkeit und die mechanische Leistungsdichte erhöht werden.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Erhöhens der Motorwirksamkeit auf etwa 90% gemäß IEC 60034-30 aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Erhöhens der Motorwirksamkeit auf etwa 90% gemäß Edict 553/2005 aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Anpassens des Winkels A auf mehr als 0° und auf weniger als 180° aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Auswählens der Form der Magneten aus einer Gruppe aufweist, die aus einer kreisförmigen Form oder einer polynomischen Form besteht.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Konfigurierens des Elektromotors aufweist, um die Luftzwischenräume zwischen den Magneten und den Spulen zu minimieren und damit die magnetischen Feldverluste zu reduzieren.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird das wie oben definierte Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Beschichtens der Scheibenfläche mit einer nicht-magnetischen Schicht aufweist, so dass die Magnetfelder zwischen jedem der passenden magnetischen Paare distinkt und getrennt voneinander sind.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Anordnens des Arrays von Magneteinrichtungen auf der Scheibenfläche aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Anpassens aller Magneten auf den Scheibenflächen aufweist, um dieselbe magnetische Polorientierung aufzuweisen.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Einstellens bzw. Anpassens der magnetischen Paare gegenüber den Polen aufweist, um ein Magnetfeld mit Anziehungskraft zu erzeugen.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des in Kontakt Bringens der oberen Fläche der oberen Scheibe und der unteren Fläche der unteren Scheibe mit den Eisenwänden des Generatorpakets aufweist, um einen niedrigen Verlustmediumspfad für das Magnetfeld bereitzustellen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Anordnens der Magneten in beliebig geformten, gekrümmten Linien von der Mitte der Scheibe zu dem Rand der Scheibe hin aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Anordnens der Magneten in einer Spirallinie von der Mitte der Scheibe bis hin zum Rand der Scheibe aufweist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich noch den Schritt des Konfigurierens des Elektromotors als Kugelstruktur aufweist.
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Schließlich wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein wie oben definiertes Verfahren offenbart, das zusätzlich den Schritt des Konfigurierens des Elektromotors als Ellipsoid aufweist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung bezüglich deren Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen Bezugszeichen entsprechende Elemente über die Abschnitte hinweg kennzeichnen, und in denen
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1 ein schematisches Blockschaltbild des Motors und elektrischer Wechselstrom- oder Gleichstromspannungen darstellt, die den Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung antreiben;
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2 eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines Arrays von passenden Magnetenpaaren zeigt, die auf zwei aneinander angrenzenden Oberflächen eines Motorrotors angeordnet sind, und ein Array von geneigten Spulen darstellt, die auf dem Motorstator zwischen jedem passenden Magnetenpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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3a eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht einer Motorscheibe darstellt, die aus zwei konzentrischen Abschnitten besteht, die zwei unterschiedliche Magnetfeldneigungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
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3b eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht von zwei aneinander angrenzenden Oberflächen darstellt, die vier unterschiedliche Paare von unterschiedlichen Vorrichtungen umfassen, die einander gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüber stehen;
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4 eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines zylinderförmigen Motors mit drei Scheiben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei vier Oberflächen mit Arrays von magnetischen Vorrichtung und eine Trägerstruktur zwischen jeder aneinandergrenzenden Scheibe angeordnet ist, die zum Halten einer Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen verwendet wird;
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5a eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, der als eine erste Kugel mit einem Array von Magneteinrichtungen konfiguriert ist, die an der Außenfläche innerhalb einer zweiten Kugel befestigt sind, die ein Array von Magneteinrichtungen an der Innenfläche befestigt aufweist, und mit einer Trägerstruktur, die zwischen den Oberflächen zum Halten einer Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen angeordnet ist;
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5b eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, der als ein erstes Ellipsoid konfiguriert ist, mit einem Array von Magneteinrichtungen, die an der Außenfläche innerhalb eines zweiten Ellipsoids befestigt sind, der ein Array von Magneteinrichtungen an der Innenfläche befestigt aufweist, und eine Trägerstruktur, die zwischen den Oberflächen zum Halten einer Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen angeordnet ist;
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5c eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, der mit einer ersten wellenförmigen Oberfläche konfiguriert ist, die ein Array von Magneteinrichtungen befestigt an der Außenoberfläche innerhalb einer zweiten wellenförmigen Oberfläche aufweist, die ein Array von Magneteinrichtungen an der Innenfläche befestigt aufweist, und eine Trägerstruktur, die zwischen den Oberflächen angeordnet ist zum Halten einer Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen;
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6a eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht einer Scheibenfläche mit einem Array von gleichgroßen Magneteinrichtungen darstellt, die an der Oberfläche befestigt sind und entlang radialer Linien von der Mitte hin zum Rand angeordnet sind;
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6b eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht einer Scheibenfläche darstellt, die ein Array von magnetischen Vorrichtungen aufweist, die an der Oberfläche befestigt sind und entlang radialer Linien angeordnet sind, die in ihrer Größe von der Mitte zum Rand hin anwachsen;
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6c eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht einer Scheibenfläche ist, die ein Array von gleichgroßen Magneteinrichtungen aufweist, die an der Oberfläche befestigt sind und entlang gekrümmter Linien von der Mitte zum Rand hin angeordnet sind; und
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6d eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht einer Scheibenfläche darstellt, die ein Array von gleichgroßen Magneteinrichtungen aufweist, die an der Oberfläche befestigt sind und die entlang einer Spirallinie von der Mitte hin zum Rand angeordnet sind.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die folgende Beschreibung wird neben all den Kapiteln der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, von der Erfindung Gebrauch zu machen, und erläutert die besten Ausführungsformen, die vom Erfinder zur Ausführung dieser Erfindung berücksichtigt wurden. Verschiedene Änderungen werden allerdings für den Fachmann offensichtlich erscheinen, da die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung speziell dafür definiert wurden, einen Elektromotor bereitzustellen.
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In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein genaues Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann wird allerdings verstehen, dass diese Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. Die Bezugnahme auf ”eine Ausführungsform” in dieser Beschreibung bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur, oder Besonderheit, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Daher ist das Auftreten der Formulierung ”in einer Ausführungsform” an verschiedenen Stellen dieser Beschreibung nicht notwendigerweise jedes Mal auf die gleiche Ausführungsform oder Erfindung bezogen. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen, oder Besonderheiten auf jede geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
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Die Zeichnungen erläutern die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die hierin offenbarten Ausführungsformen der Erfindung sind die besten Betriebsweisen, die von den Erfindern berücksichtigt wurden, um die Erfindung in einer kommerziellen Umgebung auszuführen, wenngleich es sich versteht, dass verschiedene Abänderungen innerhalb der Parameter der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
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Der Begriff ”Elektromotor” oder ”Motor” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Weise auf eine Vorrichtung, die elektrische Spannung in mechanische Rotationskraft umwandelt.
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Der Begriff ”Rotor” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf einen rotierenden Abschnitt des Motors, der um die Motorwelle rotiert.
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Der Begriff ”Stator” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf einen festen Abschnitt des Motors, der eine Magnetfeldkraft auf den Rotor erzeugt.
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Der Begriff ”elektromagnetische Spule” oder ”Spule” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf ein Bauteil, das aus einer Mehrzahl von Leiterdrahtwicklungen um einen ferromagnetischen Kern gebildet ist.
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Der Begriff ”Spulenträgerstruktur” oder ”Trägerstruktur” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf einen Motorstatoraufbau zum Halten bzw. Tragen der Spulenarrays.
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Der Begriff ”ferromagnetischer Kern” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf einen Materialstruktur von Stoffen aus Eisen, Nickel oder Kobalt und verschiedene Legierungen, die eine extrem hohe magnetische Permeabilität, eine charakteristische Sättigungsgrenze und eine magnetische Hysterese aufweisen.
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Der Begriff ”Permanentmagnetfeldquelle” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf eine Vorrichtung, die aus einem speziellen Material gebildet ist, das eigenständig über eine lange Zeit ein Magnetfeld aufbaut.
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Der Begriff ”Magneteinrichtung” oder ”Magnet” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf eine Permanentmagnetfeldquelle oder ein gleichartiges Eisenteil. Ein Magnetfeld wird zwischen einem beliebigen gleichartigen, sich gegenüber liegenden Magnetenpaar erzeugt.
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Der Begriff ”nicht magnetisches Material” bezieht sich im Folgenden in einer nicht einschränkenden Art und Weise auf Materialien, bei denen die Magnetfelder der einzelnen Atome zufällig angeordnet sind und daher dazu neigen sich aufzuheben.
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Der Begriff ”ungefähr” bezieht sich im Folgenden auf einen Bereich von 25% unter oder über dem entsprechenden Wert.
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Der Begriff ”International Electrotechnical Commission (IEC) 60034-30” bezieht sich im Folgenden auf einen von der IEC neu entwickelten Standard; 'IEC 60034-30, Effizienzklassen von Eingeschwindigkeits-Drei-Phasen-Induktionskäfigmotoren'.
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Der Standard zielt darauf ab, einen weltweit harmonisierten Satz von Leistungskennzeichnungen bereitzustellen, die Energieeffizienzklassen von Eingeschwindigkeits-Drei-Phasen-Induktionskäfigmotoren kategorisieren. Der Bereich der in Frage kommenden Motoren betrifft Drei-Phasen-Induktionskäfigmotoren bei 50 Hz oder 60 Hz, die:
- – eine Nennleistung zwischen 0,75 kW und 200 kW aufweisen;
- – eine Nennspannung von bis zu 1000 V haben;
- – im Dauerbetrieb laufen -S1;
- – einen Schutzgrad von IP4x oder höher aufweisen;
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Der Begriff ”Edict 553/2005” bezieht sich im Folgenden auf eine aktuelle Reglementierung aus Ende 2005. Die erste Reglementierung des ”Energieeffizienzgesetzes” für Elektromotoren, eingeführt im Jahr 2002, legte zwei Sätze von Minimaleffizienzleistungsstandards (Minimum Efficiency Performance Standard; MEPS) fest, für 'Standard-' (obligatorisch) und 'Hochleistungs-' (fakultativ) Motoren (siehe Agenor Gomes Pinto Garcia, Alexandre S. Szklo, Roberto Schaeffer und Michael A McNeil,
"Energy-efficiency standards for electric motors in Brazilian industry", Energie Policy, Band 35, Ausgabe 6, Juni 2007, Seiten 3424–3439).
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Die vorliegende Erfindung ist ein Elektromotor, der durch das Anlegen einer Spannung an ein Array mit geneigten bzw. schrägen elektromagnetischen Spulen, die an dem Stator befestigt sind, betrieben wird. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der geneigten Spulen und der zugehörigen geneigten Magnetfelder zwischen einem beliebigen Magnetenpaar erzeugt eine geneigten Kräftevektor, der eine tangentiale Komponente aufweist, die dazu geeignet ist, ein Rotationsmoment an dem Motorrotor zu erzeugen. Dadurch wird eine entsprechende Generatoranordnung, die ein vertikales Magnetfeld und vertikale Spulen aufweist, durch die Aufnahme von schrägen Magnetfeldern zwischen beliebigen passenden Magnetenpaaren und durch die Anordnung von schrägen Spulen zwischen den Magnetenpaaren in einen Motor ungewandelt.
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Die Anordnung einer Mehrzahl von leistungsfähigen, distinkten und passenden Magnetfeldern mit hoher Magnetfelddichte und passenden geneigten Spulen, die das meiste Motorenvolumen ausnutzen, sind dazu geeignet, die Motoreffizienz und mechanische Energie durch die gegebene physikalische Größe des Motors zu maximieren.
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die ein schematisches Blockschaltbild eines Motorsystems 10 zeigt. Der Motor 14, der eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, ist ein Wechselstrommotor, der mit einer Wechselspannung betrieben wird. Bei Vorhandensein einer Wechselspannungsquelle 11 wird der Motor direkt mit Wechselspannung betrieben. Ist die Antriebsspannung eine Gleichspannungsquelle (DC) 12, wandelt alternativ ein elektronisches DC/AC Wechselrichtermodul 13, bekannt aus dem Stand der Technik, die Gleichspannung 12 in eine Wechselspannung um. Der Stator des Motors 14 besteht aus Arraypaaren von Magneten (passende Magnetenpaare), die an benachbarten, sich gegenüber liegenden Oberflächen befestigt sind. Der Stator des Motors 14 weist ein Array von passenden elektromagnetischen Spulen auf, die zwischen einem zugehörigen passenden Magnetenpaar angeordnet sind. Wenn den Spulen Wechselspannung AC zugeführt wird, bewirkt eine an den Rotor angebrachte horizontale Kraftvektorkomponente die Drehung des Rotors um die Rotorwelle.
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Bezug genommen wird nun auf 2, die eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht einer zylinderförmigen Motorausführungsform der Erfindung ist. Die an der Scheibe 200 angebrachten Magneten 201, 202, 203, 204 und 205 bezeichnen ein zweidimensionales Magnetenarray. Ebenso kennzeichnen die an der Scheibe 202 angebrachten Magneten 221, 222, 223, 224 und 225 zeigen ein zweidimensionales Magnetenarray. Der an der Scheibe 200 angebrachte Magnet 201 weist ein an der Scheibe 220 angebrachtes Magnetenpaar 200 (passende Magnetenpaare) auf.
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Jeder an der Scheibe 200 angebrachte Magnet weist ein an die Scheibe 220 angebrachtes passendes Magnetenpaar auf. Die Magnetenpaare sind zueinander versetzt angeordnet.
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Somit weist jedes passende Magnetenpaar ein geneigtes Magnetfeld auf. Jeder Versatz bzw. Offset zwischen den passenden Magnetenpaaren erzeugt ein geneigtes Magnetfeld zwischen diesen. Wenn die Projektion der Verschiebung bzw. des Versatzes auf der Scheibenfläche nicht entlang einer radialen Linie erfolgt, wirkt eine Tangentialkraft auf die Scheibe. Wenn zum Beispiel die passenden Magnetenpaare 201 und 221, Magnet 202 und Magnet 222, Magnet 203 und Magnet 223, Magnet 204 und Magnet 224, Magnet 205 und Magnet 225 in gleicher Anzahl und Ausrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, weisen diese zwischen ihnen in gleicher Weise geneigte Magnetfelder auf. Der Neigungswinkel der Hauptlängsachse der Scheibe kann einen Wert zwischen 0° und 180° aufweisen.
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Der beschriebene Motor umfasst drei Scheiben mit vier Magnetarrayflächen. Jedoch kann im Rahmen der Erfindung eine beliebige zweckmäßig erscheinende Anzahl von Scheiben verwendet werden.
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Die innerhalb der Statorträgerstruktur 210 angeordneten elektromagnetischen Spulen 211, 212, 213, 214 und 215 sind in gleicher Weise wie die magnetischen Felder zwischen den passenden Magnetenpaaren geneigt und weisen eine gleiche physikalische Größe auf.
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Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das Array der Statorspule üben die Wechselwirkung zwischen den geneigten Magnetfeldern aller passenden Magnetenpaare und die durch die auf die Spulen erzeugte Spannung entstandenen elektromagnetischen Felder einen Kräftevektor zwischen jedem passenden Magnetenpaar und der zugehörigen Spule aus, der im gleichen Neigungswinkel ausgerichtet ist. Die Kräftevektoren weisen vertikale und horizontale Komponenten auf. Die horizontalen Komponenten des Kräftevektors übt einen Rotationsmoment auf den Motorrotor aus.
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Der Neigungswinkel, der in jeder Ausrichtung in Bezug auf die Hauptlängsachse der Scheibe eine Größe zwischen 0° und 180° aufweisen kann, kann an verschiedenen Stellen innerhalb des Motorvolumens unterschiedlich sein, um den Motorbetrieb und die -effizienz zu optimieren.
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Der Magnet kann eine polygonale oder kreisförmige Form aufweisen und ist entweder eine Magnetfeldquelle, üblicherweise gebildet aus einem Seltene-Erden-Material wie Samarium, Neodym oder einem Eisenelement. Die Struktur ist in Eisenwände eingeschlossen mit geringen magnetischen Verlusten, die geeignet sind, die Magnetfeldlinien zu schließen, wobei die Verluste minimiert werden.
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Die Scheiben bestehen aus magnetischen Materialien, die mit der aus Eisen geformten Motorwelle und dem aus Eisen geformten Motorgehäuse verbunden sind, um einen geringen magnetischen Widerstand zu dem Magnetfeld jeden Paares zu gewährleisten. Luftzwischenräume zwischen den Spulen und den passenden Magnetenpaaren der Anordnung sind minimiert, um die durch diese entstehenden Magnetfeldverluste zu minimieren.
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Die durch eine Mehrzahl von passenden Magnetenpaaren entstehende hohe magnetische Flussdichte, eine dichte Struktur von passenden Magnetenpaare und passenden Generatorspulen, minimale Größe von Luftzwischenräumen zwischen den Spulen und Magneten zur Minimierung der Magnetfeldverluste sind für diese Erfindung anwendbar, um einen hocheffizienten und leistungsdichten Elektromotor bereitzustellen.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen, die eine Draufsicht einer Scheibe darstellt. Alle Magneten des Abschnitts 36 bilden zusammen mit deren passenden Magnetenpaaren einen ersten Magnetfeldneigungswinkel. Ebenso bilden die Magneten des Abschnitts 37 zusammen mit deren passenden Magnetenpaaren einen zweiten Magnetfeldneigungswinkel. Somit werden verschiedene Kräfte auf die beiden Abschnitte aufgebracht, die zur Optimierung des Motorenbetriebs dienen.
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Die Windung der elektromagnetischen Spulen kann in zwei entgegen gesetzten Richtungen ausgebildet sein, wodurch entgegen gesetzte Magnetfelder und folglich entgegen gesetzt gerichtete Kraftvektoren erzeugt werden. In einer Ausführungsform kann das Spulenarray umkehrbar gewundene Spulen aufweisen, die dazu angeordnet sind, die Motor-Generator-Wirksamkeit zu optimieren.
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Es wird nun auf 3b Bezug genommen, die eine Querschnittsansicht von zwei gegenüberliegenden Scheiben darstellt, die Magnetenpaare aufweisen, die sich gegenüber stehen und daran als räumlich versetzte Paare angeordnet befestigt sind. Der an der Scheibe 30a befestigte Magnet 25a und der an der Scheibe 30b befestigte Magnet 35b bilden ein Paar von Permanentfeldquellen. Die Permanentmagnetquelle 35b weist einen magnetischen Nordpol auf, der nach oben zeigt, und die Offset- bzw. versetzte Permanentmagnetquelle 35a weist einen magnetischen Südpol auf, der nach unten zeigt. Folglich erzeugt das Magnetfeld zwischen diesem Paar eine schräge bzw. geneigte Anziehungskraft.
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Der Magnet 34a und der Magnet 34b sind Permanentmagneten, die zueinander mit ihren gemeinsamen Nordpolen versetzt sind. Folglich erzeugt das Magnetfeld zwischen diesem Paar eine geneigte bzw. schräge Abstoßungskraft.
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Der Magnet 33a ist ein Eisenteil und der Magnet 33b ist eine Permanentmagnetfeldquelle mit einer beliebigen Polrichtung. Ein geneigtes Magnetfeld wird zwischen diesem Magnetenpaar durch das Eisenteil 33a erzeugt, das durch die Permanentmagnetfeldquelle 33b magnetisiert wird.
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Der Magnet 32a ist eine Permanentmagnetfeldquelle und der Magnet 32b ist ein Eisenteil. Damit ist dieses Magnetenpaar dem Magnetenpaar 33a und 33b gegenüber angeordnet und weist ebenfalls ein geneigtes Magnetfeld auf.
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Das Magnetfeld einer elektromagnetischen Spule, die zwischen den passenden Magnetenpaaren angeordnet ist und an die eine elektrische Spannung angelegt wird, ist in Wechselwirkung mit dem geneigten Magnetfeld der zueinander passenden Magnetenpaare. Der Versatz bzw. Offset zwischen den passenden Magnetenpaaren fällt nicht mit einer Scheibenradiallinie zusammen. Folglich erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der passenden Magnetenpaare und dem Magnetfeld der entsprechenden Spule einen Kraftvektor mit einer tangentialen Komponente auf der Scheibe, die ein Drehmoment auf den Motorrotor ausübt.
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Ein optimales Design von unterschiedlichen, passenden Magnetenpaaren und Neigungskombinationen führt zu einer bevorzugten Systemleistung.
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Bezug genommen wird nun auf 4, einer Querschnittsansicht des zylinderförmigen Motors 40. Der Rotor des Motors 40 besteht aus Scheiben 41a, 41b und 41c, die an der Drehwelle 40 befestigt sind. Ein Array von Magneten ist an der ersten Oberfläche der Scheibe 41a befestigt. Das erste Array von Magneten ist auf der ersten Seite der Scheibe 41b befestigt und das zweite Array von Magneten ist auf der zweiten Oberfläche der Scheibe 41b befestigt. Ein Array von Magneten ist an der Scheibe 41c befestigt. Das an der Scheibe 41a befestigte Array steht dem ersten Array der Scheibe 41b gegenüber, und die sich gegenüber liegenden Einrichtungen bilden passende Magnetenpaare mit einem Magnetfeld dazwischen. In ähnlicher Weise steht das zweite Array, das auf der zweiten Oberfläche der Scheibe 41b befestigt ist, dem auf der Scheibe 410 befestigten Array gegenüber, und die sich gegenüber liegenden Vorrichtungen bilden passende Magnetenpaare mit einem Magnetfeld dazwischen. Da die passenden Magnetenpaare zueinander versetzt sind, sind die Magnetfelder zwischen den passenden Magnetenpaaren bezüglich der Hauptlängsachse der Scheibe geneigt bzw. schräg angeordnet. Der Motorstator umfasst Spulenträgerstrukturen 42a und 42b. Die Spulenträgerstruktur 42a trägt bzw. hält eine Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen. Jede Spule ist wie das Magnetfeld zwischen dem entsprechenden Magnetenpaar geneigt. In gleicher Weise trägt bzw. hält die Spulenträgerstruktur 42b eine Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen. Jede Spule ist wie das Magnetfeld zwischen dem entsprechenden Magnetenpaar geneigt.
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Wenn eine Spannung an sämtliche Spulen angelegt wird, erzeugt dies ein Magnetfeld in jeder der Spulen. Die Wechselwirkung zwischen den Magnetfelder der Mehrzahl von passenden Magnetenpaaren und die Magnetfelder der entsprechenden Spulen erzeugt eine Mehrzahl von Kraftvektoren mit tangentialen Komponenten, die ein Drehmoment auf den Motorrotor ausüben.
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Die Konfiguration umfasst eine hohe Umwandlungswirksamkeit von elektrischer zu mechanischer Energie, die niedrigen Verlusten zusammen mit einer hohen mechanischen Leistungsdichte aufgrund einer effektiven Nutzung des Generatorvolumens zuschreibbar ist.
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Es wird nun auf 5a Bezug genommen, einer Querschnittsansicht eines kugelförmigen Motors. Der Rotor des Motors umfasst eine äußere Kugelfläche 52 und eine innere Kugelfläche 51. Ein Array von Magneten ist an der inneren Oberfläche 52 befestigt. In gleicher Weise ist ein Array von Magneten an der äußeren Oberfläche 51 befestigt. Jeder Magnet auf der äußeren Oberfläche 51 weist einen passenden Magneten auf der inneren Oberfläche 52 auf, und die zusammengehörigen Vorrichtungen, die sich gegenüberstehen bilden einen passenden Magneten. Die Magnetfelder zwischen beliebigen Magnetenpaaren sind in derselben Richtung bezüglich der Radiallinien geneigt. Der Motorstator umfasst eine Spulenträgerstruktur 53, die ein Array von elektromagnetischen Spulen hält bzw. trägt. Jede Spule, die einem passenden Magnetenpaar entspricht, ist in derselben Richtung geneigt wie das Magnetfeld des entsprechenden Paares. Wenn eine elektrische Spannung an die Spulen angelegt wird, übt die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld eines passenden Magnetenpaares und dem Magnetfeld der entsprechenden Spule einen Kraftvektor aus, der parallel zu dem Magnetfeld ausgerichtet ist. Der Kraftvektor weist eine tangentiale Komponente auf, die ein Drehmoment ausübt, das den Motorrotor um die Motorwelle 50 dreht.
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Es wird nun auf 5b Bezug genommen, die einen ellipsoidförmigen Motor zeigt. Die Ellipsoidform ist eine Variation des kugelförmigen Motors aus 5a. Ein erstes Array von Magneten ist auf der inneren Oberfläche 55 angeordnet, die ein Teil des Motorrotors ist. Das zweite Array von Magneten ist auf der äußeren Oberfläche 54 befestigt, die ein Teil des Motorrotors ist. Jeder Magnet des ersten Arrays weist ein dazu passendes Magnetenpaar in dem zweiten Array auf. Sämtliche passenden Magnetenpaare sind in einer Richtung aus der Ebene der 5b heraus geneigt und das Magnetfeld jedes Paares ist in derselben Art und Weise geneigt.
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Die Spulenträgerstruktur 55 hält bzw. trägt ein Array von elektromagnetischen Spulen, das dem Array von passenden Magnetenpaaren entspricht. Jede Spule ist in der Richtung des Magnetfelds zwischen den entsprechenden passenden Magnetenpaaren geneigt, d. h. die Spulenneigung ist aus der Ebene der 5b heraus gerichtet.
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Wenn eine elektrische Spannung an die Spulen angelegt wird, erzeugen die elektromagnetischen Spulen ein axiales Magnetfeld. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der passenden Magnetenpaare und dem Magnetfeld der entsprechenden Spule übt einen koaxialen Kraftvektor aus. Der Kraftvektor weist eine tangentiale Komponente auf, die ein Drehmoment ausübt, das den Motorrotor um die Motorwelle 50 herum dreht.
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5c ist eine Querschnittsansicht eines Motors, der durch ein Paar von willkürlich geformten Wellenoberflächen konfiguriert ist. Ein erstes Array von Magneten ist auf der inneren Oberfläche 58 befestigt, die ein Teil des Motorrotors ist. Ein zweites Array von Magneten ist auf der äußeren Oberfläche 57 befestigt, die ein Teil des Motorrotors ist. Jedes Magnetfeld des ersten Arrays weist ein dazu passendes Magnetenpaar des zweiten Arrays auf. Sämtliche passenden Magnetenpaare sind in einer Richtung geneigt, die aus der Ebene aus 5b gerichtet ist, und das Magnetfeld jedes Paares ist in der gleichen Art und Weise geneigt.
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Die Spulenträgerstruktur 59, die ein Array von elektromagnetischen Spulen hält bzw. trägt, korreliert mit dem Array von passenden Magnetenpaaren. Jede Spule ist in der Richtung des Magnetfelds zwischen den entsprechenden passenden Magnetenpaaren geneigt, d. h. die Spulenneigung ist aus der Ebene der 5b heraus gerichtet.
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Wenn eine elektrische Spannung auf die Spulen angelegt wird, erzeugen die elektromagnetischen Spulen ein Magnetfeld, das wie die Spulen gerichtet ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld eines passenden Magnetenpaares und dem Magnetfeld der entsprechenden Spule übt einen koaxialen Kraftvektor aus. Der Kraftvektor weist eine tangentiale Komponente auf, die ein Drehmoment ausübt, das den Motorrotor um die Motorwelle 50 herum dreht.
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Es wird nun auf 6a Bezug genommen, die eine Draufsicht auf eine Scheibe des zylinderförmigen Motors ist, der in 4 abgebildet ist, wobei sie eine Ausführungsform der Magnetenanordnung auf der Motorscheibe 60 zeigt. Ein Array von Magneten kann entlang aneinander grenzenden radialen Linien auf der Scheibe gestapelt angeordnet sein. Zum Beispiel ist eine Reihe von rund geformten Magneten 651 entlang einer radialen Linie angeordnet und eine angrenzende Linie von Magneten ist bezüglich der radialen Linie 61 gestapelt. In gleicher Weise kann eine Reihe von sechseckig geformten Magneten 66 entlang einer radialen Linie angeordnet sein. Die aneinander angrenzenden sechseckig geformten radialen Linien brauchen nicht notwendigerweise gestapelt zu sein, indem sie Seite an Seite auf einander angrenzenden radialen Linien gut passen.
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Das Scheibenmaterial ist magnetisch, um einen niedrigen Magnetfeldwiderstand für die Magnetfelder der Magneten vorzusehen. Die Scheibenfläche ist mit einem nichtmagnetischen Material beschichtet, um für eine magnetische Isolation zwischen den Magneten zu sorgen. Die Magnetscheibe ist mit der aus Eisen gebildeten Welle und dem Motorgehäuse in Kontakt, um für einen niedrigen magnetischen Feldwiderstand für die passenden Magnetenpaare zu sorgen.
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Es wird nun auf 6b Bezug genommen, die eine Draufsicht einer Scheibe des in 4 abgebildeten zylinderförmigen Motors darstellt, wobei eine Ausführungsform der Vorrichtungsanordnung auf der Motorscheibe 60 gezeigt ist. Ein Array von Magneten kann entlang radialer Linien auf der Scheibe angeordnet sein. Zum Beispiel ist eine Reihe von rund geformten Magneten 62 entlang einer radialen Linie angeordnet. Die Magneten, die entlang einer radialen Linie angeordnet sind, weisen eine schrittweise anwachsende Größe auf. Dies erlaubt eine bessere Anordnung von Magneten entlang aneinander grenzender radialer Linien.
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Das Scheibenmaterial ist magnetisch, um einen niedrigen magnetischen Feldwiderstand für die Magnetfelder der Magneten bereitzustellen. Die Scheibenfläche ist mit einem nichtmagnetischen Material beschichtet, um für eine magnetische Isolation zwischen den Magneten zu sorgen. Die Magnetscheibe kontaktiert das aus Eisen gebildete Motorgehäuse, damit so für einen niedrigen Magnetfeldwiderstand für die passenden Magnetenpaare gesorgt ist.
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Bezug genommen wird nun auf 6c, die eine Draufsicht auf eine Scheibe des in 4 abgebildeten zylinderförmigen Motors darstellt, wobei eine weitere Magnetenanordnung auf der Motorscheibe 60 gezeigt ist. Ein Array von Magneten ist entlang einer gekrümmten Linie von der Scheibenfläche bis zum Scheibenrand hin angeordnet, und nicht entlang einer geraden radialen Linie wie in den vorhergehenden Figuren.
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Das Scheibenmaterial ist magnetisch, um einen niedrigen magnetischen Feldwiderstand für die Magnetfelder der Magneten bereitzustellen. Die Scheibenfläche ist mit einem nichtmagnetischen Material beschichtet, um für eine magnetische Isolation zwischen den Magneten zu sorgen. Die Magnetscheibe kontaktiert das aus Eisen gebildete Motorgehäuse, damit so für einen niedrigen Magnetfeldwiderstand für die passenden Magnetenpaare gesorgt ist.
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Es wird nun auf 6d Bezug genommen, die eine Draufsicht auf eine Scheibe eines zylinderförmigen Motors ist, der in 4 abgebildet ist, wobei eine weitere Magnetenanordnung auf der Motorscheibe 60 gezeigt ist. Ein Array von Magneten ist entlang einer Spirale 65 angeordnet, die an dem Scheibenmittelpunkt beginnt und sich bis hin zum Scheibenrand erstreckt.
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Das Scheibenmaterial ist magnetisch, um einen niedrigen magnetischen Feldwiderstand für die Magnetfelder der Magneten bereitzustellen. Die Scheibenfläche ist mit einem nichtmagnetischen Material beschichtet, um für eine magnetische Isolation zwischen den Magneten zu sorgen. Die Magnetscheibe kontaktiert das aus Eisen gebildete Motorgehäuse, damit so für einen niedrigen Magnetfeldwiderstand für die passenden Magnetenpaare gesorgt ist.
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Ausführungen der Magnetenanordnung innerhalb des Umfangs der Erfindung können eine Mehrzahl von Vorrichtungsgrößen und Formen umfassen, die unterschiedlich als Arrays von Magneten angeordnet sein können.
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Ausführungsformen von verschiedenen Magnetfeldneigungen von passenden Magnetenpaaren sind innerhalb des Umfangs der Erfindung.
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Es versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Verfahren auf viele Art und Weisen einschließlich des Veränderns der Reihenfolge der Schritte und/oder gleichzeitiger Durchführung einer Mehrzahl von Schritten variiert werden können.
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Es sollte ebenfalls gewürdigt werden, dass die oben beschriebene Beschreibung von Verfahren und Vorrichtungen derart zu interpretieren ist, dass sie eine Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen umfasst.
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Für die Hauptausführungsformen der Erfindung ist die bestimmte Wahl von Typ und Modell nicht entscheidend, allerdings kann das relevant sein, wo diese ausdrücklich gekennzeichnet sind. Die vorliegende Erfindung wurde beschrieben, indem detaillierte Beschreibungen von ihren Ausführungsformen verwendet wurden, die beispielhalber bereitgestellt wurden und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der Erfindung einzuschränken. Es sollen keine Einschränkungen, keine allgemeinen oder durch Ausdrücke wie ”können”, ”sollen”, ”bevorzugt”, ”müssen” oder andere Ausdrücke, die einen Grad an Wichtigkeit oder Motivation andeuten, als Einschränkung des Bereichs der Ansprüche oder deren Entsprechungen betrachtet werden, es sei denn diese sind ausdrücklich in einem solchen Anspruch als wörtliche Einschränkung auf diesen Bereich vorhanden. Es versteht sich, dass Merkmale und Schritte, die bezüglich einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch in anderen Ausführungsformen verwendet werden können, und dass nicht alle Ausführungsformen der Erfindung alle Merkmale und/oder Schritte aufweisen, die in einer bestimmten Figur gezeigt sind oder bezüglich einer der Ausführungsformen beschrieben sind. Die Offenbarung sollte komplett von einem kombinatorischen Blickwinkel betrachtet werden, wobei jede betrachtete Ausführungsform von jedem Element in Verbindung mit jeder Anderen Ausführungsform von jedem Element offenbart ist (und tatsächlich in verschiedenen Kombinationen von kompatiblen Umsetzungen von Veränderungen in einem Element). Veränderungen von beschriebenen Ausführungsformen werden Fachmännern einfallen. Weiterhin sollen die Ausdrücke ”aufweisen”, ”umfassen”, ”haben” und ihre Verbformen, wenn sie in den Ansprüchen verwendet werden, ”umfassend aber nicht notwendigerweise beschränkt auf” bedeuten. Mit jedem Element, das in den Ansprüchen im Singular vorhanden ist, ist ein oder mehrere Elemente wie beansprucht gemeint, und wenn eine Wahlmöglichkeit für eine oder mehrere einer Gruppe geboten ist, soll das so interpretiert werden, dass der Anspruch nur ein Element, das von den verschiedenen Möglichkeiten gewählt ist und es benötigt nicht alles von jeder Möglichkeit. Die Zusammenfassung soll nicht als Beschränkung des Bereichs der Anmeldung oder der Ansprüche interpretiert werden.
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Es wird angemerkt, dass einige der oben beschriebenen Ausführungsformen die beste Betriebsweise, die vom Erfinder berücksichtigt wurde, beschreiben können und daher Anordnungen, Handlungen oder Details von Anordnungen und Handlungen umfassen, die für die Erfindung nicht wesentlich sind, und die als Beispiele beschrieben sind. Anordnung und Handlungen, die hierin beschrieben sind, können durch äquivalente, die dieselbe Funktion ausführen ersetzt werden, sogar wenn die Anordnung oder Handlung unterschiedlich ist, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Daher wird der Bereich der Erfindung nur durch die Elemente und Merkmale, die in den Ansprüchen verwendet werden, beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5903082 [0007]
- US 6259233 [0008]
- US 7105974 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 60034-30 [0019]
- IEC 60034-30 [0044]
- (IEC) 60034-30 [0084]
- IEC 60034-30 [0084]
- ”Energy-efficiency standards for electric motors in Brazilian industry”, Energie Policy, Band 35, Ausgabe 6, Juni 2007, Seiten 3424–3439 [0086]
