DE202020001160U1 - Elektrischer Spulenkörper für Hubkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kraft induzierende elektrische Spule dadurch gekennzeichnet, dass die Spule zum Aufbau von geradlinig bewegten Antrieben genutzt werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kraft induzierende elektrische Spule, die zum Bau von geradlinig bewegten Hubkolben, Linearantrieben und Linearschwingern genutzt werden kann. Die Kraft induzierende elektrische Spule besitzt eine Drahtwicklung in der Form einer Schleife, wie sie natürliche fluidische Wirbelstrukturen ausbilden. Die Erfindung überträgt Gestalt und Wirkprinzip fluidischer Strukturen, so genannte Lagrangian coherent structures (LCSs) auf Kraft induzierende elektrische Spulen.
• Stand der Technik und der Wissenschaft. Elektrische Spulen.
• Spulen sind in der Elektrotechnik Wicklungen, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen. Stand der Technik sind Kräfte induzierende elektrische Spulen. Darüber hinaus sind separate Spulen induktive, passive Bauelemente, deren wesentliche Eigenschaft eine definierte Induktivität ist. Sie werden zur Stromflussglättung oder als Energiespeicher in Schaltnetzteilen und anderen elektrischen Geräten eingesetzt. Wird in eine Spule ein Eisenkern gefügt, so kann durch dessen ferromagnetische Eigenschaften die Permeabilität und damit auch die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht werden und man kommt mit weniger Bauvolumen aus, um eine benötigte Induktivität zu erreichen. Ab einer bestimmten materialabhängigen Flussdichte tritt aber eine störende Sättigungsmagnetisierung des Kerns auf.
• Stand der Technik und der Wissenschaft. Lagrange kohärente Strukturen.
• So genannte Lagrangian coherent structures (LCSs) bilden in der unbelebten Natur fluidischen Wirbelstrukturen aus, die Strömungsenergie bergen. Unter geeigneten Umständen kann die in den Wirbelstrukturen gespeicherte Energie aus dem Fluid entkoppelt werden. Von Forellen und Lachsartigen ist bekannt, dass diese einen erheblichen Anteil der zum Flussaufwärtsschwimmen erforderlichen Energie aus der Strömung entnehmen. Der physikalische Wirkmechanismus bei der Entkopplung von Energie aus einem Wirbel behafteten Fluid ist noch nicht vollständig entschlüsselt [Liao-03][Liao-06] und andere, es liegen aber experimentell ermittelte Daten vor, die theoretische Voraussagen bestätigen. Lagrange kohärente Strukturen (LCS) sind charakteristische Oberflächen von Trajektorien in einem dynamischen System, die über einen bestimmten Zeitraum einen großen Einfluss auf nahegelegene Trajektorien ausüben. Die Art dieses Einflusses kann variieren, es wird jedoch immer ein kohärentes Trajektorienmuster erzeugt, für das das zugrunde liegende LCS als theoretisches Kernstück dient. (Wikipedia). Mit Trajektorie wird in der Mathematik meist die Lösungskurve (auch Bahnkurve) einer Differentialgleichung mit vorgegebenen Anfangsbedingungen bezeichnet. Die Differentialgleichung beschreibt die Koordinaten eines gegebenenfalls fluidischen Systems (im Phasenraum oder Ortsraum) in Abhängigkeit von einem Parameter, der in mechanischen Anwendungen meist die Zeit ist.
  (Wikipedia)
• Bei der Beobachtung von Strömungsmustern in der (unbelebten) Natur werden kohärente Merkmale identifiziert, aber oft ist es die zugrunde liegende Struktur, die diese Merkmale erzeugt. Lagrange kohärente Strukturen (LCS) sind eine vergleichsweise junge Beschreibung der Topologie strömungsmechanischer Phänomene aus Experiment und numerischer Simulation. Sie bestätigen die die klassische Strömungsmechanik und damit die in der Mitte des 19en Jahrhunderts von Helmholtz formulierten theoretischen Eigenschaften fluidischer Wirbelstrukturen (Helmholtz'sche Wirbelsätze, HWS), nachdem alle Teilchen, die bei der Entstehung den Mantel einer Wirbelröhre gebildet haben, dies auch weiterhin tun (1.HSW). Wirbel an der Materie haften (2. HWS), und letztlich: Die Zirkulation einer Wirbelröhre bleibt auch zeitlich konstant (3.HWS). Weitere Theorie klärt die einschlägige Literatur [SHAK-07]. Eine Beschreibung der hinter einer Störkontur stromabwärts gebildeten (Karman'schen) Wirbelstraße als Lagrange kohärente Struktur (LCS) ist Stand der Wissenschaft.
• Die Abbildung des topologischen Prinzips dieser in der unbelebten Natur aufgefundenen fluidischen Strukturen in Technik, insbesondere die Übertragung auf eine elektrische Spule ist nicht Stand der Technik.
• Stand der Wissenschaft und Technik. Diverse Kraftmaschinen.
• Eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist eine Wärmekraftmaschine (Thermische Fluidenergiemaschine), die durch innere Verbrennung von Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen arbeiten nach einem gemeinsamen Prinzip: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen. Hubkolbenmaschinen stellen eine ausgereifte Technik dar. Gleichsam ist die gesamte mechanische Anlage von Fahrzeugantrieben mit Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen so ausentwickelt wie kaum ein anderes Massenprodukt vom Stand der Technik. Rezente Bemühungen in Wissenschaft und Technik zielen auf eine Substitution von Fahrzeug-Verbrennungskraftmaschinen durch Elektroantriebe.
• Elektromotoren sind elektromechanischer Wandler (elektrische Maschinen), die elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In Elektromotoren vom Stand der Technik erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung umgesetzt werden. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen. Sie werden zum Antrieb von Arbeitsmaschinen und Fahrzeugen eingesetzt.
• Der Linearmotor ist eine elektrische Antriebsmaschine. Anders als die verbreiteten rotierenden Maschinen versetzt ein Linearmotor die von ihm getriebenen Objekte nicht in eine drehende Bewegung, sondern schiebt sie auf geradliniger oder gekurvter Bahn (Translationsbewegung). Der Linearmotor wurde vor dem rotatorischen Motor erfunden. 1854 ließ Charles Grafton Page einen Solenoid-Linearmotor mit Schubkurbel patentieren (US-Patent 10480 „Improvement in electro-magnetic engines“). Kraftmaschinen wie der Linearmotor oder der Zugmagnet sind Stand der Technik. Die für Linearmotoren oder Zugmagnete verwendeten elektrischen Spulen folgen dem topologischen Prinzip einer konzentrischen Spirale aus (in der Regel Kupfer-) Draht mit den Elementen A Anfang der (Draht-) Wicklung, W (Draht-) Wicklung, E Ende der (Draht-) Wicklung und des Drahtes. Konzentrisch spiralige Wicklungen sind Stand der Technik.
• Ein Elektromagnet vom Stand der Technik besteht aus einer Spule, in der sich bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld bildet. In der Spule befindet sich meist ein Metallkern aus Eisen oder Aluminium der das Magnetfeld führt und verstärkt. Die Erfindung des Elektromagneten gelang dem Engländer William Sturgeon im Jahre 1826. Erstmals nachgewiesen wurde die elektromagnetische Wirkung 1820 von dem dänischen Physiker Hans Christian ∅rsted.
• Jeder stromdurchflossene Leiter verursacht ein Magnetfeld in seiner Umgebung. Die Feldlinien verlaufen ebenso wie bei einer einzelnen Windung (alle Stromrichtungen der Windungen sind gleichsinnig!) und verlassen den Eisenkern - dort bildet sich der magnetische Nordpol. Alle Feldlinien treten am magnetischen Südpol wieder in den Metallkern ein. Magnetfeldlinien konzentrieren sich im Inneren der Spule aus Symmetriegründen. Die magnetische Flussdichte ist im Zentrum der Spule am höchsten.
• Das Biot-Savart-Gesetz beschreibt das Magnetfeld bewegter Ladungen. Es stellt einen Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke und der elektrischen Stromdichte her und dient der Berechnung räumlicher magnetischer Feldstärkenverteilungen anhand der Kenntnis der räumlichen Stromverteilungen. Benannt wurde das Gesetz nach den beiden französischen Mathematikern Jean-Baptiste Biot und Felix Savart, die es 1820 formuliert hatten.
• Nach dem Biot-Savart-Gesetz existiert um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld und auf einen zweiten stromdurchflossenen Leiter bewirkt dies eine Lorentzkraft. Deshalb üben zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander aus, kurz: ein Strom durchflossener Leiter „induziert“ ein Magnetfeld und damit eine Kraft. Die Richtung dieser Kraft selbst ist abhängig von der (Wirk-) Richtung des das Magnetfeld induzierenden Leiters. Letztendlich ist also die Topologie der (ausgelegten) Leiter verantwortlich und determinierend für eine nunmehr richtungsabhängige Kraft.
• Problembeschreibung
• Ein Strom durchflossener Leiter „induziert“ ein Magnetfeld und damit potentiell eine Kraft. Intermittierend linear arbeitende Elektromagnete vom Stand der Technik bestehen aus einer Spule, in der sich bei Stromdurchfluss mit der Zeit T ein magnetisches Feld bildet. Bei hohen Arbeitsspielfrequenzen (1/T) nimmt der Wirkungsgrad ab.
• Problemlösung
• Erfindungsgemäß bildet nach Anspruch 1 ein Draht die Topologie einer bilateralen Gebilde Struktur ab. Die Topologie des ausgelegten Leiters repräsentiert dann ein Lagrange kohärentes Objekt, das zu einer bilateralen, konzentrischen Spule gewickelt ist. Im Strom durchflossenen Zustand kommt es innerhalb der bilateralen, konzentrischen Spule (scheinbar) zu einer „Aufhebung“ der Kraftwirkungen, da diese richtungsabhängig sind (Lagrange) und aufgrund der Schleifenform-Gestalt des kohärenten Objekts einander entgegengerichtet sind. Wird der Stromkreis plötzlich unterbrochen, kommt es zu einer „schlagartigen“ Induktionswirkung, die zum Antrieb einer intermittierend arbeitenden Kraftmaschine genutzt werden kann.
• Erreichbare Vorteile
• Elektrische Arbeitsmaschinen, Schwinger und letztendlich elektrische Hubkolbenkraftmaschinen mit Spulengebilden nach Anspruch 1 können mit elektrischer Energie betrieben werden; dies ist vorteilhaft gegenüber der Umwelt. Der Wirkungsgrad elektrischer Maschinen ist verfahrensbedingt höher als der von Verbrennungskraftmaschinen vom Stand der Technik.
• Aufbau und physikalische Wirkungsweise
• Die elektrische Spule LCC und ein Metallkern AL bilden eine organisatorische und konstruktive Einheit. Der Kern ist gegenüber der Spule lineargelagert zu fügen und beweglich auszuführen; Spule und Metallkern bilden dann einen Linearantrieb aus. Der Hub kann einmalig erfolgen, als mit einer Feder F beaufschlagter Schwinger formuliert oder intermittierend mit Pleul und Kurbel im Sinne einer Hubkolbenmaschine ausgeführt sein. Das gestalterische Arrangement um die organisatorische und konstruktive Einheit der Spule LCC mit dem Metallkern AL entsprechend dem Stand der Technik ist nicht Gegenstand der Erfindung nach.
• Eine bauliche Ausführung als Zugankerkonstruktion zeigt schematisch und skizzenhaft die Abbildung 3. Eine bauliche Ausführung als oszillierendes Schwingsystem zeigt schematisch und skizzenhaft die Abbildung 4. Eine bauliche Ausführung mit angedeutetem Kurbeltrieb zeigt schematisch und skizzenhaft die Abbildung 5.
• Bezugszeichenliste

AL

Metallkern

LCC

Lagrange kohärente Spule (LCC)

A, E

Anfang und Ende der LCC-Spulenwicklung.

F

mechanische Feder

K

Kurbelktrieb

• Ergänzungen zur Skizze 2

GL

Gleichspannungsquelle

S

Schalter

C

Kondensator

• Die für Linearmotoren oder Zugmagnete vom Stand der Technik verwendeten elektrischen Spulen folgen dem topologischen Prinzip einer konzentrischen Spirale.
• Die Spule für Kraftmaschinen nach Anspruch 1 verwendet ein anderes topologisches Prinzip. Hierzu denke man sich zunächst einen Draht zu einer länglichen Leiterschleife ausgelegt. Der Draht bildet die Topologie eines Lagrange'schen kohärenten Objekts aus. Dieses bilaterale Gebilde aus Draht kann nun zu einer konzentrischen Spule gewickelt werden; eine Lagrange kohärente Spule (nachfolgend genannt: Lagrangian Coherent Coil, LCC) entsteht. Das topologische Prinzip einer konzentrischen LCC-Spule aus (in der Regel Kupfer-) Draht besitzt mit die Elemente A Anfang der (Draht-) Wicklung, E Ende der (Draht-) Wicklung und die bilaterale (Draht-) Wicklung W des Drahtgewirkes nach Anspruch 1. Den prinzipiellen Aufbau einer konzentrischen LCC-Spule zeigt in schematischer Weise die Skizze 1. Spulen nach Anspruch 1 für Kraftmaschinen besitzen einen kreisrunden Freiraum, wie er für Zugmagnete vom Stand der Technik üblich ist.
• Die Topologie der ausgelegten Leiters repräsentiert ein Lagrange kohärentes Objekt. Nach Anspruch 1 bildet der Draht die Topologie eines bilateralen Gebilde (Lagrange kohärentes Objekt) aus, das zu einer bilateralen, konzentrischen Spule gewickelt ist.
• Berechnet man für diese Topologie bilateraler Gestalt ein und desselben Leiters (kohärentes Objekt) die elektrische Kraftwirksamkeit, kommt es - rein mathematisch gesehen - zu einer „Aufhebung der Kraftwirkungen“, da diese ja richtungsabhängig (Lagrange) und aufgrund der Schleifenform-Gestalt des kohärenten Objekts entgegengerichtet sind. Die „Aufhebung“ der Kraftwirkungen ist aber nur scheinbar gegeben. In Wirklichkeit bleibt die Energie bis zur „Entladung“ im Betrieb erhalten.
• In einer elektrischen Schaltung benötigen wir einen Kondensator, der ein elektrisches Potential aufbaut, lädt und hält. Unter Gleichstrom erreicht das System nach der Ladezeit T einen stationären Zustand. Nun sei der elektrische Kreis „plötzlich“ unterbrochen. Die schematische Skizze 2 stellt vereinfachend eine derartige Schaltung mit der Spule LCC dem zylindrischen Metallkern AL und den weiteren elektrischen Komponenten, der Gleichstromquelle GL, einem Schalter S und einem Kondensator C dar. Die Plötzliche Unterbrechung des Schaltungskreises bedeutet nun eine Änderung des magnetischen Flusses. Das elektrische Feld bricht zusammen und es kommt zu einer elektromagnetischen Induktion. Unter elektromagnetischer Induktion versteht man das Entstehen eines elektrischen Feldes bei einer Änderung des magnetischen Flusses (nach Michael Faraday).
• Durch die plötzliche Unterbrechung fällt das elektrische Feld um das Spulensystem herum zusammen. Die dem System innewohnende Energie ist aber noch da! Sie kann nicht verloren gehen. Dem entsprechend induziert die Unterbrechung des stromdurchflossenen Leiters eine Kraft längs der Achse des zylindrischen Metallkerns. Der Zustand ist nichtstationär.
• Erfindungsgemäß bildet nach Anspruch 1 ein Draht die Topologie einer bilateralen Struktur aus. Die Topologie der ausgelegten Leiters repräsentiert hier also ein Lagrange kohärentes Objekt, das zu einer bilateralen, konzentrischen Spule gewickelt ist. Im Strom durchflossenen Zustand kommt es deshalb scheinbar zu einer Aufhebung von Impuls- und Kraftwirkung, da diese richtungsabhängig sind (Lagrange) und aufgrund der Schleifenform-Gestalt des kohärenten Objekts einander entgegengerichtet sind. Wird der Stromkreis unterbrochen, kommt es zu einer „schlagartigen“ Induktionswirkung, die zum Antrieb als Zugankerkonstruktion als oszillierendes Schwingsystem oder einer intermittierend arbeitenden Kraftmaschine genutzt werden kann.
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• Nachtigall, W.; Blüchel, K. Das große Buch der Bionik. Stuttgart: Deutsche Verlags Anstalt: 2000 [0026]
• Mirtsch, F.; Dienst, M.: FlowBow-Artifizielle adaptive Strömungskörper nach dem Vorbild der Natur. In: Forschungsbericht der Technischen Fachhochschule Berlin 2005 [0026]
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• Pfeiffer,Rolf; Bongard, Josh (2007): How the body shapes the way we think, The MIT Press [0026]
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• Rechenberg, Ingo, (1994) Evolutionsstrategie. Frommann Holzboog Verlag Stuttgart- Bad Cannstatt [0026]
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Claims (6)

1. Kraft induzierende elektrische Spule dadurch gekennzeichnet, dass die Spule zum Aufbau von geradlinig bewegten Antrieben genutzt werden kann.
2. Elektrische Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft induzierende elektrische Spule eine Drahtwicklung in der Form einer Schleife besitzt derart, wie sie natürliche fluidische Wirbelstrukturen bilden.
3. Elektrische Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Die Gestalt und das Wirkprinzip fluidischer Strukturen (so genannte Lagrangian coherent structures, LCSs) auf eine Kraft induzierende elektrische Spule übertragen wird.
4. Elektrische Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Gestalt und das Wirkprinzip für Zugankerkonstruktion verwendet werden kann.
5. Elektrische Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Gestalt und das Wirkprinzip für einen oszillierenden Schwinger verwendet werden kann.
6. Elektrische Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Gestalt und das Wirkprinzip für einen Kurbeltrieb verwendet werden kann.

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