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Die Erfindung betrifft eine Energiewandlungsvorrichtung zur Wandlung eines durch Magnetkraft erzeugten Potentials in eine kinetische Energie, umfassend: eine U-förmig ausgestaltete Magnetanordnung mit zwei endseitigen Pol-Enden.
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Die Nutzung und Wandlung eines magnetischen Kraftfeldes zur Erzeugung einer Bewegung ist für viele Bereiche der Technik eine grundlegend genutzte Energiewandlung; Beispiele hierfür finden sich in Elektromotoren oder elektromagnetischen Linearaktuatoren. Bei dieser Art der Energiewandlung wird stets eine mit möglichst wenig Verlusten verbundene Wandlung der durch elektrische Energie erzeugten Magnetkräfte in eine rotierende oder lineare Bewegung mit einem Drehmoment bzw einer Kraft angestrebt.
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Aus anderen Anwendungsfällen ist die Nutzung einer Magnetkraft als Haltekraft bekannt, die durch eine relative Bewegung von zwei Magneten zueinander oder eine Aktivierung und Deaktivierung eines Elektromagneten als Gegenpolanordnung zu einem Permanentmagneten eine Magnetkraftwirkung und eine magnetkraftfreie Konstellation erlaubt. Solche Anordnungen sind beispielsweise aus
DE1589085 und
DD56323 vorbekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Hinblick auf die Wandlungsverluste verbesserte Energiewandlungsvorrichtung zur Nutzung einer Magnetkraft bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Energiewandlungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche fortgebildet ist durch
- - eine drehbar gelagerte Welle, welche sich mindestens zwischen den beiden Polen der Magnetanordnung erstreckt, wobei die Welle in einem sich zwischen den beiden Polen und über die beiden Pole erstreckenden Wellenbereich einen Abschnitt aufweist, der im Querschnitt in zumindest einen ersten Umfangsabschnitt aus einem ersten Material und einen zweiten Umfangsabschnitt aus einem zweiten Material unterteilt ist, das eine geringere relative Permeabilitätszahl hat als das erste Material, und
- - eine Kraftabnahmevorrichtung, welche ein bewegliches, benachbart zu der Magnetanordnung angeordnetes Element umfasst, das ausgebildet ist, um durch eine sich ändernde Magnetkraft der Magnetanordnung bewegt zu werden.
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Die erfindungsgemäße Energiewandlungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine rotierende Welle ein magnetischer Flusskreis periodisch geöffnet und geschlossen wird und hierdurch im magnetischen Flusskreis eine wechselnde magnetische Flussintensität und folglich wechselnde magnetische Wirkung erzeugt wird. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die beiden Pol-Enden einer Magnetanordnung durch eine rotierende Welle miteinander in magnetischer Flussverbindung stehen können, wobei die Welle in ihrem Querschnitt in zumindest einem Längsabschnitt in zumindest zwei Umfangsabschnitte unterteilt ist, von denen einer eine bessere magnetische Leitfähigkeit aufweist als der andere.
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Insbesondere kann der eine erste Wellenabschnitt eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweisen, also durch ein magnetisch leitendes Material gebildet werden, wohingegen der zweite Umfangsabschnitt der Welle durch einen magnetischen Isolator gebildet wird. Dabei ist im erfindungsgemäßen Sinne als ein magnetischer Isolator ein Material mit einer geringen magnetischen Leitfähigkeit zu verstehen, was insbesondere auch Luft als ein solches Material einschließt, wodurch die Welle mit einer Ausnehmung ausgeführt sein kann, die den zweiten Umfangsabschnitt ausbildet.
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Hierdurch wird erreicht, dass bei rotierender Welle periodisch die beiden Pole magnetisch leitend miteinander verbunden und voneinander isoliert werden, was die unterschiedlichen Magnetflussbedingungen bewirkt.
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Ein bewegliches Element ist eng benachbart zu dem Magneten angeordnet und auf dieses Element wird durch die periodisch wirkende Magnetkraft eine periodisch wechselnde Magnetanziehungskraft ausgeübt. Dieses bewegliche Element kann hierdurch in eine periodische, reziproke Bewegungsform versetzt werden. Für das bewegliche Element sind grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen möglich; es kann eine lineare oder rotierende Bewegung ausführen, es kann durch eine elastische Feder vorgespannt in eine Position sein und es kann durch Gelenke, Hebel und dergleichen seine Bewegung und Kraft übertragen.
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Die in zumindest zwei über den Querschnitt verteilte Umfangsabschnitte unterteilte Welle stellt ein funktional bedeutsames Element der erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung dar und ist bevorzugt so ausgebildet, dass der erste Umfangsabschnitt magnetisch leitend ist und der zweite Umfangsabschnitt magnetisch nichtleitend ist, insbesondere solcherart, dass das erste Material eine relative Permeabilitätszahl größer 300 und das zweite Material eine relative Permeabilitätszahl kleiner als 10 aufweist. Eine solcherart ausgebildete Welle wird erfindungsgemäß als „Gericksche Welle“ bezeichnet. Durch die unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeiten der beiden Umfangsabschnitte wird die unterschiedliche magnetische Flussbedingung in dem magnetischen Flusskreis erzeugt. Je größer der Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit der beiden Umfangsabschnitte ist, desto größer ist auch der Unterschied der magnetischen Flussbedingungen und folglich der durch den Magneten ausgeübten magnetischen Kraftamplitude.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der erste und der zweite Umfangsabschnitt sich jeweils über einen Umfangswinkel von mehr als 160° erstrecken, vorzugsweise über einen Umfangswinkel von 180°. Grundsätzlich kann die Welle aus zwei oder mehr Umfangsabschnitten gebildet sein, wobei es bevorzugt ist, dass die Welle aus genau zwei Umfangsabschnitten aufgebaut ist, also durch zwei Halbwellenabschnitte gebildet wird, die sich vorzugsweise über einen Umfangswinkel von 180° erstrecken. Durch diese Ausgestaltung der beiden Umfangsabschnitte ist eine magnetische Kopplung an die beiden Polenden besonders wirksam ausführbar und eine geringe Verlustwirkung des übertragenen Magnetflusses erreichbar.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass zumindest ein, vorzugsweise beide Pol-Enden der Magnetanordnung die Welle über einen Umschlingungswinkel umschließen. Ein solcher Umschlingungswinkel wird erreicht, indem die beiden Pol-Enden nicht als plane Stirnfläche ausgeführt sind, sondern als gekrümmte Stirnflächen, die sich über den entsprechenden Umschlingungswinkel um die Welle herum erstrecken.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Umschlingungswinkel weniger als 10° von dem Umfangswinkel abweicht, insbesondere dem Umfangswinkel entspricht. Durch eine solche näherungsweise oder vollständige Übereinstimmung von Umschlingungswinkel und Umfangswinkel wird erreicht, dass die beiden Pol-Enden in einer Rotationsposition der Welle eine optimierte, über einen größeren Winkelbereich sich erstreckende Übertragung des Magnetflusses von den beiden Pol-Enden zum ersten Umfangsabschnitt der Welle erreichen können und hierdurch eine hohe Magnetflussübertragung erzielt wird.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der erste Umfangsabschnitt aus einem magnetisier baren Metall ausgebildet ist. Ein magnetisierbares Metall eignet sich besonders gut für den ersten Umfangsabschnitt, da hierdurch eine sehr verlustarme Magnetflussübertragung durch den Umfangsabschnitt der Welle möglich wird. Als magnetisierbares Metall ist insbesondere ein ferromagnetisches Metall zu verstehen.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der zweite Umfangsabschnitt als Luftspalt oder aus einem Holzwerkstoff oder aus Kunststoff oder aus einem nicht magnetisierbaren Metall ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung des zweiten Umfangsabschnitts in einer dieser drei alternativen Ausgestaltungen wird eine hohe magnetische Isolationswirkung durch den zweiten Umfangsabschnitt erzielt, also eine relative Permeabilitätszahl erreicht, die nahe null ist und folglich einen hohen Unterschied zu der magnetischen Leitfähigkeit des ersten Umfangsabschnitts erreicht. Dies ist, wie zuvor erläutert, vorteilhaft, um eine vorteilhafte periodisch wirkende Magnetflussbedingung mit hoher Amplitude zu erzielen.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn das bewegliche Element der Kraftabnahmevorrichtung mit der drehbar gelagerten Welle gekoppelt ist und eine Antriebskraft auf die drehbar gelagerte Welle ausübt. Gemäß dieser Fortbildung wird ein Teil oder die vollständige durch das bewegliche Element erzeugte mechanische Energie für den Antrieb der drehbar gelagerten Welle eingesetzt und hierzu eine entsprechende mechanische Kopplung vorgesehen. Insbesondere kann hierzu ein Kurbeltrieb mit entsprechender Umlenkmechanik vorgesehen sein, andere Antriebsformen und Kopplungsmechanismen sind ebenfalls denkbar.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn die Pol-Enden eine teilzylinderförmige Stirnfläche ausbilden, welche die Welle vorzugsweise über einen Umschlingungswinkel von 180° umschlingt und weiter vorzugsweise mit einem Spalt von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger al 0,1 mm von der Welle beabstandet ist. Durch eine solche teilzylinderförmige Stirnfläche, nach Art einer Halbschale, wird eine wirksame Übertragung des Magnetflusses erreicht, zugleich eine günstige Fertigungsweise ermöglicht, die eine Fertigung der Pol-Enden im Verhältnis zu der Welle mit sehr geringen Toleranzen ermöglicht und dadurch aufgrund eines sehr engen Spaltes zwischen den Pol-Enden und der Welle eine verlustarme Übertragung des Magnetflusses erreicht. Dabei ist zu verstehen, dass die Spaltweite zwischen den Pol-Enden und der Welle möglichst gering ist, jedoch nicht die Toleranz der Lagerung der Welle unterschreitet, sodass eine stets berührungsfreie Bewegung zwischen Welle und den Pol-Enden gewährleistet ist.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Spalt zwischen den Pol-Enden und der Welle durch eine magnetisch leitfähige Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Füllung des Spaltes zwischen den Pol-Enden und der Welle mit einer magnetisch leitfähigen Flüssigkeit wird die Übertragung des Magnetflusses noch weiter verbessert und hierdurch die Verluste minimiert bzw. die Amplitude der Kraftwirkung bei Magnetfluss und Magnetisolation maximiert.
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Es ist weiter bevorzugt, wenn die Magnetanordnung durch einen oder mehrere die Magnetbasis bildende Stabmagneten und zwei magnetisch leitfähige, insbesondere magnetisierbare Schenkel gebildet wird, die stoffschlüssig mit der Magnetbasis verbunden sind. Durch eine solche Ausgestaltung der Magnetanordnung wird ein Aufbau mit hoher Magnetkraft erzielt und der Einsatz von starken Permanentmagneten ermöglicht. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Magnetbasis und den magnetisierbaren Schenkeln kann dabei beispielsweise durch Verschweißung erreicht werden. Weiterhin ist zu verstehen, dass anstelle der magnetisierbaren Schenkel auch Permanentmagneten als Schenkel eingesetzt werden können, um die magnetische Wirkung weiter zu verstärken.
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Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn die Magnetanordnung einen oder mehrere Permanentmagneten umfasst. Durch den Einsatz von Permanentmagneten wird eine hohe und dauerhafte Magnetwirkung in der erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung eingesetzt, die ohne den Einsatz einer für die Magnetkrafterzeugung notwendigen Energie auskommt.
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Schließlich ist es besonders bevorzugt, wenn die Kraftabnahmevorrichtung ausgebildet ist, um die Bewegung des Elements in eine elektrische Energie zu wandeln, insbesondere mittels magnetischer Induktion oder einem Piezo-Element. Auf diese Weise kann die sich periodisch ändernde Magnetkraft der Magnetanordnung zur Erzeugung einer elektrischen Energie genutzt werden.
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Ein Verfahren, welches entsprechend ausgeführt werden kann zur Energiewandlung durch Wandlung eines durch Magnetkraft erzeugten Potentials in eine kinetische Energie, umfasst die folgenden Schritte:
- - Drehen einer Welle, welche sich mindestens zwischen zwei endseitigen Pol-Enden einer U-förmig ausgestalteten Magnetanordnung erstreckt,
- - Periodisches Leiten des Magnetflusses zwischen den beiden Pol-Enden über die Welle und Unterbrechen des Magnetflusses zwischen den beiden Pol-Enden, insbesondere indem die Welle in einem sich zwischen den beiden Polen und über die beiden Pole erstreckenden Wellenbereich einen Abschnitt aufweist, der im Querschnitt in zumindest einen ersten Umfangsabschnitt aus einem ersten Material und einen zweiten Umfangsabschnitt aus einem zweiten Material unterteilt ist, das eine geringere relative Permeabilitätszahl hat als das erste Material, und
- - Abnehmen einer Kraft an der Magnetanordnung mittels einer Kraftabnahmevorrichtung, welche ein bewegliches, benachbart zu dem Magneten angeordnetes Element umfasst, indem das Element durch eine sich ändernde Magnetkraft des Magneten bewegt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung,
- 2: einen Querschnitt entlang der Linien A - A in 1,
- 3: eine schematische Frontalansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung, und
- 4: einen Querschnitt gemäß 2 der alternativen Ausführungsform gemäß 3.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst eine erfindungsgemäße Energiewandlungsvorrichtung eine U-förmig ausgestaltete Magnetanordnung 10, welche eine Basis 11 und zwei Schenkel 12, 13 umfasst, die sich in senkrechter Richtung von einer Grundplatte 20 auserstrecken.
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Auf der Grundplatte 20 sind jeweils außerhalb der Magnetordnung 10 zwei Lagerböcke 30a,b angeordnet, die an Ihrem oberen Ende eine reibungsarme Rotationslagerung 31a, b umfassen. Die Rotationslagerung der beiden Lagerböcke ist fluchtend zueinander angeordnet und nimmt eine Welle 40 auf und lagert diese drehbar um eine Wellenachse 40`. Die Welle 40 wird durch eine Antriebsvorrichtung 50 angetrieben und hierdurch in Rotation um die Wellenachse 40` versetzt.
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Die Magnetanordnung 10 ist im Ausführungsbeispiel durch mehrere starke parallel geschaltete Permanentmagneten, welche die Basis 11 ausbilden, und aus ferromagnetischem Stahl gebildete Schenkel 12, 13 ausgebildet, kann aber alternativ aber auch durch andere Formen von U-förmigen Magnetanordnungen gebildet werden.
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Frontal an der Magnetanordnung angeordnet ist eine Kraftabnahmevorrichtung, die in 1 nicht dargestellt ist, sondern anhand 2 nachfolgend erläutert wird.
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In 2 ist der rechte Schenkel 13 der Magnetanordnung in einem Querschnitt dargestellt. Wie ersichtlich, erstreckt sich der Schenkel von der Magnetbasis 11 bis zur Welle 40 und umschließt die Welle 40 mit einem halbkreisförmig ausgeschnittenen Endabschnitt 14 um 180°. Zwischen der Welle 40 und dem Pol-Ende des Magnetschenkels 12 ist ein minimaler Luftspalt 15 ausgebildet, dessen Luftspaltbreite in der Figur überzeichnet dargestellt ist und tatsächlich geringfügig oberhalb der Fertigungstoleranzgrenzen für die Welle und das Pol-Ende des Magnetschenkels 13 liegt. Hierdurch kann sich die Welle 40 kontaktlos und eng benachbart zu dem Pol-Ende 14 des Schenkels 13 der Magnetanordnung drehen.
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Die Welle 40 ist im gezeigten Querschnitt durch zwei Halbzylinder 41, 42 aufgebaut, die bündig zu einer kreisrunden Welle miteinander verbunden sind. Ein Halbzylinder 42 ist aus einem magnetisch nichtleitenden Material, also einem magnetischen Isolator ausgebildet. Dies kann bevorzugt Holz, ein Kunststoff oder dergleichen sein. Der andere Halbzylinder 41 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material, insbesondere einem ferromagnetischen Stahl ausgebildet.
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Grundsätzlich ist zu verstehen, dass sich die Welle zumindest in einem Abschnitt im Bereich zwischen den beiden Pol-Enden der Schenkel 12, 13 und diese einschließend funktionell in dieser in 2 gezeigten Konfiguration ausgebildet ist, insbesondere sich in der in 2 gezeigten Anordnung vom Pol-Ende des rechten Schenkels 13 bis zum Pol-Ende des linken Schenkels 12 erstreckt. In alternativen Ausgestaltungen kann jedoch die in 2 gezeigte Ausführungsform nur im Bereich eines der Pol-Enden selbst ausgeführt sein, sodass eine magnetische Isolationswirkung über einen Umfangswinkel von 180° erzielt wird und im Bereich zwischen den beiden Pol-Enden kann die Welle auch andersartig, beispielsweise als Vollwelle aus ferromagnetischen Stahl, ausgeführt sein.
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Durch die Rotation der Welle wird dadurch wechselweise einmal pro Vollumdrehung zwischen einer magnetisch voll leitenden Verbindung der beiden Pol-Enden der Schenkel 12, 13 und einer magnetisch voll isolierten Wirkung zwischen den beiden Pol-Enden hin- und hergeschaltet. Durch dieses Schalten wird die magnetische Kraft, die durch die Magnetanordnung 10 erzeugt wird, periodisch verstärkt und verringert.
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Eine Kraftabnahmevorrichtung 60, die durch einen linear beweglichen Stab 61 aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, der mit einem Ende 62 benachbart zur Magnetanordnung 10 angeordnet ist und durch eine Federkraft einer Schraubendruckfeder 63 vorgespannt ist in eine Richtung entgegen der Magnetkraftwirkung, die den Stab 61 an den Schenkel 13 der Magnetanordnung 10 anzieht, wird diese wechselnde Magnetkraftwirkung in eine hin- und hergehende (reziproke) lineare Bewegung gewandelt.
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Es ist zu verstehen, dass zahlreiche alternative Kraftabnahmevorrichtungen ausgeführt sein können, beispielsweise schwenkbare Lageranordnungen, andere translatorisch wirkende Anordnungen und Mischformen hieraus eingesetzt werden können. Weiterhin ist zu verstehen, dass die Kraftabnahmevorrichtung an einem Schenkel oder an beiden Schenkeln ausgeführt sein kann und die durch die Kraftabnahmevorrichtung erzeugten Energien aus der Kraft und dem Weg, der durch die wechselnde Anziehungskraft des Magneten erzeugt wird, zusammengeführt wird oder individuell voneinander einer Energienutzung zugeführt werden kann.
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Der Antrieb der rotierenden Welle kann teilweise aus einer entsprechenden Umlenkung über einen Kurbeltrieb aus der Kraftabnahmevorrichtung erfolgen.
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3 und 4 zeigen einer alternative Ausführungsform der Welle gemäß der Querschnittsdarstellung von 2. Bei dieser Ausführungsform ist die Welle 140 nicht aus zwei Halbschalen aufgebaut, sondern der nicht magnetisch leitfähige Umfangsabschnitt ist durch einen Luftspalt ausgebildet, der durch eine entsprechende Ausnehmung 142 in der Welle gebildet wird. Diese Ausnehmung 142 erstreckt sich über einen Umfangswinkel von 180° und kann sich über die gesamte Distanz zwischen den beiden Pol-Enden der Schenkel 112, 113 erstrecken und hierdurch die gewünschte magnetische Isolationswirkung erreichen. Der Ausschnitt kann auch nur im Bereich eines der beiden Pol-Enden oder beider Pol-Enden der Schenkel 112, 113 gebildet werden und hierdurch eine lokale Isolationswirkung erzielen. Der erste, magnetisch leitfähige Abschnitt 141 wird durch ein ferromagnetisches Material gebildet, aus dem vorzugsweise die gesamte Welle hergestellt ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung kann eine rotierende Bewegung der Welle 40, 140 in eine durch einen linearen Weg und eine linear gerichtete Kraft erzeugte Energie an der Kraftabnahmevorrichtung gewandelt werden und dieses Energie in geeigneter Weise weiter verwendet werden. Dabei besteht keine direkte mechanische Kopplung zwischen der Welle und dem linear bewegten Teil und die Energiewandlung kann ohne Einsatz von elektrischer Energie und der Gefahr eines Funkenflugs erfolgen. Die Energiewandlungsvorrichtung ist zudem in der Lage, eine Energiewandlung im Bereich geringer Kräfte mit geringen Verlustraten und reibungs- und verschleißarm zu bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1589085 [0003]
- DD 56323 [0003]
