DE2355728A1 - Reciprocating electrical machine - has piston and cylinder with armature winding and permanent magnet field - Google Patents

Reciprocating electrical machine - has piston and cylinder with armature winding and permanent magnet field

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DE2355728A1 DE19732355728 DE2355728A DE2355728A1 DE 2355728 A1 DE2355728 A1 DE 2355728A1 DE 19732355728 DE19732355728 DE 19732355728 DE 2355728 A DE2355728 A DE 2355728A DE 2355728 A1 DE2355728 A1 DE 2355728A1
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Abstract

The machine may be used as a motor to drive a pump or compressor, or as a generator using hydraulic, pneumatic or thermal energy as the prime mover. Typically the piston is of permanent magnet material and moves inside a cylinder surrounded by a winding connected to electrical terminals. Alternatively the piston can be the armature, being connected to the supply by brushes, with a permanent magnet cylinder block. In a combustion engine application the ends of the cylinder can be the combustion chambers with necessary inlet and outlet valves. The cylinder and piston may also take the form of a rotary engine of the wankel type.

Description

Gerhard ITöltner, 623 PrarJL'furt hm riain - 80, Sossenheimer Weg 33aGerhard ITöltner, 623 PrarJL'furt hm riain - 80, Sossenheimer Weg 33a

Aktenzeichen: P
23. Oktober 1973Case number: P
23rd October 1973

MotorgeneratorEngine generator

Gegenstand der Erfindung ist ein Motorgenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer, der auch umgekehrt elektrische Energie • in mechanische umformt.The invention relates to a motor generator for generating electrical Mechanical energy, which also converts electrical energy • into mechanical energy.

Es ist bekannt, aus der hin- und hergehenden Kolbenbewegung einer Kraftmaschine mit Hilfe eines Kurbeltriebs eine Drehbewegung zu erzeugen. Diese Drehbewegung wird dann in den meist mechanisch gekuppelten Arbeitsmaschinen z. B. Pumpen, Verdichtern, Getrieben, Generatoren in hydraulische, elektrische, pneumatische oder Bewegungsenergie umgeformt. Dabei wird der Energiebedarf an der Arbeitsmaschine geregelt, indem nan an der Kraftmaschine durch Yerstellen von Druck, Zündzeitpunkt, Luft- oder Gasaenge die Drehzahl verändert.It is known from the reciprocating piston movement of an engine to generate a rotary movement with the help of a crank drive. This rotary movement is then carried out in the mostly mechanically coupled machines z. B. pumps, compressors, gears, generators in hydraulic, transformed into electrical, pneumatic or kinetic energy. The energy demand on the machine is regulated by nan on the Power engine by setting pressure, ignition point, air or gas volume the speed changed.

In Sonderfällen, z. B. bei bestimmten Dieselloks der Deutschen Bundesbahn wird schon die mechanische Energie eines Dieselmotors mit einem herkömmlichen Generator in elektrische Energie umgeformt, die einen Speicher aufläd. Bei Bedarf entnimmt dann der elektrische Antrieb, der Lok seine Energie aus dem Sp.eicher. ...In special cases, e.g. B. on certain diesel locomotives of the Deutsche Bundesbahn the mechanical energy of a diesel engine is converted into electrical energy with a conventional generator Charging memory If necessary, the electric drive then removes the Lok gets his energy from the memory. ...

Besonders nachteilig bei diesen Verfahren sind hohe Umweltbelastung im Leerlauf- und Teillastbereich der Kraftmaschine durch Schadstoffe im Abgas und Lärm, sowie schlechter Wirkungsgrad.Particularly disadvantageous in these processes are high environmental pollution Idle and partial load range of the engine due to pollutants in the exhaust gas and noise, as well as poor efficiency.

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•oU »• oU »

Die erfindungsgemäße Yorri clituag vexmeidet· diese Nachteile. Der Motorgenerator, bestehend aus Kolben und Kammer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus permanentmagnetischem Material und die Kammer mit •mindestens einer elektrischen Strom leitenden Wicklung versehen ist. Der Kolben kann auch als Elektromagnet ausgebildet sein, der über Bürsten erregt wird. Die Kammer kann auch als Permanentmagnet ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Kammer als Zylinder ausgebildet und trägt Ausnehmungen für die Strombürsten. Ordnet man in der Kammer mindestens zwei magnetisch polarisierte Kolben an, so kann man den Raum zwischen den Kolben als Brennkammer mit Einrichtungen für Energiezufuhr und Abführung von Rückständen ausbilden.The invention Yorr i clituag vexmeidet · these disadvantages. The motor generator, consisting of a piston and a chamber, is characterized in that the piston is made of permanent magnetic material and the chamber is provided with at least one winding that conducts electrical current. The piston can also be designed as an electromagnet that is excited by brushes. The chamber can also be designed as a permanent magnet. The chamber is preferably designed as a cylinder and has recesses for the power brushes. If at least two magnetically polarized pistons are arranged in the chamber, the space between the pistons can be designed as a combustion chamber with devices for supplying energy and removing residues.

Sie formt also die mechanische Bewegungsenergie eines hin- und hergehenden oder rotierenden Kolbens direkt in elektrische Energie um. Dabei ist der Kolben bevorzugt als Magnet ausgebildet und erzeugt in der Wicklung des Zylinders eine Spannung, die einen Strom fließen läßt.So it forms the mechanical kinetic energy of a back and forth movement or rotating piston directly into electrical energy. The piston is preferably designed as a magnet and is generated in the winding of the cylinder a voltage that allows a current to flow.

Das Anlassen der Vorrichtung als Brennkraftmaschine kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Wicklung erfolgen, bis bei gleichzeitiger Luft- und Brennstoffzufuhr durch Eigen- oder Fremdzündung ein Lauf ohne Fremdhilfe erreicht ist.The device can be started as an internal combustion engine by applying it an electrical voltage is applied to the winding until at the same time Air and fuel supply by internal or external ignition a run without external help is achieved.

.Der Betrieb des Motorgenerators durch Anschluß einer elektrischen Spannung an die Wicklung ermöglicht auch seinen Einsatz als Pumpe und Verdichter, indem der. Kolben einen hydraulischen oder pneumatischen Druck oder Unterdruck erzeugen kann..The operation of the motor generator by connecting an electrical voltage to the winding also enables its use as a pump and compressor, by the. Piston can generate a hydraulic or pneumatic pressure or negative pressure.

In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung in Ausführungsbei- ;spielen dargestellt.In the drawings, the subject matter of the invention is in exemplary embodiment ; play shown.

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Es zeigenShow it

Figur 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mit Flüssigkühlung des Zylinders und Kolben als Dauermagnet sowie Gaskühlung des Kolbens. Figure 1 is a longitudinal section through the device with liquid cooling of the Cylinder and piston as a permanent magnet as well as gas cooling of the piston.

Figur 2 einen Längsschnitt durch die Torrichtung mit Zylinder als Magnet und Kolben als Wicklung mit Bürstenabgriff.FIG. 2 shows a longitudinal section through the direction of the door with a cylinder as a magnet and piston as winding with brush tap.

Figur 3 Querschnitt eines unrunden Zylinders.Figure 3 cross section of a non-circular cylinder.

Figur 4 Längsschnitt und Ausschnitt eines fremderregten Kolbens.FIG. 4 longitudinal section and detail of an externally excited piston.

Figur 5 Längsschnitt durch die Vorrichtung nach dem Prinzip des Wankelmotors. Figure 5 is a longitudinal section through the device based on the principle of the Wankel engine.

Figur 6 Schema eines Fahrzeugantriebs.Figure 6 Scheme of a vehicle drive.

Figur 7 Längsschnitt durch die Vorrichtung mit zwei Kolben.FIG. 7 longitudinal section through the device with two pistons.

Der Kolben (1) ist als Magnet mit einem Nordpol (2) und Südpol (3) ausgeführt und bewegt sich in einem Zylinder (4)? dessen Wand als Wicklung (6) ausgeführt ist. -Verbrennungsrauin (7) ist verdichtet. Verbrennungsraum (7a·) hat fast sein größtes Volumen. Einlaßventil (11) und Auslaßventil (1O) werden abwechselnd geöffnet und geschlossen.The piston (1) is designed as a magnet with a north pole (2) and a south pole (3) and moves in a cylinder (4)? whose wall is designed as a winding (6). - Combustion roughness (7) is compressed. Combustion chamber (7a) has almost its largest volume. Inlet valve (11) and outlet valve (1O) are opened and closed alternately.

Dureh.Verbrennung eines ■ zündfähigen Gemisches oder auch durch Einleitung von gespannter Flüssigkeit, Gas, Dampf oder Druckluft wird abwechselnd in den Verbrennungsräumen (7) (7a·) ein Druck erzeugt, der mit seiner Kraft P den Kolben (i) in die Richtung des Verbrennungsraumes schiebt, in dem der Druck nied-riger ist. - . 'By burning an ignitable mixture or by introducing it by pressurized liquid, gas, steam or compressed air, a pressure is generated alternately in the combustion chambers (7) (7a), which with its Force P pushes the piston (i) in the direction of the combustion chamber, in which the pressure is lower. -. '

Dabei muß der Kolben (1) nicht nur Trägheits- und Reibungskräfte überwinden, sondern auch dne Kraft Pm, die ihm das elektrisch Feld der Wicklung (6) entgegensetzt. Durch Überwindung dieser Kraft Pm wird in derThe piston (1) not only has to overcome inertia and frictional forces, but also the force Pm, which gives it the electrical field of the winding (6) opposed. By overcoming this force Pm in the

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Wicklung (5) eine Spannung eraeugb, die oei geschlossenem Stromkreis an den Klemmen (8) und (9) einen Strom fließen läßt, der von einem Verbraucher oder Speicher abgegriffen werden kann. Hierbei gelten die bekannten Gesetze des Magnetismus, der elektrischen Induktion und der elektromagnetischen Energie.Winding (5) generates a voltage that is oei closed circuit the terminals (8) and (9) allows a current to flow that can be tapped from a consumer or memory. The well-known laws of magnetism, electrical induction and electromagnetic energy apply here.

Die gleichen Gesetze gelten auch, wenn der Zylinder als Magnet (13) ausgebildet ist und der Kolben (17) eine Ankerwicklung trägt. Der Strom wird dann über die Bürsten (15) mit Bürstenhalter (16) abgegriffen.The same laws also apply if the cylinder is designed as a magnet (13) and the piston (17) carries an armature winding. The current is then picked up via the brushes (15) with the brush holder (16).

Die gleiche Konstruktion kann verwendet werden, um den Magnetkolben (1) fremd zu erregen, der in Figur 1 als Dauermagnet ausgeführt ist. Bevorzugt wird der Kolben aus Verbundwerkstoffen hergestellt, um seine Masse herabzusetzen. Dauermagnetpole (2 und 5) s-us Dynamoblech, legiertem .Sonderstahlguß wie Örstit oder fremderregte Pole sowie Wicklungen (14) werden dann isoliert (6) in den leichteren Kolbenwerkstoff eingelagert. Die Anschlußklemmen (18) kann man isoliert (6) bis zu den Bürsten führen. The same construction can be used to make the magnetic piston (1) to excite foreign, which is designed in Figure 1 as a permanent magnet. Preferably, the piston is made of composite materials to maintain its mass to belittle. Permanent magnet poles (2 and 5) s-us dynamo sheet, alloyed .Special cast steel such as Örstit or separately excited poles and windings (14) are then insulated (6) embedded in the lighter piston material. The connection terminals (18) can be insulated (6) as far as the brushes.

Die Wicklung ist, wie die Anordnung der Magnete, bevorzugt in geteilter Ausführung und entgegengesetztem Sinn ausgeführt, damit bei einem Hub zwei gleichgerichtete Ströme entstehen. Bei gleicher Ausführung der Wicklungen oder Pole werden die entgegengesetzten Ströme getrennt abgegriffen und umgeformt oder gleichgerichtet.The winding, like the arrangement of the magnets, is preferably split Execution and executed in the opposite sense, thus with a hub two rectified currents arise. If the windings or poles are the same, the opposite currents are tapped separately and transformed or rectified.

Zylinder (4) "und Kolben (i) können auch andere als kreisrunde Querschnitte aufweisen. Der Kolben kann an seinem Uordpol einen de'm Südpol unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.Cylinder (4) ″ and piston (i) can also have cross-sections other than circular exhibit. The piston can at its Uordpol a de'm South Pole have different cross-sections.

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Die überschüssige Wärme des Motorgenerators wird durch Flüssigkeit (19) oder Gas abgeführt und kann, wie bei Brennkraftmaschinen üblich, für Verbrennungsluftvorwärmung oder Heizungszwecke verwertet werden. Besonders vorteilhaft kann man den Raum zwischen Nord.- (2) und Südpol (3) mittels eines Flüssigkeits- oder Gasstromes kühlen, indem man das Kühlmittel bei (20) einleitet und bei"(21J abführt.The excess heat from the engine generator is absorbed by liquid (19) or gas and can, as is usual with internal combustion engines, for combustion air preheating or heating purposes. It is particularly advantageous to use the space between the north (2) and south pole (3) cool a liquid or gas stream by adding the coolant to (20) and leads off at "(21J.

In dem Raum zwischen Kord- und Südpol besteht auch die Möglichkeit, die Kolbenwand zu schmieren, indem man Schmieröl eindüst, eintropft oder den Raum mit Schmieröl füllt.In the space between the Cord and the South Pole there is also the possibility of the To lubricate the piston wall by spraying in, dripping in or the Fills space with oil.

Da der Motorgenerator auch ohne Ventile mit Spülung ähnlich dem Zweitaktverfahren bei Brennkraftmaschinen mit Spülschlitzen in der Zylinderwand betrieben werden kann, ist allein der Kolben zu schmieren.Since the engine generator is also without valves with flushing similar to the two-stroke process can be operated in internal combustion engines with scavenging slots in the cylinder wall, only the piston has to be lubricated.

Der Motorgenerator erzeugt bei einer Hubzahl von JOOO pro Minute eine Wechselspannung von 50 Hz. -Höhere Hubzahlen heben die Frequenz an, niedrigere senken sie. Bei 1200 Hüben pro Minute liegt die Frequenz z. B. bei 20 Hz. , <The motor generator generates one stroke rate of JOOO per minute AC voltage of 50 Hz. -Higher strokes increase the frequency, lower ones lower them. The frequency is 1200 strokes per minute z. B. at 20 Hz., <

Stöße des Kolbens (1) bei der gezeichneten Ausführung lassen sich ausgleichen, wenn man einen zweiten oder mehrere Motorgeneratoren parallel oder in Reihe schaltet, wobei die Kolben entgegengesetzt laufen.Impacts of the piston (1) in the version shown can be compensated, if you connect a second or more motor-generators in parallel or in series, with the pistons running in opposite directions.

Legt man die Klemmen der Wicklungen (5) an eine elektrische Spannung, so bewegt sich der Kolben (1), um der elektrischen Kraft des Feldes auszuweichen. Bei einer wechselnden Spannung und Stromrichtung bewegt sich der Kolben hin und her und verdichtet die Verbrennungsräume (7) .(7a) ohne andere Hilfe. Aus diesen Räumen kann durch Ventile oder Schlitze verdichtetes Gas oder Flüssigkeit entnommen werden.If the terminals of the windings (5) are connected to an electrical voltage, the piston (1) moves in order to avoid the electrical force of the field. When the voltage and current direction change, the piston moves back and forth and compresses the combustion chambers (7) (7 a ) without any other help. Compressed gas or liquid can be withdrawn from these spaces through valves or slots.

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Auch eine Brennkraftmaschine nach dem Prinzip des Wankelmotors läßt sich als Motorgenerator betreiben. Man kann den Kreiskolben (22) als Magnet ,ausbilden und das Gehäuse mit Wicklungen (5) versehen. Die Beschreibungen für den Hubkolben gelten entsprechend.An internal combustion engine based on the principle of the Wankel engine can also be used operate as a motor generator. The rotary piston (22) can be used as a magnet , form and the housing is provided with windings (5). The descriptions apply accordingly to the reciprocating piston.

Der Motorgenerator (24) wird besonders vorteilhaft mit einem Speicher (26) zusammen betrieben, der ihn mit Schalter (29) über Meßgerät (25) einschaltet, wenn die untere Speichergrenze erreicht ist und ausschaltet, wenn der Speicher voll ist. Eine Drehzahl- oder Leistungsregelung kann bei dieser Schaltung weitgehend entfallen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Motorgenerator mit konstanter Hubzahl, bei seinem besten Wirkungsgrad und der geringsten Umweltbelastung zu betreiben. Der Verbraucher (28), bevorzugt einen Elektromotor, entnommt seine Energie über einen Leistungs- oder Drehzahlregler aus dem Speicher (26).The motor generator (24) is particularly advantageous with a memory (26) operated together, which controls it with switch (29) via measuring device (25) switches on when the lower memory limit is reached and switches off when the memory is full. A speed or power control can largely be omitted with this circuit. This makes it possible to use the motor generator with a constant number of strokes to operate with the best efficiency and the least environmental impact. The consumer (28), preferably an electric motor, takes his Energy via a power or speed controller from the memory (26).

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Claims (6)

Patentansprüche;Claims; ( 1.lMotorgenerator, bestehend aus Kolben und Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus permanentmagnetischem Material besteht und die Kammer mit mindestens einer elektrischen Strom leitenden ¥icklung versehen ist.(1.lMotor generator, consisting of piston and chamber, characterized in that the piston consists of permanent magnetic material and the chamber with at least one electrical current-conducting winding is provided. 2. Motorgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben als Elektromagnet' ausgebildet ist.2. Motor generator according to claim 1, characterized in that the piston is designed as an electromagnet '. 3· Motorgenerator,. bestehend aus Kolben und Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben als Elektromagnet und die Kammer als Permanentmagnet ausgebildet sind.3 motor generator ,. consisting of piston and chamber, characterized in that that the piston as an electromagnet and the chamber as a permanent magnet are trained. 4· Motorgenerator nach Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer als Zylinder ausgebildet ist.4 · Motor generator according to claim 1 to 3> characterized in that the chamber is designed as a cylinder. 5· Motorgenerator nach den Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer Ausnehmungen für Strombürsten aufweist.5 · Motor generator according to claims 2 and 3 »characterized in that that the chamber has recesses for power brushes. 6. Motorgenerator, bestehend aus Kolben und Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer mindestens zwei magnetisch polarisierte Kolben angeordnet sind und.die Kammer zwischen den beiden Kolben als Brennkammer mit Einrichtungen für Energiezufuhr und Abführung von Energierückständen ausgebildet ist.6. Motor generator, consisting of piston and chamber, characterized in that at least two magnetically polarized in the chamber Pistons are arranged und.die chamber between the two pistons as a combustion chamber with devices for energy supply and discharge is formed by residual energy. 509820/0126509820/0126
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