DE2550221C3 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine zur Erzeugung einer periodischen, mechanischen Bewegung mittels stationärer Dauermagnete und dazu relativ beweglicher Dauermagnete.

Die Verwendung von Dauermagneten in umlaufenden elektrischen Maschinen ist hinreichend bekannt. Entweder wird mit Hilfe der Dauermagnete ein stationäres Magnetfeld erzeugt, in welchem sich auf einem Läufer angeordnete stromdurchflossene Leiter bewegen. Dieses Prinzip ähnelt demjenigen der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine. In anderen Fällen ist der Läufer als Permanentmagnet ausgebildet, der in einem Stator sitzt, längs dessen Umfangs ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird. Hierbei ist der Läufer bestrebt, synchron mit der Drehfeldfrequenz umzulaufen, womit hier das Prinzip der Synchronmaschine vorliegt.

Bei einer bekannten Maschine der eingangs genannten Art sind sowohl im Stator als auch im Rotor Dauermagnete vorgesehen, wobei zur Erzeugung eines Wechsel- bzw. Drehfeldes im Luftspalt dem permrnentmagnetischen Statorfeld periodisch ein elektrisch erregtes Magnetfeld überlagert wird, das in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Rotors gesteuert ist. Das elektrisch erregte Magnetfeld hebt den Fluß des permanentmagnetischen Feldes jeweils vorübergehend auf und bewirkt eine Umpolung der Polschuhe am Luttspalt, ohne jedoch die Permanentmagnete umzupolen. So ist nach Abschalten der elektrischen Erregung an den Polschuhen wieder das Magnetfeld der Permanentmagnete wirksam. Bei dieser bekannten Maschine ist zur Erzeugung des elektrisch erregten Magnetflusses während der betreffenden Halbperiode das Zuführen elektrischer Energie erforderlich.

Der Erfindung liegt dagegen der Gedanke zugrunde, die aufeinander einwirkenden Magnetfelder bei einer Maschine der eingangs genannten Art ausschließlich durch Dauermagnete zu erzeugen. Hierbei muß dafür Sorge getragen werden, daß durch eint fortlaufende magnetische Umpolung eine in mechanische Bewegung umsetzbare Kraft aufrecht erhalten wird. Man kann sich dazu die Erkenntnisse über die Ummagnetisierung von Permanentmagneten zunutze machen. Bekanntlich kann man einen Dauermagneten umpolen, indem man auf ihn eine elektrische Wicklung aufbringt und diese mit einer elektrischen Durchflutung beaufschlagt, die dem magnetischen Fluß entgegengerichtet ist Dabei tritt nach Überwindung der Koerzitivkraft, die dem endmagnetitisierten Zustand entspricht, ein in seiner Richtung umgekehrter remanenter Magnetismus ein, der sich in seiner Größe einerseits nach den Materialeigenschaften und andererseits nach der aufgebrachten elektrischen Durchflutung richtet.

Dabei ist besonders wichtig, daß diese elektrische Durchflutung nur kurzzeitig aufgebracht werden muß, denn nach Beendigung der Ummagnetisierung bzw. Umpolung der Magnetrichtung kann der Magnetisierungsstrom abgeschaltet werden, ohne daß die erzeugte Magnetkraft davon noch beeinflußt wird. Man hat festgestellt, daß in den in einzelne Dipole zerlegbaren Bezirken eines solrhen Permanentmagneten eine spontane Magnetisierung eintritt und somit die zeitliche Dauer des Magnetisierungsstroms nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Man benötigt deshalb zur jeweiligen Ummagnetisierung nur einen kurzzeitigen Stromimpuls, dessen zeitliche Dauer theoretisch soweit verkürzt werden kann, daß man die angestrebte Unimagnetisierung nahezu energielos bewerkstelligen kann.

Es sind schon permanentmagnetisch erregte, elektrisch schaltbare Lasthebemagnet·; bekannt, bei denen zwei parallel angeordnete Dauermagnete entweder parallel oder antiparallel gepolt sind. Hier soll die Umpolung des einen Dauermagneten bewirken, daß bei antiparalleler Polung kein Magnetfeld in den Außenraum dringt, damit die Anziehungskraft verschwindet und die Last abfallen kann. Eine Umwandlung der statisch permanentmagnetischen Kräfte in dynamische Kräfte, beispielsweise in ein Drehmoment, kann mit einer solchen bekannten Anordnung nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,

die weitgehend energiefreie Umpolung von Dauermagneten für die Gewinnung mechanischer Arbeit aus den eigentlichen Magnetkräften zu nutzen.

Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die beweglichen Dauermagneten durch eine periodische elektrische Umpolung der Magnetpole der stationären und/oder der beweglichen Dauermagnete von einer in ihrer Richtung entsprechend periodisch wechselnden Magnetkraft beaufschlagt sind.

Einerseits könnte man die Umpolung der Dauermagnete durch sogenannte Erregermagnete bewirken, vorteilhafter ist es jedoch, wenn zur elektrischen Umpolung der Magnetpole auf den Dauermagneten elektrische Wicklungen angeordnet sind, auf die jeweils ein der magnetischen Flußrichtung entgegenwirkender Stromimpuls aufgeschaltet wird.

Um eine fortlaufende Bewegung zu erreichen ist es von Vorteil, wenn die Wicklungen der Dauermagnete an einen oder mehrere impulsgeneratoren angeschlossen sind, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung der beweglichen Dauermagnete gesteuert sind.

Dabei kann man der Maschine von außen her durch entsprechende Vorgabe eines Steuerimpulses eine Bewegung aufzwingen, oder man kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Impulsgeneratoren unmittelbar von den beweglichen Dauermagneten steuern lassen.

Um eine für die Spontanmagnetisierung einerseits ausreichende und andererseits jedoch nicht darüber hinausgehende elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, ist es von Vorteil, wenn den Impulsgeneratoren Impulsverstärker für die Stärke und/oder die Dauer der Stromimpulse nachgeschaltet sind. Der jeweilige Impulsgenerator oder Impulsverstärker besitzt somit insbesondere ein Zeitglied, über das die Impulsdauer optimal kurz gehalten werden kann.

In vorteilhafter Ausführung der Erfindung sind ein oder mehrere der beweglichen Dauermagnete auf einer Geradführung hin- und herbeweglich angeordnet und dazu koaxial an den Enden der Geradfühiung die stationären Dauermagnete.

In anderer vorteilhafter Ausführung nach der Erfindung sind ein oder mehrere Dauermagnete drehbeweglich gelagert und längs ihrei Kreisbahn die stationären Dauermagnete angeordnet.

In weiterer vorteilhafter erfindungsgemäßer Ausführung sind ein oder mehrere der beweglichen Dauermagnete linear beweglich längs der entsprechend bahnförmig aneinandergereihten stationären Dauermagnete angeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Maschine mit linear hin- und herbeweglichem Dauermagneten und

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Maschine mit drehbeweglichem Dauermagneten.

Im einzelnen erkennt man in Fig. I zwei stationär angeordnete Dauermagnete 1 und 3. Beide tragen je eine Ummagnetisierungswicklung 2 und 4. Zwischen den beiden Dauermagneten 1 und 3 ist beweglich ein weiterer Dauermagnet 5 angeordnet, der auf einer Geradführung 6 gelagert ist. Er ist somit in Richtung der Pfeile A und Bgeradlinig hin· und herbeweglich. Nimmt man an, daß sich der Südpol des Dauermagneten 5 auf der in Richtung des Pfeil« A liegenden Seite befindet.

und einerseits der Dauermagnet 1 derart magnetisiert ist, daß sich sein Nordpol auf der dem Dauermagneten 5 zugev/andten Seite befindet, während der zweite stationäre Dauermagnet 3 mit seinem Nordpol in Richtung auf den beweglichen Dauermagneten 5 weist, dann bewegt sich der Dauermagnet 5 in Richtung des Pfeils A auf den ersten stationären Dauermagneten t zu. Die Bewegungsrichtung des Dauermagneten 5 kehrt sich um, sobald die Magnetisierungsrichtung der beiden ' stationären Dauermagnete 1 und 3 umgepolt si^d. Wenn nämlich der linke Dauermagnet 1 mit sc-mem Südpol in Richtung des beweglichen Dauermagneten 5 zeigt und ebenso der Südpol des zweiten stationären Dauermagneten 3 zum Dauermagneten 5 hin liegt, dann bewegt sich dieser letztere Dauermagnet 5 in Richtung des Pfeiles S, da seine Magnetisierungsrichtung unverändert bleibt.

Um die gewünschte Ummagnetisierung der Dauermagnete 1 und 3 zu bewirken, müsser Jie Ummagnetisierungswickiungen 2 und 4 kurzzeitig er cgi werden. Erreicht der Dauermagnet 5 bei seiner Bewegung in Richtung des Pfeiles A einen in der Nähe des Dauermagneten 1 angeordneten Taster 7, wird dadurch ein Impulsgenerator 8 angesteuert, der über einen Impulsverstärker 9 die Ummagnetisierungswicklungen 2 und 4 mit einem einzigen Stromimpuls versorgt. Dieser Stromimpuls ist hinsichtlich seiner Amplitude und Dauer derart bemessen, daß eint,- vollständige Ummagnetisierung der Dauermagnete 1 und 3 erreicht wird. Für das Eintreten der Spontanmagnetisierung ist vor allem die Impulsstärke bedeutsam, die Impulsdauer kann dagegen sehr klein gehalten werden.

Bewegt sich der Dauermagnet 5 in Richtung des Pfeiles B, erreicht er in der Nähe des zweiten stationären Dauermagneten 3 einen weiteren Endtaster 10, der wiederum einen Impulsgeber 11 ansteuert, welcher über einen Verstärker 12 einen Stromimpuls auf die beiden Ummagnetisierungswicklungen 2 und 4 gibt, der dem zuvor erzeugten Stromimpuls durch den Impu.sgenerator 8 entgegengerichtet ist. Damit werden die Dauermagnete 1 und 3 wieder umgepolt.

An dem hin- und herbewegten Dauermagneten 5 kann nun eine mechanische Arbeit abgegriffen werden, die von der aufgebrachten elektrischen Energie zur Ummagnetisierung der beiden Dauermagnete 1 und 3 unabhängig ist.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. I soll lediglich das erfindungsgemäße Prinzip veranschaulichen. Anstelle der stationären Dauermagnete 1 und 3 kann auch jeweils der bewegliche Dauermagnet 5 umgepolt werden, sofern man ihn mit einer entsprechenden Umma?netisierungswicklung versieht. Auch können die Impulsgeber und -verstärker zusammengefaßt werden, sofern nur dafür gesrvgt ist, daß jeweils die Stromrichtung in den Ummagnetisierungsspulen umgekehrt wird.

Bei einer drehenden Maschine könnte man die Umkehr dieser Stromrichtung durch einen Stromwender bewerkstelligen, der sich zusammen mit dem Läufer dreht. Das grundsätzliche Prinzip einer solchen Maschine ist in Fig.2 wiedergegeben. Hier sitzen auf einem nicht näher dargestellten Gestell IS Dauermagnete 13 mit Ummagnetisierungswicklungen 14, die für den zeichnerisch festgehaltenen Augenblick eine magnetische Polung emsprechend der dargestellten Südpole S und Nordpole N besitzen. Ein weiterer Dauermagnet 16 ist auf einer Achse 17 als Läufer angeordnet und ist entsprechend seiner Polung bestrebt, sich im Sinne der beiden Pfeile um die Achse 17 zu

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drehen. Sobald er mit einem seiner Pole einen der Wirkung gegenüber.

entsprechend ungleichnamigen Pol an einem der Das crfindungsgemäOe Prinzip kann ebenso auf einen Dauermagnete 13 erreicht, muß über die jeweilige sogenannten Linearmotor übertragen werden, wenn Ummagnetisierungswicklung 14 die Polung des betref- man auch hier eine solche Umpolung der Dauermagnete fenden Dauermagneten 13 umgekehrt werden. Damit > vorsieht, daß auf den bzw. die beweglichen Dauermastehen sich dann zwei gleichnamige Pole mit abstoßen- gnete eine fortlaufende Kraft ausgeübt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine zur Erzeugung einer periodischen, mechanischen Bewegung mittels stationärer Dauermagnete und dazu relativ bewegli- ^r> eher Dauermagnete, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Dauermagnete durch eine periodische Umpolung der Magnetpole der stationären und/oder der beweglichen Dauermagnete von einer in ihrer Richtung entsprechend ι ο periodisch wechselnden Magnetkraft beaufschlagt sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Umpolung der Magnetpole auf den Dauermagneten elektrische i> Wicklungen angeordnet sind, auf die jeweils ein der magnetischen Flußrichtung entgegenwirkender Stromimpuls auf geschaltet wird.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Dauerma- >» gnete an einen oder mehrere Impulsgeneratoren angeschlossen sind, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung der beweglichen Dauermagnete gesteuert sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch >~> gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratoren unmittelbar von den beweglichen Dauermagneten gesteuert sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, Jadurch gekennzeichnet, daß den «> Impulsgeneratoren Impdsversl "/ker für die Stärke und/oder die Dauer der S'romimpulse nachgeschaltet sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder r> mehrere der beweglichen Dauermagnete auf einer Geradführung hin- und herbeweglich angeordnet sind und die stationären Dauermagnete dazu koaxial an den Enden der Geradführung angeordnet sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der Anspriiehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der beweglichen Dauermagnete drehbeweglich gelagert und längs ihrer Kreisbahn die stationären Dauermagnete angeordnet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprü- ■*"> ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der beweglichen Dauermagnete linear beweglich längs der entsprechend bahnförmig aneinandergereihten stationären Dauermagnete angeordnet sind. Vi