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§Elektromotort Bei einem Elektromotor wird durch Verwendung von hochintensiven
permanenten Magnetfeldern, aus Barium- oder Strontium-Fern.tkeramischen Magneten
Samarium-Kobalt und anderen Permanentmagneten aus Materialien mit hoher magnetischer
Koerzitivkraft eine mechanische Aus gangs energie aus dem Anker in Überschuß zu
dem elektrischen Energieeingang zu dem Anker erhalten, wobei ein eisenloser Anker
mit Leitern mit kritischen Abständen in Richtung der Ankerbewegung und Ankerleiterlängen,
die bezttglich ihren Abständen groß sind, verwendet werden und der Strom durch diese
Spulen an kritischen Zwisohenpollagen umgeschaltet wird Die Erfindung betrifft Elektromotoren
und insbesondere Elektromotoren mit Dauermagnetfeldern,
Trotz der
großen Fortschritte, die auf dem Gebiet der Atomphysik und physikalischen Chemie
während der letzten 15 Jahre erreicht sind, war der Fortschritt in dem Erkennen
der Natur von Magnetismus gering. Vielleicht der bezeichnende Vorteil auf dem Gebiet
des Magnetismus während der letzten 20 Jahre war die Entwicklung von nicht teuren
keramischen Magneten mit hoher Eoerzitivkraft, welche Dauermagnetfelder hoher Plußdichte
erzeugen konnten. Diese Magnete sind mit solchen Materialien wie Barium oder Strontium
lackiert, um es zu ermöglichen, die hohen Plußdichten und nun verfügbare Koerzitivkräfte
zu erzielen, Jedoch ist der Zweck der vorliegenden Erfindung nicht die Weiterentwicklung
des Verfahrens zum Herstellen von Magneten hoher Flußdichte, sondern vielmehr die
Anwendung in einer Art und Weise, mit welcher Elektromotoren mit hohem Wirkungsgrad
hergestellt werden können.
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Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche dbertrafen die Erwartungen.
Die herkömmliche Formel, welche lehrt, daß die Kraft an einem Leiter In einem Magnetfeld
proportional dem Strom in dem Leiter mal der Länge des Leiters mal der Stärke des
Dauermagnetfeldes ist, wird von der Formel ersetzt, die anzeigt, daß die Geschwindigkeit
eines Strom tragenden Leiters in einem Dauermagnetfeldes mal der Länge des Leiters
in dem Beld ist. Wenn somit die Kraft eines Strom tragenden Leiters in einem Magnetfeld
durch Verstärken des Magnetfeldes erhöht wird, wird die Geschwindigkeit dieses Leiters
in dem Feld entsprechend reduziert. Hersteller von Keramikmagneten wie beispielsweise
Allan
Bradley lehren in ihren Anzeigen, daß in Permanentmagnetmotoren
durch Erhöhen der Anzalil von Ankerwindungen (unter Einhaltung der gleichen Drahtgröße)
die Leerlaufgeschwindigkeit mit keiner Änderung des Kurzschlußdrehmomentes herabgesetzt
wird. Ein Herabsetzen der Anzahl der Windungen erhöht die Leerlaufgeschwindigkeit.
Durch einfaches Vergrößern des Drahtdurchmessers ohne Andern der Zahl der Windungen
in der Ankerspule kann das Kurzschlußdrehmoment des Motors ohne Änderung der Leerlaufgeschwindigkeit
erhöht werden. Durch Ausdehnen dieser Analyse wUrde man zum Schluß kommen, daß die
Maximalgeschwindigkeit, die in einem Gleichstrom-Dauermagnetmotor erzielbar ist,
eine untere Grenze erreichen wUrde (8berschreiten der Geschwindigkeit von 0) unabhängig
davon, wie groß der Dauermagnet ausgebildet ist (in iusdrtioken der Feldstärke)c
Das Eurzschlußdrehmoment oder die Last steigt auf einen sehr hohen Wert entsprechend
an, wenn sich die GeschwIndigkeit ihrer unteren Grenze näherte Dieses Phänomen stellt
eine theoretische Begrenzung in dem Wert von Permanentmagnetmotoren dar auf Grund
der Begrenzung der Motorgeschwindigkeit, die mit einem gegebenen Kurzschlußdrehmoment
oder einer Betriebslast erzielbar ist.
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Ein Gegenstand per Erfindung besteht darin, bei einem Dauermagnetmotor
die obigen Nachteile zu überwinden,
Ein weiterer Gegenstand der
Erfindung ist bei einem Permanentmagnet-Elektromotor die Erzielung von elektromechanischen
Umwandlungsleistungen bzwo Wirkungsgraden, die bislang als nicht erzielbar erachtet
wurden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Permanentmagnet-Elektromotor
mit größeren mechanischem Ausgang auf seinem Anker, als elektrischer Energieeingang
zu diesem Anker vorhanden ist.
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Bei der Erläuterung von Permanentmagnetmotoren, wie sie beispielsweise
in der US-PS 3 610 974 beschrieben sind, wurde bestimmt, daß bei einem Hochmagnetkraftfeld
die Geschwindigkeit eines Leiters, welcher Strom fuhrt, die vorhersagbare Maximalgeschwindigkeit
mittels herkömmlicher Formeln überschreitet.
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Wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird, ist die Zeitlänge,
während welcher der Leiter die vorbestimmte Maximalgeschwindigkeit unter Verwendung
herkömmlicher Formeln über steigt, ausreichend lang, um ihn praktisch (und in manchen
Fällen wünschenswert) zu machen, indem genaue Schaltung- und Kommutation bzwo Stromwendung
angewandt wird (die heutzutage mittels elektronischer Eomponenten wie beispielsweise
Licht emittierender Dioden und Licht aktiviertem Silizium gesteuerten Gleichrichter
erzielbar sind), um Strom in die Ankerspulen
während kontinuierlichem
Motorbetriebes einzufiüiren, und zwar lediglich während des Abschnittes der Strom-Geschwindigkeitskurve
für jede Ankerspule, in welchem die Geschwindigkeit der Spule die maximal vorhersagbare
Geschwindigkeit für einen gegebenen Strom tibersteigt, wobei herkömmliche Pormeln
angewandt werden. Bei anderen Ausbildungen kann der Strom angeschaltet bleiben,
muß jedoch genau an einem präzisen Wendepolpunkt umgeschaltet werden, und bestimmte
andere Kriterien wie beispielsweise Ankerleiter, Trennung bzw.Abstand messen eingehalten
werden, um einen Hyperwirkungsgrad zu erzielen.
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Jede Zahl von Anwendungen für diese überschüssige Energie kommt in
Frage, die theoretisch aus der Ableitung von einem System möglich ist, welches einen
Motor gemaß Erfindung und
einen Gleichstromgenerator kombiniert0
Beispielsweise könnte die überschüssige Elektrizität verwendet werden, um Wasser
in Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrolysieren und der Wasserstoff könnte zum
kUnstlichen Herstellen von Kohlenwasserstoffmaterialien verwendet werden, die später
als Kraftstoff verbrannt werden können, oder der Wasserstoff selbst könnte als Kraftstoff
zum Ableiten mechanischer Energie verwendet werden0 Die vorliegende Erfindung wird
hinsichtlich ihres Aufbaus und Betriebsweise zusammen mit weiteren Gegenständen
und Vorteilen an AusführungsbeisPielen anhand der beigefügten Zeichnung näher nachfolgend
erläuterte In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 teilweise schematisch, teilweise perspektivisch
und teilweise in Blockform ein Diagramm, welches die Grundprinzipien einer Ausfuhrungsform
ein es hyperwirksamen Elektromotors gemäß Erfindung zeigt, Fig. 2 ein Diagramm,
das während eines Versuches mit einem Teil der Konstruktion nach Fig. 1 hergestellt
ist, Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene Endansicht, wobei die
Lage
des Ankers und der Feldelemente in einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt sind,
welche eine Drehbewegung direkt erzeugt, Figo 4 eine Schnittansicht längs der Linie
4-4 nach Fig. 3 der Ausführungsform gemäß Erfindung, wobei die Beziehung bestimmter
Elemente gezeigt ist, Fig. 5 schematisch verschiedene mögliche Leitermuster für
die Verwendung in dem Anker gemäß Erfindung, Fig. 6 ein Schaltdiagramm, wobei eine
Umschaltmethode für den Motor gemäss Erfindung gezeigt ist, Fig. Fig. 7 eine Schnittansicht
durch eine Ausführungsform,in welcher der magnetische Fluß von beiden Seiten eines
Dauermagnetfeldes zur Erzeugung der Ankerdrehung verwendet wird, Fig. 8 eine Schnittansicht
längs der Linie 8-8 in Fig. 7, Fig. 9 eine Ansicht einer anderen AusfUhrungsform
gemäß Erfindung, Fig.1o eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 9,
Fig11
eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß Erfindung, Fig.12 teilweise
in Blockform eine Anwendungsmöglichkeit eines hyperwirksamen Motors gemäß Erfindung.
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In Fig. 1 besteht ein Magnet lo aus einer Reihe von Keramikmagneten
11, 12, 13, die mit mäßig hohen Flußdichten in der Größenordnung von 3800 Gauss
an der Oberfläche der Magneten und ungefähr 13oo Linien pro cm2 in dem Bereich der
sich bewegenden Spulen magnetisiert sind, die in den nachfolgend beschriebenen Versuchen
verwendet wurden, Wie aus Fig0 1 ersichtlich ist, stoßen gegenüberliegende Pole
wie an der Verbindungsstelle 14 und 16 mit einem sich ergebenden erhöhten Dichtefeld
I13t? in der angezeigten Richtung für die Verbindungsstelle 14 aneinander, wobei
ein entsprechender Vektor der entgegengesetzten Richtung darstellend für die Plußdichte
an der Verbindungsstelle 16 ist. Eine Ankerspule 18 hat Eingangsverbindungen 20
und 22, die nach Anlegen einer Spannung zweckmässiger Polarität einen Strom in Richtung
R erzeugen, Die Ankerspule 18 erfährt eine Kraft in der Richtung Ptt bei der angedeuteten
Richtung des Stromes und des Magnetfeldes0 Eine Gleichstromenergiequelle 24 hat
einen Anschluß 26, der mit einem Kollektorstab 28 gekoppelt ist, wobei der andere
Anschluß 30 über einen durch Licht aktivierten Silizium-gesteuerten
Gleichrichter
(LASCR) 32 mit einem Kollektorstab 34 gekoppelt ist und verbunden ist. Eine Lichtquelle
36, die eine Licht emittierende Diode oder eine herkömmliche Lichtquelle sein kann,
ist an 6 er der Gleichstromenergiequelle 24 angeschlossen und emittiert einen Lichtstrahl
38, der zu einem Punkt fokussiert ist, der von der Seite 40 der Ankerspule 18 geschnitten
wird, wenn diese Spule die Verbindungsstelle 14 erreicht. Die Seite 40 der Spule
18 trägt ein nicht gezeigtes reflektierendes Material, welches, wenn es von dem
Strahl 38 getroffen wird, diesen Strahl zu dem LASCR 52 reflektiert, wodurch verursacht
wird, daß der LASCR leitend wird und den Schaltkreis von dem Anschluß 30 der Gleichstromenergiequelle
24 zum Kollektorstab 34 vervollständigt. Durch Orientierung der Lichtquelle 36 kann
der genaue Punkt, an welchem der Kreis von der Gleichstromenergiequelle 24 zum Kollektorstab
34 vervollständigt wird, gesteuert werden0 Somit wird trotz der Tatsache, daß die
Anschlüsse 20 und 22 der Ankerspule 18 in Kontakt mit den Kollektorstäben 28 bzw.
34 sind, der Strom nicht in die Ankerspule 18 fliessen, wenn und so lange wie der
Lichtstrahl 38 von der Seite 40 zum LASER reflektiert wird.
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Die Ankerspule 18 ist mechanisch mit einer Ankerspule 42 über Stangen
44 und 46 und entsprechende Stangen, nicht gezeigt, an der gegenüberliegenden Seite
der Konstruktion gekoppelt.
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Die Anschlüsse 48 und 50 der Ankerspule 42 sind Gleitkontakte, welche
mit Kollektorstäben 52 und 54 und nachfolgenden Kollektorstäben in Verbindung kommen
können0 Eine Lichtquelle 56, die ihre Betriebs energie von der Energiequelle 24
über Leiter 60 und 62 empfangen kann, und der zweite LASOR 58 vervollständigen den
Kreis zum Kollektorstab 54 von dem Anschluß 26 der Gleichstromenergiequelle 24,
wenn die Ankerspule 42 die Verbindungsstelle 16 erreicht hat, so daß ein Stromfluß
in dem Anker 42 in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung des Stromes i" in
der Ankerspule 18 ermöglicht wird, wobei die entgegengesetzte Stromrichtung erforderlich
ist, weil die Ankerspule 42 sich einer Verbindungsstelle 16 ZWischen zwei Südpolen
nähert, wo die Richtung des B-Vektors von der Richtung des IIBtI an der Verbindungsstelle
14 umgekehrt wird. Die Lichtquelle 56 und der LASOR 58 steuern genau die Zeit, während
welcher Strom in der Ankerspule 42 fliessen kann.
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Diese Zeit ist so gewählt, daß sie identisch mit der Zeit ist, während
welcher sich die Ankerspule mit größerer als vorhergesagter Geschwindigkeit bei
einem gegebenen Strom bewegt0 Dieser Zustand wird nachfolgend in Verbindung mit
Fig0 2 beschrieben0 Die in Figo 2 gezeigten Daten wurden unter Verwendung der folgenden
Anordnung abgeleitet. Magnetabschnitte 11 und 12
nur aus Bariumferrit-Keramikmagneten,
wurden vertikal orientiert, wobei ihre Nordpole aneinanderliegen, wobei der schnitt
11 über dem Abschnitt 12 und die Ankerspule 18 um den Abschnitt 12 gegen ihr unteres
Ende an dem Anfang des Versuches vorgesehen waren, Die Abschnitte 11 und 12 wurden
aus Platten wie beispielsweise die Platte 15 in Fig. 1 aus Bariumferrit-Keramlkmagneten
hergestellt, wobei das Material dieser Magneten von ihrem Hersteller, Indiana General,
als Ceramic 5 bezeichnet wird0 Die Richtung der Magnetisierung war über die Dicke
der Platten so, wie dies durch Pfeile 17 angezeigt ist0 Selbstverständlich waren
die Platten in Jedem Abschnitt 11 und 12 gestapelt, wobei ihre Felder innerhalb
der entsprechenden Abschnitte unterstützend wirkten. Die Ankerspule 18 wurde aus
Kupferdraht gewunden, hatte einen Widerstand von 16 Ohm und ein Gewicht von 2,4
kg /5,3 pfund)0 Bei dem aiifänglichen Test wurde ein Schalten oder Umpolen nicht
versucht, sondern die Spannung wurde direkt von der Gleichstromenergiequelle 24
zu den Anschlüssen 20 und 22 der Ankerspule 18 zugeführt0 Die Gleichstromenergiequelle
erzeugte 32 Volt Gleichstrom, Die Geschwindigkeit der Ankerspule 18 wurde mit Hilfe
einer 8 mm-Filmkamera mit 50 Bildern pro sec, bestimmt. Die Stromkurve nach Fig.
2 wurde automatisch auf einem Aufzeichner mit einer Aufzeichnungsgeschwindigkeit
von 125 mm/sec0aufge tragen0 An der oberen Grenze des Schemas nach Figo 2 ist der
von
der Spule durchwanderte Abstand gezeigt, gemessen in 1,6 mm - Stufen für jede 1/15
Sekunde der Spulenbewegung. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, verblieb der durch die
Spule 18 während dieses Versuches fliessende Strom relativ konstant während einer
Periode "t", die 50 Millisekunden Dauer überschritt und während welcher Zeitperiode
der Strom ungefähr 0,4 Ampere gemittelt betrlg. Wie angedeutet ist, betrug die während
dieser Bewegung erzeugte Kraft 2,4 kg (5,3 pound), welche notwendig war, um die
Schwerkraft des Ankers 18 zu überwinden, den die Magnete 11 und 12 vertikal ausgerichtet
sind.
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Der Spannungsabfall an dem A er 18 betrug 32 Volt, und be dem durchschnittlichen
Eingangs Strom von 0,4 Ampère war die durchschnittliche Eingangs energie während
dieses Stufenabschnittes der Kurve nach Fig. 2 12,8 Watt. Dieser relative Stufenabschnitt
der Kurve trat ein, wenn sich der Anker 18 über die Verbindungsstelle 14 bewegte.
Die maximale Geschwindigkeit, die ebenfalls über der Verbindungsstelle 14 eintrat,
betrug o,76 m pro Sekunde. Die mechanische Energie wird von dem Produkt der Kraft
und der Geschwindigkeit dargestellt, welche bei Verwendung von o,76 m pro Sekunde
als Geschwindigkeit und 2,4 kg als Kraft eine mechanische Energie von 13,25 llfoot-pounds"
pro Sekunde ergibt0 Um die "foot-pounds" pro Sekunde in Watt umzuwandeln, ist der
Faktor 1,356 woraus sich ein in Watt ausgedrückter Energieausgang von 179967 ergibt0
Es
wurden Versuchsdaten abgeleitet, indem Elektronenoszilloskopen verwendet wurden.
Diese Daten bestätigen die E.rebnisse der Aufzeichnung nach Fig. 2.
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Es ist wesentlich, um einen maximalen Wirkungsgrad (insbesondere bei
dieser Ausführungsform) zu gewäfrrleisten, daß der in dem Anker 18 und anderen Ankerspulen
wie beispielsweise Ankerspule 42 fließende Strom "i" in seiner Dauer auf die Zeit
beschränkt wird, wenn der zugeordnete Anker sich bei seiner Maximalgeschwindigkeit,
während eines Minimalstromes bewegt, beispielsweise während der Zeit "t" in Fig.
2. In diesem Fall heißt das, daß der Strom "i" in dem Anker 18 lediglich von der
Zeit fließen soilte, wenn die vordere Fläche 41 des Ankers 18 mit der Verbindungsstelle
14 ausgerichtet ist, bis die nicht gezeigte rückwärtige Fläche 43 des Ankers 18
mit der
Verbindungsstelle 14 ausgerichtet ist. Deshalb ist die
Schaitwirkung der Lichtquelle 36 in Kombination mit LASCR 32 und der Lichtquelle
56 in Kombination mit dem LASCR 58 so wesentlich0 Die Kollektorstäbe 28, 34, 52
und 54 können etwas länger als die Breite der Ankerspulen 18 und 42 sein, weil die
durch Licht aktivierten Schaltkreise die Zeit, während der der Strom in den Ankerspulen
fließt, auf die Zeit beschränken, in welcher die Ankerspulen in der Nähe der hochintensiven
Magnetfelder an den Verbindungsstellen 14 und 16 nach Fig. 2 sind. Ein Optimieren
der Kupfermenge oder anderer Strom führender leitender Materialien innerhalb des
Flußfeldes an der Verbindungsstelle und Herabsetzen des Spaltes zwischen den Ankerspulen
und dem Magneten auf ein Minimum während den "Strom-an"-Perioden sind ebenfalls
wünschenswert. Somit kann ein maximaler Wirkungsgrad für den Motor erzielt werden,
Die Wirksamkeit dieser Ausführungsform mit optimaler Geometrie ist proportional
zu BA, wobei V B die Elußstarke des Feldes des Dauermagneten, A der Querschnittsbereich
des wirksamen Flußbereiches, und V das Volumen des Strom führenden Leiters in dem
wirksamen Flußbereich ist.
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Jedes magnetische Material hat eine charakteristische maximale FlußdichteO
Für Ceramic 5 ist sie ungefähr 3800 Gauss. Um den gesamten wirksamen Fluß zu erhöhen,
ist es erforderlich, das Volumen des verwendeten Materials zu erhöhen,(beispielsweise
durch Stapeln des Materials in unterstützender Weise), und den Bereich des wirksamen
Flußbereiches zu optimieren.
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Wenn dann weitere Wirksamkeit wünschenswert ist, ohne die Masse des
verwendeten Magnetmaterials zu erhöhen, muß das Volumen des Strom führenden Leiters
in dem wirksamen Flußbereich reduziert werden. Wenn dieses Leitervolumen reduziert
wird, wird der Fluß durch den verbleibenden Leiter erhöht, und eine größere Zusammenwirkung
zwischen dem von dem Strom führenden Leiter erzeugten Fluß und dem Fluß aus dem
Dauermagnet tritt ein, Theoretisch sollte, wenn sich das wirksame "B" erhöht, die
Geschwindigkeit des Strom führenden Leiters in direktes Proportion abnehmen, Versuchsergebnisse
zeigen jedoch das Gegenteil. Wenn das Produkt BA sehr groß ist, so überschreitet
die Geschwindigkeit des Strom führenden Leiters die theorem tische Geschwindigkeit
um ein Vielfaches, so daß eine herkömmliche Wirksamskeitgleichung nicht für eine
solche Ausbildung und einen derartig Parametersatz anwendbar ist0 Es können verschiedene
Anordnungen, die anders als die nach Fig. 1 sind, verwendet werden, um das gewünschte
Schalten zu
erzielen. Beispielsweise kann zwischen der vorderen
Fläche 41 des Ankers 18 der rückwärtigen Fläche des Ankers 42 längs dem Dauermagneten
1o ein Plastikstreifen getragen sein, und dieses Plastikmaterial kann mit Ausnahme
der dazu benachbarten Abschnitte und des Ausmaßes der Länge der Ankerspulen 18 und
42 opak sein. Bei einer solchen Ausbildung kann eine Lichtquelle wie beispielsweise
eine Licht emittierende Diode oder eine herkömmliche Lichtquelle an einer Seite
des Plastikmaterials angeordnet sein7 und ein photo empfindlicher Schalter wie beispielsweise
eine Photodiode oder ein LASCR kann an der anderen Seite des Plastikmaterials in
einer Lage angeordnet E3XL19 um von der Lichtquelle bestrahlt zu werden, der transparente
Abschnitt des Kunststoffes sich zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfindlichen
Schalter bewegt, um ein Fließen vor Strom von der Energiequelle 24 zu der besonderen
Ankerspule zu erlauben, welche sich der Verbindungsstelle hoher Flußdichte wie beisielsweise
der Verbindungsstelle 14 nach Fig, 1 nähert.
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Um Reibungsverluste zu reduzieren, können die Längen der Kollektorstäbe
52, 54, 28 und 34 begrenzt werden, da die Gleitkontakte 48, 50, 20 und 22 nur während
solcher Zeitperioden in Kontakt mit den Kollektorstäben sein müssen, die sich auf
die charakteristischen Perioden optimaler Stromgeschwindigkeit beziehen, die von
der Ankerspule wie 18 und 42 ausgewiesen sind.
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Bei den Versuchen, die unter Verwendung der Teile der Ausrüstung nach
Pig. 1 beschrieben sind, war die Ankerspule 18 38,1 mm in ihrer Dimension parallel
zum Dauermagneten lot Während der optimalen Betriebsperiode t, die in Verbindung
mit Fig. 2 beschrieben ist, bewegte sich die Ankerspule 18 im Ausmaß von 38,1 mm.
Demzufolge bewegte sich die Spule im tbermaß ihrer eigenen Länge in der Zeitperiode
zwischen ihrem Einschalten und Ausschalten, und es ergibt sich kein Verlust des
Antriebes oder der Bewegung beim Schalten zwischen aufeinanderfolgenden Ankerspulen
in einem Motor gemäss Erfindung.
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Es ist lediglich notwendig, eine der Spulen vorzusehen, welche der
Ankerspule 18 folgt, ebenfalls von ungefähr von 38,1 mm und in einer Lage, so daß
der Strom dadurch angeschaltet wird, wenn der Strom durch die Spule 18 abgeschaltet
wird0 Dies ist die Ausbildung nach Figo 1, wobei die Ankerspule 42 von der Verbindungsstelle
16 durch Trennen der Änkerspule 18 von der Verbindungsstelle 14 plus der Dimension
der Ankerspule 18 (oder Spule 42) parallel zum Magneten 1o in Abstand angeordnet
ist. Diese Ausbildung erzeugt eine fortlaufende geradlinige Bewegung. Es sei hervorgehoben,
daß es zwecks Vermeidens von toten Zonen während des Startens des Motors gemäss
Pigo 1 wünschenswert ist, daß viele Ankerspulen wie die Spulen 18 und 42 eng bezüglich
zueinander in Abstand angeordnet sind, wobei entsprechende Kollektorstäbe eng längs
der Bewegungslinie der Gleitkontakte in Abstand angeordnet sind, die den
Ankerspulen
zugeordnet sind, um Strom zuzuführen0 Bei einem Motor, welcher die Prinzipien nach
Fig. 1 umfaßt, mit einer Vielzahl von Ankerspulen wie beispielsweise die Spule 18,
sind die statistischen Möglichkeiten des Motors auf einem Totpunkt beim Starten
bemerkenswert reduziert und ergeben keine praktischen Probleme. Dies trifft insbesondere
zu, wenn der Anker 18 oder der Anker 42 einen Eisenmantel oder eine Abdeckung enthält.
Der Ausgang kann von dem Motor nach Fig. 1 über einen Koppler 45 genommen werden,
der starr mit den Ankerspulen 18 und 42 mittels Stangen 47 bzw. 49 verbunden ist.
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Es ist weiter erkennbar, daß der geradlinige Motor nach Fig.1 gekrümmt
ausgebildet sein kann, indem als Magnetabsohnitte 11, 12 und 13 Elemente verwendet
werden, die mit einem gemeinsamen Krümmungsradius und einer gemeinsamen Mitte gekrümmt
sind, anstatt daß sie gerade sind, wie dies in rig. 2 gezeigt ist.
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tinte solche gekrümmte Ausführungsform ist in Fig. 9 gezeigt.
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Bürstenlose und andere hoch entwickelte Umschaltschemen können in
Verbindung mit dieser Erfindung verwendet werden, so lang ein genaues Schalten der
Ströme in die Ankerspulen erzielt wird. Ein bürstenloses Umschalten wird ganz einfach,
wenn die Ankerspulen wie 18 und 42 fest bleiben, während sich die Dauermagnete bewegen.
Der Nachteil einer solchen "2nnen-Aussen"-Ausbildung ist die große Masse und folgliche
Trägheit der keramischen
Magneten während des Starten, Selbstverständlich
wird die meiste Energie, die verwendet wird, um einen solchen Rotor auf seine Geschwindigkeit
zu bringen, in der Form eines Winkeldrehmomentes gespeichert. Die Vorteile liegen
in der vollständigen Freiheit von Reibungskräften und der Genauigkeit der Umschaltzeit,
die erzielbar ist plus der Tatsache, daß ein stationäres Schalten das Unterbrechen
von hochinduktiven Strömen in den atabilsten Teil des EiM-Felaes erleichtert, um
höchste Wirkungsgrade zu gewährleisten. Es ist absolute Notwendigkeit, in dem stabilen
Bereich des PM-Feldes und nicht nahe des Null-Abschnittes dieses Feldes zu schalten,
wie dies bei herkömmlichen Motoren der Fall ist.
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Für eine Schwingbewegung sollte der Abstand der Ankerspulen 18 und
42 so sein, daß wenn die Ankerspule 18 die Verbindungsstelle 14 erreicht, die Ankerspule
42 die Verbindungsstelle 16 erreicht und die zu den Ankerspulen 18 bzw. 42 fliessenden
Ströme gleichzeitig durch mechanisch oder elektrisch betätigte Schalter umgeschaltet
werden, wodurch eine Stromumkehr bei einer Frequenz entsprechend der natlirlichen
Schwingfrequenz erzeugt wird, die von der Masse, Stromgröße, Flußdichte, Spulenwiderstand
und Reibfaktoren in dem System bestimmt ist0 Eine Schwingbewegung der Anker 18 und
42 kann auch erzielt werden, indem Wechselstromspannungen an die Gleitanschltisæe
48, 50 und 20 und 22 angelegt wird, wobei ein Schalten und Umpolen eliminiert
wird.
Die Ankerspulen 18 und 42 werden dann um die Verbindungsstellen 14 und 16 mit einem
Wirkungsgrad ossillieren! der proportional zu B2 ist, wobei wiederum angezeigt wird,
daß mit Dauermagneten wie 11, 12 und 13, welche adäquate Flußdichten erzeugen, eine
hyperwirksame Motorarbeit erzielt werden kann0 Insbesondere zeigt eine mathematische
Analyse des Motors gemäß Erfindung, welcher nach dem Schwingprinzip arbeitet, daß
ideal der Wirkungsgrad eines solchen Motors ausgedrückt werden kann durch die Gleichung:
Wirksamkeit w m (Bs)2/M2w R, wobei m = Masse der Aussenkraft, B Flußdichte, s =
C-esamtlange des Ankerleiters in dem Feld B, M = Gesamtmasse, die bewegt wird, #
= Schwimgfrequenz x 2 #und R = Widerstand der Ankerspule ist.
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Diese Gleichung lehrt, daß die Masse der Ankerspule oder der Spulen
gering gehalten werden sollte (M-m), daß die Frequenz der Schwingungen gering gehalten
werden sollte, und daß Wärmeverluste in R (sich ergebend aus Maximallänge des Leiters
s im Feld B) überbrückt werden können, indem B auf Niveaus
angehoben
wird, die gemäß Erfindung vorgeschlagen werden und daß die Hyperwirksamkeiten erzielt
werden, die erwartet und beschrieben sind.
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Eine Schwingbewegung kann in eine Drehbewegung mit Hilfe bekannter
Einrichtungen wie beispielsweise durch Antreiben einer Kurbelwelle umgewandelt werden,
und eine Drehlast kann von dem Ausgang der Kurbelwelle angetrieben werden0 In Fig.
3 umfaßt der Motor 70 einen Mantel 71, der aus einem magnetischen Material oder
aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Aluminium sein kann, das
eine mechanische Pestigkeit ergibt, jedoch gering im Gewicht ist.
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Der Motormantel bei dem erfindungsgemässen Motor braucht nicht als
Teil des Magnetkreises zu wirken. Äußere Magneten 72, 73, 74 und die verbleibenden
äußeren Magneten, nicht gezeigt, werden mittels einer zweckmässigen und bekannten
Einrichtung von dem Mantel 71 getragen. Die Magneten 72, 73 und 74 können aus Platten
aus keramischen magnetischen Materialien wie beispielsweise Barium oder Strontium-Ferritmaterialien
zusammengesetzt sein und zwar mit einer maximalen Dicke von 25,4 mmo Diese Platten
werden in der Richtung ihrer Dicke magnetisiert, wie dies in Verbindung mit Fig.
1 erläutert ist0 Die Platten werden so gestapelt, daß ihre Nord- und Südpole aneinander
anstossen, wie dies in Fig0 3 gezeigt ist, wobei die Flächen 85, 87 und89 der aufeinanderfolgenden
Magnetanordnungen, welche
an dem Mantel 71 anliegen, abwechselnd
Nord- und Südpolaritäten aufweisen0 Ein Ziel des Stapelns der Platten in einer unterstützenden
Weise besteht darin, die Flußdichte in dem Spalt 75 auf ein Maximum zu bringen,
durch welchen sich die Ankerspulen bewegen.
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Innere Magnete 76, 77 und 78 können ebenfalls aus verschiedenen Platten
aus keramischen Magneten zusammengesetzt sein, wie dies gezeigt ist, wobei Jeder
Magnet von dem Kern 79 gestützt ist, der aus dem gleichen Material wie der Mantel
71 sein kann.
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Da die äußeren Magneten wie 72, 73, 7a und die inneren Magneten wie
76, 77 und 78 in der bevorzugten Ausfübrungsform bezüglich zueinander aneinander
anliegen oder angrenzen (zwecks optimaler mechanischer Festigkeit und Motorleistung)
und entgegengesetzte magnetische Polarisation in Bezug auf die angrenzenden Magneten
aufweisen, werden die Magnetkreise für Jeden Magneten vervollständigt, und es ist
weder in dem Mantel 71 noch in dem Kern 79 ein Aussenmaterial niedrigen magnetischen
Widerstandes wie beispielsweise Weicheisen erforderlich. Materialien geringen Gewichtes
wie beispielsweise Aluminium können verwendet werden, um das Motorgewicht zu reduzieren,
ein wesentlicher Faktor bei bewegbaren oder tragbaren Anordnungen des erfindungsgemässen
Motors.
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Der Anker 80 ist ebenfalls im bevorzugten Ausführungsbeispiel eisenlos
und umfaßt eine Reihe von Leiter, die in einer der zwei möglichen Anordnungen angeordnet
sind, welche in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben sind0 Die Ankerleitungen werden
von einer Trommel 82 wie durch Zementieren oder von einer Einrichtung getragen;
wenn Mehrfachschichten von Leitern verwendet werden, wie dies in Fig0 3 gezeigt
ist, sind auf einanderfolgende Schichten durch Zementieren oder einem 3indemittel
beispielsweise miteinander befestigt.
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Bei Betrachtung der Xeiterausbildung nach Fig. 5 in Verbindung mit
der Ausftihrungsform nach Fig. 3 ist es wesentlich, daß die Endabschnitte 84 in
der Ausbildung 86 und die Endabschnitte 88 in der Ausbildung 9o (und die nachfolgenden
EndabschnitteQ nicht gezeigt, in Jeder Ankerausbildung) von einer solchen Länge
und Lage sind, daß die zugeordneten aktiven Leiterabschnitte 92, 94 96 und 98; und
loo, 102, 104 und 106 (und die zugeordneten aktiven Leiterabschnitte, nicht gezeigt9
der aufeinanderfolgenden Endabschnitte in Jeder Ankerausbildtang) mit nachfolgenden
maximalen Flußabschnitten wie 108, 110; 112, 114g und 116 und 118 fluchten, Diese
maximalen Flußabschnitte entsprechen den gegenüberliegenden Verbindungsstellen der
nachfolgenden aneinander anliegenden Dauermagneten im äußeren Magnetring 120 bzwo
inneren Magnetring 1220
Aktive Leiter wie 92, 94, 96 und 98 in
der Leiterausbildung 86 nach Fig, 5 und aktive Leiter 100, 102 und 104 in der Anordnung
9o nach Fig. 5 sind so ausgebildet, da die Zusammenwirkung zwischen dem Magnetfluß
durch diese Leiter und dem Fluß zwischen dem äußeren Magnetring 120 und dem inneren
Magnetring 122 die Drehbewegung der Welle 130 in Figo 3 verursacht. Bei der kernlosen
Ausbildung nach Figo 5 steuert die Lenztsche Regel die Leiterbewegung und somit
den Motorbetrieb.
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Endabschnitte 84 und 88 nach Fig0 5 tragen nicht zu dem Energieausgang
aus der Welle 13o bei0 Um die Wirksamkeit des Motors nach Fig. 3 zu optimieren,
sollte die Abmessung der aktiven Leiter in der Richtung der Leiterbewegung minimal
sein0 Dieses Kriterium würde den Wunsch der Verwendung von leitenden Bändern anstatt
von herkömmlichem Draht kreisförmigen Querschnittes für die Leiter nach Fig. 5 anzeigens
Dieses Ziel besteht darin, den OhmtschenW.iderstand der Ankerwindung niedrig zu
halten, während der Stromfluß (und der dadurch erzeugte Magnetfluß) in einem sehr
engen Bereich konzentriert wird0 Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, weist ein Elektromotor
gemäss Erfindung eine Länge auf, die länger als bei einem herkömmlichen Motor mit
dem gleichen Energieausgang ist0 Durch Herabsetzung der Abmessung der Ankeraktiven
Beiter in Drehrichtung auf ein Minimum kann ein sehr hoher Betriebswirkungsgrad
erzielt werden, Jedoch muß zwecks Erreichen eines Energieausgangsniveaus, das akzeptabel
ist,
die aktive Länge des stromführenden Leiters entsprechend vergrößert
werden. Die aktive Länge ist selbstverständlich die Länge des Leiters, die parallel
zur Achse der Motorwelle(und zu den angrenzenden Flächen nachfolgender Magneten
in den äußeren und inneren Ringen 122 und 120) angeordnet ist.
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In Fig0 5 zeigt die Ausbildung 86 eine Serpentinenanordnung der Ankerleiter.
Die Ausbildung 9o zeigt eine alternative Anordnung, in welcher benachbarte Spulen
verwendet sind, die Je Mehrfachwindungen aufweisen können, wobei aufeinanderfolgende
Spulen in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, doho eine im Uhrzeigerdrehsinn,
die nächste gegen den Uhrzeigerdrehsinn, so daß an der gemeinsamen Grenze, beispielsweise
an der Grenze zwischen den Leitern 1o2 und 104 die Richtung des Stromflusses in
den benachbarten Leitern der gleiche ist, so daß ein zusätzlicher Fluß geschaffen
ist0 Um den Energieausgang aus dem Motor nach Figo 3 zu erhöhen, sind mehrfach geschichtete
Lagen der serpentinenförmig angeordneten Leiter anwendbar, wie sie in der Ausbildung
86 nach Fig. 5 gezeigt sind0 Dieses Konzept ist in Fig0 6 gezeigt0 Es ist kritisch,
daß für die hohen Verhältnisse von Ausgangszu Eingangs energie gemäss Erfindung
die Länge der Endabschnitte 84 bzw. 88 so sind, daß die aktiven Leiter, denen sie
zugeordnet
sind, in den maximalen Flußbereichen (wie bei 1c8, 11o;
112, 114; 116, 118) gleichzeitig und genau angeordnet sind. Demzufolge müssen die
Endabschnitte 84 und 88 um die Mitte der Welle 130 Winkel einschalten, die im wesentlichen
identisch mit den Winkeln sind, die von einer Linie eingeschlossen sind, die zwischen
den Mitten der nachfolgenden maximalen Plußbereiche wie beispielsweise zwischen
den Bereichen 1o8 und 112 gezogen isto Während die Magnete 72, 73 und 74 und die
Magnete 76, 77 und 78 so gezeigt sind, daß sie einanderstossen, ist notwendigenfalls
ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Magneten tolerierbar0 Ein übermässiger
Abstand wird jedoch einen übermässigen magnetischen Widerstand in dem magnetischen
Schaltkreis hervorrufen und die Hyperwirkungsgrade, die mit der Erfindung ezielbar
sind, nicht verwirklichene Unter Bezugnahme auf Fig. 4 tragen die Elemente, die
in Fig. 3 und 4 erscheinen, die gleichen entsprechenden BezeichnungenO Die Trommel
82 stützt dabei die Ankerwindung 80.
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Die Trommel 82 umfaßt Endflansche 123 und 135, die Lagerbuchsen oder
Hülsen 126 bzwo 136 aufweisen, die drehbar an festen Wellen 132 bzwo 130 getragen
sind. Die Lagerbuchsen oder Hülsen 126 und 136 erlauben eine Rotation der Ankerspule
80 durch den Spalt 75 zwischen den inneren und äußeren Magnetringen 120 und 122.
Ein Zahnrad 156 ist an der Hülse 126 befestigt und dreht sich damit, um ein Ausgangszahnrad
158 und eine Ausgangswelle
160 anzutreiben, die zwecks Rotation
in der Hülse 162 gelagert ist. Eine Umpolvorrichtung innerhalb des Kommutators 124
kann von der Welle 160 angetrieben werden0 Leitungen 138 und 140 von der Ankerwindung
80 treten in dem Kommutator zwecks abwechselnden Anschlusses an die Eingangsenergieanschlüsse
146 und 148 ein0 Der Kommutator 124 kann eine von verschiedenen Formen annehmeine
Insbesondere kann die Umschaltmethode, wie sie in Fig0 6 gezeigt ist, verwendet
werden0 In Fig0 4 ist die relative Länge und Lage von bestimmten der in Pig. 3 diskutierten
Elemente gezeigt0 Der äußere Magnet 73 und sein gegenüberliegender äußerer Magnet
1 2o können laminiert sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, um hohe Flußdichten
zu erzielen Das Ausmaß der aktiven Elemente oder Leiter der Armaturwindung 80 ist
ebenfalls von Interesses Ein Boden 134 kann vorgesehen sein, um den Motor 70 zu
stützend Ein kritischer und auffallender Parameter bei dem hyperwirksamen Motor
gemäss Erfindung ist die Steuerung der Umschaltung des elektrischen Stromes durch
die Ankerspule oder die Spulen0 Insbesondere tritt ein Schalten des Stromes ein,
wenn die aktiven Leiter mit den Mitten der maximalen Flußbereiche ausgerichtet sind.
Herkömmliche und bekannte Motoren vermeiden auf Jeden Fall ein Schalten an einem
solchen Punkt hohen Flusses
wegen vieler Faktoren, insbesondere
wegen Funkenbildung und Bürstenzerstörung. Erfindungsgemäss verursacht die Kontinuität
jeder Ankerwindung, d.h. nur ein Stromeingangs- und ein Stromausgangspunkt für alle
aktiven Leiter, wobei sie in Reihe geschaltet sind, einen relativ hohen Reihenwiderstand,
der die Stromniveaus reduziert und eine Funkenbildung unterdrückt0 Auf Grund der
Tatsache, daß der erfindungsgemässe Motor keinen Eisenmantel erfordert, um den magnetischen
Kreis zu vervollständigen, kann der äußere Mantel 71 aus einem transparenten Material
wie beispielsweise Kunststoff hergestellt sein, so daß die Bürstenzustände zu jeder
Zeit ohne Auseinanderbauens des Motors beobachtet werden könnenO In Fig. 6 ist ein
Umschaltverfahren für mehrere serpentinenförmige Ankerleiterausbildungen gezeigt.
Zwei Windungen 400 und 402 sind schematisch gezeigt, Die Windung 402 ist um ttatt
Grad (gemessen um die Motorachse 70) von der Windung 400 versetzte Die Windung 400
hat zwei zugeordnete Kommutatorelemente 404 und 4060 Der Windung 4o2 sind zwei Kommutatorelemente
408 und 410 zugeordnet.
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Jedes der Kommutatorelemente wird synchron mit der Trommel 82 des
Motors 70 angetrieben0 Die Trommel 82 trägt dabei die Ankerwindungen 400 und 4020
Das
Kollektorelement 404 hat leitende Segmente wie beispielsweise die Segmente 411 bis
4180 In der Praxis ist die Anzahl der Segmente gleich der Anzahl der Pole, die ihrerseits
gleich der Hälfte der Zahl der aktiven Leiterelemente wie beispielsweise der Elemente
92, 94, 96 und 98; und ioo, 102, 104 und 106 in Fig. 5 ist0 Ähnlicherweise hat das
Kollektorelement 406 leitende Segmente 419 bis 426o Die Segmente des Elementes 404
mit ungeraden Zahlen sind elektrisch über einen Verbindungsring 428 verbunden, Die
Segmente des Elementes 404 mit geraden Zahlen sind über den Verbindungsring 430
miteinander verbunden0 Der Ring 428 ist seinerseits mit einem Ende 432 der Windung
400 verbunden0 Der Ring 43o ist seinerseits mit dem verbleibenden Ende 434 der Windung
400 verbunden0 Die Segmente des Elementes 406 mit ungeraden Zahlen sind elektrisch
über den Verbindungsring 436 miteinander verbunden0 Der Ring 436 ist seinerseits
mit dem Ende 434 der Armaturwindung 400 verbunden0 Die Segmente mit geraden Zahlen
des Elementes 406 sind über den Verbindungsring 438 miteinander verbunden, der seinerseits
mit dem Ende 432 der Armaturwindung 400 verbunden ist.
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Die Ankerwindung 402 ist um a' Grad bezüglich der Windung 400 versetzt
(um die Achse der Trommel 82 in Fig. 3) o Demzufolge werden die Elemente 408 und
410, die von gleicher Größe und Ausbildung wie die Elemente 404 und 406 sind und
an der gleichen
Antriebswelle 440 angeordnet sind, welche innerhalb
des Kommutators 124 enthalten sein kann, mit ihren entsprechenden leitenden Segmenten
so gestützt, daß sie um zea Grad bezüglich den entsprechenden Segmenten an dem Element
404 und 406 versetzt sind. Durch diese Einrichtung wird der Strom zur Windung 402
lediglich dann umgekehrt,- wenn deren aktive Elemente mit den maximalen Flußbereichen
im Spalt 75 ausgerichtet sind. Die Verbindungsringe 442 und 444 des Elementes 408
und die Verb indungsringe 446 und 448 des Elementes 410 verbinden Segmente mit gleichen
und ungeraden Zahlen ihrer entsprechenden Elemente, wie dies entsprechende Ringe
an den Elementen 404 und 406 turn0 Die Ankerwindung 402 ist ihrerseits mit solchen
Windungen verbunden, wie dies gezeigt ist, zum Zwecke des Umschaltens des Stromes
durch die Windung 402 in der gleichen Weise, wie der Strom durch die Windung 400
umgeschaltet war, Jedoch mit Phasendifferenz von eaW Grad0 Die Bürsten 450, 452,
-454 und 456 führen den Betriebsstrom und die Spannung mit den angezeigten Polaritäten
zu den Elementen 404 4o6, 408 bzwo 410.
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Die Abmessung solcher Bürsten in Richtung der Elementrotation ist
minimal gehalten, um ein genaues und zeitliches Umschalten zu schaffen. Um diese
reduzierte Abmessung auszugleichen, ist die Abmessung der Bürsten in einer Richtung
parallel zu der Wellenachse 440 grösser ausgeführt als bei herkömmlichen Bürsten,
so daß die Stromdichte und eine Funkenbildung und Verschleiß reduziert werden.
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Wenn zusätzliche serpentinenartige Windungen wie die Windungen 400
und 402 vorgesehen sind, um die Ausgangs energie aus dem Motor 70 zu erhöhen, muß
eine jede solche Windung zugeordnet ein Paar Kommutatorelemente aufweisen, die von
der Welle 440 gestützt und angetrieben werden, wobei ein jedes solches Paar winkeXssig
bezüglich der Elemente 404 und 406 um einen Betrag versetzt sind, der der Versetzung
der zusätzlichen Windung bezüglich der Windung 4oo entspricht.
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In Fig. 7 und 8 ist eine Ausführungsform gemäss Erfindung gezeigt,
in welcher magnetischer Fluß von beiden Seiten der Dauermagneten, welche das Dauermagnetfeld
bilden, beim Betrieb des Motors verwendet wird. In Fig. 7 weist die Ankertrommel
500 äußere und innere Zylinder 502 bzwO 504 auf. Die Trommel 500 kann aus einem
nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff hergestellt
sein. hnlich braucht das Außengehäuse 506 nicht aus einem Material geringen magnetischen
Widerstandes sein und kann aus einem leichtgewichtigen Metall oder Kunststoff hergestellt
sein, Das Fehlen der Notwendigkeit an Materialien geringen magnetischen Widerstandes
in diesen Ausführungsformen ergibt sich aus der Anordnung der Magnete in jedem Satz
und in benachbarten Sätzen, wie dies deutlicher in Fig. 8 gesehen werden kann0 Gegenüberliegende
Pole sind in Berührung (oder in enger Nähe) zueinander angeordnet, so daß die magnetischen
Kreise für jeden der. Magnete 508, 510, 512, 514, 516 und 518 nach Fig0 8 vervollständigt
sind.
Die anfängliche Reaktion von einem die Ausbildung nach Fig. 8 Betrachtenden ist,
daß alle Magnet wege vervollständigt sind und daß kein Fluß in den Räumen 520 und
522 zum Zusammenwirken mit den Strom tragenden Leitern 524 bzw0 526 erscheinen wurden
Tatsächliche Versuche haben jedoch gezeigt, daß diese Fakten das Gegenteil darstellen0
In den Abschn +ten der Räume 520 und 522 in Ausrichtung mit den magnetischen Zwischenflächen
528, 530, 532 und 534 wird ein bemerkenswerter I?auermagnetfluß gefunden, mit dem
der Fluß vor den Strom tragenden Leitern 524 und 526 zusammenwirken kann. Tatsächlich
kommt der größere Teil der magnetischen Antriebskraft, welche die Rotation der Welle
536 verursacht, aus dem Dauermagnetfeld - nicht aus dem durch Strom erzeugten Mag:net£)uB
um die Leiter 524 und 5260 Die Leiter 524 und 526 sind in Übereinstimmung mit der
Ausbildung 9c nach Fig. 5 angeordnet, können jedoch in lCbereinstimmung mit dieser
Ausbildung 86 nach dieser Figur angeordnet sein.
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Die Umschaltung des Stromes zu den Leitern 524 wird durch Kollektorelemente
538 und 540 bewirkt, die den Elementen 404 und 406 nach Big. 6 entsprechen und in
einer ähnlichen Weise arbeiteno Die Elemente 542 und 544 arbeiten in ähnlicher Funktion
in einer ähnlichen Weise für die Leiter 526.
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Magnetpaare 508, 510; 512, 514; und 516, 518 (und nachfolgende Paare,
nicht gezeigt) werden mit einer Einrichtung wie beispielsweise Zementieren zusammengehalten0
Jedes Paar hat eine stützende Öffnung 546, welche Innengewinde zur Aufnahme von
stützenden Bolzen 548 aufweisen kann. Die Magnetpaare werden von dem Endabschnitt
55o des äußeren Gehäuses 506 von diesen Stützbolzen 548 getragen. Die Welle 536
ist drehbar im Lager 552 gelagert, das seinerseits von dem Endabschnitt 550 getragen
isto Das verbleibende Ende der Welle 536 wird in einer Endkappe 554 über ein Lager
556 getragen0 Wenn Endklappen schrauben 558 entfernt sind, kann der gesamte Rotationsabschnitt
des Motors 560 entfernt werden. Die Magnetpaare und Bürsten 562, 564, 566 und 568
(die schematisch in Fig. 7 gezeigt sind) verbleiben mit dem äußeren Gehäuse 5060
Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 können die das Dauermagnetfeld bildenden
Dauermagnete laminiert oder eine Zusammensetzung sein, um hohe Flußdichten in den
Arbeitsspalten 570 und 572 zu erzielen, In dem Motor gemäss Erfindung ist, Je höher
die Flußdichte in dem Betriebsspalt ist, um so größer, Je grösser das Verhältnis
von mechanischer Ausgangs energie zu elektrischer Eingangs energie ist. Jedoch hat
sich eine Magnetoberflächen-Flußdichte von 3800 Gauss als geeignet erwiesen, um
einen hyperwirksamen Betrieb zu gewährleisteno Es ist wesentlich, daß das Stromschalten
an den Anker-aktiven Leitern genau dann eintritt, wenn diese Leiter mit den maximalen
Flußbereichen
nahe den Zwischenflächen benachbarter Dauermagnete in dem Motorfeld fluchten. Es
ist weiter wesentlich bei den Ausführungsformen nach Figo 3 und 7 daß die benachbarten
oder angrenzenden Magnete in dem Feld entgegengesetzte Polaritäten an ihren Zwischenflächen
aufweisen0 Derartige Motoren können mit Wechselstrom betrieben werden, in welchen
Fällen die Kommutatoren weggelassen werden0 Wie in Verbindung mit Fig. 2 und 9 beschrieben
ist, können die stromfahrenden Leiter (in diesem Pall die Leiter 524 und 526) stationär
gehalten werden, und die Magnete 508, 510, 512, 514, 516 und 518 und die verbleibenden
zylindrisch angeordneten Magnete können von der Welle 536 getragen werden, um sich
damit zu drehen.
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In Fig. 9 haben die Dauermagnete 170, 172, 174 und 176 gleiche Pole,
welche aneinanderstossen, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Pall
ist. Die Magnete sind mechanisch miteinander an ihren Anstoß stellen wie durch ein
Klebemittel oder eine andere mechanische Einrichtung verbunden, so daß die aneinanderstoss
enden, bogenförmig ausgebildeten Dauermagnete einen kompletten Ring oder Kreis bilden0
Der Aussenumfang dieses Ringes hat Rippen oder Zähne wie ein Ringzahnrad, und diese
Zähne arbeiten mit den Zähnen der Zahnräder 178, 180, 182 und 184 zusammen Die Zahnradteile
178 und 182 wirken primär
als mechanische Fuhnungsglieder für den
Ring, der von den Dauermagneten gebildet ist. Das Zahnradteil 184 wirkt als Hauptstützteil
für den magnetischen Ring, und das Zahnradteil 180 wirkt als Zahnrad, das die Ausgangswelle
186 antreibt, wie dies deutlicher in Fig. 1o gesehen werden kann0 Die Spulen 188,
19o, 192 und 194 sind in fester Lage von Armen 196, 198, 200 und 202 getragen, die
ihrerseits von einer Stütze 204 von dem Boden 206 getragen sind. Eine Stützplatte
208 schafft ein Stützen der Welle 186, die dem Zahnrad 180 zugeordnet ist und der
anderen ?ellen, die den verbleibenden Zahnrädern zugeordnet sind, wie dies in Fig.
1o gezeigt ist0 Es sei hervorgehoben, daß die winkelmässige Verschiebung zwischen
den aufeinanderfolgenden festen Spulen der winkelmässigen Trennung der Anschlagpunkte
zwischen aufeinanderfolgenden keramischen oder anderen Dauermagneten entspricht,
so daß, wenn sich der von den Magneten 170, 172, 174 und 176 gebildete Dauermagnetrlng
dreht, sich die Punkte oder 13erriche des Anstossens gleichzeitig unter den entsprechenden
festen Spulen bewegen, Das heißt, daß die Kraft, welche die Drehbewegung in diesem
Motor erzeugt, in einer Reihe von Bürsten, entsprechend den Zeit perioden auftritt,
wenn sich die Anstoßbereiche unter den entsprechenden festen Spulen bewegen.
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In Fig. 10 ist die Welle 210 für das Zahnrad 184 mit einem Ende in
einem Lager 211 und mit ihrem anderen Ende in einem
Lager 214 gelagert,
wobei letzteres Lager in dem Stützglied 216 angeordnet ist, das von dem Boden 206
fest gestützt wird. Das Zahnrad 178 wird von einer Welle 214 von dem Stützglied
208 über ein Lager 216 getragen, welches eine Rotation sowohl der Welle 214 als
auch des Zahnrades 178 erlaubt, Wie erläutert ist, ist die Welle 186 mit dem zugeordneten
Zahnrad 180 drehbar in einem Lager 218 in dem Stützglied 208 gestützt. Jedoch tritt
eine Erstreckung der Welle 186 in ein Kollektor- und geschwindigkeitsherabsetzungselement
220 ein, an dessen Ausgang sich eine Welle 222 befindet, die mit einer Last gekoppelt
werden kannO Wie in il?igo 1o gezeigt ist, erstrecken sich Leitungen von den verschiedenen
festen Spulen zu dem Geschwindigkeitsherabsetzungs- und Kollektorglied 22ovo ia
aufeinanderfolgende anstossende Abschnitte in dem Magnetring entgegengesetzte magnetische
Polarität aufweisen, ist es notwendig, die Richtung des Stromflusses in den verschiedenen
festen Spulen in dem Augenblick zu schalten, wenn sich die aneinander anstossenden
Bereiche unter den festen Spulen bewegen. Wenn beispielsweise die Nordpol der aneinanderstossenden
bogenförmigen Glieder 170 und 172 aneinanderliegen, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist
und wenn die Richtung der Bewegung der bogenförmigen Glieder in Uhrzeigerdrehsinn
ist, wie dies gezeigt ist, würde der durch die Leitungen 224 und 226 fliessende
Strom Spannungen von den Energieeingangsanschlüssen 228 und 23o einer solchen Polarität
aufbringen, um in der Spule 190 eine Stromflußrichtung zu erzeugen,
die
einen magnetischen Südpol ergeben würde, der an dem Ende der Spule 19o erzeugt wird
und die Bezugsziffer 232 trägt. Wegen der nichtgleitenden Beziehung zwischen den
Zähnen des Magnetringes und den Zähnen am Zahnrad 1 8o und mit bekannter und vorbestimmter
Beziehung zwischen den Durchmessern des Magnetringes und des Zahnrades 180 kann
die Stromschaltzeit zu jeder der festen Spule mit Hilfe eines Impulses synchronisiert
werden, der im Kommutator 220 von der Rotation der Welle 186 abgeleitet ist. Da
alle festen Spulen gleichzeitig geschaltet werden und es lediglich eine Tatsache
des aufeinanderfolgenden Änderns der Stromrichtung in jeder Spule ist, können die
elektronischen Schaltkreise in dem Umschaltprozeß sehr einfach sein und können einfach
Flip-Flop-Schaltungen umfassen, die von der sich drehenden Welle und abwechselnden
Schalten des SRC synchronisiert sind, welcher jeder Spule der Reihe nach Spannungen
entgegengesetzter Polarität zuführt. Somit kann eine kontinuierliche Drehbewegung
des magnetischen Ringes aus den Elementen 170, 172, 174 und 176 erzielt werden,
und eine Drehausgangswelle 222 kann verwendet werden, um eine gewünschte Last anzutreiben.
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In Fig. 11 sind die dort gezeigten Prinzipien im Grund gleich denen
nach Fig. 5 und 6 mit der Ausnahme, daß doppelte Sätze von Dauermagneten, welche
innere und äußere magnetische Ringe oder Zylinder bilden, verwendet werden. Insbesondere
ist nach
Fig. 11 das Außengehäuse 250 aus Weicheisen drehbar von
Ständern 252 und 254 mit Hilfe von Lagern 256 bzw. 258 getragen, Das Gehäuse 250
trägt Dauermagnete wie die Magnete 260 und 262 in fester Beziehung zum Gehäuse 2000
Die Ausbildung dieser Dauermagneten kann ähnlich der Ausbildung nach Fig0 3 sein0
Ankerspulen 264 und 266, die eine Ausbildung entsprechend der Ankerspulenausbildungen
nach Fig. 3 und 4 haben können, werden in fester Beziehung bezüglich den Stützen
252 und 254 mit Hilfe von Stützgliedern 268, 270, 272 und 274 gestützt0 Die Glieder
268 und 270 können hohl sein, um dadurch den Durchgang der Spulenleiter wie die
Leiter 276, 278, 280 und 282 zu erlauben. Ein innerer Kern 284, der hohl sein kann,
um die Masse der Drehglieder des Systems zu reduzieren, stützt die Dauermagneten
286, 288 und die Dauermagneten an dem inneren Zylinder oder Ring, welcher eine Ausbildung
entsprechend der Ausbildung des inneren Rings nach Bigo 3 aufweisen kann, Der Innenkern
284 ist aus Weicheisen und kann an den Wellenteilen 290 und 292 geschweißt oder
auf andere Weise befestigt sein, die mit Hilfe von Lagern 294 und 296 von festen
Gliedern 274 und 268 und den Stützen 254 und 252 gestützt werden0 Das Gehäuse 250
trägt an seinem Umfang ein Zahnrad 298.
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Dieses Zahnrad arbeitet mit einem Zahnradgehäuse 300 zusammen Das
Zahnradgehäuse 3oo ist mit einer Welle 302 gekoppelt, die zwecks Rotation im Lager
304 gestützt ist, welches von der Stütze 306 getragen ist. Die Welle 302 ist mit
dem Zahnradgehäuse
Doo und mit einem zweiten Zahnrad 308 gekoppelt,
welches so angeordnet ist, daß es mit dem Antriebszahnrad 31o zusammenwirkt. Das
Antriebszahnrad 310 ist seinerseits mit der Welle 290 befestigt.
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Das Wellenteil 292 erstreckt sich in den Kommutator 312 und steuert
das Schalten der Eingangsspannung von den Anschlüssen 314 und 316 zu den Leitern
280, 282, 276 und 278, so daß die Stromrichtung und die Zeit des Stromflusses eine
optimale Wirksamkeit in dem Motor erzeugt, welcher die beschriebenen Elemente umfaßte
Selbstverständlich müssen die Größen des Zabnrades 298, der Zahnräder im Getriebekasten
3oo, des Ausgangssahnrades 3o8 und des Antriebszahnrades 31o so gewählt werden,
daß die durch die Rotation der äußeren und inneren Magnetringe oder Zylinder des
Motors erzeugte Energie optimal ist.
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Der eisenlose Anker und die magnetische Zwischenfläche entgegengesetzter
Polarität der Ausführungsformen nach Figo 3, 4, 5, 6, 7 können in den Ausführungsformen
nach Figo 9, 10 und 11 angewandt werden Somit kann überall ein nichtmagne:iisches
Material verwendet werden0 In Figo 12 ist eine besonders praktische und wichtige
Anwendung eines hyperwirksamen Elektromotors gemäss Erfindung gezeigt.
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In Fig. 12 wird ein erfindungsgemässer Motor 600 verwendet,
um
eine Kühleinrichtung 602 über eine Welle 604 anzutreiben.
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Die Energie für den hyperwirksamen Motor 600 wird von einer Gleichstromquelle
60g genommen, die schematisch als eine Batterie dargestellt ist0 Diese Anwendung
ist insbesondere wichtig, wenn tragbare oder bewegbare Kühleinheiten anzutreiben
sind, wie beispielsweise bei Kühl-LKW's oder ContainernO Eine hohe Wirksamkeit des
Elektromotores ist wesentlich, um eine maximale Kühlzahl aus einer gegebenen Batterie-Energiequelle
zu gewährleisten.
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Während besondere Ausführungsformen gemäß Erfindung gezeigt und beschrieben
sind, sei hervorgehoben, daß für den Fachmann Änderungen und Modifikationen durchgeführt
werden können, ohne sich dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.
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A:asprüche
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