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PATENTSCHRIFT
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Titel: Elektrodynamischer, magnetisch gelagerter Motor Anwendungsbereich:
Die Erfindung betrifft einen elektrodynamisch angetriebenen Kombinations-Wanderfeld-Motor,
dessen Antriebsteile mittels statischer und/ oder dynamischer, gegenpoliger und
gleichgerichteter Felder, magnetisch gelagert wird, insbesondere für die Anwendung
in allen bisher bekannten Arbeitsweisen eines elektrodynamischen Aggregates, sei
es als "antreibender" Motor oder als "getriebener" Generator.
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Zweck: Derartige E-Motore haben die Aufgabe, unter Ausnutzung der
als bekannt vorauszusetzenden Wirkung der elektromagnetischen Gesetze (Lorenzkraft),
den Läufer oder das Gehäuse in Drehung zu versetzen, um im Nutzeffekt ein Drehmoment
bzw. umgekehrt durch Einleiten eines Drehmomentes in den (Motor) Generator elektrische
Energie zu gewinnen.
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Stand der Technik: Es ist in Anwendung des Prinzips der elektromagnetischen
Induktion eine Vielzahl von Variationen der elektromotorischen Antriebstechnik bekannt.
Wir kennen Gleichstrommotore, Wechselstrommotore, Linearmotore usw., unter anderem
auch E-Motore, welche magnetisch gelagerte Läufer besitzen.
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Die Variationsbreite hinsichtlich Leistungsvermögen, Aufbau, Regelung
bzw. Steuerung ist vielfältig, ebenso die spezifischen Merkmale der einzelnen Motorenfabrikate.
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In zwei Klassen geteilt kennen wir E-Motore 1. mit einem Abtriebsradius>
0 und dem Abtriebs-Drehmoment <°n > 0 2. mit einem Abtriebsradius on und dem
Abtriebs-Drehmoment lim 0.
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zu 1.
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Hier sind u. a., wie vorstehend bereits aufgeführt, zu nennen die
Drehstrommotore und Scheibenläufermotore. Als Drehstrommotore (auch Induktionsmotore
genannt) bezeichnet man solche Motore, die durch ein umlaufendes Wanderfeld, z.B.
im Gehäuse, in dem Läufer einen Induktionsstrom erzeugen, welcher über Kurzschlußringe
(daher Kurzschluß- oder Käfigläufer benannt) dem Gegenpol zugeführt wird, durch
das magnetische Gegenfeld fließt und unter Wirkung des magnetischen Feldes der stromführenden
Leiter eine diskrete Kraft erfährt, welche aufgrund des zylindrischen Läufers in
ein Drehmoment umgewandelt wird.
Der Drehstrommotor, insbesondere
der Asynchronmotor, ist als frequenzgesteuerter Motor (ohne Stromwende) für den
allgemein gängigen Einsatz bekannt und aufgrund seiner Robustheit und geringen Störanfälligkeit
geschätzt.
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Der Scheibenläufer ist ein Gleichstrommotor, dessen Leiterbahnen auf
einer dünnen Scheibe beiderseitig angeordnet sind. Zwischen Magnete geführt über
Stromwender (Komutatoren) zwangsbetrieben, hat diese Motorenart ihre spezifischen
Merkmale. Diese liegen insbesondere in dem geringen massenträgheitsbehafteten Betriebsverhalten,
was gute Anlaufeigenschaften bei hohem Anfangsdrehmoment und rasches Stopverhalten
bewirkt. Mit einer Regelautomatik versehen, eignen sich Scheibenläufermotore als
Regelantriebe in einem breiten Anwendungsfeld.
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zu 2.
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Hierunter fällt alleinig der Linearmotor, welcher als Polysolonoid
die geometrisch abstrahierte Formänderung des bekannten Drehstrommotors (Wanderfeldmotor),
genauer gesagt Asynchronmotors in aufgerollter Weise darstellt.
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Wie der Asynchronmotor (Induktionsmotor) mit seinem, in der geometrischen
Kreisform des Stators, herumeilenden Wanderfeld auf den Kurzschlußläufer eine Kraft
(Lorenzkraft)
ausübt, die den Läufer in eine drehende Kraftbewegung zwingt, so verhält sich der
Linearmotor aufgrund der Deckungsgleichheit der Prinzipien gleich.
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Die erzeugte Kraft im Läufer wird hier jedoch in eine lineare Kraftbewegung
umgeformt, da der Radius nicht endlich groß und somit wegen Radius co das Drehmoment
lim O O beträgt. Die übrigbleibende Antriebskraft ist eine lineare Komponente.
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Es ist ferner Stand der Technik, daß unter Anwendung von elektromagnetischen
Lagern, besondere Lagerzwangsführungen erreicht werden. Der Vorteil liegt insbesondere
darin, daß durch Ausschluß von Verschleißteilen optimale Laufeigenschaften erreicht
werden.
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Elektromagnetische Lagerungen kennen wir bei Rotationsantrieben ebenso
wie bei Linearantrieben, welche je nach Zweck und geometrischem Aufbau unterschiedlich
sind. Hier werden statische und dynamische Lager verwendet. Insbesondere kennen
wir die separate Magnet-Lagerführung, sei sie nun statisch oder dynamisch ausgeführt.
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Kritik des Standes der Technik: In der Beurteilung des technischen
Wertes von Motoren/Generatoren ist als kritische Anmerkung herauszuziehen: - Der
Einsatz der Aggregate ist durch das Vorhandensein von mechanischen Lagern in ihrer
Lebensdauer begrenzt.
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- Wartungskosten entstehen.
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- Bei Gleichstrommotoren, z.B. den genannten Gleichstrom-Scheibenläufermotoren,
sind Kohlebürsten immer wieder zu ersetzen.
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- Bei Gleichstrommotoren, die mittels Thyristoren geregelt werden,
entstehen Rückwirkungen auf das speisende Netz.
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- Die Herstellkosten von Aggregaten sind mit kapitalintensiven Anlagenkomplexen
hoch.
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- Die Fertigungs- und Montagefreundlichkeit ist gering. Hier sei auf
das lohn- und kostenträchtige Einziehen der Stator- und Ankerwicklung verwiesen.
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- Die geringe Temperaturbelastbarkeit der Elektromotore aufgrund spezieller
Isolationsprobleme.
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- Begrenzter bzw. festgelegter Drehzahlbereich.
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- Notwendiger Mehraufwand bei Über- oder Untersetzungen durch Hinzufügen
von mechanischen Getriebekomponenten.
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- Beschränkte Einbaulage der Motoren durch spezielle Gehäuseausführungen,
z.B. B 3 B 5 etc.
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- Eingegrenzte Arbeitsfähigkeit in Luft, Wasser, Laugen, Säuren, Vakuum.
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- Externe Magnetlager durch zusätzliche Anordnung am eigentlichen
Aggregat komplizieren den Aufbau und verteuern das Produkt.
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- Wirbelströme hemmen den Lauf und verzehren Antriebsenergie (Verlustwärme)
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Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Kombination
vorteilhafter Prinzipien elektromotorischer Systeme, ein universell anwend- und
einsetzbares Aggregat zu entwickeln, welches zudem kostengünstiger und fertigungs-
und montagefreundlicher herzustellen ist, als die bisher bekannten Elektromotore
bzw. Aggregate.
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Lösung: Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Kombination aus frequenzgesteuertem elektromagnetischen Wanderfeld, Kurzschlußcharakteristik
von, in den Läufer, induzierten Ströme, massenträgheitsarme, scheibenartige bzw.
dünnflächige Läufer, in Verbindung mit den tragenden Polwicklungen, welche gleichzeitig
treibend wirken, entwickelt wurde.
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Erzielbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß - statt einer Vielzahl von unterschiedlichen, mit speziellen
Eigenschaften ausgebildeten
Aggregaten mit ihren Vor- wie auch
Nachteilen, nun nur noch ein einziges Aggregat benötigt wird, welches vielgestaltig
einsetzbar ist.
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- Die magnetische Lagerung läßt einen verschleißlosen Einsatz des
Elektromotors in geometrisch beliebig angeordneter Art, mit weitreichender Lebensdauer
zu.
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- Eine geringe Läufermasse aufgrund von dünnwandiger Läufergeometrie
läßt hervorragende Regelbarkeit von Anfahr- und Stoppverhalten zu.
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- Die Kurzschlußcharakteristik der Leiterzüge im Läufer sichert einen
steilen Drehmomentenanstieg zu, welcher noch durch die magnetisch tragenden Teile
der gegenpoligen Wirbelstromfelder unterstützt wird.
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- Präzise Regelung der frequenzabhängigen Umdrehung, unter Fortfall
eines Unter- oder Übersetzungsgetriebes.
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- Schrittmotoren-Eigenschaften die mittels geeigneter, kostengünstiger
Interfaceschaltung und einiger Additiven (elektronischer Bauelemente) erzielt werden
kann.
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- Kostengünstige, leichte Montage des Läufers, des Gehäuses und der
Wicklung, die, jeder einzeln für sich, vormontiert und schließlich nur noch zusammengefügt
werden.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen: Die Ausführungsbeispiele der
Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben:
Fig. 1 stellt einen Käfigläufer eines Asynchronmotors dar. Die Leiterbahnen in die
durch das elektromagnetische Wanderfeld Induktionsströme induziert werden, sind
mit 1, die Kurzschlußringe mit 2 bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt die Abwicklung des Asynchronmotors zum Linearmotor mit
einem bzw.
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doppelten Induktorkamm.
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Fig. 3 zeigt das Prinzip des Scheibenläufermotors.
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Fig. 4 zeigt das Prinzip einer Magnetlagerung eines Läufers oder
Welle Fig. 5 zeigt den * (Stern) Läufer im Schnitt.
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Hier ist mit 1 der Gabelpol bezeichnet, 2 kennzeichnet den Polschuh
und 3 die Wicklung.
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Lfd. Nr. 4 zeigt den Läufer, Lfd. Nr. 5 kennzeichnet die Nuten im
Läufer.
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Die Läuferflächen sind plan- und gleichmäßig mit Leiterwerkstoff
(z.B. Cu oder Al) umgoßen und die Nuten ausgefüllt.
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Fig. 6 zeigt den * (Stern) Läufer im Halbschnitt.
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Lfd. Nr. 1 kennzeichnet das Notlauf-Hilfslager.
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Lfd. Nr. 2 kennzeichnet die Stator-Polwicklung.
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Lfd. Nr. 3 kennzeichnet den Gabelpol.
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Lfd. Nr. 4 kennzeichnet den *-Läufer mit der Seele.
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Lfd. Nr. 5 kennzeichnet die Läufer-Nuten-Kurzschluß-Wicklung mit
den umgoßenen Leiterbahnen.
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Lfd. Nr. 6 kennzeichnet den Polschuh.
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Lfd. Nr. 7 kennzeichnet den Steckkontakt-1 solationskörper.
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Lfd. Nr. 8 kennzeichnet die Leiterbahn-Isolation.
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Lfd. Nr. 9 kennzeichnet die Leiterbahnen der Stromanschlüsse für
die Stator-Polwicklung.
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Lfd. Nr. 10 kennzeichnet die zentralen Stromverteiler.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 6 dargestellten * (Stern)-Läufer-Elektromotors
ergibt sich aus dem Kurzschluß-Stromlaufprinzip der, in der Zeichnung mit Lfd. Nr.
5 mit dicker schwarzer Linie kenntlich gemachten, Kurzschluß-Leiterbahn im Läufer.
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In einem Dreh- bzw. Wanderfeld werden über die zentrale Stromversorgung,
Lfd. Nr. 10, die einzelnen Gabelpole mit ihren Wicklungen über geschichtete Leiterbahnen,
die ihrerseits mittels Steckkontakte an die Gabelpol-Wicklungen angeschlossen sind,
versorgt.
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Im frequenzgebundenen Stromrichtungswechsel baut sich zwischen den
Gabelpolen, Lfd. Nr. 3, und den Polschuhen, Lfd. Nr. 6, ein homogenes Magnetfeld
auf.
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Dieses Magnetfeld durchdringt die zwischen den Polen befindlichen
Läuferflächen, welche mit Leiterzügen versehen sind und erzeugt in den Leiterzügen
einen Induktionsstrom (Lenz'sche Regel).
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Über die Stirnseite und über die Rotorflächenwurzel, sowie über die
mit dem Leiterwerkstoff (Cu oder Al) kurzgeschlossene Oberfläche der einzelnen Rotorflächen
ergibt sich ebenfalls ein erzeugter Induktionsstrom-Rückschluß in die benachbarten
Leiterbahnen.
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Gemäß der elektromagnetischen Wirkunsweise erfahren die Leiterbahnen,
da die in ihnen induzierten Ströme Magnetfeldlinien rechtwinkelig schneiden, eine
Kraft (Lorenzkraft), welche sie bzw. mit ihnen der *-flächige Läufer rechtwinkelig
zur Stromrichtung auslenkt.
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Die in den kurzgeschlossenen Oberflächen der Läuferflächen entstehenden
Wirbelströme erzeugen eine von den Polen abstoßende Gegenkraft, die den sternförmigen
Vielflächenläufer tragen.
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Die erzeugten Wirbelströme unterstützen die Auslenkung des Läufers
auf der Grundlage der Wanderfeldgeschwindigkeit, denn neben den tragenden Eigenschaften
hat das erzeugte magnetische Gegenfeld der Wirbelströme noch die Eigenschaft den
Läufer festzuhalten und somit, mit dem forteilenden Wanderfeld, den Läufer mitzuziehen.
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Der vorgetragene Aufbau des Motors ist im Gabelpol mit einem N, S-Pol
und im Polschuh mit einem gegengerichteten N,N oder S,S-Pol durchgeführt.
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Andere schaltungsbedingte Anordnungen sind ebenfalls möglich.
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Das Prinzip des Elektromotors ist für einen Rotationsbetrieb genauso
geeignet wie für einen Linearantrieb.
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Andere geometrische Läufergestaltungen sind ebenfalls möglich, so
z.B. + (Kreuz) -, x -, E -,( -, Gabel -, C -, K -, V -, H -, - Läufer etc.
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