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Pe rmanentmagnetmotor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Permanentmagnetmotor mit einem
Rotor sowie mit einem Stator.
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Es gibt Motoren verschiedener Arten zum Antrieb für mannigfaltige
Zwecke. Der Nachteil der bekannten Motoren
besteht im wesentlichen
in deren großen, inneren Verlusten, wodurch dem Wirkungsgrad jeweils Grenze gesetzt
ist, der sich nach dem Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Leistung bestimmt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor
zu schaffen, mit dem ein höherer Wirkungsgrad als bei bisher bekannten Motoren erzielbar
ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches
aufgeführten Merkmale gelöst.
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Der erfindungsgemäße Permanentmagnetmotor weist gegenüber dem Bekannten
die Vorteile auf, daß er ein günstiges Verhältnis von zugeführter und abgegebener
Leistung aufweist und darüber hinaus nur geringen Abnutzungserscheinungen unterliegt.
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Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen
erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbei spieles
mit einem angetriebenen Generator,
Fig. 2 schematisch eine Ansicht
eines geöffneten Vibrators mit angedeutetem Statormagneten und Rotor, Fig. 3 schematisch
einen Schnitt durch den Rotor mit Statormagneten und Vibrator, Fig. 4 eine Teil-Draufsicht
auf den Rotor, von dem die obere Scheibe entfernt ist, und die beiden Statormagnete
Die Fig. 1 zeigt einen Versuchsaufbau und damit ein funktionsfähiges Ausführungsbeispiel.
In einem Rahmen 1 ist eine Welle 3 frei drehbar gelagert. Die Welle 3 trägt zunächst
einen Rotor 2 und daneben noch ein Zahnrad 10 als Abtriebszahnrad und eine Scheibe
15. Der Rotor besteht aus zwei kreisrunden Scheiben 35, 36, die vorzugsweiße aus
Messing bestehen, zwischen die ein kreisringförmiger Magnetkern 19 (Fig. 1, 4) befestigt
ist, um den herum aus Eisen bestehende Bleche 34 (Fig. 1, 4) angeordnet sind.
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Die Bleche 34 sind zu einem an sich bekannten Blechpaketct zusammengepreßt
und haben zunächst ebenfalls Kreisringform.
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Letztere wird jedoch durch Einschnitte 54 entlang des Rotorumfangs
unterbrochen. Im Bereich der Binachnitte 54 ist auch der kreisringförmige Magnetkern
19 jeweils etwas ausgenommen. Die beiden Scheiben 35 und 36 werden durch entlang
des Rotorumfangs verteilter Niete gegeneinnder
gedrückt, wodurch
das Paket aus den Blechen 34 in an sich bekannter Weise fest zusamsengehalten wird.
Aus Fig. 4 geht hervor, daß durch die besondere Ausyestaltung des Rotors 2 und die
Verwendung der Einschnitte 5¢r die Ausbildung von Magnetpolen entlang des Rotorumfangs
stattfindet. Jeder Einschnitt 54 wird jeweils von einer Kante mit einem Nordpol
(N) und einer Kante mit Südpol (s) seitlich in der Weise begrenzt, wie es die Fig.
4 zeigt.
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Der Stator wird durch zwei Magnete 4, 5 (Fig. 1, 3, 4) gebildet. Diese
bestehen aus Sektoren, die aus einem Magnetring herausgeschnitten sind. Die Magnete
4, 5 werden von Haltern 8 bzw. 9 getragen, die ihrerseits an Wellen 6, 7 fest angebracht
sind. Die Wellen 6, 7 sind drehbar in dem Rahmen 1 gelagert. Außerhalb des Rahmens
1 ist auf der Welle 7 ein Flachstück 29 (Fig. 1) fest angebracht, das zwei Bohrungen
trägt, durch die die Enden von als Zugfedern ausgebildeten Federn 27, 28 hindurchgreifen.
Die anderen Enden der Federn 27, 28 sind in gehäusefest angebrachte Ösen 31 bzw.
32 eingehängt. Die Federn 27, 28 sind relativ stark, so daß sich die Welle 7 und
ihr Halter 9 und damit der Magnet 5 nur geringfügig aus der aus Fig. 1 ersichtlichen
Lage verschwenken können.
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Die andere Welle 6, auf der der Halter 8 und damit der Magnet 4 fest
angebracht sind, ist außerhalb des Rahmens 1 mit einem verdrehfest auf ihr angebrachten
Halter 48 versehen, der seitlich von einer Gabel 26 gehalten wird.
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Letztere ist starr mit einem Arm 43 verbunden, der in einen Vibrator
25 hineinragt.
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Die Polaritäten der beiden Magnete 4, 5 gehen aus den Fig. 3 und 4
hervor. Beispielsweise bildet sich an dem Magneten 4 auf dessen Oberseite ein Nordpol
(N), auf dessen Unterseite aber ein Südpol (S) aus. An dem anderen Magneten 5 ist
dann auf dessen Oberseite ein Südpol (S), auf seiner Unterseite ein Nordpol (N)
vorhanden. Allerdings ist der Erfindungsgegenstand auch dann funktionsfähig, wenn
sich bei beiden Magneten 4, 5 auf ihrer Oberseite und Unterseite jeweils gleiche
Pole ausbilden.
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Wird nun der Magnet 4 durch geringfügiges Drehen der ihm zugeordneten
Welle 6 verschwenkt, beispielsweise um ca.
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150 (Fig. 2), dann beginnt sich der Rotor 2 in einer bestimmten Drehrichtung
zu drehen. Der Rotor 2 läuft - bei dem Ausführungsbeispiel mit vier Einschnitten
54 (Fig, 4) um eine Vierteldrehung bis zum nächsten Einschnitt 54, sofern der Magnet
4 in seiner verschwenkten Lage verbleibt.
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Wird der Magnet 4 hingegen bei der ersten Vierteldrehung des Rotors
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um etwa den gleichen Winkelbetrag aus seiner in Fig. 1 dargestellten
Ruhelage in die Gegenrichtung verschwenkt, dann läuft der Rotor über seine Vierteldrehung
hinaus, und ein weiteres Hin- und Herschwenken des Magneten 4 bewirkt ein ständiges
Drehen des Rotors 2. Durch geschickte Steuerung des Magneten 4 kann dabei die Drehzahl
des Rotors 2 weiter gesteigert oder auch verlangsamt, also den gewünschten Erfordernissen
entsprechend angepaßt werden.
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Für den beschriebenen Antrieb des Rotors 2 kann der Magnet 5 auch
starr befestigt sein. Die federnde Fixierung des Magneten 5 in der in Fig. 1 gezeigten
Lage bringt aber eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors.
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Die geschilderte Verschwenkung des Magneten 4 in einer + 15° aus der
in Fig. 0 Größenordnung von - 15 aus der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage heraus
bezieht sich nur auf den Anlauf des Permanentmagnetmotors, wenn der Rotor einmal
in Lauf gesetzt ist, reichen kleinere Verschwenkungsbewegungen des Magneten 4 aus,
etwa in der Größenordnung von 1,5°.
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Je nach gewünschter und in Abhängigkeit von der tatsächlichen Geschwindigkeit
des Rotors 2 muß der Magnet 4 in einem bestimmten, periodischen Rhythmus hin- und
herge-
schwenkt werden. Eine solche Verschwenkung kann in Abhängigkeit
von der tatsächlichen Drehzahl des Rotors durch eine mechanische Zwangssteuerung
erfolgen, die überlagert wird durch eine von außen aufgeprägte Steuergröße, die
dem gewünschten Drehzahlverlauf entspricht.
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Anstatt der vorerwähnten mechanischen Zwangsiteuerung und von außen
aufgeprägter Zusatz steuerung wird eine elektromechanische Steuerung im folgenden
beschrieben, die von einer Elektronik 20 gesteuert und an die b-stehenden und gewünschten
Verhältnisse leicht angepaßt werden kann. Generell handelt es sich aber bei der
elektromechanischen und elektronischen Steuerung um gleichwirkende Mittel mit den
mechanischen Steuerungen.
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Die Welle 6 und der ihr zugeordnete Magnet 4 werden über den Halter
48, die Gabel 26 und den Arm 43 von dem Vibrator 25 in Richtung eines Pfeiles 33
hin- und in G.genrichtung dieses Pfeiles 33 herbewegt. Anhand Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel
eines solchen Vibrators beschrieben. Der Arm 43 trägt an seinem einen Ende die Gabel
26, an seinem Gegenende ist er mittels zweier Federn 49, 50 in Mittellage gelagert.
Er trägt zwei Tauchanker 44, 45, die in Magnetwicklungen 46, 47 eintauchen. Werden
die Magnetwicklungen 46, 47 abwechaelnd von elektrischem Strom
durchflossen,
dann bewegt sich der Arm 43 abwechselnd in Richtung eines Pfeiles 52 und in Richtung
eines Pfeiles 51. Die Verschwenkungsbewegung der Welle 6 kozmnt in den beiden Richtungen
des Pfeiles 53 zustande.
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Die abwechselnde Einschaltung der Magnetwicklungen 46, 47 (Fig. 2)
des Vibrators 25 wird von der Elektronik 20 aus gesteuert, die über Leitungen 23,
24 mit dem Vibrator 25 in Verbindung steht und ihrerseits über Leitungen <7,
38 elektrische Energie aus einem Netz 30 bezieht. Die Elektronik 20 wird zweckmäßigerweise
mit Mikroprozessoren und hohe Ströme schaltenden Halbleitern ausgestattet, so daß
die Elektronik 20 allen Forderungen, die an sie gestellt werden, gerecht werden
kann.
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Um eine phasenrichtige Ansteuerung des Vibrators 25 vornehmen zu können,
benötigt die Elektronik 20 eine Information über die tatsächliche, momentane Drehzahl
des Rotors 2 und dessen Winkellage. Diese beiden Informationen werden von der Welle
3 des Rotors abgenommen. Zu diesem Zweck ist an seinem Ende eine Scheibe 15 (Fig.
1) starr befestigt, die mit einem Magneten 16 oder einer anderen Markierung - beispielsweise
einer Farbmarkierung - an einer bestimmten Stelle ihres Umfanges gekennzeichnet
ist. Ein Sensor 17 tastet die Scheibe 15 und damit den Magneten 16 - bzw. eine
Farbaarkierung
- ab und leitet die hieraus gewonnene Information über Leitungen 21, 22 an die Elektronik
20 weiter. Diese ist mit Schaltern 39, 40, mit Einstellknöpfen 41, 42 sowie mit
einer Anzeige 18 ausgestattet. Über letztere kann z.B. die momentane Drehzahl des
Rotors 2 angezeigt werden, man kann aber auch die gewünschte Drehzahl oder andere
physikalische Größen mit ihr zur Anzeige bringen. Die Einstellknöpfe 41, 42 dienen
der Vorwahl bestinnter physikalischer Größen, wie beispielsweise der Enddrehzahl,
der Verschwenkungscharakteristik des Magneten 4 etc. Die Elektronik 20 kann so programmiert
werden, daß eine bestimmte, gewünschte Anlaufkurve für den Rotor verwirklicht wird.
Ferner kann die Art der Verachwenkungsbewegungen des Magneten 4 an der Elektronik
eingestellt werden, z.B. eine schlagartige Verschwenkungßbewegung oder eine Verschwenkungscharakteristik,
die der jeweiligen Winkeldrehung des Rotors folgt.
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Sofern die von dem Sensor 17 gelieferten Informationen noch nicht
ausreichen, können auch mehrro Sensoren entlang des Umfangs der Scheibe 15 angeordnet
sein Die Drehbewegung des Rotors 2 und damit seiner Welle 3 wird über ein Zahnrad
10, ein Ritzel 11 und eine Wolle 12 abgeführt und einer Kupplung 13 zugeleitet.
Le$mtore kann
die Verbindung zu einem Generator 14 herstellen,
der elektrischen Strom erzeugt.
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Neben der Stromerzeugung ist es auch denkbar, andere Geräte und Maschinen
über die Kupplung 13 anzutreiben. Der erfindungsgeiaäße Permanentmagnetmotor ist
daher für alle diejenigen Fälle auch interessant, bei denen es um die Umsetzung
einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung geht. Anstatt des Vibrators
25, der elektromechanisch betrieben wird, ist - wie schon weiter oben angedeutet
- ein mechanischer Antrieb, denkbar. Der erfindungsgemäße Permanentmagnetmotor ist
also auch für Anwendungsfälle interessant, wo es um die möglichst verlustarme Umsetzung
einer periodischen Bewegung in eine kontinuierliche Drehbewegung geht, wobei weder
ein Elektromotor eingesetzt werden muß, noch mechanische Teile unmittelbar in Wirkverbindung
miteinander stehen. Durch die mechanische Trennung von Magnet 4 und Rotor 2 könnten
der Magnet 4 und der Rotor 2 mit seinen Hilfsgeräten in verschiedenen Medien untergebracht
sein, und trotz der völlig abgedichteten verschiedenen Medien wäre eine mechanische
Bewegung durch eine Trennschicht hindurch, die zwischen dem Magneten 4 und dem Rotor
2 verlaufen könnte, möglich.
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Da der Permanentmagnetmotor auf Kupferwicklungen vollständig verzichtet,
weist er den großen Vorteil eines preisgünstigen Aufbaus auf. Der Kupferverbrauch
für die beiden Magnetwicklungen 46, 47 fällt hierbei kaum ins Gewicht.
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Bei einer rein mechanischen Steuerung der Verschwsnkungsbewegungen
des Magneten 4 könnte auch auf die beiden Magnetwicklungen 46, 47 vollkommen verzichtet
werden.
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Ferner weist die Erfindung den Vorteil auf, daß wegen des Verzichts
von Kupferwicklungen in dem Motor keinerlei Wärmeverluste in ihm auftreten können.
Somit ist der mit der Erfindung erzielbare Wirkungsgrad zwischen zugeführter und
abgegebener Leistung höher als bei bisher bekannten Motoren.
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Anstatt des in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung be-/aufgebauter
schriebenen Rotors 2 kann auch ein anders, von Permanentmagnetmotoren her an sich
bekannter Rotor, verwendet werden.
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Hierzu können die Bleche 34 weggelassen werden, denn man kommt mit
dem Magnetkern 19 allein aus, dieser muß allerdings dann einen anderen, größeren
Durchmesser haben. Als Rotormagnet kann aber auch eine Eisenscheibe verwendet werden.
Wichtig für solche Ausgestaltungen des Rotor ist nur die Ausbildung von Magnetpolen
entlang des Rotorumfangs.
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Die Anzahl der Magnetpole entlang des Rotorumfang ist
beliebig
und ergibt sich aus dem Anwendungsfall. Im Ausführungsbeispiel sind nur beispielhaft
vier Polstellen mit Nordpolen (N) und vier Polstellen mit Südpolen (S) verwendet
worden.
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Der erfindungsgemäße Permanentmagnetmotor läßt sich wegen seiner geringen
Verluste beaonders gut im Zuge von Energiesparmaßnahmen einsetzen, z.B. als Antriebsmotor
für Wärmepumpen. In diesem Fall kann anstatt des Generators 14 eine Wärmepumpe an
die Kupplung 13 angebaut werden. Die Wärmepumpe kann aber auch unmittelbar an die
Welle 3 des Permanentmagnetmotor8 angebaut werden.
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