DE3021475A1

DE3021475A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: DE3021475A1
Application number: DE19803021475
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus Van Niekerk
Original assignee: NIEKERK JOHANNES WILHELMUS
Current assignee: NIEKERK JOHANNES WILHELMUS
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1980-12-18
Also published as: NL8003328A; AU5911280A; FR2458932A1; IT8048873A0; IT1127492B; JPS5629455A; GB2054977A

Description

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Johannes Wilhelmus van «iekerk, 3 Bouer Street, Fichard Park. Bloemfontein, Orange Free State, Südafrika

Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die abhängig von ihrer Betriebsart als Motor oder Generator arbeiten kann.- wobei sie einen Wellenform-Generator umfaßt.

E.R. Laithwaite hat einen seIbsterregten Synchron-Linear-Motor vorgeschlagen.- der den Nachteil einer zu großen Hublänge hat, und der₅ was noch entscheidender ist, nicht in der Lage ist, selbst anzulaufen, wenn er mit einem Linear-Dreh-Umformer ausgerüstet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine elektrische Maschine mit verbessertem Leistungsgrad und gutem Anlaufvermögen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektrische Maschine mit Mitteln zum Aufbau eines Magnetfeldes, Antriebsmitteln und Spulenmitteln vor, die mit den Antriebsmitteln gekoppelt und in dem magnetischen Feld hin- und hergehend (schwingend) bewegbar sind, wobei die Spulenmittel wenigstens ein Klemmenpaar zur Schaltung an eine den Stromfluß durch die Spulenmittel bestimmende Einrichtung umfassen.

um auf besonders vorteilhafte und zweckmäßige Weise ein Gesamtmagnetfeld aufzubauen, können die Mittel zum Aufbau des Magnetfeldes Mittel zum Aufbau eines ersten Magnetfeldes und Mittel zum Aufbau eines zweiten Magnetfeldes umfassen, wobei das zweite Magnetfeld im wesentlichen kollinear mit dem ersten Magnetfeld sein sowie im allgemeinen eine zu dem ersten Magnetfeld entgegengesetzte mag-

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netische Richtung aufweisen kann und die Spulenmittel hin- und hergehend (schwingend) zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld bewegbar sein können.

Zum Hervorbringen einer elektromotorischen Kraft kann die elektrische Maschine in Weiterbildung zweckmäßigerweise derart ausgelegt sein_f daß sie eine an das Klemmenpaar geschaltete Spannungs- oder Stromquelle umfaßt,- wobei das Verhältnis der Polarität der Quelle zu dem ersten und zweiten magnetischen Feld derart ist? daß in den Spulenmitteln eine motorische Wirkung induziert wird.

In Abhängigkeit von den Parametern der elektrischen Maschine kann eine Wechselstromquelle verwendet sein. Wenn die elektrische Maschine jedoch mit Gleichstrom betrieben werden soll_f kann eine Ausgestaltung darin bestehen, daß die Quelle eine Gleichstromquelle ist und Kommutator-Mittel zur Richtungssteuerung des Stromflusses durch die Spulenmittel umfaßt.

Die Antriebsmittel können an .jede durch einen Motor zu treibende Einrichtung geschaltet werden. Die Antriebsmittel,-die für eine hin- und hergehende bzw. schwingende Bewegung sorgen, können unmittelbar an Vorrichtungen wie Bohrloch- und Kolbenpumpen, an (leichte) Bohrhämmer od. dgl. angeschlossen werden. Um jedoch eine Drehbewegung zu erzeugen,-ist es besonders vorteilhaft, daß die elektrische Maschine einen Linear-Dreh-Umformer umfaßt- der durch die schwingenden Antriebsmittel angetrieben wird.

Wenn die elektrische Maschine als Generator eingesetzt wird, kann sie in zweckmäßigerweise konstruktiv derart gestaltet sein, daß sie an die Antriebsmittel geschaltete Mittel zur Erzeugung ,einer hin- und hergehenden oder schwingenden Bewegung der Spulenmittel umfaßt, so daß eine elektromotorische Kraft in den Spulenmitteln induziert ist und über dem Klemmen-

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paar auftritt. Zum Beispiel können die an die Antriebsmittel geschalteten Mittel einen Dreh-Linear -Umformer umfassen; aber ebensogut kann jede geeignete Antriebsmaschine eingesetzt werden.

Eine andere Ausbildungsvariante der Erfindung kann darin bestehen. daß die elektrische Maschine eine Kernanordnung umfaßt., die einen Magnetpfad für das erste und zweite Magnetfeld bildet, wobei die Spulenmittel die Kernanordnung umge · ben und längs dieser hin- und herbeweglich sind.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine kann die Kernanordnung aus hochwertigem magnetischen Material gebildet sein.

Das erste und zv/eite magnetische Feld kann mit Hilfe von Elektromagneten erzeugt v/erden; nach einer bevorzugten Aus·- führungsform der Erfindung jedoch können die Mittel zum Aufbau des ersten und zweiten Magnetfeldes jeweils erste und zweite Dauermagnetmittel umfassen.

Entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung können die ersten und zweiten Dauermagnetmittel jeweils aus ersten und zweiten axial ausgerichteten ringförmigen Magnetmitteln gebildet und die Spulenmittel in der Bohrung der ringförmigen Magnetmittel angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können die ersten und zweiten ringförmigen Magnetmittel jeweils eine Stapel-Anordnung aus einzelnen ringförmigen Magneten umfassen. Die einzelnen ringförmigen Magnete können mit unterschiedlichen Magnet (feld) stärken gewählt werden.-um mit der Maschine unterschiedliche Eigenschaften zu gewinnen. Die Verwendung unterschiedlich starker Magnete in der Generator-Betriebsart beeinflußt z.B. die über dem Klemmenpaar auftretende Wellenform, wohingegen in der Motor-Betriebsart die mechanische Ausgangsleistung geändert wird.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und weitere Einzelheiten sind anhand der schematischen Zeichnung, die eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Maschine zeigt, näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein elektrischer Motor gezeigt, der eine Magnet-Anordnung 10, eine Kurbel 44 und eine Kommutator-Einrichtung 12 umfaßt.

Die Anordnung 10 umfaßt einen ersten Stapel 14 einzelner, ringförmiger, in Serie angeordneter Magnete 16 _? d.h. benachbarte Magnete weisen aneinandergrenzende Nord- und Südpole auf, sowie einen ähnlichen Stapel 18 ringförmiger Magnete 20. Die beiden Stapel 14 und 18 sind mit einander entgegenwirkenden Südpolen angeordnet. Auf diese Weise bauen sie zwei im wesentlichen kollineare Magnetfelder mit entgegengesetzter Richtung auf. Die Stapel 14 und 18 sind durch eine ringförmige, nicht-magnetische Einlage 22 voneinander getrennt.

Die zusammengesetzten Stapel 14 und 18 sind jeweils durch große obere und untere Magnete 24 und 26 begrenzt, die in der Zeichnung gezeigte Polaritäten aufweisen. Folglich unterstützen die beiden Magnete 24 und 26 die Magnetfelder darin, sich von den Stapeln 14 und 18 in das Innere der Bohrung der Anordnung 10 zu konzentrieren. Aus dem gleichen Grund sind kleine Kerne 28 und 30 verwendet, die jeweils im Zentrum der Magnete 24 und 26 angeordnet sind und deren Polarität jeweils durch einen Wordpol gebildet ist. Ein Kern 32 aus magnetischem Material ist im Zentrum der Bohrung der Anordnung IO angeordnet. Eine auf einem Spulenkörper gewickelte Spule 33 umfaßt den Kern 32. Der Spulenkörper befindet sich in engem, jedoch frei beweglichem Kontakt zu dem Kern 32.

Zwei Antriebsstangen 34 und 36 erstrecken sich von dem Spulenkörper her und sind durch ein Joch 40 mit einem Lenker 38 verbunden.

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Der Lenker 38 ist durch einen Zapfen 42 mit einer Umformer-Einrichtung 12 verbunden. Die Einrichtung 12 umfaßt CLte Kurbel 44, eine in Lagern 48 und 50 gelagerte Welle 46, ein auf der Welle 46 sitzendes Schwungrad 52 und eine Abtrieb-Riemen- oder Rillenscheibe 54. Eine auf der Welle 46 angeordnete Kommutator- oder Stromwender-Scheiben-Einrichtung ist an eine Gleichstromquelle 58 und über Speiseleitungen jeweils an ein Klemmenpaar 62 bzw. 64 geschaltet. Das Klemmenpaar 62, 64 seinerseits ist über an den Antriebsstangen 34 und 36 angeordneten Stromleiter an die Spule 33 geschaltet.

Die Richtung des Stromflusses von der Quelle 58 über die Leitungen 60 zu der Spule 33 ist durch die Kommutator-Einrichtung 56 gesteuert. Diese Steuerung erfolgt einerseits in Bezug auf die Polarität des Magnetfeldes innerhalb der Anordnung 10 sowie andererseits in Bezug auf die physikalische Position der Spule 33, und zwar entsprechend der bekannten elektromagnetischen Gesetze, um eine motorische Wirkung auf die Spule 33 zu erzeugen. Auf diese Weise schwingt die Spule 33 längs des Kernes 32, und die Kurbelwirkung der Einrichtung 12 formt die lineare Bewegung in eine Drehbewegung um. die an der Rillenscheibe 54 abgenommen werden kann.

Bei einem Versuch,- der an einem kleinen Modell des erfindungsgemäßen Motors durchgeführt worden ist, hat man von der Kurbelmechanik eine Äusgangsgeschwxnigkeit von 7OO Umdrehungen pro Minute erreicht. Die mit einer Hilfsbremse versuchsweise gemessene Ausgangsleistung betrug 2,2 Watt. Die Eingangsspannung betrug 6,-75 Volt und der Eingangsstrom 1,5 Ampere. So erhielt man eine Eingangsleistung von 10,125 Watt, und der Motor hatte einen Gesamt-Leistungsgrad von 2,2/10,125 = 22 %.

Zu Vergleichszwecken wurde ein entsprechender Versuch an einem kleinen, qualitativ hochwertigen, herkömmlichen umlaufenden Gleichstrommotor durchgeführt. Bei einer Eingangsspan-

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- 3 nun von 9 Volt zog der Motor 0_f4 Ampere, d.h. 3_f6 Watt.

Die Äusgangsgeschwindigkeit betrug 600 Umdrehungen pro Minute, und dieÄusgangsleistung war O_r47 Watt, so daß man einen Leistungsgraä von 0,47/3,6 = 13 % erhielt.

So ist also festzustellen, daß Reibungsverluste in der Einrichtung 12 eliminiert werden und der Leistungsgrad vergrößert wird, wenn der erfindungsgemäße Motor nur linear verwendet wird .

Wenn die Maschine als Generator betrieben wird, kann die Spule 33 durch die Einrichtung 12 in Schwingungen versetzt, d.h. hin- und herbewegt werden, über dem Anschluß- bzw. .Klemmenpaar 62 und 64 erhält man eine Ausgangswechselspannung. Diese kann gegebenenfalls mit der Kommutator- Einrichtung 56 gleichgerichtet warden.

Eine Regelung der Motorgeschwindigkeit kann auf einfache Weise durch ein Verändern des an der Spule 33 liegenden Potentials der Quelle 58 erreicht werden. Die Geschwindigkeit der Welle 46 kann ohne weiteres von einigen 10 Umdrehungen pro Minute bis in die Größenordnung von Tausenden pro Minute geregelt werden. In Weiterbildung der Erfindung können zum Antrieb nur einer Einrichtung 12 zwei oder mehrere Anordnungen 10 in einer räumlichen V—Anordnung oder in einer anderen Konfiguration geschaltet werden, um eine weitgehend konstante Ausgangsleistung zu erzielen.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß während des Betriebs der Maschine nur eine geringfügige Wärmeentwicklung entsteht.

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Claims

Johannes Wilhelmus van Niekerk? 3 Bouer Street., Fichard Park, Bloemfontein_f Orange Free State. Südafrika.^ ■ , ,

Elektrische Maschine
Patentansprüche

l.J Elektrische^ Mas chine,. ·■ g e. k- ε η ?n ζ e . i;. c;.h, n^: e t durch Mittel (14;· 13) zum Aufbau eines Magnetfeldes ? Antriebsmittel (34r 36) und Spulenmittel (33), die mit den Antriebsraitteln (34. 36) gekoppelt und in dem magnetischen Feld hin -und hergehend (schwingend) bewegbar sind,- wobei die Spulenmittel (33) wenigstens ein Klemmenpaar (62, 64) zur Schaltung an eine den Stromfluß durch die Spulenmittel (33) bestimmende Einrichtung umfassen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet r daß die Mittel zum Aufbau des Magnetfeldes Mittel (14) zum Aufbau eines ersten Magnetfeldes und Mittel (13) zum Aufbau eines zweiten Magnetfeldes umfassen. wobei das zweite Magnetfeld im wesentlichen kollinear mit dem ersten Magnetfeld ist sowie im allgemeinen eine zu dem ersten Magnetfeld entgegengesetzte magnetische Richtung aufweist und die Spulenmittel (33) hin- und hergehend zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeld bewegbar sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet s daß sie eine an das Klemmenpaar (62.- 64) geschaltete Spannungs- oder Stromquelle (58) umfaßt, wobei das Verhältnis der Polarität der Quelle (53) zu dem ersten und zweiten magnetischen Feld derart ist, daß in den Spulenmitteln (33) eina motorische Wirkung induziert wird.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3- dadurch g e ke'nn zeichnet , daß die Quelle (58) eine Gleichstromquelle ist und Kommutator- Mittel (56) zur Richtungssteuerung des Stromflusses durch die Spulenmittel (33) umfaßt.

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ORIGINAL INSPECTED
5.- Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder 4, d-..a durch gekennzeichnet ,-daß sie einen Linear-Dreh-Umformer (12) umfaßt.- der durch die schwingenden Antriebsmittel (34- 36, 38= 4O) angetrieben wird.· ·
6. Elektrische Maschine nach Anspruch. _rl oder 2,. d a d ure h gekennzeichnet ₍ daß...sie an die Antriebsmittel (34.- 36) geschaltete Mittel (12) zur Erzeugung einer hin- und hergehenden oder schwingenden Bewegung der Spulenmittel (33) umfaßt., .so daß eine elektromotorische Kraft in den Spulenmitteln (33). induziert ist-und über dem Klemmenpaar (62; 64) auftritt.-
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ' dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Kernanordnung (32) umfaßt. die einen Magnetpfad für das erste und zweite Magnetfeld bildet,- wobei die Spulenmittel (33) die Kernanordnung (32). umgeben und längs dieser hin- und herbeweglich sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7 _r dadurch g e k en η ζ e i c h η e t , daß die Mittel (14 r 18) zum Aufbau des ersten und zweiten magnetischen Feldes jeweils erste und zweite Dauermaghetmittel umfassen.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8_f dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Dauermagnetmittel (14- 18) jeweils durch erste und zweite axial ausgerichtete Ringmagnetmittel (16, 10.) gebildet und die Spulenmittel (33) in der Bohrung der ringförmigen Magnetmittel angeordnet sind.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch-9_? dadurch gekennz eichnet , daß die ersten und zweiten Ringmagnetmittel (16, 20) jeweils eine Stapelanordnung aus einzelnen Ringmagneten umfaßt.

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