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"Mit Gleichstrom betriebene IrLolbenS rbeitsmaschine"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Gleichstrom betriebene Kolben-Arbeitsmaschine
mit wenigstens einem Kolben, der aus einer axial magnetisierten Dauermagnetsäule
besteht, die bei ihren Hubbewegungen in eine Ständer spule und im Ständer angeordnete,
axial magnetisierte Dauermagnetringscheiben eintaucht, wobei die abstoßende Kraft
zwischen den Dauermagneten des Kolbens und des Ständers den Kolben austreibt, wenn
die Ständerspule, die dem Aufheben des Feldes des Ständerdauermagneten dient, ausgeschaltet
ist, und wobei eine an dem Kolben befestigte Pleuelstange auf eine gemeinsame Iiraftübertragungseinrichtung
einwirkt, welche die Hubbewegung in eine Drehbewegung umsetzt.
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Eine derartige Kolbenantri ebsmaschine ist in der De-Patentanmeldung
P 70 02 382.6 beschrieben. Bei einer derartigen Kolbenarbeitsmaschine wird die dauermagnetische
Energie in zweifacher Weise zum Antrieb genutzt, und zwar einerseits zur magnetischen
Anziehung zwischen dem Polschuh des Ankers und dem ankerpolschuseitigen weichmagnetischen
Polschuh des Ständers und andererseits den im wesentlichen polschuhfreien Enden
des Ankers und den weichmagnetischen Polschuhen im Bereich des von dem Ankerpolschuh
abliegenden Wicklungsendes im Hohlraum der Ständerwicklung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolben-Arbeitsmaschine der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, bei der die axiale Bewegtuigsenergie der Kolben mit einem
besseren Wirkungsgrad, als ihn ein Kurbelwellenantrieb aufweist, in ein Drehmoment
an einer sich drehenden Welle zu übertragen.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Kraftübertragungseinrichtung aus einer drehbar gelagerten Pleuelscheibe besteht,
an der exzentrisch die Pleuelstange angreift, daß die Pleuelscheibe von der Pleuelstange
zwischen deren Hubendstellungen in ständigem Wechsel vor und zurück drehbar ist
und daß die Pleuelscheibe mittels einer Magnetkupplung mit einem Schwungrad verbindbar
ist, jeweils während der Antreibhubphase der Kolben.
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Der Aufbau nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die Pleuelstange
die Hub energie mit optimalem Wirkungsgrad über die Pleuelscheibe auf das Schwungrad
überträgt, weil die Pleuelscheibe mit der Scnwungmasse nur im Bereich des optimalen
Wirkungsgrades, d. h. in einem Bereich einer Teilkreisbewegung, in dem die Pleuelstange
im wesentlichen senkrecht auf die Pleuelscheibe einwirkt, gekuppelt ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kolben-Arbeitsmaschine
eine Mehrkolbenmaschine, deren Pleuel im gleichen Abstand von der Achse und voneinander
exzentrisch an der Pleuelscheibe angreifen. Selbstverständlich ist es mög1ich, mehrere
Antriebsmaschinen dieser Art in Kaskade hintereinander zu schalten, wobei dann die
Antreibhubphasen gegeneinander winkelversetzt sind. Auf diese Weise kann man zu
einem noch gleichmäßigeren Rundlauf der Maschine gelangen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Magnetkupplung
derart ausgebildet, daß sie aus zwei parallel geführten Kupplungsscheiben besteht,
die mittels wenigstens einer Druckfeder zum Ausrichten auseinander drückbar sind,
daß die erste der Kupplungsscheiben mit einem dauermagnetischen Ring versehen ist,
der zur zweiten Kupplungsscheibe hin konzentrische Magnetringpole beider Polaritäten
aufweist, und daß den Magnetringpolen der ersten Kupplungsscheibe in der zweiten
Kupplungsscheibe ein Weicheisenring gegenüberliegt, der mittels einer in ihn eingebetteten
Erregerspule zur Polarisierung der konzentrischen Ringpolschuhe der zweiten Kupplungsscheibe
erregbar ist. Die Druckfeder drückt die Kupplungsscheiben
im unerregten
Zustand also auseinander. Die Kupplung ist also im unerregten Zustand der ErreCerspllle
eingerückt und rück sofort aus, sobald die Erregerspule erregt wird und die Anziehungskraft
durch Aufhebung des magnetischen Feldes in dem Eisenring aufehoben wird. Die Druckfeder
sorgt dann für das erforderliche Auseinanderrücken.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kupplungsscheiben
an ihren aufeinander zu weisenden Flanken randseitig mit einer Zahnung versehen.
Diese Zahnung sorgt für einen festen Eingriff der Kupplungsscheiben ineinander während
der Einrückzeiten.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die Kolben-Arbeitsmaschine
mit zwei Arbeitskolben, die diametral auf eine Pleuelscheibe einwirken, Fig. 2 eine
Magnetkupplung, welche die Pleuelscheibe mit einem Schwungrad verbindet, Fig. 3
den Gesamtaufbau der Kolbenarbeitsmaschine mit zwei auf ein Schwungrad arbeitenden
Kolbenarbeitsmaschinen nach Fig. 1.
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Die in Fig. 1 dargestellte Kolben-Arbeitsmaschine besteht aus zwei
Hubkolbenvorrichtungen la und 1b, die auf eine Pleuelscheibe 3 einwirken. Die Pleuelscheibe
3 ist über eine in Fig. 2 im einzelnen dargestellte LTagnetkupplung 5 mit einem
Schwungrad 7 verbindbar.
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Die beiden Hubkolbenvorrichtungen 1a und 1b sind umgekehrt symmetrisch
aufgebaut. D. h., daß die eine Hubkolbenvorrichtung in Austreibereichtung arbeitet,
während die andere Hubkolbenvorrichtung
in Einfahrrichtung wirksam
ist. Die Hubkolbenvorrichtungen la und Ib haben weichmagnetische Gehäuse 9, in denen
Luftspulen 11 angeordnet sind. Die Luftspulen füllen nur jeweils einen Teil der
als Jochmantel dienenden Gehäuse aus und befinden sich in der Zeichnung bei der
fubkolbenvorrichtung la im unteren Teil und bei der Hubkolbenvorrichtung Ib im oberen
Teil des Gehäuses 9. Die wicklungsfreien Räume 13 werden von den Ständerluftspulen
11 mittels Ständerpolschuhen 15 abgegrenzt. Die Ständerpolschuhe 15 sind metallisch
und damit magnetisch mit den Gehäusen 9 verbunden. Zusätzlich zu den Ständerpolschuhen
15, etwa in der Mitte der Gehäuse 9, sind weitere der Abschirmung dienende Polschuhe
17 von den Kopfblechen der Gehäuse 9 gebildet.
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Dauermagnetsäulen 19, die in die Ständerluftspulen 11 eintauchbar
sind, dienen als Kolbenanker. Die Dauermagnetsäulen bestehen aus übereinander gestapelten,
axial magnetisierten Dauermagnetscheiben, Das dauermagnetische Material ist vorzugsweise
oxydkeramisch aufgebaut. Die magnetischen Hubkolben 19 sind mit Pleuelstangen 21
verbunden und an diesen geführt.
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Kopfseitig sind in den Gehäusen noch ausgezogene Böden 23 vorgesehen,
in denen Rückstoßfedern 25 geführt sind. Die Rückstoßfedern 25 bestehen bevorzugt
aus Spiralfedern.
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Die Pleuelstangm 21 wirken auf die zur Kraftübertragungsvorrichtung
gehörende Pleuelscheibe 3 ein. Hierzu sind die Pleuelstangen 21 über Drehgelenke
27 exzentrisch und diametral gegenüber der anzutreibenden Welle 29 an der Pleuelscheibe
3 gelagert. Die Pleuelscheibe 3 ist zwar drehbar, läuft jedoch nicht um, sondern
bewegt sich zwischen den durch Linien 31 begrenzten Endstellullgen hin und her.
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Die Rubkolbenvorrichtungen sind mit Fußgelenken 33 versehen, die ein
leichtes Verkippen der Vorrichtungen la und Ib zulassen.
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Die Hubkolbenvorrichtungen arbeiten wie folgt auf die Pleuelscheibe
3. In Fig. 1 befinden sich die Hubkolben 19 in einer der beiden Hubendstellungen.
Die fußgelenkseitige Rückstoßfeder 25 der Hubkolbenvorrichtung Ib und die pleuelscheibenseitige
Rückstoßfeder 25 sind dabei durch die auflaufenden Kolben 19 zusammengedrückt und
damit vorgespannt. Die Pleuelstangen 21 haben über die Pleuelstangengelenke 27 die
Pleuelscheibe 3 in eine Endstellung gedreht, die durch eine Linie 31 wiedergegeben
ist. Aufgrund der Vorspannung der Rückstoßfedern 25 werden die Kolben 19 zurückgestoßen.
Die Ständerluftspulen 11 werden bei beginnendem Rückstoß eingeschaltet. Bei diesem
Einschalten wird die Ständerluftspule 11 der Hubkolbenvorrichtung Ib erregt. Der
Ständerpolschuh 15 von Ib wird dabei ein Nordpol, und der pleuelscheibenseitige
Ständerpolschuh 17 von Ib wird ein Südpol. Bei der Hubkolbenvorrichtung Ib wirken
dadurch die magnetischen Kraftfelder zwischen den ständerseitigen Polen und dem
Kolben 19 derart aufeinander, daß der Kolben 19 mit der addierten Kraft der beiden
Magnetfelder in die Ständerluftspule 11 gezogen wird.
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Je stärker der Luftspulenerregerstrom ist, um so stärker ist die Kraft
und die Geschwindigkeit, mit der der Kolben 19 bewegt wird.
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Die Hubkolbenvorrichtung arbeitet in der Gegenrichtung, wird aber
in der gleichen Weise im gleichen Takt wie die Hubkolbenvorrichtung Ib betätigt.
Das bedeutet, daß bei der Stellung nach Fig. 1 auch die Ständerluftspule 11 von
la erregt wird. Dadurch wird der Ständerpolschuh 15 von la Nordpol und der fußgelenkseitige
Ständerpolschuh 17 von 1a Südpol. Der Kolben 19 wird also, da er an seinem Kopf
einen Nordpol und an seinem Fuß einen Südpol hat, in die Ständerluftspule 11 von
1a hineingezogen.
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Je stärker der Luftspulenerregerstrom ist, um so stärker ist
die
Kraft und die Geschwindigkeit, mit der auch der Kolben von 1a bewegt wird. Somit
kann mit Hilfe der Brregerstromstärke die Kraft, welche auf die Pleuelscheibe 3
übertragen wird, geregelt werden. Außerdem besteht die flöglicbkeit, die Hubkraft
des Kolbens 19 nur iiber einen Teil oder gar nicht auf das Schwungrad zu übertragen.
Diese löglichkeit bietet eine elektronische Regelung.
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Die Rückstoßfedern 25 fangen die KOlbenschwungkraft auf und beschleunigen
die Kolben dann wieder in entgegengesetzter Richtung. Die ständerseitigen Ständerluftspulen
11 werden immer nur so erregt, daß die magnetische Kraft nur in einer Richtung auf
die Kolben 19 wirkt. Die Rückstoßfedern 26 müssen auf die Schwungkraft und die Rennschwingfrequenz
der Kolben abgestimmt sein, so daß die Kolben 19 bei geringem Energieaufwand gleichmäßig
wie ein Pendel schwingen.
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Wie bereits erwähnt, bewegen die Pleuelstangen 21 die Pleuelscheibe
nur zwischen den Hubendstellungen, die durch die Linien 31 in Fig. 1 angegeben sind.
Die Pleuelscheibe 3 dreht sich damit nur im Bereich der durch die mit Doppelpfeil
angegebenen Teilkreisstrecke 35 hin und her. Die Pleuelscheibe 3 ist so ausgelegt,
daß sie eine möglichst geringe Masse hat, um den auf sie ausgeübten Schwingbewegungen
möglichst leicht folgen zu können.
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Die Pleuelscheibe 3 bewegt sich bei ihren Schwingbewegungen ständig
hin und her. Die eine Bewegungsrichtung wird ausgenutzt, um das Hubmoment der Pleuelstangen
in ein Drehmoment einer Schwungscheibe zu übertragen. Hierzu wird die in Fig. 2
dargestellte elektromagnetische Kupplung eingesetzt. Die elektromagnetische Kupplung
be steht aus zwei Kupplungsscheiben 41 und 43. Diese Kupplungsscheiben laufen parallel
zueinander, ebenso wie die Pleuelscheibe 3 um die tZelle 29 um. Die Kupplungsscheibe
41 kann beispielsweise mit der Pleuelscheibe
3 fest verbunden
sein. In diesem Fall ist dann die Kupplungsscheibe 43 fest mit dem Schwungrad 7
verbunden.
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In der Kupplungsscheibe 41 ist ein Magnetring 45 konzentrisch zur
Welle 29 angeordnet. Der Magnetring 45 besteht aus dauermagnetischem Magnetmaterial,
und er ist so rnagnetisiert, daß sich nach dem Einbringen einer i:-ut 47 ein innerer
siagnetringpol 49 mit beispielsweise Siidpolmagnetisierung und ein äußerer tbgnetringpol
51 mit beispielsweise tbrdpoliaagnetisierung ergibt. Die @ Magnetringpole sind dabei
auf die Kupplungsscheibe 43 gerichtet. In der Kupplungsscheibe 43 befindet sich
ein Weicheisenring 53, der entsprechend dem dauermagnetischen ?ing 45 ausgebildet
ist. Der Weicheisenring 53 hat dementsprechend einen inneren ringpolschuh 55, der
dem dauermagnetischen Magnetringpol 49 gegenüber liegt, und einen äußeren Magnetpol
57, der dem äußeren Hagnetringpol 49 gegenüber liegt. In einem Vutring 59 des Weicheisenringes
53 befindet sich eine Ringspule 61.
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Die beiden Kupplungsscheiben 41 und 53 werden mittels einer Spiraldruckfeder
63 auseinander gedrückt. An den aufeinander zu weisenden Flanken der Kupplungsscheiben
41 und 43 sind randseitig Zahnungen 64 und 65 vorgesehen.
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Die Magnetkupplung arbeitet nun folgendermaßen. Ist die Kupplung ausgerückt,
dann bildet sich zwischen den Kupplungsscheiben 41 und 43 ein Luftspalt 67 aus.
Von dem Magnetringpol 49 verläuft ein ständiger IIagnetfluß zu dem IIagnetringpol
41, und zwar über die Luft des Luftspaltes. Wird nun die Erregerringwicklung 61
erregt, dann bildet sich an dem inneren Ringpolschuh 55 ein EJordpol und an dem
äußeren Ringpolschuh 57 ein Südpol aus. Dies führt dazu, daß die Kupplungsscheiben
41 und 43 gegen die Kraft der Druckfeder 63 zusammengezogen werden. Die Kupplungsscheiben
41 und 43 halten fest zusammen.
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Die £Nagnetkupplung wird durch Entregen der Erregerwicklung geöffnet,
indem der innere Weicheisenpolring 55 zu
einem Südpol und der äußere
Weicheisenpolschuhring 57 zu einem Nordpol umgebildet wird. Die Anziehungskraft
zwischen den Kupplungsscheiben 41 und 43 erlischt damit, und die Druckfeder 63 kann
die Kupplungsscheiben wieder auseinander drängen. Die Pleuelscheibe 3 soll nur Drchbewegungen
einer Richtung auf das Schwungrad 7 übertragen. Das bedeutet, daß impulsweise Bewegungen
der Pleuelscheibe 7 an das Schwungrad 7 übergeben werden müssen und daß die Magnetkupplung
Teilkreisbewegungen in Richtung eines Pfeiles 69 nach Fig. 1 durch das Schließen
der Magnetkupplung auf das Schwungrad übertragen werden. Bei der Rückbewegung ist
die Kupplung geöffnet.
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In Fig. 3 ist nun eine Gegentakt-Kolben-Arbeitsmaschine dargestellt,
bei der zwei Vorrichtungen nach Fig. 1 über zwei Magnetkupplungen nach Fig. 2 auf
ein gemeinsames Schwungrad 7 einwirken. Die Hubkolbenvorrichtungen 1 ' und 1" der
beiden Vorricl'tungen nach Fig. 1 arbeiten dabei nacheinander Hierzu ist ein Umsetzen
der Ständerluftspulen 11 von der Fußgelenkseite zur Pleuelscheibe bzw. umgekehrt
notwendig. Die Funktion der Hubvorrichtungen ist dabei amgekchrt, verläuft aber
nach den gleichen Gesetzen. Pfeile 131a und 131b zeigen die Bewegungsstrecken derFleuelstangen
21. Im linken Teil des Bildes nach Fig. 3 wird die Pleuelstange 21 der Hubvorrichtung
', die aus den beiden Einzelhubvorrichtungen la a und 1b besteht, in Richtung eines
Pfeiles 71 aufwärts bewegt, wobei die Bewegungsrichtung des Pfeiles 71 der Bewegungsrichtung
des Pfeiles 69 in Fig. 1 entspricht. Dies ist eine Bewegung in Antriebsrichtung,
und die Magnetkupplung 73 in dem linken Antriebsteil ist während dieser Bewegungsphase
eingerückt.
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Zur gleichen Zeit wird die Pleuelstange 21 der Hubkolbenvorrichtung
1" aus ihrer oberen Lage abwärts bewegt, wobei ein Pfeil 75 angibt, daß diese Bewegung
eine Leerlaufbewegung ist.
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Die Elektromagnetkupplung 73 auf der rechten Seite der Figur ist dabei
ausgerückt. Der Antrieb der Welle 29 erfolgt mithin
wechselweise
einmal von rechts und einmal von links auf die Schwungscheibe, die auf die Welle
29 drehfest aufgesetzt ist.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e