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E l e k t r o m a s c h i n e n
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die Erfindung betrifft prinzipielle und konstruktive Maßnahmen für
Elektromaschinen, wie Elektromotoren und Generatoren, zur Verbesserung der Leistung
und Einsparung von Energie.
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Herkömmliche Elektromaschinen zur Energieumwandlung, wie Blektromotoren
und Generatoren, sind im wesentlichen gleich aufgebaut. Ihre Funktion beruht auf
dem Induktionsgesetz.
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Während im Elektro-motor ein im Magnetfeld fließender Strom ein Drehfeld
erzeugt, wird im Generator umgekehrt durch Drehung eines geschlossenen elektrischen
Leiters in einem Magnetfeld, dessen Kraftlinien dabei geschnitten werden, durch
Induktion ein elektrischer Strom hervorgerufen.
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Motor- und Ger;eratorwirkung sind a3 so identische, nur gegeninnig
verlaufende Vorgänge. Die wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades dieser Elektromaschinen
ist im Prinzip und in ihrer Technologie mit den hierfür seit Jahrzehnten gültigen
Frkenntnissen und Grundlagen allein nicht mehr möglich und so sind auch die Grenzen
ihrer technischen Nutzbarkeit und Weiterentwicklung im wesentlichen erreicht.
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Es ist auch bekannt, als Feldmagneten Permanentmagneten einzubauen,
aber zur Erzeugung des Drehmoments beim Motor bzw.
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für das Drehmoment des Generators wurde bisher immer und ausschließlich
eine zugeführte Fremdenergie erforderlich; beim Motor ist dies elektrische Energie
und beim Generator mechanische Energie.
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Mithin ist es erforderlich, durch geeignete Kombination allgemein
gültiger Richtlinien und Erkenntnisse neue Grundlagen
zu schaffen,
welche in prinzipieller und konstruktiver Hinsicht neue Maßstäbe der Energieumwandlung
und Energiegewinnung setzen, dem Etlergiebedarf unserer Zeit und Zukunft problem]s
gerecht werden und einer neuen Rnergietechnologie einen Anfang geben.
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Nach bisherigen Erkenntnissen und festgelegten Grundlagen werden in
herkömmlicnen Elektromaschinen ausschließlich und unmittelbar nur induktive Wirkungen
in ein Drehmoment umgewandelt bzw. wird ein Drehmoment in elektrische Energie umgewandelt.
Nach diesem direkten Weg und Prinzip der Energieumwandlung wird in jedem Fall jeweils
zuviel eingesetzte Primärenergie verbraucht. Deshalb ist es erfindungsgemäß erforderlich,
daß speziell mit den induktiven Wirkungen erst größtmögliche Kräfte hervorgerufen,
addiert und miteinander kumulativ integriert werden. Erst mit den auf diese vorgeschlagene
Weise hervorgerufenen Kräften wird nach den Prinzipien und den konstruktiven Merkmalen
der Elektromaschinen gemäß der Srfindung das erforderliche Drehmoment erzeugt bzw.
das Drehmoment in elektrische Energie umgewandelt.
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Die Erfindung sieht vor, mit induktiven Wirkungen erst ideale Magnete
bzw. Magnetsysteme zu schaffen, zu nutzen und deren magnetischen Fluß zu verstärken
und dann erst alle hervorgerufenen anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den
erzeugten und angeordneten Magnetpolen untereinander in ein resultierendes Drehmoment
umzuwandeln.
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Auf diese erfindungsgemäße Weise werden die bisher das Drehmoment
hemmenden Induktionswirkungen auf das Drehmoment selbst, das durch idea]e magnetische
Kräfte aus Magneten hervorgerufen wird, unwirksam.
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Beispielsweise verfährt man dabei so, daß der Rotor oder Anker vorzugsweise
aus einem Kranz von vielen kleinen Spulen bzw. Elektromagneten besteht, welche zwischen
zwei oder mehreren Feldmasnetpolen speziell ohne Eigendrehbewegung
hindurchgefUhrt
werden und dabei die Kraftlinien der sich im Betrieb bildenden Felder zwischen den
Polen der Feldmagneten geschnitten werden, wobei die Spulen bzw.
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Elektromagneten des Rotore zumindest einen wesentlichen Anteil ihres
magnetiochen Yluesee zusätzlich aus Feldmagneten beziehen.
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Stehen sich die Pole der Feldmagneten ungleichnamig senkrecht gegenUber,
so hat die Winstellung der Konstruktion prinzipiell nur Generatorwirkung.
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Sofern sich die Polpaare der Feldmagneten jeweils versetzt gegenüberstehen,
so hat die Konstruktion im Prinzip Motor wirkung mit Generatorwirkung zugleich,
was ebenfalls eine Verstärkung des magnetischen Kraftflusses durch Induktion zur
Folge hat; diese Induktionswirkung wird hervorgerufen, wenn bei großer zeitlicher
Änderung des Magnetfeldes der Feldmagneten die relativ schwache elektromagnetische
Flußdichte der Spulen bzw. Elektromagneten mit der relativ hohen Flußdichte der
Feldmagneten gekoppelt wird. Da alle magnetischen und induktiven Wirkungen immer
in der gleichen Richtung wie in der des Triebes oder des erforderlichen magnetischen
Flusses wirksam werden, sowie in den konstruktiven festen Bauelementen, entfällt
auch die Hemmung des Drehmomentes durch Gegeninduktion. Die noch verbleibenden negativen
Wirkungen gleichsinnig p&rallel verlaufender Leiter können vernachlässigt werden
und haben auf die Funktion des Systems keinen Einfluß. Die magnetische Hemmung einer
Rotorspule bei ihrem Austritt aus einer Polfläche wird durch die anziehende Wirkung
beim Eintritt einer Spule in eine Polfläche wieder aufgehoben.
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Systematisch befinden sich alle magnetischen und elektromagnetischen,
sowie die magnetisch und elektromagnetisch, also im gewissen Sinne gekoppelt magnetisch
werdenden Blemente vorzugsweise jeweils in einem Magnetkreis. Solche Magnetsysteme
können mit?inander z.B. kombiniert oder verbunden
werden oder
in Reihen oder Kolonnen geschaltet sein, wobei gleichgroße ui d/oder solche unterschiedlicher
Größe in einem Verbund zu koordinieren sind.
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Im folgenden wird ir vereiniachter Weise ein Augenblickszustand gemäß
der Brfindungngrundlage beschrieben: Zum Anlassen oder Anwerfen der erfindungsgemäßen
Maschine wird z.B. ein relativ kleines Quantum elektrischer Energie als Erregerstrom
für die Spulenwicklung benötigt, oder eine Handkurbel benutzt, mit welcher nach
dem dynamoelek trischen Prinzip die Maschine erregt wird. Nimmt man bei der elektromagnetischen
erregung der Spulenwicklung einen gewinnbaren magnetischen Fluß in dem mittleren
Querschnittsdurchmesser der Spulenwicklung ohne Weicheisenkern allein einen induzierten
Wert von 100 Gauß an, 90 bekommt die 'Nicklung nach dem Einführen des Einsenkernes
gemäß der schematischen Vorstellung einen angenommenen Wert der magnetischen Flußdichte
mit 1000 Gauß. Diese 1000 Gauß magnetische Flußdichte (Feldliniendichte) werden
im Moment der Einführung der knmpletten stromfUhrenden Spule zwischen zwei Feldmagnetpolen
mit einem magnetischen Fluß von beispielsweise 5000 Cauß integriert und damit addiert
auf 6000 Gauß. Bei der gleichzeitig stattfindenden Durchströmung der erhöhten Flußdichte
durch die Spule in ihrer Längsachse in gleichsinniger Richtung ihres eigenen magnetischen
Flusses wird bei der ablaufenden zeitlichen sanierung des Magnetfeldes in der Spulenwicklung
zwischen den Feldmagnetpolen die Stromspannung in der Spule durch diese Selbstinduktion
sprunghaft erhöht.
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diese durch Induktion erfolgte Erhöhung der Stromspannung erhöht ihrerseits
rückwirkend den magnetischen Fluß im Spulenkern und im gesamten Maschinensystem
gegebenenfalls um weitere 4000 Gauß oder mehr, auf insgesamt 10.000 Gauß -(= 1Tesla).
Auf diese Weise wird der Ausgangswert der magnetischen Flußdichte des Werte 1 auf
den Wert 100 gebracht, ohne daß im Funktionsablauf ein zusätzliches Quantum elektrischer
energie zugeftihrt werden muß. Auf diese e erfindungsgemäße Weise wird infolge installierter
Energie mit wenig
zugeführter Energie eine relativ hohe magnetische
Flußdichte erreicht, mit welcher in der erfindungsgemäßen Maschine ein sehr beachtliches
Drehmoment erzeugt werden kann. t)ie Induktion bewirkt im vorliegenden Fall nicht
unmittelbar selbst das Drehmoment, sondern sie trägt erst zur Steigerung und Addition
wesenseleicher Kräfte zu einem Höchstmaß an nutzbarer Kraft bei urd erlaubt somit
gleichzeitig die Mitverwendung permanentmagnetischer Kräfte und deren kumulative
Integration mit elektromagnetischen Kräften zur Umwandlung in ein beachtlihes Drehmoment.
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Da die zugeführten, installierten und induzierten Energiekomponenten
der Berechnung des Leistungsfaktors der neuartigen Maschinen zugrunde gelegt erden
mUssen, wird nach Abzug der Verluste auch mit den erfindungsgemäßen Maschinen der
Wirkungsgrad 1 oder 1ne% nicht erreicht;aber im Verhaltnis zum Verbrauch zugeleiteter
Energie sind die MaschineH nach der erfindung wesentlich wirtschaftlicher, als alle
herkömmlichen Antriebs- bzw. Elektromaschinen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Figur 1 zeigt im Prinzip eine Ausführungsform und den Aufbau einer
Elektromaschine gemäß der Erfindung.
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Die Figuren 2 und 3 stellen eine Ausfahrungsart der Brfindung mit
rotierenden Feldmagneten dar.
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Fig. 4 erklärt vereinfacht das Grundprinzip des neuartigen Generators
und Fig. 5 das Grundprinzip eines Motors.
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Fig. 6 und 7 zeigen im Detail Augenblickszustände ohne und mit einfluß
des zugeführten und durch Induktion verstarkten Stromes auf den Magnetkreis des
Systems.
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Fig. 8 erläutert die systembedingt. Durchführung der Spulen zwischen
Feldmagnetpolen in Generatorstellung und
Fig. 9 die DurchfUhrung
der Spulen zwischen gegeneinander zum Teil versetzten Feldmagnetpolen in Motorstellung,
Fig. 10 zeigt im axialen Längsschnitt das Prinzip nach Fig. 8 auf einem Rotor.
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Fig. 11 läßt an einer Spule mit Eisenkern erkennen, wie mit geringer
Stromzxfuhr ein nur schwacher magneti.cher Fluß hervorgerufen wird.
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Fig. 12 stellt im Schnitt Spulen dar mit ein3kizzierten Energiekomponenten
unmittelbar vor der Polversetzung; Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 9 sowie
die Funktion nach Fig. 11 mit gegeneinander versetzten Polen der Feldmagneten als
Augenblickszustand im Betrieb.
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Fig. 14 zeigt eine weitere AusfUhrungsform der konstruktiven Varianten
nach dem Prinzip der Erfindung im axialen Querschnitt und Fig. 15 stellt einen axialen
Längsschnitt der in Fir. 14 gezeigten Ausführungsform dar.
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Fig. 16 gibt ein Spannungskurvenbild in der Zeit t bei einer Umdrehung
1U und der elektrischen Spannung U wieder.
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Fig. 17 zeigt ein Kopplungsbeispiel eines Permanentmagneten 2,1 mit
einem Elektromagneten 4.
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Fig. 18 gibt ein graphisches Schaubild aer in das erfindungsgemäße
System eingebrlchten Anteile des für den Betrieb des Motors der Generators zur Verfugung
stehenden magnetischen Flusses wieder.
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Fig. 19 zeigt ein weiteres Schaubild der im Betrieb entstehenden und
instaltierten variablen Anteile des mlietrltischen Flusses im Magnetkreis des Systems.
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In Figur 1 sind im Gehäuse 1 je eine AuefUhrungsform der Lektromaschinen
gemäß der Erfindung mit ihren konstruktiven Bauelementen von Ziffer 2 bis 29 schematisch
dargestellt. In diesem Beiepiel ist ein Generatorabsehnitt links und ein Motorsektor
rechts zugleich untergebracht.
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Die unbewegbaren, eine Scheibenform bildenden Feldmagneten 2 sind
fest im Gehäuse 1 eingebaut. Die versetzbaren Feldmagneten 2a sind in Umfangsrichtung
mittels Verstelleinrichtung 26 gegen die feststehenden Feldmagneten 2 beliebig verstellbar.
Die Scheiben des Rotors 3 sind starr mit der Welle 20 verbunden und sind mit der
Welle 20 und deren Lagerung im Wellenlagergehäuse 27 im Gehäuse 1 leicht drehbar
eingebaut. Die Spulen 4 des Rotors 3 sind scheibenförmig radial zur Achse bzw. Welle
20 stehend und mit ihrer Längsachse parallel zur Welle 20 zwischen den Feldmagneten
2 mittelbar starr mit der Welle 20 verbunden und bilden zwischen den Pollen der
Feldmagneten 2 und 2 bzw. 2a eine elektromagnetische Verbindung mit engem Luftspalt.
Die Feldmagneten 2 und 2a sind in diesem Beispiel mit einer Spule 15/16 und einem
eisenkern 24 ausgestattet. Die Polschuhe 25 sind hier beispielsweise aus permanentmagnetischem
Material. An den Stirnseiten sind die Feldmagneten 2 mit einem Eisenschluß 5 versehen
in der Weise, daß die axial reihenförmig angeordneten Pole aller magnetischen und
elektromagnetischen Elemente im System einen Magnetkreis (31) bilden. Wird den Spulen
4/18 des Rotors 3 Uber die Stromzufuhr 14, den BUrsten 22, den Kollektorlamellen
12 des Kollektors 10 und den Leitungen 7 Strom zugeführt, so stellen die Einenkerne
19 der Spulen 4 im rotor j Kommunikationsmagnete zwischen detl Feldmagneten 2 und
2 und 2a dar, welche bei versetzten Feldmagnetpolen 2a ein Drehmoment hervorrufen,
wie in den weiteren Figuren auch im Detail erläutert wird. Der Motorsektor des Systems
auf der rechten Seite der Fig. 1 treibt auch den Generatorsektor zwischen den beiden
ersten Feldmagnetscheiben 2 auf der linken Seite neben dem Kollekt,r 10. In diesem
Generatorsektor stehen sich die Pole der Feldmagneten 2 ungleichnamig
senkrecht
gegenüber. Der im Rotor 3 induzierte Strom wird über die Leiturgen 8 auf den Kollektor
9 Ubertragen und von den Lamellen 11 mittels BUrsten 21 abgenommen und Uber die
Leitung 13 dem Stromabnehmer zugeführt. Die Feldmagneten 2 und 2a können durch ihre
Induktionsspulen 24 elektromagnetisch verstärkt werden durch Strozzuführung über
die Leitung 14 und 6 oder ab dem Kollektor 9 Uber die Leitungen 6 Mittels der Spulen
4 wird der magnetische Fluß (36/36a) zwischen den Feldmagneten 2 und 2 bzw. 2 und
2a bezw. z.vischen deren ungleichnamigen Polen zueinander gegensinnig parallel geführt.
Die Spulen 4 bilden gleichzeitig die EisenleitstUcke zwischen den Feldmagnetpolen
und der magnetische Fluß in den Spulen 4 wird mit dem magnetischen Fluß der Feldmagneten
addiert. Auf diese Weise wird trotz des geringen Strombedarfs fUr die Erregung der
Wicklungen 18 der Spulen 4 in den Spulenkernen 19 ein magnetischer Fluß mit beschtlicher
Feldliniendichte hervorgerufen.
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Dieser magnetische Fluß wird noch wesentlich verstärkt durch die induzierte
Spannung, weLche durch den die Spulen 4 durchfließenden erhöhten magnetischen Fluß
hervorgerufen wird und noch zusätzlich durch entsprechende Kopplung der Spulenwicklungen
gesteigert werden kann. Position 28 ist der Hing um die scheibenförmige Rotorspulenpackung
3 zur Aufnahme der Tangentialspannung bei hohen Drehzahlen des Rotors 3.
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17 zeigt die Kabelschale fUr die Stromleitungen 7 und 8 zwischen den
Kollektoren In und 9 und den Spulen 4.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel mit feststehenden Spulen 4a und rotierenden
Feldmagneten 2b mit deren Drehrichtung 33 in Triebstellung der Feldmagneten 2b zu
den Spulen 4a. Die BUrsten de Kollektors laufen in einem solchen Fall zur Erregung
der stationären Spulen 4a synchron mit den Feldmagnetpolen, z.B. um den feststehenden
Kollektor. 30 ist der Luftspalt.
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Fig. 3 zeigt im Schnitt den inneren Aufbau von Fig. 2. 1da sind die
Spulemwicklungen 4a im Schnitt, 19a die Risenkerne
der stationären
Spulen 4a. 31 stellt den Magnetkreis im System dar und 32 einen mit der Welle 20
verbundenen Rotorteil, auf welchem die Feldmagneten 2b befestigt sind.
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In Fig. 4 ist das Grundprinzip des Generators dargestellt und in Fig.
5 das des Motorprinzips. In beiden Systemen ist der GrundauSbau etwa gleich. Beim
Generatorprinzip stehen sich die Pole der vorzugsweise unversetzbar eingebauten
Feldmagneten 2 senkrecht gegenUber. Der Abstand zwischen den Feldmagnetpolen, welche
sich gegenUberstehen, dient zur Aufnahme und T»rchfUhrung der kranzförmig angelegten
Spulenreihe, die den Rotor 3 bildet. Zwischen den einzelnen Polpaaren der Feldmagneten
2 befindet sich immer eine Gruppe von Rotorspulen 4, welche sich im Magnetkreis
31 des Systems befindet. Jede Spule dieser Gruppe umschließt einen Teil des Magnetfeldes
zwischen den sich begendberstehenden Feldm.gnetpolen. Tritt bei der Drehung in Richtung
33 den. Rotors 3 eine Spule 4 aus ihrem Feldbereich 23 heraus, so tritt in gleichem
Maße die nach folgende Spule 4 in dasselbe Magnetfeld wieder ctin, Die austretende
Spule 4 tritt in das folgende angrenzende Magnetfeld ein. Jede Spule 4 umschließt
mit ihrem elektrischen Leiter einen Teil des jeweils durchwanderten Magn-tfeldec
speziell ohne Eigendrehbewegung. Auf diese Weise muß Ger induktive Widerstand bei
der Drehung des elektrischen Leiters im Magnetfeld nicht iiberwunden werden und
die hemmende Wirkung durch den Magnetismus beim Austritt einer Spule 4 aus dem Magnetfeld,
das sich erst durch die Anwesenheit der Spulen 4 bildet, wird durch die anziehende
Wirkung auf eine Spule beim Rintritt in da Magnetfeld weitgehend wieder aufgehoben,
da das Magnetfald und nein magnetiacher Fluß im Magnet kreis 31 ohne hemmende Wirkung
aufrechterhalten wird, weil sich die Jeweile das Teilmagnetfeld verlassende Spule
4 dem Magnetfeld entzieht und beim Verlassen desselben unmagnetisch bzw.
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reversibel wird bei der Annäherung und dem Eintritt in das nächste
Magnetfeld mit umgekehrter Richtung des magnetischen Flusses gegensinnig parallel
magnetisch wird relativ zum verlassenen Feld. Auf diese Weise wird eine wesentliche
Rrsparnis
zugefUhrter nergie erzielt im Gegensatz zum herkömmlichen
Prinzip d r Drehung eines geschlnssenen elektrischen Leiters in seinem Magnetfeld
oder wenn ein geschlossener elektrischer Leiter das ganze Magnetfeld umschließt
und schneidet.
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Die Motorwirkung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip beruht speziell
auf der anziehenden Wirkung zwischen ungleichnamigen Polen und der ab3toßenden Wirkung
zwischen gleichnamigen Polen in einer Trieb- und rrehrichtung, zum wesentlichen
Teil wie nach dem Generatorprinzip, jedoch mit begenüberstehend versetzten Polen
von Feldmagneten 2a gegen 2 Die motorische Kraft wird also nicht durch die ablenkende
Kraft eines stromdurchflossenen Leiters von einem Magnetfeld nach den Induktionsgesetz
hervorgerufen, sondern unmittelbar durch Wirkungen des magnetischen Flusses zwischen
Magnetpolen. Der wesentliche Vorteil dieses Prinzips liegt darin, daß auch die 'ole
der reversiblen Magnete zur Wrzeugung des Drehmoments ihrer magnetischen Fluß im
wesentlichen aus Feldmagneten bezichen. Die ideale Induktionswirkung zur Erzeugung
eines Drehmoments entfällt und damit entfällt auch der hohe Stromwerbrauch wie nach
dem herkommlichen Prinzip. Der Strombedarf beschränkt sich auf die Ärregung der
Rotor spulen 4 zur Aufnahme und Übertragung der magnetischen Flußdichte der Feldmagneten
2a und 2 auf die Spulen 4 bzw. auf deren Wisenkerne 19 zur Wirkung gegen die Pole
der versetzt gegenüberliegenden Feldmagnetpole in einem Magnetkreis 31. Da bei großer
zeitlicher Anderung des Magnetfeldes zwischen den Polen der Feldmagneten 2 und 2a
mit Wirkung auf die Spule 4 der relativ schwache zu('-führte Strom durch die Erhöhung
der Flußdichte in den Eisenkernen 19 infolge der integrLerten Flußdichte der Feldmagneten
2a (2) durch Induktion noch verstärkt wird, bedeutet dies gleichzeitig eine zusätzliche
Verstärkung der magnetischen Flußdichte im System bzw. im Magnetkreis 31 und eine
weitere Ersparnis an zugefUhrter Primärenergie. Die
Spulen 4 werden
synchron an den Polgrenzen der Feldmagneten 2a ungleichnamig zu deren Polen elektromagnetisch
und sichern so den geschlossenen Magnet kreis 31 im System. Die oberen Pole der
Spulen 4 versuchen sich mit den Polen der Feldmagneten 2 ungleichnamig zu verbinden
und bewirken damit ihre Bewegung nach rechts in die kontinuierliche Trieb-und Drehrichtung
33. Die anziehenden Wirkungen im Bereich 39 und die abstoßenden Wirkungen im Bereich
40 rufen gemeinsam ein Drehmoment in gleicher Richtung 33 hervor.
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Auch hier bildet der Magnetismus mit seinen idealen Phänomenen die
unmittelbare Ursache der Funktion des Systems gemäß der Erfindung; die Induktionswirkungen
rufen eine willkommene Verstärkung der zum Eirsatz kommenden magnetischen Kräfte
hervor. In der Umpolungszone 41 werden die reversiblen Spulen 4 umgepolt. Bei hohen
Drehzahlen können im Bereich der Umpolungszone 41 magnetische Bremswirkungen in
den einzelnen Spulen 4 uftretcii; solche hemmenden magnetisehe Wirkungen auf die
Spulen 4 an den Polflächenrändern können beseitigt werden z.B. durch eine Voreilung
der Umpolungsphase in der Spulenreihe, bzw. im Spulenkranz des Rotors 3.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen nocheinmal eine Basis zur Verstärkung der
zu nutzenden Kräfte und der elektrischen Spannung, einmal ohne (Fig.6) und einmal
mit RUckwirkung (Fig.7) auf den Magnetkreis 31. Tritt eine SpuLe 4 der laufenden
Gruppe des Spulenkranzes in das Magnetfeld bzw. in den magnetischen Fluß der Feldmagneten
2, so wird in der Wicklung 18 der Spule 4 eine elektrische Spannung 35 induziert,
welche die mAgnetische Flußdichte des Wisenkerns der Spule 4 verstärkt.
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Der Magnetkreis 31 bleibt bei diesem Vorgang geschlossen.
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Wird der Kreis des induzierten Stromes 35 mit der Wicklung 15 um den
Weicheisenkern 34 geführt, so wird auch der magnetische Fluß im Weicheisen und in
den Feldmagneten 2 erhöht. Die dabei hervorgerufene rUckwirkende Erhöhung der elektrischen
Spannung 35 im Stromkreis mit der Stromrichtung 37 in der Feldmagnetwicklung 15/16
kann in der Praxis vom Spannungsmesser 38 abgelesen werden.
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Fig. 8 läßt erkennen, daß jedes Polpaar eines Feldmagneten 2 mit den
Spulen 4 des Rotors 3 einen Magnetkreis 31 bilden kann, wobei die Richtung 43 des
magnetischen Flusses 36 mit der des Magnetkreises 31 identisch ist.
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Ebenfalls in schematischer Jarstellung erklärt auch Fig. 9, wie die
Spulen 4 des Rotors 3 mit den versetzten Polen der Ferdmagneten 2a magnetisch gleichgeschaltet
sind und in Richtung 43 des magnetischen Flusses 36 die Pole der Spulen 4 gegen
die Pole der oberen Reihe der Feldmagneten 2 das Drehmoment des Rotors 3 in Trieb-
und Drehrichtung 33 zur Wirkung kommen lassen. Durch enge Luftspalte 30 werden größere
Streuverluste vermieden und es wird eine große dynamische magnetische Kraft erzielt.
Die Feldmagneten 2 und 2a bilden in Verbindung mit den Spulen 4 und deren Eisenkern
19 einen Magnetkreis im erfindungsgemäßen System.
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ohne die Spulen 4 würden die Polreihen 2 wie auch 2a jeweils untereinander
zum Gleichgewicht fUhren ohne ein konstantes. dynamisches Drehmoment hervorzurufen.
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Fig. 10 zeigt ein einfaches Beispiel nach Figur 8 im axialen Schnitt.
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Die Figuren 11 und 12 demon3trieren ein detailliertes Beispiel der
Spulen 4 und ihre Hauptfunktionen. In Fig. 11 ist eine Spule 4 mit ihrer Wicklung
18 und ihrem Eisenkern 19 dargestellt. Durch eine geringe Stromzufuhr 37 (ist auch
Stromweg) durch die '!icklung 18 wird die Spule 4 relativ schwach elcktromagnetisch
mit dem magnetischen Fluß 36, der auch den Magnetkreis 31 darstellt. fin solcher
älektromagnet kann mit einem anderen Elektromagneten oder mit einem Dauermagneten
gekoppet werden. Diese Kopplung geschieht zunächst in Fig. 12 und wird im folgenden
noch näher behandelt.
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In Fig. 12 wird die relativ schwach elektromagnetische Spule 4 zwischen
zwei ungleichnamige Pole von Feldmagneten 2 , s. rechts, eingebracht. Links davon
befinden sich zwischen zwei gegensinnig angeordneten Polen von Feldmagneten
2
zwei weitere Spulen 4. Der aus optischen GrUnden vergrößerte Luftspalt 30 enthält
das Magnetfeld 42 mit der Flußdichte # und ist mit dem magnetischen Fluß 36a, der
auch den 36 beinhaltet, durchflutet. Die Stromrichtung 37 entspricht der entgegengesetzten
Richtung des magnetischen Flusses 36 und 36a und verursacht ro keine Hemmung des
Drehmoments. In der Skizze ist der ursprUnglich elektromagnetische Fluß 36 bildlich
vom dauermagnetischen und induzierten Fluß 36a getrennt dargestellt und ist ebenfalls
in einem Magnetkreis 31 des System1 integriert. Die gezeigte Stellung der Feldmagnete
2 ist im Generator und im Motor gleich vor der Verstellung der unteren Polreihe.
Der Augenblickszustand in Fig. 12 deutet mit Position 46 die im System der Spule
zunehmende Verstärkung des magnetischen Flusses 36/46 an und damit auch die Verstärkung
der magnetischen Kraft. wiener der wichtigsten energiesparenden VorgEnge im erfindungsgemäßen
System ist der zwangsläufig gegensinnig parallel verlaufende magnetische Fluß 45
( und Fig. 13), welcher durch Vereinigung aller beteiligten Anteile magnetischen
Flusses aus induktiven Wirkungen und den Feldmagneten im System im allgemeinen und
in den Spulen 4 im besonderen hervorgerufen wird.
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Fig. 13 erklärt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 9 speziell
nach dem erfindungsgemäßen elektromotorischen Prinzip. Die untere Polreihe der Feldmagneten
2a ist gegen die obere Polreihe der Feldmagneten 2 versetzt angeordnet.
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Die Hichtung 43 des magnetischen Flusses 36 ist mit der des magnetischen
Kreises 31 gleich. Der magnetische Fluß 36/43 dei Pole der unteren Feldmagneten
2a ist auf die Spulen 4 des rotor 3 übertragen und an deren oberen Polen gegen die
Pole der oberen Feldmagneten 2 zur Wirkung in Richtung 33 gebracht. Im optisch erweiterten
Luftspalt 3n werden die anziehenden Wirkungen ungleichnamiger Pole und die abstossende
Wirkung zwischen gleichnamigen Polen in ein Drehmoment mit einer Trieb- und Drehrichtung
33 umgewandelt. Der magnetische Fluß 36/43 und der magnetische Kreis 31 haben eine
gemeinsame Richtung im System und verlaufen in den erfindungsgemäßen Maschinen gegensinnig
parallel 45. Die Spule
4, welche sich jeweils in einem Augenblickszustand
in der Umpolungszone 41 befindet, ist einen Moment unmagnetisch, bevor sie entgegengesetzt
bzw. umgekehrt magnetisch wird.
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Position 42 ist das Magnetfeld mit der Flußdichte #. . Im Luft spalt
30 wächst bei der Polversetzung die magnetische Feldliniendichte 44, wie auch nach
Fig. 12 beschrieben, je nach zunge des Luitsnaltes 3e auf das Vielfache ihrer Anfangsdichte
ts Fi. 11) an und stellt eine enorme magnetisch-elastische Zzg- und Druckkraft in
Drehrichung 33 des Rotors 3 dar. In diesem Beispiel befindet sich auf einer Polbreite
2a eine Gruppe mit zwanzig Spulen 4 des Rotors 3 unter dem Sinfluß.ces Triebes in
Drehrichtung 33, während sich praktisch nur eine Spule 4 der Spulengruppe in der
Umpolungszone befindet. Die konstruktiven und funktionellen Elemente erlauben bei
dieser gezeigten Betriebseinstellung die Kumulation und Integration aller instal-.
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lierten und induzierten magnetischen Kräfte und deren Umwandlung in
ein Drehmoment, wobei gleichzeitig durch Induktion eine beacht]iche elektrische
Spannung hervorgerufen werden kann. Hinzu kommt noch der besondere Vorteil, daß
die erfindungsgemäßen Elektromaschinen an keine konstanten Drehzahlen gebunden silld
und ihre Drehzahlen nach Bedarf stufenlos geregelt werden können.
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Fig. 14 weist auf eine weitere der möglichen Konstruktionsarten hin.
Im Querschnitt ist ein mit seiner Welle 20 zwischen Feldmagneten 2 und 2a leicht
drehbar gelagerter Rotor 3 ersichtlich. Die Spulen 4 sind zu einem zylindrischen
Körper, dem Rotor 3, vereinigt und übernehmen bei Stromzuführung in Betrieb den
magnetischen Fluß 36 der zwischen dem Rotor 3 und der Welle 20 eingebauten Feldmagneten
2a.
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Die Außenpole der Spulenkerne 19 bewirken die Abstoßung an gleichnamigen
und die Anziehung an ungleichnamigen Polen der Feldmagneten 2 am Gehäuse 1 in eine
Trieb- und Drehrichtung 33. Auch in diesem Beispiel ist immer eine geschlossene
Gruppe von Spulen 4 in Triebrichtung zwischen den Feldmagneten
2
und 2;i . In der Umpnlungszone 41 der Spulenwicklunten 13 entsteht keine wesentliche
magnetische Hemmung des Drehmoments. Die treibenden Außenpole der Spulen 4 und die
der äußeren z.B. feststehenden Feldmagneten 2 bewirken eine starke Triebkraft. Die
elektromagnetischen Spulen 4 laufen synchron in Gruppen titer den dafür bestimmten
Polen der inneren Feldmagneten 2a. sofern die Feldmagneten 2a verstellbar sind,
kann außer mit der Stromregulierung auch mit der Verstellung der Feldmabrneten 2a
die Drehzahl des Motors beliebig und stufenlos geregelt werden. Bei senkrechter
Gegenüberstellung der Feldmagneten 2 und 2a hat die Maschine nur Generatorwirkung
nach dem erfindungsgemäßen Prinzip. Position 47 ist der Fuß des Gehäuses 1 In Figur
15 ist die beschriebene Bnuart.nach Fig. 14 im axialen Längsschnitt wiedergegeben.
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Fig.16 weist auf das Schema eines Spannungskurvenbildes mit der Spannung
U in einer kleinen Zeiteinheit t bei einer Umdrehung 1U und nicht fester Kopplung
der Spulenwicklungen 13 hin. Die Spannungen der Spulen 4 addieren sich mit den jeweiliden
Augenblickswerten zu einem nahezu glatten technischen Strom.
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Fig. 17 zeigt die Kopplung eines Permanentmagneten 2,1 mit einem Elektromagneten
4. Das Feld liner Spulen gleicht bekanntlich dem eines permanenten Stabmagneten.
Das Feld der Spule 4 kann mit dem Feld des Stabmagneten 2,1 gekoppelt serden, so
wie es Fig. 17 darstellt. In diesem Fall werden beide Felder zu einem vereinigt.
Aus dieser Vereinigung ergibt sich die Addition des magnetischen Flusses beider
Magneten. Kombinations- und Folgeeischeinungen aus diesem System in und mit der
Gesamtfunktirn der erfindungsgemäßen Maschinen sind schon eingehend beschrieben.
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Fig. 18 veranschaulicht ein graphisches Bild des eingebrachten und
zur Wirkung kommenden magnetischen Flusses in einer Elektromaschine gemäß der Erfindung.
a stellt die magnetische Flußdichte der Wicklung 18 ohne Eisenkern 19 dar und
aa
die des Sisenkernes 19, b die Gesamtflußdichte 36 der Spule 4, c ist der Anteil
des magnetischen Flusses der Feldmagneten, der Abteil d des magnetischen Flussen
wir durch Induktion herforgerufen (seihe auch Fig. 12). Von den eingebrachten 100%
des magnetischen Flusses e gehen beispielsweise 2 bis 30% als Verluste f ab; so
verbleiben 70 bis 98% Nutzfluß g,.was einem Wirkungsgrad von 7e bis 98% entspricht
oder 0.70 bis 0,98- des Aufwandes und Idealwertes Rings. Die Differenz von 28% bei
f und g zu e -ergibt sich aus unterschiedlichen Bau- und Leistungsgrößen der erfindungsgemäßen
vlektromaschinen.
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Die Skizze Fig. 19 weist ebenfalls auf unterschiedlich erreichbare
Zusammensetzung der aufgewendeten Magnetflußanteile a bis e in einen Mßgnetkreis
31 hin, wobei die Werte des magnetischen Flusses aus der zugefUhrten energie reltiv
niedrig liegen und die Werte aus dem installierten Kraftfluß zusammen mit denen
aus der Steigerung durch Induktionsvorgänge der weitaus größten Anteil des nutzbaren
magnetischen Flusses bilden. In der Praxis kann die Steigerungsrate nach d auch
wesentlich größer sein, als prinzipiell dargestellt, was inbesondere auf größere
Aggregate zutrifft.
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Ns wurde gefunden, daß die Spulen 4 beim fsbergang von einer Polfläche
23 der Polreihe 2. durch die Umpolungszone 41 und in die angrenzende Polfläche 23
mit entgegengesetzter Flußrichtung 36## nur mit einem kurzen Stromimpuls, zeitlich
höchstens etwa bis zur Mitte der angrenzenden, versetzten Polfläche 2a, erregt werden
brauchen, um ihre erfindungsgemäße Aufgabe zu erfUllen; fUr den Rest des weges bis
zur jeweils folgenden Polflächengrenze 29 reichen bei entsprchender zeitlicher Änderung
des zu durchlaufenden Magnetfeldes die Induktionswirkung, wenn die Kraftlinien des
in Betrieb entstandenen Magnetfeldes geschnitten werden, plus die Wirkung der magnetischen
Leitfähigkeit der Spulenkerne 19 völlig aus.
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Es wurde gefunden, daß die Rrweiterung des Luftspaltes 30 in Drehrichtung
33 zur Umpolungszont 41 hin durch abschrägen der Polflächenränder 29 und eventuelles
Verbreitern der Umpolungszone 41 den noch vorhafldenen magnetischen Bremswiderstand
der Spulen 4 beim Verlassen der durchwanderten Polfläche 23 noch weiterhin vermindert
und damit auch die Umpolung begUnstigt wird. Somit verringert sich die magnetische
Hemmung der Spulen @ bei der Umpolung auf ein vernachlässigbares Maß. Die nnc}i
verbleibende magnetische Bremswirkung beim Verlassen des Feldbereiches 23 einer
Spule 4 wird durch die treibende magnetische Wirkung beim Eintritt einer Spule 4
in den Feldbereich 23 weitgehend ausgeglichen.
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Die magnetische Sättigung der Spulenkerne 19 kann z.B.
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schon mit der Verengung ihren Querschnitts zwischen ihren Polschuhen
bei Übernahme einer hohen Feldliniendichte aus permanentmagnetischen Systemen und
zeitlicher Änderung deren Felder erreicht werden insbesondere dann, wenn die Kraftlinien
der Felder dabei geschnitten werden.
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Die nach Fig. 1 und 2 konzipierten Ausführungsformen mit parallel
zur Welle 20 hintereinander angeordneten Bauelementen sind der in zylindrigeher
Form nach Fig. 14 und 15 in den meisten Fällen vorzuziehen, da die radial stehende
Baulänge der Rotorspulen 4 nach Fig. 14/15 sehr begrenzt ist. Außerdem können nach
den Fig. 1 , 2 und 3 beliebig viele Rotorscheiben 3 und die ebenfalls ring- oder
scheibenförmig gebauten Feldmagnetgruppen 2, 2a, und 2b in einem Magnetkreis untergebracht
werden, welcher an den Stirnseiten bzw. slußeren Feldmagnetcn 2 mit einem Eisenschluß
5 über den Feldmagnetpolgrenzen 29 in geeigneter Weise geschlosen ist.
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Die erfindungsgemäße scheibenartige bzw. ringförmige Reihenbauweise
erlaubt der zylindrichen Rotorform nach Fig. 14, wie auch gegenUber bisher bekannten
Bauweisen wesentlich leistungsfähigere Aggregate zu bauen bei verhältnismäßig
gleic4.;roßem
Gehäuse. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Elektromaschinen dient im Prinzip selbst
speziell nicht alsSi.atormagnet und kann somit aus weaentlich leichterem Material
als Eisen gebaut werden; dieser Gewichtsvorteil wirkt sich besondere bei mobilen
Antriebsmaschinen gemäß der Erfindung aus, zwecks Einsparung von Transportgewicht
zugunsten der Nutzlast.
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Die Momente mehrerer an einem System angreifender Kräfte lassen sich
zum Drehmoment vereinigen. Die elelktromagnetischen Spulen 4 sind gewissermaßen
Bindeglieder des Systems nach der Erfindung, die den Zusammenschluß aller magnetischen
Teile und Felder in einem Magnetkreis bewirken und die Umwandlung aller magnetischen
Spannungen zwischen zwei Punkten jedes magnetischen Feldes in ein resultierendes
Drehmoment erlauben.
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erden die Spulen 4 z.B. in einer ungeraden Anzahl eingebaut, so ergibt
sich ein Spannungskurvenbild, während einer Umdrehung des Rotors 3, wie es beispielsweise
Fig. 16 mit 49 Amplituden aus einem Rotor 3 zeigt, soweit die 49 Spulen 4 nicht
entsprechend anders gekoppelt sind. Werden weitere Rotorscheiben j mit je 49 Spulen
4 präzise auf die erste Spulenscheibe 3 eingestellt eingebaut, so kann ein hochfrequenter
Wechselstrom gewonnen werden; die Spannungen aller Spulen 4 addieren sich mit den
jeweiligen Augenblickswerten.
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erden die Spulen in bekannter Weise bzw. entsprechend gekoppelt und/oder
der induzierte Strom aller Spulen 4 addiert und gleichgerichtet, so wird ein geglätteter
Gleichstrom gewonnen. Mit den Spulen 4 wird somit in Betrieb der erfindungsgemäßen
Elektromaschinen das natürliche Gleichgewicht zwischen den Feldmagneten 2 und 2a
infolge Bildung neuer Magnetfelder aufgehoben und aus allen im System befindliehen
Magnetfeldern und magnetischen Kräften wird ein gemeinsames Drehmoment hervorgerufen
bzw. gewonnen, welches proportional dem gesamten magnetischen Nutzfluß entspricht.
Nach
diesem Prinzip ist also auch der Nutzfluß der Berechnung des Leistungsfaktors erfindungsgemäßer
Maschinen zurunde zu legen.
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I:a die den Induktionsstrom erzeugende Bewegung des magnetischen Flusses
im erfindungsgemäßen System immer in axi-1er oder radialer Richtung zur Weile 20
verläuft, kann vom Tnduktionsstrom auch nicht die ihn erzeugende Bewegung derart
gehemmt werden, daß eine solche Hemmung das trehmoment nagativ beeinflußt oder mindert.
Da sowohl die Stromerzeugung, als auch die Erzeugung mechanischer Energie in erfindungsgemäßen
Elektromaschinen nicht unmittelbar durch induktive Phänomene erfolgt, sondern ausschließlich
durch magnetische Kräfte zwischen Magnetpolen, welche Kräfte zudem zum wesentlichen
Teil aus Dauermagnetsystemen bezogen werden, entfällt im erfindungsgemäßen System
auch die Hemmung der Triebelemente durch gegeninduktive Wirkungen.
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Die trehzahlregelung der neuartigen Maschinen kann z.B.
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sowohl durch Polversetzung als auch mit Regulierung der Stromzufuhr
oder mit beidem stufenlos erfolgen, weil -das Drehmoment ausschließlich von magnetischen
Kräften hervorgerufen wird. Sofern in den Maschinen abwechselnd Vorwärts-und Rückwärtslauf
benötigt werden, kann dies z.B. durch Verstellung der Feldmagneten 2a im Zusammenhang
mit Bürstenverstellung in entgegengesetzter Richtung erfolgen.
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Als Primärenergie zur Umwandlung in eine andere Energieform ist der
gesamte magnetische Flu3 aus elektromagnetischen und/cder dauermagnetischen Elementen,
sowie aus sich bildc eden, gekoppelten Elementen im System und aus dessen im Funktionszustand
und Funktionsablauf hervorgehenden Wirkungen zugrunde zu legen. Infolgedessen kann
der Wirkungsgrad mit dem Wert 1 oder 100% auch mit den erfindungsgemässen Elektromaschinen
nicht erreicht werden, aber im Verhaltnit zur aufgewendeten elektrischen Energie
sind die Maschinen nach der Erfindung erheblich wi.tschaftlicher als alle bekannten
Leistungsanlagen und deren Systeme.
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Die erfindungsgemäß hilfsweise verwendeten permanen.magnetischen Einzelemente
und Systeme im Gesamtsystem werden bei richtiger Behandlung und zweckentsprechendem
Einbau weder entmagnetisiert noch in ihrer magnetischen Energie erschöpft und sind
somit zeitlich relativ unendlich wirksam.
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Somit können gemäß der Frfindung Elektromaschinen gebaut werden, welche
bisher bekannten Antriobs- bzv. Elektromaschinen insbesondere in wirtschaftlicher
hinsicht weit überlegen sind.