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B e S c h r e i b u n g.
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Verfahren um permanentmagnetische Dipole in einem inhomogenen Magnetfeld
in eine Rotation zu versetzen.
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Zwischen einer Translation (Parallelverschiebung? und einer Rotation
(Drehbewegung) besteht ein enger kinematischer und kinetischer Zusammenhang. Jede
Verschiebung eines starren Körpers kann durch eine Translation und eine Rotation
hervorgerufen werden. Seine Bewegung kann man in Jedem Augenblick in diese zwei
Bewegungsformen zerlegen. Das vorliegende Verfahren beruht auf der Verschiebung
eines solchen starren Körpers und zwar eines permanentmagnetischen Dipols in einem
inhomogenen Magnetfeld. Es ist bekannt, daß in einem inhomogenen Magnetfeld auf
einen magnetischen Dipol eine Kraft länge der Dipolachse ausgeübt wird, sofern die
Dipolachse in der Feldrichtung liegt. Jm bekannten klassischen inhomogenen Feldbild
sind schräg verlaufende äußere magnetische Felder, die von weit auseinanderliegenden
Feldlinien mit geringer Dichte, zum sich immer mehr verengenden Feldanstieg zusammenlaufen.
Liegt die Dipolachse in der Peldrichtung, dann wird der Dipol in Richtung zunehmender
Flußdichte verschoben. Dieses bekannte inhomogene magnetische Feldbild ist aber
mit Nachteilen behaftet, welche der Umwandlung aus einer Translationsbewegung in
eine Rotationsbewegung von Dipolen hemmend entgegenstehen. Zum einen läßt sich mit
einfachen Mitteln ein für sich gesondert bestehendes, externes, äußeres inhomogenes
Magnetfeld mit schräg zulaufenden Feldlinien nicht herstellen. Zum anderen ist damit
eine gleichförmig beschleunigte Translation oder Parallelverschiebung eines Dipols
auf einer Geraden nicht erreichbar. Zwei Voraussetzungen sind aber unabdingbar um
die Bewegung von Dipolen in einem inhomogenen Magnetfeld von einer Translation in
eine Rotation zu ermöglichen. Erstens ein mit einfachen Mitteln herstellbares inhomogenes
Magnetfeld. Zweitens eine auf einer Geraden gleichformig
beschleunigte
Translation oder Parallelverschiebung in diesem inhomogenen Magnetfeld.
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Das Verfahren stellt sich zunächst die Aufgabe, die genannten Voraussetzungen
einer Lösung zuzuführen. Anschließend wird dann das Verfahren in seiner Gesamtheit
erläutert, um die Dipole aus einer Translation in eine Rotation zu versetzen.
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Um die Voraussetzungen des Verfahrens zu erfüllen, wird vorgeschlagen,
die Inhomogenität des verschiebenden Feldes durch die Wechselwirkungskräfte zwischen
dem magnetischen Dipolmoment des Dipols einerseits und der einpoligen Fläche ruhender
Magnetplatten andererseits, deren Feldkomponente mit der Dipolachse zusammenfällt,
in einem engen Luftspalt herbeizuführen. Damit wird der Nachteil der unter großem
Aufwand schwierigen Herstellung eines externen, äußeren inhomogenen Magnetfeldes
auf eine extrem einfache Weise vermieden und eine gleichförmig beschleunigte Translationsbewegung
auf einer Geraden ermöglicht. Eine gleichförmig beschleunigte Bewegung stellt sich
auf einer Geraden immer dann ein, wenn die antreibende Kraft konstant ist.
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Jn den Abbildungen 1, 2 und 3 ist das bei dem Verfahren zur Anwendung
kommende inhomogene dynamische Feldbild mit ruhenden Magnetplatten und translativ
bewegten Dipol-Körper dargestellt.
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Es wird vorgeschlagen, den Dipol (Abb,l) als rechteckigen Quader (1)
auszubilden, dessen Magnetisierung senkrecht zur Plattenebene in axialer Richtung
vorgenommen wird. Die beiden Stirnseiten des rechteckigen Quaders besitzen dann
Pole entgegengesetzten Vorzeichens. Bei Permanentmagneten entspringen und endigen
die Feldlinien in den Polen. Zwischen den Dipolpolen liegt die magnetisch neutrale
Dipol-Zone.
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Jn den Abb. 2 und 3 wird gezeigt, daß der Quaderdipol zwischen zwei
gleichnamig gepolten, axial magnetisierten Magnetplatten angeordnet wird. Sich selbst
Uberlassen, stoßen sich die Platten ab. Zwischen diesen Platten (2) bildet sich
ein stehendes, schwach verdichtetes, symmetrisches Kraftlinienfeld, dessen Richtung
eine Feldkomponente längs der parallelen Bahn aufweisen soll und mit der Dipolachse
in Ubereinstimmung ist. Die Dipolachse (z) verläuft über die beiden Pole des Quaders
und durchquert die magnetisch neutrale Zone zwischen den Polen. Der besseren Uebersicht
wegen
ist das Luftspaltfeld zwischen dem Quaderdipol und den Magnetplatten
räumlich auseinandergezogen.
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Wie ist nun die Funktion und das Verhalten des auf einer ebenen Führungsfläche
liegenden, aber in der Längsrichtung freibeweglichen Quaderdipols in der Bahn zwischen
den ruhenden Magnetplatten? An der Stelle im Luftspalt, an welcher sich die gleichnamigen
Pole der Magnetplatten und des Quaders diametral gegenüberstehen, bildet sich wie
in Abb. 2 beim oberen Quader dargestellt ist, infolge der gegenseitigen Abstoßung
eine Aufspaltung des Feldlinienniweaus. Es entsteht ein nach Betrag und Richtung
stark inhomogenes Luftspaltfeld mit einer im Inneren des Luftspaltes sich ausbildenden
Potentialdifferenz. Während beim abstoßenden Dipolpol die Feldlinien in den Bahnraum
abgedrängt werden, wird das Feld der Magnetplatten im abstoßenden Luftspaltbereich
zu einem Feldlinienband hoher Flußdichte zusammengedrangt. Dieses hochverdichtete
Feldlinienband greift nun in der Längsrichtun des Luftspaltes über die magnetisch
neutrale Dipolzone hinweg, zum ungleichnamigen anziehenden Dipolpol und übt damit
auf den Quader eine Zugkraft aus. Die Divergenz, als Maß für den Betrag der potentiellen
Energiedifferenz im Luftspalt, ist definiert durch die unterschiedliche Flußdichte
im abstoßenden und anziehenden Dipolbereich des Luftspaltes. Die potentielle Energie
im Luftspalt ist gleich der Arbeit, welche vom Luftspaltield an dem starren Körper
des Quaderdipols verrichtet wird, wenn sich dieser vom Anfangszum Endpunkt des Arbeitsweges
bewegt. Die außerordentlich hohe Verdichtung im abstoßenden Luftspaltbereich überwiegt
die Felddichte im schwach verdichteten Bahnraum außerhalb des Luftspaltes um ein
Vielfaches. Der Quaderdipol zeigt daher das ungewöhnliche Verhalten, daß seine Nordpolstirnseite
gegen den Bahn-Nordpol der Magnetplatten anläuft. Zusammenfassendes Ergebnis: Der
Quaderdipol läuft gegen die Kraft des äußeren Feldes an. Dieses Anlaufen des gleichnamigen
Pols des Quaders gegen den gleichnamigen Pol der Magnetplatten ist ein wesentliches
Kennzeichen vorliegenden Verfahrens und ist eine unerläßliche, zwingende Vorbedingung
zu seiner Verwirklichung. Die Vorverdichtung des Bahnfeldes durch die sich gegenüberliegenden,
gleichnamig gepolten Magnetplatten, begünstigt das Einlaufen des Bahnfeldes in den
Luftspalt und unterdrückt Wirbelbildungen.
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Jn der unteren Stellung des Quaderdipols in Abb. 2 wird das Aufhören
der Translation oder Parallelverschiebung dargestellt.
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Der Quader schießt mit beschleunigter Geschwindigkeit am Ende der
offenen Bahn mit seinem abstoßenden Pol über die Bahn hinaus und bleibt mit seinem
anziehenden Pol in einer Coulomb-Anziehung zwi--Jchen den Magnetplatten stehen.
Mit dem Hinausragen des abstoßenden Dipolpoles aus der Bahn hort die inhomogene
Wirkung des magnetischen Dipolmomentes auf. Die Wechselwirkungen dreier Magnetpole
im Luftspalt, die Aufspaltung des Feldlinienniveaus mit der Folge der potentiellen
Verschiebung des Quaderdipols sind damit beendet.
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Für die Eingangs als Voraussetzung des Verfahrens gestellte Aufgabe,
zunächst mit einfachen Mitteln ein inhomogenes, verschiebendes Magnetfeld und eine
gleichiBrmig beschleunigte Translationsbewegung in diesem Feld herbeizuführen, ist
Jedoch ein Lösungsweg angegeben worden.
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Die allgemeinste Formulierung des Bewegungsgesetzes mechanischer
Systeme ist durch das sogenannte Prinzip der kleinsten Wirkung (oder Hamiltonsches
Prinzip) gegeben. Nach diesem Prinzip ist Jedes mechanische System durch eine bestimmte
Funktion charakterisiert; in abgekürzter Schreibweise L (q, Q, t). Die Bewegung
des Systems ergibt sich dann folgendermaßen: Jn den Zeitpunkten t = tç und t = tX
nimmt der Quaderdipol im Anfangs- und Endpunkt eine Lage ein, die durch die Koordinatenkoniigurationen
q4, und qalcharakterisiert sind. Die Bewegung des Quaderdipols zwischen diesen beiden
Lagen verläuft dann auf eine solche Weise, daß das Integral
den kleinmöglichsten Wert annimmt. Die Funktion L heißt Lagrange-Funktion, das Integral
heißt Wirkung. Das Prinzip der kleinsten Wirkung verdeutlicht, daß die Natur ihr
Ziel auf dem direktesten Wege, also mit dem kleinsten Aufwand an Mitteln zu erreichen
sucht.
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Jn der Abb. 3 sind die dreipoligen inneren Kräfte im Luft Spalt welche
in einer gegenseitigen Wechselbeziehung zueinander stehen, durch Pfeile gekennzeichnet.
Jn direkter Verbindungslinie der beie den Pole des Quaders zu dem sich diametral
gegenüberliegenden Einzelpol der Magnetplatten, erfolgt auf den gleichnamigen, abstoßenden
Dipolpol
eine Abstoßung, auf den ungleichnamigen, anziehenden Dipolpol eine Anziehung. Nun
tritt aber in diesem inhomogenen dreipoligen Buftspaltteld eine dritte Wechselwirkung
auf, das vektorielle Verschiebungsfeld, das die Grundlage und Basis des vorliegenden
Verfahrens bildet. Nach dem Wechselwirkungs gesetz (Lex Tertia, 3. Newtonsches Axiom)
treten Kräfte immer paarweise als Weohselwirkungskräfte auf. Diese greifen im Luftspalt
sowohl beim Quaderdipol wie auch bei den Magnetplatten an; sie sind dem Betrag nach
gleich, der Richtung nach entgegengesetzt.
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Der resultierende Kraftvektor der die Parallelverschiebung des Quaders
ausld8t, hat nicht mehr die Richtung einer Verbindungslinie zwischen zwei sich direkt
gegenüberstehenden Polen, wie s.B. bei der bekannten Coulomb-Wechselwirkung, sondern
der Kraft vektor verläuft von der einpoligen Magnetfläche ausgehend, am abstoßenden
Dipolpol vorbei, schräg über die ganze Länge des Luftspaltes zum anziehenden Dipolpol.
Je kleiner der Luitspalt desto geringer wird der dieser Schräge entsprechende Winkel
und in einem solchen Falle kann der Kraftvektor auf eine einzige Kraft reduziert
werden, die längs dieser bestimmten geraden Linie im Luftspalt angreift.
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Bei der Kopplung der Dipole des Quaders mit der einpoligen Bahnfläche
der Magnetplatten liegt ein kompliziertes, nichtlineares Problem dreier Magnetpole
mit ihren wechseiwirkenden Feldern vor. FUr dieses Auftreten von Wechselwirkungskräften
dreier Magnetpole mit ihren gekoppelten Feldern in einem engen Luftspalt und wegen
der großen Kompliziertheit der gekoppelten Feldgleichrmgen, kann man kein exaktes,
mathematisch geschlossenes TUsungsverfahren bestimmen. Man ist dabei auf hernngsverfahren
angewiesen. Zu der mathematischen Behandlung der fundamentalen Kopplungskonstant
en der permanentmagnetischen Wechselwirkungskräfte im Luftspalt läßt sich eine Regel
aufstellen. Das magnetische Dipolmoment, das Produkt aus der Polstärke und dem Abstand
der Quaderdipole, ist im Luftspalt gleich der axialen magnetischen Spannung. Die
Zugkraft des Feldlinienbandes der Magnetplatten, welches über die neutrale Dipolzone
zum anziehenden Dipolpol hinübergreift, ist proportional dem Verdichtungsfaktor
im abstoßenden Luftspaltbereich, multipliziert mit der magnetischen Spannung des
Dipolmomentes und dem Volumenintegral des Luftspaltes.
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Die Eigenschaft des Anlaufen des gleichnamigen Dipolpoles gegen den
gleicchnamigen Pol in der Bahn zwischen den Magnetplatten ist das hervorstechende
Indiz des Verfahrens. Jm Vergleich stellt es eine Erweiterung der Coulomb-Kraft
zwischen zwei Magnetpolen dar, die sich in einer Verbindungslinie entweder anziehen
oder abstoßen. Diese Erweiterung der Coulomb-Kraft konnte von der Coulomb-Wechselwirkung
nicht direkt abgeleitet werden und steht in keinem unmittelbaren Zueammenhang mit
derselben. Außer der dreipoligen Konfiguration liegt der Unterschied zur Coulomb-Wechseltirkung
in der Richtungsabhängigkeit der Dipolachse zum Vektorfeld.
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Um von einer Xranslation in eine Rotation überzugehen, ist es naheliegend
die Magnetplatten als axial magnetisierte Ringmagnete auszubilden. Ein damit angestellter
Versuch hat gezeigt, daß wenn die Dipolachse tangential in Richtung des Kreisbogens
vom Ringmagneten gestellt wird, eine potentielle Verschiebung des Quaderdipols gleich
Null ist. Bei Querstellung der Dipolachse zum Kreisbogen wirkt jetzt auf den Quader
eine Zugkraft in radialer Richtung.
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Je nach der Polarität läuft der Quaderdipol vom inneren Rand des kleineren
Durchmessers, zum äußeren Rand des größeren Durchmessers, oder umgekehrt. Auf Grund
des radialsymmetrischen Feldverlaufes und der Richtungsorientierung der Dipolachse
zum Vektorfeld, ist daher eine Rotationsbewegung des Quaderdipols in der Bahn zwischen
Ringmagneten ausgeschlossen.
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Jm Nachfolgenden wird in einem schrittweisen Vorgehen das Verfahren
erläutert, die Quaderdipole in eine Rotation zu versetzen.
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Es werden bei der kinematis¢h-analytischen Untersuchung Begriffe und
Methoden der tangentialen Vektorräume verwendet. Damit lassen sich wesentliche Merkmale
des vorliegenden dynamischen Systems mittels geometrischer Beweisführung und Anschauung
interpretieren.
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Nach dem Eulerschen Satz der Kinematik läßt sich jede Lageänderung
eines starren Gebildes aus einer Translation und einer Rotation zusammengesetzt
denken. Bei allen grundsätzlichen kinematischen Gemeinsamkeiten von Transiation
und Rotation besteht die Schwierigkeit beim vorliegenden Verfahren darin, daß die
Feldkomponente der Vektorebene, wenn eine Rotation zustande kommen 8011, mit den
tangential ausgerichteten Dipolachsen der Quader in eine Ubereinstimmung zu bringen
ist. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, eine ebene RotationsflEche aus zusammengesetzten
Magnetplatten zu bilden,
welche ein annähernd kreisfErmlges, einpoliges
Eangentialvektorfeld aufzuspannen ermöglichen.
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Es wird bei der Zusammensetzung der Magnetplatten von folgender Versuchs
ergebnissen Gebrauch gemacht: 1.) Wenn awei rechteckige Magnetplatten welche die
gleiche Polarität haben, mit ihrer Schmalseite aneinandergelegt werden, dann bilden
sich durch die gegenseitige Abstoßung vom Stoß ausgehend parallele Feldlinien aus.
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2.) Wird nunmehr an die Längsseite dieser Rechteckplatten eine dritte
Magnetplatte mit ungleichnamiger, anziehender Polarität gelegt, dann verstärken
sich die langgestreckten, linearen Feldlinien.
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Diesen Ergebnissen folgend, setst sich die Gesamtmagnetplatte zusammen
aus einer quadratischen Mittelplatte, an diese anliegend abstoßende rechteckige
Seitenplatten. Die Seitenplatten sind ihrerseits fieber die Ecken mit anziehenden
Polarisationsmagneten zu einem geschlossenen magnetischen Kreis verbunden. Um in
Teilbereichen einen geschlossenen magnetischen Rreis für die abschnittsweise parallelen,
linearen Feldlinien der Mittelplatte zu erreichen, wird vorgeschlagen, in den Hreisausschnitt
der Mittelplatte ein Vierarm-Magnet zu legen, dessen 4 Polarme den Diagonalbereichen
mit anziehender Kraft gegenüberliegen und in welche die Feldlinien der Mittelplatte
in den Wendepunkten einmünden.
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Die quadratische Mittelplatte (3) in Abb. 4 weist in analoger Weise
wie ein Ringmagnet einen radialsymmetrischen Feldverlauf auf; die rechteckigen anzulegenden
Seitenplatten (4) eine Vorzugskomponente des Feldes in Richtung der Schmalseite.
Der radialsymmetrische Feldverlauf der Mittelplatte muß, um eine Drehimpulskopplung
mit den tangentialen Dipolachsen der Quader eingehen zu können, in lokale, tangential-parallele
Feldlinien umgewandelt werden. Gänzlich in sich geschlossene parallele magnetische
Feldlinien einer Polart lassen sich nicht verwirklichen.
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Jn Abb. 5 ist die kombinierte, zusammengesetzte Gesamtmagnetplatte
mit ihrer Rotationsfläche dargestellt. Das Anlegen der abstoßenden, gleichpoligen
Seitenplatten an die Mittelplatte bewirkt sowohl bei den rechteckigen Seitenplatten,
wie auch bei der Mittelplatte
eine Drehung der Polarisationsebene
mit dem Ergebnis paralleler, dem Stoß entlang laufender Feldlinien mit einer ausgeprägten
linearen, vertikalen und horizontalen Feldkomponente. Diese Drehung der Polarisationsebene
wird wie Abb. 5 zeigt, durch die an den Ecken angeordneten Polarisationsmagnete
(5) mit anziehender Krafteinwirkung weiter gefestigt, in welche die Feldlinien der
Seitenplatten einmünden. Mit den Polarisationsmagneten entsteht über die Seitenplatten
ein äußerer geschlossener magnetischer Kreis mit quadratisch linearem Feldverlauf,
dessen ausgeprägte lineare Komponente auf die vier Seiten der quadratischen Mittelplatte
einen linearen Pelddruck ausübt.
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Die quadratische Mittelplatte ist an den Ecken abgeschrägt um die
Polarisationsmagnete unterzubringen und um andererseits für die Drehbewegung einen
größeren Radiusvektor zu erhalten. Der für die Drehung verfügbare Kreisbogen ist
gestrichelt in die Abb. 5 eingezeichnet und überstreicht nur die einpoligen mit
dem Nordpol ausgezeichneten Flächen. Die Innenkanten der Polarisationsmagnete sind
entsprechend der Mittelplatte ebenfalls abgeschrägt, die Außenkanten kreisförmig
abgerundet.
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Mit dem Umwandlungsprozeß der Vektorebene in einen quadratisch linearen
Vektorraum ist noch keine Drehbewegung der Quaderdipole erzielbar. Es muß jetzt
die quadratische Feldkomponente in eine quasi kreisfCrmige Feldkomponente transformiert
werden. Der quadratische Feldverlauf ist gleichbedeutend mit 4 linearen Basisvektoren.
Um davon ausgehend eine tangentiale Kreisverwandtschaft die für eine Rotation notwendig
ist, Zu erreichen, wird in den Ereioausschnitt der Mittelplatte ein axial magnetisierter,
sternrSrm1-ger Vierarm-Magnet (6) gelegt, dessen Polarme mit anziehender Kraft den
Diagonalbereichen der Mittelplatte in einem Luftspalt direkt gegenüber liegen.
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Damit wird zweierlei erreicht: 1.) Der linearen Verdrängung der Feldlinien
der Mittelplatte während der Drehung der Polarisationsebene wird am inneren Rand
der Diagonale, durch Einmündung der vertikalen und horizontalen Feldkomponente in
den anziehenden Gegenpol des Vierarm-Magneten ein kontinuierlicher Ubergang in einen
geschlossenen magnetischen Kreis ermdglicht, wie er bei allen dynamischen Magnetsystemen
hergestellt
werden muß.
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2.) Die Polarme des Vierarm-Magneten zerlegen die Rotations-Vektorebene
in 4 in sich geschlossene Winkelräume mit den Diagonalen als Koordinatenbezugspunkt.
Das nach dem inneren Rand der Diagonale orientierte Kräftemoment verursacht die
Krümmung der Feldlinien in der inneren Randkurve und bedingt damit die tangentiale
Kreisverwandtschaft.
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Jn Abb. 6 sind zwei Quaderdipole mit ihren tangential ausgerichteten
Dipolachsen in die Vektorebene eingezeichnet. Der Drehimpulsvektor wird durch die
Winkel festgelegt, die er mit der Dipolachse bildet. Der Drehimpulsvektor ist abhängig
von dem Kosinus des von Dipolachse und Vektorfeld eingeschlossenen Winkels. Der
untere Quaderdipol in Abb. 6 liegt in der Diagonale und dessen Achse dreht sich
bei der Rotation in die vertikale Feldrichtung. Das Maximum der Beschleunigung liegt
in dem Abschnitt zwischen der Diagonale und der Mitte der Vektorebene. Jm Wendepunkt
des Dipolüberganges von der Mitte der Vektorebene aus, hat der Quaderdipol das Bestreben,
am inneren Rand den in die Polarme des Vierarm-Magneten einlaufenden Feldlinien
zu folgen. Damit wird auf den Quader im Dipol-Ubergang ein diesem Winkel entspechendes
Drehmoment ausgeübt. Das Minimum in der Diagonale ist daher kein absolutes, sondern
ein sogenanntes relatives oder lokales Minimum. Die Funktions- und Beschleunigungsilbergänge
sind nicht starr, sondern dem befolgten Konstruktionsprinzip gemäß, gehen sie fließend
ineinander über. Unter der Einwirkung der Wechselwirkungskraft zwischen den Quaderdipolen
und der tangential aufgespannten Vektorebene ist die Gewähr gegeben, daß die Quaderdipole
die gekrümmte Bahnkurve mit konstantem Drehimpuls durchlaufen.
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Der leichte Dipolübergang in der Diagonale kann durch die verschieden
großen Luftspalte der Polarisationsmagnete und des Vierarm-Magneten beeinflußt werden.
Zu diesem Zweck ist es angebracht, den Luftspalt der Polarme des Vierarm-Magneten
gegenüber dem Kreisausschnitt der Mittelplatte kleiner als der Luftspalt der Polarisationsmagnete
zu halten um eine starke, ablenkende Anziehungskraft auf die linearen Feldlinien
der Vektorebene auszuüben. Um auch bei einem größeren Luft spalt der Polarisationsmagnete
ihre linear polarisierende Eigenschaft auf die Seitenplatten voll wirksam werden
zu lassen, wird ihre Abschrägekante, die Ja den Luftspalt
bestimmt,
nach innen abgesetzt, wie dies die Abbildungen zeigen.
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Jm Nachfolgenden wird eine besondere Magnetisierungsmethode zur Drehung
der Polarisationsebene von Seitenplatten und Mittelplatte angegeben bei der ein
rein mechanischer Kräfteaufwand vermieden wird. Dadurch kommt eine mechanische Hilfevorrichtung
zum Anlegen der sich abstoßenden Seitenplatten an die Mittelplatte in Wegfall. Bei
dieser Magnetisierungsmethode wird die noch unmagnetisierte Mittelplatte mit sämtlichen
bereits magnetisierten machbarplatten, wie den Seitenplatten, den Polarisationsmagneten
und dem Vierarm-Magnet umgeben. Die Seitenplatten werden mit einer Klebeverbindung
an die Mittelplatte unlösbar verbunden. Nun erfolgt nachträglich in diesem hartmagnetischen
Materialverbund und zwar gesondert für sich allein die axiale Aufmagnetisierung
der Mittelplatte in der gleichen Polarität wie die der Seitenplatten. Während dieses
Magneti,sierungsvorganges formiert sich in der Vektorebene die gewünschte tangentiale
Feldkomponente durch die auftretenden, inneren gegenseitigen Abstoßungs- und Anziehungskräfte.
An der Grenzfläche von Seitenplatten und Mittelplatte bilden sich, dem gegenseitigen
abstoßenden Felddruck nachgebend, parallele Feldlinien aus, die sich über die Fläche
von Seiten- und Mittelplatte verbreitern. Die linearen Parallelkomponenten werden
dann beiderseits der Grenzfläche von Seitenplatten und Mittelplatte gleich.
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Die Anwesenheit des Vierarm-Magneten im Kreisausschnitt der Mittelplatte
während dieses Magnetisierungsvorganges unterstützt durch das Einlaufen der Feldlinien
der Mittelplatte in die anziehenden Polarme im Bereieh der Diagonalen, die tangentiale
Kreisverwandtschaft der entstehenden Vektorebene. Der nach der Autmagnetisierung
fortbestehende gegenseitige, permanente Felddruck von Seitenplatten und Mittelplatte
erhöht die Oberflächendichte der magnetischen Peldenergie.
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Die zur Uberwindung bei der rein mechanischen Drehung der Polarisationsebene
erforderliche Andruckkraft nrI1B bei dieser Magnetisierungamethode durch eine höhere
Magnetis ierungskoerzit ivfe lds tärke aufgebracht werden. Zum separaten Aufmagnetisieren
der Mittelplatte in der geschilderten Weise ist kurzzeitig ein sehr großes Magnetfeld
notwendig, das mit Hilfe von Stoßkondensatoren in einem Elektromagnet erzeugt wird.
Stoßkondensatoren haben die spezielle
Aufgabe, die gespeicherte
Energie schlagartig abzugeben. Diese schlagartig einsetzende hohe Magnetisierungsfeldstärke
auf die Mittelplatte verursacht einen starken mechanischen Abstoßungseffekt auf
die gleichpoligen Seitenplatten, die diesem Druck standhalten müssen. Um nicht abgestoßen
zu werden, werden sie durch eine Klebeverbindung mit der Mittelplatte verbunden.
Um den Druck nicht allein auf die Klebestelle einwirken zu lassen, kann während
der Aufmagnetisierung ein Spannrahmen über den Umfang der Seitenplatten gelegt werden.
Bei dieser Magnetisierungsmethode ist es zweckmäßig, die ganze Plattenkombination
wie sie in Abbildung 5 und 6 dargestellt ist, in ihrer Gesamtheit in ein sogenanntes
Magnetisierungs-Joch einzuspannen. Um die allein noch unmagnetisierte Mittelplatte
im Joch gesondert für sich zu magnetisieren, werden Flußleitstücke welche die genaue
Form der Mittelplatte aufweisen, auf die beiden Jochhälften aufgesetzt. Als Werkstoff
für dielußleitstücke eignen sich Ferromagnetische amorphe Legierungen auf Fe-, ,
Co-Basis die ein extrem weichmagnetisches Verhalten zeigen, denn sie besitzen kein
gristallgitter und daher auch keine magnetische Vorzugsrichtung.
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Wie Abb. 7. zeigt, werden die Quaderdipole in gleichmäßigen Abständen
in Nuten am Umfang eines Drehkörpers befestigt und in die Kreisbahn geführt. Die
Lage der Quader in den Nuten ist derart, daß ihren Dipolachsen tangential zum Kreisumfsng
verlaufen. Der Drehkörper besitzt im Mittelpunkt eine drehbar gelagerte Achse. Das
Material des Drehkörpers soll nichtmagnetisch und nichtleitend sein, ist daher zweckmäßigerweise
ein Kunststoff, der mechanischen Festigkeit wegen ein faserverstärkter Kunststoff.
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Der Drehimpuls der Quader in der tangentialen Vektorebene wird über
den Drehkörper zur Drehachse weitergeleitet und überträgt damit auf die Drehachse
ein Arbeit leistendes Drehmoment. Bei jeder Translation und der mit ihr verwandten
Rotation wird durch die magnetische Feldenergie Arbeit geleistet. Der Drehsinn der
Rotationsbewegung ist abhängig von der Polarität der Dipole zur Polarität der den
Quaderdipolen gegenüberliegenden einpoligen Magnetfläche. Jm Beispiel von Abb. 7
ist die einpolige Stirnseite der Magnetfläche ein Nordpol.
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Liegt der Nordpol der Quaderdipole, vom Mittelpunkt aus gesehen, links
wie in der Zeichenebene, so ergibt sich eine Linksdrehung; denn die Quader laufen
gegen die äußere Kraft der Magnetfläche, also
nach links gegen
deren Nordpol an.
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Zwischen den Quaderdipolen, die sich in den Nuten des DrehXUrpers
mit ungleichnamigen Polen gegenüberliegen, tritt ein unerwünschtes Streufeld auf.
Jm gleichen Ausmaß wie das Streufeld zwischen den Dipolen auftritt, der äußere magnetische
Kreis über die Dipole geschlossen wird, verringert sich der Nutzfluß in den Buftspalten
der Dipole zu der Vektorebene. Dieses Streufeld wird, wie Abb. 7 zeigt, durch die
Trennmagnete (7) unterbunden. Die Trennma gnete befinden sich zwischen den Quaderdipolen
und sind entgegengesetzt wie diese gepolt. Jeder Polseite der Quader liegt eine
gleichnamig gepolte, sich gegenseitig abstoßende Polseite der Trennmagnete im Mittenabstand
zwischen zwei Quadern gegenüber. Die entgengesetzte Polung der rennmagnete bewirkt
ein entgegengesetztes Drehmoment. Dieses entgegenwirkende Drehmoment wird durch
zwei konstruktive Maßnahmen stark verringert. Erstens erhalten die Trennmagnete
eine viel geringere Breite und zweitens wird der Luftspalt zwischen den Trennmagneten
und der Vektorebene vergrößert. Eine noch schwache Restgegenwirkung auf das Drehmoment
wird durch den erzielten Gewinn an Nutzfluß in den Luftspalten der Quaderdipole
weitgehend aufgehoben.
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Jn Abb. 8 ist ein charakteristisches Querschnittsbild der dem Verfahren
spezifisch eigenen Gesamtanordnung dargestellt. Zwischen den beiden sich mit gleichnamigen
Polen gegenüberliegenden quadratischen Magnetplatten, welche aus der beschriebenen
Kombination von einzelnen Magnetplatten zusammengefügt sind, befindet sich der auf
einer Drehachse (9) gelagerte Drehkörper mit den am Umfang eingesetzten Quaderdipolen
(1). Der Luftspalt zwischen den Quaderdipolen und den Magnetplatten kann bei glatten
Oberflächen und hinreichender mechanischer Genauigkeit bei 0,01 Millimeter liegen.
Selbst eine direkte Berührung, eine gleitende Reibung ist zulässig. Bei einem sehr
geringen Luftspalt verlaufen die Feldlinien wie in Abb. 2, werden jedoch dann mehr
in Jnnere des Materials verlagert. Um die Scherung der Kennlinie gering in halten,
sollen die Feldlinien der äußeren freien Stirnseiten der Magnetplatten nicht in
Luft enden. Zum Zweck der magnetostatischen Bindung wird daher den äußeren Stirnseiten
eine weichmagnetische Platte (8) gegenübergestellt.
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Es gibt zwei qualitativ verschiedene Möglichkeiten, Bewegung und
die ihr entsprechende Energie von einem makroskopischen Körper auf
einen
anderen zu übertragen: durch das Leisten von Arbeit oder durch Wärmeaustausch. Energieübertraguug
in der Form von Arbeit ist stets das Ergebnis einer Kräftewechselwirkung zwischen
Kdrpern. Jn einem abgeschlossenen System wie bei dem des vorliegenden Verfahrens,
bei welchem die Energieübertragung in der Form von Arbeit zwischen dem starren Körper
eines Quaderdipole und einer einpoligen, tangential ausgerichteten Magnetfläohe
geschieht, kann die gesamte Arbeit leistende Energie, also die kinetische und die
potentielle Energie auf keine Weise verändert werden.
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Man bezeichnet ein System von Körpern als konservativ, wenn alle
au£ diese Körper (Quaderdipole) wirkenden äußeren Kräfte (einpolige Magnetflächen)
stationär sind und ein Potential besitzen und wenn im Inneren (Luftspalt) nur Potentialkräfte
herrschen. Der Satz von der Erhaltung der Gesamt energie eines Körpers in einem
konservativen Kraftfeld ist von fundamentaler Bedeutung. Die mechanische Energie
eines konservativen Systems ist von der Bewegung des Systems unabhängig. Dieses
Ergebnis bezeichnet man als das "Gesetz der Erhaltung der mechanischen Energie".
Es gilt insbesondere für jedes abgeschlossene System von Körpern, deren Wechselwirkungskräfte
Potentialkräfte sind. Diese Maxime trifft auf die Wechselwirkungskräfte im Luftspalt
zwischen den Quaderdipolen und den einpoligen Magnetflächen zu. Die potentielle
Energie eines konservativen Systems hängt nicht explizit von der Zeit ab. Daher
ist
Diese Gleichung drückt den Energiesatz, d.h. den Satz von der Erhaltung der mechanischen
Energie aus, wenn die Kräfte, die an dem Körper Arbeit leisten, Potentialkräfte
sind.
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Die hartmagnetischen Werkstoffe des vorliegenden dynamischen Magnetsystems
müssen einen hohen Widerstand gegen Fremdfelder und gegen Ummagnotleierung aufweisen.
Es wurde festgestellt, daß bei intermetallischen Verbindungen von Seltenen Erden
(SE) und Cobalt (Co> Eigenschaftskombinationen erreichbar sind, die bis vor einiger
Zeit noch nicht bekannt waren, nämlich hohe Remanenz bei gleichzeitiger hoher Magnetisierungskoerzitivfeldstärke.
Es ist jetzt ein neuartiger Dauermagnetterketoff aus dem Bereich der Seltenen Erden
- Cobalt
mit Kunststoffbindung verfügbar. Dieser Magnetwerkstoff
übertrifft viele Werte der herkömmlichen Dauermagnete wie Alnico, Ticonal und auch
die der Oxidkeramik-Magnete wesentlich. Die hohe Energiedichte dieses Dauermagnetwerkstoffes
erlaubt eine Verkleinerung der Magnetabmessungen, oder bei gleichen Abmessungen
eine ErhUhung der Nutzfeldstärke im Luftspalt der Quaderdipole und damit eine Steigerung
des Drehmomentes. Bemerkenswert ist die große Unempfindlichkeit dieses Magnetwerkstoffes
gegen entmagnetisierende Einflüsse. Diese große magnetische Härte bewirkt, daß die
einmal eingestellte Magnetisierung auch in einem hohen magnetischen Gegenfeld, wie
im vorliegenden Fall im abstoßenden Luftspaltbereich, erhalten bleibt.
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Ein weiterer Vorteil dieses Magnetterkstoffes ist seine gerade Entmagnetisierungskennlinie,
die besonders bei der im Verfahren vorliegenden dynamischen Beanspruchung, bei denen
diametrale Abstoßungs- und Anziehungskräfte und lineare Verschiebungskräfte im Luftspalt
auftreten, positiv in Erscheinung tritt. Das Energieprodukt (B)<H) max. dieses
Magnetwerkstoffes iet im Vergleich sowohl zu Oxidkeramik-Magneten wie auch zu Alnico-Magneten
höher. Dieses Magnetmaterial unterliegt keiner Alterung der magnetischen Werte.
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Durch die Kunststoffbindung dieses Magnetmaterials von Seltene Erden
und Cobalt hat dieser Dauermagnetwerkstoff ein günstiges Pret-Energie-Verhältnis.
Bedingt durch die Bindung des Magnetwerkstoffes in einen nicht schrumpfenden Polymer
kann dieser Dauermagnet auf Kunststoff-Spritzmaschinen verarbeitet werden. Dieses
gibt die Möglichkeit, auch schwierige Magnetformen zu realisieren. Ein weiterer
Vorteil ist, daß die im Kunststoff-Spritzguß hergestellten Magnete ohne Nachbearbeitung
eine glatte, saubere Oberfläche haben. Neben der universellen Formgebung im Spritzguß
kann dieser Magnetwerkstoff, mit normalen, spanabhebenden Werkzeugen bearbeitet
werden.
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Die Bearbeitbarkeit im unmagnetisierten Zustand ist etwa mit Messing
vergleichbar. Die Magnetisierung erfolgt normalerweise in axialer Richtung, senkrecht
zur Plattenebene, und kommt damit mit den im vorliegenden Verfahren ausschließlich
axial magnetisierten Magnetmaterialien entgegen.
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Der französische Physiker Ampere (1775-1836) hat aus der Äquivalenz
von Strömen und Magneten den wichtigen und folgenschweren Schluß gezogen, daß der
Magnetismus auf elektrische Ströme zurtickgeführt werden kann. Die Hypothese der
Ampere8chen Molekularströme erklärt vor
allem, warum die Pole eines
Magneten immer nur paarweise in gleicher Stärke auftreten. Freilich bietet diese
Hypothese in ihrer ursprUnglichen Form die große Schwierigkeit, daß die Ströme dauernd
fließen müßten, ohne - wie Leitungsströme - Joulesche Wärme zu erzeugen. Die zeitgenössische
Atomphysik hat diese Schwierigkeit beseitigt; denn danach muß man sich die Tatsache
vergegenwärtigen, daß die Elektronen um den Atomkern kreisen und sich dabei zusätzlich
in Spinbewegung, also um ihre eigenen Acheen drehen. Da die Elektronen elektrische
Ladungsträger sind, entstehen aus diesen Rotationen die bahn- und die spinmagnetischen
Momente. Die hohe Magnetisierung der Ferromagnetika wird durch die Existenz molekularer
Magnetfelder begründet. Diese werden durch eine spezielle quantenmechanische Austausch-Wechselwirkung
zwischen nichtkompensierten magnetischen Spinmomenten der Elektronen in den Atomen
der Kristallgitter bedingt.
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Die laufende Abgabe von Feldenergie aus Permanentmagneten findet
ihre Erklärung in dem Masse-Energie-Äquivalent. mach der Einsteinschen Masse-Energie-Beziehung
ist 1 g Masse äquivalent einer Energie von 9. 10- erg = 9 . J. Die Einsteinsche
Masse-Energie-Beziehung sagt aus, daß jede Masse (m) gleichzeitig eine Energie von
der Größe E s m ct dargestellt, wobei das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c als
Proportionalitätsfaktor auftritt. Nach der Äquivalenzbeziehung E P m c ist die Abgabe
von Energie von einer Verringerung der Masse begleitet. Hieraus kann der Schluß
gezogen werden, daß eine winzige Verringerung der Ruhmasse eines Permanentmagneten
zu der in langen Zeiträumen verfügbaren kinetischen Feldenergie beiträgt. Eine Verringerung
der Ruhmasse wurde in der Mikrophysik bei kernphysikalischen Prozessen beobachtet
und ist ale Massendefekt bekannt. Jn der Makrophysik, in deren Zuständigkeit das
vorliegende Verfahren liegt, sind diese Massenveränderungen in beobachtbaren Zeiträumen
unmerklich klein und blieb daher unbemerkt. Wenn man vom Standpunkt der Äquivalenz
von Masse und Energie ausgeht, erscheint es notwendig anzunehmen, daß Systeme, die
Energie nach außen abgeben wie z.B. ein Permanentmagnet, die dieser Energie (EÇ
m ct) entsprechende Masse verlieren.
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Zusammenfassung: Das vorliegende Verfahren beruht auf der Verschiebung
eines starren Körpers und zwar eines permenentmagnetischen Dipole in einem inhomogenen
Magnetfeld. Zwischen Translation
(Parallelverschiebung) auf einer
Geraden und Rotation (Drehbewegung) eines starren Körpers auf vorgeschriebener Bahn
besteht eine enge Analogie. Eine Voraussetsung um von einer Tranalation in eine
Rotation von Dipolen überzugehen, ist ein mit einfachen Mitteln herstellbares inhomogenes
Magnetfeld. Es wurde vorgeschlagen, die Inhomogenität des verschiebenden Feldes
durch die Wechselwirkungen des Dipolmomentes mit einer einpoligen Magnetfläche,
deren Feldlinien mit der Dipolachse übereinstimmen, herbeizuführen.
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Die Inhomogenität wird durch eine Aufspaltung des Feldlinienniveaus
in dem dreipoligen Luftspalt bewirkt. Es wurde weiter vorgeschlagen, mittele zusammengesetzter
Magnetplatten, die sich entweder abstoßen oder anziehen, eine Magnetfeld-Konfiguration
mit einer tangentialen Geometrie der Kraftlinien in einer euklidischen Vektorebene
aufzuspannen. Jm Mittelpunkt dieser Vektorebene ist auf einer Drehachse ein Drehkörper
angeordnet mit am Umfang befestigten Quaderdipolen deren Dipolachsen tangential
ausgerichtet sind. Durch diese Maßnahmen, Herbeiführung der Inhomogenität durch
das Dipolmoment und Aufspannen einer tangentialen Feldkomponente in einer Vektorebene,
wird eine Drehimpulskopplung der tangentialen Dipolachsen mit der Vektorebene ermöglicht.
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~ == === == == == ~ = = = = == = = == = = = = === == = = = = = = =
= == = = === = = === ==== = = =v ~= =~ = Zur Abgrenzung des Verfahrens zum Stand
der Technik in Bezug auf die Verschiebung eines magnetischen Dipols in einem inhomogenen
Magnetfeld wird auf folgende Druckschrift hingewiesen: "Rand Ferdinand Grave, Grundlagen
der Elektrotechnik 1, Seite 184, Bild (9-16) Magnetischer Dipol im inhomogenen Magnetfeld,
7. Zeile von unten mit dem Text: Diese Kraft sucht den Dipol in Richtung zunehmender
Flußdichte zu verschieben.
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Erschienen als studien-text in der Akademischen Verlagagesellschaft
Frankfurt am Main 1971.n Patent ansprüche.
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