-
B e s c h r e i b u ng.
-
Verfahren um permanentmagnetische Dipole in einem inhomogenen Magnetfeld
in eine Rotation zu versetzen.
-
Das vorliegende Verfahren beruht auf der Verschiebung eines starren
Körpers und zwar eines permanentmagnetischen Dipole in einem inhomogenen Magnetfeld.
Zwischen Translation (Parallelverschiebung) auf einer Geraden und Rotation (Drehbewegung)
auf vorgeschriebener Bahn besteht ein enger kinematischer und kinetischer Zusammenhang.
Die Bewegung des starren Körpers kann man in jedem Augenblick in diese zwei Bewegungsformen
zerlegen. Es ist bekannt, daß in einem inhomogenen Magnetfeld auf einen magnetischen
Dipol eine Kraft längs der Dipolachse ausgeübt wird, sofern die Dipolachse in der
Feldrichtung liegt.
-
Eine Voraussetzung um von einer Translation in eine Rotation von Dipolen
überzugehen, ist ein mit einfachen Mitteln herstellbares inhomogenes Magnetfeld.
Um diese Voraussetzungen zu erfüllen, wurde in der Hauptanmeldung (Aktz. P 31 03
436.5) 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. Die Inhomogenität wird durch eine Aufspaltung
des Feldlinienniveaus in dem dreipoligen Luftspalt hervorgerufen. Wenn der permanentmagnetische
Quaderdipol sich zwischen zwei gleichnamig gepolten, axial magnetisierten Magnetplatten
befindet, deren Feldlinien mit der Dipolachse übereinstimmen, so erfolgt eine Parallelverschiebung
des
Dipole längs dieser Bahn.
-
Um von einer Translation in eine Rotation der Dipole überzugehen,
ist es naheliegend, die ruhenden Magnetplatten als Ringmagnete auszubilden. Ein
damit angestellter Versuch hat nun gezeigt, daß wenn die Dipolachse tangential in
Richtung des Kreisbogens vom Ringmagneten gestellt wird, eine potentielle Verschiebung
gleich Null ist. Bei Querstellung der Dipolachse zum Kreisbogen wirkt jetzt auf
den Dipol eine Zugkraft in radialer Richtung. 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.
-
Bei Experimenten wurde nun festgestellt, daß wenn zwei rechteckige
Magnetplatten welche die gleiche Polarität haben, an ihrer Schmalseite, unter Oberwindung
der abstoßenden Kräfte, aneinandergelegt werden, daß sich dann dem Stoß entlang
parallele Feldlinien ausbilden. Es tritt eine Drehung der magnetischen Polarisationsrichtung
auf. Unter speziellen Anwendung dieses Vorganges wurde vorgeschlagen, in einer euklidischen
Vektorebene mittels zusammengesetzter Magnetplatten, welche sich entweder abstoßen
oder anziehen, eine tangentiale Geometrie der Kraftlinien mit einem angenähert kreisförmigen
Feldverlauf herauszubilden.
-
Die vorliegende Zusatzanmeldung bezweckt in erster Linie eine bessere
Ausbildung der tangentialen Feldkomponente in der Vektorebene, welche für eine Drehimpulskopplung
mit den Dipolachsen unverzichtbar ist. Außerdem wird für eine Mehrfachausnutzung
der Vektorebenen in mehreren nebeneinander liegenden Kammern eine praxisnahe Lösung
aufgezeigt.
-
Analog wie in der Hauptanmeldung setzt sich die Gesamtmagnetplatte
(Abb. 1) zusammen aus einer quadratischen Mittelplatte (1), an diese anliegend abstoßende
rechteckige Seitenplatten (2). Die Seitenplatten sind ihrerseits über die Eclten
mit anziehenden Polarisationsmacneten (3) zu einem geschlossenen linearen magnetischen
Kreis verbunden. Un den lareisausschnitt
der Mittelplatte ist ein
Vierarm-Magnet gelegt, dessen 4 Polarme den Diagonalbereichen mit anziehender Kraft
gegenüberliegen und in welche die Feldlinien der Mittelplatte in den Umkehrpunkten
einmünden. Mit diesem Einlaufen der Feldlinien der Mittelplatte in die Polarme des
Vierarm-Magneten (4) im Bereich der Umkehrpunkte, ist für die Feldlinien der Mittelplatte
abschnittsweise ein geschlossener magnetischer Kreis in den 4 Winkelräumen der Diagonalen
hergestellt. Die linear ausgerichteten Seitenplatten werden als Basisvektoren in
dem so gebideten kreisverwandten tangentialen Vektorraum benutzt, um den erforderlichen
übergeordneten Parallelismus der Feldlinien am äußeren Umfang zu bewerkstelligen.
Während so am äußeren Umfang eine quadratisch lineare, parallele Feldkomponente
ausgebildet ist, wird durch das Einmünden der Feldlinien der Mittelplatte in die
Polarme des Vierarm-Magneten im Bereich der Diagonalen eine angenäherte Kreisbahn
der Gesamtvektorebene ermöglicht.
-
Um den Bahndrehimpuls der auf die Quaderdipole einwirkt, gegenüber
der Hauptanmeldung zu verbessern, hat sich eine Formänderung der mittelplatte als
notwendig erwiesen. Der Kreisausschnitt der Mittelplatte wird mit Ausbuchtungen
versehen, zwischen denen die Polarme des Vierarm-Magneten über einen Luftspalt eingreifen.
Die Begründung folgt aus dem Bewegungsverhalten der Ouaderdipole. Wenn, wie in Abb.
2 gezeigt wird, der Ouaderdipol sich unsymmetrisch außerhalb der Bahnmitte einer
Magnetplatte in Randnähe befindet, so wird durch den Einfluß der Dipolpole eine
gerichtete polare Randentartung der Feldlinien ausgelöst. Die Folge ist, daß außer
der Translation ein Bewegungstrend zu diesem Rand auftritt. Dm vorliegenden Falle
zum inneren Rand des Kreisausechnittes.
-
Dieser Drehung zum inneren Rand, dieses versuchte Ausschwenken aus
der Kreisbahn kann durch die Ausbuchtungen entgegengewirkt werden. Jn Abb. 3 liegt
der Quaderdipol symmetrisch in Mitte der Bahn einer Magnetplatte, welche mit dem
Nordpol ausgezeichnet ist und deren Feldlinien mit der Dipolachse übereinstimmen.
Auf den Quaderdipol wird auf Grund der WechselwirI<ung des Dipolmomentes mit
der einpoligen Magnet fläche ausschließlich eine translatorische Zugkraft in der
Pfeilrichtung ausgeübt. Voraussetzung ist, daß beide Pole des
Dipole,
also auch des abstoßenden, entweder auf der Magnetfläche direkt aufliegen, oder
in einem Luftspalt gegenüberliegen.
-
Die translatorische Verschiebung des Dipols auf einer Magnetfläche
ist ein Beispiel für die in dem Verfahren vorgeschlagene kinetische Bewegung des
Dipols unter der dreipoligen Wechselwirkung permanentmagnetischer Feldkräfte in
einem Luftspalt.
-
Jn Abb. 1 sind zwei Quaderdipole in die Vektorebene eingezeichnet.
Beim mittleren Dipol, der sich außerhalb der Diagonale befindet, ist die Ausbuchtung
der Mittelplatte welche zwischen die Polarme des Vierarm-Magneten einoreift, deutlich
zu erkennen. Durch die Anziehungskräfte der Polarme des Vierarm-Magneten auf die
Ausbuchtung wird die Tangentialkomponente der Mittelplatte weiter gefertigt.
-
Abb. 4 zeigt die Mittelplatte in Einzeldarstellung mit den Ausbuchtungen
des Kreisausschnittes. Sn Abb. 5 ist der Vierarm-Magnet, zwei anliegende Seitenplatten
und ein Dipol mit eingezeichnet. Die Lage des ouaderdipols ist zwischen dem inneren
Rand der Ausbuchtung und dem äußeren Rand der Seitenplatte. Wenn auch der Abstand
des Dipols zum inneren Rand gerincer ist als zum äußeren Rand, so gleicht sich c;iese
Unsymmetrie zum Teil dadurch wieder aus, daß die Anziehungskräfte der Polarme des
Vierarm-Magneten die Feldlinien der Ausbuchtung rotationssymmetrisch ausrichten
und stabilisieren. Eine der Tangentialbeschleunigung übergeordnete, schwach bestehende
Ablenkung des Dipols zum inneren Rand, ist für eine Drehbewegung in kreisförmiger
Bahn sogar von Vorteil als Gegengewicht zur Fliehkraft. Die Ausbuchtungen der Mittelplatte
in welche die Polarme des Vierarm-Magneten über einen Luftspalt eingreifen, zeitigen
als vorteilhaftes Nebenergebnis die genaue geometrische Fixierung der Polarme in
den vier Winkeiräumen der Diagonalen.
-
Die zusammengesetzten Magnetplatten sollen mit ihren Abmessungen
und ihren aufeinander wirkenden Kräften in einer passenden Relation zu einander
stehen.
-
Als Faustregel kann gelten: 1.) Legt man längs der Oberkante des Krcisausschnittes
der Mittelplatte eine gerade Linie, wie sie in Abb. 5 gestrichelt
gezeigt
ist, so soll diese deckungsgleich mit der Länge der Seitenplatten sein.
-
2.) Senl<recht von dieser Linie ausgehend, ergibt sich die Breite
der Mittelplatte in Anlehnung an die Breite der Seitenplatte.
-
Durch diese Relationen zueinander sind Durchmesser vom Kreisausschnitt
und die entsprechenden Längen und Breiten aufeinander abgestimmt. Das räumliche
Volumen im Diagonalbereich der Mittelplatte wird durch diese Relationen mitbestimmt.
-
Wie in Abb. 1 beim unteren ouaderdipol dargestellt ist, wird beim
Dipolübergang in der Diagonale die Breite des Dipols einerseits begrenzt durch die
Kreistangente und andererseits durch die Abschrägekante. Eine geringere Breite kann
durch eine vergrößerte Dipol-Länge in Richtung der z-Achse ausgeglichen werden.
Das magnetische Dipolmoment ist ein Vektor. Das Dipolmoment wird als Produkt von
Polstäre und Abstand der Pole definiert. Eine vergrößerte Dipol-Länge in Richtung
der Dipolachse läßt sich leicht durch anziehendes Aufeinanderlegen zweier axial
magnetisierter Quader ermöglichen. Der Dipolübergang in der Diagonale geschieht
dadurch, daß sich die z-Achse des Dipols in die Krümmung der Feldlinien weisen läßt.
-
lJvie bereits in der Hauptanmeldung erwähnt, wird eine besondere
Magnetisierungsmethode zur Drehung der Polarisationsebene von Seitenplatten und
Mittelplatte beim Verfahren angewendet.
-
Bei dieser Magnetisierungsmethode wird die noch unmagnetisierte Mittelplatte
mit sämtlichen bereits magnetisierten Nachbarplatten, wie den Seitenplatten. den
Polarisationsmagneten und dem Vierarm-Magnet umgeben. Die Seitenplatten werden mit
einer Ulebeverbindung 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 Magnetisierungsvorganges formiert sich in der entstehenden
Vektorebene die gewünschte reisverwandte, tangentiale Feldkomponente durch die auftretenden,
inneren gegenseitigen Abstoßungs- und Anziehungskräfte. An der Grenzfläche von Seitenplatten
und Mittelplatte bilden sich, dem gegenseitigen abstoßenden Felddruc 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. Die Anwesenheit des Vierarm-Magneten im Kreisausschnitt
der Mittelplatte während dieses tGagnetisierungsvorganges, unterstützt durch das
Einlaufen der Feldlinien der Mittelplatte in die anziehenden Polarme im Bereich
der Umkehrpunkte, die tangentiale Kreisverwandtschaft der Vektorebene. Der Übergang
von der linearen zur zirkularen Polarisation ist damit gewährleistet.
-
Der nach der Aufmagnetisierung fortbestehende gegenseitige, permanente
Felddruck von Seitenplatten und Mittelplatte erhöht die Dichte der Feldlinien des
Induktionsfeldes an dieser Stelle der Vektorebene.
-
Zum separaten Aufmagnetisieren der Mittelplatte in der geschilderten
Weise ist kurzzeitig ein sehr großes Magnetfeld notwendig, das mit Hilfe von Stoßkondensatoren
in den Elektromagneten eines Magnetisierunsjoches erzeugt wird. Stokondensatoren
haben die spezielle Aufgabe, die gespeicherte Energie schlagartig abzugeben. Diese
schlagartig einsetzende hohe Magnetisierungsfeldstärke auf die Mittelplatte verursacht
einen starken mechanischen Abstoßungseffekt auf die gleichpolisen Seitenplatten,
die diesem Druck standhalten müssen. Um nicht abgestoßen zu werden, werden sie durch
eine Klebeverbindung vorher mit der Mittelplatte verbunden. Bei dieser Magnetisierungsmethode
wird die ganze Plattenkombination wie sie in Abb. 1 dargestellt ist, in ein Magnetisierungsjoch
eingespannt. Um die allein noch unmagnetisierte Mittelplatte im Zoch gesondert für
sich zu magnetisieren, werden weichmagnetische Flußleitstücke welche die genaue
Form der Mittelplatte mit den Abschrägekanten und den Ausbuchtungen aufweisen, auf
die beiden 30chhälften aufgesetzt und mit der Mittelplatte in Deckung gebracht.
-
Wie Abb. 6 zeigt, werden die ouaderdipole 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 ihre Dipolachsen tangential zum Kreisbogen
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 Crehsinn der Rotationsbewegung ist abhçngig von der Polarität
der
Dipole zur Polarität der den Quaderdipolen gegenüberliegenden einpoligen Magnetfläche.
Sm Beispiel von Abb. 6 ist die einpolige Stirnseite der Magnetfläche ein Nordpol.
Liegt der Nordpol der Dipole, vom Mittelpunkt aus gesehen, links wie in der Zeichenebene,
so ergibt sich eine Linksdrehung denn der Einzelpol der Quader der in der Bewegungsrichtung
liegt, läuft gegen den gleichnamigen Pol der Magnetfläche, also gegen deren Nordpol
an.
-
Zwischen den Quaderdipolen, die sich in den Nuten des Drehkörpers
mit ungleichnamigen Polen gegenüberliegen, tritt ein unerwünschtes Streufeld auf.
Dieses Streufeld wird, wie Abb. 6 zeigt, durch schmale Trennmagnete unterbunden.
Die Trennmagnete 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 entgegengesetzte Polung der Trennmagnete bewirkt ein entgegengesetzes
Drehmoment. Dieses entgegenwirkende Drehmoment wird durch zwei konstruktive Maßnahmen
stark verringert. Erstens erhalten die Trennmagnete eine viel geringere Dicke und
zweitens wird der Luftspalt zwischen den Trennmagneten und der Magnetfläche vergrößert.
Eine noch schwache Restgegenwirkung auf das Drehmoment wird durch den Erzielten
Gewinn an Nutzfluß in den Luftspalten der Ouaderdipole weitgehend aufgehoben.
-
Der Crehleörper mit den eingesetzten ouaderdipolen liegt zwischen
zwei feststehenden Magnetplatten oder Vektorebenen die sich mit gleichnamigen Polen
gegenüberliegen und eine Impulskammer bilden. Der Gedanke ist naheliegend, mehrere
nebeneinander liegende Ebenen oder Kammern für eine Mehrfachausnutzung der Magnetplatten,
also für eine Gewichts- und Materialersparnis und damit zu einer Leistungssteigerung
beizutragen.
-
Als eine konstruktive Montagehilfe dazu dient das in den Polarisationsmagneten
befindliche Rundloch, wie es in Abb. 1 gezeigt ist. Abb. 7 zeigt eine Darstellung
mit zwei neb'eneinander liegenden Kammern, wobei die in der Mitte angeordnete Masnetplatte
auf beiden Seiten mit Ouaderdipolen in einer Drehimpulskopplung steht. Um die gleiche
Drehrichtung auf die gemeinsame Drehachse zu übertragen, wird in der zweiten Kammer
die
Polarität der Quaderdipole vertauscht. Außer zwei Kammern können noch weitere hinzugefügt
werden, wobei jeweils bei der nachfolgenden Kammer die Polarität der Dipole gegenüber
der vorhergehenden vertauscht wird. Die mechanische Verbindung zwischen diesen Kammern
geschieht durch Schraubenbolzen aus nichtmagnetischem Material oder Stahl, welche
durch die Rundlöcher der an den Ecken angeordneten Polarisationsmagnete hindurchgreifen.
Die Abstände zwischen den Kammern werden durch Distanzrohre (5) hergestellt, welche
über die Schäfte der Bolzen geschoben werden.
-
Die bei dem Verfahren im hochbeanspruchten dynamischen Bereich der
inhomogenen dreipoligen Luftspalte verwendeten Dauermagnetwerkatoffe müssen einen
hohen Widerstand gegen Fremdfelder und gegen Ummagnetisierung aufweisen. Sn erster
Linie kommen daher für die Dipole und der aktiven Vektorebene Werkstoffe hoher Koerzitivfeldstärke
und geradliniger Entmagnetisierungskennlinie in Betracht. Das Energieprodukt (B)CH)
max. ist dann noch abhängig von der gegebenen Remanenz des Dauermagnetwerkstoffes.
3m statischen Bereich außerhalb der aktiven Vektorebene liegen die Polarisationsmagnete
und der Vierarm-Magnet.
-
Für diesen statischen Anwendungsbereich sind dagegen Werkstoffe mit
geringerer Koerzitivfeldstärke dafür aber höherer Remanenz die geeignetsten.
-
Die laufende Abgabe von Feldenergie aus Permanentmagneten findet
ihre Erklärung in dem Masse-Energie-Aquivalent. Die Einsteinsche Masse-Energie-Beziehung
sagt aus, daß jede Masse (m) gleichzeitig eine Energie von der Größe E = m c darstellt,
wobei das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c als Proportionalitätsfaktor auftritt.
Nach der Aquivalenzbeziehung E = m c ist die Abgabe von Energie von einer Verringerung
der Masse begleitet. Hieraus kann der Schluß gezogen werden, daß eine winzige, unmerkliche
Verringerung der Masse E/c2 eines Permanentmagneten zu der in langen Zeiträumen
verfügbaren kinetischen magnetischen Feldenergie beiträgt.
-
Die Spezielle Relativitätstheorie hob die Geltung des bisherigen Satzes
von der Erhaltung der Energie auf; an ihrer Stelle trat nun ein verallgemeinerter
Erhaltungssatz der Energie, bei dem die Ruhemasse der Energie hinzugerechnet wird.
-
Leerseite