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Kirchhoff: " Einrichtung zum Wandeln..." Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum Wandeln von Energie mittels auf einseitig gelagerten Wellen drehfest
befestiqten Scheiben. Primärseitig wird rotierende mechanische Energie zugeführt,
sekundärsei ti g hydraulische, pneumatische oder elektrische Energie abgenommen.
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Hydraulische oder pneumatische Maschinen, die zugeführte Energie nach
hin- und hergehendem oder rotierendem Prinzip wandeln, sind in weiten Bereichen
der Technik bekannt und gehäufig. [hre hervorragenden Vertreter sind die Kolben-Arbeitsmaschinen
oder Maschinen mit rotierender Arbeitsweise, wobei flüssige, teigige oder gasförmige
Stoffe transportiert werden.
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Im letzteren Bereich sind Axialkolbenpumpen bekannt. Die Wirkungsgrade
solcher Pumpen sind hochgezüchtet, so daß dieser Bereich als ausentwtckelt In der
Facnwelt gtlt.
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Eine optisch ähnliche Maschine zu dieser Erfindung ist in der Funktion
einer Hydraulikpumpe bekannt gemacht worden in dem
Kirchhoff: "Einrichtung
zum Wandeln..," Fachaufsatz "Hydrostatic Slipper Pads" in der Zeitschrift THE ENGINEER,
3. Juli 1964, Seite 6 bis 9, im dortigen Text insbesondere bezogen auf Abb. 3.
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Von dieser Konstruktion unterscheidet sich die Erfindung deutlich
durch besondere Charakteristiken: 1. die Arbeitsstangen, an deren Enden sich Kolben
oder induktionserregende Magnetträger befinden, werden doppeltwirkend gestaltet,
2. eine Lösung, aus einem solchen kurzwegigen Bewegungsablauf elektrische Energie,
heraus zu induzieren, ist nicht beschrieben und ansonsten auch nicht bekannt geworden,
3. bei der bekannt gewordenen Hydraulikpumpe wird ausdrücklich hervorgehoben, daß
die Zentrifugalkräfte klein sind. Die vorliegende Erfindung benötigt im Gegensatz
dazu ein hohes axial gerichtetes dynamisches Widerstandsmoment, das sich nur bei
erzwungenen hohen Zentrifugalkräften ausbilden kann.
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Es ist bekannt, daß schnell rotierende Scheiben eine bedeutende Querstabilität
entwickeln. Diese Querstabilitat ist lehrhar; beschrieben in dem Buch "Drehkreisel"
(Teubner, Leipzig 1913)
Kirchhoff: Einrichtung zum Wandeln...."
durch Perry, anhand eines dünnen Papierblattes, das, in schnelle Rotation versetzt,
einem parallel zur Rotationsachse axial wirkenden Schlag oder Druck einen erheblichen
Widerstand entgegensetzt. Die übliche Biegsamkeit des Papiers ist durch die Rotation
aufgehoben, so daß anstelle der Biegsamkeit eine beachtliche Steifigkeit getreten
ist. Diese Steifigkeit ist naturgemäß eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit und
nimmt mit deren Zunahme gleichfalls zu.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bisher bekannte, aber
nicht genutzte Rotationseffekte in der Praxis mitzuverwerten. Das ist nach der Lehre
der Erfindung nur möglich, wenn ein Mehrscheibensystem besonderer Arbeitscharakteristik
und Raumordnung verwendet wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie von einer Einrichtung
zum Wandeln von Energie mittels auf einseitig gelagerten Wellen drehfest befestigten
Scheiben, die mit axialem Abstand voneinander, mit den Scheibenflächen winklig zueinander,
ungleichwellig gelenkig, miteinander im gleichen Drehsinn und mit gleicher Drehzahl
verbunden sind, wobei eine Scheibe als Treiberscheibe rotierend angetrieben ist
und eine über die Zentrale mitgetriebene Bezugsscheibe außermittige Arbeitsmaschinenteile
mit Zug und Druck übertragenden Stempeln auf-
Kirchhoff:"Einrichtung
zum Wandeln..." weist, ausgeht, und sie kennzeichnet sich dadurch, daß Winkel geschwindigkeit,
Träghei tshal bmesser und Sche i benschwungmasse der Kreisscheiben im Zusammenwirken
so bemessen sind, daß eine registrierbare Querstabilität und aus diesen Bedingungen
resultierende, axi al gerichtete Widerstandsmomente entstehen.
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Dabei kann die Treiberscheibe mittig umfangseitig gelagert und mit
owei Bezugsscheiben verbunden sein. Es ist aber auch möglich, zwei Treiberscheiben
mittig zentral zu lagern und diese mit zwei Bezugsscheiben zu verbinden. In der
Beschreibung bedeutet der Ausdruck ungleichwellig, daß die Scheiben auf nicht fluchtenden,
abgeknickten Teilen der Welle angeordnet sind.
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Der Antrieb kann durch alle in der Technik üblichen Antrieb vorrichtungen
erfolgen, auch mit solchen intermittierender Arbeitsweise, weil die Schwungmassen
egalisierend wirken.
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Eine Scheibe übernimmt die Funktion des Treibens, die andere bildet
ein mitrotierendes Bezugssystem. Das System entwickelt ein hohes dynamisches Widerstandsmoment,
die erfindungstypischen Arbeitsvorgänge können doppelt wirkend gestaltet werden
und das System kann Zur Induktion elektrischer Energie Anwendung finden. Dadurch
wird eine deutliche Abgrenzung
KirchhofF: 11Einrichtung zum Wandeln...."
zum Funktionsprinzip von Axi alkol benpumpen hergestellt.
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Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Winkelgeschwindigkeit
der Scheiben so bemessen, daß deren Stabilitat quer zur Ebene der Schwungmomente,
parallel zur Scheibenfiäche, ausreichend hoch ist. Zur Erhöhung der Schwungmomente
trägt auch bei, die Massen der Scheiben möglichst fern der Rotationszentrale anzuordnen.
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Die Arbeitsstangen vollführen, bezogen auf die große Ebene der Bezugsscheiben
bei gleicher Winkelgeschwindigkeit in dem oberen und unteren Totpunkt, bezogen auf
die Zentrale, in axialer Richtung eine sinusförmige oder nahezu sinusförmige Geschwindigkeitsänderung,
wobei der Maximalwert in der Mitte des Weges zwischen den beiden Totpunkten entsteht.
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Die Erfindung ist beispielhaft in den Figuren dargestellt. Es ze irjen:
Fig. 1 eine zweiseitig gelagerte Kreisscheibenanordnung mit mittiger Gelenkwelle
und winklig zueinander stehenden Kreisscheibenflachen; Fig. 2 die zeichnerische
Ableitung der nahezu sinus -förmigen Bewegung von Arbeitspunkten, die
Kirchhoff:
"Einrichtung zum Wandeln radialen Abstand von der Zentrale haben; Fig. 3 zweiseitig
gelagerte Kreisscheiben mit doppeltwirkenden Kolbenpumpen und gelenkiger Verbindung
sowie axial beweglichen Arbeitsstangen; Fig r 4 zweiseitig gelagerte Kreisscheiben
mit doppeltwirkenden Generatorenteilen und gelenkiger Verbindung sowie axial Zleweglichen
Erregersystemen; Fig. 5 umfangseitig gelagerte Treiberscheibe mit doppelseitiger
Wirkung auf Bezugsscheiben; Fig. 6 beiderseits eines Lagerbockes angeordnete Treiberscheibe
mit außenseits angeordneten Bezugsscheiben; Fig. 7 Aufbau eines permanentmagnetischen
Erregersystems mit aus abwechselnd gegengepolten Ringmagneten und jeweils dazwischen
liegenden Polplatten, angeordnet auf einem Magnetträger als Endglied der Arbeitsstangen;
Fig. 8 bis Fig. 11 zeichnerische Erklärung für das Verschie-
K
i rchhoff: "Einrichtung zum Wandeln....
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ben des Ankers zum zur Bezugsscheibe stationären 1 ndukt ionssystem
bei einer halben Scheibenumdrehung und gleichzeitigem Verschieben über e i n Joch
des die Spulen dreiseitig umgebenden Eisenkernes (Frequenz des induzierten Stromes
direkt proportional zur Drehzahl ) Fig.12 bis Fig.l7 zeichnerische Erklärung für
das Verschieben des Ankers zum zur Bezugsscheibe stationaren Induktionssystem bei
einer halben Scheibenumdrr-hung und gleich-7eitigem Verschieben über drei Joche
und dabei entstehender zweifacher Umpolung der Flußrichtung des induzierten Stromes
infolge zweifacher Änderung der Richtung der magnetischen Durchflutung (Frequenz
des induzierten Stromes dreifach höher als die Drehzahl); Fig. 18 Induktionssystem
mit ungleicher axialer Teilung zwischen den Polplatten und den Polen des die Spulen
jeweils umgebenden Eisenkernes zum Erzielen erhöhter Durchflutungswechsel und damit
erhöhter Frequenzen, bei gleichzeitiger teilweiser Kompensierung der aus dem Erregermagnetismus
stammenden Rastkrefte, die der Öffnung des magnetischen Kreises entgegenwirken,
Kirchhoff:
'<Ei7richtung zum Wandeln Fig. 19 bis Fig. 21 zeichnerische Erläuterung für die
Begründung der durch Experiment gefundenen optimalen Einbettung der Spulen in die
umgebenden Kerne und die Ursache der Induktion durch Druchflutungsänderungen in
den den Spulen benachbarten Eisenkernen; Fig. 22 bildhafte Gesamtdarstellung der
Erfindung.
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Die Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung von Treiberscheibe 10
und Bezugsscheibe 11 sowie die Gelenkwelle 20. Die Scheibenflachen 12, 13 stehen
winklig zueinander.
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In der Fig. 2 ist der Weg von Punkten auf der Scheibe, mit radialem
Abstand von der Rotationszentrale, ausgehend von der Anordnung der Fig. 1, zeichnerisch
abgeleitet. Bezieht man sich bei dieser Betrachtung auf die Arbeitspunkte P, P'
und P , die 0 insgesamt Abstand von der Zentrale haben, dann ergibt sich gemß dem
unteren linken Teil der Figur eine der Sinusform ahnliche Bewegung der Arbeitspunkte
P und P', wobei der Maximalweg durch den Buchstaben s gekennzeichnet ist. Es ist
in dieser Figur dargestellt, daß zwei benachbarte Punkte, hier P' und P 0 auf der
Treiberscheibe 10 und der mit gleicher Winkelgeschwindigkeit umlaufenden Bezugsscheibe
11, während einer Umdrehung'
Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln..."
sich in axialer Richtung entfernen und wieder nähern müssen.
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Zueinander führen diese Punkte eine erzwungene Schwingung aus. Nach
einer halben Umdrehung ist die maximale Distanz erreicht, nach einer ganzen Umdrehung,
wie zu Beginn der Umdrehung, die minimale. Diese Differenz bildet die für die Energiewandl
ung sekundärse i t i g notwendige Wegkomponente.
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Diese Wegkomponenten werden dann gewonnen, wenn die Achsen beider
Scheiben zueinander geneigt sind. Die Gelenkwelle 20 ermöglicht bei ungleichwelligen,
also abgeknickten Achsen, das anteilige Übertragen des Antriebsdrehmomentes auf
die Bezugsscheibe 11. Solche Übertragungen von Drehmomenten von einem Wellenteil
auf den anderen, wobei beide Teile nicht fluchtend, also ungleichwellig sind, wird
beispielsweise in den bekannten Kardangelenkwel len prakti-iert.
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Aus der Fig. S! ist ableitbar, daß die axiale Relativgeschwindigkeit
benachbarter Punkte auf beiden Scheiben an den oberen und unteren Totpunkten gleich
Null ist. Sie erreicht bei einer Viertel- bzw. einer Dreiviertel-Umdrehung ihren
jeweiligen Maximalwert. Damit ist dann beschrieben, woher die Wegkomponente der
Energie bei einer Kopplung der Arbeitsstangen 32, beispiersweise mit dem Kolben
31 einer Pumpe 40, resultiert.
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Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln...." Die Kraftkomponente stammt
teils aus dem Antriebsdrehmoment, teils aus der Querstabilitsit und teils aus denjenigen
Lagerwiderständen, welche dem Kippbestreben entgegenstehen.
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Bei der Erfindung werden durch die Schrägstellung der Scheibenflächen
12, 13 zueinander, bei gleicher Winkelgeschwindigkeit beider, unter Nutzen des axial
gerichteten Widerstandsmomentes der Scheiben, als Funktion der erfindungsgemäßen
Scheibenanordnung, hin- und hergehende Bewegungen erzwungen. Es findet dabei eine
Überlagerung verschiedenartiger Bewegungsabläufe statt.
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in der Fig. 3 ist ein Arbeitssystem unter Nutzung dieser erzwungenen
Bewegung und deren Übertragung auf eine Kolbenpumpe 40 mit den dazugehörigen Doppel
gelenken 33 und der einseitigen Lagerung der Scheiben 10 und 11 schematisch dargestellt.
Der Koben 31 ist mit den Arbeitsstangen 32 verbunden. Die Arbeitsstangen 32 werden
achsparallel zur Welle der Bezugsscheibe durch die Schrägstellung der Scheiben 10,
11 zueinander mittels der an der Scheibe 10 befestigten Treiberscheibenarme 35 hin-
und hergehend und damit pumpend bewegt. Den notwendigen Bewegungsablauf zwischen
Treiberscheibenarmen 35 und den Arbeitsstangen 32 ermöglichen die
Kirchhoff:
"Einrichtung zum Wandeln..." Doppelgelenkverbindungen. Alle Fliehkräfte der Arbeitsmaschinenteile
werden in die ausgewuchteten Scheiben eingeleitet. Die Doppetgelenkverbindungen
33 sind hier beispielhaft dargestellt. Andere in der Technik übliche Gelenkverbindungen
können die gleiche nicht fluchtende Bewegungsübertragung innerhalb eines Umlaufes
ermöglichen.
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Das gesamte Pumpsystem kann doppeltwirkend sein, denn die Querstabilität
rotierender Scheiben wirkt bei Zug und Schub. An die Saug- und Druckstutzen ist
ein Rohrsystem angeschlossen, das zwischen der Pumpe 40 und der Hohlwelle 22 Rückschlagarmaturen
tragt, wobei diese Armaturen lediglich die bekannte Funktion haben, unerwünschten
Medienfluß in der falschen Arbeitsrichtung zu vermeiden.
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Derartige Systeme erfordern die zentrale Zu - und Abführung des zu
fördernden Mediums nahe der Rotationszentrale.
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Das geschieht durch eine zweiwegige Hohlwelle 22, die zu dem Saug-
und Druckstutzen 24, 25 das jeweilige Medium führt. Damit werden Drehdichtungen
23 erforderlich, um das rotierende System mit seinem Wellenende oder seinen Wellenenden
gegen das äußere stationäre System, endend mit dem Saug- und Druckstu t zen, abrudichten.
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Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln..." Im praktischen Betrieb eines
Funktionsmodells der Einrichtung hat sich herausgestellt, daß die Winkelstellung
der Scheibenflachen 12, 13 zueinander optimiert werden kann. Grundsatzlich ist die
Funktion des Pumpprinzipes bereits bei lan3-samer Bewegung der Scheiben erkennbar.
Das eigentliche erfinderische Prinzip wird jedoch erst voll wirksam, wenn eine bestimmte
Winkelgeschwindigkeit erreicht wird, wobei der Winkel der Scheibenflächen 12, 13
zueinander wesentlich ist.
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Er sollte einen Winkel von 40 nicht übersteigen. Der .' unahme der
Winkelgeschwindigkeit sind Grenzen gesetzt durch die Festigkeit der Werkstoffe und
durch den Zwang zur Optimierung der Einrichtung. Erlaubt die Festigkeit des Materials
keine ausreichende Winkelgeschwindigkeit aus der sich ein zwingend notwendiges dynamisches
Widerstandsmoment als eines der wesentlichen Kenn7eichen dieser Erfindung ableitet,
so besteht die Möglichkeit, Hilfsrotoren über geeignete Getriebe proportional schneller
als die Scheiben rotieren zu lassen. Die Scheiben können sich dann über Axiallager
auf desen, ein ausreichendes Widerstandsmoment entwickelnden Hi lfsrotoren abstützen.
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Es ist ohne weiteres möglich, mehrere Arbeitsmaschinen auf dem radialen
Umfang der Scheiben anzuordnen. Durch die Rotation ergibt sich eine relativ hohe
Frequenz der Lastwechsel
Kirchhor :"Elnrichtung zum Wandeln...."
proportional der Drehzahl. Bei der Generatorvariante läßt sich die Frequenz überproportional
zur Drehzahl steigern, wie noch an anderer Stelle beschrieben wird. Das ist: im
Hinblick auf den angestrebten Arbeitsfluß der Arbeitsmaschinen vorteilhaft.
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Die Figur 4 zeigt ein der Figur 3 vergleichbares Arbeitssystem, bei
der die erzwungene Bewegung nicht zum Pumpen von Flüssigkeiten, sondern zur direkten
Induktion elektrischer Energie genutzt wird. Statt der Kolbenpumpenelemente sind
an der Bezugsscheibe 11 zu ihr stationäre Teile 81 eines Axial-Generators installiert.
Die Kolben sind ersetzt durch Erregersysteme 82 mit einer besonderen Anordnung von
Erregermagneten 83 und Polplatten 84 auf einem Magnetträger 85. Die Induktion wird
erzwungen durch die relative Hln- und Herbewegung analog zum Vorgang der Beschreibung
zu Fig. 3. Die wesentlichen Grundprinzipien zu diesem Induktionsvorgang werden später
noch eingehend erläutert.
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Bei der Generatorenvariante der Erfindung kann eine Hohlwelle vorgesehen
werden. Der Hohlring der Welle hat die Funktion eines Kabelkanals. Die Hohlwelle
kann bei der Generatorvariante entfallen, wenn die Schleifringe direkt und konzentrisch
an der Bezugsscheibe, die Kohlen oder Bürsten am
Kirchhoff: "Einrichtung
zum Wandeln...." Lagerblock befestigt werden.
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In der Fig. 5 ist ein Arbeitssystem dargestellt, das mit einer zentral
gelagerten Scheibe 14 und zwei beiderseits mit dieser verbundenen Scheiben 11, 15
arbeitet. Die Funktion ist gleich der bisher für die in den Fig. 1 bis 4 geschilderten
Arbeitsweise. Die Besonderheit der Anordnung besteht u. a. darin, daß die Scheibe
14 außenseits gelagert ist.
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Die Umfangslager 73 vermeiden die bei einer solchen Anordnung im Hinblick
auf eine gedrängte Bauweise unter Umständen sonst notwendigen Mittellager. Die Außenlagerbõcke
74 tragen die Hohlwellen 22. Durch diese Hohlwellen 22 werden beispielsweise die
gepumpten Medien angesaugt oder abgegeben. Dies geschieht über die Saugstutzen 24
und die Druckstutzen 25.
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In der Fig. 6 ist ein System mit zwei Treiberscheiben 14 dargestellt,
die von einem mittigen Lagerbock 71 getragen werden. Die an diese Scheiben 14 anschließenden
Pump-, Kompressor- oder Generatorensysteme sind denen der Fig. 3,4 und 5 gleich.
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Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln...." In der Fig. 7 ist ein Erregersystem
88 dargestellt, das aus mehreren, immer gegengepolten Erregermagneten 83 mit jeweils
dazwischen angeordneten Polplatten (84) besteht, wobei beide Bauelemente auf Magnettragern
85 angeordnet sind.
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Die Erregermagnete d3 können axial magnetisierte, möglichst remanenzbetonte
Permanentmagnete aus pre i swe rtem Oxidmaterial sein, es kann sich aber auch um
gleichstromgespeiste Elektromagnete handeln, die einen axial gerichteten Fluß hervorrufen.
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Die Polplatten haben die Aufgabe, den axialen Fluß der Erregermagnete
in einen radialen umzulenken und ihn dabei gleich zeitig zu konzentrieren. Es ist
ausreichend, den magnetischen Fluß von Oxidmaterial von 220Q G im optimalen magnetischen
Induktionsbereich auf etwa nur 15000 bis 20000 G zu konzentrieren, weil für Silikonstähle
die Flußdichte einem Grenzwert zustrebt, der zwischen 15000 und 20000 G liegt. Diese
hohe Flußdichte kann mit der beschriebenen Anordnung von Polplatten zu Erregermagneten
63 erreicht werden. Starke und teuere Magnetwerkstoffe können so umgangen werden.
Hinzu kommt, daß relativ schwache Magnetwerkstoffe einer im allgemeinen geringeren
Alterung unterliegen.
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Die Figuren 8, 9, 10 und 11 zeigen in einer Serie die Verschie-
Kirchhoff:
"Einrichtung zum Wandeln.
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bung des Erregersystems 82 mit den Bauelementen Erreqermagnete 83,
Polplatten (84 und Magnetträger 35 zu den zur Bezugsscheibe stationären Generatorenteilen
mit Gehäuse 81 , Induktionsspulen 86 und im Querschnitt kammartigen, im übrigen
ringförmigen Eisenkern 87 > in dessen Nuten die (Schablonen-) Induktionsspulen
verlegt sind.
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Die vier Figuren lösen die axiale Bewegungsänderung wehrend einer
halben Umdrehung des Scheibensystems auf. Die Neigung der Scheiben zueinander ist
dabei so bemessen, daß die Verschiebung zwischen dem Erregersystem und dem Gehäuse
des Axial-Generators a0 um e i n Joch des Eisenkernes 87 erfolgt. In diesem Falle
ist die Frequenz des induzierten Stromes identisch mit der Drehzahl.
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Nach japanischen wissenschaftlichen Veröffentlichungen in der Zeitschrift
1,oHM" aus dem Jahre 1956 - Ausgabe April - wirken bei Generatoren normaler Bauart
mit in Nuten eingelassenen Windungen nur 5 % des gesamten Eingangsdrehmomentes zwischen
den Erregermagneten und den Windungen, 95 % dagegen werden aufgezehrt zur Überwindung
der Rastkrnifte zwischen den Erregermagneten und den die Induktionsspulen umgebenden
Eisenkerne. ALs "Rastkräftet' werden hier solche Krsfte verstanden, die aufgewendet
werden müssen, um einen mag-
Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln..."
netischen Kreis zu trennen oder Magnete von Eisenplatten oder anderen Magneten abzureißen.
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Diese Rastkräfte sind in den Stellungen nach Fig. 9 und 10 zwischen
den Polplatten und den Eisenkernen am intensivsten. In der Situation nach Fig. 9
wirken die Rastkräfte, die sich aus dem Erregermagnetismus herleiten, verzögernd,
in der Situation nach Fig. 10-beschleunigend.
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In diesen beiden Positionen nach Fig. 9 und 10, d. h. im Moment des
Abrisses und des Zusammenfalls werden in den Spulen die höchsten Spannungen induziert.
Die geringsten Spannungen entstehen in den Wendestellungen nach Fig. 8 und Fig.
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11.
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Natürlich werden- die aus dem Magnetismus des Erregersystems resultierenden
Rastkräfte überlagert durch andere Rastkräfte, die aus der Gegeninduktion des geschlossenen
Stromkreises herrühren. Beispielhaft wird diese Überlagerung von Küpfmüller, "Theoretische
Elektrotechnik", 8. Auflage, Seite 272/273 behandeLt.
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Die Richtung des induzierten Stromes 1st abhängig zunächst von der
relativen Bewegungsrichtung zwischen Erregersystem 82 und Generatorkern 87 und natürlich
von der links- oder rechtswendenden Flußrichtung im Eisenkern von den Nord- zu
Kirchhoff:
"Einrichtung zum Wandeln..." den Südpolplatten 84 . Die Spannung des InduUerten
Stromes ist abhangig von der Anderungsgeschwtndigkeit der Durchflutung in den die
Spulen dreiseitig umschließenden Eisenkern.
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Sie ist am geringsten im oberen und unteren Totpunkt, am höchsten
in den Stellen der höchsten magnetischen Rastkrnfte.
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Um die einzelnen Spulen in Reihe schalten zu können, ist es erforderlich,
analog der wechselweisen Gegenpolung der Erregermagnete 83 auch den Spulen wechselweise
einen unterschiedlichen Wicklungssinn zu geben.
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Der induzierte Strom wird ein Wechselstrom, der zum Zeitpunkt der
am intensivsten auftretenden Rastkräfte erhebliche Spannungsspitzen aufweist.
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Werden am Umfang der Bezugsscheibe je nach geometrischen Bedingungen
mehrere, beispielsweise 6 Axialgeneratoren-Systeme installiert, so können die in
den jeweils gegenüberliegenden Systemen induzierten Ströme zusammen, entweder in
Reihe oder parallel geschaltet werden. Die anderen vier Induktionssysteme haben
paarweise einen unterschiedlichen 1 nduktionszustand, was ein direktes Zusammenschalten
nur möglich macht, wenn man den in jedem [nduktionssystem oder Induktionssystempaar
entstehenden Wechselstrom beispielsweise über Diodenbrükken gleichrichtet und danach
zusammenfaßt und den Schleifringen
Kirtrshoff: '2Einrichtung zum
VVandeln.." zuleitet. Vom Gesamtsystem wird dann ein pulsierender Gleichstrom abgenommen.
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Selbstverständlich rotieren die Gleichrichter mit den zugehörigen
verbindenden Elementen, wie Kabel, Klemmen etc.
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mit um, ähnlich wie die Rohrleitungen und Armaturen, einschließlich
der Rückschlagklappen bei den doppeltwirkenden Pumpen- und Kompressorvarianten.
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Die Fig. 12 bis 17 zeigen ebenfalls in einer Serie die Verschiebung
des Erregersystems 82 mit den Bauelementen Erregermagnete 83, Polplatten 84 und
Magnetträger 85 zu den zur Bezugsscheibe stationären Generatorenteilen mit Gehäuse
81 , Induktionsspulen 86 und den Eisenkernen 87 Im Unterschied zu der Serie der
Fig. 8 bis 11 findet hier aber eine Verschiebung über mehrere Joche statt. tn dieser
Anordnung läßt sich eine dritte Einflußgröße für die Ausbeute der induierten elektrischen
Energie optimieren: die Frequenz.
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Bei der Verschiebung von Joch zu Joch ändert- sich jedesmal die Richtung
des induzierten Stromes infolge der Richtung änderung des magnetischen Flusses.
In der gezeichneten Darstellung liegt die Frequenz dreifach höher bei gleicher Drehzahl
gegenüber den Darstellungen nach den Fig. 8 bis 11. Allerdings haben jetzt die benachbarten
Spulen nicht nur im Rich-
Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln .
. . " tungssinn, sondern auch in der Intensltat einen unterschiedlichen lnduktionszustand.
Das hängt mit der nahezu sinusförmigen Geschwindigkeitsanderung zwischen oberem
und unterem Totpunkt zusammen, aus der eine ungleichförmige Änderungsgeschwindigkeit
der Durchflutung resultiert. Dem Vorteil einer erhöhten Frequenz und dem häufigeren
Wechsel der Wirkungsrichtung der aus dem Erregermagnetismus stammenden Rastkräfte
steht der Nachteil gegenüber, daß nun alle Indukttonsspulen - natürlich unter Berücksichtigung
der Flleßríchtung des elektrischen Stromes - nicht mehr in Reihe geschaltet werden
können und damit für jedes Induktionssystem mehrere Diodenbrücken erforderlich werden.
Di odengl e ichri chter sind allerdings sehr preiswert, ihre Kosten werden durch
die Einsparung von Material für die anderen Generatorteile kompensiert.
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Bei gleichbleibendem Materialaufwand steigert sich infolge der Frequenzerhöhung
die Ausbeute an elektrischer Energie.
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Bei höheren Frequenzen wird es, um Wtrbelstrombildungen in den Eisenkernen
87 zu vermeiden, unbedingt erforderlich, den die Spulen dreiseitig umschließenden
Kernen elne radiale Lamellierung oder eine Lamellierung, die einer radialen nahe-
Kirchhoff:
"'Einrichtung zum Wandeln..." kommt, 7uzuordnen.
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Fig. 18 zeigt, daß die Frequenz des erzeugten Stromes noch erhöht
werden kann, wenn man die Teilungen der Folplatten und die Teilungen der Pole des
Eisenkernes ungleich gestaltet.
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Die Durchflutungsrichtung im Eisenkern wird häufiger gewechselt, und
7war je Spule zweimal bei der Verschiebung um ein Joch. In diesem Falle wäre aufgrund
der Polordnung der Eisenkerne 87 mit erhöhten Streuverlusten zu rechnen, der Einfluß
der Frequenzverdoppelung ist allerdings als dominant zu erwarten. Selbstverstendlich
muß nun jeder Induktionsspule eine Diodenbrücke zugeordnet werden. Von weiterem
Vorteil ist, wie aus der Figur ableitbar ist, daß beschleunigende und verzögernde
Rastkräfte zwischen den Erregermagneter und den Eisenkernen sich zum größten Teil
gegenseitig aufheben, was auf eine Reduzierung der Lagerbetastung hinauslauft.
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Die Flug. 19, 20 und 21 beschreiben eiri L xperiment, daß sich aus
der Beschreibung der Untersuchungsergebnisse in der japanischen Zeitschrift "OHM",
worüber in der Erläuterung der Fig.
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8, 9. 10, 11 hingewiesen wurde, ableitet. In der Fig. 19 ist dargestellt
eine Spule 94 mit innerem stabförmigen Eisenkern 92 . Die Spule ist an ein Spannungsmeßgerät
95 angeschlossen. Nähert man in axialer Richtung dem Eisenkern einen Stab-
Kirchhoff:
"Einrichtung zum Wandeln.
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magneten 91 so wird in der Spule eine Spannung induziert.
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Eine entgegengesetzte Spannung stellt sich bei der Entfernung des
Magneten ein. Die eingezeichneten Feldlinien tassen erkennen, daß die Spule durch
einen sich verändernden Fluß geschnitten wird. Diese Erscheinung ist nichts Neues
und nichts Überraschendes. Wiederholt man jedoch das Experiment, in dem man dem
Eisenkern 92 einen Weicheisentopf 93 zuordnet, so daß die Spule in dem verbletbenden
Ringspalt liegt, so stellt sich eine weitaus höhere induzierte Spannung ein. Die
Fig. 20 zeigt den Versuchsaufbau in Entfernung des Magneten zum Spulen/Kern-System,
die Fig. 21 in größter Näherung des Magneten zum Spulen/Kern-System.
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Aus d i e s e m Versuch leitet sich eine bedeutsame Lehre für die
vorliegende Erfindung ab: Die eingezelchneten Feldlinien in der Fig. 20 versinnbildlichen,
daß einige Feldlinien aus dem permanenten Magneten 91 durch den zentralen Wetcheisenkern
absorbiert werden, wodurch sich am äußeren Rand des Topfes 93 ein schwacher Magnetpol
ausbildet. Die übrigen Feldlinien, die aus dem Nordpol des Stabmagneten austreten,
nehmen gleich einen Verlauf zum Südpol, ohne die Spule zu erreichen. In größter
Näherung des Stabmagneten zum Spulen/Kern-System verlagert sich der Nordpol aus
dem Stabmagneten wle bei den be-
Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln..."
kannten Topfmagneten zur entferntesten Kante des Topfes.
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Dort tritt der magnetische Fluß aus und richtet sich sofort auf den
Südpol des Stabmagneten aus, von Streuflüssen einmal abgesehen. In dieser Position
nach Fig. 21 wird die Induktionsspule von Feldlinien überhaupt nicht mehr geschnitten.
In der Stellung nach Fig. 20 tritt, wenn überhaupt, nur eine unbedeutende Schneidung
auf. Was dagegen gewaltig geandert wird, ist die Durchflutung in dem der Spule benachbarten
Eisenteilen, wie Kern 92 und Topf 93. BedeRsam ist also für diesen Induktionsvorgang
- ähnlich wie die Ursache der Induktion in Sekundarspulen von Transformatoren -
die Änderung der Durchflutung im der Spule benachbarten Eisenkern. I Hieraus leitet
sich ab, die Kerne um dieInduktionsspulen, wie in den Fig. 8 bis 18 dargestellt,
zu gestalten. Es kommt bei der vorgesehenen konstruktiven Lösung weitaus mehr darauf
an, die Durchflutung in den den Spulen benachbarten Eisenkernen schnellstens zu
andern als die Spulen selbst durch das magnetische Feld zu schneiden.
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Die Erfindung berücksichtigt diese Erscheinung, in dem sie die Polplatten
zwischen den Erregermagneten, konstruktiv noch in vertretbaren Abstand bringt und
die aber notwendige hohe magnetische Energie aus axial magnetisierten Erregermagneten
mit großen Stirnflächen und kleinen Bauhöhen zieht.
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Kirchhoff: "Einrichtung zum Wandeln..." Entsprechend müssen auch die
Spulen nur eine geringe axiale Bauhöhe haben, damit die Fiihne des die Spulen umgebenden
Kernes dicht beieinander liegen. Maximatwerte entstehen beim Öffnen und Schließen
des magnetischen Kreises, wenn dte Coulomb 'schen Kräfte am höchsten sind. Unter
diesen Bedingungen treten bei der relativen Verschiebung von Erregersystem und Induktionssystem
mehrfach höchste magnetische Rastkretfte auf. Und nur in der Nähe hoher magnetischer
Rastkrafte kann auch die Änderung der Durchflutungsgeschwindigkeit groß sein.
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Je größer die Luftspalte werden, desto kleiner werden die Rastkräfte.
Nach der Lehre der japanischen Veröffentlichung sind die Rastkräfte auch gering
bei der magnetischen Feldwtrkung zwischen Erregermaqneten und den Spulen.
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Die Anwendung der Erfindung beschrankt sich jedoch nicht auf axial
arbeitende Systeme zum Pumpen und omprimieren, oder auf Systeme zur axialen Induktion
von elektrischer Energie.
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Es können auch rotierende Pumpen und Kompressoren, sowie rotierende
Generatoren nach dem konventionellen Prinzip der Dynamomaschinen oder nach beliebigem
unkonventionellen, wie beispielsweise Unipolar-Generatoren, an der Be7ugsscheibe
angeordnet werden. Die Rotationsbewegungen können durch in der Technik übliche Übersetzungen
von der hin- und hergehen-
Kirchhoff: ' Einri chtung zum Wandeln...."
den Arbeitsweise in die rotierende Bewegung hergestellt werden. Solche Systeme sind
beispielsweise von Drillsystemen der Handbohrmaschinen und Schraubenzieher bekannt.
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Ferner ist der klassische Kurbeltrieb von Dampfmaschinen eine solche
Übersetzung.
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Auch ist es möglich, die axiale Pumparbeit in eine rotierende Pumparbeit
zu transformieren, indem man die Flüssigkeit aus der Kolbenpumpe auf einen zusammen
mit der Ber<ugsscheibe umlaufenden Hydraulikmotor im internen Kreisprozeß führt.
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Damit werden quer zur Rotationszentrale rotierende Wellen vermieden.
Die von dem mitrotierenden Hydraulikmotor abgegebene Wellenlelstung kann mit Hilfe
von mechanischen Mitteln von der Einrichtung abgenommen werden. Solche mechanischen
Mittel sind beispielsweise Stirnradgetriebe in Kombination mit besonderen Hohlwellen.Solche
Hohlwellen könnten beispielsweise derart gebaut sein, daß eine Vollwelle in einer
Rohrwelle mit unterschiedlicher Geschwindigkeit läuft, wobei beiden Wellen unterschiedliche
Funktionen zugewiesen sind: die Vollwelle hat eine tragende Funktion, die Rohrwelle
eine ene rgi e transport i e re nde .
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Desgleichen liegt es im Rahmen der Erfindung, den Medienstrom der
Arbeitsmaschinen 30, gegebenenfalls über einen
Kirchhoff:" Einrichtung
zum Wandeln'..." Blasenspeicher, auf einen stationären Hydraulikmotor zu leiten.
Der Blasenspeicher hat die Aufgabe, die pulsierend anfallende Strömung zu glätten.
Ein solcher Hydraulikmotor kann dann beispielsweise für den Antrieb eines Generators
dienen.
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Es ist ferner möglich, die aus dem Kolbentrieb resultierenden Energiestöße
wechselnd aus dem rotierenden System in das stationäre herauszuleiten, um beispielsweise
Menbranpumpen anzutreiben. In einem solchen Fatt arbeitet die Einrichtung nicht
im klassischen Sinn als pumpendes Förderorgan, vielmehr als 1 mpulsübertrager.
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Eine vergletchbare Lösung läßt sich auch elektrisch erreichen, wenn
man die elektrische Energie aus dem rotierenden System in das stationäre hinausleitet
und sie nach Überführung in einen gut transformierbaren Zustand über ein Transformatorsystem
abnimmt.
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In mehreren Fig. ist durch Klammerbezeichnungen 40 (30,50, 80,88)
angezeigt, daß verschiedenartige Arbeits- und Generatorensysteme Verwendung finden
können. Die Pumpsysteme können sowohl für flüssige Medien als auch für gasförmige
Medien Anwendung finden. Bei der Förderung von aus der Umgebung angesaugter Luft
kann die Hohlwelle einwegig ausgcführt sein.
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Versuche an einem Funktionsmodell lassen einen extrem hohen Wirkungsgrad
erwarten.
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Positionszahlen-Verzeichnis 10er-Gruppe: Scheiben 10 Treiberscheibe
11 Bezugsscheibe 12 Scheibenfläche von 10 (Treiberschetbe) 13 Scheibenflrche von
11 (Bezugsscheibe) 14 Treiberscheibe (Mehrscheibensystem) 15 Bezugsscheibe (Mehrschetbensystem)
20er-Gruppe: Gelenkwelle 20 Gelenkwelle 21 Vollwelle 22 Hohlwelle 23 qrehdichtungen
24 Saugstutzen 25 Druckstutzen 30er-Gruppe : Arbeitsmaschinen 30 Arbeitsmaschinen
31 Kolben 32 Arbeitsstnge 33 Doppelgelenkverbtndung 34 Lager für Arbeitsstange 35
Treiberscheibenarm 40er-Gruppe: Kolbenpumpen 40 Kolbenpumpe
50er-Gruppe:
rotierende Arbeitsmaschinen, Rotationspumpen 50 rotierende Arbeitsmaschinen 70er-Gruppe:
Grundrahmen und Lager 70 Grundrahmen 71 mittiger Lagerbock 72 Lager 73 Umfangslager
74 Außenlagerbock 80er Gruppe: Generatorenteile 80 Axt al -Generator 81 Gehause
82 Erregersystem 83 Erregermagnet 84 Polplatten 85 Magnetträger 86 Induktionsspulen
87 Eisenkern 88 rotierende Generatoren 90er-Gruppe: Versuchsgerät 90 Versuchsgerät
91 Stabmagnet 92 Weicheisenkern 93 Weichei sentopf 94 Spule 95 Meßgerät
Po
Bezugspunkt auf der Treiberscheibe u P B#zugspunckt kt aut der Bezugsschelebe In
größter Entfernung von Po P> Bezugspunkt auf der Bezugsschelbe in größter Nähezu
F
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