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Magnetischer Antrieb oder Stelltrieb
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Die Erfindung betrifft einen Antrieb oder Stelltrieb mit einem mit
Magnetpolen auf seiner Wirkfläche besetzten Stator, in dessen Magnetfeld ein mit
ferromagnetischen Flußleitstücken und/oder einem Kurzschlußkäfig und/oder Dauer
magneten und/oder Hysteresematerialien besetzter Läufer beweglich gelagert ist.
Die Begriffe "Stator" und "Läufer" sind dabei vertauschbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb oder Stelltrieb
zu entwickeln, der auf eine neuartige Weise Wärmeenergie in kinetische Energie umwandelt.
Dabei soll es möglich sein, durch Verwendung von Abfallwärme, z.B. der Abgaswärme
von Verbrennungsmotoren, preiswerte oder sogar kostenlose Energie zur Speisung des
Antriebs-oder Stelltriebs einzusetzen.
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Der Begriff "Antrieb" umfaßt Drehantriebe, Linearantriebe, Positionierantriebe
und Hubtriebe. Der Begriff "Stelltrieb" umfaßt hin-und herbewegliche Betätigungsvorrichtungen
für Ventile, Schieber, Schalter o. dgl..
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Der Antrieb oder Stelltrieb besteht aus jeweils einem stationären
Teil, dem Stator, der bei Drehantrieben kreisrunden Querschnitt und bei Linearantrieben
einen langgestreckten Querschnitt hat -praktisch eine Abwicklung des Stators für
Drehantriebe- sowie aus einem innerhalb des Magnetfeldes des Stators angeordneten
beweglichen Teil, dem Läufer, der bei Drehantrieben Rotor genannt wird, und bei
Linearantrieben parallel zur Wirkfläche des Stators lineargeweglich ist.
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Bekannte Dreh- oder Linearantriebe oder Stelltriebe werden elektromagnetisch
betätigt. Die Erreger- bzw. Betätigungsspulen können entweder durch Gleichstrom
oder durch Wechselstrom gespeist sein.
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Bei Antrieben wird durch mehrere elektrische Spulen ein Wander-oder
Drehfeld erzeugt, welches den Sekundärteil in eine lineare Bewegung oder in Drehung
versetzt. Bei Stelltrieben kann ein herrschendes Dauermagnetfeld durch Beaufschlagung
eines Elektromagneten gestärkt oder geschwächt und damit das Stellglied aus einer
in die andere Endlage bewegt werden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird nun bei einem Antrieb oder
Stelltrieb der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im
Stator eng benachbart angeordnete Dauermagnete alternativ mit Heiz- und ggf. mit
Kühlmitteln versehen sind.
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Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß die magnetischen
Eigenschaften eines Dauermagneten temperaturabhängig sind. Die magnetische Induktion
f ällt mit ansteigender Temperatur gegenüber Raumtemperatur bis zur Curie-Temperatur
fortlaufend ab. Unterhalb Curietemperatur ist dieser Vorgang reversibel, d. h. bei
Temperaturabsenkung erreicht der Dauermagnet bei linearer Kennlinie im Arbeitsbereich
exakt die ursprünglichen Werte der magnetischen Induktion.
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Die physikalische Gegebenheit der Temperaturabhängigkeit der Dauermagnete
wird bei der Erfindung in der Weise für einen Antrieb oder Stelltrieb nutzbar gemacht,
daß der mit dem Läufer gerade in Eingriff oder in Wirkstellung befindliche Dauermagnet
erwärmt wird.
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Dadurch wird sein Magnetfeld geschwächt und der Läufer wird von einem
zu dem erwärmten Magneten benachbarten oder gegenüberliefenden Magneten angezogen.
Dadurch entsteht das Bewegungsmoment. Die Erwärmung des jeweils in Eingriff befindlichen
Magneten
im Stator wird dabei so gesteuert, daß er auf eine Temperatur
gebracht wird, bei der sein Magnetfeld gerade soweit geschwächt wird, daß das Magnetfeld
des benachbarten oder gegenüberliegenden Magneten ausreicht, um den Läufermagneten
anzuziehen. Entweder läßt man den erwärmten Magneten dann von allein an der Umgebung
abkühlen, oder man mobilisiert einen zweiten Kühlkreislauf und kühlt ihn indirekt
durch Kühlmittel durchströmte Kanäle, die entweder im Magneten selbst vorgesehen
sind, d. h. diskrete Kanäle in porösem Dauermagnetmaterial oder eine Vielzahl kleinster
Kühlkanäle, oder in benachbarten Teilen, wie nichtmagnetischen Zwischenstücken,
Wärme is olier scheiben, Eisenpolstücken oder Kühlkanälen.
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Die Erwärmung erfolgt sequentiell, d. h. aufeinanderfolgende Magnete
werden nacheinander erwärmt. Demzufolge wird der Läufermagnet immer wieder von einem
anderen Magneten im Läufer angezogen, wodurch periodisch ein Bewegungsmoment erzeugt
wird. Die Schnelligkeit, mit der die Magnete erwärmt und wieder gekühlt werden,
bestimmt die Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit oder Hubgeschwindigkeit des Läufers.
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Am besten geeignet sind Dauermagnete, deren Arbeitspunkte im Bereich
der Scherung im II. Quadranten auf einer Geraden liegen, weil hierdurch praktisch
keine partiellen irreversiblen Entmagnetisierungen des Dauermagneten auftreten.
Magnete mit einer derartigen Kennlinie sind z. B. Seltenerden-Dauermagnetlegierungen
oder u. a.
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eine Vielzahl keramischer Dauermagnete (Hartferrite).
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Da bei der praktischen Anwendung für die Erwärmung und nachfolgende
Abkühlung der Dauermagnete eine endliche Zeit benötigt wird, wird die erzielbare
Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Läufers abhängig sein von dem Oberflächen-/Volumenverhältnis
des zu erwärmenden/ abzukühlenden Magneten und von der spezifischen Wärme und der
Wärmeleitfähigkeit.
Entscheidend ist jedoch nicht die Drehzahl sondern das Drehmoment, wobei geeignete
Zwischengetriebe eine große Variationsbreite hinsichtlich der Geschwindigkeit/Drehzahl
schaffen.
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Die Erwärmung der Dauermagnete kann in vielfältiger Weise erfolgen.
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So können beispielsweise elektrische Heizdrähte in den Dauermagneten
eingelegt sein, die bei Stromdurchfluß den jeweiligen Dauermagneten auf Temperatur
bringen. Eine andere Möglichkeit ist die der indirekten Beheizung durch ein Heizmedium,
z. B. heiße Verbrennungsabgase, das durch Kanäle oder durchgehende Poren im Magneten
oder in Teilen, die an ihn angrenzen, wie nichtmagnetische Zwischenstücke oder Polstücke,
strömt. Auch ein direktes Bestreichen (Anblasen) des zu erwärmenden Dauermagneten
mit heißen Abgasen oder einem anderen Heizmedium ist möglich. Die für den Betrieb
des erfindungsgemäßen Antriebs bzw. Stelltriebs erforderliche Wärme könnte aus Abwärme
jeglicher Art von Industrieprozessen, aus Abgaswärme von Verbrennungsvorgängen sowie
aus Geo-Wärmedifferenzen (Luft, Wasser, Erde), ggf. zwischen Tag und Nacht, gewonnen
werden.
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Bei Sekundärteilen (z.B. Rotoren) wird eine eindeutige Bewegungsrichtung
(z.B. Drehung) automatisch dadurch festgelegt sein, daß der in Bewegungsrichtung
des Sekundärteils dem in Wirkstellung befindlichen erwärmten Magneten vorhergehende
noch warm ist, während der auf den in Wirkstellung befindlichen erwärmten Dauermagneten
folgende kalt ist. Der letztere wird daher das größte Magnetfeld erzeugen und den
Läufer in seinen Wirkbereich ziehen.
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Die bei Dauerbetrieb entstehenden magnetischen Verluste, die durch
die nicht exakte Linearität der Entmagnetisierungskurve des Magneten begründet sind,
können durch Aufmagnetisieren nach einer bestimmten Betriebsperiode kompensiert
werden.
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Denkbare Anwendungen sind Fördersysteme für durch Solarenergie aufgeheiztes
Wasser, Direktbetrieb von Generatoren, Pumpen und Stellglieder jeglicher Art.
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Wegen der Vielzahl der denkbaren praktischen Anwendungsmöglichkeiten
werden exemplarisch mehrere Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend
erläutert.
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Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Drehantrieb in einer ersten Stellung
und Fig. 2 in einer zweiten Stellung.
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Fig. 3 zeigt im Längsschnitt einen Linearantrieb, Fig. 4 im Längsschnitt
einen Stelltrieb in einer Stellung und Fig. 5 in einer zweiten Stellung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Drehantrieb besteht aus dem Eisenrückschlußring
als Stator 1, an dessen Innenumfangsfläche eng benachbart die in Pfeilrichtung,
also radial magnetisierten Dauermagnete 2 in üblicher Weise befestigt sind. In der
Mittenöffnung des Stators 1 ist der Rotor 3 drehbar angeordnet. Zwischen Staor 1
und Rotor 3 verbleibt ein schmaler Luftspalt 4. Der ferromagnetische Teil 3a des
Rotors 3 ist gemäß Fig. 1 z.B. als neuer Reluktanzläufer ausgebildet.
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Durch die Dauermagnete 2 im Stator 1 wird der ferromagnetische Teil
3a des Rotors 3 in der durch Buchstaben N, S gekennzeichneten Weise magnetisiert.
Ohne weitere Maßnahmen würde eine Bewegung des Rotors 3 gegenüber dem Staor 1 aus
seiner in Fig. 1 dargestellten stabilen Lage nicht stattfinden.
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Erfindungsgemäß werden nun durch geeignete Heizmittel die in Fig.
1 in Wirkstellung mit dem ferromagnetischen Teil 3a des Rotors befindlichen Dauermagnete
2 erwärmt. Um eine Ableitung der Wärme in benachbarte Dauermagnete zu vermeiden,
sind zwischen den Dauermagneten 2 im Stator 1 Wärmeisolierplättchen 5 angeordnet.
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Infolge der Erwärmung wird die Induktion verringert. Die zu den erwärmen
Dauermagneten 2a benachbarten Dauermagnete 2b, die noch kalt sind, ziehen aufgrund
ihres gegenüber dem der erwärmten Dauermagnete 2a stärkeren Magnetfeldes den ferromagnetischen
Teil 3a stärker an als die erwärmten Dauermagnete 2a. Dadurch entsteht ein Drehmoment
auf den Rotor 3, der aufgrund seiner freien axialen Drehbeweglichkeit in Pfeilrichtung
6 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung dreht.
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Durch Erwärmen der Dauermagnete 2 im Stator 1 in den geschilderten
Weise fortlaufend nacheinander wird der Rotor 3 periodisch jeweils um eine Polteilung
in Pfeilrichtung 6 weitergedreht. Die Drehrichtung in Pfeilrichtung 6 ist dadurch
vorgegeben, daß der den erwärmten Dauermagneten 2a jeweils vorhergehende Dauermagnet
2c von der vorherigen Erwärmungstemperatur noch nicht vollständig abgekühlt ist,
so daß das Magnetfeld der Dauermagnete 2c schwächer ist als das der nachfolgenden
Magnete 2b. Die Drehrichtung kann aber auch durch Anschrägen der Polflächen des
ferromagnetischen Teils 3a im Rotor 3 erzwungen werden. Eine solche Anschrägung
ist in Fig. 1 strichpunktiert am Nordpol angedeutet.
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Fig. 3 zeigt die Abwicklung eines Antriebqgem Fig. 1 zur Verwendung
als Linear- oder Hubantrieb. Gleiche Teile sind in den beiden Abbildungen mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Fig. 4 zeigt einen Stellantrieb als Hubantrieb. 10 ist der topfförmige
Weicheisenrückschluß, der an seiner offenen Seite durch einen Deckel 11 geschlossen
ist. Im Boden 12 des Topfes 10 und im Deckel 11 ist je ein Ringmagnet 13a, 13b angeordnet,
z.B. angeklebt. Der axial durch das Gehäuse 10 hindurchgeführte . Stößel 14 trägt
einen ferromagnetischen Ring 15.
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Aus der in Fig. 4 dargestellten einen Endstellung gelangt der Stößel
14 in die andere in Fig. 5 dargestellte Endstellung, wenn der Dauermagnet 13a erwärmt
und seine Magnetkraft dadurch geschwächt wird.
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Sobald die Anziehungskraft des anderen kalten Magneten 13b die Haftkraft
des erwärmten Magneten 13a übertrifft, zieht der Magnet 13b den ferromagnetischen
Anker 15 an und bringt dadurch den Stößel in die andere in Fig. 5 gezeigte Endstellung.
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