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ENERGIEWANDLER MIT MAGNETKERNZWISCHENSPEICHER
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Die Erfindung verwertet den seit mehreren Jahrzehnten bekannten, aber
energietechnisch bisher nicht genutzten Sachverhalt, daß die in magnetischen Werkstoffen
speicherbare Energie erheblich größer ist als der notwendige Energiebedarf beim
Auf- oder Ummagnetisieren, um vorbenannten Speichervorgang auszulösen.
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Ein wesentlicher Grund für die bisherige Nichtverwertung vorstehenden
Effekts im Bereich der Energietechnik ' scheint eine irreführende Definition der
Hystereseverluste für hartmagnetische Werkstoffe zu sein. Zu ihrer Ermittlung ist
es üblich, die von der B-H-Ummagnetisierungskurve eingeschlossene Fläche gemäß +
H dß auszuplanimetrieren. Einem mit einer Aussteuerungsinduktion von 400 mT ummegnetisierten
Bariumferritmagnet 300K (Fig.1 zeigt dessen Kennlinien) werden nach vorstehendem
Verfahren Wechselhystereseverluste von 2 etwa 0,05 Ws/cm3 , also einer Magnetplatte
mit A =100 cm Fläche und m 1m =1 cm Dicke 5 Watt Verluste pro Zyklus zugeordnet.
Unter Vorgabe einer Impulsmagnetisierzeit von 0,1 ms, die bei vorgenanntem Werkstoff
gebräuchlich ist, und einer Ummagnetisierfeldstärke H= 160 kA/m für eine Aussteuerungsinduktion
von400 mT sind 10 000 Impulse pro Sekunde und somit eine Ummagnetisierungsfrequenz
von 5000 Hz möglich. Hierbei müßten nach bisher üblichen Theorien in vorbenanntem
Ferritmagnetkern 25 kW Verluste auftreten. Dies widerspricht praktischen Erfahrungen.
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Der Energiebedarf für einen Ummagnetisierimpuls beträgt unter Einsatz
einer Aufmagnetisierspule mit kleinem Widerstand als eingängige Sekundärwicklung
eines Impulsmagnetisiertransformators etwa 25 mWs. 10 000 Impulse pro Sekunde erfordern
somit eine Leistungszufuhr von 0,25 kW, also einem Hundertstel der hierbei angeblich
entstehenden Hystereseverluste. Nach jedem Impuls ist der Energieinhalt in der Schleife
des Magnetkerns voll vorhanden.
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Die Schleife selbst hat ihre Form nicht verändert. Nur die remanente
Induktion ist vom Positiven ins Negative oder umgekehrt umgelegt und damit die Flußrichtung
kommutiert worden.
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Der "Umschlag" (Fachausdruck der EDV-Techniker) der Magnetisierung
von der positiven zur negativen Remanenz ist das Grundprinzip der Ferritkernspeichertechnik
in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen. In der zugehörigen Theorie interessiert
man sich für kleinstmögliche Schaltzeiten und die zur Auslösung des Schaltvorgangs
notwendigen, möglichst kleinen Feldstärken. Über Hystereseverluste spricht man nicht,
offensichtlich, weil sie entgegen den
bisherigen Theorien der Energietechniker
bei einem derartigen "Umschlagen" der Remanenzinduktionen nicht auftreten.
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Fassen wir kurz den Stand heutiger Erkenntnisse zusammen: »> Die
notwendige Energie zum Auf- oder Ummmagnetisieren eines magnetischen Kernspeichers
ist erheblich kleiner als der hernach im Dauermagnet meßbare Energieinhalt gemäß
0 H dB bzw. (BH)max »> Die nach bisherigen Theorien der Energietechnik zu erwartenden
Wechselhystereseverluste betragen ein Mehrfaches der zwecks Ummagnetisieren tatsächlich
zugeführten elektrischen Energie. Die Theorie stimmt weder mit dem Energieerhaltungsgesetz
noch experimentellen Erfahrungen überein.
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»> Das Umschlagen der Remanenz wird in der EDV-Kernspeichertechnik
als ein Schaltvorgang betrachtet, durch den die Elektronenspinzustände mit positiver
Remanenz zum Zeitpunkt t1 in einen spiegelbildlichen, gleich stabilen Zustand mit
negativer Remanenz zum Zeitpunkt t2 gekippt werden.
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»> Schaltvorgänge mit geringer Impulsenergie zwecks Einflußnahme
z.B. auf die Beweglichkeit von Elektronen gehören bei elektrischen Halbleitern zum
Stand der Technik. Es gibt keinen physikalischen Grund, der gegen eine ähnliche
Technik bei magnetischen Halbleitern spricht.
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»> Die herkömmliche Physik kennt bisher nur die realen Komponenten
von Elektrizität, Magnetismus und Gravitation. Um zwischen vorgenannten Größen Wechselwirkungen
in Form von Schwingungen und Wirbeln beschreiben zu können, bedarf es jedoch komplexer
Größen. Nach neueren Theorien müssen in unserem Weltraum auch imaginäre Größen als
vorhanden angenommen werden, aus den unter bestimmten Voraussetzungen eine Transformation
in uns bekannte Energieformen möglich ist.
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»> Nach vorstehender Hyperenergie-Theorie versteht man unter Ferromagnetismus
die Ausrichtung unpaarer Elektronen (es sind kleine Hyperraumwirbel) um damit ein
resultierendes magnetisches Vektorfeld zu etablieren.
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»> Bei dieser Ausrichtung sind die spiegelbildlichen Spinachsenlagen
mit positiver oder negativer Remanenz gleichwertig, stabil und real. Ähnlich wie
bei elektronischen Halbleitern genügt bei ferromagnetischen Halbleitern ein Impuls
mit geringer Energie zum Umschlagen.
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»> Apparate und Maschinen, die den Hyperraum als Energiequelle
nutzen, sind keine perpetuum mobiles, sondern Energiewandler im herkömmlichen Sinn.
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»> Die dem Hyperraum entnommene Energie wird in gleicher Menge,
letztendlich in Wärmestrahlung gewandelt, an den Hyperraum zurückgegeben.
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»> Das Entropiegesetz, das für Energiewandlungs-Kreisprozesses
das Vorhandensein zweier Speicher voraussetzt, wird eingehalten. Der erste, vermutlich
für uns Menschen unerschöpfliche Speicher ist der Hyperraum, der zweite Speicher
und zugleich Wandler in herkömmliche Energieformen ein Magnetkern.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Verwertung der in einem Magnetkern
zwischengespeicherten Energie für technische Zwecke durch Wandlung in Elektroenergie
oder mechanische Arbeit. Die Impulsmagnetisierung ist hierbei im übertragenen Sinn
als eine Art Ventilsteuerung zwischen dem äußeren Hyperraumenergiespeicher und dem
Magnetkernzwischenspeicher zu verstehen.
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Hierbei spielt das Verhältnis Impulsdauer tp zur Zeitdauer einer halben
Zyklusperiode z /2 eine ausschlaggebende Rolle. Die reziproke Größe wird in der
EDV-Kernspeichertechnik als Tastverhältnis v= Pulsfrequenzdauer tf zur Impulsdauer
t definiert.
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0 Der Fall tp = tz/2 , dem in der Elektrotechnik z.B. die sinusförmige
Feldverkettung von Primär- und Sekundärwicklung bei Transformatoren oder elektrischen
Maschinen entspricht, erfordert eine um die inneren Verluste größere primärseitige
Energiezufuhr, als sekundärseitig abgegeben werden kann. Der Wandlerwirkungsgrad
muß kleiner Eins sein.
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Der Fall t < t /2 setzt, um einen Nachwirkungseffekt zu erzielen,
im Gegenp z satz zu tp = tz/2 den Einsatz von magnetisierbarem Material mit Speichereigenschafters,
also mit ausgeprägten Hystereseschleifen voraus. Hierfür gibt es in der Signalverarbeitungs-
und EDV-Technik eine Vielfalt geeigneter Werkstoffe. Sie wurden vor einiger Zeit
in großer Menge für Ferritringkerne in Speichermatrixrahmen eingesetzt. Die Anforderungen
der Datentechnik an Magnetkernspeicher sind andere als ån Speicher für die Energietechnik.
Es soll mit einem Minimum an Feldstärke der Umschlag von der positiven Remanenz
(Informationsinhalt "Eins") zur negativen Remanenz (Informationsinhalt "Null") erfolgen.
Für die Energietechnik, bei der aus einem Magnetkern möglichst viel Leistung als
Produkt aus Strom und Spannung herausgeholt werden soll, ist hingegen eine erheblich
größere Feldstärke für den Umschlag der Remanenzinduktion notwendig. Die Koerzitivfeldstärke
des Magnetkernmaterials gibt die Größenordnung der zulässigen Gegendurchflutung
und somit des zwecks Energieentzugs zulässigen Strom vor, indessen der beim Umschlag
oder Kommutieren entstehende Induktionshub die induzierbare Spannung bestimmt. Das
Produkt aus Strom und Spannung soll größtmöglich sein. Für einen Energie-Magnetkernspeicher
wird somit ein Material benötigt, dessen von der Ummagnetisierungskurve umschlossene
Hysteresefläche möglichst groß ist.
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Ähnlich wie in der EDV-Technik besteht in der Energietechnik zugleich
auch der Wunsch nach nicht allzugroßen Impulsfeldstärken für den Kommutierungsvorgang.
Ein schlanke Hysteresschleife mit großen Remanenzinduktionen bei nicht allzu großen
Koerzitivfeldstärken wäre somit vorteilhafter als die von heutigen Ferritmagneten
auf der Basis (MeO) 6 FeO3 mit Me= Ba,Sr,Pb. In Ermangelung von Besserem sind beim
Einbau gegenwärtig verfügbarer
Ferritmagnetplatten in weichmagnetische
Systeme deren magnetische Länge 1 m klein zu halten. Der Strom für die .Impulsmagnetisierung
ist etwa lm proportional. Der Querschnitt der Magnetplatte ist hingegen möglichst
groß zu wählen. Der aus ihm austretende Fluß ist durch ferromagnetische Leitstücke
auf wesentlich höhere Induktionen zu bringen. Dies dürfte auf längere Sicht jedoch
nur eine Übergangslösung sein. Hartmagnetische Ferrite werden z.Zt.
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vornehmlich in statischen Systemen eingesetzt. Ein Bedarf für dynamisch
arbeitende Energie-Magnetkernspeicher lag bisher nicht vor. Gezielte Neu- und Weiterentwicklungen
in vorbezeichneter Richtung sind sehr wahrscheinlich.
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Die in der EDV-Technik verwendeten Verfahren zum Speichern und Abfragen
von positiver oder negativer Remanenz im Magnetkernspeicher lassen sich für die
Energietechnik nicht übernehmen. Somit galt es hierfür eine neuartige, erfinderische
Lösung zu finden. Sie besteht vornehmlich darin, daß dem Magnetkernspeicher zwei
unterschiedliche Kreise zugeordnet werden, einer, über den mit geringstmöglicher
magnetischer Trägheit der Kommutierungsvorgang im Speicher bewirkt wird, und ein
zweiter, der sich gegen den Ummagnetisierungsimpuls mit Hilfe seiner relativ hohen
Induktivität zunächst selbsttätig abschirmt, hernach aber nicht umhinkommt, sich
den kommutierten Durchflutungs- und Flußrichtungen im Magnetkernspeicher unter Erzeugung
von Strom und Spannung anzupassen. Zwecks MOptimierung des Energiewandlerprozesses
z.B. mit Hilfe von Abstimmung auf Resonanz, empfiehlt sich eine Einflußnahme auf
die Zeitkonstante t4 des Impulsmagnetisierkreises und 82 des Arbeitskreises durch
Zuordnung von Kapazitäten C1 und C2 zu den Induktivitäten L1 und L2. Zur numerischen
Berechnung eignen sich bekannte Formeln für den Kommutierungsvorgang bei Gleichstrommaschinen
und Zwangskommutierung bei elektronischen Umrichtern.
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Zur Veranschaulichung sind einige Beispiele für derartige Energiewandler
mit Magnetkernzwischenspeicher zeichnerisch dargestellt. Es zeigen: Fig.1 : Die
Magnetisierungskurve und innere Schleife eines Magnetkernspeichers Fig.2 : Das Prinzip
eines Energiewandlers mit Impulsmagnetisier- und Arbeitkreis Fig.3 : Einen ruhenden
Energiewandler in EI-Trafokernbauweise Fig.4 : Eine umlaufende elektrische Maschine
mit Käfigläufer Fig.5 : Das äußere, elektrische Prinzipschaltbild zu Fig.4 Fig.6
: Eine für höhere Frequenzen geeignete, umlaufende elektrische Maschine nach dem
Prinzip der Mittelfrequenz-Reluktanzmaschinen.
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Auf Fig.1 kennzeichnet 1 die Neukurve beim erstmaligen Aufmagnetisieren
einesDauermagneten. Als Beispiel wurde ein Bariumferrit 300 K- Material nach einschlägigen
wissenschaftlichen Veröffentlichungen der Hersteller gewählt. Mit 2 ist die komplette
Ummagnetisierschleife, wie sie bei statischem Dauermagneteinsatz genutzt wird, bezeichnet,
wobei B und BHC typische Kennwerte r BHc sind. Ähnlich wie bei der dynamischen Anwendung
von Hartmagneten z.B. für Hysteresemotoren empfiehlt sich in unserem Fall das Arbeiten
auf einer inneren Rayleigh-Schleife 3. Unter der Annahme eines ausgeglichenen Zustandes
mit dm/dt=0 und eines vernachlässigbar kleinen äußeren, resultierenden magnetischen
Widerstandes soll der Ausgangspunkt für einen Zyklus bei der Remanenz der inneren
Schleife bei 4 liegen. Es erfolgt ein abmagnetisierender Stromimpuls mit der Feldstärke
HIA. Entsprechend den Pfeilen auf der Schleife 3 kehrt sich mit ansteigender Impulsfeldstärke
die Induktionsrichtung im Magnetkern um und erreicht bei 5 seinen negativen Höchstwert.
Dieser Punkt ist nicht stabil. Nach Abklingen der Impulsfeldstärke geht die Induktion
im unteren Teil der inneren Schleife auf Punkt 6 der negativen Remanenz.
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Der Vorgang soll sich mit hoher Dynamik im magnetischen Impulskreis
abspielen. Was die Spule oder das mechanische System im benachbarten Arbeitskreis
hiervon überwiegend bemerkt, ist der Umstand, daß der Magnetkern umgepolt worden
ist, und der magnetische Fluß urplötzlich eine andere Richtung als zuvor hat. Diese,
durch den Pfeil 7-gekennzeichnete Induktions- und Flußrichtungsumkehr muß vom Spulen-
oder magnetomechanischen System unter Bildung einer eignen, möglichst großflächigen
inneren Schleife abgearbeitet werden. Diese Schleife wird aus dem der Magnetkern-Feldänderung
sich widersetzenden Spulenfeldstärke H2 und der hierbei im Spuleninneren anstehenden
Induktion B2 gebildet. Da die Spulenfeldstärke H2 die Folge des Spulenstroms I2
ist, ferner die induzierte Spannung U2"' dB2/dt ist, ist die Fläche 8 gemäß dem
Umlaufintegral f H2*dB2 einer elektrischen Arbeit als Produkt aus Strom, Spannung
und Zeit proportional.
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Wie bei einem Carnotschen Wärmekreisprozeß kann nur ein Teil des durch
die Fläche 9 gekennzeichneten Gesamtenergievorrats des Magnetkernzwischenspeichers
in eine andere Energieform gewandelt werden. Welcher maximale Nutzungs- oder Wirkungsgrad
hierbei erreicht wird, hängt bei einem derartigen Wandler von einer Vielzahl von
Randbedingungen, insbesondere dem Verhältnis Impulszeit zur halben Dauer eines gesamten
Zyklus' und von den durch Kondensatorbeschaltung beeinflußbaren Zeitkonstanten Txund%Lab.
und ab. Wenn in Anlehnung an bisherige Wechselhysteresetheorien (siehe anfangs)
in eine 500 g schwere Ferritmagnetplatte bei einer Zyklenfrequenz von 5000 Hz etwa
25 kW "hineinfließen", so ergibt sich bei einem angenommenen Wandlerwirkungsgrad
von 20% als sekundär entnommen eine Leistung von 5 kW.
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Die zweite Hälfte des Ummagnetisierungszyklus';tâusvgelöst in Fig.1
durch die Impulsfeldstärke HIB, verläuft spiegelbildlich zur ersten und bedarf keiner
weiteren Erläuterungen. Erst nach Erreichen des Zyklenausgangspunkts 4 schließen
sich die Schleifen um den Energieinhalt des Magnetkernspeichers und den Anteil,
der in elektrische oder mechanische Arbeit gewandelt wurde.
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Fig.2 zeigt das Prinzip und die einfachste konstruktive Gestaltung
eines Ferritmagnetwandlers. Mit 10 ist ein großflächiger, dafür kurzer Ferritmagnet
bezeichnet. Er ist in einen weichmagnetischen Transformator-U-Schenkel 11 eingeklemmt.
Ein Großteil seines Flusses .ihm schließt sich über den geschlossenen Schenkel geringsten
magnetischen Widerstandes, und ist über 362 mit der Arbeitsspule 12 und deren relativ
hoher. Induktivität L2 verknüpft. Der im Stationären unerwünschte Streufluß 6 in
Fig.2 nach links wird mit Hilfe eines Hilfsluftspaltes 13 auf einen kleinen Wert,
hier als Beispiel auf 20% von begrenzt. Über diesen Teil des Schenkels sitzt die
Impulsmagnetisierspule 14.
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Deren maximale Impulsdurchflutung wird durch die angestrebte innere
Rayleigh-Schleife für den Wandlerzyklus und die Reihenschaltung der magnetischen
Widerstände des Dauermagneten 10 und des Hilfsluftspaltes 13 bestimmt.
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Die Bemessung des Hilfsluftspaltes 13 hat Auswirkungen sowohl auf
die stationäre Flußverteilung, als auch auf die notwendige Impulsenergie, ist somit
eine Optimierungsaufgabe und von mehreren äußeren Parametern abhängig.
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Fig.2 zeigt den stationären Zustand des gesamten magnetischen Systems
ohne Strom in einer der beiden Spulen. Wird nunmehr auf Spule 14 ein hoher Impulsstrom
aufgeschaltet, so kehren sich in kurzer Zeit, weil keine nennenswerten Induktivitäten
im linken Schenkel und im Dauermagnet entgegenstehen, die Flußrichtungen um. Aus
der Sicht moderner physikalischer Theorien ist eine Art Kippvorgang von einer energetisch
bevorzugten stabilen Anordnung von Spinelektronen im Ferritmagnetspeicher in die
spiegelbildlich gegenüberliegende andere stabile Anordnung erfolgt. Der Auslöser
zum ,,Kippen" war ähnlich wie bei elektronischen Halbleitern ein kurzer Impuls mit
wenigen mWs Bedarf an Energie.
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Der im Magnetkern kommutierte magnetische Fluß versucht sich in Bereiche
mit geringstmöglichem magnetischen Widerstand auszubreiten. Das verwehrt ihm zunächst
die Induktivität L2 der Spule 12. Das Verharrenmüssen als Streufluß ffi in dem linken
Schenkel von Fig.2 bedeutet eine erhebliche Scherung innerhalb der Ummagnetisierungskurve
3 auf Fig.1. Unmittelbar nach erfolgtem Ummagnetisierungsimpuls haben wir folglich
einen vornehmlich mit dem linken Schenkel verknüpften Dauermagnetfluß m auf erheblich
abgesenktem Induktionsniveau. Je nach Zeitkonstante t2 klingt in der Spule 12 der
Strom I2 ab. Erst wenn I2 praktisch Null ist, kann der Dauermagnetfluß den Weg über
den rechten Schenkel mit seinem geringen Widerstand voll nutzen. Wir haben
nrcKt~nurwdenwVorgang
einer Flußkommutierung im Magnetkernspeicher, sondern auch ein Wandern von dessen
Fluß zwischen linken und rechten Schenkel mit Bewegung des Arbeitspunktes auf der
Magnetisierungsschleife 3 in Fig.1 zu beachten. Dieser Hinweis ist für die Bemessung
der weichmagnetischen Rückschlußkreisehinsichtlich Querschnitte und Materialwahl
wichtig.
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Wie bereits dargelegt, ist unser herkömmlicher Transformator der Grenzfall
eines elektromagnetischen Energiewandlers mit gleicher Dauer für den primärseitigen
Auf- und Ummagnetisier- und sekundärseitigen Arbeitsvorgang. Die Vermutung liegt
nahe, daß für Magnetkernspeicherwandler mit kurzer, primärseitiger Impulsdauer bewährte
Transformatorbauweisen einsetzbar sind.
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Allerdings lassen sich genormte EI- und UI-Kerne kaum verwenden,
so lange wir von den Werkstoffeigenschaften heutiger Ferritmagnete auf der Basis
Memo.6 Fe203 abhängig sind. Seltenerde-Magnete und metallische AlNiCo- Legierungen
dürften wegen ihrer hohen Wirbelstromverluste, die quadratisch mit der Frequenz
ansteigen, zudem, weil sie zu teuere und strategischen Spekulationen unterliegende
Rohstoffe enthalten, kaum Eingang in eine solche Energiewandlertechnik finden.
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Fig.3 zeigt einen nach der bewährten Transformator-EI-Bauweise konstruierten
Wandler mit Geometrieanpassung an die Kennwerte heutiger Ferritmagnete mit Daten
ähnlich Fig.1. Mit 15 sind der B-Kern, mit 16 der zugehörige Schenkel und mit 17
der Hilfsluftspalt zur Streuflußminderung bezeichnet. 18 ist die den Innenkern umschließende
Impulsummagnetisierspule, 19 die Arbeitsspule, 20 und 21 zwei einander gegenüberstehende
Ferritmagnetplatten. Die Wirkungsweise ist mit der bei Fig. 2 beschriebenen identisch.
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Die Versorgung der Impulsmagnetisierspulen mit Energie kann entweder
aus einem fremden Netz oder unter Verwertung eines Teils der Sekundärkreisenergie
nach elektrischem Zwischenspeichern in einer Kondensator- oder Akkubatterie erfolgen.
Zwecks Vorgabe einer konstanten Frequenz wird der Impulsmagnetisierkreis fremd-
und zwangsgetaktet. Alternativ ist auch eine Rückkopplung des Impulsmagnetisierkreises
mit der Spannung des Sekundärkreises ausführbar, so daß der Energiewandler, beginnend
mit kleinen Rayleigh-Schleifen, niederer Frequenz und kleiner Spannung, ähnlich
einem selbsterregten Generator 1 sich selbsttätig auf sein maximales Leistungsvermögen,
welches frequenzproportional ist, hocharbeitet.
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Dem Transformator verwandt sind umlaufende Induktionsmotoren z.B.
mit Käfigläufer, siehe Fig.4. Hier bildet der aus Läuferstäben 22 und Kurzschlußringen
gebildete Läuferkäfig die Induktivität L2, die den Impulsmagnetisiervorgang derart
vom Läufer abschirmt, daß er sich allein im Ständer abspielt.
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Mit 23 sind die den vier gleichartigen Magnetkreisen-zugeordneten
Ferritmagnetplatten bezeichnet. Sie liegen außen am Joch 24 an. Die acht inneren
Flußleitstücke 25 sind unter Plattenmitte durch einen Luftspalt 26 getrennt, um
einen Kurzschluß des Dauermagnetflusses zu unterbinden. Maßgebendfür die jeweilige
Flußrichtung in den Dauermagneten ist die vorangegangene Impulsmagnetisierung. Sie
erfolgt zyklisch durch vier Impulsmagnetisierspulen 27. Deren Fluß schließt sich
in den Paketecken übers Außenjoch 24, benachbarte Dauermagnetplatten 23, deren innere
Flußleitstücke 25 und den beidseitigen Luftspalten 28, 29 im ferromagnetischen Impulsmagnetisierungs-Spulenträger
30.
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Die eingetragenen Polaritäten und Flußpfeile entsprechen zunächst
dem stromlosen Zustand im Ständer. Nunmehr wird z.B. in der Spule 29 ein der ursprünglichen
Flußrichtung entgegenwirkender Magn-etisierungsimpuls überlagert. Es erfolgt eine
Kommutierung der Flußrichtung.
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Fig.5 zeigt das Prinzipschaltbild einer 4-M-Elektronik mit antiparallelen
Thyristoren. Wie aus den Pfeilen zu den Strömen IA, Ig, IC ersichtlich, besteht
eine ausreichende Vielfalt zum Kommutieren der einzelner7 Dauermagnetständerfelder
zwecks Erzeugen eines umlaufenden Drehfelds in der Ständerbohrung, dem der Käfigläufer
mit Schlupf unter Abgabe von mechaniseher Arbeit an der Welle nacheilt. ähnliche,
oft mit Rechteckströmen arbeitende, umrichtergespeiste, drehzahlstellbare Antriebe
sind weltweit Stand der Technik. Sie epfordern bei Speisung von einem Drehstromnetz
zusätzlich zum motorseitigen Frequenzumrichter einen Gleichspannungszwischenkreis
zwecks Anpassung von Spannung an die Drehzahl, um konstante Flußdichten im Motor
zu gewährleisten. Sämtliche Leistungshalbleiter haben die der Motorabgabeleistung
zugeordnete elektrische Leistung weiterzuleiten und deren Ströme zu kommutieren.
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Bei der Anordnung gemäß Fig.4 und Fig.5 reduziert sich der Aufwand
für die Leistungselektronik gemäß dem geringen Energiebedarf der Impulsummagnetisierspulen
auf ein Bruchteil. Die Drehzahlstellung erfolgt lediglich über die elektronische
Impulsfolgesteuerung. Der Steuerfrequenz proportional ist die Leistung im Magnetkerrispeicher.
Sie wird partiell im Käfigläufer in mechanische, an der Welle abgreifbare Leistung
gewandelt. Es handelt sich um einen drehzahlstellbaren Antrieb mit konstantem Drehmoment
und Gleichfeldbremsung bis Stillstand. Die Übernahme der Magnetkernspeicherenergie
in den mit Induktivitäten behafteten Arbeitskreis des Käfigläufers erfolgt gemäß
der inneren Schleife um «f H2 dB2 in Figur 1. Stillstand ergibt sich aus dB2/dt
= 0, langsame Drehzahlen entstehen durch ein kleines dB2/dt und somit ein langsames
Abarbeiten der mit geringer Frequenz nachgeladenen Magnetkernspeicher. Die maximal
erreichbare Drehzahl eines Motors gemäß Fig.4 ist vorwiegend mechanisch begrenzt.
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Im Impulsummagnetisierkreis sind nach bisherigen Erkenntnissen Frequenzen
bis über 5000 Hz wirtschaftlich machbar. Zur Erzeugung der kurzen Impulse bedient
man sich einer der Transistor-Spulenzündung ähnlichen Anordnung aus der Kraftfahrzeugtechnik
mit dem wesentlichen Unterschied, das Primär- und Sekundärseite in der Zündspule
vertauscht sind, sekundärseitig also nicht eine Zündspannung von über 20 kV zwecks
Überschlag an den Zündkerzen, sondern ein kurzer Strom bis ins kA-Bereich an den
Impulsmagnetisierspulen ansteht.
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Auf die physikalische Ähnlichkeit zwischen dem Zünden eines Gemischs
durch einen Funken in einem Verbrennungsmotor und dem Aktivieren magnetischer Energie
in einem Magnetkernspeicher sei hingewiesen.
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Das spezifische Leistungsvermögen ' eines Energiewandlers mit Magnetkernzwischenspeicher
steigt proportional mit der Frequenz. Mit der heute üblichen 50 Hz- Netzfrequenz
beträgt die Leistungsausbeute eines Magnetkernwandlers nur ein Hundertstel des möglichen.
Höhere Frequenzen bei mechanisch begrenzter Drehzahl bedeuten bei Induktionsmotoren
Übergang auf hohe Polzahlen. 12-pelige Motoren für etwa 60 kW und Maximaldrehzahl
von 6000 min 1 sind Stand der Technik. Dem entspräche eine Speisung mit 600 Hz bei
Maximaldrehzahl. Ein solcher Motor könnte als schadstoffreier, keine fossiien Kraftstoffe
benötigender Kraftfahrzeugantrieb interessant sein.
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Um eine Impulsmagnetisierkreisfrequenz von 5000 Hz unmittelbar zum
Antrieb von Motoren bei noch technisch vernünftigen Drehzahlen nutzen zu können,
ist der - Übergang auf speziell bemessene Mittelfrequenzmaschinen erforderlich.
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Fig.6 zeigt einen Motor, der nach dem Reluktanz-Interferrenz-Prinzip
arbeitet, im Halbschnitt. Der Dauermagnetkreis des Ständers und die zugehörige Impulssteuerelektronik
entsprechen den von Fig.4 und Fig.5. Die Ständerflußleitstücke zur Bohrung haben
eine gleichmäßige Nutung 30. Die gegenüberliegende Nutung 31 des Läufers weicht
um eine oder mehrere Nuten von der des Ständers ab. Mit der Drehung des Läufers
wandert das Flußdichtemaximum im Luftspalt mit einem Vielfachen der Läufergeschwindigkeit,
mit der des Drehfelds um. Dessen Frequenz ist hierbei das Produkt aus Läuferzähnezahl
z2 und Drehzahl n. Hieraus ergibt sich für einen mit 5000 Hz bis n =6000 min betreibbaren
Interferrenzmotor eine Läuferzähnezahl z 2=50, was hinab bis zu einem kleinen Läuferdurchmesser
von etwa 50 mm fertigungstechnisch machbar ist. Hinsichtlich weiterer technischer
Einzelheiten über Mittelfrequenz-Reluktanzmotoren sei auf die Fachliteratur verwiesen.
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Die aufs Maschinenvolumen bezogene Ausnutzungsziffer in kW min/m3
liegt bei Reluktanz-Mittelfrequenzmaschinen in herkömmlicher Bauweise bei etwa einem
Zehntel von der von Induktionsmaschinen. Bei letztgenannten stellten wir eine mechanisch
maximal zulässige Impu.lsmagnetisierfrequenz in der
Größenordnung
von einem Zehntel der impulsseitig machbaren fest. Im Gegensatz hierzu können Maschinen
ähnlich Fig.6 das volle Leistungsvermögen eines Magnetkernwandlerkreises bei etwa
5000 Hz nutzen. Damit werden die scheinbar nachteiligen Ausnutzungsziffern von Reluktanzmaschinen
mehr als kompensiert. Welcher Art elektrischer Maschinen letztendlich der Vorzug
zu geben ist, hängt einerseits von den Kosten für das je nach Frequenz unterschiedliche
weichmagnetische Material und die technischen Anforderungen an die Maschine ab.
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Bemerkenswert an den mit Magnetkernspeichern arbeitenden Reluktanzmaschinen
ist deren Einsetzbarkeit als digital ansteuerbaren Schrittmotor und als eine Art
rotierenden Magnetkernspeicher. Mit Hilfe der Remanenz von Dauermagneten wird die
nach letztmaligem Impulsmagnetisierstoß erreichte Läuferposition durch die remanenten
Felder ohne zusätzlichen Strombedarf auf praktisch unbegrenzte Zeit festgehalten.
Damit besitzt ein derartiger Motor ähnlich den Ferritkernspeichern in älteren EDV-Anlagen
die Fähigkeit zur Speicherung. Dies erfolgt auf einem um mehrere Zehnerpotenzen
höheren Energieniveau und in Polarkoordinaten.
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Die Einsatzmöglichkeiten vorbeschriebener Energiewandler mit Magnetkernzwischenspeicher
reichen in alle Gebiete des täglichen Lebens, von der Industrie, der Verkehrs- bis
zur Haustechnik. Sie ermöglichen einen Obergang auf dezentralisierte Energieversorgung
und Verzicht auf Überlandversorgungsnetze.
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Mit Einführung einer solchen neuen Technik empfiehlt sich das Verlassen
der seit etwa 70 Jahre üblichen, inzischen völlig antiquierten 50- bzw. 60Hz Stromversorgung
mit Haushaltspannungen von z.B. 220/380 V. Weit ungefährlicher und den Bedingungen
der Magnetkern-Energiewandlertechnik wie auch der elektronischen Halbleitertechnik
viel besser angepaßt ist eine Frequenz von 500 Hz bei 50 V Einphasenwechselspannung.
Dies sollte als neuer Standard u.a.
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in Entwicklungsländern bei Erstinstallationen in vorbezeichneter Technik
von Beginn an angestrebt werden.
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Bei der Anfassung vorstehender Patentanmeldung »ENERGIEWANDLER MIT
MAGNET-KERNZWISCHENSPEICHER« wurde u.a. nachfolgende Literatur verwertet: Eiqene
Veröffentlichunqen über Dauermaqnettechnik Volkrodt, W.: Eigenschaften eines neuartigen
Synchronmotors mit Erregung durch Bariumferritmagnete, Diss.TH. Brswg 1961, in Englisch:
Ministry of Aviation, London May 1962 \Iolkrodt, W.: Patentschrift 1 173 178 v.
28. 7. 62 Volkrodt, W.: Polradspannung, Reaktanzen und Ortakurve des Stromes der
mit Dauermagneten erregten Synchronmaschine, ETZ 83 (1962), S. 517-522 Volkrodt,
W.: Der Siemosynmotor... Siemens-Z. 40 (1966) 5.125-131 Volkrodt, W., Spingler,
H.: Gleichstrommaschinen kleinerer Leistungen mit Erregung durch Bariumferritmagnete,
Siemens-Z. 42(1968), 5.839-843 Volkrodt, W.: Dauermagneterregte Synchronmotoren
im Bremabetrieb, ETZ 90(1969), S.99-103 Volkrodt, W.: Wartungsfreie Tachometermaschinen,
Siemens-Z. 49(1975) S.313-316 Krupp-Presse- Information v.26.März 1975': Neuer Dauermagnet
macht Motoren kleiner Volkrodt, W.: Anlauf v. Käfigläufermotoren bei Frequenzen
über 100 Hz. Techn.Rdsch. 1975, Nr.15 Volkrodt, W., Rrritmagneterregung bei größeren
elektrischen Maschinen, Siemens-Z.49(1975) S.368-374 Volkrodt, W. Antreiben mit
umrichtergespeisten Dauermagnetmotoren, Masch.-Markt Wü. 81(1975) H.79 olkrodt,
W.: Spulenwicklungen um einen Zahn, ETZ 8, 28(1976), S.337-338 Volkrodt, W.: Neu-
und Weiterentwicklungen bei elektrischen Maschinen, Elektro-Jahr 1985, Vogel,Wü.
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Ubersetzungen, Mehrfacherscheinungen sowie etwa 50 zugehörige Patentanmeldungen
sind nicht genannt.
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Weitere Veröffentlichungen über Dauermsgnettechnik Brinkmann, K.,
Schüler, K.:Magnet. Werkstoffe und ihre Verwendung in Schalteinrichtungen mit Dauermagneten,
DEW-Techn.Ber. Bd.1Z(1972)S.255-268 Bedenke u.a.:Elektrische Antriebe u.Steuerungen,
Teubner Stuttgart Bosch : Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 18.Aufl.
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Aichholzer, G.: Elektromagnetische Energiewandler, Springer-Verl.Wien
1975, insbes. S.352-361 Brinkmann, K.: Dauermagnete in Motoren und Generatoren,
Thyssen-Ed.-Tech.Ber. 197B,Si91-98 Taschenbuch Elektrotechnik Brd.5: Elemente und
Baugruppen der Elektroenergietechnik, Verl.Technik 1980 Weh, H.: Hochausgenutzte
elektrische Maschinen mit Permanentmagneterregung, etz-Archiv(1982)S.212-224 Magnetische
Werkstoffe, Ferritkernspeichertechnik Parker, R.J.:Analitical Methods for Permanent-Magnet-Design,
Electro-Technology Reprint Oct.1960 Taschenbuch Elektroteehnik Bd. 1., Aufl. 1963,
Verl. Technik Bln.
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Hypertechnik, raum&zeit-Verlag 1984 Letztgenanntes Buch ist insofern am aufschlußreichsten,
weil es etwa 3 Dutzend authentische Kopien von Patentschriften, vornehmlich aus
den USA, enthält und diese mit Sachkenntnis kommentiert werden.