DE3633775C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkolbenmotor zur Umwandlung elektrischer Energie in eine mechanische periodische Zug-/Schub-Bewegung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrische Motoren, bei denen eine Energieumwandlung mittels Dauermagneten und/oder Elektromagneten erfolgt, sind bekannt und werden technisch vorwiegend dort eingesetzt, wo elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die bekannten Ausführungen bestehen aus einem Rotor, der sich in einem Stator dreht. Dieser Motortyp ist für alle Anwendungen, die eine Drehung erfordern ausreichend. Für spezielle Anwendungen, wie zum Beispiel Pumpen ist aber eine Schub-/Zugbewegung erforderlich. Es ist wünschenswert, einen elektrischen Schub-/Zug-Mechanismus zur Verfügung zu haben, der einen ähnlich guten Wirkungsgrad aufweist wie rotierende Motoren, da man sich mit einem solchen Mechanismus ersparen kann, die Rotationsbewegung in eine Schubbewegung umzuwandeln. Letzteres hat den Vorteil, daß Antriebsteile eingespart werden können und die durch die Umwandlung bedingten Reibungsenergieverluste entfallen.

Schub-/Zug-Mechanismen sind in der Praxis wohl bekannt z. B. als Wagnerscher Hammer oder als Antrieb bei Membranpumpen. Hierbei werden nur sehr kleine Hübe verwirklicht.

Schubbewegungen über einen langen Kraftweg stoßen auf technische Schwierigkeiten. Zum einen bedeuten längere Wege auch größere Abstände zum Magneten, was wegen des Dipolcharakters des Magnetfeldes, entweder überdimensionierte Magnete erfordert oder ein durchdachtes System der Magnetfeldführung. Die erste Möglichkeit führt zwangsläufig auf eine überhöhte Verlustleistung, was es schwer macht einen solchen Motor gegen einen rotierenden Motor mit Umlenkung der Rotation in eine Schubwirkung konkurrenzfähig zu machen. Im Gegensatz zu Zug-/Schubmechanismen muß bei rotierenden Vorrichtungen dieser Nachteil des schnellen abstandsbezogenen Feldabfalls nicht berücksichtigt werden, da in einer rotierenden Anordnung der Abstand zwischen Rotor und Stator in jeder Stellung beliebig klein gemacht werden kann.

Aus der DE-OS 30 26 005 ist ein Magnetkolbenmotor der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem die Kolben jeweils über Pleuelstangen eine Kurbelwelle in Drehung versetzen. Die die Kolbenräume bildenden stationären und die die Kolben darstellenden beweglichen Magnete sind dort Elektromagnete, die abhängig von ihrer jeweiligen gegenseitigen Lage jeweils abwechselnd mit Strömen der einen oder anderen Richtung erregt werden.

Gegenstand der DE-OS 25 50 221 ist ein Magnetmotor, bei dem im Magnetfeld eines oder mehrerer stationärer Dauermagnete ein oder mehrere Dauermagnete beweglich angeordnet sind. Damit der die beweglichen Dauermagnete enthaltende Läufer rotieren kann, werden die stationären oder die beweglichen Dauermagnete periodisch elektrisch umgepolt, wozu die Dauermagnete jeweils von einer elektrischen Wicklung umgeben sind, auf die jeweils ein der magnetischen Flußrichtung entgegenwirkender kurzer Stromimpuls aufgeschaltet wird.

Aus dem Buch von Fahlenbrach/Baran "Dauermagnete und ihre Anwendung in Betrieben", 1965, Carl-Hanser-Verlag, München S. 38, 39 ist ein schaltbares Haftmagnetsystem mit einem magnetischen Hilfskreis bekannt. Das Haftmagnetsystem besteht aus einem Dauermagneten, an dem beidseitig jeweils ein langgestrecktes Eisenleitteil großflächig anliegt. Die Stirnseiten der Eisenleitteile bilden auf der Seite des Magneten eine Haftfläche (Nutzkreis), während auf der anderen Seite des Magneten zwischen den langgestreckten Eisenleitteilen ein aus einer Schaltspule mit Eisenkern und einem Luftspalt bestehender magnetischer Nebenschluß (Hilfskreis) ausgebildet ist. Der Magnetfluß des Dauermagneten kann dort bereits durch kleine Spulenströme aus dem Nutzkreis, der betriebsmäßig durch Eisen kurzgeschlossen ist, in den Hilfskreis umgeleitet werden, wodurch das Haftmagnetsystem abgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Magnetkolbenmotoren mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Durch die jeweilige Zweiteilung von Kolben und Kolbenraum wird, wie später ausgeführt, ein einfacher und energetisch günstiger Abschaltmechanismus für das Magnetfeld ermöglicht. Durch das Gegeneinanderschalten von Magnetpolen des Kolbens gegen den Kolbenraum mit kleinerem Abstand als dem Abstand der Pole des Kolbens entsteht in dieser Konstruktion eine Kraftwirkung zwischen Kolbenpolen und Polen des Kolbenraums. Das bedeutet, die Kraftwirkung fällt weniger stark mit dem Abstand ab als bei magnetischen Feldern üblicherweise wirksamen Dipolfeldern, was dazu führt, daß größere mechanische Hübe mit der gleichen Magnetfeld­ änderung erreicht werden können als bei anderen Konstruktionen.

Die vorgesehene Umschaltvorrichtung dient zum dynamischen Betrieb. Mit ihr wird das Magnetfeld im Kolbenraum gesteuert. Das wird energetisch günstig durch Umleitung der magnetischen Kraftlinie durchgeführt, statt durch Ummagnetisierung oder durch Anlegen eines Gegenfeldes. Um­ magnetisierung von Permanentmagneten würde Wärmeverluste von der Größe der Hysteresefläche nach sich ziehen. Anlegen eines elektromagnetischen Gegenfeldes hätte wieder zusätzliche ohmsche Verluste zur Folge. Die Umleitung von Magnetfeldlinien braucht dagegen bei geeigneter konstruktiver Ausbildung nur kleine Steuerströme.

Die Erfindung benutzt für die Umleitung einen magnetischen Nebenschluß, d. h. eine ferromagnetische Brücke, über welche das Magnetfeld von Permanentmagneten kurzgeschlossen wird. Die Umschaltung vom magnetisch offenen Permanentmagneten zu magnetisch kurzgeschlossenen Permanentmagneten erfolgt durch eine elektrische Erregerspule, die ein zusätzliches Magnetfeld ausbildet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Kopf eines Magnetkolbenmotors in Fig. 2;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Magnetkolbenmotor entlang der in Fig. 1 bezeichneten Schnittlinie I-I.

Der Kolbenraum ist von zwei halbschalenförmigen Polen K eines Permanentmagneten umgeben, die durch die Lücke L1 voneinander getrennt sind. Der Permanentmagnet bildet so im Kolbenraum ein Magnetfeld aus, dessen magnetische Pole in den Figuren mit N und S bezeichnet sind. Der Kolben K1 enthält zwei Magnete, die bezüglich ihrer Magnetfeldpolarität den Halbschalen des Kolbenraums entgegengeschaltet ist. Dadurch findet eine Abstoßung zwischen den gleichnamigen Polen statt.

Die Pole K sind durch eine Umschaltvorrichtung E miteinander verbunden. Die Umschaltvorrichtung besteht aus einer Spule, die auf einen Kern gewickelt ist. Der Kern schließt das Magnetfeld teilweise kurz. Der Luftspalt L stellt aber einen magnetischen Widerstand dar, so daß der größte Teil des permanentmagnetischen Feldes am Kolben wirksam werden kann, wenn die Spule stromlos ist.

Durch die Gegenpolung des Kolbens K1 relativ zu den Polen K wird der Magnet aus dem Kolbenraum herausgetrieben, wobei die Kolbenbewegung die Führungsstange F mitnimmt und die mechanische Kraft nach außen leitet.

Bei Zuleitung von Strom über die Wicklung der Umschaltvorrichtung E werden die Magnetfeldlinien bei entsprechender Polung in den Kern der Spule hineingezogen. Die Kraftwirkung am Kolben K1 wird somit vermindert oder aufgehoben.

Beim Einschalten der Erregerwicklung wird in dem Eisenleitstück ein magnetisches Feld erzeugt, das die magnetische Kraft des Kopfes sofort in den oberen Kreis zieht und der Weg für den Kolben wird frei. Beim Ausschalten der Spule wird der Kolben sofort ausgestoßen. Durch Zuführung von Strom über Unterbrecherkontakte, die durch die Führung F betätigt werden, kann ein kontinuierlicher periodischer Betrieb erzeugt werden.

Je Bauart und Stärke der Magnete können beachtliche Schubkräfte je Kolben erzielt werden.

Claims (2)

1. Magnetkolbenmotor zur Umwandlung elektrischer Energie in eine mechanische periodische Zug-/Schub-Bewegung mittels Dauermagneten und Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pole (K) des stationären Dauermagneten aus Halbschalen bestehen, die einen zylinderförmigen Kolbenraum einschließen,
daß der Kolben ein zweiteiliger Dauermagnet (K1) ist, wobei jede der beiden Teile zu je einer Halbschale der Pole (K) zeigt und abstoßende Magnetfeldrichtung zu den Polen (K) hat,
daß die Pole (K) eine Umschaltvorrichtung (E) zum Schalten des Magnetflusses mittels Magnetisierung durch eine Erregerspule einschließen,
und daß die Umschaltvorrichtung (E) bei Strom durch eine Erregerwicklung einen Nebenschluß für das Magnetfeld der Pole bewirkt.

2. Magnetkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bewegung durch Ein- und Ausschalten der Umschaltvorrichtung (E) erfolgt.