DE60315617T2

DE60315617T2 - Elektrischer impulsgenerator mit pseudo-zufälliger polverteilung

Info

Publication number: DE60315617T2
Application number: DE60315617T
Authority: DE
Inventors: Richard Leo Rochester GALBRAITH
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2023-03-15
Also published as: CA2479965A1; WO2003084036A1; KR100810011B1; CN100452624C; KR20040095344A; EP1490955A1; ATE370544T1; EP1490955B1; TW200304523A; AU2003216844A1; US20030184179A1; JP2005522167A; DE60315617D1; US6720698B2; JP4106031B2; TW583383B; CN1615573A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Generatoren und insbesondere Generatoren eines Typs, die diskrete elektrische Impulse erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt viele Einrichtungen und Verwendungszwecke, bei denen es notwendig ist, einen elektrischen Hochleistungsimpuls zu erzeugen. Die Funkenzündung eines herkömmlichen Verbrennungsmotors dürfte den bekanntesten Verwendungszweck darstellen. Es gibt viele andere gebräuchliche Verwendungszwecke für elektrische Hochleistungsimpulse, die weniger bekannt sind. Zum Beispiel werden bei der Bearbeitung mittels Funkenerosion durch eine Folge diskreter elektrischer Impulse Funken in einem Spalt erzeugt, der mit einer nichtleitenden Flüssigkeit zwischen einer Elektrode und einem metallischen Werkstück gefüllt ist, sodass das Werkstück bis zu einer gewünschten Form erodiert wird. Beim Impulsschweißen werden Metalle durch die intensive Hitze von elektrischen Impulsentladungen geschweißt. Viele Öfen und ähnliche Einrichtungen verwenden elektrische Impulse zum Zünden eines Brennstoffs und erreichen somit einen höheren Wirkungsgrad als bei einem kontinuierlichen Verbrennungsprozess. Die Syntheseprozesse für bestimmte Chemikalien verwenden elektrische Impulse. Diese Liste ließe sich noch weiter fortsetzen.
Es gibt verschiedene herkömmliche Einrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Impulsen, die jeweils für eine bestimmte Klasse von Anwendungen ausreichen. zum Beispiel wurde zum Erzeugen des erforderlichen Zündfunken in kleinen Verbrennungsmotoren eine mit einer Unterbrecherschaltung und einem Hochspannungstransformator verbundene Magnetzündung verwendet. Größere Motoren, wie sie in Automobilen zu finden sind, verwenden anstelle der Magnetzündung normalerweise einen Akku, und bei moderneren Motoren wurden die Unterbrecherkontakte durch elektronische Schaltungen ersetzt.
Elektrische Impulse mit relativ geringer Leistung können ganz durch integrierte elektronische Schaltungen erzeugt werden, wofür es verschiedene Schaltungsvarianten gibt. Mit zunehmender Impulsleistung wird die Entwicklung eines geeigneten elektronischen Moduls zur Impulserzeugung immer schwieriger. Zur Erhöhung der Impulsleistung können diskrete Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten hinzugefügt werden, aber auch diese sind in Größe und Leistung beschränkt.
Außer rein elektronischen Impulsgeneratoren gibt es verschiedene elektromagnetische Einrichtungen, die zum Erzeugen von Impulsen verwendet werden können. Die Magnetzündung stellt ein einfaches Beispiel für eine solche elektromagnetische Einrichtung dar. Im Allgemeinen wandeln diese Einrichtungen eine bestimmte Form mechanischer Energie, zum Beispiel das Trägheitsmoment eines rotierenden Bauteils, unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes in elektrische Energie um.
Das Erzeugen eines elektrischen Impulses kann als das Konzentrieren von elektrischer Energie in ein kurzes Zeitintervall aufgefasst werden. Eine elektronische Einrichtung nimmt zunächst Energie von einer Netzspannungsquelle oder einem Akku auf. Innerhalb eines ausreichend langen Zeitraums kann eine beliebig große Energiemenge aufgenommen werden. Desgleichen nimmt eine elektromagnetische Einrichtung im Allgemeinen Energie von der kinetischen Energie einer sich bewegenden Masse auf, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch hier kann innerhalb eines ausreichend langen Zeitraums eine beliebig große Energiemenge aufgenommen werden. Das Erzeugen eines Impulses läuft auf das Speichern und Entladen der Energie in einem ausreichend kurzen Zeitintervall hinaus. Je mehr Energie gespeichert und je kürzer das Entladungsintervall sein muss, desto höher sind die Anforderungen an die Entwicklung eines elektrischen Impulsgenerators.
Obwohl es bereits verschiedene herkömmliche Einrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Impulsen gibt, besteht trotzdem noch ein starker Bedarf an verbesserten Einrichtungen zur Impulserzeugung. Wie bei jeder Vorrichtung können sich die Verbesserungen in niedrigeren Fertigungskosten, höherer Zuverlässigkeit, geringerem Energieverbrauch oder niedrigeren Betriebskosten usw. niederschlagen. Insbesondere besteht jedoch ein Bedarf an Einrichtungen, die höhere Entladungsleistungen ermöglichen und/oder die Entladung auf kürzere Zeitintervalle konzentrieren als dies bei herkömmlichen Impulsgeneratoren von vergleichbarer Größe, Ausgangsleistung und anderen Kenndaten der Fall ist.
Impulsgeneratoren für kürzere Impulse bzw. Impulse mit höherer Leistung würden sich sehr gut als Ersatz für gebräuchliche Impulsgeneratoren in einer großen Anzahl herkömmlicher Anwendungen eignen. Zum Beispiel könnte ein Impulsgenerator mit höherer Leistung als Zündquelle in einem Verbrennungsmotor eine vollständigere Kraftstoffverbrennung bewirken, den Startvorgang in der Kälte oder unter ähnlichen widrigen Bedingungen erleichtern, die Verwendung alternativer Kraftstoffe ermöglichen, in Anwesenheit von elektronischem Rauschen wirksamer arbeiten oder bestimmte andere konstruktive Einschränkungen aufheben, sodass der Motor den Kraftstoff besser ausnutzt, kostengünstiger und zuverlässiger betrieben oder gegenüber einem herkömmlichen Verbrennungsmotor unter Verwendung herkömmlicher Funkenzündsysteme anderweitig verbessert werden kann. Ähnliche Beobachtungen lassen sich bei vielen der aktuellen herkömmlichen Anwendungen für elektrische Impulsgeneratoren anstellen.
Noch größere Anwendungsmöglichkeiten für verbesserte elektrische Impulsgeneratoren könnten sich bei Anwendungen ergeben, die es noch nicht gibt, oder, falls es sie geben sollte, nur kurzzeitig in Laboratorien auftauchen. Manche Anwendungen dieser Art umgibt die Aura der wissenschaftlichen Phantastik, jedoch muss daran erinnert werden, dass die wissenschaftliche Phantastik von gestern oftmals heute zur normalen Realität geworden ist. Dass viele solcher möglichen Anwendungen noch nicht realisiert werden konnten, liegt zum Teil daran, dass die praktischen Mittel zum Erzeugen von elektrischen Impulsen mit ausreichend hoher Leistung und kurzer Dauer zur Zeit nicht verfügbar sind. Ein verbesserter Hochleistungs-Impulsgenerator könnte das entscheidende Bindeglied für die Entwicklung praktikabler arbeitsfähiger Einrichtungen dieser Art darstellen.
Ein Beispiel für eine solche futuristische Anwendung stellt das elektromagnetische Geschütz dar. Ein elektromagnetisches Geschütz beschleunigt ein Objekt unter Verwendung eines gepulsten elektromagnetischen Feldes hoher Leistung auf eine hohe Geschwindigkeit. Obwohl dieses Geschütz mitunter mit militärischen Anwendungen in Verbindung gebracht wird, könnte es für zahlreiche andere Zwecke verwendet werden, zum Beispiel zum Starten von Satelliten. Obwohl die Theorie besagt, dass eine solche Einrichtung möglich ist, würde eine praxistauglich arbeitsfähige Einrichtung zum Beispiel zum Starten eines kleinen Satelliten einen elektrischen Impuls mit außerordentlich hoher Leistung erfordern, der unter Verwendung herkömmlicher Verfahren nur schwierig oder überhaupt nicht erzeugt werden könnte.
Eine andere futuristische Anwendung könnte auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion liegen. Für die Kernfusion sind sehr hohe Zündtemperaturen erforderlich, und zumindest einige Forschungen haben gezeigt, dass ein elektrischer Impuls mit ausreichend hoher Leistung und kurzer Dauer dazu dienen könnte, die erforderlichen Zündbedingungen zu schaffen. Auch hier könnte ein Impuls dieser Art unter Verwendung herkömmlicher Verfahren nur schwierig oder überhaupt nicht erzeugt werden.
Alles zusammengenommen könnten elektrische Impulsgeneratoren höherer Leistung nicht nur die Leistung, Kosten und anderen Kenndaten herkömmlicher Einrichtungen wie beispielsweise Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung, die Impulsgeneratoren verwenden, verbessern, sondern völlig neue Grenzgebiete erschließen, von denen es, wenn überhaupt, nur vage Vorstellungen gibt. Die auf diesem Gebiet tätigen Forscher haben diese Bedürfnisse nicht außer Acht gelassen und eine Vielzahl Entwicklungen von Impulsgeneratoren vorgeschlagen und realisiert. Die derzeitigen Entwicklungen unterliegen jedoch Einschränkungen, die eine umfassendere Nutzung ausschließen. Deshalb besteht ein echter Bedarf an verbesserten Impulserzeugungsverfahren.
In der US-Patentschrift 4 746 862 wird ein Sensor zum Erkennen sowohl der Drehgeschwindigkeit als auch eines Referenzdrehwinkels eines rotierenden Bauteils beschrieben. In dem Sensor sind die Anordnung der Elemente, beispielsweise der magnetisierten Bereiche oder Sektoren, sowie die Anordnung der zugehörigen Signalerzeugungsschaltungen, beispielsweise auf dem Umfang angeordneter konvexer und konkaver Spulenteile, so verbessert worden, dass sowohl das Drehzahlsignal als auch das Referenzdrehwinkelsignal aus einem einzigen Ausgangssignal aus der seriellen Schaltung der Signalerzeugungsschaltungen gewonnen werden kann. Bei einer Ausführungsart sind die magnetisierten Bereiche sowie die konvexen Teile einer zugehörigen wellenförmigen Spulenanordnung entsprechend einer geometrischen Reihe angeordnet, sodass die magnetisierten Bereiche und die konvexen Teile nur einmal während einer Drehung des rotierenden Bauteils um einen bestimmten Winkel zur Deckung kommen und so eine höhere Spannung erzeugen, während bei Nichtübereinstimmung eine niedrige Spannung erzeugt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Impuls durch eine bewegliche mehrpolige elektromagnetische Einrichtung erzeugt, bei der die Pole so in einer Folge maximaler Länge angeordnet sind, dass die Pole periodisch zur Deckung kommen. Die Einrichtung kann einen kurzen Impuls erzeugen, wenn die Pole zur Deckung kommen, während in der übrigen Zeit der Drehung nur eine geringe oder gar keine elektrische Ausgangsleistung erzeugt wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsart weisen der Rotor und der Stator eine gleiche Anzahl von Polen auf, wobei alle Pole gleich groß und in gleichen Abständen auf dem Umfang um die Drehachse herum angeordnet sind. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Generator, bei dem die Polarität der Pole nach einem einfachen Muster wechselt, variiert die Polarität der Pole bei der bevorzugten Ausführungsart gemäß einer Verteilungsfunktion, die durch eine Folge maximaler Länge bestimmt ist. Während der Drehung des Rotors kommen zu einem Zeitpunkt alle Pole des Rotors mit den entsprechenden Polen des Stators zur Deckung und erzeugen somit einen maximalen Nettomagnetfluss durch die Ankerwicklungen. An allen anderen Winkelpositionen des Rotors kommen die Pole des Rotors und des Stators nicht zur Deckung, sodass der Nettomagnetfluss durch die Ankerwicklungen gering ist. Während des Betriebs kommt es bei einer Drehung des Rotors durch die nicht in Deckung befindlichen Winkelpositionen im Wesentlichen nicht zu Änderungen des Nettomagnetflusses, sodass keine elektrische Leistung erzeugt wird. Wenn der Rotor die Deckungsposition erreicht, kommt es zu einer plötzlichen starken Magnetflussänderung, die einen elektrischen Hochleistungsimpuls erzeugt.
Die Zuordnung der Polarität der Pole gemäß der Verteilungsfunktion erfolgt entsprechend einer einfachen Polynomverteilung mit der Bezeichnung „m-Folge". Die Anzahl der Pole sowohl im Rotor als auch im Stator beträgt (2^N-1), wobei N eine positive ganze Zahl größer als 1 ist. Die Pole sowohl des Rotors als auch des Stators folgen in derselben Reihenfolge nacheinander. Die einfache Polynomverteilung m-Folge weist die Eigenschaft auf, dass sie nur in einer Zyklusphase mit sich selbst korreliert und in allen anderen Zyklusphasen fast keine Korrelation aufweist. Während der Rotor durch (2^N-2) der (2^N-1) Polpositionen rotiert, beträgt somit der Nettomagnetfluss durch die Windungen (–1) Einheiten, wobei eine Einheit dem durch ein Einzelpaar zur Deckung gebrachter Pole erzeugten Magnetfluss entspricht. Das heißt, an diesen (2^N-2) Polpositionen besteht zwischen den Polen des Rotors und des Stators praktisch keine Korrelation („pseudozufällig"). An den übrigen Polpositionen sind alle Pole in Deckung miteinander, und der Nettomagnetfluss beträgt (2^N-1) Einheiten. Somit kommt es zu einer plötzlichen starken Magnetflussänderung, wenn der Rotor die Deckungsposition erreicht.
Es sind verschiedene alternative Anordnungen von Spulen und Magneten möglich. Bei einer ersten Ausführungsart bestehen die Pole des Rotors aus Dauermagneten, deren Polarität durch die Verteilungsfunktion zugewiesen ist, während die Pole des Stators aus elektromagnetischen Spulen derselben Reihenfolge bestehen. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsart bestehen die Pole sowohl des Rotors als auch des Stators aus elektromagnetischen Spulen, bei denen sich die Feldwicklung am Rotor und die Ankerwicklung am Stator befindet. Bei einer dritten Ausführungsart bestehen die Pole sowohl des Rotors als auch des Stators aus elektromagnetischen Spulen, wobei sich die Ankerwicklung am Rotor und die Feldwicklung am Stator befindet. Bei einer vierten Ausführungsart bestehen die Pole des Stators aus Dauermagneten, während die Pole des Rotors aus elektromagnetischen Spulen bestehen.
Bei einer alternativen Betriebsart wird das Erregerfeld durch eine von einer Wechselspannungsquelle gespeisten elektromagnetischen Spule erzeugt. Bei relativ niedrigen Drehzahlen verhält sich die Einrichtung wie ein gepulster oder geschalteter Transformator, bei dem er größte Teil der Energie von der Wechselspannungsquelle stammt, während die Wechselspannungs-Erregerkomponente bei höheren Drehzahlen weniger ins Gewicht fällt.
Bei einer beispielhaften Anwendung wird ein Impulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, einen Zündfunken für einen Verbrennungsmotor zu erzeugen. Es sind jedoch noch viele andere Anwendungen möglich.
Ein gemäß der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung gebauter elektrischer Impulsgenerator ist in der Lage, einen kurzen Hochleistungsimpuls zu erzeugen, der die Fähigkeiten herkömmlicher Impulsgeneratoren vergleichbarer Größe und Betriebskenndaten übersteigt, und könnte in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden, die bereits bekannt sind oder später entwickelt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sowohl in Bezug auf deren Aufbau und Arbeitweise werden am besten unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen klar, in denen gleiche Bezugsnummern gleiche Teile bezeichnen und wobei:
1 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer rotierenden elektromagnetischen Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Impulses gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist;
2A eine Querschnittsansicht des elektrischen Impulsgenerators gemäß der bevorzugten Ausführungsart ist, in welchem der Rotor gegenüber der Ansicht von 1 in Uhrzeigerrichtung um einen Pol weitergedreht wurde;
2B eine Querschnittsansicht des elektrischen Impulsgenerators gemäß der bevorzugten Ausführungsart ist, in welchem der Rotor gegenüber der Ansicht von 1 in Uhrzeigerrichtung um zwei Pole weitergedreht wurde;
3 eine idealisierte Kurve des gesamten Nettomagnetflusses im Stator des elektrischen Impulsgenerators gemäß der bevorzugten Ausführungsart als Funktion der Winkelposition des Rotors im Leerlauf ist;
4 eine idealisierte Kurve der Spannung im Stator des elektrischen Impulsgenerators gemäß der bevorzugten Ausführungsart als Funktion der Winkelposition des Rotors im Leerlauf ist;
5 eine Fibonacci-Folge eines linearen Rückkopplungs-Schieberegisters gemäß der bevorzugten Ausführungsart ist, die eine m-Folge zum Zuweisen der Polarität der Generatorpole erzeugen kann;
6 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer rotierenden elektromagnetischen Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Impulses gemäß einem ersten Satz alternativer Varianten der bevorzugten Ausführungsart ist;
7 eine vereinfachte Darstellung einer rotierenden elektromagnetischen Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Impulses gemäß einem zweiten Satz alternativer Varianten der bevorzugten Ausführungsart in Explosionsdarstellung ist,
8 eine vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung gemäß einer beispielhaften Anwendung des Generators der bevorzugten Ausführungsart ist, der zum Erzeugen eines Zündfunken einen elektrischen Impulsgenerator verwendet;
9 eine vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung gemäß einer beispielhaften Anwendung des Generators der bevorzugten Ausführungsart ist, der zum Erzeugen eines Zündfunken eine alternative Zündschaltung verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART
Die hier beschriebene Ausführungsart betrifft eine rotierende elektromagnetische Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Impulses, und bestimmte hier gebrauchte Begriffe haben die folgenden Bedeutungen. Der „Rotor" ist ein physisches Bauteil, das sich um eine Achse dreht. Der „Stator" ist ein stationäres Bauteil, das sich in Bezug auf die Achse nicht dreht. Der „Anker” ist ein elektrischer Leiter, in welchem eine Spannung durch ein Magnetfeld induziert wird, das sich in Bezug auf die Ankerwicklung zeitlich ändert. Da der Anker normalerweise in Form einer Spule oder einer Windung gewickelt ist, wird er mitunter auch als „Ankerwicklung" oder „Ankerspule" bezeichnet, wobei klar ist, dass darunter nicht eine bestimmte Geometrie des den Anker bildenden elektrischen Leiters zu verstehen ist. Die Ankerwicklung kann entweder am Rotor oder am Stator angebracht sein. Als Magnetfeld, das den Anker erregt, kann auch ein stationäres, unveränderliches Feld dienen, das sich nur dadurch „zeitlich in Bezug auf die Ankerwicklung ändert", dass die Ankerwicklung rotiert. Die „Feldwicklung" oder „Feldspule" ist ein elektrischer Leiter, der das Magnetfeld erzeugt, welches die Ankerwicklung erregt (d.h. eine Spannung in der Ankerwicklung induziert). Ebenso wie bei der Ankerwicklung ist unter den Begriffen „Wicklung" oder „Spule" keine bestimmte Geometrie der Feldwicklung zu verstehen. Das Magnetfeld, das die Ankerwicklung erregt, kann durch eine Feldwicklung oder durch Dauermagnete erzeugt werden. Die Feldwicklung oder die Dauermagnete können entweder am Rotor oder am Stator, nicht aber an derselben Komponente wie die Ankerwicklung angebracht sein. D.h., wenn die Ankerwicklung am Rotor angebracht ist, befinden sich entsprechend die Feldwicklung oder die Dauermagnete an einer anderen Komponente wie beispielsweise dem Stator oder umgekehrt.
Während in den Zeichnungen gleiche Bezugsnummern in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen, ist 1 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer rotierenden elektromagnetischen Einrichtung 100 gemäß einer Variante der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen eines elektrischen Impulses. Der Impulsgenerator 100 umfasst ein rotierendes Bauteil (Rotor) 101 und einen Stator 102. In 1 ist der Impulsgenerator 100 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse des Rotors 101 dargestellt. Bei der Darstellung von 1 enthält der Rotor 101 mehrere in gleichem Abstand voneinander auf dem Umfang angeordnete Magnetpole 126 bis 140, die ein Erregerfeld erzeugen, während der Stator 102 eine gleiche Anzahl in gleichem Abstand voneinander auf dem Umfang angeordnete Spulenpole 111 bis 125 enthält, die eine durch das Magnetfeld des Rotors erregte Ankerwicklung bilden. Eine (nicht gezeigte) mechanische Energiequelle versetzt den Rotor in Bewegung, um der rotierenden Masse kinetische Energie zuzuführen, von welcher der Generator 100 letztlich einen Teil in elektrische Energie umwandelt. Diese mechanische Energiequelle kann z.B. durch einen Elektromotor, einen Verbrennungsmotor, eine hydraulische Turbine oder einen von zahlreichen Mechanismen realisiert werden, die einen Rotor in Drehbewegung versetzen können. Abweichend von den in 1 gezeigten sind andere Anordnungen von Feld- und Ankerspulen und -magneten möglich, die hier ausführlich erörtert werden. Sofern dem ausdrücklich keine sachlichen Gründe entgegenstehen, beinhaltet die Bezugsnummer 100 hier Impulsgeneratoren, welche eine dieser Varianten von Feld- und Ankerspulen und -magneten verwenden.
1 zeigt einen Rotor 101 mit fünfzehn Dauermagnetpolen 126 bis 140, von den acht Nordpole („N") 126, 127, 128, 129, 133, 136, 137, 139 und sieben Südpole („S") 130, 131, 132, 134, 135, 138, 140 dem Stator gegenüberstehen. Der Stator enthält ebenfalls fünfzehn Pole 111 bis 125 von elektromagnetischen Spulen. In 1 sind acht dieser Pole 111, 112, 113, 114, 118, 121, 122, 124, deren Spulenwicklungen über den Kern hinweg führen, und sieben Pole 115, 116, 117, 119, 120, 123, 125 dargestellt, deren Spulenwicklungen unter dem Kern entlang verlaufen. Vereinbarungsgemäß soll diese Darstellung bei Anwesenheit eines Nordpols des Rotors einen positiven Magnetfluss durch die Statorwicklung bzw. bei Anwesenheit eines Südpols des Rotors einen negativen Magnetfluss durch die Statorwicklung anzeigen (die hier als Pole mit positivem bzw. negativem Magnetfluss bezeichnet werden). Es ist jedoch klar, dass 1 zur Veranschaulichung nur als vereinfachte Darstellung der Statorwicklungen dient, dass die Wicklungen in Wirklichkeit dreidimensional sind und in ihrer körperlichen Gestalt stark von der Darstellung von 1 abweichen können, dass ein großer Teil der Wicklungen parallel zur Achse verlaufen kann und dass die Wicklungen normalerweise eine größere Anzahl Windungen als in 1 dargestellt enthalten. Das Ungewöhnliche des Generators gemäß der bevorzugten Ausführungsart besteht nicht in den zum Herstellen des Stators und des Rotors verwendeten Werkstoffe oder der Form oder Art und Weise, in der die Drähte um den Stator gewickelt sind, sondern in der Aufeinanderfolge der Polaritäten der Pole. Deshalb wird davon ausgegangen, dass für den elektrischen Impulsgenerator gemäß der bevorzugten Ausführungsart verschiedene beliebige herkömmliche Werkstoffe und Konstruktionen für den Kern und die Wicklungen geeignet sein können, oder dass alternativ später entwickelte Werkstoffe oder Konstruktionsverfahren auf die hier beschriebene Erfindung angewendet werden können.
Alle Polwicklungen 111 bis 125 des Stators (Ankers) sind in Form eines einzigen elektrischen Leiters logisch in Reihe miteinander verbunden und weisen zwei Ausgangsleitungen 103 auf, an denen der erzeugte Spannungsimpuls erscheint. Die Wicklungen müssen nicht unbedingt mit direkt benachbarten Polen physisch verbunden sein. D.h., je nach physischer Form von Kern und Windungen und anderen konstruktiven Faktoren kann es von Vorteil sein, benachbarte Pole 111, 112 und 113 und so weiter in Reihe miteinander zu verbinden. Andererseits kann es von Vorteil sein, eine andere Anordnung zu verwenden, zum Beispiel abwechselnd Pole mit verschiedener Polarität in Reihe zu schalten, sodass zum Beispiel eine Folge von Polen 111-125-112-115-113 usw. in Reihe geschaltet ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsart entspricht die Reihenfolge der Polaritäten der Pole am Rotor und am Stator einer rauschähnlichen pseudo-zufälligen Verteilungsfunktion. Diese Funktion ist periodisch und weist die Eigenschaft auf, dass sie bei einer Phasenverschiebung an jedem Punkt orthogonal zu sich selbst steht (nicht mit sich selbst korreliert), außer wenn die Phase um eine ganzzahlige Anzahl von Perioden oder Zyklen verschoben wird. Die identische Funktion dient zum Zuweisen der Polarität der Pole sowohl am Rotor als auch am Stator. Wenn also der Rotor und der Stator an demselben Punkt der Zuweisungsfunktion zur Deckung miteinander gebracht werden, wird eine ideale Korrelation der Pole erreicht, während an allen anderen Stellen während der Rotordrehung praktisch keine Korrelation zwischen Polen von Rotor und Stator besteht. Dieses Phänomen wird in den 1, 2A und 2B ausführlicher erläutert und veranschaulicht.
Am Rotor bzw. am Stator ist ein Paar Ausrichtungsmarken 107, 108 angebracht. 1 zeigt den Rotor in Deckungsposition. In dieser Position ist zu sehen, dass jeder Nordpol des Rotors 101 (d.h. die Pole 126, 127, 128, 129, 133, 136, 137, 139) mit einem entsprechenden Pol mit positivem Magnetfluss am Stator (d.h. den Polen 111, 112, 113, 114, 118, 121, 122, 124) zur Deckung gebracht ist. Jeder Südpol des Rotors 101 (d.h. die Pole 130, 131, 132, 134, 135, 138, 140) ist mit einem entsprechenden Pol mit negativem Magnetfluss am Stator (d.h. den Polen 115, 116, 117, 119, 120, 123, 125) zur Deckung gebracht. Da die Pole am Stator in Reihe geschaltet sind, ist der Nettomagnetfluss des Stators insgesamt gleich der Summe der Magnetflüsse in den einzelnen Polen. Wenn der Magnetfluss in einem einzelnen Pol des Stators willkürlich als eine Einheit festgelegt wird, ist der Nettomagnetfluss in der Deckungsposition gleich der Summe der Magnetflüsse aller mit den Nordpolen des Rotors zur Deckung gebrachten Pole des Stators mit positivem Magnetfluss (die jeweils +1 Einheit ausmachen) und aller mit den Südpolen des Rotors zur Deckung gebrachten Pole des Stators mit negativem Magnetfluss (die ebenfalls jeweils +1 Einheit ausmachen), was einen gesamten Nettomagnetfluss von +15 Einheiten ausmacht.
2A ist eine Querschnittsansicht des elektrischen Impulsgenerators 100 von 1, in welcher der Rotor 101 gegenüber der Ansicht von 1 in Uhrzeigerrichtung (beim Blick auf die Zeichnung) um einen Pol weitergedreht wurde. In dieser Position sind die Pole nicht deckungsgleich, und die Ausrichtungsmarken 107, 108 liegen nicht mehr wie in 1 beieinander. Im Gegensatz zur Deckungsposition von 1 sind bei der Position von 2 einige der Nordpole am Rotor 101 auf Pole am Stator mit positivem Magnetfluss und andere wiederum auf Pole am Stator mit negativem Magnetfluss ausgerichtet. Dasselbe trifft auf die Südpole am Rotor 101 zu. Wenn der Magnetfluss durch einen Pol am Stator mit positivem Magnetfluss in Anwesenheit eines Nordpols am Rotor +1 Einheit entspricht, beträgt dieser in Anwesenheit eines Südpols am Rotor –1 Einheit, während für Pole am Stator mit negativem Magnetfluss das Gegenteil gilt. Der Magnetfluss jedes einzelnen Pols am Stator ist in 2A entweder als +1 oder als –1 angegeben. D.h., beginnend bei der Ausrichtungsmarke 108 ist der erste Pol des Stators in Uhrzeigerrichtung ein positiver Pol, der einem Südpol am Rotor gegenübersteht, was einen Magnetfluss von –1 ergibt. Der zweite Pol des Stators ist ebenfalls ein positiver Pol, der jedoch einem Nordpol am Rotor gegenübersteht, was einen Magnetfluss von +1 ergibt. Der dritte und vierte Pol sind positiv und stehen einem Nordpol gegenüber, was einen Magnetfluss von -+1 ergibt. Der fünfte Pol ist negativ und einem Nordpol gegenüberstehend, was einen Fluss von –1 ergibt. Der sechste und siebente Pol sind negativ und stehen einem Südpol gegenüber, was einen Magnetfluss von +1 ergibt. Dies wird rundherum für alle Pole auf dem Stator fortgesetzt. Da die Pole am Stator in Reihe geschaltet sind, ist der Nettomagnetfluss des Stators 102 gleich der Summe des Magnetflusses der einzelnen Pole. In der Position von 2A ist diese Summe gleich –1 Einheit.
2B ist eine weitere Querschnittsansicht des elektrischen Impulsgenerators 100 von 1, in welcher der Rotor 101 gegenüber der Ansicht von 1 in Uhrzeigerrichtung (beim Blick auf die Zeichnung) um zwei Pole weitergedreht wurde. Auch hier sind die Pole nicht deckungsgleich, was aus der Stellung der Ausrichtungsmarken 107, 108 zueinander zu erkennen ist. Die oben in Bezug auf 2A durchgeführte Analyse kann für 2B wiederholt werden. Der Magnetfluss durch jeden einzelnen Pols des Stators ist in 2B entweder als +1 oder –1 Einheit dargestellt. Obwohl die Folge der Einheiten +1 und –1 des Magnetflusses nicht dieselbe wie in 2A ist und sich somit der Magnetfluss für einige Pole des Stators von +1 zu –1 geändert hat, bleibt der gesamte Nettomagnetfluss durch den Stator, d.h. die Summe des Magnetflusses der einzelnen Pole, gleich dem Magnetfluss von 2A, d.h. –1 Einheit.
Die in den 2A und 2B dargestellte Analyse kann für alle 14 nicht deckungsgleichen Polpositionen des Rotors 101 durchgeführt werden. Dabei ist zu beobachten, dass für alle diskreten Stellungen außer der Deckungsposition, bei denen die Pole des Rotors den Polen des Stators direkt gegenüberstehen, der Nettomagnetfluss durch den Stator gleich –1 Einheit ist, obwohl der Magnetfluss in den einzelnen Polen des Stators bei unterschiedlichen Positionen des Rotors wechseln kann.
Außerdem bleibt zwischen allen benachbarten diskreten Rotorpositionen, in denen der gesamte Nettomagnetfluss des Stators gleich –1 ist (z.B. zwischen den in den 2A und 2B gezeigten Positionen) der Magnetfluss im Stator in allen Zwischenstellungen im Wesentlichen konstant, während sich der Rotor von einer Position zur nächsten weiterdreht. Der Magnetfluss durch einige Pole des Stators bleibt unverändert, während der Magnetfluss durch andere Pole von +1 zu –1 und durch wiederum andere Pole von –1 zu +1 wechselt. Die Anzahl der Wechsel von positiv zu negativ ist genau gleich der Anzahl der Wechsel von negativ zu positiv, und da die Pole und Wicklungen im Wesentlichen symmetrisch sind, bleibt der Magnetfluss während der Drehung um den kleinen Winkel konstant. Wenn sich der Rotor jedoch von einer der Deckungsposition nach 1 benachbarten Polposition weiterdreht, kommt es zu einer plötzlichen und heftigen Änderung des gesamten Nettomagnetflusses von –1 auf +15, der während der Drehung des Rotors über die Deckungsposition hinaus wieder abfällt.
Der gesamte Nettomagnetfluss durch den Stator kann deshalb als Funktion der Winkelposition des Rotors dargestellt werden, die sich als periodische Funktion erweist, die sich bei jeder Umdrehung des Rotors wiederholt. 3 zeigt eine solche Kurve unter idealisierten Bedingungen im Leerlauf. 3 zeigt, dass der Magnetfluss im Stator während der Winkeldrehung des Rotors über den größten Teil des Winkels hinweg konstant bei –1 Einheit bleibt und dass es kurz nach der Polposition unmittelbar vor der Deckungsposition (d.h. bei –24°) zu einem plötzlichen Anstieg auf +15 Einheiten kommt, der bei der Deckungsposition (0°) seinen Maximalwert erreicht und bei der nächsten Polposition (+24°) genauso schnell wieder abfällt. Die in 3 gezeigten „Magnetflusseinheiten" sind, wie oben erwähnt, ein Vielfaches des Magnetflusses eines einzelnen Statorpols. Dieser Magnetfluss hängt von der Geometrie des Stators und des Rotors, von der Anzahl der Spulenwicklungen, der Feldstärke des Rotormagneten und verschiedenen anderen konstruktiven Einzelheiten ab.
Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert in den Stator-(Anker-)spulen eine Spannung. Die im Stator induzierte Spannung kann ähnlich wie in 3 als Funktion der Winkelposition des Rotors dargestellt werden, der mit konstanter Drehzahl eine ganze Umdrehung ausführt. 4 zeigt eine solche Kurve ebenfalls unter idealisierten Bedingungen im Leerlauf. 4 zeigt, dass die induzierte Spannung während des größten Teils der Rotordrehung gleich 0 ist, was darauf zurückzuführen ist, dass der Magnetfluss in den Statorspulen konstant ist. Sobald sich der Magnetfluss im Stator an der Polposition in unmittelbarer Nachbarschaft zur Deckungsposition (–24°) rasch zu ändern beginnt, wird im Stator ein induzierter Spannungsimpuls erzeugt. Der Impuls ist in 4 als positive Spannung dargestellt, kann jedoch je nach Ausrichtung ebenso auch negativ sein. Sobald der Rotor die Deckungsposition durchläuft, beginnt der Magnetfluss rasch abzunehmen. Der abnehmende Magnetfluss induziert einen Spannungsimpuls mit ungefähr derselben Stärke und dem vorhergehenden induzierten Impuls entgegengesetzter Polarität. 4 soll den typischen Verlauf der Ankerspannung allgemein veranschaulichen, sodass die Kurve dimensionslos dargestellt ist; die tatsächlich induzierte Spannung hängt von der Magnetfeldstärke, der Anzahl der Spulen, der Rotordrehzahl usw. ab.
Obwohl die 15 Pole sowohl am Rotor als auch am Stator gemäß der Ausführungsart des Generators von 1 gezeigt sind, ist klar, dass die Anzahl der Pole variieren kann. Angenommen, in der Deckungsposition des Rotors werden alle Statorpole in derselben Richtung durch die entsprechenden Rotorpole erregt, beträgt der Nettomagnetfluss in der Deckungsposition M Einheiten, wobei M gleich der Anzahl der Pole ist. 3 zeigt, dass der Magnetfluss über den Winkelabstand zwischen zwei Polen (360°/M) hinweg von einem niedrigen Wert (–1 Einheit bei der Anordnung von 1) bis auf M Einheiten ansteigt. Deshalb lässt sich generell sagen, dass der Anstieg des Magnetflusses umso schmaler und steiler sein wird, je größer die Anzahl der Pole ist. Unter sonst gleichen Bedingungen ist der erzeugte Spannungsimpuls folglich umso höher, je größer die Anzahl der Pole ist.
Es ist klar, dass die 3 und 4 Idealdarstellungen des Magnetflusses und der induzierten Spannung im Leerlauf sind, die hier zur Veranschaulichung des zugrunde liegenden Funktionsprinzips des Generators dienen. Unter echten Betriebsbedingungen in einer realen physischen Einrichtung können die Kurven etwas anders aussehen. Wenn der Generator mit einer Last verbunden ist, werden die Kurven durch die Lastimpedanz beeinflusst. Diese Lastimpedanz ist nicht unbedingt linear; wenn der Generator z.B. zum Erzeugen eines Zündfunkens in einem Luftspalt verwendet wird, wird die Lastimpedanz durch die Ionisation des Gases im Spalt verändert. Allgemein kann davon ausgegangen werden, dass der Magnetfluss während der Annäherung des Rotors an die Deckungsposition zunächst den ursprünglichen Pfaden folgen möchte und erst sehr nahe an der Deckungsposition in die Erregungspfade gezwungen wird, um eine Spannung zu induzieren. Dies kann dazu führen, dass die Magnetflussspitze (peak) noch steiler und schmaler wird, als unter idealen Bedingungen vorhergesagt werden kann, sodass die Größe des induzierten Spannungsimpulses größer und seine Dauer kürzer wird. Die tatsächliche Form der Kurven und die erzeugten Spannungswerte hängen jedoch von so vielen Einzelfaktoren ab, dass eine Verallgemeinerung schwer fällt.
Während die Größe und die Baueigenschaften der Pole gemäß der bevorzugten Ausführungsart gleich sind, wird ein Impulseffekt durch das pseudo-zufällige Zuweisen der Polaritäten erreicht, um an einer Deckungsposition des Rotors einen Impuls zu erzeugen und in anderen Rotorstellungen praktisch keine Spannung zu induzieren. Zum pseudo-zufälligen Zuweisen der Polaritäten gibt es viele alternative Verfahren, welche die gewünschte Wirkung erreichen.
Insbesondere gibt es eine Gruppe von pseudo-zufälligen Funktionen, die unter der Bezeichnung Pseudorausch-Codes bekannt sind. Hierbei handelt es sich um Binärfolgen mit zufälligen rauschähnlichen Eigenschaften. Diese Folgen weisen jedoch von Natur aus oder gewollt eine Periodizität auf. Solche Pseudorausch-Codes werden in einer großen Vielfalt von Datenübertragungssystemen verwendet, zum Beispiel in Datenkanälen, Mobiltelefonen, schnurlosen Telefonen, globalen Positionierungssystemen usw. Bisher war es jedoch nicht üblich, sie für die Polzuweisung in elektrischen Generatoren zu nutzen.
Zum Zuweisen der Polaritäten für die Pole des Stators und des Rotors wird eine Folge maximaler Länge verwendet. Ausgehend von einem Referenzpunkt und weiter von Pol zu Pol auf dem Umfang entlang um den Rotor (oder den Stator) herum wird entsprechend einer „1" oder einer „0" in der Binärfolge jedem Pol eine Polarität zugewiesen. D.h. bei den Polen eines Dauermagneten kann eine „1" dem Nordpol und eine „0" dem Südpol entsprechen. Bei einer Spule kann eine „1" einer Wicklung in einer ersten Richtung in Bezug auf den Magnetflusspfad und eine „0" der entgegengesetzten Richtung entsprechen. Dieses Zuordnungsverhältnis kann beliebig gewählt werden, solange sie durchgängig beibehalten wird.
Dieselbe Folge wird zum Zuweisen der Polaritäten sowohl für den Rotor als auch den Stator verwendet. Da dieselbe Folge verwendet wird, weisen die Pole des Rotors und des Stators von Natur aus eine ideale Zuordnung auf, wenn sie am Bezugspunkt (hier als Deckungsposition bezeichnet) miteinander zur Deckung gebracht werden. In allen anderen Stellungen nimmt die Folge der Polzuweisungen eine Rauschcharakteristik an. D.h., zwischen den Polen des Rotors und den Polen des Stators besteht keine erkennbare Zuordnung. Während es bei einer echt zufälligen Zuweisung der Pole einige Stellungen geben kann, in denen nur eine geringe Zuordnung zwischen den Polen (und daher nur eine geringe Änderung des Magnetflusses beim Weiterdrehen des Rotors von einer Polposition zur nächsten) besteht, können pseudozufällige Folgen, insbesondere Pseudorausch-Folgen, erzeugt werden, bei denen die Zuordnung zwischen phasenverschobenen Folgen immer gleich null ist und der Nettomagnetfluss an allen anderen Polpositionen außer der Deckungsposition konstant bleibt.

Bei der verwendeten speziellen Folge des Pseudorausch-Codes handelt es sich um eine Folge maximaler Länge („m-Folge"), die auf Grundpolynomen beruht. Eine m-Folge hat eine Länge von (2^N-1), wobei N eine positive ganze Zahl ist, und deshalb wird für die Statorpole sowie für die Rotorpole vorzugsweise eine Anzahl von (2^N-1) gewählt. N = 1 stellt den Trivialfall eines einzigen Pols dar, sodass für N eine Zahl größer als 1 gewählt wird. Die Grundpolynome für die Polynomgrade 2, 3, 4, 5 und 6 sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1

Polynomgrad	Grundpolynom(e)
2	x² + x + 1
3	x³ + x² + 1
	x³ + x + 1
4	x⁴ + x³ + 1
	x⁴ + x + 1
5	x⁵ + x⁴ + x³ + x² + 1
	X⁵ + X⁴ + X³ + X + 1
	X⁵ + X⁴ + X² + X + 1
	X⁵ + X³ + X² + X + 1
	X⁵ + X³ + 1
	X⁵ + X² + 1
6	X⁶ + X⁵ + X⁴ + X + 1
	X⁶ + X⁵ + X³ + X² + 1
	X⁶ + X⁵ + X² + X + 1
	X⁶ + X⁴ + X³ + X + 1
	X⁶ + X⁵ + 1
	X⁶ + X + 1

Im Allgemeinen nimmt die Anzahl der Grundpolynome mit der Anzahl der Pole zu. Bei 7 Polen gibt es 18 solcher Grundpolynome. Bei 8 Polen sind es 16 und bei 9 Polen 48 Grundpolynome. Bei noch mehr Polen gibt es noch mehr Polynome.
Das zum Erzeugen der in 1 dargestellten Polfolge verwendete Grundpolynom ist ein Polynom vom Grad 4 (N = 4, damit ist die Anzahl der Pole gleich 2^N-1 bzw. gleich 15), genauer gesagt X⁴ + X + 1. Wenn dieses Polynom gleich O gesetzt und in Boolescher Algebra ausgedrückt wird, ergibt sich die Gleichung: X4 = X + 1 (= X1 + X0) (1)
Eine zyklische Folge von Einsen und Nullen kann aus einer Fibonacci-Folge eines linearen Rückkopplungs-Schieberegisters (LFSR) erzeugt werden, bei dem jeder Polynomgrad einem Ausgang eines entsprechenden Signalspeichers (d.h. einer verschiedenen Phase der zyklischen Signalfolge) darstellt. Eine solche Fibonacci-Folge eines LFSR für Gleichung (1) (d.h. für das Polynom X⁴ + X + 1) zeigt 5. Für jedes Grundpolynom kann eine entsprechende Fibonacci-Folge eines LFSR erzeugt werden. Die so erzeugte Folge ist eine „m-Folge".

Für jeden beliebigen Satz von Anfangswerten in den Signalspeichern von 5 (außer dem Trivialfall, bei dem alle Werte gleich null sind), ist die Folge der durch die Signalspeicher erzeugten Werte zyklisch. Zum Beispiel ist bei dem Satz der Anfangswerte der Signalspeicher von 1, 1, 1, 1, (d.h. X³ = X² = X¹ = X⁰ = 1), X⁴ gleich 0, was bedeutet, dass die Signalspeicher während der nächsten Phase der Folge die Werte 0, 1, 1, 1 enthalten. Dieser Prozess kann gemäß Tabelle 2 fortgesetzt werden. Tabelle 2

Phase	X³	X²	X¹	X⁰
0	1	1	1	1
1	0	1	1	1
2	0	0	1	1
3	0	0	0	1
4	0	0	0	0
5	0	1	0	0
6	0	0	1	0
7	1	0	0	1
8	1	1	0	0
9	0	1	1	0
10	1	0	1	1
11	0	1	0	1
12	1	0	1	0
13	1	1	0	1
14	1	1	1	0

In Phase 15 kehrt der Satz der Werte wieder zurück zu 1, 1, 1, 1, die wiederum der Phase 0 entsprechen, und der Zyklus wird somit einfach wiederholt.
Zu beobachten ist, dass dieselbe Folge von Einsen und Nullen jeden Signalspeicher zyklisch durchläuft, allerdings in einer anderen Phase. Diese m-Folge enthält 15 Werte und wird nach dem letzten Wert unendlich oft wiederholt.
Die m-Folge lautet: 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0 (2)
Wenn bei dem Rotor 101 in 1 in der obigen m-Folge (2) eine „1" dem Nordpol und eine „0" dem Südpol entspricht, zeigt sich, dass die m-Folge (2) genau der Folge der Rotorpole 126 bis 140 entspricht, die bei der Ausrichtungsmarke 107 beginnt und sich in Uhrzeigerrichtung fortsetzt. Wenn eine „1" in der obigen m-Folge (2) einem Statorpol mit einem positiven Magnetfluss durch die Statorwicklung in Anwesenheit eines Nordpols des Rotors und eine „0" einem Statorpol mit einem negativen Magnetfluss durch die Statorwicklung in Anwesenheit eines Nordpols des Rotors entspricht, entspricht die m-Folge (2) außerdem genau der Folge der Statorpole 111 bis 125, die bei der Ausrichtungsmarke 108 beginnt und sich in Uhrzeigerrichtung fortsetzt.
Da eine m-Folge zyklisch ist, kann sie in einer von vielen phasenverschobenen Varianten vorliegen. Zum Beispiel stellt die Folge 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0 (3)lediglich eine phasenverschobene Variante der obigen m-Folge (2) dar. Eine Eigenschaft einer m-Folge besteht darin, dass jede Phasenvariante der Folge praktisch orthogonal zu jeder anderen Variante derselben Folge in einer anderen Phase ist. Mit anderen Worten, es besteht praktisch keine Korrelation zwischen den einzelnen Elementen einer m-Folge und einer phasenverschobenen Variante derselben m-Folge. In ein und derselben Phase korrelieren die einzelnen Elemente einer m-Folge natürlich ideal miteinander.
Mathematisch lässt sich diese Orthogonalität bzw. die fehlende Korrelation zwischen verschiedenen Phasenvarianten ein und derselben m-Folge durch Umwandlung der Nullen in der Folge in –1 und Bildung des Skalarprodukts von zwei beliebigen Folgen darstellen. Es lässt sich zeigen, dass für jedes Paar von Termen der Folge mit positiver Korrelation (beide Terme entweder gleich 1 oder –1) das entsprechende Skalarprodukt gleich 1 ist, während für jedes Paar von Termen der Folge mit negativer Korrelation das entsprechende Skalarprodukt gleich –1 ist. Da es sich dabei um Binärwerte handelt, ergibt ein Paar Zufallsfolgen eine gleiche Anzahl positiver und negativer korrelierender Werte, d.h. eine gleiche Anzahl von 1en und –1en der Terme des Skalarprodukts. Das Skalarprodukt von zwei Zufallsfolgen sollte deshalb ungefähr gleich 0 sein. Wenn diese Operation mit der m-Folge (2) und deren phasenverschobenen Variante (3) durchgeführt wird, ist das Skalarprodukt gleich: 1 × –1 + 1 × –1 + 1 × 1 + 1 × –1 + –1 × –1 + –1 × 1 + –1 × 1 + 1 × –1 + –1 × 1 + –1 × –1 + 1 × 1 + 1 × 1 + –1 × 1 + 1 × 1 + –1 × –1 = –1.
Wenn die Anzahl der Terme in der Folge ungerade ist, kann sich kein Skalarprodukt gleich 0 ergeben, aber der Wert –1 kommt dem ausreichend nah, sodass gesagt werden kann, dass praktisch keine Korrelation vorliegt. Wenn dasselbe Skalarprodukt für jedes mögliche Paar von Phasenvarianten der m-Folge (2) berechnet wird, zeigt sich, dass das Skalarprodukt immer gleich –1 ist, außer wenn das Paar zwei Varianten mit identischer Phase beinhaltet, wofür das Produkt gleich 15 ist. Mit anderen Worten, wenn M eine Matrix 15×15 ist, deren Zeilen die durch 1en und –1en ausgedrückten verschiedenen phasenverschobenen Varianten der m-Folge (2) darstellen, ergibt das Matrixprodukt von M und deren transponierter Matrix (M·M^T) eine Matrix, deren sämtliche Elemente bis auf die Hauptdiagonale gleich –1 sind, wobei die Elemente der Hauptdiagonalen gleich 15 sind. Darüber hinaus gilt für alle m-Folgen dieselbe Beziehung, dass der Wert entlang der Diagonalen gleich der Anzahl der Elemente in der m-Folge ist.
In ihrer physikalischen Umsetzung auf einen elektrischen Generator bedeuten diesen mathematischen Beziehungen, dass bei der Zuweisung der Polaritäten zu einem Rotor und einem Stator gemäß identischen m-Folgen die Pole an einem Punkt der Rotorumdrehung ideal korrelieren (deckungsgleich sind) und in allen anderen Stellungen keinerlei Korrelation aufweisen. Der Deckungspunkt entspricht dem Punkt mit dem maximalen Nettomagnetfluss in der Ankerwicklung, der beim Durchlaufen dieses Punktes durch den Rotor einen starken Impuls erzeugt. Da alle anderen Punkte im Wesentlichen keine Korrelation und deshalb denselben niedrigen Wert des Nettomagnetflusses aufweisen, kommt es beim Durchlaufen dieser Punkte durch den Rotor zu keiner Änderung des Nettomagnetflusses, und es wird keine Spannung induziert. Somit kann zum Zuweisen der Polarität von Polen in einem elektrischen Impulsgenerator eine beliebige m-Folge verwendet werden. Diese Beziehung eignet sich für eine variierende Anzahl von Polen. Für jede Anzahl von Polen gleich (2^N-1), bei der N gleich einer positiven ganzen Zahl ist, kann eine geeignete m-Folge erzeugt werden. Wenn also ein Generator mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Polen als bei dem in 1 gezeigten Generator mit 15 Polen gebaut werden soll, können andere Anzahlen von Polen durch die Zuweisung mittels m-Folgen unterstützt werden.
Alternative Beispiele für Generatoranordnungen
Der Generator 100 von 1 stellt eine Ausführungsart gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei dem das magnetische Erregerfeld durch einen Satz am Rotor 101 angebrachter Dauermagnete bereitgestellt wird, die im Innern eines stationären Ankers (Stator 102) angeordnet und von diesem umgeben sind. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass bezüglich Konstruktion und Anordnung von Rotor, Stator, Magnetfeldvorrichtung und Anker viele Varianten möglich sind. Im Folgenden werden mehrere solcher alternativer Ausführungsarten beschrieben, wobei klar ist, dass diese alternativen Ausführungsarten lediglich als Beispiel für mögliche Varianten beschrieben werden und es viele andere Varianten gibt, wobei die hier eingehend beschriebenen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung aufzufassen sind.
Als Magnetfeldvorrichtung kann allgemein jede Vorrichtung bezeichnet werden, die ein magnetisches Erregerfeld bereitstellt. Üblicherweise wird dieses Feld entweder durch einen Satz Dauermagnete oder eine oder mehrere in Form von mehreren Polen angeordnete elektromagnetische Spulen bereitgestellt. Die Spule ist normalerweise an den Polen in Serie angeordnet, jedoch kann sie auch parallel angeordnet sein. Die Spule wird üblicherweise durch eine Gleichstromquelle erregt, jedoch kann sie auch geschaltet oder gepulst erregt werden. Die Spule kann aber auch durch eine Wechselstromquelle erregt werden, was im Folgenden erörtert wird. Jeder Pol der Spule umgibt üblicherweise einen Kern aus einem magnetischen Material, um einen Magnetflusspfad zu schaffen. Im Fall einer durch eine Gleichspannungsquelle erregten Spule handelt es sich bei dem Magnetkern üblicherweise um ein festes elektrisch leitendes Material wie beispielsweise Eisen, um den Wirbelstromeffekt möglichst vorteilhaft auszunutzen.
Die Ankerwicklung ist ein Leiter, der durch die Magnetfeldvorrichtung erregt wird. Normalerweise besteht die Ankerwicklung aus mehreren Spulenwicklungen um einen Magnetkern aus geschichtetem Material oder aus einem festen Magnetkern aus einem elektrisch nichtleitenden Material, um die Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten. Zum Beispiel kann der Kern der Ankerwicklung aus mehreren Blechen Siliciumstahl bestehen, die bis zu einer geeigneten Dicke zusammengefügt sind. Die Pole der Ankerwicklung sind normalerweise in Reihe geschaltet, um eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen, allerdings können sie auch parallel geschaltet sein.
Um eine elektrische Spannung zu erzeugen, müssen sich die Magnetfeldvorrichtung und die Ankerwicklung zwangsläufig gegeneinander drehen, jedoch kann sich auch nur eines der beiden Elemente drehen. D.h., die Ankerwicklung kann am Stator angebracht sein, während die Magnetfeldvorrichtung (wie bei der Ausführungsart von 1) am Rotor angebracht ist, oder die Magnetfeldvorrichtung kann am Stator und die Ankerwicklung am Rotor angebracht sein. Es wäre sogar möglich, jedes der beiden Elemente an einem separaten Rotor anzubringen, die sich gegeneinander drehen, möglicherweise in entgegengesetzten Richtungen; abgesehen von speziellen Anwendungsfällen wäre diese Konstruktion allerdings zu komplex und somit nicht zu rechtfertigen.
Üblicherweise umgibt der Stator den Rotor und umschließt ihn praktisch, was bei der Ausführungsart von 1 gezeigt ist. Diese Konstruktion ist mechanisch oft einfacher, da der Rotor direkt auf eine rotierende Welle montiert werden kann und der sich drehende Rotor auf diese Weise mechanisch durch den Stator geschützt wird. Stattdessen ist es jedoch auch möglich und bei vielen Anwendungen auch erwünscht, den Stator in der Nähe der Drehachse und den Rotor um den Stator herum anzuordnen. Außerdem brauchen der Rotor und der Stator gemäß 1 keine konzentrischen Zylinder zu sein. Ein Rotor und ein Stator können die Form von Scheiben (und sogar abwechselnd angeordneten Scheiben) oder eine beliebige Anzahl alternativer Geometrien aufweisen.
Zum Beispiel ist bei der obigen Erörterung des Generators 100 von 1 das innere zylindrische Bauteil als Rotor 101 und das äußere zylindrische Bauteil als Stator 102 bezeichnet worden. Jedoch kann das äußere Bauteil (Anker) als Rotor und das innere Bauteil als Stator verwendet werden. Ferner wäre es möglich, die Pole der die Magnetfeldvorrichtung bildenden Dauermagnete am äußeren Bauteil (bei dem es sich entweder um einen Rotor oder einen Stator handeln kann) und die Ankerwicklung am inneren Bauteil anzubringen.
6 veranschaulicht bestimmte weitere alternative Generatoranordnungen. Ebenso wie bei 1 handelt es sich bei 6 um eine vereinfachte Querschnittsdarstellung, deren Querschnitt senkrecht zur Drehachse liegt. 6 zeigt, dass ein inneres zylindrisches Bauteil 601 mehrere in gleichem Abstand voneinander auf dem Umfang angeordnete Pole 626 bis 640 von elektromagnetischen Spulen enthält, während ein äußeres zylindrisches Bauteil 602 eine gleiche Anzahl in gleichem Abstand voneinander auf dem Umfang angeordneter Pole 611 bis 625 von elektromagnetischen Spulen enthält. Eine Leiterwicklung mit zwei Anschlussleitungen 603 verbindet die Pole der Spule am äußeren zylindrischen Bauteil 602 in Reihe miteinander, und eine zweite Leiterwicklung mit zwei Anschlussleitungen 604 verbindet die Pole der Spule am inneren zylindrischen Bauteil 601 in Reihe miteinander. Die Leiterwicklung 603 ist um eine Magnetkernstruktur des äußeren Bauteils 602 und eine Leiterwicklung 604 um eine Magnetkernstruktur des inneren Bauteils 601 gewickelt.
Aus gutem Grund wurde in der Beschreibung von 6 bis jetzt auf die Begriffe „Stator", „Rotor", „Ankerwicklung" und „Feldspule verzichtet. Als inneres zylindrisches Bauteil 601 kann entweder ein Stator oder ein Rotor und entweder eine Ankerwicklung oder eine Feldspule oder eine beliebige Kombination davon dienen. Dasselbe gilt für das äußere zylindrische Bauteil 602.
Bei einer ersten alternativen Ausführungsart ist speziell das Bauteil 601 ein Rotor, der als Spule der Magnetfeldvorrichtung fungiert, während das Bauteil 602 ein Stator ist, der als Ankerwicklung fungiert. Bei dieser ersten alternativen Übertragung wird den Anschlussleitungen 604 ein Erregerstrom (vorzugsweise ein Gleichstrom) zugeführt, um in den Polen des Bauteils 601 ein Magnetfeld zu erzeugen, durch die Drehung des Bauteils 601 dreht sich das Feld in Bezug auf das Bauteil 602 (der Ankerwicklung), und das rotierende Feld induziert einen Impuls an den Ausgangsleitungen 603 der Wicklungen des Bauteils 602.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsart ist das Bauteil 601 ein Rotor, der als Ankerwicklung fungiert, und das Bauteil 602 ist ein Stator, der als Spule der Magnetfeldvorrichtung fungiert. Bei dieser zweiten alternativen Ausführungsart wird der Erregerstrom (vorzugsweise ein Gleichstrom) den Anschlussleitungen 603 zugeführt, um in den Polen des Bauteils 602 ein stationäres Magnetfeld zu erzeugen, durch die Drehung des Bauteils 601 dreht sich die Ankerwicklung in Bezug auf dieses stationäre Feld, und durch die Drehung wird an den Ausgangsleitungen der Wicklungen 604 des Bauteils 601 ein Impuls induziert.
Bei einer dritten alternativen Ausführungsart ist das Bauteil 601 ein Stator, der als Spule der Magnetfeldvorrichtung fungiert, und das Bauteil 602 ist ein Rotor, der als Ankerwicklung fungiert. Bei dieser dritten alternativen Ausführungsart wird den Anschlussleitungen 604 ein Erregerstrom (vorzugsweise ein Gleichstrom) zugeführt, um in den Polen des Bauteils 601 ein Magnetfeld zu erzeugen, und durch die Drehung des Bauteils 602 dreht sich die Ankerwicklung in Bezug auf dieses stationäre Magnetfeld, und durch die Drehung wird in den Ausgangsleitungen der Wicklungen 603 des Bauteils 602 ein Impuls induziert.
Bei einer vierten alternativen Ausführungsart ist das Bauteil 601 ein Stator, der als Ankerwicklung fungiert, und das Bauteil 602 ist ein Rotor, der als Spule der Magnetfeldvorrichtung fungiert. Bei dieser vierten alternativen Ausführungsart wird den Anschlussleitungen 603 der Erregerstrom (vorzugsweise ein Gleichstrom) zugeführt, um in den Polen des Bauteils 602 ein Magnetfeld zu erzeugen, und durch die Drehung des Bauteils 602 wird das Magnetfeld gegenüber dem Bauteil 601 (der Ankerwicklung) in Drehung versetzt, und durch das rotierende Feld wird in den Ausgangsleitungen der Wicklungen 604 des Bauteils 601 ein Impuls induziert.
Der bevorzugte Aufbau von Magnetkernstrukturen des äußeren Bauteils 602 und des inneren Bauteils 601 hängt von der Funktion des betreffenden Bauteils ab, d.h., ob es als Ankerwicklung oder als Feldspule fungieren soll. In der Ankerwicklung (entweder als Rotor oder Stator bzw. als Bauteil 601 oder 602) kommt es zu einer drastischen Änderung des Stroms, sodass zur Minimierung von Wirbelstromverlusten vorzugsweise ein Kern aus geschichteten Blechen (zum Beispiel aus dünnen Siliciumstahlblechen) oder aus dem elektrisch nichtleitenden Material verwendet wird. Die Feldspule (entweder als Rotor oder Stator bzw. als Bauteil 601 oder 602) wird vorzugsweise durch einen Gleichstrom erregt, sodass für den Kern vorzugsweise ein festes elektrisch leitendes Material verwendet wird. Bei denjenigen Anwendungen, bei denen die Feldspule auch durch einen zeitlich veränderlichen Strom erregt wird, kann für die Feldspule alternativ auch ein geschichtetes elektrisch nichtleitendes Kernmaterial bevorzugt werden.
7 veranschaulicht eine weitere Auswahl alternativer Generatoranordnungen. Bei den in 7 dargestellten Anordnungen bestehen die Ankerwicklung und die Magnetfeldvorrichtung aus plattenförmigen Bauteilen, die senkrecht auf der Drehachse montiert und zu dieser zentriert sind, wobei die plattenförmige Ankerwicklung im Wesentlichen parallel zur plattenförmigen Magnetfeldvorrichtung liegt. 7 zeigt drei Scheiben in Explosionsdarstellung, von denen zwei Feldscheiben 701, 703 mit Dauermagneten sind und die andere eine Ankerwicklung 702 ist. Im Einbauzustand liegt die Platte 702 der Ankerwicklung in der Mitte zwischen den Feldplatten 701, 703. Obwohl in 7 drei Scheiben dargestellt sind, ist klar, dass die Anzahl der Platten variieren und auf eine größere Anzahl abwechselnder Platten auf einer gemeinsamen Achse erweitert werden kann.
7 zeigt, dass jede der Feldplatten 701, 703 eine gleiche Anzahl in gleichem Abstand voneinander auf dem Umfang angebrachter Dauermagnetpole enthält. Die Ankerplatte 702 enthält eine leitende Wicklung mit zwei Anschlussleitungen 704, die eine gleiche Anzahl von Spulenpolen bildet. Obwohl in der vereinfachten Darstellung von 7 nur eine Wicklung gezeigt ist, ist klar, dass normalerweise eine größere Anzahl von Wicklungen verwendet wird. Die Bezeichnung der Pole in 7 bezieht sich auf die der Ankerplatte gegenüberliegenden Pole. Die Anordnung der Pole auf der Platte 703 entspricht genau der Anordnung auf der Platte 701. In 7 erscheinen spiegelbildlich zueinander (d.h., für jeden Nordpol auf der Platte 701 ist auf der Platte 703 ein entsprechender Südpol dargestellt), da die Betrachtungsrichtung umgekehrt ist. D.h., wenn sich die Platte 701 oberhalb und die Platte 703 unterhalb der Ankerwicklung 702 befindet, entspricht einem Nordpol auf der Platte 701 einem Nordpol auf deren Unterseite (die zur Ankerwicklung hin zeigt), woraus folgt, dass sich auf der Oberseite ein Südpol befindet. Desgleichen entspricht ein Südpol an der entsprechenden Stelle auf der Platte 703 einem Südpol auf deren Oberseite (die zur Ankerwicklung hin zeigt), sodass diese der Platte 701 in Wirklichkeit identisch ist.
Ebenso wie bei den vielen Varianten von 6 kann sich entweder die Ankerwicklung oder die Feldwicklung auf dem Rotor befinden. D.h., die Platten 701 und 703 können sich im Gleichtakt als Rotor drehen, während die Platte 702 stationär bleibt, oder die Platte 702 kann sich drehen, während die Platten 701 und 703 stationär bleiben. Ferner ist klar, dass die Feldplatten alternativ die Form von elektromagnetischen Spulen annehmen können, die durch eine elektrische Spannungsquelle erregt werden.
Ein Beispiel für einen elektrischen Generator, der aus mehreren Platten aufgebaut ist, wird in der US-Patentschrift 5 721 461 gezeigt, die hier durch Bezugnahme einbezogen ist. Ein weiteres Beispiel für eine alternative Geometrie für einen Elektromotor (dessen Geometrie auch für einen elektrischen Generator verwendet werden kann) ist in der US-Patentschrift 5 670 837 zu finden, die hier durch Bezugnahme einbezogen ist.
Funktion bei Verwendung eines Wechselstrom-Erregerfeldes
Wenn das magnetische Erregerfeld durch eine elektromagnetische Wicklung erzeugt wird, kann die Wicklung durch eine Wechselspannungsquelle gespeist werden. Aus dem Beispiel einer Feldwicklung von 6 (wobei klar ist, dass die Feldwicklung anders aufgebaut sein kann) wird deutlich, dass, wenn der Rotor stationär ist und sich in der Deckungsposition befindet, der Erregergleichstrom in der Feldspule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld mit derselben Frequenz wie der Erregerstrom erzeugt, das in der Ankerwicklung eine Wechselspannung derselben Frequenz induziert. Mit anderen Worten, die Einrichtung fungiert als Transformator mit variabler magnetischer Kopplung. Durch die Drehung des Rotors ändert sich die magnetische Kopplung des „Transformators". Dabei besteht eine starke Kopplung zwischen der Erregerfeldspule und dem Anker nur in der Deckungsposition, während die Kopplung zwischen beiden in allen anderen Positionen des Rotors nur sehr gering ist.
In diesem „Transformatormodus" (bei dem der Rotor stationär ist und die Feldspule durch eine Wechselspannungsquelle erregt wird), wird die zeitliche Änderung des magnetischen Erregerfeldes ausschließlich durch die Erregerwechselspannungsquelle bestimmt. Wenn der Rotor bei dieser Anordnung in Drehung versetzt wird, ist eine zeitlich veränderliche Komponente auf die Rotordrehung und eine andere zeitlich veränderliche Komponente auf die Erregerwechselspannungsquelle zurückzuführen. Dabei hängt das relative Gewicht dieser Faktoren von den relativen Frequenzen der beiden zeitlich veränderlichen Komponenten ab. Wenn die Rotationsfrequenz des Rotor wesentlich geringer als die Frequenz der Erregerwechselspannungsquelle ist, verhält sich die Einrichtung wird ein gepulster oder ein geschalteter Transformator, bei dem der größte Teil der Energie durch den in die Feldspule eingespeisten Erregerstrom geliefert wird und der Transformator mit der Rotationsfrequenz des Rotors ein- und ausgeschaltet wird.
Wenn die Rotationsfrequenz des Rotors wesentlich größer als die Frequenz der Erregerwechselspannungsquelle ist, verhält sich der Erregerstrom ähnlich wie ein Gleichstrom während der kurzen Intervalle, während derer sich der Rotor in der Nähe der Deckungsposition befindet. Da aber tatsächlich eine Wechselspannung anliegt, variiert die Stärke zweier aufeinanderfolgender induzierter Spannungsimpulse mit der Erregerwechselspannung.
Wenn die Frequenzen des Rotors und der Erregerwechselspannungsquelle annähernd gleich sind, tragen beide wesentlich zu dem vom Anker wahrgenommenen zeitlich veränderlichen Erregerfeld bei. Insbesondere wenn die Wechselspannungsquelle und der Rotor genau synchronisiert sind, sollte die Einrichtung eine regelmäßige, mit der Rotordrehung synchrone Folge von Impulsen erzeugen, wie dies bei einem Gleichspannungserregerfeld der Fall ist. Durch die Komponente des Wechselspannungserregerfeldes kann die Größe oder die Form des Impulses durch die Steuerung der Phase der angelegten Wechselspannung angepasst werden.
Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass als Erregerfeld ein Dauermagnet oder ein Gleichspannungserregerfeld verwendet wird, jedoch kann es spezielle Anwendungen geben, bei denen ein Wechselspannungserregerfeld von Vorteil ist.
Anwendungsbeispiel: Funkenzündung für Verbrennungsmotoren
Für einen elektrischen Impulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es viele mögliche Anwendungen, jedoch wird hier nur eine einzige dieser Anwendungen beschrieben. Bei diesem Anwendungsbeispiel wird der Impulsgenerator zum Erzeugen eines Zündfunkens für einen Verbrennungsmotor verwendet. Zwar kann ein hier beschriebener elektrischer Impulsgenerator praktisch für jeden Typ von Verbrennungsmotor mit Funkenzündung verwendet werden, da er sehr zuverlässig arbeitet und zur Zündung keine extra Akkukapazität benötigt, eignet sich aber besonders zur Verwendung in Zündsystemen von Flugzeugmotoren.
In einem Verbrennungsmotor mit Funkenzündung (im Gegensatz zu einem Dieselmotor mit Selbstzündung) wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem geschlossenen Verbrennungsraum durch den Lichtbogen eines synchronisierten elektrischen Impulses (eines „Zündfunken") im Spalt zwischen zwei Elektroden gezündet. Zum Erzeugen des erforderlichen synchronisierten Impulses gibt es verschiedene herkömmliche Mechanismen. Kleine Motoren verwenden z.B. oft eine Magnetzündung, deren Impuls ausschließlich durch die kinetische Energie der beweglichen Motorteile erzeugt wird. Die meisten größeren Motoren verwenden die chemische Energie eines Akkus, der mit einem von verschiedenen möglichen Schaltungen zum Erzeugen des Impulses verbunden ist. Diese herkömmlichen Lösungen weisen bestimmte Nachteile auf. Die Magnetzündung enthält üblicherweise einen synchronisierten mechanischen Kontaktschalter („Unterbrecherkontakte") zum Öffnen eines elektrischen Schaltkreises, um zum richtigen Zeitpunkt einen Funken zu induzieren. Dieser Schalter wird durch Funkenerosion, Verschleiß, Einfluss der Luftfeuchtigkeit und andere mit beweglichen mechanischen Teilen verbundene Probleme beeinflusst. Schaltungen mit Batteriezündung erfordern einen Akku und zu dessen Erhaltungsladung ein Ladesystem, die bei kleinen tragbaren Motoren oft unerwünscht sind. Schaltungen, die einem Akku Leistung entnehmen, sind auf die ständige Verfügbarkeit der Batteriekapazität und des Ladesystems angewiesen. D.h., das Versagen eines Teils des Fahrzeugakkus, des Ladesystems oder des elektrischen Systems kann zum Ausfall des Zündsystems führen. Dieses Problem ist bei Kleinflugzeugen von großer Bedeutung, weshalb in solchen Flugzeugen oft Zündsysteme mit Magnetzündung verwendet werden, die von den elektrischen Systemen des Flugzeugs unabhängig sind. Und schließlich erzeugen solche herkömmlichen Mechanismen zwar ausreichend starke Funken, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch unter Normalbedingungen zu zünden, jedoch wären stärkere Impulse von Vorteil, weil dann eine vollständigere Verbrennung, höhere Leistung unter widrigen Bedingungen, die Nutzung von alternativen Kraftstoffen usw. möglich wäre.
8 ist eine vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung, der zum Erzeugen des Zündfunkens einen elektrischen Impulsgenerator verwendet. Der Motor umfasst eine Brennkammer 801, die durch ein bewegliches Motorteil 802 abgeschlossen ist. Während des Motorbetriebs wird unter Verwendung eines beliebigen (nicht gezeigten) Kraftstoffmechanismus ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 801 eingeleitet und durch einen elektrischen Funken gezündet. Die anschließende Explosion setzt das Motorteil durch die einwirkende Kraft in Bewegung und erzeugt mechanische Energie. Die Energie wird zur äußeren Nutzung an ein rotierendes Bauteil 803 (Kurbelwelle) übertragen. Obwohl 8 das Motorteil 802 als hin- und herlaufenden Kolben darstellt, ist klar, dass ein Motorteil alternativ auch ein keilförmiges Bauteil wie beim so genannten Wankel- oder Drehkolbenmotor verwenden oder eine andere Form aufweisen kann.
Der Impulsgenerator 100 erzeugt einen Impuls, der mit der Bewegung des Motorteils 802 und dem rotierenden Bauteil 803 synchronisiert ist. 8 zeigt eine Steuerkette 804, die das rotierende Bauteil 803 mit dem Generator 100 verbindet. Die Steuerkette 804 versetzt den Rotor in Drehung und liefert den Erregerstrom für den Generator 100, wobei die Drehung des Rotors mit der Drehung des Bauteils 803 synchronisiert ist, damit der Funke während der richtigen Rotationsphase erzeugt wird. Obwohl 8 eine Steuerkette zeigt, kann einer von vielen alternativen Mechanismen verwendet werden, zum Beispiel Zahnräder und Wellen, Zahnriemen usw., und der Rotor des Generators 100 kann durch mehrere solcher in der Technik bekannter Mechanismen mit dem rotierenden Bauteil 803 verbunden sein, zum Beispiel mit einem mit einer Nockenwelle verbundenen Zahnrad, das wiederum durch eine Steuerkette angetrieben wird. Außerdem kann der Rotor des Generators 100 auch Teil einer Nockenwelle sein, sodass kein Mechanismus dazwischen erforderlich ist.
Gemäß der obigen Erläuterung wird ein elektrischer Impuls erzeugt, wenn der Generator 100 seine Deckungsposition erreicht. Bei der Ausführungsart von 8 erregt dieser Impuls einen Primärkreis eines Transformators 805. Der Transformator 805 erregt einen Sekundärkreis mit Hochspannung, um eine Bogenentladung im Elektrodenspalt 806 in der Brennkammer 801 zu erzeugen.
8 zeigt die wichtigsten elektrischen Komponenten als Prinzipdarstellung, die nicht unbedingt der tatsächlichen Struktur entspricht. Der Elektrodenspalt 806 wird normalerweise durch eine auswechselbare „Zündkerze" gebildet. Als Transformator 805 kann ein separater Transformator dienen, oder er kann in eine Zündkerzenkappe (so genannte Spule-auf-Zündkerze-Technologie) oder strukturell in den Generator 100 integriert sein. Außerdem sind der Generator 100 und der Transformator 805 gegenüber der Brennkammer vergrößert dargestellt. Obwohl in 8 nur eine einzige Brennkammer 801 und ein Motorteil 802 dargestellt sind, ist außerdem auch klar, dass ein Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Brennkammern und entsprechende Motorteile aufweisen kann, die während einer bestimmten Zyklusphase des Motors jeweils einen Impuls benötigen. In diesem Fall können die Mechanismen, welche die Energie zum Rotor übertragen und diesen synchronisieren, den Rotor mit einem Vielfachen der Drehzahl der Nockenwelle in Drehung versetzen, und zum Übertragen eines Impulses zur gewünschten Brennkammer kann es einen Verteiler, Schalter oder anderen (nicht gezeigte) Mechanismen geben.
Oben wurde bereits erwähnt, dass der Impuls mit der Bewegung des Motorteils synchronisiert sein sollte, damit ein Funke zum richtigen Zeitpunkt während des Zyklus erzeugt wird (z.B. in der Nähe des oberen Totpunkts eines Verdichtungstakts). Bei bestimmten Typen von Verbrennungsmotoren wird auch zu anderen Zeitpunkten ein überflüssiger Funke erzeugt, z.B. in der Nähe des oberen Totpunkts eines Auslasstakts. Diese Typen dienen mitunter zur Vereinfachung der Zündschaltung. Zum Beispiel ist bei bestimmten Motortypen ein Paar Zündkerzen für zwei verschiedene Zylinder mit einer gemeinsamen Zündfunkenschaltung in Reihe geschaltet, wobei sich die Kolben in den beiden Zylindern gemeinsam bewegen, aber die Zylinder in Bezug auf einen Motorzyklus um 180° phasenversetzt sind, sodass sich ein Zylinder am oberen Totpunkt seines Verdichtungstakts und der andere am oberen Totpunkt seines Auslasstakts und umgekehrt befindet. Die hier beschriebene Vorrichtung zur Impulserzeugung kann ebenso auch in Anordnungen dieser Art verwendet werden, wobei hier unter einem „synchronisierten" Impuls lediglich zu verstehen ist, dass ein Impuls immer dann erzeugt wird, wenn dies vom Motor verlangt wird, unabhängig davon, ob die Impulse überflüssig sind.
In Verbindung mit 4 wird nochmals darauf verwiesen, dass ein Impuls gemäß der bevorzugten Ausführungsart normalerweise als Paar wechselnder Spannungsstöße entgegengesetzter Polarität erzeugt wird. Das kann bei einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors unerwünscht sein, da es ein Funkenpaar zwischen den Elektroden der Zündkerze induzieren kann, wobei der Strom den Elektrodenabstand in unterschiedlichen Richtungen überspringt. Diese Erscheinung kann zu übermäßiger Erosion der Elektroden oder anderen unerwünschten Effekten fuhren.
Ein alternatives Zündsystem für einen Verbrennungsmotor, das diesen Doppelfunken in zwei Richtungen vermeidet, ist in 9 gezeigt. Der Motor und das Zündsystem von 9 entsprechen im Wesentlichen denen von 8 und unterscheiden sich von diesem nur dadurch, dass in den Primarstromkreis eine zusätzliche Diode 906 und ein Kondensator 907 geschaltet sind. Die Wirkung dieser Zusatzkomponenten besteht darin, dass ein Strom durch den Primärstromkreis des Transformators 805 nur in einer Richtung erzeugt wird und der induzierte Funke im Sekundarstromkreis den Elektrodenspalt 806 nur in einer Richtung überspringt.
Während des Betriebs ist die Diode 906 nur während der ersten Hälfte des Impulses leitend, sodass der Strom durch die Diode 906 und den Ladekondensator 907 fließt und nicht in den Primärkreis des Transformators 805 gelangt. Wenn die Polarität des erzeugten Impulses während der zweiten Hälfte des Impulses wechselt, sperrt die Diode 906. Jetzt wird der Kondensator 907 geladen, und sein Spannungsabfall erregt zusammen mit dem Spannungsabfall des Generators den Primärkreis des Transformators 805, der den erforderlichen Funken im Spalt 806 induziert. Die Kapazität des Kondensators 907 wird genau so bemessen, dass sie einerseits groß genug ist, um den größten Teil der Energie während der ersten Half des Impulses aufzunehmen, und andererseits nicht zu groß ist, dass er nur teilweise geladen wird.
Weitere alternative Ausführungsarten und Ausführungsformen
Oben wird eine einzige beispielhafte Ausführungsart als Zündquelle für einen Verbrennungsmotor mit Funkenzündung erläutert. Es ist jedoch klar, dass ein Impulsgenerator in einer beliebigen der hier beschriebenen verschiedenen Anordnungen oder Verwendungsarten in einer großen Vielfalt nicht besonders erwähnter Anwendungen eingesetzt werden kann. Im Allgemeinen kann ein solcher Impulsgenerator bei einer beliebigen herkömmlichen Anwendung eingesetzt werden, welche die Bereitstellung eines elektrischen Impulses erfordert. Darüber hinaus kann er für Anwendungen eingesetzt werden, die es noch nicht gibt oder die nur eingeschränkt realisiert werden können, die ebenfalls einen elektrischen Impuls erfordern. Gemäß der obigen Erläuterung können hierzu Anwendungen gehören, für die es gegenwärtig noch keine geeignetes Mittel zum Erzeugen eines erforderlichen Impulses gibt, der jedoch durch den hier beschriebenen Impulsgenerator erzeugt werden kann. Die folgenden möglichen Anwendungen stellen nur Beispiele dar und sind nicht als Einschränkung zu verstehen:
Metallbearbeitung mit elektrischen Entladungen; Impulsschweißen; Impulszündung für Öfen; verschiedene Anwendungen zum Katalysieren chemischer Reaktionen; Anwendungen zum Katalysieren von Kernreaktionen; elektromagnetische Geschütze; Datenübertragung; Radar; und Warnsignale.
Bei der obigen Beschreibung wurde im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Drehzahl des Rotors einen konstanten Wert hat. In Wirklichkeit kann die Drehzahl schwanken, und die Aufgabe des hier beschriebenen Impulsgenerators kann darin bestehen, diesen Wert zu ermitteln oder zu übermitteln. D.h., ein Impulsgenerator der oben beschriebenen Art kann als Sensor zum Ermitteln der Drehzahl des Rotors und möglicherweise zum Übermitteln dieses Wertes über weite Entfernungen oder in verrauschten Umgebungen verwendet werden.
Gemäß der obigen Beschreibung ist ein rotierender elektrischer Impulsgenerator so konstruiert, dass seine Pole eine pseudozufällige Verteilung mit der Eigenschaft aufweisen, dass die Pole während jeder Umdrehung nur an bestimmten diskreten Stellen (vorzugsweise nur an einer Stelle) zu Deckung gebracht werden, um einen elektrischen Impuls zu erzeugen, während die Pole an anderen Stellen im Wesentlichen orthogonal zueinander sind, d.h., es besteht keine Korrelation zwischen den Magnetfeldpolen und den Polen der Ankerwicklung, sodass in der Ankerwicklung insgesamt nur eine geringe oder gar keine Spannung erzeugt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsart wird dies dadurch erreicht, dass die Pole gleich groß und in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Polarität in der oben beschriebenen Weise variiert wird, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Alternativ kann eine ähnliche Wirkung durch Variieren der Größe der Pole, der Abstände zwischen den Polen und andere konstruktive Details erzielt werden, sodass die Pole nur an der Deckungsposition zu Deckung gebracht werden, die vorzugsweise nur einmal während jeder Umdrehung auftritt, während ansonsten nur eine geringe oder gar keine Spannung in der Ankerwicklung erzeugt wird. Durch eine solche asymmetrische Konstruktion wird der Einrichtung natürlich wesentlich komplexer. Es kann jedoch ungewöhnliche oder spezielle Anwendungen geben, bei denen eine solche Konstruktion von Vorteil ist. Außerdem können ein rotierender elektrischer Impulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert werden, bei dem die Anzahl der Pole der Ankerwicklung ungleich der Anzahl der Pole des Erregermagnetfeldes ist. Bei einem einfachen Beispiel kann die Anzahl der Pole der Ankerwicklung doppelt so groß sein wie die Anzahl der Magnetfeldpole, sodass jeder Magnetfeldpol zwei Pole der Ankerwicklung in einer Deckungsposition erregen kann. Auch andere einfache numerische Verhältnisse (z.B. 3:2) sind möglich.
Bei den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsarten wurde davon ausgegangen, dass es nur eine einzige Deckungsposition gibt und dass die Pole des Rotors nur einmal während jeder Umdrehung mit den Polen des Stators entsprechender Polarität zur Deckung gebracht werden, um einen starken Impuls zu erzeugen. Es ist jedoch klar, dass alternativ mehrere Deckungspositionen bereitgestellt werden können, an denen ein Impuls erzeugt wird, indem sich die pseudozufällige Folge von Polen um ein ganzzahliges Vielfaches auf dem Rotor und dem Stator wiederholt. Eine solche Ausführungsform kann z.B. bei einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor von Nutzen sein, bei dem es aus konstruktiven Gründen wünschenswert ist, den elektrischen Impulsgenerator mit einer Nockenwelle oder einer anderen Komponente zu steuern, die sich für jeden erforderlichen Zündfunken um einen ganzzahligen Bruchteil einer Umdrehung weiterdreht.
Bei den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsarten wurde im Allgemeinen davon ausgegangen, dass sich der Rotor mit konstanter Drehzahl dreht. Zum Beispiel ist in dem elektrischen Impulsschaubild von 4 ein wechselnder Impuls dargestellt, dessen positive Spitze genauso groß ist wie die negative Spitze. Bei dem oben beschriebenen Verbrennungsmotor ist der Rotor mit der Nockenwelle des Motors selbst verbunden und dreht sich mit einer zur Nockenwelle synchronen Drehzahl. Die für die Erzeugung von elektrischer Energie in Form eines Impulses erforderliche Energie muss jedoch von irgendwoher kommen, wobei als Energiequelle die kinetische Energie des Rotors infrage kommt. Deshalb wird der Rotor abgebremst, während er den Impuls induziert und die mechanische kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die Auswirkung dieser Energieumwandlung auf die Drehzahl des Rotors kann je nach Generatortyp und Anwendungsfall vernachlässigbar klein oder groß sein. Bei einem Zündfunkengenerator für einen Verbrennungsmotor ist das Trägheitsmoment des Rotors und der anderen mit ihm verbundenen Motorteile in der Regel im Verhältnis zur Funkenenergie so groß, dass die Auswirkung der durch den Generator bewirkten Energieumwandlung auf die Drehzahl des Rotors normalerweise vernachlässigbar klein ist. Bei anderen Anwendungen kann der Rotor als Folge der Energieumwandlung sehr stark abgebremst werden. Im letzteren Fall kann sogar ein Generator gebaut werden, bei dem der Rotor während seiner Drehung anhält, obwohl der Bau einer solchen Einrichtung aufgrund der magnetischen Sättigung der Kernmaterialien usw. auf physikalische Grenzen stoßen kann. Wenn die Erzeugung eines Impulses eine starke Verringerung der Rotordrehzahl bewirkt, kann sich das Aussehen des charakteristischen Impulsprofils von 4 verändern.
Bei den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsarten wurde im Allgemeinen davon ausgegangen, dass der Generator eine Impulsfolge induziert, die mit der Drehzahl des Rotors übereinstimmt. Bei manchen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, einen einzigen langen Impuls zu erzeugen und den Rotor vor dem Erzeugen des Impulses auf eine hohe Drehzahl zu beschleunigen, wozu mehrere Umdrehungen erforderlich sein können. Bei diesen Anwendungen könnte ein Schaltmodus angewendet werden. zum Beispiel kann eine Magnetfeldspule zunächst im Leerlauf betrieben werden, sodass sie durch keinen Strom erregt wird. Nach dem Beschleunigen des Rotors auf eine gewünschte Drehzahl kann ein Schalter geschlossen werden, sodass ein Strom durch die Magnetfeldspule fließt. An der nächsten Deckungsposition wird ein Impuls erzeugt. Alternativ kann die Spule der Ankerwicklung im Leerlauf und betrieben und auf die vorgesehene Last umgeschaltet werden, wenn die gewünschte Drehzahl erreicht ist.
Bei den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsarten sind der elektrische Impulsgenerator 100 und dessen Varianten im Allgemeinen als isolierte Einheit beschrieben worden. Bei einigen, insbesondere den in 6 gezeigten Varianten wird davon ausgegangen, dass zum Erzeugen eines geeigneten Erregermagnetfeldes eine externe Stromquelle elektrischen Strom (vorzugsweise Gleichstrom) für die Magnetfeldspulen bereitstellt. Es ist klar, dass dies unter Verwendung eines gekoppelten Generators geschehen kann, bei dem zwei Rotoren von zwei separaten Generatoren an einem gemeinsamen rotierenden Bauteil angebracht sind. Bei einer solchen Ausführungsform kann zum Beispiel ein erster Generator den Strom für die Magnetfeldspule eines zweiten Generators erzeugen, die am Rotor des zweiten Generators angebracht ist. Bei dem ersten Generator kann es sich um einen herkömmlichen Generator handeln, der kontinuierlich Strom (entweder Gleich- oder Wechselstrom) liefert, während es sich bei dem zweiten Generator um einen hier beschriebenen Impulsgenerator handelt. Alternativ können für beide Generatoren die hier beschriebenen Impulsgeneratoren verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsarten ist der elektrische Impulsgenerator als rotierende Einrichtung beschrieben worden, bei der die Relativbewegung zwischen einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Erregermagnetfeldes und einer erregten Spule (der Ankerwicklung) dadurch erzeugt wird, dass eines dieser Elemente auf einer Achse gegenüber dem anderen Element in Drehung versetzt wird. Es ist jedoch klar, dass dieselben Konstruktionsprinzipien bei bestimmten speziellen Anwendungen auf andere Formen der Relativbewegung, insbesondere auf eine lineare Relativbewegung, angewendet werden können. Zum Beispiel kann sich ein bewegliches Bauteil mit M Polen linear entlang einem feststehenden Bauteil mit einer größeren Anzahl von Polen bewegen, deren Polaritätsfolge sich nach jeweils M Polen wiederholt. Eine mögliche Anwendung für eine solche Einrichtung, die jedoch nicht unbedingt die einzige Anwendung darstellen muss, kann ein Impulssensor zum Erkennen der Position und/oder der Geschwindigkeit des beweglichen Bauteil sein.
Obwohl eine spezielle Ausführungsart der Erfindung zusammen mit bestimmten Alternativen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass weitere Varianten in Form und Detail innerhalb des Geltungsbereich der folgenden Ansprüche möglich sind.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen, die Folgendes umfasst: einen Rotor; eine elektromagnetische Ankerwicklung, die einen elektrischen Leiter umfasst, welcher in einer Vielzahl von Polen angeordnet ist, wobei jeder Pol eine bestimmte Polarität aufweist; eine Magnetfeldvorrichtung mit einer Vielzahl von Polen, wobei jeder Pol eine bestimmte Polarität aufweist; bei der die elektromagnetische Ankerwicklung oder die Magnetfeldvorrichtung am Rotor angebracht ist und das jeweils andere Bauelement, die Magnetfeldvorrichtung oder die elektromagnetische Ankerwicklung, nicht am Rotor angebracht ist, wobei die elektromagnetische Ankerwicklung und die Magnetfeldvorrichtung so angebracht sind, dass sie sich in Bezug zueinander drehen; dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der Ankerwicklung und der Magnetfeldvorrichtung in einer Folge maximaler Länge so angeordnet sind, dass die Pole der Ankerwicklung an einer oder mehreren bestimmten ausgerichteten Winkelpositionen im Wesentlichen so auf die Pole der Magnetfeldvorrichtung einer entsprechenden Polarität ausgerichtet sind, dass ein relativ großer Nettomagnetfluss durch dien Ankerwicklung erzeugt wird und an anderen Winkelpositionen des Rotors als dem einen oder den mehreren bestimmten Winkelpositionen ein relativ geringer Nettomagnetfluss erzeugt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach Anspruch 1, bei der die Pole der Ankerwicklung bei genau einer Winkelposition des Rotors im Wesentlichen auf die Pole der Magnetfeldvorrichtung einer entsprechenden Polarität ausgerichtet sind.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ankerwicklung am Rotor und die Magnetfeldvorrichtung an einem Stator angebracht ist oder bei der alternativ die Ankerwicklung an einem Stator und die Magnetfeldvorrichtung am Rotor angebracht ist.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Magnetfeldvorrichtung einen elektrischen Leiter umfasst, die in der Vielzahl von Polen angeordnet ist und durch eine elektrische Energiequelle angetrieben wird.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach Anspruch 4, bei der als Stromquelle zum Antreiben der Magnetfeldvorrichtung eine Konstant-Gleichstromquelle oder eine Dauer-Wechselstromquelle dient.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach Anspruch 4, bei der als Stromquelle zum Antreiben der Magnetfeldvorrichtung eine geschaltete Stromquelle dient, die zuerst ausgeschaltet ist und dann eingeschaltet wird, um mindestens einen Impuls zu erzeugen, nachdem der Rotor eine gewünschte Rotationsgeschwindigkeit erreicht hat.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Magnetfeldvorrichtung eine Vielzahl Dauermagnete umfasst.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pole der Ankerwicklung gleich groß und in gleichen Abständen auf dem Umfang um die Achse herum angeordnet sind und wobei die Pole der Magnetfeldvorrichtung gleich groß und in gleichen Abständen auf dem Umfang um die Achse herum angeordnet sind.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach Anspruch 8, bei der die Anzahl der Pole der Ankerwicklung gleich der Anzahl der Pole der Magnetfeldvorrichtung ist.
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen in einem Schaltmodus arbeitet, wobei ein Ausgang der Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Impulse zunächst lastfrei ist und dann durch Umschalten mit einer Last verbunden wird, um mindestens einen Impuls zu erzeugen, nachdem der Rotor eine gewünschte Rotationsgeschwindigkeit erreicht hat, oder die Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen arbeitet alternativ in einem kontinuierlichen Modus, bei dem ein Ausgang der Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen eine kontinuierliche Impulsfolge erzeugt, wenn der Rotor durch eine oder mehrere bestimmte ausgerichtete Winkelpositionen rotiert.