DE69915604T2 - Verbesserter elektromotor - Google Patents

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Description

  • Ein üblicher elektrischer Gleichstrom- oder Wechselstrommotor (1, 2) verwendet das magnetische Prinzip der Abstoßung gleicher magnetischer Pole und der Anziehung ungleicher magnetischer Pole. Dieses Prinzip und das Wissen, dass sich durch Ändern der Richtung eines elektrischen Stromes durch eine stromführende Spule die magnetischen Pole von Metall-, Ferrit- oder Phenolkernen, welche durch die stromführende Spule hindurchreichen, ändern, wird angewendet. Dieses Verfahren wird verwendet, um durch die Abstoßungs- und Anziehungswirkung von Rotor und Stator abhängig von den Designanforderungen des elektrischen Motors eine Rotation zu bewirken. Alle gegenwärtigen Designs weisen denselben Designfehler auf und verwenden nur eine Seite des angeregten Kerns, um die Rotationsbewegung von Rotor oder Stator zur erzeugen. Während es nicht ineffizient ist, nur eine Seite eines Permanentmagneten zu verwenden, ist es sehr ineffizient, nur eine Seite eines angeregten Kerns zu verwenden. Dabei wird nur die Hälfte des Potentials des elektrischen Motors verwendet.
  • Die US 4,731,554 offenbart einen ringförmigen D. C. oder Induktionsmotor mit einem ringförmigen Statormittel und einem ringförmigen Rotormittel, welches von dem Statormittel auf beiden Seiten radial beabstandet ist. Permanentmagneten des Rotormittels sind magnetisch an Windungen des Statormittels gekoppelt. Der lamellenartige Kern des Statormittels hat eine Toroidform aus Eisenmaterial, und um den Kern herum sind eine Vielzahl von Windungen in einer einzigen Schicht in einer spiralförmigen Weise gewickelt.
  • Die DE 40 42 432 A1 offenbart einen ähnlichen Motor mit zwei ringförmigen Rotoren mit Permanentmagneten und einem ringförmigen Stator, der zwischen den ringförmigen Rotoren angeordnet ist. Der Stator ist durch einen meanderförmigen elektrischen Leiter gebildet, wobei die longitudinale Seite des Querschnitts des Leiters parallel zu dem magnetischen Feld zwischen den Permanentmagneten der Rotoren angeordnet ist. Mit diesem speziellen meanderförmigen Leiter wird eine kleine Rotor-Stator-Anordnung erreicht, wobei Wirbelstromverluste reduziert sind, um eine höhere Motorleistung zu erreichen.
  • DE 40 23 791 A1 offenbart einen zwischen zwei Rotorelementen angeordneten Stator, wobei der Stator Nuten an seiner inneren und äußeren Umfläche aufweist, in den ringförmige Windungen eingesetzt sind. Daher ist die Windung an einer inneren und äußeren Umfläche des Stators angeordnet.
  • In der US 4,900,965 ist eine I-förmige Statorstange durch einen Rotor mit Permanentmagneten umgeben. Auf der Innenseite des Stators ist magnetisch permeables Material vorgesehen, welches einen magnetischen Rückflusspfad bildet. Zwischen den I-förmigen Statorstangen sind zufällig elektrische Leiter verteilt. Die I-Form der Statorstange sieht eine vergrößerte Oberfläche zur Kühlung und eine Flussabschirmung für die Windungen vor, welche eine höhere Stromdichte erlauben, die zu einem höheren Leistungs-zu-Gewicht-Verhältnis führt.
  • Die EP 0 429 729 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem scheibenartigen Anker. Der Anker besteht aus einer auf einer weichen Eisenkernscheibe ausgebildeten Windung, welche durch einen Streifen eines isolierten Dynamoblatts gebildet ist. Die aktiven Abschnitte der Ankerwindung erstrecken sich radial über die Seiten oder in Schlitzen in den Seiten.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, das von der Spule erzeugte magnetische Feld auf produktive Weise zu verwenden. Dies wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 durch Verwendung beider Seiten des angeregten Kerns erreicht. Vorteilhafte Ausführungen sind in den unabhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Die Zeichnung:
  • 1 zeigt einen herkömmlichen elektrischen Motor, bei dem der Rotor (3) aus "T"-förmigen Segmenten (3) gebildet ist, welche von dem Zentrum des Rotors vorstehen, wobei die Spitze des "T" (2) die äußere Umfläche des Rotors (3) bildet und nur eine Seite der stromführenden Spule (5) für das Erzeugen der Drehung des Rotors (3) verwendet wird.
  • 2 zeigt einen herkömmlichen radialen elektrischen Motor, bei dem der "Rotor" (3) aus "T"-förmigen Segmenten (2) gebildet ist, die von dem Zentrum des Rotors nach außen weisen, wobei nur eine Seite der stromführenden Spule (5) verwendet wird, um eine Drehung der Permanentmagneten (6) in dem Stator (1) zu erzeugen.
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf eine runde Platte, bei der "der Rotor" (8) mit nahe seiner Umfläche angebrachten Permanentmagneten (9) versehen ist. In dieser Darstellung dreht der Rotor (8) um einen festen Schaft (4). Ein einziger, "U"-förmiger Kern (11) und eine stromführende Spule (10) sind an der Spitze angeordnet.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht von 3, mit einem U-förmigen Kern (11) mit einer daran festgelegten stromführenden Spute (10), welche an der Seite des Stators (1) in einer Linie mit dem durch die Permanentmagneten (9) gebildeten Bogen und mit einem Staubschutz (21) angebracht ist.
  • 5 zeigt eine Seitenansicht des an einem Rad (18) angebrachten Rotors (8) mit zwei Kernen (11), welche mit stromführenden Spulen (10) versehen sind, die auf jeder Seite an der Spitze des Rotors (8) angeordnet sind.
  • 6 zeigt eine Seitenansicht des Rotors (8) in dem Schafthaltergestell (14) mit angeregten Kernen (11) und Spulen (10), welche an dem Stator (1) und auf beiden Seiten des Bodens des Rotors (8) in einer Linie mit den Permanentmagneten (9) in dem Rotor (8) angeordnet sind.
  • 7 zeigt einen Querschnitt der Aufsicht auf den Rotor (8) mit dem "U"-förmigen Kern (11) und der stromführenden Spule (10), welche auf einer Seite des Rotors (8) angeordnet sind, wobei alle magnetischen Nordpole zu derselben Seite des Rotors (8) ausgerichtet sind. Die Länge zwischen den Enden des Kerns (11) beträgt das anderthalbfache der Länge zwischen den in dem Rotor (8) angeordneten Permanentmagneten (9).
  • 8 zeigt einen Ausschnitt einer Aufsicht auf den Rotor (8) mit den "U"-förmigen Kernen (11) und den stromführenden Spulen (10), welche auf beiden Seiten des Rotors (8) angeordnet sind, wobei sich die zu einer Seite des Rotors (8) ausgerichteten magnetischen Pole abwechseln, wobei die Enden des angeregten Kerns in einer Linie mit dem Permanentmagneten (9) in dem Rotor angeordnet sind.
  • 9 zeigt den radialen elektrischen Motor von 2, bei dem beide Enden der stromführenden Spulen (5) verwendet werden, wobei der Kern eine "H"-Form und keine "T"-Form aufweist und die stromführenden Spulen (5) in dem Zentrum angeordnet sind. Es ist ein permanentmagnetischer innerer Stator (17) an dem permanentmagnetischen äußeren Stator (6) befestigt, so dass diese zusammen rotieren.
  • 10 zeigt den Rotor (8) mit in dem Umfang des Rotors (8) befestigten Permanentmagneten (9) mit abwechselnd nach außen gerichteten magnetischen Polen und dem Stator (1) mit Spulenwindungen (5) um den Stator (1), um zwei magnetische Pole auf der Innenseite des Stators (1) zu bilden, wobei beide Enden des magnetischen Kerns (19) genutzt werden.
  • 11 zeigt den Rotor (8) mit daran in dem Umfang des Rotors (8) befestigten Permanentmagneten (9) mit denselben nach außen gerichteten magnetischen Polen und dem Stator (1) mit Spulenwindungen um den Stator (1), um zwei magnetische Pole auf der Innenseite des Stators (1) auszubilden, wobei beide Enden des magnetischen Kerns (19) genutzt werden.
  • 12 zeigt eine Seitenansicht des verbesserten elektrischen Motors, welcher an dem Vorderrad eines Fahrrads mit einer daran angebrachten Staubabdeckung (21) angebracht ist.
  • 13 zeigt eine Vorderansicht des verbesserten elektrischen Motors, welcher an dem Vorderrad eines Fahrrads mit einer daran angebrachten Staubabdeckung (21) angebracht ist.
  • Dieser "verbesserte elektrische Motor" beabsichtigt, die Nachteile eines herkömmlichen elektrischen Motors (1 und 2) zu vermeiden, welche nur die Außenseite der stromführenden Elemente (1 und 2, Nr. 2) des Rotors verwenden, um die Magneten (1 und 2, Nr. 6) in dem Stator (1 und 2, Nr. 1) anzuziehen oder abzustoßen. Der Rotor besteht aus "T"-förmigen Segmenten (1 und 2, Nr. 2), welche von dem Zentrum des Rotors (1 und 2, Nr. 4) ausgehen, wobei die Spitzen der "T"-Form die äußere Umfläche des Rotors bilden. Die "T"-förmigen Segmente haben Windungen (1 und 2, Nr. 5) (üblicherweise Kupferdrähte), welche um einen Steg (1 und 2, Nr. 3) der "T"-förmigen Segmente gewickelt sind, die an einen Kommutator (1 und 2, Nr. 7) in einem D.C.-Motor, aber nicht notwendigerweise in einem A.C.-Motor oder anderen Typen elektrischer Motoren, angeschlossen sein können. Jedes Mal, wenn elektrischer Strom durch die Windungsspule (1 und 2, Nr. 5) fließt, wird das "T"-förmige Segment (1 und 2, Nr. 2) zu einem Elektromagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol. Die Spitze des "T"-förmigen Segments (1 und 2, Nr. 2) wird durch die Magneten in dem Stator (1 und 2, Nr. 6) angezogen oder abgestoßen, aber der untere Steg des "T"-förmigen Segmentes (1 und 2, Nr. 3), welcher in der Nähe des Zentrums des Rotors (1 und 2, Nr. 4) liegt, wird ebenso magnetisiert, aber nicht in einer produktiven Weise verwendet, um Drehkraft des Rotors zu erzeugen. Die Erfindung nimmt sich dieses Problems an und schlägt einen elektrischen Motor vor, welcher beide Seiten der stromführenden Spule verwendet, um eine verbesserte Leistung und Effizienz für denselben Betrag der verwendeten elektrischen Energie vorzuschlagen.
  • Die Erfindung besteht in ihrer einfachsten Form (3) aus einem Rotor (8) mit einem Schaft (4), welcher durch das Zentrum des Rotors (8) in einem Winkel von 90° zu der flachen Seite des Rotors (8) hindurchläuft. Eine Muffenverbindung (13) kann an dem Zentrum des Rotors (8) befestigt sein, um als Haltemittel für die Lager (15) zu dienen und die Seitenbewegungen des Umfangs des Rotors (8) zu steuern. In der Nähe des Umfangs des Rotors (8) und im gleichen Abstand von dem Umfang des Rotors (8) sind in gleichen Abständen voneinander Permanentmagneten (9) vorgesehen, so dass die Nord-Süd-Achse der Permanentmagneten (9) parallel zu dem Schaft (4) durch den Rotor (8) verläuft.
  • Alle Permanentmagneten (9) sind so angebracht, dass alle Nordpole auf einer Seite des Rotors (8) und alle Südpole auf der anderen Seite des Rotors (8) liegen. Ein hufeisenförmiger Elektromagnet (11) ist an dem Stator (1) befestigt, so dass die Enden des angeregten Kerns in Linie liegen mit dem durch die in dem Rotor (8) festgelegten Permanentmagneten (9) gebildeten Bogen liegen. Die Spule (10) ist auf den Elektromagneten (11) gewickelt, um die vorherbestimmte Anwendung des elektrischen Motors zu erreichen. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule (10) fließt, werden die Enden des Elektromagneten (11) magnetisiert, um benachbart zueinander magnetische Süd- und Nordpole zu haben. Die Mittellinie der Permanentmagneten (9) in dem Rotor (8) verläuft zwischen den Mittellinien der Enden der angeregten magnetischen Pole (11), wobei nur ein Luftspalt Spielraum besteht. Ein elektrisches Hall-Effekt-Schaltungssystem (12) ist angebracht, welches durch die Permanentmagneten (9) in dem Rotor (8) aktiviert wird, um die Flussrichtung des elektrischen Stromes zu ändern und die magnetischen Pole zu vorbestimmten Zeiten umzupolen und eine Drehbewegung des Rotors (8) zu induzieren. Der Effekt auf einen einzelnen Permanentmagneten in dem Rotor (8) wird beschrieben. Wenn der Nordpol des Permanentmagneten (9) in Richtung des Südpols des Elektromagneten (11) rotiert, wird der Permanentmagnete (9) aufgrund der Anziehung ungleicher magnetischer Pole von dem Nordpol des angeregten Magneten (11) angezogen. Wenn er hinter das Ende des angeregten Pols (11) kommt, wird der Schalter (12) aktiviert und schaltet die Richtung des elektrischen Stromes um, wodurch in Folge der Südpol in einen Nordpol geändert wird, was den Nordpol des Permanentmagneten (9) abstößt und den Rotor zur Drehung zwingt. Dieser Prozess wird wiederholt. Auch wenn diese Erfindung nur mit einem Elektromagneten (11) gezeigt wurde, können so viele Elektromagneten (11) wie Permanentmagneten (9) vorgesehen sein, sofern sie in derselben Weise positioniert sind wie es der Setup für den einen Elektromagneten (11) in Bezug auf die Permanentmagneten (9) in dem Rotor (8) erfordert. Die Anzahl der Permanentmagneten (9) kann eins oder mehr sein, abhängig von den Designanforderungen, und der Rotor (8) kann aus einem Material mit geeigneten magnetischen Eigenschaften hergestellt sein, so dass die magnetischen Pole permanent in dem Material angeordnet sein können und keine individuellen Permanentmagneten (9) notwendig sind. Es wird nur eine Schalteranordnung (12) unabhängig von der Anzahl der Elektromagneten (11) benötigt, welche verwendet wird, um die Richtung des elektrischen Stromes zu ändern, wenn die Elektromagneten (11) in Serie zu der Richtung des elektrischen Stromes geschaltet sind, so dass zu jeder Zeit dieselbe Richtung in allen Spulen verwendet wird. Ein elektronischer Schaltkreis mit einem linearen Hall-Effekt-Sensor und einem Niedervoltverstärker zur Aktivierung des Schattens, welche an dem magnetischen Kern angebrachten sind, werden verwendet, um die Richtung des elektrischen Stromes zu ändern. Wenn die Permanentmagneten (9) in dem Rotor (8) so angeordnet sind, dass auf einer Seite des Rotors (8) die magnetischen Pole Nord, Süd, Nord, Süd sind und so abwechselnd weiter, ist jeder Pol der entgegensetzte Pol zu dem vorhergehenden Pol. Anstatt nur ein Ende des angeregten Magneten (11) zu verwenden, wird ein "U"-förmiger Magnet (11) mit seiner eigenen stromführenden Spule (10) auf beiden Seiten des Rotors (8) angebracht. Der Abstand zwischen dem Zentrum der Permanentmagneten (9), dem Rotor (8) und dem "U"-förmigen angeregten Magneten (11), welche auf beiden Seiten des Rotors angebracht sind, ist dieselbe, so dass beide Seiten des angeregten Magneten (11) zur Produktion eines produktiven Outputs verwendet werden können.
  • 10 und 11 zeigen verschiedene Kombinationen dieser Erfindung. Der Hauptpunkt liegt darin, dass die stromführende Spule (11) um den Umfang des Stators (1) angeordnet wird und nicht die Segmente oder "T"-Formen, die in dem Stator (1) ausgebildet sind, so dass dies nicht nur eine Menge des für die Windungen erforderlichen Kupferdrahtes spart, sondern zwei magnetische Pole für ungefähr die Hälfte des Stromes erzeugen werden. Es ist auch möglich, Permanentmagneten (9) in dem Stator (1) zu verwenden und die dargestellten Permanentmagneten (9) zusammenzufügen, was drei "U"-förmige Kerne (11) ergeben würde, und eine stromführende Spule (10) um das Zentrum anzuordnen, wobei dann die stromführende Spule (11) an einen Kommutator oder ein elektronisches Umschaltsystem (12) angeschlossen würde, um weitere Beispiele von Konfigurationen zu geben, welche diese Erfindung nutzen können.
  • Eine der Anwendungen dieses neuen elektrischen Motors liegt darin, ein Fahrrad-Rad (12, 13) auf einem mit dem Rotor (8) befestigten Zapfen (13) zu befestigen. Am geeignetsten dafür wäre das Vorderrad (12, 13), weil dieses den Kettenantrieb des Hinterrades intakt ließe, so dass der Fahrradfahrer normal treten könnte oder die elektrische Kraft des Elektromotors an dem Frontrad anschalten und mit dem Treten aufhören könnte. Der elektrische Motor würde das Rad in einer Vorwärtsrichtung antreiben. Die benötigte Leistung und daher die Geschwindigkeit des Fahrrades würde durch den Schalter (24) gesteuert, welcher an der Fahrradquerstange oder der Lenkerstange befestigt werden könnte. Der elektrische Motor müsste mit einer Staubabdeckung (21) und Staubdichtungen (22) angebracht werden, damit keine Metall- und Staubpartikel von den Permanentmagneten angezogen werden und den Luftspalt zwischen den angeregten Magneten (11) und den Permanentmagneten (9) beschränken. Eine geeignete Elektronik könnte verwendet werden, um den elektrischen Motor als einen Generator zu verwenden und die elektrischen Batterien aufzuladen, wenn der elektrische Motor nicht verwendet wird und das Fahrrad mit Pedalkraft oder bergab betrieben wird. Es ist offensichtlich, dass der in dieser Beschreibung beschriebene Motor als stationäre elektrische Maschine mit einem an dem Rotor befestigten Schaft und an dem äußeren Gehäuse (21) festgelegten Lagern oder einem Halter (14) verwendet werden kann, wobei der Schaft (4) drehbar ist und einen Kraftausgang ermöglicht. Änderungen sind im Rahmen der angehängten Ansprüche möglich.

Claims (4)

  1. Elektrischer AC- oder DC Motor mit einem Rotor und einem Stator (6, 17), um den Umfang des Rotors angeordneten stromführenden Spulen (5), Permanentmagneten in dem Stator (6, 17) und einer Schaltvorrichtung (12) zum Wechseln der Richtung des durch die stromführenden Spulen (5) fließenden Stromes, wobei der Stator (6, 17) einen permanentmagnetischen inneren Stator (17) und einen permanentmagnetischen äußeren Stator (6) aufweist, welcher an dem inneren Stator (17) festgelegt ist, wobei der Rotor mit den stromführenden Spulen (5) zwischen dem inneren Stator (17) und dem äußeren Stator (6) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (5) auf einen H-förmigen Kern (16) gewickelt ist und dass der H-förmige Kern (16) einen radialen Steg und magnetische Polplatten (2) an jedem Ende des Steges aufweist, wobei die stromführende Spule (5) im Zentrum des H-förmigen Kerns (16) angebracht ist und die Polplatten (2) radial zum Formen des Umfangs des Rotors angeordnet sind, wobei beide Seiten der stromführenden Spule (5) verwendet werden, um durch die Magnete des inneren Stators (17) und des äußeren Stators (6) angezogen oder abgestoßen zu werden.
  2. Elekktrischer AC- oder DC Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (12) einen Hall-Effekt Schalter aufweist.
  3. Elekktrischer AC- oder DC Motor gemäß Anspruch 1, wobei der permanentmagnetische innere Stator (17) und der permanentmagnetische äußere Stator (6) zusammen rotieren, wobei die stromführenden Spulen (5) vorzugsweise fixiert sind.
  4. Elektrischer AC- oder DC Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl der Permanentmagneten mehr als eins ist.
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