-
Magnetisches Getriebe Die Eifindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Umformung von Bewegungen jeglicher Art, wie z. B. zum Über- oder Untersetzen
von Drehbewegungen, zur Umwandlung von Drehbewegungen ,in geradlinige oder gekrümmte
Bewegungen sowie zur Auslösung von stoßweisen periodischen Vorgängen..
-
Es ist bekannt, derartige Umformungen unter Verwendung mechanischer
Kupplungsglieder herbeizuführen. So erfolgt beispielsweise die. Umwandlung einer
hin und her gehenden Bewegung in eine drehende Bewegung mittels Kurbeltrieb, die
Veränderung von Drehzahlen entweder mittels Zahnräder, Riementriebe, Treibscheiben
oder bei größeren Übersetzungsverhältnissen durch Schneckentriebe. Für verwickeltere
Bewegungsarten, nutzte man Malteserkreuze oder Planetengetriebe. Ferner ist es bekannt,
sowohl eine stetige Drehzahländerung als auch Bewegungsumkehr mittels hydraulischer
Getriebe hervorzurufen.
-
Bei allen den Bewegungsumformungen genannter Art werden jedoch mechanische
oder hydraulische Kopplungsglieder benutzt, deren Masse beschleunigt werden muß
und die daher Arbeit verzehren. Desgleichen sind durch die Reibung in den Lagerzähnen
oder bei hydraulischen Getrieben durch den Strömungswiderstand Verluste bedingt,
welche den Wirkungsgrad einer derartigen, auf mechanischem Wege bewirkten Bewegungsumwändlung
verschlechtern. Hinzu kommt, daß die bewegten Teile eine besondere Wartung durch
Schmierung erfordern und der Abnutzung unter-1 .,
Es ist zwar hei
elektrischen Maschinen, wie z. B. bei Umformern, bekannt, die Rotoren und Statoren
elektrisch miteinander zu koppeln, wobei geringere Verluste auftreten :als bei mechanischen
Umformern. Diese bekannte Art der Uniformung einer Bewegung kann jedoch nicht finit
denn erfindungsgemäßen Vorschlag verglichen «-erden, da die bisher für diesen Zweck
benutzten elektrischen Maschinen alle nach denn dvnamoelektrischen Prinzip arbeiten.
Dieses Prinzip wird aber ],ei der Vorliegenden Erfindung bewußt nicht in Anwendung
gebracht, so daß auch noch der Vorteil der Kupferersparnis bei permanent erregten
Systemen zugunsten des neuen Verfahrens hervorzuheben ist.
-
Bei einer Drehzahl von 3000 Umdr./Min. erzeugteinzweipoliger Wechselstromgenerator
einen Strom finit einer Frequenz von 50 Hz. Betreibt man mit diesem Wechselstromgenerator
einen Sylichronmotor, so ergibt sich die Drehzahl n aus denn Verhältnis
wenn f die Frequenz und p die Polpaarzahl bedeutet. Handelt es sich also uni eine
vierpolige -Maschine, so ist die Drehzahl
Auf (niese Weise läßt sich also eine Reduzierung der Drehzahl im Verhältnis :2 :
i auf elektrischem Wege erzielen. Da jedoch bei <fiesen elektrischen Maschinen,
wie schon erwähnt, nach dem elektrodynamischen Prinzip gearbeitet wird, (nie Kraftwirkung
also abhängig von der Zahl der in der Zeiteinheit pro Polpaar geschnittenen Kraftlinien
ist, so kann nur bei gleichbleibenden Drehzahlen eine genügend große Kraft übertragen
wer-(leg. Erst mit wachsender Drehzahl steigt nämlich da der Kraftflußwechsel entsprechend
der Drehzahl schneller erfolgt, auch der induzierte Strom, so daß hierdurch ein
allmähliches, der Drehzahl entsprechendes Ansteigen des Stromes und damit des Drehmomentes
erfolgt. Derartige Übersetzungsgetriebe unter Verwendung von elektrischen Maschinen
eignen sich (naher nur für gleichbleibende Drehzahlen.
-
Ein weiterer Nachteil der elektrischen Umforineraggregate besteht
in dem Wärmeverlust, der in den stromdurchflossenen Spulen entsteht. Dieser setzt
den Wirkungsgrad besonders hei kleineren Maschinen erheblich herab.
-
Ferner sind auch magnetische Getriebe be-
das Übersetzungsverhältnis durch eine Verzweigung des Kraftlinienflusses gebildet
wird. Sie haben Läufer, die kammartige Pole auf-,veisen: <las Übersetzungsverhaltnis
wird durch (las Mali der Polteilung bestimmt: die Läufer bewegen sich zwischen den
ebenfalls gezahnten Polschuhen der Ständer. Läufer und Ständer bestehen aus einen
i magnetisch «-eichen Werkstoff und «-erden Voll einem Kraftlinienfluß durchströmt.
der an irgendeiner Stelle des Systems durch Stromwindungen erzeugt wird. Der sich
in den gezahnten Polschuhen teilende Kraftfluß tritt auf allen nebeneinanderliegenden
"Zähnen in den Läufer ein oder aus.
-
Diese bekannten magnetischen Getriebe vermeiden zwar die obenerwähnten
Nachteile der 'mechanischen Getriebe, können aber nur Drehbewegungen übertragen.
-
Die Erfindung betrifft ein magnetisches Getriebe, bei welchem ein
angetriebenes Magnetsystem finit einem antreibenden Magnetsystein durch magnetische
Kraftfelder gekoppelt ist und (las Übersetzungsverhältnis durch eine Verzweigung
des Magnetflusses in einem ferromagnetischen Bindeglied gebildet wird. und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Magnetsysteme je selbständig (furch Dauer- oder Elektromagnete
erregt werden und eine abwechselnde Polfolge haben. (leg schon bekannten magnetischen
Getrieben weist die Erfindung (leg Vorteil auf. daß einerseits durch (nie abwechselnde
Polarität der nebeneinanderliegenden Zähne eine größere Kraftwirkung auftritt, indem
sowohl Anziehung als auch Abstoßung erfolgt, und daß andererseits dadurch, daß jeder
"Lahn für sich allein arbeitet, die Anordnung der magnetischen Zähne nicht mehr
nur auf dein I Unifang eines Kreises zu erfolgen braucht. sondern entlang jeder
beliebigen Kurve. so daß auch z. B. geradlinige Bewegungen übertragen werden können
oder eine krtnnnilinige Bewegung in eine andere krummlinige oder geradlinige unigeformt
werden kann.
-
Inn geeignetes Aggregat zur Durchführung des' erfindungsgemäßen Verfahrens
bestellt aus einem Vorzugsweise feststehenden Ständer bzw. beweglichen Organen.
wie z. B. einem Läufer, und ist dadurch gekennzeichnet, daß (nie Pole der permanent
oder elektromagnetisch erregten beweglichen Organe über die Ständerpole der angetriebenen
und der treibenden Seite magnetschlüssig gekoppelt sind und (laß der Ständer auf
der treibenden Seite hzw. die zugehörigen beweglichen Organe eine solche Polzahl
haben, claß der Von dzin angetriebenen Organ atic,#ellende Kraft-
Anzahl von Zweigen unterteilt ist. Unter der angetriebenen Seite
des Ständers soll dabei-<lie Seite verstanden werden, welche bzw. deren Läufer
finit einer Kraftmaschine beliebiger Art gekoppelt ist und daher von dieser angetrieben
wird. Unter der treibenden Seite soll die Seite des Ständers verstanden «erden,
die bz«-. deren Läufer mit einer Ar-Leitsmaschine irgendwelcher Art gekoppelt ist,
von welcher die meistens verminderte Drehzahl abgenommen wird. Als beispielsweises
Anwendungsgebiet sei eine Drehbank mit Eigenantrieb durch einen Elektromotor genannt,
wobei die hohe Drehzahl des Elektromotors über die Aggregate der vorliegenden Art
auf die Spindel in beliebiger Reduzierung übertragen wird.
-
Um die Wirkungsweise der Vorrichtung verständlich zu machen, soll
diese an einem einfachen Beispiel erläutert werden. Ein zweipoliger permanenter
Magnet dreht sich in einem zweipoligen Ständer, der außer den beidenzugehörigen
Ständerpolen noch zwei zusätzliche Polpaare hat. Diese Ständerpole sollen so ausgebildet
sein, daß sowohl der doppelte Nordpol wie der doppelte Südpol sich gegenüberliegen.
In diesem jetzt vierpoligen Ständer dreht sich ein zweiter Läufer, der ebenfalls
vierpolig ist und aus einem permanenten Magneten besteht. Die Läufer können jedoch
auch auf elektromagnetischem Wege erregt sein, was für die Wirkungsweise belanglos
ist. Dreht man jetzt den zweipoligen Läufer, der im vorliegenden Beispiel zu der
angetriebenen Ständerseite gehört, einmal um 180°, so wird, genau wie bei einem
elektrischen Umformeraggregat, dieser vierpolige Läufer nur 1;4 Umdrehung machen,
oder einer ganzen Umdrehung des zweipoligen Läufers um 36o° entspricht eine halbe
Umdrehung des vierpoligen Läufers, der zur treibenden Seite gehört, von 180°. Damit
ist ein Untersetzuligsverhältnis von a : i hergestellt. Im Gegensatz zu den weiter
oben beschriebenen elektrischen Umformern ist aber bei der eriindungsgemäßen Vorrichtung
die Stärke des im Ständer induzierten magnetischen Feldes unabhängig von der Drehzahl.
Dabei ist auch das Drehmoment bei allen Drehzahlen gleich. Es ist natürlich verständlich,
daß, wenn bei-.,pielswcise ein Übersetzungsverhältnis von t : 2 hergestellt wird,
das Drehmoment der langsamer, laufenden Welle doppelt so groß sein muß, wie das
der getriebenen. Das läßt sich durch entsprechende Ausbildung des :Aggregates ohne
weiteres erreichen. Es sei der Einfachheit halber im vorliegenden Falle angenommen.
daß beide Läufer den Durchniesser im Verhältnis z : z haben, d. h. wenn der zweipolige
Läuferdurchmesser zo cm be- . 2o cm betragen. Die Summe der Polflächen .des zweipoligen
Generators soll gleich der Summe der Polflächen des vierpoligen Generators sein.
Die Luftspaltinduktion zwischen Läufer und Ständer des Aggregates soll ebenfalls
die gleiche sein. Dann muß der vierpolige Läufer, weil das Magnetfeld an einem doppelt
so großen Hebelarm angreift, auch das doppelte Drehmoment haben. i Es ist. zwar
nicht unbedingt erforderlich, daß nun entsprechend den Übersetzungsverhältnissen
auch die Drehmomente übereinstimmen. Man könnte beispielsweise auch den vierpoligen
Läufer in seinem Durchmesser genau so groß machen wie den zweipoligen und, einfach
das Drehmoment der zu übertragenden Kraft anpassen, z. B. durch entsprechende Wahl
des Verhältnisses : Feldstärke/Polfläche. Maßgebend wäre dann immer nur, daß das
Drehmoment -der zu übertragenden Kraft entspricht. Hierin liegt ein weiterer Vorteil,
daß nämlich treibendes und getriebeiies Organ in ihrer Größe unabhängig von dem
Übersetzungsverhältnis sind.
-
Wesentlich für die'. Herbeiführung des Übersetzungsverhältnisses,
ist bei der vorliegenden Erfindung die Verzweigung der Magnetflüsse, welche die
Anwendung mehrerer Pole auf der treibenden Seite und damit eine Untersetzung der,
getriebenen Seite möglich macht. Anstatt wie nun bei dem vorhergehenden Beispiel
nur den Ständer zu verzweigen, können auch die Ständerzweige selbst nach einer weiteren
Ausbildung der erfndungsgemäßen Vorrichtung ihrerseits wieder dadurch verzweigt
werden, daß die Pole der angetriebenen oder treibenden Ständerseite in kleinere
Pole kammartig so weit unterteilt sind, wie es das Übersetzungsverhältnis erfordert.
Diese kammartige Unterteilung ermöglicht eine weitere Erhöhung der Polzahl und damit
eine Reduzierung der Bewegung des treibenden Polrades in bezug auf das von der Kraftmaschine.
getriebene Polrad. Vorteilhaft sind dabei die kammartig unterteilten Pole oder Zähne
der angetriebenen Ständerseite als geschlossene Polkränze ausgebildet, die neben-
bzw. hintereinander und konzentrisch zur Achse des Läufers diesen umfassen. Durch
diese Maßnahme wird eine symmetrische Anordnung des Aggregats und eine besonders
weitgehende Unterteilung ermöglicht, da wegen der Nebeneinanderanordnung der Ständerzweige
jeweils der ganze Umfang des gebildeten Ständerringes zur Anordnung von ausgeprägten
Polen zur .'Verfügung steht.
-
Bei den bisher beschriebenen Lösungen der erfinduiigsgemiißen Vorrichtung
ist der Dreh-Sinn nicht eindeutig bestimmt. 1:5 könnte "a",lirli (Irr vif@rriolirre
Läufer, wenn man den
zweipoligen Täufer recht, dreht, ohne weiteres
nach rechts oder links laufen. Um daher den Drehsinn zwangsläufig zu steuern, sind
besondere Maßnahmen erforderlich. Die Lösung dieser Aufgabe besteht im wesentlichen
darin, daß, ähnlich wie im Elektromaschinenbau. mehrphasige Stromarten, so auch
im vorliegenden Falle ein mehrphasiges magnetisches Feld, und zwar ein Drehfeld,
erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Aggregat hat daher auf der angetriebenen Ständerseite
mindestens drei Polschuhe, die magnetschlüssig mit konzentrisch das angetriebene
Organ um-Schließenden, drei oder mehr hintereinander angeordneten Ständerringen
verbunden sind, die an der Außenseite in regelmäßigen Abständen mit jeweils auf
Lücke stehenden Ständerpolen von solcher Stärke besetzt sind, daß sie, in eine Ebene
projiziert, vorzugsweise sich weder überdecken noch Lücken freilassen und daß konzentrisch
um diese gezahnten Ständerringe, welche die treibende Seite des Ständers bilden,
ein Magnetpolring mit der doppelten Anzahl der Pole je eines der Ständerringe und
in einer der Gesamtbreite der Ständerringe entsprechenden Breite mit geringem Luftspalt
angeordnet ist, von welchem die umgeformte Bewegung abgenominen werden kann.
-
Um auf das vorhergehende Beispiel mit dem zweipoligen Läufer auf der
angetriebenen Seite des zweipoligen Ständers zurückzukommen, ist also jetzt der
zweipolige Läufer in einem dreipoligen Ständer angeordnet, dessen drei Pole an je
ein Polpaar des vierpoligen Läufers auf der treibenden Seite führen. So entsteht
auf dieser Seite ein sechspoliger Ständer für den vierpoligen Magneten. Dreht man
in diesem Falle den zweipoligen Läufer, so entsteht sowohl in dem Ständer des zweipoligen
Läufers wie in dem sechspoligen Ständer des vierpoligen Läufers ein magnetisches
Drehfeld, dessen Drehsinn von dem Drehsinn des getriebenen zweipoligen Läufers abhängig
ist. Damit ist aber auch der Drehsinn des vierpoligen Läufers eindeutig bestimmt.
-
Diese Ausbildung des erfindungsgemäßen -Aggregates unter Anwendung
eines bestimmten Drehfeldes ermöglicht ferner die Umkehr der Bewegungsrichtung,
indem, wenn z. B. bei der getriebenen Seite des Ständers drei oder mehr Pole vorhanden
sind, diese Pole mit den zu ihnen gehörenden Ständerzahnkränzen bezüglich ihrer
Lage zueinander austauschbar bzw. verstellbar angeordnet sind, derart, daß die Reihenfolge
der Magnetpole umgekehrt wird. Diese Verstellung der Mateil dieser Umschaltmöglichkeit
liegt vor allein darin begründet, daß sie ohne Stoß-und Überbeanspruchung der I
Übersetzungsgetriebe erfolgt. .
-
Die vorstehend beschriebenen Lösungen der erfindungsgemäßen Aggregate
beziehen sich alle auf Drehbewegungen, und zwar auf gleichmäßige Bewegungen. Man
kann aber auch ungleichmäßige Drehbewegungen erzeugen, wobei gemäß der Erfindung
ein Aggregat zur Anwendung gelangt, bei welchem aufeinanderfolgende bzw. paarweise
gegenüberliegende Ständerpole des antreibenden Systems in Richtung der Bewegung
verschieden größe Längen aufweisen, so daß infolge der abweichenden Zeitdauer der
einzelnen Magnetinduktionsstöße bei dem treibenden Organ ein entsprechend unregelmäßiger
stoßweiser Bewegungsvorgang erzeugt wird. Derartige Aggregate mit drehender, aber
stoßweiser Bewegung könen an allen den Stellen Verwendung finden, wo z. B. bisher
Malteserkreuze o. dgl. Getriebe benutzt wurden.
-
Man kann aber auch unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer entsprechenden Vorrichtung Drehbewegungen in geradlinige oder gekrümmte
hin und her gehende Bewegungen umformen, indem man z. B. die Magnetpole des angetriebenen
Organs, welches eine derartige Bewegurig ausführt, nacheinander an den verzweigten
Ständerpolen des treibenden Organes vorbeiführt, so daß diese magnetisch induziert
werden, wobei die Zahl dieser Ständerpole durch die Polzahl des treibenden Organes
und durch das gewollte Übersetzungsverhältnis bestimmt ist. . Es können natürlich
auch in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens bewegliche Elemente des Aggregates
beliebig in ihrer Wirkung vertauschbar sein, indem z. B, auch die feststehenden
Organe beweglich angeordnet und die beweglichen Organe feststellbar sind, wobei
zweckmäßig Bremsen und Freiläufe vorgesehen werden, um diese Maßnahme während des
-Betriebes durchführen zu kön-' nen. i\lit einer derartigen Vorrichtung können Unisteuerungen
in beliebiger Kombination und beliebiger Art durchgeführt werden.
-
Es können aber auch gemäß der Erfindung die bisher beschriebenen Aggregate
beliebig kombiniert werden, indem z. B. nur ein angetriebenes Organ Anwendung findet,
dessen drehende Bewegung sowohl in der Drehzahl übersetzt bzw. untersetzt, als auch
in eine geradlinige, regelmäßige oder unregelmäl.,i;e Bewegung oder auch in der
Bewegungsrichtung beliebig umgewandelt werden kann oder umgekehrt. In dieseln Falle
findet ein ein-
Für die bisher beschriebenen Aggregate finden vorzugsweise
Dauermagnete Anwendung, die aus gegossenem, gewalztem oder gepulvertem Dauermagnetwerkstoff
hergestellt sind. Es kann aber auch der das System durchsetzende magnetische Kraftfluß
elektromagnetisch erzeugt werden durch Anordnung von Erregerwicklungen bei den treibenden
bzw. beweglichen Organen, wobei die Stromstärke zwecks Veränderung der magnetischen
Feldstärke in den Luftspalten beliebig regelbar ist.
-
Die elektrische Erregung kann dabei erfindungsgemäß durch eine Steuervorrichtung
dein Drehmoment selbsttätig angepaßt werden, derart, daß bei geringer Belastung
auch die Erregung schwächer wird und umgekehrt.
-
Um das magnetische Feld in den erregten Organen nach Möglichkeit gleichbleibend
zu halten, werden in einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens zur Verkleinerung
der Rückwirkungen bzw. Flußänderungen auf allen oder einzelnen Polen der treibenden
oder angetriebenen Organe zusätzlich Kurzschlußwicklungen aufgebracht: Wird beispielsweise
ein getriebenes Organ elektrisch erregt und in Bewegung gesetzt, während das treibende
Organ nicht erregt ist, so wird in d -Wicklung des treibenden Organes ein St m induziert.
Da der Stromkreis nicht geschlossen ist, findet auch keine Bewegung des treibenden
Organes statt. Indem nun die Wicklung des nicht erregten Aggregates allmählich beispielsweise
über einen Widerstand kurzgeschlossen wird, läuft <las treibende Organ asynchron
an und kann dann durch Zuführung des zur Erregung notwendigen Gleichstromes synchron
weiterlaufen:.
-
Das Anwendungsgebiet der vorstehenden Aggregate erstreckt sich praktisch
auf alle mechanischen- Getriebe und Bewegungsvorgänge, wie sie bei Land-, Wasser-
und Luftfahrzeugen, ferner bei stationären Betrieben, wie Kraftanlagen und Walzwerken,
Anwendung finden.. Die magnetischen Aggregate finden ferner vorteilhaft bei Schalt-
und Steuerapparaten Anwendung, wie insbesondere bei Filmaufnahmen und -wiedergabeapparaten.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens veranschaulicht, und zwar zeigen Fig. i die schematische Anordnung eines
Umformeraggregates zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine solche der doppelten
bzw. der halben Drehzahl, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Umformeraggregates
zur Umformung einer drehenden Bewegung eine hin und her Fig.3 die schematische Darstellung
eines Aggregates mit kaminartig unterteilten Ständerpolen, Fig. q. eine Draufsicht
auf das Aggregat nach Fig. 3, Fig. 5 die Vorderansicht eines Aggregates, dessen
Drehrichtung durch die Anordnung von drei Ständerringen eindeutig bestimmt ist,
Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie I-I der Fig. 5, Fig.7 eine schematische
Darstellung der Maschine gemäß Fig. 5 in einer um etwa 30° verschobenen Stellung,
bei welcher der Läufer nur zwei Ständerpolen gegenübersteht, so daß der dritte Ständerpol
in der neutralen Zone liegt, Fig.8 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 5 in
einer gegenüber - Fig. 7 weiter im Uhrzeigersinn gedrehten Stellung, wobei zwei'`
andere Ständerpole magnetisch induziert werden und ein anderer Ständerpol in der
neutralen Zone liegt, Fig.9 eine Ansicht des aus Blechen aufgebauten Ständerpaketes
von der Seite, Fig. 10 eine Draufsicht auf das Ständerpaket nach Fig. 9.
-
Das Aggregat gemäß der beispielsweisen Ausführung nach Fig. i besteht
aus dem Ständer i, der auf der getriebenen Seite zwei Polschuhe z, 3 und auf der
treibenden Seite vier Polschuhe 6, 7, 9 und 10 hat. Von diesen Polschuhen 6, 7,
9 und 10 sind je zwei gegenüberliegende über die Ständerverzweigung mit den Polschuhen
2, 3 magnetschlüssig verbunden. Zwischen den Polschuhen a, 3 auf der getriebenen
Seite des Aggregates ist der aus einem zweipoligen Dauermagneten bestehende Läufer
q. und zwischen den Polschuhen 6, 7, 9 und 10 der treibenden Seite des Aggregates
der ebenfalls aus einem Dauermagneten bestehende vierpolige Läuferinagnet 5 angeordnet.
In der dargestellten Stellung des Läufermagneten d. wird der dem Nordpol gegenüberliegende
Ständerpol a südmagnetisch und der dem Südpol gegenüberliegende Ständerpol 3 nordmagnetisch
induziert. Es fließt also vom Nordpol des Läufermagneten der getriebenen Seite ein
Indul:-tionsfluß in den Ständer i, der voll hier aus folgenden Weg nimmt: Verzweigung
8 des Ständers i->, Ständer'-polschuhe 9 und io-, die entsprechenden Südpole des
Läufermagneten 5 der treibenden Seite--, Nordpole des gleichen Läuferinagneten--
>, weiter zu den diesen gegenüberliegenden Ständer polen 6 und 7->, die Verzweigung
8-> über Ständer i zu dem Ständernordpol 3 der getriebenen Seite, durch den Luftspalt
zurück zum Südpol des Läufers 4..
-
Der magnetische Kreis ist also über die geschlossen. Da aber der
Läuferinagnet
4. durch seinen Nordpol einen Südpol erzeugt, entstehen in den Ständerpolschuhen
9, 10 Nordpole. Die gleiche Polarität wird aber auch durch die gegenüberliegenden
Südpole des Läufers 5 induziert. Entsprechend entstehen durch den Südpol des Läufers
4 in dein gegenüberliegenden Ständerpolschuh 3 ein Nordpol und in den verzweigten
Polen 6, 7 der treibenden Seite Südpole, die ihrerseits den Nordpolen des Läufers
5 gegenüberliegen. Das Aggregat befindet sich also in Ruhe. Wird nun der Läufer
4 der getriebenen Seite einmal uni 180° gedreht, so daß die einander gegenüberliegenden.
Polschuhe 2, 3 die entgegengesetzte Polarität erhalten, dann nimmt auch der magnetische
Fluß den umgekehrten Weg, so (laß auf der treibenden Seite den Dauermagnetpolen
des Läufers 5 die gleichnämig induzierten Ständerpole 6, ;, g und 10 gegenüberstehen.
Die Folge davon ist einerseits eine Abstoßung in bezug auf die gleichnamigen, gegenüberliegenden
Dauermagnetpole des Läufers 5 und andererseits eine Anziehung in bezug auf die ungleichnamigen
Magnetpole desselben Läufers, so daß eine Weiterbewegung dieses Läufers in die neue,
um 9o° gedrehte Ruhestellung erfolgt. Diese Weiterbewegung wiederholt sich so oft,
als der Läufer 4 der getriebenen Seite um 180° gedreht wird, wobei jedesmal der
Läufer 5 der treibenden Seite um 90º weiterbewegt wird. Man erhält so durch fortwährenden
Antrieb des Läufers .4 eine Herabsetzung der Drehzahl der getriebenen Seite nach
der treibenden Seite im Verhältnis von 2 : i.
-
In Fig. 2 ist das Schema der Umformung einer hin und her gehenden
Bewegung veranschaulicht, welche durch den Kolben 24 hervorgerufen und über (las
verzweigte Ständeraggregat i i und 12 sowie den Läufer 13 in eine Drehbewegung umgeformt
werden soll. Zu diesem Zwecke ist an der Kolbenstange 14. ein mit den 'Polschuhen
15 und 16 versehener Dauermagnet 17 befestigt, welcher in der dargestellten Lage
dem Ständer mit geringem Luftspalt gegenübersteht, und zwar ist in dein Beispiel
gerade die Lage veranschaulicht, bei welcher der -Nordpol 15 (lein Südpol i 8 des
Ständers 12 und der Südpol 16 (lein Pol 19 des Ständers i i gegenübersteht. In dieser
Stellung nimmt also der magnetische Kraftfluß folgenden Weg: Nordpol des Magneten
i5-, Luftspalt-, Südpol 18, Ständer 1-2-, Ständerpolschuh 20-, Luftspalt-->, Südpol
des Läufermagneten 13 der treibenden Seite-, von dort zum Nordpol desselben Magneten-,
Luftspalt-, Polschuh 21 des Ständers i i- über 'den Auf diesem Wege werden die nichtdauermagnetischen
Teile, wie die Polschuhe ?o, 21 und 13, 19, in der in der Zeichnung angegebenen
Weise magnetisch induziert. Es stehen also dein Südpol 16 des Magneten 17 der nordmagnetisch
induzierte Ständerpol i g und dein Nordpol 1 5 des Magneten 17 der südmagnetisch
induzierte Ständerpol 18 gegenüber. Das System befindet sich also in Ruhe.
-
Wird nun durch die Kraft des Kolbens über die Stange 14. der Magnet
17 finit den Polschuhen 15 und 16 in Pfeilrichtung bis zur punktiert gezeichneten
oberen Endstellung bewegt, dann steht der Nordpol 15 des Magneten 17 dein nordmagnetisch
induzierten Polschuh i9 und der Südpol 16 des Magneten 17 dem südmagnetisch induzierten
Ständerpel2.2 gegenüber. Der magnetische Kraftfluß wird jetzt durch die Einwirkung
des Dauermagneten 17 in dem ganzen System in der -Richtung umgekehrt, so daß dementsprechend
auch die Ständerpole i9 süd- und a nord-, der Polschuh 21 des Ständers i i auf der
treibenden Seite nord- und der Polschuh 2o des Ständers 12 südmagnetisch induziert
werden. Da nunmehr dem Nordpol des Läufermagneten 13 ein induzierter Nordpol im
Ständer i i und dein Südpol ein induzierter Südpol im Ständer 12 gegenüberliegen,
wird dieser Läufer durch die abstoßende Kraft zunächst in die neutrale Zone bewegt
und dann weiter durch die anziehende Kraft der einsprechenden ungleichnamigen Ständerpole
um insgesamt 180° in die neue Ruhestellung gedreht. Dasselbe Spiel wiederholt sich,
wenn jetzt der Kolben aus der strichpunktierten Lage «-leder in die ausgezogene
Lage zurückbewegt wird. lach dieser Bewegung wird der Läufer sich abermals um 180º
drehen. Die nächste Drehung erfolgt dann, wenn der Kolben 24. mit dein Magneten
17 in die entgegengesetzte (untere) gestrichelte Lage bewegt wird. Durch die fortwährende
Umkehr der Richtung des magnetischen Flusses in dein System infolge der Hin- und
Herbewegung des Dauermagneten 17 vor den verzweigten Polen des Ständers i i und
12 eiltstehen somit abwechselnd gleichnamige und entgegengesetzte Pole in den Ständerpol-
i schulten 2o. 21 der treibenden Seite, so @laü der Dauermagnet 17 im Rhythmus dieser
13ewegungen umläuft. Auf diese Weise kann man also durch das iin' Schema dargestellte
12# eg t eine hin und her -Jiendle Bewe-unr a Z, 11N in eine Drehbewegung
verwandeln und natürlich auch umgekehrt, denn der Magnet 17 mit den Polschuhen 1,5
und if> unterliegt denselben von den Statorpoleir 18, 1g, 2.2 und 23 ausgeübten
magnetischen Wechselwirkungen,
züglich der Längenabmessungen der
Ständer= pole i8, i9, 22 und- 23 ist natürlich zu berücksichtigen, daß der Bewegungsvorgang
des Kolbens 24 in den meisten Fällen ein sinusförmiger ist, so daß also wegen der
verschiedenen Zeitdauer in der Mittelstellung und in der Totlage des Kolbens die
Statorpole 22, 23 kürzer sein müssen als die Polschuhe 18, 19.
-
Bei dem in Fig. 3 und 4 schematisch dargcstellten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Aggregates ist wiederum auf der getriebenen Seite ein zweipoliger
Läufermagnet 25 angeordnet, welcher sich zwischen dem Polschuh 26 des Ständers 27
und dem Polschuh 28 des Ständers 29 bewegt. Die Ständer 27 und 29 liegen jedoch
hier nicht, wie z. B. in Fig.1 und 2, nur seitlich vom Läufer der treibenden Seite,
sondern ein jeder Ständer umfaßt ringförmig den gemeinsamen Läufer 32 und ist dabei
an der dein Läufer zugewandten Seite mit zahnartigen Vorsprüngen 3o bzw. 31 besetzt,
welche die Ständerpole darstellen. Dabei haben diese "Zähne 3o bzw. 31 ein und desselben
Ständerringes unter sich die gleiche Polarität. Bei dem in Fig. 3 dargestellten
Beispiel wird bei' .:lern in der Zeichenebene vorn liegenden Ständerteil -9 der
Polschuh 28 durch den Südpol des Läufers 25 nordmagnetisch induziert. Entsprechend
sind die zugehörigen Zähne 30 südmagnetisch induziert. Bei dem hinter der Zeichenebene
liegenden Ständerteil 27, dessen Ständerpol 26 durch den Läufer 25 südmagnetisch
induziert wird, werden die zugehörigen Zähne 31 entsprechend nordmagnetisch induziert.
Die Zähne dieser beiden Ständerkränze stehen auf Lücke, ohne sich zu überdecken,
und haben gleiche Breite. In dein dargestellten Beispiel hat jeder Ständer acht
Zähne, so daß also insgesamt 16 Zähne vorhanden sind. Der zu der treibenden Seite
des Ständers 27, 29 gehörende Läufer 32 hat 16 gleich große 33, 34, deren Polarität
längs des Unifanges wechselt, so daß acht Nord- und acht Südpole vorhanden sind.
Der magnetische Fluß nimmt hei dieser Anordnung folgenden Weg Aus dem Nordpol des
Läufers 2,5 über den Luftspalt-, durch den Ständerpolschuh a6->, den Ständer 27-->,
die Ständerpole 3i (die hinter der Zeichenebene liegen)--., den Luftspalt--#-, .die
Läuferpole 33--;, durch den Läuferkern-->., die Läuferpole 34-->, den Luftspalt->,
die Zähn.- 30 des Ständers z9-->, den Standerpolschuh 28--> über den Luftspalt zurück
zurrt Südpol des Läufermagneten 25.
-
Die Richtung des Magnetflusses entspricht also dem ausgezogenen Pfeil
(vgl. Fig. 4).
-
I n der Draufsichtszeichnung in ., Fig. 4 ist gezogenen Pfeil strichpunktiert
eingezeichnet. Man erkennt hieraus, daß der magnetische Kreis durch die beiden Ständerseiten
27, 29 und die Läufermagnete 25, 32 geschlossen ist. Die zur Erreichung eines Übersetzungsverhältnisses
erforderliche Verzweigung wird dabei einmal durch die beiden Ständerseiten 27, 29
und das andere Mal durch die Unterteilung der Ständerzähne 30, 31 erreicht. Die
Bewegung kommt hierbei ganz analog zu-Stande wie bei dem Beispiel gemäß Fig. i.
In der gezeichneten Ruhelage liegen die Festpole der Dauermagnete 25 und 32 entsprechend
den wechselseitig entgegengesetzt induzierten Magnetpolen gegenüber, so daß das
System in Ruhe ist. Wird jedoch der Läufer 25 uni i So' gedreht, so kehrt sich der
Kraftfluß um, so daß er dem Verlauf des punktiert gezeichneten Pfeiles folgt. Die
dadurch bedingte- Umstellung der Ständerzähne 30 und 31 erzeugt einerseits eine
abstoßende Wirkung und andererseits eine anziehende Wirkung in bezog auf die Festpole
des Magnetläufers 32 und damit ein Drehmoment. Bei jeder Drehung um 180° des Laufers
a5 wird: daher der Läufer 32 um eine Zahnteilung fortbewegt. Da eine Drehung uni
180° einer halben Unidrehung des getriebenen Läufers 25 entspricht und da der Läufer
32 der treibenden Seite 16 Zähne hat, so wird also bei jeder halben Umdrehung des
Läufers 25 der Läufer 32 um 1/16 Umdrehung weiterbewegt. Einer vollen Umdrehung
des Läufers 25 entspricht daher eine Weiterbewegung um =/16 bzw. 1/8 Umdrehung.
Es erfolgt also von der getriebenen nach der treibenden Seite hin eine Untersetzung
von 8 : i, d. h. wenn der Läufer.25 acht Umdrehungen macht, macht der Läufer 32
eine ganze Umdrehung.
-
Bei den bisher besprochenen Ausführungsbeispielen, die hauptsächlich
zur Erläuterung der Wirkungsweise der magnetischen Vorgänge in diesen Magnetaggregaten
dienten, war der Drehsinn bzw. Bewegungssinn der bewegten Teile nicht eindeutig
festgelegt. So konnte z. B. bei einer Drehung des Läufers 2,3 im Sinne des Uhrzeigers
der- Läufer 32 .ich sowohl im Sinne des Uhrzeigers als auch unigekehrt bewegen.
Diese. Drehrichtung hängt ganz von der zufälligen Einstellung dieses Läufers in
bezug auf die Ständerzähne ab bzw. in welcher Richtung dieser Läufer durch eine
äußere Kraft angeworfen wird. Die Verhältnisse bei diesen Aggregaten sind daher
vergleichbar mit denen eines Einphasensynchronmotors, der ebenfalls in beiden Richtungen
laufen kann, je nachdem wie er angeworfen Nvird. l',bensoweniri wie ein l:iniiliasellsynchroninotor
sind daher auch die Aggregate :;anäll hig. i lins 4 nicht selbstanlaufend, ...
r 1 T- -- r.
Um jedoch diese Willkürlichkeit
in der Bewegung zu beseitigen, wird ein Aggregat benutzt, wie es in den Fig. 5 bis
8 in verschiedenen Bewegungsphasen dargestellt ist. Das Wesentliche ist hierbei,
daß der weder zweipolige Läufermagnet 35, der z. B. durch eine Kraftmaschine angetrieben
wird, nicht mehr paarweise gegenüberliegende Polschuhe eines zugehörigen Ständers
induziert, sondern mindestens drei oder mehr Ständerpolschuhe, wobei die Zahl der
Ständerpolschuhe mindestens um 1 höher sein muß, als die Zahl der Pole des Läufermagneten.
Wesentlich ist, daß das System zeitweise eine gewisse Unsymmetrie aufweist, so daß
bei der Drehung des Läufers in Drehrichtung ein fortschreitendes Anwachsen und Abfallen
der magnetischen Feldstärke in den Luftspalten erzielt wird. Durch diese Maßnahme
wird ähnlich wie bei den Dreiphasenwechselstrommaschinen durch das elektrische Drehfeld
hier ein magnetisches Drehfeld erzeugt, «,-elches synchron mit dem Läufer 35 umläuft
und den treibenden Läufer 36 im Sinne dieses magnetischen Drehfeldes mitnimmt. Dabei
kann durch entsprechende Anordnung der Reihenfolge der induzierten Ständerpolschuhe
bewirkt werden, daß das Drehfeld mit dem Drehsinn des Läufers 35 entweder Bleich-oder
entgegengesetztlaufend ist. Entsprechend dieser grundsätzlichen Wirkungsweise sind
bei dem Aggregat nach Fig. 5 bis 8 konzentrisch um den Läufer 35 liegende Polschuhe
37, 38, 39 angeordnet. Diese Polschuhe gehören zu den in gleicher Weise bezeichneten
Ständerringen. Es sind also im vorliegenden Falle auch drei Ständerteile vorhanden,
die koaxial zu dem Magnetläufer 35 angeordnet sind und diesen umschließen. Diese
Ständerringe sind nun ihrerseits am äußeren Umfang in regelmäßigen Abständen mit
Vorsprüngen bzw. Einkerbungen versehen, so daß ausgeprägte Pole entstehen. Diese
Pole der Ständerringe haben gleiche Breite und sind so gegeneinander versetzt, daß
sie auf Lücke stehen, ohne sich wesentlich zu überdecken.
-
Die treibende Seite ist bei diesem Aggregat ebenfalls als ein Ring
36 ausgebildet, welcher die Ständerringe längs des Umfanges und über' die Gesamtbreite
umschließt. Dieser Ring besteht aus einem Dauermagnetwerkstoff, dessen Zähne wechselnder
Polarität magnetisiert und dem Ständerring zugekehrt sind. Es sind insgesamt 32
derartiger Pole vorhanden, also 16 Nordpole und 16 Südpole. ', Die einzelnen Ständerringe
haben dagegen nur 16 Pole.
-
Um die Wirkungsweise des Aggregates verständlicher zu machen, sind
diesmal die Bewegungsphasen dargestellt (vgl. Fig. 5, ; und 8).
-
Bei der Stellung nach Fig.5 tritt der magnetische Kraftfluß aus dem
Nordpol des Läufers 35 aus und nimmt folgenden Weg: Die Kraftlinien treten vom Nordpol
in den Ständerring 37, verzweigen sich dort auf die 16 zugehörigen Zähne 4o dieses
Ständers- und treten dann über den Luftspalt in die Nordpole des treibenden Läufers
36 ein. Von dort fließen sie über die sämtlichen Südpole dieses treibenden Läufers
36 zurück auf die Nordpole 41, 42 der zugehörigen Ständerringe 38 bzw. 39 in den
Südpol des angetriebenen Magnetläufers 35. Die magnetischen Kreise sind also über
die drei Ständerringe 37, 38, 39 und die beiden Läufermagnete 35, 36 geschlossen.
In der dargestellten Lage gemäß Fig. 5 ist bemerkenswert, daß der Nordpol des Läufers
35 allein den Ständer 37 induziert, während der Südpol sowohl dem Ständer 38 als
auch dem Ständer 39 in einer Mittellage gegenübersteht und damit beide gleichzeitig
induziert, oder mit anderen Worten, der im Nordpol austretende Kraftfluß verzweigt
sich über den Ständerring 37 auf die Ständerringe 38 und 39 zu gleichen Teilen,
da die Stellung eine symmetrische ist.
-
Wenn nun der Magnetläufer 35 im Uhrzeigersinn beispielsweise um etwa
30° gedreht wird (vgl. die Stellung nach Fig.7), dann wird diese Symmetrie insofern
beseitigt, als der Nordpol zwar immer noch den Ständerring 37 ausschließlich induziert,
dagegen der Südpol jetzt nur mehr dein Ständer 39 gegenübersteht und diesen ebenfalls
ausschließlich induziert, während der Ständerring 38 sich in der neutralen Zone
befindet, also keinen Magnetfluß erhält. Während also bei Fig. 5 der aus dem Südpol
austretende Kraftfluß nach zwei Seiten sich verzweigte, geht dieser Kraftfluß jetzt
ausschließlich durch den Ständerring 39, so daß dessen zugehörige Zähne 42 auf Kosten
der Zähne 41 des Ständerringes 38 stärker bzw. bis zur vollen Höhe nordmagnetisch
werden. Die Folge davon ist, daß der nordmagnetische Zahn 41 den ihm gegenüberliegenden
Südpol des Magnetringes 36 stärker anzieht, diesen ein Stück in Pfeilrichtung bewegt
und in eine Zwischenlage bringt. Wird jetzt der Läufer 35 in die in Fig.8' dargestellte
Lage bewegt, dann wird eine der Stellung nach Fig. 5 analoge Lage erreicht, jedoch
mit dem Unterschied, daß diesmal der Ständerring 37 ganz oder fast ganz in der neutralen
Zone liegt, während die Ständerringe 38 und 39 den gesamten Fluß aufnehmen. Diese
Magnetflußverteilung hat nun wiederum eine Veränderung der magnevollen
Kraftfluß
erhalten, wobei der Zahn 41 durch Induktion südmagnetisch und der Zahn 42 durch
Induktion nordmagnetisch geworden ist. Der Zahn +i zieht also den gegenüberliegenden
Nordpol und der Zahn .a2 den gegenüberliegenden Südpol des Magnetringes 36 an und
bewegen diesen wiederum ein Stück im Uhrzeigersinn weiter. Dieses Spiel wiederholt
sich fortlaufend, wobei bei einer vollen Umdrehung des Läufers 35 der Außenring
1/1c Winkeldrehung macht. Zu einer vollen Umdrehung des äußeren Ringmagneten 36
bzw. der treibenden Seite gehören dann 16 volle Umdrehungen des inneren, beispielsweise
von einer Kraftmaschine angetriebenen Läufermagneten 35. Eine mit dein- Magnetring
gekuppelte Arbeitsmaschine macht daher nur 1/1s Umdrehung der Kraftmaschine. Der
Übersetzungsgrad bei dem beschriebenen Aggregat ist somit nur durch das Verhältnis
der Polzahl des Magnetläufers 35 zu der Polzahl des Magnetringes 36 festgelegt.
-
Die in den Lagern 44 gehaltene Welle 43 (Fig.6) hat an der einen Seite
eine Kupplung 4.5 zur Verbindung mit der Antriebswelle der Kraftmaschine. Die Ständerringe
37, 38, 39 sind in nicht besonders dargestellter Weise fest gegenüber dem System
angeordnet. Der Magnetring 36 sitzt fest auf einer Welle q.6, von welcher die im
Verhältnis 16 : i verminderte Drehzahl zum Betrieb einer Arbeitsmaschine o. dgl.
abgenommen werden kann. Die 32 Magnetpole des Magnetringes 36 können aus dem magnetischen
Werkstoff unmittelbar durch Einzelmagnetisierung erzeugt werden, oder es können
auch Stabmagnete in einen Eisenring eingesetzt sein. Des weiteren kann die Magnetisierung
mit einer entsprechenden Vorrichtung durch einen Stoßtransformator erfolgen, oder
aber auch durch besonders starke elektro-magnetische Induzierung der Ständerringe
durch eine fremde Energiequelle.
-
Durch die im vorstehenden Beispiel beschriebene Anordnung der Magnetpole
ist daher der Drehsinn des Aggregates eindeutig bestimmt. Vertauscht man nun beispielsweise
die Ständerpole 38 und 39, so ersieht man ohne weiteres, daß nunmehr, da die zugehörigen
Zähne 41 und 4.2 in ihrer Wirkungsweise vertauscht sind,- der Magnetring 36 sich
entgegen dem Uhrzeigersinn bewegen muß.
-
Aus den Fig. 9 und 10 ist die Ausbildung der Ständerringe 37, 38 oder
39 zu erkennen, die jeweils aus dünnen Blechen bestehen und in an sich bekannter
Weise bis zu der gewünschten Breite zu einem Paket 4.9 übereinander geschichtet
und mechanisch miteinander verbunden sind. Die Blechringe haben in der Mitte eine
Ausnehmung 5o für den Krümmung des Läuferpoles ausgebildet ist und deren Länge sich
über etwa 120° erstreckt. Der restliche Teil .48 der Ausnehmung besitzt einen größeren
Durchmesser, um eine magnetische Streuung des gegenüberliegenden Läufermagneten
zu verhindern.