EP0369990B1 - Dreh-Hubkolben-Maschine - Google Patents

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EP0369990B1
EP0369990B1 EP90100552A EP90100552A EP0369990B1 EP 0369990 B1 EP0369990 B1 EP 0369990B1 EP 90100552 A EP90100552 A EP 90100552A EP 90100552 A EP90100552 A EP 90100552A EP 0369990 B1 EP0369990 B1 EP 0369990B1
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EP
European Patent Office
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piston
rotor
stator
rotating
movement
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EP90100552A
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Iso Wyrsch
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0369990A1 publication Critical patent/EP0369990A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0079—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having pistons with rotary and reciprocating motion, i.e. spinning pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/04—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F01B3/06—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal
    • F01B3/08—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal the helices being arranged on the pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/26—Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the "classic”, well-known reciprocating piston machine has pistons that only perform a reciprocating movement.
  • the piston movement is mostly generated by the crankshaft and connecting rod.
  • An electric motor or an electric generator is connected to the crankshaft to convert the power.
  • the reciprocating and simultaneously rotating movement of the piston has many advantages: the friction of the rotating piston is less, the additional rotation of the piston can improve the slot control and so on. Because of this typical piston movement, this type of machine is therefore referred to below as a “rotary reciprocating piston machine”, which means both a working machine and an engine.
  • the present invention now relates to electrically functioning devices for generating or converting the piston movement in such rotary reciprocating piston machines.
  • the object of the present invention and its various embodiments is therefore to effect the rotary-stroke movement of the piston in an electromagnetic manner by means of axial and tangential force components, to generate this piston movement by electrical energy, or to generate electrical energy by this piston movement.
  • a piston machine is provided with an armature and a stator, which are attached directly or indirectly to the piston or to the cylinder, characterized in that the armature is arranged obliquely to the axis of rotation of the piston or has curves in the direction of the axis of rotation and that the stator holds the surface of the armature near this location at least at one point by electromagnetic interaction in the vicinity of this location and thereby guides the armature in a rotary-stroke movement in accordance with the rotation-stroke movement program predetermined by the curve shape of the armature.
  • the armature When rotating, the armature performs the oscillating stroke movement corresponding to its shape, relative to the stator.
  • Figure 2a-b shows schematically details of another version of a rotary piston machine according to the invention.
  • Figure 2a shows a section along the cylinder axis
  • Figure 2b shows a section along the axis A-A.
  • the armature (20) is not permanently magnetic, but can be magnetized.
  • the piston (2) is connected to the armature and carries out one stroke cycle per revolution.
  • the pole (44) of the stator attracts the outer surface of the armature (20) with electromagnetic forces and therefore guides the armature in accordance with the armature shape.
  • the driving poles (45) of the stator have an alternating magnetic field and cause tangential and axial forces on the armature (20) due to the shape of the armature. The tangential forces generate a torque and the axial forces generate a force in the stroke direction.
  • the stator pole (46) also attached to the cylinder serves as an auxiliary pole for starting the machine.
  • Figure 3 shows a similar version of the device which produces the piston movement, but there are driving poles (45) at three points on the circumference.
  • the driving poles are activated with a time shift relative to each other.
  • Figure 4 shows schematically another version similar to Figures 2 and 3.
  • the piston (2) executes two stroke cycles per revolution.
  • the armature is guided at two points through guide poles (44) of the stator.
  • Driving poles (45) of the stator are arranged at the top and bottom of the drawing.
  • This version needs a starter.
  • Figure 5 shows a version similar to Figure 4.
  • a north pole and a south pole (44) of the stator guide the armature (20).
  • Driving poles (45) are present in four places. The driving poles are switched so that they cause a reciprocating axial-tangential force on the armature (20).
  • the guide poles (44) are designed, for example, as permanent magnets.
  • the stator has only driving poles (45). The poles (45) then have a predominantly attractive effect on the armature and drive and guide the armature in the correct rotary / lifting movement.
  • stator arranged on the outside has the functions and properties of the armature described.
  • armature has the described functions and properties of the stator.
  • Figure 6 shows in perspective the shape of the armature (20) of Figures 4 and 5.
  • cylinder all cylinder parts or non-moving parts connected to the cylinder, which are also called “housings” or “engine blocks” e.t.c. could denote, called “cylinder”.
  • the invention relates to a piston machine as a working or power machine with at least one piston (2), which carries out a rotary movement about the cylinder axis and at the same time an oscillating stroke movement coaxial to the cylinder axis, with an armature (20) which directly or indirectly with the piston and a stator (21) which is directly or indirectly connected to the cylinder (1), or vice versa, so that the armature relative to the stator performs the same movement as the piston relative to the cylinder.
  • the armature is limited in the radial direction so that it does not project beyond a theoretical cylinder surface lying coaxially to the axis of rotation, and the stator is limited in the radial direction so that it does not touch the same theoretical cylinder surface from the other side.
  • the piston machine according to the invention is characterized in that the armature (20) is arranged obliquely to the axis of rotation of the piston (see FIGS. 1 to 3) or has curves in the direction of the axis of rotation (see FIGS. 4 to 6).
  • the invention is further characterized in that the stator (21) at least at one point (44) holds the surface of the armature close to this point by electromagnetic interaction in the vicinity of this point and thereby the armature in accordance with the rotation predetermined by the curve shape of the armature -Lift movement program, which results in a rotary-stroke movement. This corresponds to an analogy to the known mechanical device with the guide elements and the cam track.
  • the number of guide points is advantageously equal to the number of lifting cycles per revolution, depending on the shape of the armature. Because of the shape of the armature according to the invention, it is easily possible in a number of different ways to induce torques and / or axial forces between the stator and armature in an electromagnetic manner.
  • One embodiment is characterized in that there are at least two points (45) on the stator, which are located where the nearby surface of the armature (20) executes major axial relative movements to the stator (see FIGS. 2 to 5). These points (45) are arranged at an axial distance from one another. Electromagnetic interactions are exerted between these points (45) and the armature (20) Have force components in the direction of these relative movements and therefore act on the movement of the armature.
  • Another embodiment is characterized in that the torque between the stator and armature is generated in principle as in the case of an electric motor producing only one torque (see, for example, FIG. 1), but the stator is at those points where the nearby surface of the armature carries out major axial relative movements , does not hinder these relative movements, since the stator does not have a narrow field in the axial direction at these points, in contrast to that point or those points (44) where the axial relative movement of the armature surface to the stator is small and where the armature is caused by an axially Direction of the stator's narrow field is guided axially.
  • the armature is made with magnetic poles or turns on it.
  • armature is made of magnetizable but not permanently magnetic material. Such designs can be implemented due to the non-rotationally symmetrical shape of the armature.
  • the stator's electromagnetic field magnetizes the armature. Force and movement are generated and influenced by the arrangement and the temporal sequence of the electromagnetic stator field and by the shape of the armature.
  • Another version is characterized in that the stroke length or the compression ratio or both is adjustable. This is done by axially shifting electromagnetic poles or by electrically switchable poles, or by adjusting the strength of the electromagnetic force which has an axial component.
  • Another version is characterized in that the two adjacent, coaxially arranged end faces of the pistons (2), or the piston (2) and the piston-like member (5), between which a working space is provided and which, by relative stroke movement to each other, the compression ratio generate, always interlocking like claws stay engaged. In this way, for example, the movement of the various pistons is synchronized.
  • Another version is characterized in that the piston rests on a lubricating film, the lubricant, if it must not get into the work space or into the slots, being kept away from the work space or the slots by a scraper ring or other sealing elements.
  • This sealing element is mounted in the cylinder wall, for example.
  • the armature of the following rotary reciprocating machine is attached to the piston and made of soft magnetic, i.e. made of magnetizable but not permanently magnetic material. This means that no power supply to the anchor is necessary.
  • the piston usually makes either one, two or more stroke cycles per revolution. Two identical stroke cycles per revolution are advantageous.
  • the anchor is shaped in accordance with FIG. 6.
  • the armature is guided through two magnetic poles, which are diametrically opposite one another on the stator.
  • the number of these guide points is equal to the number of identical lifting cycles per revolution; and these guide points, when looking along the axis of rotation, are arranged at identical angular distances from one another.
  • Our example therefore has two guide points and the angular distance between them is 180 degrees.
  • poles at these points are either permanent magnets or they are activated by coils.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Technisches Gebiet der Erfindung sind Kolbenmaschinen mit hin- und hergehenden und gleichzeitig drehenden Kolben im Zylinder, wobei diese Bewegung mittels elektrischer Energie herbeigeführt wird.
    Die "klassische", wohlbekannte Hubkolbenmaschine hat Kolben, die nur eine hin- und hergehende Bewegung ausführen. Die Kolbenbewegung wird dort meist durch Kurbelwelle und Pleuel erzeugt. Für die Umwandlung der Leistung ist ein Elektromotor oder Elektrogenerator mit der Kurbelwelle verbunden.
    Die hin- und hergehende und gleichzeitig drehende Bewegung des Kolbens hingegen hat viele Vorteile: Die Reibung des drehenden Kolben ist geringer, die zusätzliche Drehung des Kolbens kann die Schlitzsteuerung verbessern und so weiter.
    Aufgrund dieser typischen Kolbenbewegung wird diese Maschinenart daher nachfolgend "Dreh-Hubkolben-Maschine" genannt, wobei damit sowohl eine Arbeitsmaschine oder auch eine Kraftmaschine gemeint ist.
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf elektrisch funktionierende Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umwandlung der Kolbenbewegung bei solchen Dreh-Hubkolben-Maschinen.
    • Stand der Technik
  • Kenneth R. Maltby beschreibt in seinem Patent (US 2,352,396) eine Dreh-Hubkolbenmaschine. Die Kolbenbewegung wird durch eine Kurvenbahn erzeugt, welche sich relativ zu Führungselementen dreht und dadurch auch eine Hubbewegung ausführt. Er beschreibt auch Kombinationen von mechanischen Vorrichtungen mit elektromagnetischen Vorrichtungen. Gemäss Figur 12 von K. R. Maltby's Patent wird die Hubbewegung elektrisch erzeugt b.z.w. in elektrische Energie umgewandelt, aber die Drehbewegung wird mechanisch durch eine Kurvenbahn zugefügt. Gemäss Maltby's Figur 13 und 14 besorgt ein Elektromotor oder Generator nur die Drehbewegung; die zusätzliche Hubbewegung wird auch durch eine mechanische Vorrichtung, durch eine Kurvenbahn, erzeugt. Das heisst, dass diese elektrischen Vorrichtungen entweder axiale Kraftkomponenten für die Hubbewegung erzeugen oder tangentiale Kraftkomponenten für die Drehbewegung. Aber sie haben nicht axiale und tangentiale Komponenten, welche beide zusammen wirken.
  • Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung und ihrer verschiedenen Ausführungsformen ist es daher, die Dreh-Hubbewegung des Kolbens auf elektromagnetische Weise durch axiale und tangentiale Kraftkomponenten zu bewirken, diese Kolbenbewegung durch elektrische Energie zu erzeugen, oder elektrische Energie durch diese Kolbenbewegung zu erzeugen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist daher eine Kolbenmaschine vorgesehen mit einem Anker und einem Stator, die direkt oder indirekt am Kolben bzw. am Zylinder befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker schräg zur Rotationsachse des Kolbens angeordnet ist oder Kurven in Richtung der Rotationsachse aufweist und dass der Stator an mindestens einer Stelle die dieser Stelle naheliegende Oberfläche des Ankers durch elektromagnetische Wechselwirkung in der Nähe dieser Stelle hält und dadurch den Anker, entsprechend des durch die Kurvenform des Ankers vorgegebenen Dreh-Hub-Bewegungsprogramms, in einer Dreh-Hubbewegung führt. Der Anker führt also beim Rotieren, relativ zum Stator, die seiner Form gemässe oscillierende Hubbewegung aus.
    • Beschreibung der Zeichnungen
  • Für ein besseres Verständis der Erfindung wird nun bezug genommen auf die zugehörigen Zeichnungen, welche schematisch einige Beispiele illustrieren, in welchen:-
    • Figur 1 ein Längsschnitt ist, der eine Dreh-Hubkolben-Maschine mit einer elektromagnetischen Vorrichtung zur Herbeiführung der Bewegung des Kolbens illustriert;
    • Figuren 2 bis 5 Längsschnitte und Querschnitte sind, welche Details von elektromagnetschen Vorrichtungen zur Herbeiführung der Bewegung des Kolbens illustrieren; und
    • Figur 6 ein Beispiel einer Form eines Ankers illustriert.
    Bildlegende zu den Figuren:
    • 1
    Zylinder (Fig. 1 - 5)
    2
    Kolben, der eine Dreh-Hub-Bewegung ausführt
    5
    kolbenähnliches Glied, das nur rotiert (Fig. 1)
    8
    Einlasskanal (Fig. 1)
    9
    Auslasskanal (Fig. 1)
    14
    zentrale Welle (Fig. 1)
    20
    Anker, oder Rotor
    21
    Stator
    29
    Ventil (Fig. 1)
    44
    Magnetpol, welcher den Anker führt (Fig. 2 - 5)
    45
    Magnetpol, welcher den Anker treibt (Fig. 2 - 5)
    46
    Hilfswicklung für den Start (Fig. 2)

       Nehmen wir nun im Detail bezug auf die Zeichnungen: Figur 1 zeigt schematisch eine Dreh-Hubkolben-Maschine mit erfindungsgemässer elektrischer Herbeiführung der Dreh-Hubbewegung. Die Hubbewegung des Kolbens (2) zusammen mit der Drehbewegung resultiert aus der Form des Ankers (20): die Mantelfläche des Ankers (20) wird auf der oberen Seite durch ein konzentriertes magnetisches Feld des Stators (21) axial geführt. Unten ist das Feld des Stators axial viel breiter. Dadurch wird unten die axiale Bewegung der Mantelfläche des Ankers relativ zum Stator zugelassen. Das Drehmoment wird bei dieser Version prinzipiell auf gleiche Weise erzeugt wie bei konventionellen Elektromotoren oder Elektrogeneratoren. Links ist die Steuerung des Ladungswechsels auf konventionelle Weise mit Ventilen (29) dargestellt, rechts wird die Schlitzsteuerung durch die Drehbewegung des Kolbens (2) und des kolbenähnlichen Glieds (5) beeinflusst. Die Form und Anordnung des Kolbens in Verbindung mit der Schlitzsteuerung bei einer Dreh-Hubkolben-Maschine ist Gegenstand einer separaten Patentanmeldung. Durch die folgende, nicht gezeichnete, Version wird die axiale Kraftkomponente zusätzlich verstärkt: Der Stator wirkt nicht nur dort mit axialen Kraftkomponenten auf die Mantelfläche des Ankers ein, wo er den Anker führt. Der Stator unterstützt die relative Axialbewegung der Mantelfläche des Ankers an anderen Stellen des Stators durch treibende elektromagnetische Kräfte. Diese treibenden Kräfte oscillieren entsprechend der Bewegung der Mantelfläche des Ankers.
  • Figure 2a-b zeigt schematisch Details einer andern Version einer erfindungsgemässen Dreh-Hubkolben-Maschine. Figur 2a zeigt einen Schnitt entlang der Zylinderachse, Figur 2b einen Schnitt entlang der Achse A-A. Der Anker (20) ist nicht dauermagnetisch, aber magnetisierbar. Der Kolben (2) ist mit dem Anker verbunden und führt einen Hubzyklus pro Umdrehung aus. Der Pol (44) des Stators zieht die Mantelfläche des Ankers (20) mit elektromagnetischen Kräften an und führt daher den Anker entsprechend der Ankerform. Die treibenden Pole (45) des Stators haben ein wechselndes magnetsches Feld und bewirken tangential und axial wirkende Kräfte auf den Anker (20) aufgrund der Form des Ankers. Die Tangentialkräfte erzeugen ein Drehmoment und die Axialkräfte erzeugen eine Kraft in Hubrichtung. Der ebenfalls am Zylinder befestigte Statorpol (46) dient als Hilfspol für den Start der Maschine.
  • Figur 3 zeigt eine ähnliche Version der Vorrichtung, welche die Kolbenbewegung erzeugt, aber es sind an drei Stellen des Umfangs treibende Pole (45) vorhanden. Die treibenden Pole werden relativ zueinander zeitlich verschoben angesteuert.
  • Figur 4 zeigt schematisch eine andere Version ähnlich Figur 2 und 3. Entsprechend der Form des Ankers (20) führt der Kolben (2) zwei Hubzyklen pro Umdrehung aus. Der Anker wird an zwei Stellen durch Führungspole (44) des Stators geführt. Treibenden Pole (45) des Stators sind oben und unten auf der Zeichnung angeordnet.
    Diese Version braucht eine Startvorrichtung.
  • Figur 5 zeigt eine Version ähnlich Figur 4. Ein Nordpol und ein Südpol (44) des Stators führen den Anker (20). Treibende Pole (45) sind an vier Stellen vorhanden. Die treibenden Pole sind so geschaltet, dass sie eine hin- und hergehende axial-tangentiale Kraft auf den Anker (20) bewirken. Die Führungspole (44) sind beispielsweise als Dauermagnete ausgeführt. In einer andern Version hat der Stator nur treibende Pole (45). Die Pole (45) wirken dann vorwiegend anziehend auf den Anker und treiben und führen den Anker in die richtige Dreh-Hubbewegung.
  • Die beschriebenen Ausführungen existieren auch in einer konträren Version: Der aussen angeordnete Stator weist die beschriebenen Funktionen und Eigenschaften des Ankers auf. Analogerweise weist der Anker die beschriebenen Funktionen und Eigenschaften des Stators auf.
  • Figur 6 zeigt perspektivisch die Form des Ankers (20) von Figur 4 und 5.
  • Einfachheitshalber werden alle Zylinderteile oder mit dem Zylinder verbundene, nicht bewegliche Teile, welche man auch als "Gehäuse" oder "Motorblock" e.t.c. bezeichnen könnte, "Zylinder" genannt.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine als Arbeits- oder Kraftmaschine mit mindestens einem Kolben (2), welcher eine Drehbewegung um die Zylinderachse und gleichzeitig eine oscillierende Hubbewegung koaxial zur Zylinderachse ausführt, mit einem Anker (20), der direkt oder indirekt mit dem Kolben verbunden ist und einem Stator (21), welcher direkt oder indirekt mit dem Zylinder (1) verbunden ist, oder umgekehrt, so dass der Anker relativ zum Stator die selbe Bewegung wie der Kolben relativ zum Zylinder ausführt. Der Anker ist in radialer Richtung so begrenzt, dass er eine theoretische, koaxial zur Rotationsachse liegende, Zylinderfläche nicht überragt, und der Stator ist in radialer Richtung so begrenzt, dass er von der anderen Seite her dieselbe theoretische Zylinderfläche nicht berührt.
    Die erfindungsgemässe Kolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) schräg zur Rotationsachse des Kolbens angeordnet ist (siehe Fig. 1 bis 3) oder Kurven in Richtung der Rotationsachse aufweist (siehe Fig. 4 bis 6). Die Erfindung ist ausserdem dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (21) an mindestens einer Stelle (44) die dieser Stelle naheliegende Oberfläche des Ankers durch elektromagnetische Wechselwirkung in der Nähe dieser Stelle hält und dadurch den Anker, entsprechend des durch die Kurvenform des Ankers vorgegebenen Dreh-Hub-Bewegungsprogramms, in einer Dreh-Hubbewegung führt.
    Dies entspricht einer Analogie zur bekannten mechanischen Vorrichtung mit den Führungselementen und der Kurvenbahn. Die Anzahl der Führungsstellen ist vorteilhafterweise gleich der Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung, entsprechend der Form des Ankers.
    Aufgrund der erfindungsgemässen Form des Ankers ist es auf verschiedene Weise einfach möglich, zwischen Stator und Anker Drehmomente und/oder Axialkräfte auf elektromagnetische Weise zu bewirken.
  • Eine Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Stator mindestens zwei Stellen (45) vorhanden sind, welche dort liegen, wo die naheliegende Oberfläche des Ankers (20) grössere axiale Relativbewegungen zum Stator ausführt (siehe Fig. 2 bis 5). Diese Stellen (45) sind in einem axialen Abstand voneinander angeordnet. Zwischen diesen Stellen (45) und dem Anker (20) werden elektromagnetische Wechselwirkungen ausgeübt, welche Kraftkomponenten in Richtung dieser Relativbewegungen aufweisen und daher auf die Bewegung des Ankers einwirken.
  • Eine andere Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment zwischen Stator und Anker prinzipiell wie bei einem nur ein Drehmoment erzeugenden Elektromotor erzeugt wird (siehe z.B. Figur 1), aber der Stator, an denjenigen Stellen, wo die naheliegende Oberfläche des Ankers grössere axiale Relativbewegungen ausführt, diese Relativbewegungen nicht behindert, indem der Stator an diesen Stellen kein in axialer Richtung enges Feld aufweist, im Gegensatz zu derjenigen Stelle oder denjenigen Stellen (44), wo die axiale Relativbewegung der Ankeroberfläche zum Stator klein ist und wo der Anker durch ein in axialer Richtung enges Feld des Stators axial geführt wird.
  • In einigen Ausführungen ist der Anker mit sich darauf befindenden magnetischen Polen oder Windungen gemacht.
  • Andere Ausführungen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus magnetisierbarem aber nicht dauermagnetischem Material gemacht ist. Solche Ausführungen sind realisierbar aufgrund der nicht rotationssymmetrischen Form des Ankers. Das elektromagnetische Feld des Stators magnetisiert den Anker. Kraft und Bewegung werden erzeugt und beeinflusst durch die Anordnung und die zeitliche Abfolge des elektromagnetischen Statorfelds und durch die Form des Ankers.
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge oder das Verdichtungsverhältnis oder beides verstellbar ist. Dies wird gemacht durch axiale Verschiebung von elektromagnetischen Polen oder durch elektrisch schaltbare Pole, oder durch Anpassung der Stärke der elektromagnetischen Kraft, welche eine axiale Komponente aufweist.
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwei benachbarten, koaxial angeordneten Stirnseiten der Kolben (2), bzw. des Kolbens (2) und des kolbenähnlichen Gliedes (5), zwischen welchen ein Arbeitsraum vorgesehen ist und welche durch relative Hubbewegung zueinander das Verdichtungsverhältnis erzeugen, immer formschlüssig wie Klauen ineinander im Eingriff bleiben. Auf diese Weise wird zum Beispiel die Bewegung der verschiedenen Kolben synchronisiert.
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben auf einem Schmierfilm aufliegt, wobei das Schmiermittel, falls es nicht in den Arbeitsraum oder in die Schlitze gelangen darf, vom Arbeitsraum oder den Schlitzen ferngehalten wird durch einen Abstreifring oder andere Dichtungselemente. Dieses Dichtungselement ist zum Beispiel in der Zylinderwand montiert.
    • Beste Ausführung der Erfindung
  • Der Anker der folgenden Dreh-Hubkolben-Maschine ist am Kolben befestigt und aus weichmagnetischem, d.h. magnetisierbarem aber nicht dauermagnetischem Material gemacht. Somit ist keine Stromzufuhr zum Anker nötig. Der Kolben macht normalerweise entweder einen, zwei oder mehr Hubzyklen pro Umdrehung. Vorteilhaft sind zwei identische Hubzyklen pro Umdrehung. In diesem Fall ist der Anker entsprechend Figur 6 geformt. Der Anker wird durch zwei magnetische Pole geführt, welche am Stator diametral einander gegenüber liegen. Die Anzahl dieser Führungsstellen ist gleich der Anzahl identischer Hubzyklen pro Umdrehung; und diese Führungsstellen sind, bei Blickrichtung entlang der Rotationsachse, zueinander in identischen Winkelabständen angeordnet. Daher hat unser Beispiel zwei Führungsstellen, und der Winkelabstand dazwischen ist 180 Grad. Diese Pole an diesen Stellen sind entweder Dauermagnete, oder sie werden durch Spulen aktiviert. Zwischen diesen Führungsstellen befinden sich treibende elektromagnetische Felder, verursacht durch Windungen oder Spulen. Diese Spulen sind mit axialer Distanz zueinander angeordnet und bewirken axiale und axialtangentiale Kraftkomponenten. Im Fall von Gleichstrom sind diese Windungen oder Spulen schaltbar. Im Fall von MehrphasenWechselstrom sind die Spulen an den treibenden Stellen so angeordnet, dass die treibenden elektromagnetischen Felder sich entsprechend der Relativbewegung der Mantelfläche des Ankers bewegen.

Claims (8)

  1. Kolbenmaschine als Arbeits- oder Kraftmaschine mit mindestens einem Kolben (2), welcher eine Drehbewegung um die Zylinderachse und gleichzeitig eine oscillierende Hubbewegung koaxial zur Zylinderachse ausführt, mit einem Anker (20), der direkt oder indirekt mit dem Kolben verbunden ist und einem Stator (21), welcher direkt oder indirekt mit dem Zylinder (1) verbunden ist, oder umgekehrt, so dass der Anker relativ zum Stator die selbe Bewegung wie der Kolben relativ zum Zylinder ausführt, wobei der Anker in radialer Richtung so begrenzt ist, dass er eine theoretische, koaxial zur Rotationsachse liegende, Zylinderfläche nicht überragt und der Stator in radialer Richtung so begrenzt ist, dass er von der anderen Seite her dieselbe theoretische Zylinderfläche nicht berührt, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) schräg zur Rotationsachse des Kolbens angeordnet ist oder Kurven in Richtung der Rotationsachse aufweist und dass der Stator (21) an mindestens einer Stelle (44) die an dieser Stelle sich vorbeidrehende Oberfläche des Ankers durch elektromagnetische Wechselwirkung in der Nähe dieser Stelle hält und dadurch den Anker, entsprechend des durch die Kurvenform des Ankers vorgegebenen Dreh-Hub-Bewegungsprogramms, in einer Dreh-Hubbewegung führt.
  2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Stator, in gewisser Entfernung von einer Stelle (44), welche die Oberfläche des Ankers führt, mindestens zwei Stellen (45) vorhanden sind, welche dort liegen, wo die naheliegende Oberfläche des Ankers (20) grössere axiale Relativbewegungen relativ zum Stator ausführt, dass diese Stellen (45) in einem axialen Abstand voneinander angeordnet sind und dass zwischen diesen Stellen (45) und dem Anker (20) elektromagnetische Wechselwirkungen ausgeübt werden, welche Kraftkomponenten in Richtung dieser Relativbewegungen aufweisen und daher auf die Bewegung des Ankers einwirken.
  3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment zwischen Stator und Anker prinzipiell wie bei einem nur ein Drehmoment erzeugenden Elektromotor erzeugt wird, aber der Stator an denjenigen Stellen, wo die naheliegende Oberfläche des Ankers grössere axiale Relativbewegungen ausführt, diese Relativbewegungen nicht behindert, indem der Stator an diesen Stellen kein in axialer Richtung enges Feld aufweist, im Gegensatz zu derjenigen Stelle oder denjenigen Stellen (44), wo die axiale Relativbewegung der Ankeroberfläche zum Stator klein ist und wo der Anker durch ein in axialer Richtung schmales Feld des Stators axial geführt wird.
  4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker mit sich daran befindenden magnetischen Polen oder Wicklungen gemacht ist.
  5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermagnetischem Werkstoff besteht.
  6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge oder das Kompressionsverhältnis oder beides verstellbar ist durch Axialverschiebung von magnetischen Polen, oder durch elektrisch schaltbare elektromagnetische Pole, oder durch Verstellung der elektromagnetischen Kraft, welche eine axiale Komponente aufweist.
  7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte, koaxial angeordnete Kolbenstirnseiten, bzw. eine Kolbenstirnseite und eine Stirnseite eines kolbenähnlichen Glieds, zwischen welchen ein Arbeitsraum vorgesehen ist und welche durch relative Hubbewegung zueinander das Verdichtungsverhältnis erzeugen, immer formschlüssig wie Klauen ineinandergreifen.
  8. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben auf einem Schmierfilm aufliegt, wobei das Schmiermittel, falls es nicht in den Arbeitsraum oder in die Schlitze gelangen darf, vom Arbeitsraum oder von den Schlitzen ferngehalten wird durch einen Abstreifring oder andere Dichtungselemente.
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