EP1325543A1

EP1325543A1 - Magnetodynamischer motor

Info

Publication number: EP1325543A1
Application number: EP01921090A
Authority: EP
Inventors: Alfred Kaech
Original assignee: Kaech Motors AG
Current assignee: Kaech Motors AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2003-07-09
Also published as: AU2001248204A1; WO2002027902A1

Abstract

Es wird ein neuartiger, sogenannter magnetodynamischer Motor, beschrieben mit einem ruhenden Teil oder Stator und einem um eine Achse (16) drehbaren Teil oder Rotor, wobei auf dem einen Teil einen Polflächenabstand oder Luftspalt aufweisende, abwechselnd gepolte Erregermagnete (18; 19) und auf dem anderen Teil magnetische Antriebsmittel oder Arbeitsmagnete (21, 22) vorgesehen sind. Jede Antriebseinheit, bestehend aus Erregermagneten (18, 19) und dem längs einer Polteilung magnetisch wechselwirkenden Antriebsmittel (21, 22), besteht aus mindestens zwei bezüglich der Rotorachse (16) in ungleichen Radienabständen angeordneten Teilsystemen. Die Polbogenlängen der Erregermagnete (18, 19) und der magnetischen Antriebsmittel (21, 22) entsprechen zumindest angenähert dem Radienunterschied der Teilsysteme. Ferner sind Mittel zur zeitgleichen Umpolung der magnetischen Antriebsmittel (21, 22) beim Poldurchgang der Erregermagnete (18, 19) vorhanden. Die Erregermagnete und die magnetischen Antriebsmittel sind so bemessen, dass die beim Polwechsel auftretenden magnetischen Wechselwirkungen sich in radialer Richtung aufheben, in azimutaler Richtung dagegen die Wirkung des äusseren Systems die gegenläufige Wirkung des inneren Systems im Verhältnis des Radienunterschiedes übertrifft, so dass ein gleichsinniges Drehmoment entsteht.

Description

Magnetodynamischer Motor

Die Erfindung betrifft ein magnetodynamischer Motor 1 gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Mit dem Erfindungsgegenstand konstruktiv vergleichbare Motoren sind vorwiegend im vorletzten Jahrhundert entstanden, beschrieben z. B. im Lehrbuch von O. Multhaupt "Die Moderne Elektrizität" (S. 152-203) mit Nachträgen von J. Zacharias, Reinhold Schwarz Verlag, Berlin (ca. 1905) und ferner, wesensver- wandt, im Artikel von A. Imhof "Die ersten 50 Jahre der Dynamomaschine. Ein historischer Überblick", Bulletin SEV/VSE, Nr. 69 (1978) H.20, S. 1108-1114, mit weiteren Literaturangaben. Die Entwicklung und Fabrikation der heutigen elektrischen Maschinen begann mit der Erfindung des Trommelankers um 1872.

Alle diese Konstruktionen beruhen im Prinzip auf den Gesetzen von Biot-Savart (1830) und Faraday-Henry (1832) betreffend die Kraftwirkung auf stromdurch- flossene Leiter im Magnetfeld und die elektromagnetische Induktion. Durch die Kombination mit ferromagnetischem Material werden die Feldkräfte um ein Vielfaches verstärkt. Damit lassen sich in geringem Bauvolumen beachtliche Leistungen umsetzen. Grundsätzlich kann jede Maschine sowohl als Motor wie als Generator arbeiten. Das Konzept ist reversibel. In beiden Fällen tritt jedoch durch das komplementäre Gesetz eine Bremswirkung auf. Die motorische und die generatorische Wirkung stehen in einem dualen Verhältnis, so dass schliesslich beim Elektromotor die generatorische Wirkung und beim Generator die motorische Wir- kung dominiert. Das Wechselspiel der beiden bewirkt, dass höchstens soviel Leistung umgesetzt wird als elektrische oder mechanische zugeführt wird. Die Magnetfelder dienen lediglich als Translator, verbrauchen selber aber keine Energie.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Motor zu schaffen, bei dem das durch die wechselseitigen magnetischen Feldkräfte bewirkte Drehmoment weitgehend unabhängig von der Drehzahl erhalten bleibt. Diese Aufgabe wird durch den magnetodynamischen Motor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es eine motorische Wechselwirkung zwischen magnetischen Feldkräften gibt, die von den Gesetzen von Biot-Savart und Faraday-Henry unabhängig ist.

Die erfinderischen Massnahmen zur Erzielung der motorischen Wirkung werden nachstehend in mehreren Schritten erklärt und die Konzeption des neuartigen Motors anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Separierung des Feldes zwischen den Polen eines Erregermagneten in drei Bereiche mit verschiedenen Eigenschaften,

Fig. 2 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten in angemessenem Abstand, verbunden durch einen längs bewegbaren Querträger mit an den Enden angebrachten Arbeitsmagneten als Vorläufer eines verlustfreien mechanischen Polwechslers (Typ I),

Fig. 3 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten in angemessenem Abstand, verbunden durch einen um die Längsachse drehbaren Querträger mit an den Enden angebrachten Arbeitsmagneten als zweite Möglichkeit eines verlustfreien mechanischen Polwechslers

(Typ II),

Fig. 4 die Kombination von zwei gleichen Erregermagneten gemäss Fig. 2 mit ringförmigen Polsegmenten und diametrischem Querträger, wobei die Kompensation der beim Polwechsel bewirkten Feldkräfte sowohl in radialer Richtung als auch in azimutaler Richtung vorhanden ist, Fig. 5 das Konzept gemäss Fig. 4, angeordnet in ungleichen radialen Abständen, wobei die Kraftwirkungen sich allerseits ebenso aufheben wie dort, nicht aber die Drehmomente. Jenes mit dem grösseren Ra- dius überwiegt im Verhältnis der gewählten Radien; in Verbindung mit dem Polwechsel entsteht ein gleichgerichtetes Drehmoment,

Fig. 6 die Anordnung von zwei Magnetsystemen gemäss Fig. 5 längs zwei diametrisch gegenüberliegenden Radien; die angegebenen Polaritä- ten bewirken eine additive Überlagerung der einzelnen Drehmomente

(experimentell erprobt),

Fig. 7 den Aufbau eines Motors (Typ I) mit vier azimutalen Erregersystemen und acht radialen Polwechsler mit Dauermagneten, mechanisch ge- steuert mittels Kurbelgetriebe,

Fig. 8 den Aufbau eines Motors (Typ II) nach dem Konzept gemäss Fig. 3 mit vier Erregersystemen und sechs drehbaren Polwendern,

Fig. 9 den Aufbau eines Motors (Typ III) in scheibenförmiger Bauart mit seitlich je vier Erregersystemen und acht radialen Spulenmagneten für eine elektronische Steuerung,

Fig. 10 den Aufbau eines Motors (Typ III) in koaxialer Bauart mit vier azimuta- len Erregersystemen und acht radialen Spulenmagneten für eine elektronische Steuerung, und

Fig. 1 1 ein Blockschaltbild bezüglich Betrieb eines Synchronmotors gemäss Fig. 9 bzw. Fig. 10, speziell geeignet für den mobilen Einsatz; elektro- nisch gesteuert mittels Wechselrichter. Schrittweise werden nunmehr die funktioneilen Neuerungen und die damit verbundenen magnetischen Wechselwirkungen anhand der Figuren 1 bis 11 eingehend beschrieben. Hierbei sind für dieselben Elemente jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet, wenn nicht anders angegeben.

Das Prinziip des vorliegenden magnetodynamischen Motors lässt sich anhand der Darstellungen in den Figuren 1 bis 6 genau erklären.

Figur 1 zeigt die charakteristische Feldverteilung zwischen zwei hinsichtlich den Querabmessungen langgestreckten gegengepolten Polschuhen

101 eines Permanent- oder Elektromagneten 100, die in einem gleichbleibenden Abstand 102 zueinander angeordnet sind - oben in Obenansicht, unten in Draufsicht. Bezüglich der Mittelebene M kann man die Feldverteilung im Prinzip in drei Wirkungsbereiche A, B, und C separieren. Im Bereich A ist die Feldverteilung in der Längsrichtung nahezu konstant, in den Bereichen B eher diffus und in C mit abnehmender Stärke vorwiegend längsgerichtet. Daher wirken auf einen im Polfeld befindlichen ferromagnetischen Gegenstand (z.B. Permanentmagnet) - hier nicht dargestellt - im Bereich A nur Querkräfte (anziehend oder abstossend, je nach Polaritäten), in den Gebieten B

Quer- und Längskräfte und in C vorwiegend nur Längskräfte. Die Längsform der Polschuhe 101 spielt dabei keine Rolle; sie kann auch gekrümmt sein, z.B. kreisförmig. Bei konstantem Polflächenstand oder Luftspalt 102 besteht ein leichtes Feldmaximum in der Längsmitte bei Flächenerregung mittels Dauermagnete, dagegen kann bei Jocherregung ein Feldmaximum an den Polschuhenden auftreten. Die Angleichung der Feldstruktur bei Spulenmagneten an die funktioneil vorteilhaftere der Permanentmagnete ist durch einfache Massnahmen leicht möglich. Fig. 2 zeigt die Zuordnung in angemessenem Abstand eines zweiten völlig gleichen Magneten gemäss Fig. 1 , mit 1 und 2 bezeichnet. Zwischen beiden Magneten 1 und 2 ist in der Mitte des A-Bereiches in antimagnetischer Querträger 3 vorgesehen, der an seinen Enden je in einem bestimmten Abstand zwei bezüglich der gleichgepolten Magnete 1 und 2 gegengepolte Magnete 4 bzw. 5 mit identischen Abmessungen aufweist und in Halterungen 6 in der Längsrichtung gegenüber den Magneten 1 und 2 zumindest in dem durch den Abstand der Magnete 4 bzw. 5 fixierten Bereich hin- und herschiebbar sind. Das Experiment zeigt (wobei 1 und 2 Elektromagnete, 4 und 5 Permanentmagnete), dass bei dieser Konstellation der Querträger 3, abgesehen von Reibungsverlusten, sich ohne Kraft- und Arbeitsaufwand hin- und herschieben lässt. Sämtliche Wirkungskräfte heben sich in jeder Lage des Querträgers 3 weitgehend auf, wie wenn keine Magnetfelder vorhanden wären. Dargestellt sind drei Positionen des Querträgers 3, in den Figuren 2a und 2c in den beiden Endlagen, in der Figur 2b in der Mittellage. Im Prinzip entsteht dieser Effekt schon mit je einem gegengepolten Magneten 4 bzw. 5 an den Trägerenden. Je zwei gegengepolte Magnete ermöglichen zugleich den motorisch erforderli- chen Polwechsel (siehe weiter unten).

Fig. 3 zeigt im Prinzip die Anordnung nach Fig. 2 mit den gleichgepolten Erregermagneten 1 a, 2a sowie 1 b, 2b. Die Erregermagnete 1 a und 1 b bzw. 2a und 2b sind wiederum über ein nicht-dargestelltes Joch mit- einander verbunden. Anstelle des Querträgers 3 befindet sich jedoch eine um mindestens 180° drehbare Welle 7, in Halterungen 8 fixiert, an deren Enden bezüglich der Mitte des Luftspaltes der Erregermagnete vorzugsweise zylindrische Dauermagnete oder Magnetkolben 9 und 10 angebracht sind, die diametrisch magnetisiert und ge- gengepolt sind. Beim Drehen der Welle 7 - in Fig. 3 in der mit A/2 bezeichneten Mitte des A-Bereiches dargestellt - heben sich ebenfalls in jeder Winkellage die wechselseitigen Kraftwirkungen auf (analog gemäss Fig. 2).

Die angegebenen Polaritäten beziehen sich auf die jeweils einander zugewandten Polflächen. Die Zuordnung ist reziprok: eine sinngemä- sse Vertauschung ergibt das gleiche Verhalten.

Fig. 4 zeigt das Konzept gemäss Fig. 2 mit kreisförmigen Polsegmenten 11 und 12. Anstelle des Querträgers 3 (Fig. 2) ist hier ein Diametralträger 13 auf einer Scheibe 14 in der Längsmitte sowohl in einer Führung 15 radial verschiebbar als auch um eine Achse 16 drehbar angeordnet, so dass sich die magnetischen Kraftwirkungen an den Trägerenden sowohl in radialer als auch in der für die motorische Anwendung besonders wichtigen azimutalen Richtung beobachten lassen. Dabei ist die Achse 16 auf der Scheibe 14 befestigt, die als Gleitunterlage für den Diametralträger 13 dient. Der magnetisch azimutal inaktive Bereich ist analog Fig. 2 mit A bezeichnet. Dargestellt ist der Bewegungsvorgang des Diametralträgers 13 in fünf Positionen, wobei eine Drehung im Uhrzeigersinn angenommen ist, nämlich vor dem Eintritt zwischen die Polsegmente der Erregermagnete (Pos. a), nach dem Eintritt in den A-Bereich mit Beginn der radialen Verschiebung (Pos. b), in der Mitte des A-Bereiches nach der halben radialen Bewegung (Pos. c), vor dem Ende des A-Bereiches in der anderen radialen Endlage (Pos. d) und schliesslich nach dem Austritt aus dem Erregerfeld (Pos. e). Das Experiment offenbart, dass sich beim Verschieben des Trägers 13 die radialen Kraftwirkungen ebenso aufheben wie bei der Anordnung nach Fig. 2, darüber hinaus aber beim Drehen des Diametralträgers 13 um die Achse 16 auch die azimutalen Kräfte an den Polbogenenden. Oder umgekehrt: sind die radialen magnetischen Kraftwirkungen an den Enden des Diametralträgers 13 so auf einander abgestimmt, dass sich dieser in radialer Richtung kraftlos hin- und herschieben lässt, dann sind jeweils auch die azimutalen Kraftwirkungen an den Enden der Polbogen zumindest unter sich entgegengesetzt gleich gross.

Dieses Konzept ist motorisch prinzipiell nicht funktionsfähig. Jedoch ist dieses an sich elementare Verhalten bei der vorliegenden Erfindung von eminenter Bedeu- tung.

Fig. 5 zeigt den Einbau des in Fig. 4 auf den Durchmesser bezogenen Konzeptes längs des Radius des betreffenden Systems. Der innere Erregermagnet 18 hat von der Drehachse 16 der Scheibe 17 den mittleren Abstand r_{1 (} der äussere Erregermagnet 19 den mittleren Abstand r₂.

Die azimutal inaktiven Bereiche sind wiederum mit A bezeichnet, wobei die Sektorlänge des Erregermagneten 18 entsprechend dem Radienunterschied kürzer ist als die Sektorlänge des Erregermagneten 19 mit dem grösseren Radius. Auch die azimutalen Ausmasse der auf dem Radialträger 20 nunmehr bezüglich der Radien , r₂ angebrachten Arbeitsmagnete 21 und 22 sind dem Verhältnis r r₂ ange- passt. Demnach bildet der innere Erregermagnet 18 mit den Arbeitsmagneten 21 ein erstes Teilsystem und der äusser Erregermagnet 19 mit den Arbeitsmagneten 22 ein zweites Teilsystem. Der Radialträger 20 ist analog Fig. 4 in den Positionen a) ...e) dargestellt mit den gleichen Funktionen wie dort beschrieben.

Das Experiment zeigt (mit Permanentmagneten auf dem Radialträger und dem inneren Erregermagnet, aussen Elektromagnet), dass bei Abgleichung des äusse- ren Erregerfeldes auf das innere bezüglich konträrer radialer Kräfteparität sich der Radialträger 20 radial ebenso leistungslos hin- und herschieben lässt wie bei den Anordnungen gemäss den Fig. 2 und 4. Nach dem Befund nach Fig. 4 sind alsdann auch die azimutalen Kraftwirkungen entgegengesetzt gleich gross. Für die motorische Wirkung sind jedoch nicht die azimutalen Kräfte sondern die bewirkten gegenläufigen Drehmomente massgebend und diese heben sich, speziell an den Enden der Polbogen, wegen des ungleichen Radienabstandes nicht mehr auf. Das äussere Drehmoment M₂ überwiegt gegenüber dem inneren Drehmoment M^ an jedem Polbogenende des äusseren Systems im Mittel um den Betrag ΔM = M₂ - Mi = M₂(1 - x lx₂). Die anziehende Kraft beim Feldeintritt (Pos. a) geht beim Polwechsel (Pos. c) in eine abstossende Kraft beim Feldaustritt (Pos. e) über; das System erfährt eine dauernde gleichgerichtete Drehbewegung. Das Differenz-Drehmoment ist umso grösser je kleiner das Verhältnis τ lτ_z ist. Infolge remanenter Kraftwirkungen kann die anziehende Kraft grösser sein als die abstossende, was jedoch auf den Mittelwert keinen Einfluss hat.

Die dominante Rolle spielt der praktisch leistungslose Polwechsel innerhalb des azimutal inaktiven A-Bereiches. Das aufgezeichnete mechanische Konzept ersetzt funktionell vollauf den bei den konventionellen elektrischen Maschinen mit dem Induktionsgesetz behafteten elektrischen Polwechsel. Die Art der mechanischen Betätigung spielt dabei keine Rolle. Sie hat auf das Drehmoment direkt keinen Einfluss, da die Bewegung des Polwechslers zur Drehrichtung senkrecht verläuft. Möglichkeiten sind z.B. eine Steuerung mittels der Drehbewegung der Rotorscheibe, eine Relaissteuerung usw.

Mit der Anordnung mehrerer solcher Magnetsysteme längs des Umfanges der Rotorscheibe erhält man leicht ein grösseres Antriebsmoment. Sie lassen sich bei sinngemässer Ausrichtung der einzelnen Polaritäten vorteilhaft kombinieren. Hierzu werden eine gerade Anzahl Erregersysteme äquidistant platziert und abwechselnd gepolt. Damit wechseln die Arbeitsmagnete längs der Pollücken im Sinne der Drehrichtung automatisch von einem abstossenden in einen anziehenden Be- reich. Das hierbei bewirkte Antriebsmoment hat offensichtlich bei einer bestimmten Lückenlänge ein Maximum, welches in Verbindung mit den übrigen Abmessungen experimentell bestimmt werden muss. Im Prinzip sind die Erregersysteme infolge des geschlossenen magnetischen Feldflusses funktionell autark. Die Zahl der Radialträger kann daher von jener der Erregersysteme auch ver- schieden sein, vorzugsweise grösser soweit dies die mechanischen Verhältnisse zulassen. Das Gesamtdrehmoment steigt proportional mit dem Produkt P»Q, wobei P = Zahl der Pollücken, Q = Zahl der Radialträger mit den Arbeitsmagneten an den Trägerenden.

Fig. 6 zeigt schematisch das prinzipielle Vorgehen anhand von zwei gleichen diametrisch beidseits der Rotordrehachse 16 angeordneten als Stator ausgebildeten Magnetsystemen 18 und 19. Der radiale Schie- beprozess des diametrischen Radialträgers 20 bleibt der gleiche wie der bei den Anordnungen nach Fig. 4 bzw. 5. Dargestellt ist die Stel- lung des radialen Trägers 20 vor dem Feldeintritt (Pos. a), im azimutal ineffizienten Schaltbereich (Pos. b, d) und nach dem Feldaustritt (Pos. e). Anhand der eingetragenen Polaritäten - bezüglich der jeweils zugewandten Polflächen - erkennt man die additive Überlagerung der Feldkräfte längs der Pollücken, die hier pro Umlauf des Rotors 17 eine Verachtfachung des Differenz-Drehmomentes bezüglich der einzelnen

Polbogenenden bewirkt.

Mit der erläuterten Funktion des Motors engstens verknüpft ist die Art der Radialsteuerung. Im Prinzip darf der Polwechsel nur in den azimutal inaktiven Bereichen der Erregersegmente erfolgen. Die Arbeitsmagnete durchlaufen längs des Roto- rumfanges bezüglich Radialbewegung etwa eine Trapezkurve. Relaissteuerungen eignen sich daher, wie das Experiment zeigt, wegen der jenen anhaftenden Re- tardierungszeit und der drehzahlabhängigen Kontaktdauer der Stromzufuhr nur für kleine, durch diese beiden Grossen selektiv bestimmte Drehzahlen. Spezielle Abmessungen des Erregersystems ermöglichen indessen die Trapezkurve einer Sinuskurve anzunähern, die eine harmonische Steuerung zulässt. Hierbei ist jede der längs des Rotorumfanges äquidistanten Polteilungen zumindest angenähert zu 2/3 den Polsegmenten und 1/3 den Pollücken zugeteilt. Ferner sind die Arbeitsmagnete radial etwas länger gewählt (ca. 15%) als die Breite der Polsegmente. Die maximale Elongation der so gebildeten Sinuskurve liegt in den Pollük- ken, der schnelle Nulldurchgang in der Längsmitte der Polsegmente. Die Steue- rung erfolgt z.B. mittels Synchrongetriebe und Kurbelantrieb, der für höhere Drehzahlen geeignet ist.

Fig. 7 illustriert den Aufbau eines magnetodynamischen Motors mit je vier Erregermagneten resp. Polpaarsegmenten 25a, 25b. Die Rotorscheibe 26 auf der Drehachse 27 trägt acht Radialträger 28 mit den Arbeitsmagneten 29a, 29b, angeordnet in unterschiedlich radialen Abständen von der Motorachse 27. Die harmonische Bewegung der Radialträger 28 bewirkt ein zentrales, fest mit dem Erregersystem verbundenes Zahnrad 30, das bei der Drehung der Scheibe 26 auf dieser montierte Satelliten-Zahnräder 31 treibt. An diesen sind in einem radialen Kurbelabstand 32 gemäss der Amplitude der periodischen Bewegung Schubstangen 33 befestigt, die über Gelenke 34 die Radialträger 28 in Führungen 35 und 36 und damit die Arbeitsma- gnete 29a, 29b harmonisch radial hin- und herbewegen. Das Durchmesserverhältnis der Zahnräder 30, 31 ist mit 1 :2 so gewählt und der Eingriff der Zahnräder so positioniert, dass beim Umlauf der Zahnräder 31 längs des Umfanges des Triebrades 30 die maximale Auslenkung stets längs der Pollücken und der schnelle Polwechsel im azi- mutalen inaktiven Bereich der Polpaarsegmenten 25a, 25b erfolgt.

Beim Zahnradgetriebe wichtig ist nur das Durchmesserverhältnis d₂/ ₁ = 2/n, wobei n = Zahl der Polpaarsegmente; die Grosse selbst spielt keine Rolle. In der Grundausführung ist die Zahl der Radialträger 28 gleich der Anzahl Polpaar- segmente resp. Pollücken 25a, 25b. Eine grössere Anzahl Radialträger kann indessen soweit möglich als Satelliten-Zahnräder längs des Umfangs des Triebrades platziert werden; beim obgenannten Beispiel sind es doppelt so viele. Beim Lauf der Rotorscheibe können durch die radiale Bewegung der Radialträger zentrifugale Asymmetrien entstehen. Sie heben sich vollständig auf falls die Zahl der Polpaarsegmente ein Vielfaches von vier beträgt. Erwünscht ist ferner eine ange- messene Schwungmasse der Rotorscheibe, deren kinetische Energie die magnetisch inaktiven Bereiche beim Polwechsel überbrückt.

Fig. 8 zeigt schematisch den Aufbau eines magnetodynamischen Motors - rechts in Obenansicht, links perspektivisch in Draufsicht - gemäss dem Konzept nach Fig. 3 mit je vier Erregermagneten 41 , 42 in ungleichen Radienabständen von der Rotorachse 43 (zur Vereinfachung ohne magnetische Jochverbindungen und dem mechanischen Zubehör). Sechs radiale, in Halterungen 44 um ihre Längsachse drehbare Steuerorgane 45 tragen je zwei in Querrichtung magnetisierte Zylindermagnete oder Magnetkolben 46, 47 in Wechselwirkung mit den Erregermagneten 41 , 42. Die Steuerung erfolgt mittels des auf dem Erregersystem (Stator) montierten Kronenrades 48 und den mit diesem im Eingriff stehenden Zahnräder 49 auf der Achse der Steuerorgane 45. Die Zähnezahlen im Verhältnis 1 :2 und deren Eingriff sind so gewählt, dass pro Polteilung die Zylindermagnete exakt eine halbe Umdrehung erfahren und der Polwechsel vorwiegend im azimutal inaktiven Bereich der Erregermagnete erfolgt. Bei der in Fig. 8 gezeichneten gleichförmigen Bewegung ist dies nur zum Teil der Fall. Eine ge- wisse Verbesserung ergibt sich, wie angedeutet, bei der Quermagnetisierung der Zylindermagnete durch eine Schrägstellung 50 längs der Zylinderachse, eventuell mit kleineren Pollücken. Effizienter wirken indessen Getriebe mit einer ungleichförmigen Bewegung, z.B. ein Kurbelantrieb analog wie in Fig. 7 beschrieben, ein Mäanderantrieb oder Sperrgetriebe.

Betreffend Dimensionierung spielt die azimutale Sektorlänge der inneren Erregermagnete eine dominante Rolle, dermassen, dass innerhalb des inaktiven Bereiches ein möglichst leistungsloser Polwechsel gewährleistet ist. Mit der Anzahl der längs des Umfanges vorgesehenen Polteilungen ist der mittlere Radius r₁ der Polbogensegmente als Mindestgrösse eindeutig definiert. Das Gesamtdrehmoment steigt proportional mit der Anzahl Polteilungen aber auch, in zunehmend abgeschwächter Form, mit dem Sektorradius r₂ der äusseren Erregermagnete. Ein zu grösser Radius r₂ ist jedoch wegen des abnehmenden Einflusses auf das Ge- samtdrehmoment aus ökonomischen Gründen nicht opportun, womit auch r₂ Grenzen gesetzt sind. Ausgehend von einem vorgegebenen Radius r₂ bedeutet eine systematische Vergrösserung von r, die Platzierung einer grösseren Anzahl Pollücken, d.h. eine lineare Zunahme des Drehmomentes, zugleich aber eine wachsende Schwächung des Differenz-Drehmomentes. Das Gesamtdrehmoment durchläuft bei diesem Konzept ein Maximum und zwar, wie die Rechnung zeigt, exakt an der Stelle ^ = r₂/2 resp. r₂ = 2r In der Praxis dürfte allerdings ein leicht grösseres Verhältnis, z.B. r₂ = 3 vorteilhafter sein, bei dem dann mögliche Ab- gleichungsungenauigkeiten weniger ins Gewicht fallen.

Da die Feldrichtung der Erregermagnete und die Achsrichtung der Steuerorgane senkrecht zur Drehrichtung des Rotors stehen, kann man deren Funktionen auch vertauschen, d.h. radiale Feldrichtung und zur Motorachse parallel gerichtete Steuerung. Dies ermöglicht eine koaxiale Anordnung des inneren und äusseren Erregersystems, ähnlich den Bauformen der heutigen elektrischen Maschinen. Vorteilhaft dabei ist, dass eine beliebige Anzahl längs der Motorachse vorhande- ner Antriebseinheiten gesamthaft umgepolt werden kann.

Der mechanische, im Prinzip leistungslose Polwechsel ist insofern mit einem gewissen Nachteil behaftet, als die Schaltfrequenz resp. die Drehzahl der Schalträder um die halbe Anzahl Polteilungen u.U. wesentlich höher ist als die Drehzahl des Motors. Die dadurch beschränkte Motordrehzahl lässt sich indessen durch ein grösseres Drehmoment, d.h. die Zuordnung einer entsprechend grösseren Anzahl Antriebseinheiten, wettmachen. Beliebig hohe Motordrehzahlen lassen sich jedoch mit einer elektronischen Steuerung der Polwechsler erzielen. Bei deren Auslegung ist aber streng auf die vorstehend am mechanischen Modell postulierten Richtlinien zur Erzeugung eines Differenz-Drehmomentes zu achten, speziell bezüglich der Unterdrückung von allfälligen Induktionsspannungen. Wie eine nähere Betrachtung zeigt, ist das hier offengelegte Konzept des magnetodynamischen Motors mit den aus der Elektrodynamik bekannten Gesetzen nicht kompatibel. Beispielsweise führt die Kompensation von Induktionsspannun- gen durch eine gegenläufige Serieschaltung der Arbeitsspulen auf den Teilsystemen, unabhängig von deren radialen Abstand von der Rotorachse, stets zu gleich grossen Drehmomenten. Ein Ersatz der Arbeits-Permanentmagnete durch elektrisch gesteuerte Spulenmagnete ist deshalb nur mit unkonventionellen Mass- nahmen denkbar. Eine Möglichkeit besteht im Konzept mit magnetisch gegenwir- kender Erregersysteme, so dass bei deren Symmetrieabgleich in den Arbeitsspulen gar keine Spannung induziert werden kann.

Fig. 9 zeigt ein gemäss diesen Überlegungen konzipierter Motor in scheibenförmiger Ausführung mit seitlich angeordneten Erregermagneten, zur Vereinfachung ohne deren Jochverbindungen und dem erforderlichen mechanischen Zubehör - links im Teilquerschnitt, rechts perspektivisch in Draufsicht. Der Stator besteht, wie beim rein mechanischen Modell, aus einem inneren Teilsystem mit den Erregermagneten 51 und einem äusseren Teilsystem mit den bezüglich den einzel- nen Polteilungen gleichgepolten Erregermagneten 52. Die Rotorscheibe 53 trägt auf radial gerichteten Magnetkernen 54 mit den Polkappen 55, 56 die Arbeitsspulen 57, 58, zwecks grösserer Effizienz als Zweiphasensystem ausgelegt, wobei die Arbeitsspulen 57 zur einen Phase, die Spulen 58 zur anderen Phase gehören. Die Spulen- magnete 57 befinden sich gerade in der Umpolung (daher unpolari- siert), die Spulenmagnete 58 in der Mitte der Pollücken. In Fig. 9 sind die Polbogenlängen der Erregermagnete 51 , 52 sowie die azimutalen Längen der Polkappen 56, 57 dem Radienunterschied der Teilsysteme angepasst, was aber, je nach Konstruktion nicht exakt zutreffen muss. Azimutal sind die einzelnen je Polteilung gleichgepolten Erregermagnete abwechselnd gepolt. Bei phasensynchroner Umpolung der Arbeitsmagnete im Bereich der Polbogenmitte wechseln damit die magnetischen Kraftwirkungen längs der Pollücken im Sinne der Drehrichtung automatisch von einem abstossenden in einen anziehenden Bereich. Zwischen den Teil-Erregersystemen entstehen, wie in Fig. 9 angedeutet, zwei gegenläufig gerichtete Drehmomente.

Fig. 10 zeigt als zweite Möglichkeit das Konzept eines Motors in koaxialer Ausführung, wobei als Erregermagnete Permanentmagnete angenommen sind. Der Stator besteht analog aus einem inneren Teilsys- tem 61 mit den Erregermagneten 62 und einem äusseren Teilsystem

63 mit den je Polteilung gleichgepolten Erregermagneten 64. Der Rotor 65 im Zwischenraum (gelagert auf Hohlwelle) trägt auf radial gerichteten Magnetkernen 66 mit den Polkappen 67, 68 die Arbeitsspulen 69, 70 zwecks grösserer Effizienz ebenfalls als Zweiphasensystem ausgelegt, wobei die Spulen 69 resp. 70 zu je einer Phase gehören.

Ihre Positionen sind, wie in Fig. 9, Mitte Polbogen resp. Mitte Pollücken gezeichnet. Analog sind die Polbogenlängen der Erregermagnete 62, 64 und der Polkappen 67, 68 etwa dem Radienverhältnis _ ^ angepasst. Azimutal sind die je Polteilung gleichgepolten Erre- gerpaare alternativ gepolt. Bei der Umpolung im Bereich der Polbogenmitte wechseln damit die magnetischen Kraftwirkungen längs der Pollücken wiederum von einem stossenden in einen anziehenden Bereich. Zwischen den Teil-Erregersystemen entstehen, wie in Fig. 10 angedeutet, zwei gegenläufige Drehmomente. Funktionell sind beide Möglichkeiten gleichwertig, konstruktiv jedoch mit gewissen Vor- und

Nachteilen behaftet, die gegeneinander abgewogen werden müssen.

Gemäss Konzept müssen die radial gleichgepolten Erregermagnete den konträr gleichen radialen Feldfluss resp. das gleiche magnetische Potential aufweisen, so dass in den Spulenkernen 54 resp. 66 kein Längsfeld auftreten kann. Die mass- gebenden Induktionseffekte sind an den Polbogenenden der Erregermagnete zu erwarten. Da sich dort die Erregerfelder in azimutale und axiale (Fig. 9) resp. radiale (Fig. 10) Komponenten teilen, besteht konstruktiv (Grosse und Form der Polschuhe, Weite der radialen Lufspalte, Polteilung und Länge der Pollücken, ungleiche radiale Breite resp. axiale Länge der Polbogensegmente, Bemessung der Arbeitsspulen) zusammen mit der Stärke der Erregerfelder ein beträchtlicher Spielraum, innerhalb dessen stets ein Differenz-Drehmoment induktionsfrei erzielt werden kann, quasi als konforme Nachbildung des rein mechanischen Modells mit Permanentmagneten. Die jeweiligen Kraftwirkungen lassen sich statisch kontrollieren, der Induktionsabgleich dynamisch, indem man den Motor z.B. als Genera- tor antreibt. Mit dem Nullabgleich der Induktion in den Arbeitsspulen wird das Konzept irreversibel. In den Erregersystemen (innen Dauermagnete, aussen Dauer- oder Spulenmagnete) dürften die Arbeitsmagnete kaum grössere Induktionen bewirken, da deren Wechselfeld bei der synchronen Drehzahl im Wesentlichen in der Form eines bezüglich der äusseren Erregerpole stillstehenden Drehfeldes er- scheint.

Zur Dimensionierung der Teil-Erregersysteme gelten im Prinzip die gleichen Überlegungen wie sie vorstehend bei der Beschreibung des rein mechanischen Modells dargelegt sind. Bezugsgrössen sind indessen die Länge der für ein opti- males Drehmoment experimentell ermittelten Pollücke zwischen den inneren Polsegmenten mit dem Radius und der aus ökonomischen und/oder technischen Aspekten festgelegte äussere Durchmesser r₂. Bei Annahme einer doppelt so grossen Polbogenlänge beträgt die Polteilung etwa das Dreifache einer Pollücke. Hinsichtlich einem Radienverhältnis r_zlx = 2 bis 3 (wie vorstehend erläutert) ist damit auch die Polzahl (ganzzahlig) bestimmt. Auch hier muss das Experiment entscheiden. Bei zu kleiner Polbogenlänge könnte, je nach den mechanischen Konturen, das Gesamtdrehmoment eher ab- als zunehmen.

Bezüglich Leistungsabgabe des Motors lassen sich hier nur allgemeine Angaben machen, da die längs den Pollücken wirksamen Kräfte von zahlreichen Faktoren abhängen (wie oben erwähnt), die im konkreten Fall experimentell ermittelt bzw. optimiert werden müssen. Ausgehend von der längs einer Pollücke gemittelten Zugkraft wächst die gesamte Umfangskraft etwa proportional mit dem Radius des Rotors, da längs dem Umfang immer mehr Pole und Arbeitsmagnete platziert werden können. Zugleich steigt aber die Umfangsgeschwindigkeit, so dass, bei gegebenener Drehzahl, die Leistung mit dem Radius zumindest quadratisch zunimmt. Die obere Grenze liegt bei der höchst zulässigen Umfangsgeschwindigkeit bzw. den auftretenden Zentrifugalkräften. Eine weitere Steigerung liegt in der axialen Verlängerung der Magnetsysteme. Diese zusammengefasst mit der radialen Abhängigkeit führt zum Begriff einer motorischen "Volumenleistung" als Kriterium der jeweiligen Effizienz. Allgemein ist der Nutzungsgrad aber immer mit dem Faktor (1 - r_r/r₂) behaftet (ähnlich dem Camot'schen Wirkungsgrad mit (1 - T^T_g) in der Thermodynamik). Verluste entstehen lediglich in den Drahtspulen der Arbeitsmagnete, durch Wirbelströme, Lager- und Luftreibung, die sich leicht in tragbaren Grenzen halten lassen.

Das offengelegte Konzept des erfindungsgemässen magnetodynamischen Motors belegt deutlich, dass sich auch ausserhalb der Maxwellschen Theorie ein gleichgerichtetes Drehmoment erzielen lässt. Die Wirkungsweise des Motors ist ein rein magnetisches Phänomen. Sie beruht im Wesentlichen auf der Anisotropie der beteiligten Magnetfelder in den Pollücken. Die Herkunft der Energie ist unbekannt. Ermüdungserscheinungen bei Dauermagneten sind nicht zu erwarten, denn das Wechselspiel zwischen den Magnetfeldern ist stets mit einem "Geben und Nehmen" verbunden, so dass keine Feldenergie verloren geht. Die Magnetfelder dienen lediglich als Translator zur Umsetzung der unbekannten Energie in mechani- sehe Energie.

Während bei den konventionellen Elektromotoren nach dem Gesetz von Biot- Savart der Antrieb längs der Polbogen erfolgt, geschieht dies hier längs der Pollücken. Jene haben möglichst lange Polbogen (z.B. 2-polig), hier ist eine mög- liehst grosse Polzahl erwünscht (z.B. 12-polig), die mit steigender Drehzahl zu hohen Betriebsfrequenzen führt, z.B. bei 3000 U/Min. zu f = 300 Hz. Betrieblich kommt infolge der hohen (und variablen) Betriebsfrequenz vorzugsweise Eigensynchronisierung in Betracht, abgeleitet anhand eines synchron mitlaufenden Signalgebers, dessen Steuersignal entweder direkt oder über eine Schaltelektronik zu den Arbeitsspulen gelangt. Bei der Auslegung spielen die frequenzabhängige Impedanz der Arbeitsspulen und die erforderliche Leistungscharakteristik des Motors eine massgebende Rolle. Hierbei bestehen bezüglich steigender Drehzahl zwei Spezialfälle: a) Speisung der Arbeitsspulen bei konstantem Strom = konstantes Drehmoment, d.h. linear zunehmende Wellenleistung. b) Speisung der Arbeitsspulen bei konstanter Spannung = abnehmendes Drehmoment, d.h. konstante Wellenleistung.

Ein gemäss a) von der Drehzahl unabhängiges Drehmoment liefert z.B. ein syn- chron mitlaufender leistungsstarker Steuergenerator mit der gleichen Polzahl wie sie der Motor hat. Bei Gleichstrom und tiefen Frequenzen ist die Impedanz der Arbeitsspulen vorwiegend ohmsch, aber schon nach einigen 10 Herz überwiegt der induktive Anteil. Die Impedanz wächst dann nahezu proportional mit der Frequenz, aber ebenso die Ausgangsspannung des Steuergenerators. Im Verhältnis der beiden erhält man in den Arbeitsspulen einen von der jeweiligen Motordrehzahl weitgehend unabhängigen Magnetisierungsstrom. Durch Verdrehen dessen Erregersystem oder der Kupplungshälften, manuell oder automatisch, lässt sich leicht die optimale Phasenlage resp. die erforderliche Drehzahl einstellen. Das motorisch bewirkte Drehmoment entspricht etwa dem Anlaufdrehmoment. Die Steuerleistung ist eine reine Blindleistung und hat auf die Effizienz des Motors keinen nennenswerten Einfluss. Zur Inbetriebsetzung ist ein Anwurfmotor erforderlich.

Der Betriebsfall b) benötigt stets eine Schaltelektronik (Wechselrichter) mit Gleich- Stromquelle, wobei für den Signalgeber verschiedene Möglichkeiten bestehen, z.

B. induktiv (wie bei a) erläutert, jedoch leistungsschwach), optoelektronisch oder mittels Mäanderkollektors (siehe O. Multhaupt, Seite 154), die auch kombiniert sein können. Auch Kombinationen von a) und b) sind denkbar, z.B. selektiv mittels eines Seriekondensators oder gemäss a) bei Zuleitung des Steuersignals via eines linearen Verstärkers, bei dessen Übersteuerung jedoch gemäss b). Solche Zwischenlösungen sind indessen mit grösseren Phasendrehungen behaftet und daher sehr problematisch.

Die Anwendung des beschriebenen magnetodynamischen Motors liegt vorwiegend im Bereich der Kleinantriebe in mobilen und stationären Aggregaten wie Autos, Schiffe, Generatoren, Heizungen u.a.m. Aber auch grossere Einheiten mit Leistungen bis gegen 1000 kW sind denkbar. Bezüglich des jeweiligen Einsatzes dürften ausser den technischen Aspekten auch das Leistungsvolumen bzw. Leistungsgewicht samt Kostenaufwand eine Rolle spielen.

Fig. 1 1 zeigt als Beispiel in Blockschaltung ein Konzept für den mobilen Einsatz. Der magnetodynamische Motor M mit den z.B. in Serie geschalteten Arbeitsspulen A auf den Magnetkernen K treibt auf einer gemeinsamen Welle W rechts einen Generator G und links den Signalgeber S. Der Generator G, der zugleich als Anwurfmotor dient, speist einerseits die Hilfsbatterie B, und über die Wechselstromsperre

D und dem Wechselrichter R (in mechanischer Form angedeutet) die Arbeitsspulen A. Als Signalgeber S, verbunden über die Steuerleitung L mit dem Wechselrichter R, wirkt ein kleiner Wechselstromgenerator (wie zu b) erwähnt) mit einer azimutalen Justiervorrichtung zwecks Phasenabgleich des Ausgangsssignals, wie zu a) erläutert. Die effektive Leistung des Motors, die wesentlich grösser ist als die zur Magnetisierung erforderliche, erscheint hier an den Generatorklemmen P, Hesse sich aber auch über ein Getriebe direkt der Welle W entnehmen. Ein zweiphasiges Magnetsystem (wie in Fig. 9 und 10 dargestellt) ermöglicht auch den Selbstanlauf, bedingt jedoch eine Anpassung von Signalgeber und Wechselrichter bezüglich Phasenzahl und den gesamten Frequenzbereicht von Null bis zum Höchstwert. Denkbar ist auch eine direkte Stromzufuhr ohne Schaltelektronik mittels des erwähnten Mäanderkollektors, speziell bei mehr als zweiphasigen Systemen, eventuell in Kombination mit einem leistungsstarken Signalgeber gemäss a), umschaltbar mittels Zentrifugalschalter. Gewisse Vereinfachungen sind möglich, z.B. bei stationären Anlagen, falls ein externer Stromanschluss vorhanden ist.

Claims

Patentansprüche

1. Magnetodynamischer Motor mit einem ruhenden Teil oder Stator und einem um eine Achse (16) drehbaren Teil oder Rotor (17), wobei auf dem einen Teil einen Polflachenabstand oder Luftspalt aufweisende, abwechselnd gepolte

Erregermagnete (18, 19) und auf dem anderen Teil magnetische Antriebsmittel oder Arbeitsmagnete (21 , 22) vorgesehen sind, die längs den Polteilungen mit den jeweils zugeordneten Erregermagneten (18, 19) sogenannte Antriebseinheiten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Antriebseinheit aus mindestens zwei bezüglich der Rotorachse (16) in ungleichen Radien- abständen angeordneten Teilsystemen mit eigenen Erregermagneten (18, 19) besteht , dass die Polbogenlängen der Erregermagnete und die Abmessungen der magnetischen Antriebsmittel zumindest angenähert dem Radienunterschied der Teilsysteme entsprechen, dass Mittel zur zeitgleichen Umpolung der magnetischen Antriebsmittel (21 , 22) beim Poldurchgang vorhanden sind, dass die Erregermagnete und die magnetischen Antriebsmittel bezüglich Feldstärken und Abmessungen so bemessen sind, dass die beim Poldurchgang zwischen den beiden Teilsystemen auftretenden magnetischen Wechselwirkungen sich in radialer Richtung zumindest angenä- hert aufheben, in azimutaler Richtung dagegen die Wirkung des äusseren

Teilsystems die gegenläufige Wirkung des inneren Teilsystems im Wesentlichen im Verhältnis des Radienunterschiedes übertrifft, so dass in Verbindung mit der Umpolung ein gleichsinniges Drehmoment entsteht (Fig. 6).

2. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermagnete (18, 19) auf dem Stator und die Arbeitsmagnete

(21 , 22) auf dem Rotor (17) angebracht sind.

3. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwechsel der Arbeitsmagnete (29a, 29b) mechanisch mittels in radialer Richtung im Wesentlichen zeitgleich in die Erregerfelder eingrei- fende Radialträger (28) erfolgt (Fig. 7).

4. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialträger (28) in einem begrenzten Bereich radial verschiebbar ist und an seinen Enden in Abständen entsprechend dem begrenzten Schiebebereich je zwei Arbeitsmagnete (29b) trägt, die dermassen bemessen und gepolt sind, dass im gesamten Schiebebereich sich die radialen Kraftwirkungen mit den Erregerfeldern zumindest angenähert aufheben.

5. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialträger (45) um seine Längsachse um mindestens 180° drehbar ist und an seinen Enden je ein quermagnetisierter Magnetkolben (47) trägt, die dermassen bemessen und gepolt sind, dass die beim Drehen des

Radialträgers (45) von den Erregerfeldern bewirkten Drehmomente sich zumindest angenähert aufheben (Fig. 8).

6. Magnetodynamischer Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwechsel mittels der Radialträger (28; 45) mit den Arbeitsmagneten an den Trägerenden vom Motor selbst bewirkt und gesteuert wird.

7. Magnetodynamischer Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermagnete (18, 19; 25a, 25b; 41 , 42) und die Arbeitsmagnete (21 , 22; 29a, 29b; 46, 47) als Permanentmagnete ausgebil- det sind.

8. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmagnete aus radial angeordneten Elektromagneten (57; 66) bestehen, derart dass zwischen deren Enden und den Erregermagneten (51 , 52; 62, 64) der Teilsysteme magnetische Wechselwirkungen bestehen, und dass die Erregermagnete (51 , 52; 62, 64) der Teilsysteme (61 , 63) innerhalb jeder Polteilung gleichgepolt, azimutal dagegen alternativ gegengepolt sind (Fig. 9, 10).

9. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den magnetischen Wechselwirkungen behafteten Abmessungen zusammen mit den Feldstärken der Erregermagnete (51 , 52; 62, 64) derart magnetisch konträr abgestimmt sind, dass in den Arbeitsspulen (57; 66) bei deren Durchgang längs den Polteilungen zumindest angenähert keine Induktionsspannung entsteht und die azimutalen Kraftwirkungen längs den Pollücken ein Differenz-Drehmoment zumindest angenähert im Radienverhältnis der Teilsysteme bewirken.

10. Magnetodynamischer Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur zumindest teilweisen Kompensation des reaktiven Einflusses der Arbeitsspulen (57; 66) auf das Drehmoment vorhanden sind.