EP2294679A1

EP2294679A1 - Elektromotorischer lineargenerator

Info

Publication number: EP2294679A1
Application number: EP08774663A
Authority: EP
Inventors: Max BÉDERT; Diego Bono; Erich VON NIEDERHÄUSERN
Original assignee: Lightlite GmbH
Current assignee: Lightlite GmbH
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2011-03-16
Also published as: WO2010000316A1

Abstract

Es wird ein elektromotorischer Lineargenerator beschrieben, bei dem mindestens ein Arbeitsmagnet (18) in mindestens einer Drahtspule (12) eine hin und her gerichtete Bewegung (28) ausführen kann. Der Arbeitsmagnet ist aus zwei Permanentmagneten (20, 22) zusammengesetzt, wobei gleichnamige Pole flächig aneinander befestigt sind und gegebenenfalls durch eine Scheibe (30) aus einem magnetischen Nichtleiter voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung aus Magneten und Spule (n) ist aussen von einer Abschirmung aus Mumetall umgeben. Eine besonders hohe Leistung wird erzielt, wenn die gleichpolig angeordneten Permanentmagnete im Generator - und auch die Drahtspulen - ringförmige Gestalt haben, wobei die Ringmagnete die Ringspulen übergreifen. Es wird eine mehrfache Erhöhung der induzierten Spannung und Stromstärke erzielt, weil das magnetische Feld des oder der Arbeitsmagnete verstärkt und auf die Spule konzentriert wird.

Description

Elektromotorischer Lineargenerator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromotorischen Lineargenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ausserdem bezieht sich diese Erfindung auf eine Verwendung eines solchen elektromotorischen Lineargenerators.

Elektromotorische Generatoren, auch als Dynamos bezeichnet, beruhen auf der schon lange bekannten Erscheinung, dass bei einer Bewegung eines Magneten quer über einen elektrischen Leiter in diesem eine Spannung induziert wird.

Elektromotorische Generatoren nach dem Oberbegriff des

Patentanspruches 1 sind an sich bekannt. So offenbart beispielsweise die veröffentlichte USA-Patentanmeldung Nr. 2003/0197433 A1 einen elektrischen Leistungsgenerator mit gekoppelten Permanentmagneten, die im Inneren von Drahtwicklungen bewegbar sind. Dabei werden jeweils Paare aus Permanentmagneten zwischen Paaren von Spulen linear bewegt. Die beiden Magnete eines Paares sind in festem Abstand voneinander angeordnet und mittels eines nichtmagnetischen oder magnetischen Abstandhalters aneinander befestigt. Aus der Veröffentlichung ist nichts über den Einfluss des Materials des Abstandhalters zu entnehmen.

Die beiden Magneten eines Paars können gegenpolig oder gleichpolig zueinander angeordnet sein. Bei gegenpoliger Anordnung steht dem Nordpol N eines Magneten der Südpol S des anderen Magneten gegenüber, und bei gleichpoliger Anordnung sind jeweils die gleichnamigen Pole einander zugekehrt, d.h. SN-NS oder NS-SN.

In dieser Veröffentlichung wird bereits beschrieben, dass die gleichpolige Anordnung ("anti") bei einer Linearbewegung im Inneren einer Drahtspule eine höhere Spannung als die gegenpolige Konfiguration ("para") induziert. Als Beispiel wird angegeben, dass gegenüber gegenpoligen Paaren unter sonst rigoros gleichen Bedingungen von gleichpoligen Paaren die vierfache Spannung erzeugt wird; allerdings ist nichts über die Stärke des erzeugten Stroms und über die Abmessungen der Magnete zu erfahren, insbesondere was ihren Abstand voneinander betrifft, und zwar absolut und auch relativ in Bezug auf den Durchmesser.

Weiterhin ist diesem Dokument zum Stand der Technik zu entnehmen, dass die dort beschriebenen Lineargeneratoren auch in

Mobiltelefonen ("Handys") als Stromquelle einsetzbar seien. Die Anmelderin hat festgestellt, das dies nicht zutrifft, da die vom Generator erzeugten Magnetfelder in der Umgebung des Lineargenerators Störungen verursachen, die den Betrieb des Geräts unmöglich machen.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die beschriebenen Lösungen der Lineargeneratoren grundlegend zu verbessern und einen sehr leistungsfähigen Generator zu schaffen, der universell anwendbar ist, angefangen von äusserst kleinen Ausführungen bis zur grosstechnischen Stromerzeugung. Ausserdem soll erreicht werden, dass die zu schaffende Maschine möglichst wenig Energie verliert, d.h. es wird angestrebt, dass sich das Magnetfeld möglichst wenig in die Umgebung des Generators ausbreitet.

Der erfindungsgemässe Generator ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definiert. Besondere und bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die erfindungsgemässe Verwendung bildet den Gegenstand des zweiten unabhängigen Patentanspruches.

Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des neuen Generators wird nun eine kräftige Steigerung des Wirkungsgrades von Generatoren erreicht, die im zitierten Dokument zum Stand der Technik beschrieben sind. Dies war nicht zu erwarten, da im Dokument kein Hinweis vorhanden ist, wie sich eine eventuelle Änderung des Abstandes der beiden gepaarten Magnete auswirken könnte. Es wäre ohne weiteres möglich, ja sogar wahrscheinlich gewesen, dass der Effekt der Verstärkung der induzierten Spannung in Abhängigkeit vom Abstand der Magnete, deren gleichnamige Pole einander gegenüberstehen, durch ein Maximum gehen könnte, und dass die Leistung bei weiterer Annäherung der beiden Magnete wieder absinkt, weil die beiden gleichnamigen Pole einander schwächen könnten. Die Erfindung hat gezeigt, dass dies überraschenderweise nicht der Fall ist, wenn besondere Vorkehrungen getroffen werden, die nicht auf der Hand liegen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist das Material des gegebenenfalls vorhandenen Abstandhalters zwischen den gleichpolig angeordneten Magneten eines Magnetpaars, das weiter unten näher beschrieben wird. Es ist erforderlich, dafür ein magnetisch nichtleitendes Material zu verwenden. Der Grund für diese Massnahme lässt sich aus Fig. 10 der beigelegten Zeichnung entnehmen. In dieser Zeichnung ist auf der linken Seite ein System aus zwei gleichpolig über einen Abstandhalter 3ON verbundenen Magneten 18 und 18' gezeigt. Auf der rechten Seite sind die beiden Magnete 18 und 18' über einen Abstandhalter 3OL aus magnetisch leitendem, Material, z.B. Weicheisen oder Mumetall, verbunden.

Aus den beiden schematischen Darstellungen ist sofort ersichtlich, dass die magnetischen Feldlinien A bei einem magnetisch nicht leitendem Abstandhalter (linkes Bild) relativ schnell aus dem Abstandhalter 3ON austreten, während die magnetischen Feldlinien B im rechten Bild mit dem magnetisch leitenden Abstandhalter 3OL viel länger im diesem verbleiben und nach ihrem Austritt ein kompaktes Bündel bilden. Es wurde gefunden, dass dies zu folgenden Erscheinungen führt, die für die Erfindung nachteilig sind:

- der wirksame Luftspalt im magnetischen Kreis wird auf ein Minimum reduziert, und eine Leistungssteigerung des Generators kann nicht erzielt werden;

- die dargestellte und auch verifizierte Konzentration der magnetischen Feldlinien beeinträchtigt die Leistung des Dynamos;

- eine längerfristige gegenseitige Abschwächung der Magnete wird verstärkt und beschleunigt. Die Erfindung macht es weiterhin möglich, den erfindungsgemässen Lineargenerator universell einzusetzen, ohne dass magnetische oder elektrische Störungen in der Umgebung verursacht werden. Nun ist die Verwendung eines Lineargenerators als Spannungs- und Stromquelle in magnetisch empfindlicher Umgebung möglich, beispielsweise in Mobiltelefonen, magnetischen Bankkarten, Zugangsbadges usw.

Die Verwirklichung des Erfindungsgedankens kann auf äusserst verschiedene Weise geschehen. Dabei sind die folgenden Variablen im Spiel:

^■ Form der Magnete und der elektrischen Leiter

■ Abmessungen der Permanentmagnetpaare

^■ Anzahl der Permanentmagnetpaare

^■ Gegenseitige Anordnungen mehrerer Permanentmagnetpaare

^■ Anzahl, Abmessungen und Anordnungen der als Drahtspulen ausgebildeten Leiter

■ Abschirmung

^■ Verwendungsparameter usw.

Formparameter. Die einfachste Form des erfindungsgemässen Generators ist ein Einspulen-Lineargenerator. Dabei bewegt sich ein doppelter Permanentmagnet (bei dem entweder die Nordpole oder die Südpole zweier Stabmagnete aneinander befestigt sind), der die Form eines gegebenenfalls abgeplatteten Zylinders hat, im Inneren eines entsprechend geformten zylindrischen Rohres, das am Aussenumfang eine Drahtwicklung trägt, die eine Spule bildet. Der genannte elektrische Leiter ist also als Spule ausgeführt.

Eine andere Form ist diejenige einer Mehrmagnetanordnung und/oder Mehrspulenanordnung, bei der zwei oder mehrere Permanent- Magnetpaare durch ein jochartiges Bauteil miteinander verbunden sind, so dass eine kammartige Struktur entsteht. Jedes dieser Magnetpaare kann sich im Inneren der Spulen längs eines begrenzten, vorgegebenen Weges linear in beiden Richtungen bewegen. Dabei kann sich jede Spule aus mehreren Einzelspulen zusammensetzen, die längs des Verschiebungswegs der Permanentmagnetpaare angeordnet sind.

Eine noch andere Form des erfindungsgemässen Lineargenerators liegt vor, wenn der elektrische Leiter als gedruckte Schaltung in mehreren übereinander liegenden Ebenen verwirklicht ist; solche "gedruckte" Spulen sind an sich bekannt. Hier wird eine besonders gedrängte Bauweise erreicht.

Schliesslich kann der Generator auch als Ringanordnung ausgeführt werden, was in der folgenden Beschreibung in allen Einzelheiten vorgestellt wird. Solche Anordnungen stellen die am meisten bevorzugte Verwirklichung der Erfindung dar, weil sie weitaus die höchsten Leistungen erbringen.

Abmessungen. Die Abmessungen der erfindungsgemässen

Magnete - darunter wird im vorliegenden Dokument jeweils ein Paar gleichpolig zusammengesetzter Permanentmagnete verstanden - sind in weiten Grenzen veränderlich. Sehr kleine Magnete werden benötigt, wenn man sie zur Stromerzeugung in Mobiltelefonen ("Handys"), in Autoschlüsseln, in kleinen Taschenlampen usw. benutzen will. Mittelgrosse Magnete können in Stossdämpfern von Automobilen und anderen Fahrzeugen eingesetzt werden. Solche Magnetstossdämpfer, die an sich bekannt sind, können beim Fahren eines Fahrzeuges auf unebenem Untergrund Strom erzeugen, siehe z.B. die USA-Patentanmeldung Nr. 2006/0125325. Abweichend davon können diese Stossdämpfer auch zur Unterstützung der Stossdämpfung eingesetzt werden, indem die Spulen kurzgeschlossen werden.

Noch grossere Lineargeneratoren werden zur Stromerzeugung in Wellenkraftwerken eingesetzt. Erfindungsgemässe Rotationsgeneratoren können sämtliche derzeit bekannten Rotationsgeneratoren (Dynamos) ersetzen, was überall die Vorteile einfacher Bauart, Wartungsfreiheit und höherem Wirkungsgrad erbringt. Wie schon kurz erwähnt, ist ein grosser Vorteil der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, dass die magnetische Abschirmung dauernd wirksam bleibt, so dass keine Gefahr mehr besteht, dass die Magnetfelder auf die Umgebung einwirken und dort Störungen verursachen.

Eine weitere sehr wichtige Verwendbarkeit ist die Stromerzeugung in

Schiffen, wobei die Wellenbewegung und die Neigungsbewegungen des Schiffs durch entsprechende Lineargeneratoren ausgenutzt werden.

Anzahl der Magnete. Hier besteht überhaupt keine Einschränkung nach oben; die Mindestzahl ist natürlich 1 Magnetpaar.

Mehrere Permanente. Die Wirkung eines Magnetpaares wird verstärkt, wenn mehr als zwei Permanentmagnete verwendet werden. Diese weiteren Permanentmagnete werden natürlich in der Translationsrichtung des Generators angeordnet. Diese Anordnungen können koaxial oder achsparallel mit oder ohne Versetzungen sein.

Anzahl, Abmessungen und Anordnungen der Drahtspulen. Da die

Drahtspulen mit den Magneten zusammenwirken müssen, gilt im Grunde das Gleiche, was bereits über die Magnete ausgeführt wurde. Die Drahtspulen werden so angeordnet, dass sie während der Linearbewegung dieser Magnete so weit wie möglich im kombinierten Magnetfeld der Magnetpaare liegen. Dabei können die Spulen die Stabmagnete zylinderförmig umgeben oder als zylindrisch angeordnete Teilspulen ausgeführt sein. Es ist auch möglich, die Spulen zentral und zylindrisch auszubilden und Paare von Ringmagneten zu verwenden, die axial und senkrecht zu den Spulen bewegbar sind.

Abschirmung. Die Abschirmung stellt ein wichtiges Merkmal der Erfindung dar. Wie schon erwähnt wurde, ist im Stand der Technik keine

Abschirmung von Permanentmagnetpaaren bekannt geworden, seien es Paare mit ungleichnamigen oder gleichnamigen Endpolen.

Die Erfindung sieht nun vor, längs des Verschiebungsweges der Magnetpaare, bei denen erfindungsgemäss gleichnamige Pole miteinander verbunden sind, Abschirmungen anzuordnen, die den Generator umgeben und welche die Umgebung vor dem Magnetismus der Permanentmagnete und der Drahtspulen schützen.

Magnetische Abschirmungen sind an sich bekannt. Zu diesem Zweck haben sich bestimmte Metalle bewährt, insbesondere Weicheisen und Eisen-Nickel-Legierungen, die weitere Legierungsbestandteile wie Molybdän enthalten können. Das sogenannte Mumetall ist ein wirksames Magnet- Abschirmmaterial.

Die Anmelderin hat gefunden, dass die magnetische Abschirmung des erfindungsgemässen Lineargenerators nicht nur bestimmungsgemäss wirkt, sondern zusätzlich eine Konzentration der magnetischen Feldlinien innerhalb der Abschirmung, d.h. eine Verstärkung des magnetischen Feldes, bewirkt. Es wurde festgestellt, dass bei Lineargeneratoren, in denen sich einfache Permanentmagnete oder Paare bzw. Serien gegenpolig verbundener Magnete bewegen (also in entsprechenden Lineargeneratoren nach dem Stand der Technik), und welche mit Mumetallhülsen isoliert werden, nach und nach eine Polarisierung des Mumetalls eintritt. Gleichzeitig sinkt die Abschirmwirkung und kann ganz verloren gehen. Diese unerwünschten Erscheinungen treten beim erfindungsgemässen Lineargenerator nicht auf. Näheres wird weiter unten beschrieben.

Die magnetische Abschirmung eines Lineargenerators wird meist in Form einer zylindrischen Hülse ausgeführt, deren Wanddicke der Stärke des abzuschirmenden Magnetfeldes angepasst ist. Dies kann durch einfache Versuche ermittelt werden, die auch den gewünschten Grad der Abschirmung berücksichtigen. Dabei braucht der Hülsenmantel nicht völlig geschlossen zu sein und kann diejenigen Bereiche offen lassen, wo eine Abschirmung nicht erforderlich ist.

Verwendungsparameter. Einige Parameter der neuen

Lineargeneratoren sollten an die beabsichtigte Verwendung angepasst werden. Selbstverständlich sind zunächst die Abmessungen sowie die geforderte bzw. gewünschte Leistung festzusetzen. Sodann ist zu überlegen, ob ein einziges Linearelement oder eine Gruppenanordnung besser geeignet ist, wobei eine Gruppe aus mehreren unabhängig voneinander arbeitenden Lineargeneratoren oder aus Magnetpaaren besteht, die auf einem Joch sitzen können und in diesem Fall miteinander bewegt werden. Näheres wird weiter unten beschrieben.

Sodann wird das Dimensionsverhältnis zwischen den einzelnen Arbeitsmagneten, der Art ihrer Befestigung (direkte Verbindung der Pole oder Einsetzen einer Zwischenscheibe), die Dimensionen der Spule(n) als Durchmesser des Drahtes, Anzahl der Wicklungen) festgelegt. Dabei kann der Endanschlag der Magneten, die sich in den Spulen bewegen, als mechanische Federung oder als gleichsinnig gepolter Endmagnet ausgeführt werden, der ein Permanentmagnet oder auch ein Elektromagnet sein kann. In diesem Falle entsteht im Generator selbst wegen der Magnetfeldstauchung am Ende der Bewegungsstrecke des Arbeitsmagneten eine Mehrleistung, und es muss geprüft werden, ob diese Mehrleistung nicht von der Leistung der Brems- Elektromagneten aufgezehrt wird. Auf jeden Fall muss die Feldstärke der Endmagnete auf die Geschwindigkeit, Masse und Abmessungen der Arbeitsmagnete abgestimmt werden. All dies lässt sich durch einfache Versuche ermitteln und liegt im Wissen und Können des Fachmanns.

Die Bremsung und Stillsetzung der Arbeitsmagnete am Ende der

Bewegungsstrecke durch Gegenmagnete ist an sich bereits bekannt, ohne dass in der betreffenden Dokumentation nähere Angaben über Natur und Auslegung gemacht wurden.

Wie oben schon beschrieben wurde, handelt es sich bei den Magneten um stabförmige, gerade Permanentmagnete, um zylindrische

Ausführungen oder aber um Ringmagnete. Solche Magnete sind bekannt, und daher soll auf ihre Zusammensetzung, ihre physikalische Eigenschaften sowie ihre Herstellung hier nicht eingegangen werden.

Die Zusammensetzung zweier oder mehrerer Magnete mit gleichnamigen Polen ist nicht einfach, da dauernde hohe abstossende

Magnetkräfte vorliegen. Trotzdem können die Magnete miteinander verbunden werden, indem diese Kräfte überwunden werden. So kann man zur Verbindung Hochleistungs-Klebstoff und/oder mechanische Hilfsmittel verwenden. Beispielsweise können die Magnete in Längsrichtung durchbohrt und in jede Bohrung ein Gewindebolzen eingesetzt werden. Die Magnete können miteinander vernietet werden. Es ist möglich, die beiden zu verbindenden Endbereiche abzusetzen und die Verbindung mit dem Klebstoff durch eine Hülse, die sich über beide abgesetzte Endbereiche erstreckt und dort verklebt oder verschweisst wird, zu verstärken. Sehr wichtig ist das Verbinden der beiden gleichnamigen Pole unter Zwischenlage eines Abstandhalters aus einem nichtmagnetischen Werkstoff; dadurch wird der Zusammenbau erleichtert. Ausserdem schützt diese Zwischenlage die beiden Magnete vor gegenseitiger Schwächung oder auch Entmagnetisierung. Eine negative Wirkung auf die äusseren Magnetkräfte wurde nicht festgestellt, eher eine leichte Erhöhung, da die Wechselwirkung der beiden gleichnamigen Magnetpole verringert wird.

Schliesslich sei noch hervorgehoben, dass sich die vorliegende Erfindung auf eine Relativbewegung zwischen Magneten und Spulen bezieht; also können die Magnete auch fest sein, wobei dann die Spulen beweglich sind; dies ist z.B. bei Stossdämpfern oder anderen ähnlichen Anordnungen der Fall. Auch ist es nicht erforderlich, dass sich die Magnete im Inneren der Spulen bewegen; es können nämlich ringförmige Magnete verwendet werden, in denen sich Spulen linear bewegen, oder indem die Ringmagneten über feststehenden Spulen Linearbewegungen ausführen.

Auch nicht zuletzt sei hier erwähnt, das sich eine erfindungsgemässe Anordnung sehr gut eignen würde als ein präziser Sensor für die Detektierung der Erderschütterungen. So würde jede Erderschütterung zu einer Relativbewegung der frei schwebenden Magneten führen, welche als Stromsignal detektiert werden könnte. Da die Erderschütterungswellen sich durch sehr kleine Amplituden auszeichnen, müssten solche Anordnungen selbsverständlich sehr kurze Spulen aufweisen, so dass eine Detektierung erfolgreich durchgeführt werden könnte. Es sollen nun experimentelle Befunde sowie Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben werden. Dabei wird auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 : schematisch einen senkrechten axialen Schnitt der einfachsten Bauart eines erfindungsgemässen Lineargenerators;

Fig. 2: einen Lineargenerator nach dem Stand der Technik mit einem einzelnen Magneten in schematischer Schnittdarstellung wie in Fig. 1 ;

Fig. 3: schematisch einen senkrechten axialen Schnitt einer einfachen Bauart des erfindungsgemässen Lineargenerators mit oben stehendem Magnetpaar;

Fig. 4: schematisch einen senkrechten axialen Schnitt einer einfachen Bauart des erfindungsgemässen Lineargenerators analog Fig. 3, aber mit dem Magnetpaar in Mittelstellung;

Fig. 5: schematisch einen senkrechten axialen Schnitt einer einfachen Bauart des erfindungsgemässen Lineargenerators analog Fig. 3, aber mit untenstehendem Magnetpaar;

Fig. 6: schematisch einen senkrechten axialen Schnitt einer Anordnung mit mehreren Magnetpaaren auf einem Joch.

Fig. 7A und 7B: eine erste Ausführungsform eines Lineargenerators mit Ringmagneten und Ringspulen im Längsschnitt (Fig. 7A) und im Querschnitt (Fig. 7B) längs der Linie VIIB-VIIB in Fig. 7A;

Fig. 8: schematisch einen Längsschnitt einer zweiten

Ausführungsform eines Lineargenerators einfacher Bauart mit Ringmagneten und Ringspulen; und Fig. 9: einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform eines Lineargenerators sehr hoher Leistung mit zwei Grossen von jeweils fünf Ringmagneten und mit neun Ringspulen;

Fig. 10: eine schematische Darstellung von zwei gleichpolig verbundenen Permanentmagneten mit Abstandhaltern aus unterschiedlichen Materialien.

In Fig. 1 ist schematisch ein Längsschnitt eines erfindungsgemässen Lineargenerators 10 dargestellt, und dabei ist der Schnitt axial geführt. Die einzelnen Teile des Generators sind nicht massstabsgetreu. In einer hohlzylindrischen Hülse 14, die aus Mumetall gefertigt ist und als magnetische Abschirmung wirkt, befindet sich eine Drahtwickelspule 12, deren nicht gezeigte Anschlussdrähte nach aussen führen. Im Inneren der Spule 12 ist eine weitere hohlzylindrische Hülse vorgesehen, in der ein Magnetpaar 18 in Richtung des Doppelpfeils 28 schwingen kann. Die Hülse 16 ist beispielsweise aus Kunststoff oder einem anderen magnetisch total durchlässigen Material gefertigt. Das Magnetpaar 18 besteht aus einem unteren Magnet 22 und einem oberen Magnet 20. Die beiden Magnete, die aus einem hochmagnetischen Permanentmagnetmaterial bestehen, sind an ihren beiden Nordpolen N, N unter Einschub einer Zwischenlage 30 aus einem magnetischen Nichtleiter fest und ganzflächig miteinander verbunden.

Am oberen Ende der Hülse 16 ist ein Brems- und Haltemagnet 24, auch als Endmagnet bezeichnet, fest angebracht, und zwar in einer solchen Lage, dass sein Südpol S dem oberen Südpol S des Magnetpaares 18 gegenübersteht. Auf analoge Weise ist die Hülse 16 unten mit einem unteren Brems- und Haltemagnet 26 versehen. Beim Schwingen des Magnetpaares 18 (d.h. des Arbeitsmagneten) in der Hülse wird es jeweils an einem Ende durch einen der beiden Bremsmagnete 24, 26 abgebremst und zum Anhalten und zur Umkehr gezwungen. Selbstverständlich werden die beiden festen Endmagnete mit Polwechsel angebracht, wenn in Fig. 1 der Arbeitsmagnet mit dem Nordpol nach oben eingesetzt ist. Der Lineargenerator nach Fig. 1 - und auch nach den anderen folgenden Figuren - ist senkrecht stehend dargestellt. Er kann aber auch waagerecht und in jedem anderen Winkel betrieben werden.

Fig. 2 zeigt nun in ganz ähnlicher Schnittdarstellung wie in Fig. 1 einen Lineargenerator nach dem Stand der Technik. In der Hülse 16, um welche die Spule 12 gelegt ist, schwingt der Permanentmagnet 18' längs des Doppelpfeils 28. Die auch hier vorhandenen Endmagnete zum Bremsen und Anhalten des Magnets 18' sind nicht dargestellt. In dieser Figur sind die Kraftlinien 33 des Magnets 18' dargestellt. Man sieht, dass diese Kraftlinien 32 die Abschirmung 14 durchdringen und weit in den Raum ausgreifen, denn der Magnet 18' hat im Laufe seiner zahlreichen Schwingungen die Abschirmung 14 polarisiert, was durch die gerichtete Anordnung der Elementarmagnete 34 veranschaulicht wird; die Abschirmung 14 ist daher ziemlich wirkungslos geworden.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemässer Lineargenerator im Schnitt und schematisch analog Fig. 1 und 2 dargestellt. Hierbei befindet sich der Doppelmagnet 18 in seiner oberen Endstellung.

Die magnetischen Kraftlinien sind gestaucht und viel dichter und verlaufen fast alle im Inneren der Abschirmung 14, in der sich die Elementar- magnete regellos angeordnet haben, wodurch die Abschirmwirkung der Hülse 14 noch intakt ist. Da die Spule 12 bei der Bewegung des Doppelmagneten 18 von sehr viel mehr Kraftlinien geschnitten wird, kann eine viel höhere Spannung in der Spule 12 induziert werden, und es lässt sich der Spule 12 ausserdem ein höherer Strom entnehmen; nicht nur die Spannung, sondern auch die Leistung des Lineargenerators sind um einen Faktor grösser als bei der Vorrichtung nach Fig. 2. Dieser Faktor wurde bei den realisierten Generatoren durch Messungen zu mindestens 5 bestimmt. Es steht zu erwarten, dass noch viel höhere Faktoren erreicht werden können.

Auch in dieser Figur sind die Endmagnete 24, 26 (Fig. 1 ) nicht gezeichnet. Es wird nun zu Fig. 4 übergegangen, in der ganz analog zu Fig. 3 die Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung wiedergegeben ist, wobei der Doppelmagnet 18 etwa in der Mitte der Hülse 16 steht.

Hier befinden sich alle magnetischen Kraftlinien im Raum im Inneren der hülsenförmigen Abschirmung 14 aus Mu-Metall. Die Elementarmagnete im Metall werden durch die besondere Form des Arbeitsmagneten 18 bei dessen Bewegung dauernd entpolarisiert und bleiben stets ungeordnet, so dass eine perfekte Abschirmung des magnetischen Feldes des Doppelmagneten 18 erreicht wird. Die Zahl der magnetischen Kraftlinien, welche die Spule 12 durchsetzen, ist hoch, und es herrschen die Verhältnisse vor, die in Fig. 3 gezeigt sind.

Auch in dieser Figur sind die Endmagnete 24, 26 (Fig. 1 ) nicht eingezeichnet.

Schliesslich ist in Fig. 5 in analoger Darstellung zu den Fig. 3 und 4 die untere Endstellung des Arbeitsmagneten 18 gezeigt. Zur Erklärung der Fig. 5 wird auf die oben zu den Fig. 3 und 4 gemachten Erläuterungen verwiesen. Auch in dieser Stellung sind die Elementarmagnete 34 im Metall der Mumetall- Abschirmhülse 14 durch die besondere Form des Arbeitsmagneten 18 bei dessen Bewegung dauernd entpolarisiert und bleiben stets ungeordnet, so dass eine vollständige und wirksame Abschirmung des magnetischen Feldes des Doppelmagneten 18 erreicht wird. Gleichzeitig werden durch Kraftlinienstauung mehr Kraftlinien als beim Lineargenerator des Standes der Technik durch die Wicklung 12 geführt, d.h. die induzierte Spannung wird vervielfacht und die verfügbare Stromstärke erhöht.

Nach Erreichen der in Fig. 5 gezeigten Endstellung kehrt sich die

Bewegungsrichtung des Arbeitsmagneten gemäss des oberen Pfeils im Doppelpfeil 28 um.

In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Lineargenerators schematisch im Schnitt dargestellt. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren gleiche oder ähnliche Elemente.

Bei dieser Ausführungsform sind drei Arbeitsmagnete 18A bis 18 C, jeweils aus zwei stabförmigen Permanentmagneten mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt bestehend, die gleichpolig mit einer Zwischenlage 30 aus einem nichtmagnetischen Material zusammengesetzt sind, vorgesehen. Diese Arbeitsmagnete 18 sitzen achsparallel und in Fig. 6 mit den Nordpolen nach oben und unten auf gleicher Höhe auf einem Joch 34, beispielsweise aus Kunststoff. Das Ganze wird von einer Abschirmung 14 aus Mumetall oder Weicheisen umgeben, die bei dieser Ausführungsform keine kreiszylindrische Hülse, sondern eine Hülse mit ovalem Querschnitt ist. Die ganze Anordnung mit den drei Arbeitsmagneten 18 wirkt bei einer Bewegung der letzteren auf die Spule 12 ein und induziert dort einen sehr kräftigen Strom.

In Fig. 6 sind die Magnete 18 als in einer Ebene nebeneinander stehend gezeichnet. Sie können auch auf einem geschlossenen Weg, etwa einem Kreisumfang, angeordnet sein.

Die Fig. 7A und 7B zeigen eine solche Ausführungsform mit kreisförmigem Querschnitt. In Fig. 7A, die einen senkrechten Schnitt des Lineargenerators zeigt, ist ein Ringmagnetpaar 18R an einem Joch 34 befestigt. Im Ring 19 liegt eine Ringwicklung 12. Das Zentrum des Generators wird von einem zylindrischen Permanentmagnetpaar 18Z eingenommen. Die ringförmige Anordnung ist von einer ringzylindrischen Abschirmung 14 umgeben. Auch hier können sich alle Magnetpaare zusammen in zwei Richtungen im Sinne des Doppelpfeils 28 bewegen. Auch ist es bei dieser Struktur denkbar, dass das Ringmagnet 18R tatsächlich aus einer Anordnung von mehreren Stabmagneten gebildet wird. So kann beispielsweise mit vier, sechs, acht oder mehreren Stabmagneten eine im Wesentlichen ringförmige Struktur gebildet werden, welche grundsätzlich ähnliche Eigenschaften aufweist, wie das dargestellte Ringmagnet 18R. Die in Fig. 7A gezeigte Ausführungsform des Lineargenerators ist in Fig. 7B im Querschnitt dargestellt, wobei die Schnittebene durch die Linie VIIB-VIIB in Fig. 7A definiert ist.

In Fig. 8 ist eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt dargestellt, die sich besonders für kleine und sehr preisgünstig herzustellende Generatoren eignet, da sie mit nur wenigen Einzelteilen auskommt. Diese Ausführungsform ist grundsätzlich ein ringförmiger Generator. Im Inneren einer hohlzylindrischen Abschirmung 14 ist ein erster äusserer Ringmagnet 50 und im Abstand ein gleich grosser zweiter äusserer Ringmagnet 52 angeordnet. Im Inneren des Ringraums der beiden äusseren Ringmagnete ist mindestens eine ringförmige Drahtspule 12 befestigt; in Fig. 8 ist nur eine solche Spule dargestellt, obwohl selbstverständlich auch mehrere solche Spulen nach Bedarf vorgesehen werden können.

Im Zentrum des Generators schwebt ein zylindrisches Permanentmagnetpaar, bestehend aus den Magneten 18 und 18', die über einen Abstandhalter 30 aus einem magnetischen Nichtleiter gleichpolig miteinander verbunden sind. Dieses Magnetpaar bewegt sich in den Richtungen, die vom Doppelpfeil 28 angegeben sind. Auf eine besondere Halterung der inneren Magnete 18, 18' kann verzichtet werden, da die diametral einander gegenüberliegenden Magnetpole (von rechts nach links: SNS, NSN, NSN, SNS) durch Anziehung und Abstossung eine stets perfekte Ausrichtung der inneren Magnete 18 und 18' bewirken.

Es wurde ausserdem gefunden, dass diese Ausführungsform des Lineargenerators auch dann befriedigend und störungsfrei arbeitet, wenn die äusseren Ringmagneten 50, 52 durch einen Hohlzylinder aus Weicheisen ersetzt werden. Aufgrund seiner Eigenschaften wird dieser Hohlzylinder aus Weicheisen sofort magnetisch leitend, so dass sich das von den inneren Magneten 18, 18' auskommende Magnetfeld darüber fortpflanzen kann. Mit der Zeit wird dieses Material ebenfalls leicht magnetisiert, so dass die Wirkung des von den inneren Magneten 18, 18' ausgehenden Magnetfelds dadurch leicht verstärkt wird. Schliesslich könnten in äquivalenter Weise auch die beiden inneren Magnete 18, 18' durch Elemente aus Weicheisen ersetzt werden, wobei sich die Wirkung des Generators wie oben beschrieben nicht wesentlich verändern würde.

Bei dieser Ausführungsform kann der Luftspalt zwischen den Magneten und der oder den Wicklungen viel kleiner als bei "flachen"

Generatoren gemacht werden, was einer Leistungssteigerung zugute kommt. Die einzelnen Magnete sollten im Vergleich zu ihren Durchmessern ausserdem relativ lang sein, um Streuverluste durch Feldlinien, die von einem Pol eines Magneten zum anderen Pol des gleichen Magneten verlaufen, möglichst klein zu halten.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Lineargenerators im Längsschnitt dargestellt. Auch hier handelt es sich um einen Ringgenerator, bei dem - mit Ausnahme von Endmagneten - nur Ringmagneten zum Einsatz kommen. Grundsätzlich kann die Ausführungsform aus Fig. 9 als eine Aneinanderreihung der einzelnen Elemente, welche in Fig. 8 dargestellt sind, angeschaut werden.

Die äussere Hülle des Generators besteht aus einer Abschirmung 14, die als Hohlzylinder ausgebildet ist und an einer scheibenförmigen Grundplatte 40 angebracht ist. Eine weitere Scheibe 42 ist im Abstand zur Grundplatte 40 und parallel zu dieser vorgesehen; zwischen den beiden Scheiben 40, 42 befinden sich Endmagnete 24A als Ringmagnet und 24B als Stab- oder Scheibenmagnet. An einem Joch 34 sind mehrere äussere Ringmagneten 44 angebracht, und zwar so, dass sich gleichnamige Magnetpole einander gegenüberstehen; in Fig. 9 folgen die Pole der fünf dargestellten Ringmagnete nach der Anordnung SN-NS-SN-NS-SN aufeinander. Zwischen je zwei Ringmagneten 44 liegt ein Abstandsring 30 aus einem magnetischen Nichtleiter, welcher am Joch 34 befestigt ist.

Das Joch 34 weist einen zentralen zylindrischen Bolzen 35 auf, an welchen wiederum fünf Ringmagnete 46 befestigt sind, deren Aussen- durchmesser wesentlich geringer als der Innendurchmesser der Ringmagnete 44 ist, so dass Raum für Drahtwicklungen 12 bleibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind neun Spulen 12 vorgesehen. Diese Spulen 12 sind an einem Spulenhalter 48 angebracht, der ringzylindrisch ausgebildet ist und fest mit der Scheibe 42 und der Grundplatte 40 verbunden ist.

Die fünf inneren Ringmagnete 46 sind wie die äusseren Ringmagnete 44 mit gleichpoliger Folge angeordnet, die jedoch gegenüber der Folge der Aussenmagnete 44 versetzt ist: NS-SN-NS-SN-NS. Dadurch ergibt sich bei der Bewegung der Anordnung aus 10 Ringmagneten gegenüber den neun Spulen 12 ein günstigerer Feldlinienverlauf und eine noch höhere Leistung.

Diese Ausführungsform hat insbesondere auch den Vorteil, dass durch die Synchronität der Bewegung der Magnete eine vereinfachte Schaltung der Spulenausgänge möglich ist. Im Allgemeinfall wäre nämlich ein Gleichrichter für jede Spule notwendig, bevor diese Spulenausgänge miteinander geschaltet werden könnten. Dank der synchronen Bewegung aller Magnete können die Spannungen mehrerer Spulen durch einen Gleichrichter gleich gerichtet werden. Somit wird der Preis einer Schaltung wesentlich verkleinert, was wiederum einen breiteren Einsatz der erfindungsgemässen Generatoren ermöglicht.

Bei den Versuchen, die mit den verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Lineargenerators gemacht wurden, hat sich ergeben, dass Anordnungen mit Ringmagneten bedeutend höhere Leistungen (bei gleichen Abmessungen bzw. bei gleichem Gewicht) erbringen als "flache" Generatoren. Wenn es die Platzverhältnisse gestatten, verdient der Ring- Lineargenerator den Vorzug

Beim Betrieb der erfindungsgemässen Lineargeneratoren entsteht eine Wechselspannung, deren Periode gleich der Frequenz der Magnetbewegung ist. Die Amplitude der Wechselspannung ist eine Funktion der jeweiligen Konstruktion und der Länge des Bewegungsweges der Arbeitsmagnete in Bezug auf die Länge der Spule. Es wird beim Gebrauch der beschriebenen Lineargeneratoren in der Regel erforderlich sein, einen Gleichrichter und einen Spannungs- und Strompuffer in Gestalt eines Kondensators vorzusehen. Auch kann der erzeugte Strom natürlich in einem Ladungsspeicher wie Batterie oder Superkondensator gesammelt werden.

Der neue, erfindungsgemässe Lineargenerator kann vielseitig eingesetzt werden, und zwar überall dort, wo ein Gerät Strom benötigt und gleichzeitig mechanisch bewegt wird. Sein Verwendungsgebiet reicht vom kleinsten Gerät, beispielsweise einer Armbanduhr und einem Mobiltelefon, über mittelgrosse Anwendungen wie Stossdämpfer an Fahrzeugen bis zu grössten Anlagen wie Wellenkraftwerken und Dynamos für Schiffe. Dabei kann die in den obigen Beispielen gezeigte zylindrische Form zugunsten besser geeigneter Formen verlassen werden; in Mobiltelefonen beispielsweise wird man eventuell diesen beschriebenen Zylinder aus Platzgründen abplatten.

Die Erfindung wurde in der obigen Beschreibung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Sie ist auf diese Beispiele nicht eingeschränkt, und im Rahmen des Beanspruchten können Änderungen, Verbesserungen und Weiterentwicklungen vorgenommen werden, ohne dass der Geltungsbereich des Patentes verlassen wird. Insbesondere ist es auch denkbar, eine ähnliche Anorndung mit entgegen gesetzter Wirkungsweise als Linearmotor zu verwenden.

Claims

Patentansprüche

1. Elektromotorischer Lineargenerator, bei dem mindestens ein Paar von Permanentmagneten gegenüber mindestens einer Anordnung elektrischer Leiter linear verschiebbar ist und gleichnamige Pole der Magnete eines Paares einander zugekehrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden

Permanentmagnete jedes Magnetpaars Pol an Pol unmittelbar oder über einen magnetisch nicht leitenden Abstandhalter miteinander verbunden sind, und dass der Generator mindestens im Verschiebungsbereich des oder der Magnetpaare von einer Vorrichtung umgeben ist, die zur Abschirmung magnetischer Felder geeignet ist.

2. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur magnetischen Abschirmung aus einer Hülse aus Weicheisen oder einer Eisen-Nickel-Legierung, insbesondere Mumetall, besteht.

3. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichnamigen Pole des mindestens einen Magnetpaars über eine Scheibe oder einen Block aus einem magnetischen Nichtleiter aneinander befestigt sind.

4. Elektromotorischer Lineargenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Enden des linearen

Verschiebungswegs des mindestens einen Magnetpaars Endmagnete angebracht sind, deren Pole so angeordnet sind, dass sie gleichnamigen Polen des mindestens einen beweglichen Magnetpaars gegenüberliegen.

5. Elektromotorischer Lineargenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein stabförmiges Magnetpaar (18) vorgesehen ist, welches sich im Inneren einer nichtmagnetischen zylindrischen Hülse (16) in zwei Richtungen (28) bewegen kann, dass eine oder mehrere Drahtspulen (12) um die Hülse gelegt sind, und dass über die Drahtspule(n) (12) als Abschirmung eine Hülse (14) aus Mumetall gestülpt ist.

6. Elektromotorischer Lineargenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetpaare (18) achsparallel und auf gleicher Höhe an einem Joch (34) eines nichtmagnetischen Materials nebeneinander in einer Ebene befestigt sind.

7. Elektromotorischer Lineargenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetpaare (18A - 18C) achsparallel und auf gleicher Höhe an einem Joch (34) eines nichtmagnetischen Materials auf der Peripherie einer geschlossenen Kurve, insbesondere eines Kreises, befestigt sind.

8. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Paar von gleichpolig verbunden Permanentmagneten als Ringmagnete ausgeführt ist und sich relativ zu mindestens einer im Inneren des oder der Magnete befindlichen Spule linear hin und her bewegen können.

9. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum der Anordnung ein zylinderförmiger Magnetstab aus mindestens einem Paar Permanentmagnete, deren gleichnamige Pole einander zugekehrt sind, vorgesehen ist.

10. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als Ringgenerator ausgeführt ist, wobei mindestens ein äusserer, linear verschiebbarer Ring aus einem Paar ringförmiger, mit gleichnamigen Polen einander zugekehrter Permanentmagnete gegenüber mindestens einer ringförmigen Drahtwicklung linear verschiebbar angeordnet ist.

11. Elektromotorischer Lineargenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der mindestens einen ringförmigen Drahtspule mindestens ein weiterer ringförmiger, linear verschiebbarer Permanentmagnet angeordnet ist, dessen Magnetpole gleichnamigen Polen des äusseren Magnetrings gegenüberstehen, und der über ein Joch mit dem äusseren Magnetring mechanisch starr verbunden ist.

12. Verwendung des elektromotorischen Lineargenerators nach einem der vorstehenden Ansprüche als stromerzeugendes Element in Vorrichtungen, die einer mechanischen wechselseitig gerichteten Bewegung ausgesetzt sind.