WO1984000448A1 - Method and device for transforming oscillatory motions of masses into rotary motions of rotors - Google Patents

Method and device for transforming oscillatory motions of masses into rotary motions of rotors Download PDF

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WO1984000448A1
WO1984000448A1 PCT/EP1983/000186 EP8300186W WO8400448A1 WO 1984000448 A1 WO1984000448 A1 WO 1984000448A1 EP 8300186 W EP8300186 W EP 8300186W WO 8400448 A1 WO8400448 A1 WO 8400448A1
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armature
rotor
magnetic
pole
permanent magnet
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PCT/EP1983/000186
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Hubert Bald
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Hubert Bald
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type

Definitions

  • the invention relates to a method for converting the oscillating movements of oscillating armatures into rotational movements of the rotors in the same direction.
  • anchor is to be understood here in the most general sense, which means that it can be any vibrating mass.
  • the application of the invention is intended in particular for the output of so-called free-flight piston internal combustion engines.
  • the piston carries out an oscillating movement which is subject to large fluctuations with regard to both the frequency and the amplitude.
  • a linearly oscillating movement is not very suitable for many technical applications; rather, a directional torque available on a shaft is generally required.
  • the object of the invention is to simplify the conversion of the oscillating movement of oscillating armatures into a co-rotating movement of rotors and also to make them accessible for higher speeds, while the losses are reduced.
  • End positions 64-64a have the size "h", but can also be smaller, although the device requires a certain minimum vibration amplitude in order to enable a rotating output.
  • the flux generated by the magnet 12 passes through a magnetic circuit made of magnetizable material.
  • this circle comprises the yoke ring 16a with pole teeth 18a, pole teeth 36 on the rotor 32 serving as the output member, which is designed as a sleeve-shaped body, and the latter itself.
  • the yoke ring 16b at the other end of the permanent magnet 12 with its pole teeth 18b is constantly penetrated by the river.
  • the magnetic circuit closes via a stationary pole ring 26a with inner pole teeth 28a and outer pole teeth 30a and the pole teeth 34a on the output member.
  • the magnetic circuit closes analogously via the pole teeth 28b of the stationary pole ring 26b, its outer pole teeth 30b and the pole teeth 34b on the driven member.
  • the output element is supported by means of roller bearings 38a, 38b in a stationary outer housing 40, which can be flange-mounted on the motor 20, for example.
  • a brake ring 50 which is supported by springs 52, can be deactivated by moving it in the direction of arrow 56 on the lever 54 if the output member is to rotate.
  • a coil spring 70 is anchored at 72 to the output member 32 and at 74 to a flange 76 of the output shaft 82. It serves as a rotary shock absorber and energy store during the transmission of rotary movements of the organ 32 to the
  • _OMPI_ can be designed so that it is driven by a single armature by switching the magnetic flux on and off twice during a period of oscillation of the armature at one point of the oscillation and once passing through the central position of the armature .
  • two anchors are phase-shifted by e.g. Swing 90 ° and act jointly on a rotor, so that each DC field can only be comutated into two fields, which then results in a four-phase rotating field.
  • the oscillating armature itself as a rotor.
  • the implemented rotary movement can also be used to control a rotary slide valve, for example when a piston is used with the armature
  • a device according to the invention is to be capable of self-starting, care must be taken to ensure that the torque generated by the action of alternating fields on the rotor over a full rotation of the rotor of 360 ° at any angle of rotation exceeds a value of zero sits.
  • the size may and will fluctuate between different values within one cycle.
  • FIG. 1 shows, largely in schematic form, an axial section along line e-D of FIG. 2, a first embodiment of a device according to the invention
  • FIGS. 5u.6 show a third embodiment analogously. 7u.8 similarly represent a further embodiment, FIG. 7 being a section corresponding to the kinked section line EF of FIG. 8,
  • Fig. 9 is a largely schematic
  • Partial axial section through an arrangement consisting of a free-flight piston explosion engine, a movement conversion system according to the invention and one
  • FIG. 11 shows, in a largely schematic longitudinal section, a device for carrying out the method, which is self-starting
  • Figure 12 is a section along line 2-2 of Figure 11
  • Figure 13 is a section along line 3-3 of the Figure
  • FIG. 14 shows in 8 phases schematically the movement profiles of the pole teeth in the device according to FIG. 11, the view from the inside being drawn out over six segments,
  • FIGS. 16a-16d show partial radial sections from FIG. 15 at the level of the individual air gaps
  • FIG. 18 serves to explain a variant of the embodiment according to FIG. 17.
  • the shaft 350 of the rotor is rotatably supported relative to the stationary components by means of roller bearings 352 and 354.
  • a flywheel in the form of a disk 358 is firmly connected to the shaft.
  • the shaft 350 is made of non-magnetizable material; with it, however, a rotor magnet 356 is fixedly connected, which is magnetized radially with two poles and is designed as a permanent magnet.
  • the armature 360 is assumed here to be firmly connected to a reciprocating piston rod of a free-flight piston engine.
  • the anchor 360 is shown here in its left end position; it can go through an oscillation stroke "A" in the direction of arrow 362.
  • the armature bears two radially magnetized permanent magnets 364 and 366 at a distance "H". Their shape is similar to that of the rotor permanent magnet 356.
  • the two permanent magnets 364 and 366 are magnetized in the reverse 180 ° direction. In the right end position of the armature, the permanent magnet 366 assumes the position which the magnet 364 assumes in the drawing, which represents the left end position. It is understood that the anchor is supported in the transverse direction, but this is not shown in the drawing.
  • the armature itself consists of non-magnetizable material.
  • the upper pole leg 368 and the lower pole leg 370 are made of magnetically highly conductive material. They are held by frame parts 372 and 374 made of non-magnetizable material.
  • the anchor after the left end position previously reached is about to initiate the movement in the direction of arrow 362 in order to assume the right end position.
  • the rotor After half the stroke "A / 2" by the armature, the rotor has rotated about 90 °.
  • the second armature magnet 366 With further movement of the armature in the direction of arrow 362, the second armature magnet 366 now begins to dip into the area of the pole shoes 380, 382 of the pole legs 368, 370, a magnetic field in the pole legs with the polarity reversed with respect to the previous polarity builds up and correspondingly the rotor air gap 376 is flooded.
  • the rotor If the rotor is loaded by a braking torque, it remains at a certain pole wheel angle relative to the angular position of the unloaded rotor. If the braking torque becomes too high, this magnet wheel angle becomes too large and the rotor falls out of step, which usually brings it to a standstill. If an additional drive torque is supplied to the rotor from the outside, the magnet wheel angle can also lead the rotor to advance in the opposite direction, energy then being transferred from the rotor to the armature.
  • pole pairs can also be provided.
  • the rotor magnet and armature magnets will then expediently have the same number of pole pairs.
  • the pole legs can also be arranged rotatably on the stator side and the rotor magnet can be arranged stationary, the pole legs forming parts of the flywheel.
  • the anchor would have to be arranged in a rotationally fixed manner.
  • FIGS. 3 and 4 the drawing part above the shaft center in FIG. 3 corresponds to the section CO, while the drawing part below the shaft mittaids shows section 0-D in FIG. 4.
  • the shaft 400 of the rotor which is made of non-magnetizable material, is rotatably supported relative to the stationary parts of the device by means of roller bearings 402 and 404.
  • the flywheel in the form of a disk 410 is firmly connected to the rotor shaft 400.
  • the rotor shaft also carries with it permanently connected permanent magnets 406 and 408, which are magnetized with two poles in the radial direction, and whose pole axes are offset from one another by 90 °.
  • the oscillating armature 412 is assumed to be firmly connected to the piston rod of a free-flight piston engine, which is otherwise not shown. It is shown in the left end position of the armature stroke "A".
  • a magnetic flux switch 416 made of magnetically highly conductive material is firmly connected to the armature.
  • Armature swings around its central position and, after passing stroke "A" in the direction of arrow 414, assumes the position indicated by the broken line in FIG. 3. While the actual armature is made of non-magnetizable material, for example aluminum, a permanent magnet 418 with pole pieces 420 and 422 made of magnetically highly conductive material is provided stationary. It is offset by 180 °, not recognizable in the drawing, with another permanent magnet opposite, which is magnetized in the opposite direction, and to which pole shoes 424 and 426 are assigned.
  • Another permanent magnet 428 has pole pieces 430 and 432, and it is also offset by a second permanent magnet, not visible in the drawing, with an opposite magnetization direction, to which the pole pieces 434 and 436 are assigned, offset by 180 °.
  • the frame parts 438, 440, 442 and 444 holding the entire system consist of non-magnetizable material, for example aluminum.
  • non-magnetizable material for example aluminum.
  • Armatures 412 are the magnetic fluxes of the permanent magnet 418 and the opposite permanent magnet, not shown in the drawing, by the magnetic flux switch 416 between the pole shoes 422 and 426 by the magnetic flux switch 416, apart from the stray field exclusively via the pole shoes 420 and 424 and the rotor air gaps 446 are brought into effect on the rotor magnets 406. In this way, a torque is generated on the rotor magnet 406, which acts in the direction of the arrow 448.
  • a rotor disk 470 is rotatably mounted in two stationary roller bearings 471, 472 by means of its shaft end 473 made of magnetically non-conductive material.
  • a ring-shaped first magnet system 482, an intermediate ring 484 made of magnetically non-conductive material and a second ring-shaped magnet system 486 are firmly connected, for example glued, to the rotor disk.
  • the first magnet system 482 comprises the permanent magnets 474 and 476, which are connected to one another are connected by two magnetically well-conductive pole heads 478 and 480.
  • the pole axis 488 of the magnet system therefore runs through the plane of symmetry of these pole heads when the magnet system is magnetized as shown in FIG.
  • the second magnet system 486 is identical to the first, and the two corresponding permanent magnets 490 and 492 can be seen in FIG. 5. However, the magnetization direction of the second magnet system is offset by 180 ° with respect to the first.
  • the armature 494 should in turn be firmly connected to the piston of a free-flow piston engine (not shown); it can go through a stroke "A". The left end position of the armature is drawn again.
  • a permanent magnet 496 which is radially magnetized in two poles, is attached to the armature.
  • the armature is said to be non-rotatable and, in order to absorb radial forces acting on it, it is mounted in a cylindrical longitudinal bearing 497, while a pin is fastened in the longitudinal bearing -
  • the representation is only to be understood schematically.
  • the magnet systems of the rotor can thus be produced in one piece and magnetized accordingly.
  • Multi-pole versions are also possible.
  • This can be useful for example if 'the Free-piston engine mentioned is used directly as a pump drive for fluids and the inlet and outlet of the fluid in the pump chambers is to be controlled by a rotary slide valve arrangement. In the simplest case this represents the offset by the armature in rotation of the piston itself the rotary valve. It should be understood that then eliminating the rotation of the armature and the vor ⁇ standing as •• rotor "labeled component is mounted stationary.
  • Free-flight piston engines and the components connected to them then generally have sufficient mass to also take over the function of the flywheel.
  • the shaft 500 of the rotor consisting of non-magnetizable material, is mounted relative to the stationary parts by means of roller bearings 502 and 504.
  • the rotor shaft carries a flywheel 506 and a permanent magnet 508, the structure of which can be clearly seen in FIG. 8; it is radially four-pole magnetized and firmly connected to the rotor shaft.
  • the oscillating armature 510 made of non-magnetizable material, for example firmly connected to a piston rod of a free-flight piston engine, executes the stroke "A" and is drawn in the middle position "A / 2" of this stroke.
  • the armature carries a permanent magnet 512 that is permanently connected to it with two poles and is radially magnetized.
  • the transverse support of the armature, which is arranged outside, is not shown.
  • Magnetically conductive yokes 520 and 522 are arranged below and above and close the magnetic circuit between the rotor magnet 508 and the armature _
  • the magnetically non-conductive frame parts 524 and 526 support the yokes.
  • the yokes 522 and 520 are arranged at 90 ° to one another with respect to the rotor axis and are each provided with pole shoes 530 and 532 in the area of the armature center position and 534 and 536 in the area of the rotor magnet 508.
  • the flux of the permanent armature magnet is brought into effect on the rotor permanent magnet 508 when it is immersed between the pole shoes 530 and 532 via the yokes 520 and 522, and a torque is produced there in the direction of the arrow 528, which is slightly less than 90 ° the rotor rotation is effective.
  • the drawn position of the rotor permanent magnet corresponds to the drawn central position of the armature permanent magnet.
  • the rotor permanent magnet has rotated 180 °, so that its south pole S2 is now between the pole pieces 534 and 536. In this way, the rotor receives a drive torque twice during an oscillation period of the armature, and always when the armature passes through the central position of its stroke.
  • the number of yokes can also be increased, so that there are a maximum of as many yokes as there are poles on the rotor permanent magnet. It can be seen that as the number of pole pairs on the rotor permanent magnet changes, the ratio of the rotor rotational frequency to the armature oscillation frequency also changes.
  • FIGS. 7 and 8 is somewhat similar in its mode of operation to the embodiment according to FIGS. 1 and 2; in an analogous manner, one could modify the embodiment according to FIGS. 7 and 8 so that it works similarly to the embodiments according to FIGS. 3 and 4 or 5 and 6.
  • FIGS. 7 and 8 is combined with an embodiment according to FIGS. 1 and 2 (for example) in such a way that the two rotors are connected to one another in a rotationally fixed manner or form a common rotor, the advantageous effect results that at every angle of rotation of the rotor a drive torque can act on it, so that the rotor is then self-starting.
  • the number of pole pairs of the system according to FIGS. 7 and 8 is then always twice as high as the number of pole pairs of the system combined with it according to FIGS. 1 and 2 or 3 and 4 or 5 and 6.
  • FIGS. 9 and 10 An embodiment according to the principle described last is shown in FIGS. 9 and 10.
  • a free-flight piston engine is indicated by 550, which itself does not form part of the present invention, and is, for example, schematically shown in a display in the VDI news of March 18, 1983.
  • the piston rod 552 extends axially through the engine and is firmly connected to the free-flight piston engine.
  • the piston rod carries a permanent magnet 586.
  • a piston 562 is connected to the piston rod and a permanent magnet 596. All components connected to the piston rod are together with this and with the free-flying piston Central axis of the piston rod can be rotated.
  • Cylinder heads 554 and 556 are fixed to the engine block 550.
  • the left magnet system holder 578 consists of non-magnetizable material and carries two ring-shaped magnet rings in addition to the two non-magnetizable spacer rings 584 and 588. - 2o-
  • the permanent magnet 586 also corresponds to the armature magnet of the system according to FIGS. 5 and 6 and the components perform the corresponding functions.
  • the right magnet system holder 590 made of non-magnetizable material carries a non-magnetizable spacer ring 592 and a ring-shaped magnet system 594. This is constructed similarly to the first or second magnet system according to FIGS. 5 and 6, but in comparison to the magnet system 580 or 582 with double the number of poles.
  • the permanent magnet 596 is likewise similar to the permanent magnet 586, but is also provided with twice the number of pole pairs.
  • the reversal takes place via control slots 560 and 564, where reference is also made to the illustration of the processing according to FIG. 10.
  • the piston 558 with the control groove 560 provided in it can be seen in the direction of the arrow Q.
  • the control cylinder surface 574 in which the slot-shaped inlets and outlets 568 and 566 are formed.
  • the control surface 574 is the sealing surface of the cylinder.
  • the pump works as follows:
  • the piston can perform a rotary movement of 360 ° or a rotary movement of 180 °, 120 ° etc. during a piston stroke.
  • the main power of the engine can consist in the fluid delivery or in the drive of another unit, while the pump power serves to deliver combustible gas mixture and thus to operate the free-flight piston engine as a loaded machine.
  • the power to be converted via the magnet systems is only the control power which is relatively low, so that small and light magnet systems are required.
  • piston engine assembles mn. its gas cushions represent an oscillatable system which has a certain resonance frequency, and therefore the excitation of the vibrations is preferably carried out at or near this resonance frequency so that the armature can rock up with only a low power consumption.
  • the armature 10 is simply shown as a tube end, which can be, for example, the extension of a piston rod of a free-flight piston engine.
  • An axially magnetized permanent magnet 12 sits on the armature 10, held by an insert 13. It is assumed that the armature can also be freely rotated in addition to its reciprocating movement; where these conditions are not met, the magnet 12 would be rotatable on the armature, but be arranged axially fixed.
  • the anchor 10 is in one of its 11
  • At least one magnetic field generator is provided which generates a constant field. Since, according to the invention, the torque on the rotor is to be generated by the action of magnetic alternating fields on the rotor, the oscillating armature itself is used directly as a "switch" which switches the magnetic constant field alternately to different magnetically conductive paths. in which there are then alternating flows. These can be made to act like a rotating field on the rotor circumference.
  • the rotor In the case of such two-phase designs which are not capable of self-starting, the rotor will generally be assigned a flywheel mass with a corresponding moment of inertia, so that there is no fear of desynchronization if it is only for the initial synchronization between the rotor and anchor required auxiliary device is switched off again.
  • a converter arrangement capable of self-starting without further aids can be Moments of inertia is loaded, potential energy is first stored in the spring when the rotation begins and is then used to accelerate these moments of inertia.
  • the output shaft 82 is supported by means of ball bearings 78a, 78b in a bearing flange 80 which is flanged to the housing 40.
  • the pole rings 26a and 26b each sit on a support ring 24 and 22, respectively, and the latter is fastened to the housing 40 or to the motor 20.
  • a coil 86 is fastened, which can serve as a starting element for the motor, since it can excite the permanent magnet 12 and thus the armature 10 to vibrate when subjected to alternating current.
  • an alternating field is also induced in the coil when the motor is running, so that e.g. Control pulses for the ignition of the internal combustion engine can be taken, or the supply voltage for the electrical system of a vehicle driven by the engine.
  • the permanent magnet does not necessarily have to vibrate with the armature; it can also be integrated in the output member or even in the presence of two further air gaps in the stationary outer housing.
  • the magnetic coupling between the pole teeth 18a on the armature or on the permanent magnet on the one hand and the pole teeth 36 on the output member 32 ensures that both components rotate synchronously, unaffected by the oscillating movement of the magnet, since the teeth 36 are dimensioned longer by at least the length "h" than the teeth 18a. This is indicated in the drawing, since the magnetic flux 88 at least closes via these pole tooth pairs.
  • the teeth 34b are aligned with the teeth 34a; 12 and 13 represent the same angular position of all parts, but in FIG. 13 the magnet 12 bits is only indicated by dashed lines in its pole teeth 18b in order to make it clear that they are in the other plane - namely that of FIG. are located.
  • pole rings 26a, 26b with their teeth 28a, 28b and 30a, 30b are simply segments which are magnetically insulated from one another only in the circumferential direction.
  • they can be embedded in a non-magnetizable material.
  • the gaps between the segments are as small as possible, so that the angular width of the segments corresponds approximately to the pitch of this pole tooth.
  • the armature makes this rotation (because of the magnetic coupling with the output element over 18a-36); but since the teeth 18b only have half the angular width in relation to the segments, the air gap in question does not change as a result of the subsequent rotation of the armature.
  • the components therefore assume the positions shown in solid lines in FIG. 12; the output member has turned t / 4.
  • Fig. 14 clearly shows the sequence described - the "change-like" movement of a tooth 18b relative to the teeth or segment flanks 28a, 28b.
  • FIGS. 16 and 16 relate to an embodiment in which two oscillating armatures act on a common rotor.
  • a single permanent magnet is provided as a source for a DC magnetic field, and the magnetic flux emanating from it is commutated into the alternating fields acting on the rotor circumference by the oscillating movement of the armature, the phase position of the synchronously oscillating armature being selected such that the alternating fields mentioned are common Rotating field act.
  • the two armatures 110 and 114 - which can be, for example, the piston rods of each piston of a two-cylinder free-flight piston engine - oscillate at the same frequency, but 5 out of phase by 90 °.
  • the armatures 110, 114 made of non-magnetizable material each carry a pole ring 112 or 116 made of magnetizable material.
  • the rotor comprises a hollow cylindrical jacket 118
  • non-agnizable support rings 132, 134, 136 and 138 guide rings 140, 142, 144 and 146 made of soft magnetic material, which have pole teeth on their outer circumference.
  • the pole teeth of the guide rings each have a pole tooth ring on the
  • the distance between the guide rings 140-142 on the one hand and 144- i 146 on the other hand is equal to the vibration stroke of the armatures 110 and 114.
  • the pole teeth each extend over
  • each pole tooth has an extent of 30 ° in the circumferential direction.
  • FIG. 16a relates to the plane 104 of FIG. 15, in which the magnetic circuit is closed by the pole ring 116 via the guide ring 144; the rotor has a half turn due to the tangential force caused by the tendency of the magnetic field lines to shorten
  • the pole teeth of the guide ring 142 are offset by 15 in the circumferential direction from those of the guide ring ⁇ 144 - cf.
  • FIG. 16b shows the radial section at the level of line 103 in FIG. In this figure there is also the
  • FIG. 17 differs from that according to FIGS. 15 and 16 in that instead of a rotor with soft magnetic active parts, one is provided which itself forms at least one pair of magnetic poles by using permanent magnets.
  • the former are called “reactive”, the latter as
  • the two armatures 210, 214 each carry a first bar magnet 211 or 211 'and a second bar magnet 212 or 212', each of which is arranged antiparallel to the former, so that in each end position of the armature the magnetic field bundled by the yokes 215, 216 and 215 » , 216 'is reversed.
  • the two anchors also vibrate according to the following table, in which "A” and "B" represent the respective end positions of the armatures in the so-called directions according to Fig. 17 and "M" the intermediate position of maximum armature speed (the armatures follow an essentially sinusoidal path Time behavior).
  • the magnetic conductor system must of course be adapted accordingly.
  • the use of an "active" rotor has the advantage that no pole teeth are to be provided, although they can nevertheless be used for other reasons.
  • the two permanent bar magnets 311, 312 each assigned to an armature 310 are stationary; When the armature vibrates, the magnetic fluxes which they generate are alternately in the end positions of the armature via guide pieces 316, 318 at the ends of a magnetically non-conductive armature pieces 322, 324 switched. The mode of operation otherwise corresponds to that of the embodiment according to FIG.

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Description

- I -
Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen der Schwingbewegungen oszillierender Anker in Drehbewegungen von Rotoren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen der Schwingbewegungen oszillierender Anker in gleichsinnige Drehbewegungen von Rotoren.
Der "Ausdruck Anker" soll hier im allgemeinsten Sinne verstanden werden, das heißt, es kann sich um irgendeine schwingende Masse handeln. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch insbesondere für den Abtrieb von sogenannten Freiflugkolben-Ver¬ brennungsmotoren gedacht. Bei solchen Motoren führt der Kolben je nach der Leistungsbilanz und der Zünd- folge eine Schwingbewegung aus, die sowohl hinsicht¬ lich der Frequenz als auch der Amplitude großen Schwan¬ kungen unterliegt. Eine linear oszillierende Bewegung ist jedoch für sehr viele technische Anwendungsfälle wenig geeignet; benötigt wird vielmehr im allgemeinen ein an einer Welle zur Verfügung stehendes gerichtetes Drehmoment.
Aus der DE-AS 1 059 098 ist es bekannt, die Schwingbewegung eines oszillierenden Ankers in eine gleichsinnige Drehbewegung umzusetzen, indem ein mit einer Indiαktionswicklung versehener Rotor verwendet wird, der in einem Mittelschenkel eines Magnetkreises mit drei Schenkeln angeordnet ist. Hierbei wird in einem der Schenkel ein magnetischer Wechselfluß er¬ zeugt,während die beiden anderen Schenkel durch eine Feldwicklung erregt sind. Die Verwendung von Spulen mit entsprechenden Zuleitungen ist jedoch aufwendig und läßt zudem keine höheren Drehzahlen zu. Außerdem besteht hierbei Asynchronis us mit der Rotordrehung, der zu erhöhten Verlusten führt und nur für bestimmte Anwendungszwecke geeignet ist. Abgesehen davon ist auch die Wärmestabilität infolge der Spulen gering.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Umsetzen der Schwingbewegung oszillierender Anker in eine gleichsin¬ nige Drehbewegung von Rotoren zu vereinfachen und auch für höhere Drehzahlen zugänglich zu machen, während die Verluste vermindert werden.
Die Aufgabe wird entsprechend dem Anspruch 1- gelöst. Endlagen 64-64a hat die Größe "h", kann jedoch auch kleiner sein, wobei allerdings die Vorrich¬ tung eine gewisse Mindestschwingamplitude benötigt, um einen drehenden Abtrieb zu ermöglichen. In jeder der beiden Endlagen durchsetzt der von dem Magneten 12 erzeugte Fluß einen aus magnetisierbarem Material aufgebauten Magnetkreis. In beiden Fällen umfaßt dieser Kreis den Jochring 16a mit Polzähnen 18a, Polzähne 36 auf dem als Abtriebsorgan dienenden Rotor 32, der als muffen- förmiger Körper ausgebildet ist, und den letzteren selbst. Auch der Jochring 16b am anderen Ende des Permanentmagneten 12 mit seinen Polzähnen 18b wird ständig von dem Fluß durchsetzt. In. der einen Endlage — der zeichnerisch dargestellten —- schließt sich der Magnetkreis über einen stationären Polkranz 26a mit inneren Pol¬ zähnen 28a und äußeren Polzähnen 30a sowie die Polzähne 34a am Abtriebsorgan. In der anderen End- läge schließt sich der Magnetkreis analog über die Polzähne 28b des stationären Polkranzes 26b, dessen - äußere Polzähne 30b und die Polzähne 34b am Abtriebs¬ organ. Form, Anordnung und Funktion der verschiedenen Polzähne werden später erläutert. Das Abtriebsorgan ist mittels Wälzlagern 38a, 38b in einem stationären Außengehäuse 40 ge¬ lagert, das z.B. an den Motor 20 angeflanscht sein kann. Ein Bremsring 50, der sich über Federn 52 ab¬ stützt, kann durch Verschieben in Richtung des Pfeiles 56 am Hebel 54 unwirksam gemacht werden, wenn das Abtriebεorgan umlaufen soll.
Eine Schraubenfeder 70 ist bei 72 an dem Abtriebsorgan 32 und bei 74 an einem Flansch 76 der Abtriebswelle 82 verankert. Sie dient als Drehstoßdämpfer und Energiespeicher bei der Über¬ tragung von Drehbewegungen des Organs 32 auf die
_OMPI_ nung so ausgebildet werden, daß sie von einem ein¬ zigen Anker angetrieben wird, indem während einer Schwingungsperiode des Ankers an je einem U kehr- punkt der Schwingbewegung einmal und bei Durchgang durch die Mittellage des Ankers zweimal eine Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses vorgenommen werden.
Eine weitere im Rahmen der Erfindung liegende Möglichkeit besteht darin, daß zwei Anker phasenver- schoben um z.B. 90° schwingen und auf einen Rotor gemeinsam einwirken, so daß jedes Gleichfeld nur in zwei Felder zu kom utieren ist, wobei sich dann ein vierphasiges Drehfeld ergibt.
Einer solchen Anordnung steht es gleich, wenn jeweils ein Anker und ein Rotor zweiphasig zusammen¬ wirken, die Rotoren aber mechanisch gekoppelt sind.
so daß wieder eine vierphasige Konstruktion vorliegt, bei der nur die Wechselfelder auf zwei getrennten, aber synchron umlaufenden Ro¬ tormantelflächen wirken. Andererseits können aber auch mehr als zwei Anker auf einen gemein¬ samen Rotor oder, allgemeiner gesagt, auf einen gemeinsamen Abtrieb mit zwangssynchronisierten Rotoren einwirken, wobei die Anker etwa stern¬ förmig angeordnet sind. Im Falle von Freiflugkolbenmotoren wären deren als Ankerantrieb wirksame Kolben miteinander so zu synchronisieren, daß sie die entsprechende Phasenverschiebung zueinander aufweisen; dies kann durch entsprechende Phasenverschiebung der Zündzeit- punkte oder aber durch Selbstsynchronisation er¬ folgen.
Es ist aber auch möglich und gegebenenfalls bevorzugt, ein Bewegungswandlungssystem Schwingung/ Drehung für einen einzigen Anker und ohne Hilfsspule im Rahmen der vorliegenden Erfindung auszubilden, wenn dafür gesorgt wird, daß das mindestens eine Gleichfeld in ein mehrphasiges, vorzugsweise vier- phasiges Wechselfeld durch Hilfsbewegungen von relativ zueinander verschieblichen und/oder drehbaren Bau- teilen kommutiert wird.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, den oszil¬ lierenden Anker selbst als Rotor auszubilden. In dieser, Falle kann die umgesetzte Drehbewegung auch zur Steuerung eines Drehschiebers eingesetzt werden, wenn beispielsweise mit dem Anker ein Kolben zum
Fördern von gasförmigen oder flüssigen Medien ver¬ bunden ist.
Bevor Ausführungsbeispiele anhand der bei¬ gefügten Zeichnungen erläutert werden, sollen noch einige grundsätzliche Bemerkungen vorangeschickt werden. Bei Klassischen"Synchronmaschmen wandert das aus der Summe der drei Wechsel¬ felder gebildete Drehfeld mit zeitlich konstanter Amplitude und gleichbleibender Geschwindigkeit um den Maschinenumfang. Bei konstanter Momentenbe¬ lastung bleibt die Polachse des Rotors hinter der Polachse des Stators um einen der Belastung ent¬ sprechenden konstanten Polradwinkel zurück. Im Gegensatz dazu wandert bei den Vorrichtungen ge- maß der Erfindung das aus der Summe der Einzel¬ felder entstehende "Drehfeld" sprunghaft über den Maschinenumfang, und da der Rotor nicht sprunghaft, sondern annähernd kontinuierlich umlaufen soll, verändert sich der entsprechende "Polradwinkel" ebenfalls sprunghaft. Nach einer sprunghaften Ver¬ größerung des Polradwinkels erfolgt bis zum näch¬ sten Sprung eine kontinuierliche Verkleinerung.
Wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Selbstanlauf fähig sein soll, muß dafür gesorgt werden, daß das durch die Einwirkung von Wechsel¬ feldern auf den Rotor erzeugte Drehmoment über eine volle Umdrehung des Rotors von 360° an jedem belie¬ bigen Drehwinkel einen Null übersteigenden Wert be¬ sitzt. Die Größe darf allerdings und wird auch in- nerhalb eines Umlaufes zwischen unterschiedlichen Werten schwanken.
Fällt jedoch das Drehmoment ein- oder mehr¬ mals während eines Rotorumlaufs auf Null, ist der Selbstanlauf nicht mehr gewährleistet. In diesem Falle müssen die antriebsmomentfreien Winkelstrecken durch eine entsprechende Schwungmasse überbrückt werden. Trotz des fehlenden Selbstanlaufs können jedoch solche Vorrichtungen wegen' ihres einfachen Aufbaus vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn nur ein einziger schwingender Anker zur Verfügung steht. Es versteht sich, daß bei Abgabe eines Nutz¬ momentes die Schwungmasse ausreichend groß bemessen sein muß, um auch noch das Nutzmoment in den antriebs- momentfreien Intervallen zu liefern. Darüber hinaus ist es dann auch erforderlich, daß eine Synchronisa¬ tion zwischen Anker und Rotor durch irgendwelche Hilfsmittel vorgenommen wird. Wenn ein solches System beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit¬ tels eines Freiflugkolbenverbrennungsmotors bestimmt ist, wird es erforderlich sein, den Antriebsmotor derart zu steuern oder zu regeln, daß ein Außertrit - fallen (Desynchronisation) und daraus resultierendes Stillstehen des Abtriebs unmöglich sind.
In der Erläuterung der Ausführungsbeispiele wird zunächst auf solche nicht zum Selbstanlauf fä¬ higen Vorrichtungen eingegangen, und danach werden selbstanlauffähige WandlerSysteme behandelt.
Die Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend im einzelnen erläutert.
Fig.1 zeigt weitgehend schematisiert einen Axialschnitt nach Linie e-D der Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig.2 ist eine Schnittansicht nach Linie A-B der Figur 1 ,
Fig. 3u.4 zeigen analog Figuren 1 und 2 eine weitere Ausführungsform, Fig. 5u.6 zeigen in analoger Darstellung eine dritte Ausführungsform. Fig. 7u.8 stellen in ähnlicher Weise eine wei¬ tere Ausführungsform dar, wobei die Figur 7 einen Schnitt entsprechend der geknickten Schnittlinie E-F der Figur 8 ist,
Fig.9 ist ein weitgehend schematisierter
Teilaxialschnitt durch eine Anordnung, bestehend aus einem Freiflugkolbenex¬ plosionsmotor, einem Bewegungswandlungs- system gemäß der Erfindung und einer
Pumpe mit Ventilschlitzen,
Fig.10 ist eine Teilabwicklung der Steuer¬ schlitze etwa im Bereich Q der Figur 9,
Fig.11 zeigt im weitgehend schematisierten Längsschnitt eine Vorrichtung zur Durch¬ führung des Verfahrens, die selbstan¬ laufend ist,
Fig.12 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Figur 11, Fig.13 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Figur
11,
Fig.14 zeigt in 8 Phasen schematisch die Be¬ wegungsverläufe der Polzähne bei der Vorrichtung nach Figur 11, wobei die Ansicht von innen über sechs Segmente abgewickelt gezeichnet worden ist,
Fig.15 zeigt im Axialschnitt eine weitere Aus- führungsform, Fig. 16a-l6d stellen Teilradialschnitte aus Figur 15 in Höhe der einzelnen Luftspalte dar,
Fig.17 zeigt schematisch eine weitere Ausfüh¬ rungsform,
Fig.18 dient der Erläuterung einer Variante der Ausführungsform nach Figur 17. In den Figuren 1 und 2 ist die Welle 350 des Rotors mittels Wälzlagern 352 und 354 relativ zu den sta¬ tionären Bauteilen drehbar gelagert. Eine Schwung¬ masse in Form einer Scheibe 358 ist fest mit der Welle verbunden. Die Welle 350 besteht aus nicht- magnetisierbarem Material; mit ihr ist jedoch ein Rotormagnet 356 fest verbunden, der radial zwei¬ polig magnetisiert ist und als Permanentmagnet aus¬ gebildet ist. Der Anker 360 wird hier als fest mit einer hin- und herschwingenden Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors verbunden angenommen. Der An¬ ker 360 ist hier in seiner linken Endposition ge¬ zeigt; es kann in Richtung des Pfeiles 362 einen Schwingungshub "A" durchlaufen. Der Anker trägt im Abstand "H" zwei radial magnetisierte Permanent¬ magnete 364 bzw. 366. Ihre Form ist ähnlich der des Rotorpermanentmagnets 356. Die beiden Permanentmag¬ nete 364 und 366 sind in 180° umgekehrter Richtung magnetisiert. In der rechten Endstellung des Ankers nimmt der Permanentmagnet 366 die Position ein, die in der Zeichnung, die ja die linke Endstellung dar¬ stellt, der Magnet 364 einnimmt. Es versteht sich, daß der Anker in Querrichtung abgestützt ist, doch ist dies in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Anker selbst besteht aus nichtmagnetisierbarem Ma¬ terial.
Aus magnetisch gut leitendem Material da¬ gegen bestehen der obere Polschenkel 368 und der untere Polschenkel 370. Sie werden von Rahmenteilen 372 und 374 aus nichtmagnetisierbarem Material ge¬ halten.
Es sei angenommen, daß derAnker seine Schwing¬ bewegung mit dem Hub "A" mit einer bestimmten Frequenz ausführt, und daß der Rotor,dem zunächst kein Nu z-
- TfREA,
.NA-ΠÖ Ϊ oment abverlangt werden soll, durch irgendein Hilfs¬ mittel auf eine der Ankerfrequenz entsprechende syn¬ chrone Drehzahl gebracht worden ist. In der in der Figur 1 dargestellten linken Endstellung des Ankers durchsetzt dann das vom Permanentmagnet 364 ausgehen¬ de Feld mit der in der Zeichnung markierten Polarität die Polschenkel 368 und 370 und damit auch den Rotor¬ luftspalt 376 und wirkt auf den Rotorpermanentmagnet 356, wobei auf diesen ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 378 erzeugt wird. Dies führt zu einer gering¬ fügigen Beschleunigung des Rotors nebst dessen Schwung¬ scheibe 358 und die Schwungseheibe speichert Energie, die hinreichen soll, die im weiteren Verlauf des Ro¬ torumlaufs bis zu einer erneuten Beschleunigung auf- tretenden verzögernden Bremsmomente ohne Verlust der mittleren Synchrondrehzahl zu überwinden. In der dar¬ gestellten Position ist der Anker nach zuvor erreich¬ ter linker Endstellung soeben im Begriff, die Bewe¬ gung in Richtung des Pfeiles 362 einzuleiten, um die rechte Endstellung anzunehmen. Nach Zurücklegen des halben Hubes "A/2" durch den Anker hat sich der Rotor um etwa 90° gedreht. Beiweiterer Bewegung des Ankers in Richtung des Pfeiles 362 beginnt nun der zweite Ankermagnet 366 in den Bereich der Polschuhe 380, 382 der Polschenkel 368, 370 einzutauchen, wo¬ bei sich in den Polschenkeln ein Magnetfeld mit be¬ züglich der vorherigen Polarität umgekehrter Pola¬ rität aufbaut und entsprechend auch der Rotorluft¬ spalt 376 durchflutet wird. Dadurch wird erneut ein Drehmoment auf den Rotormagneten 356 ausgeübt, der inzwischen einen Winkel von mehr als 90° durchlaufen hat, ausgehend von der Position, die er bei Beginn des nach rechts verlaufenden Hubes hatte. Auch dieses zweite antreibende Drehmoment wirkt in Richtung des Pfeiles 378. Nach Erreichen der rechten Endstellung des Ankers hat der Permanentmagnet 366 die Position erreicht, die der Permanentmagnet 364 in der linken Endstellung hatte, und der Rotor hat sich um etwa 180° gedreht. In der weiteren Abfolge laufen die beschriebenen Vorgänge sinngemäß erneut ab, wenn der Anker wieder in die linke Endstellung zurückkehrt.
Wird der Rotor durch ein Bremsmoment be¬ lastet, so bleibt er um einen bestimmten Polradwin¬ kel gegenüber der WinkelStellung des unbelasteten Rotors zurück. Wenn das Bremsmoment zu hoch wird, wird dieser Polradwinkel zu groß und der Rotor fällt außer Tritt, womit er in aller Regel zum Stillstand kommt. Wird dem Rotor von außen ein zusätzliches An¬ triebsmoment zugeführt, kann der Polradwinkel auch in umgekehrter Richtung eine Voreilung des Rotors bewirken, wobei von dem Rotor dann Energie auf den Anker übertragen wird.
Es versteht sich, daß anstelle des einzigen Polpaares gemäß Figuren 1 und 2 auch mehrere Polpaare vorgesehen sein können. Zweckmäßigerweise werden dann Rotormagnet und Ankermagnete gleiche Polpaarzahl be¬ sitzen. Man kann auch die Polschenkel auf der Stator seite drehbar anordnen und den Rotormagnet stationär anordnen, wobei die Polschenkel Teile der Schwungmas- se bilden würden. Dabei wäre allerdings der Anker drehfest anzuordnen.
In den Figuren 3 und 4 entspricht der Zeich¬ nungsteil oberhalb der Wellenmitte in Figur 3 dem Schnitt C-O, während der Zeichnungsteil unterhalb der Wellenmittaiden Schnitt 0-D in Figur 4 wieder¬ gibt. Die aus nichtmagnetisierbarem Material be¬ stehende Welle 400 des Rotors ist mittels Wälzlagern 402 und 404 relativ zu den stationären Teilen der Vorrichtung drehbar gelagert. Mit der Rotorwelle 400 ist die Schwungmasse in Form einer Scheibe 410 fest verbunden. Die Rotorwelle trägt ferner mit ihr fest verbundene Permanentmagnete 406 und 408, die in Radial¬ richtung zweipolig magnetisiert sind, und deren Pol¬ achsen zueinander um 90° versetzt sind.
Der schwingende Anker 412 wird als fest mit der Kolbenstange eines im übrigen nicht dargestellten Freiflugkolbenmotors verbunden angenommen. Er ist in der linken Endstellung des Ankerhubes "A" dargestellt. Mit dem Anker ist fest verbunden ein Magnetflußschal- ter 416 aus magnetisch gut leitendem Material. Der
Anker schwingt um seine Mittelstellung und nimmt nach Durchlaufen des Hubes "A" in Richtung des Pfeiles 414 die gestrichelt in Figur 3 angedeutete Position an. Während der eigentliche Anker aus nichtmagnetisier- barem Material, beispielsweise Aluminium, besteht, ist stationär ein Permanentmagnet 418 mit Polschuhen 420 und 422 aus magnetisch gut leitendem Material vor¬ gesehen. Ihm steht um 180° versetzt, in der Zeichnung nicht erkennbar, ein weiterer Permanentmagnet gegen- über, der in umgekehrter Richtung magnetisiert ist, und dem Polschuhe 424 und 426 zugeordnet sind. Ein weiterer Permanentmagnet 428 weist Polschuhe 430 und 432 auf, und auch ihm steht um 180° versetzt ein in der Zeichnung nicht sichtbarer zweiter Permanent- magnet mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung gegenüber, dem die Polschuhe 434 und 436 zugeordnet sind. Die das ganze System haltenden Rahmenteile 438, 440, 442 und 444 bestehen aus nichtmagnetisierbarem Material, beispielsweise Aluminium. Hinsichtlich der Anlaufbedingungen gelten die gleichen überleσungen, wie sie oben unter Be¬ zugnahme auf Fi uren 1 und 2 erörtert wurden, jedoch ist diese Ausführungsform auch zum Selbstanlauf fähig.
In der gezeichneten linken Endstellung des
Ankers 412 werden durch die Herstellung einer mag¬ netisch gut leitenden Verbindung durch den Magnet¬ flußschalter 416 zwischen den Polschuhen 422 und 426 die magnetischen Flüsse des Permanentmagneten 418 und des ihm gegenüberliegenden in der Zeichnung nicht dargestellten Permanentmagneten abgesehen vom Streufeld ausschließlich über die Polschuhe 420 und 424 und die Rotorluftspalte 446 auf den Rotormagne¬ ten 406 zur Einwirkung gebracht. Auf diese Weise entsteht am Rotormagnet 406 ein Drehmoment, das in Richtung des Pfeiles 448 wirkt.
Hinsichtlich der Energieübertragung auf den Rotor und der Synchronisierung zwischen Rotor¬ umlauf und AnkerSchwingungen liegen ähnliche Ver- hältnisse vor wie bei der Ausführungsform nach Fi¬ guren 1 und 2, jedoch mit dem Unterschied, daß in der rechtenEndstellung des Ankers ein Drehmoment auf den Rotormagneten 408 ausgeübt wird, hervorgerufen durch den Aufbau eines anderen Magnetfeldes, an dem nun der Permanentmagnet 428 und der ihm gegenüber¬ liegende nicht gezeichnete Permanentmagnet beteiligt sind, wobei der Fluß durch die Polschuhe 430, 432, 434 und 436 läuft.
Es versteht sich, daß wie auch bei der Aus¬ führungsform nach Figuren 1 und 2 die Rotormagnete und die zugehörigen stationären Magnetfelderzeuger _ - -
mit ihren Polschuhen eine größere Anzahl an Pol¬ paaren aufweisen könnten, als in der Zeichnung dar¬ gestellt. Ebenso sind auch hier die Funktionen von Rotor und Stator vertauschbar.
Bei der Ausführungsform nach Figuren 5 und
6 ist eine RotorScheibe 470 mittels ihres Wellen¬ stumpfes 473 aus magnetisch nicht leitendem Material in zwei stationären Wälzlagern 471, 472 drehbar ge¬ lagert. Mit der RotorScheibe sind fest verbunden,bei- spielsweise verklebt, ein ringförmiges erstes Magnet¬ system 482, ein Zwischenring 484 aus magnetisch nicht leitendem Material und ein zweites ringförmiges Mag¬ netsystem 486. Das erste Magnetsystem 482 umfasst die Permanentmagnete 474 und 476, die miteinander durch zwei magnetisch gut leitende Polköpfe 478 und 480 verbunden sind. Durch die Symmetrieebene dieser Pol¬ köpfe verläuft mithin die Polachse 488 des Magnet¬ systems, wenn das Magnetsystem so magnetisiert ist, wie dies in Figur 6 dargestellt ist. Das zweite Mag- netsystem 486 ist identisch wie das erste aufgebaut, und man erkennt in Figur 5 die beiden entsprechenden Permanentmagnete 490 und 492. Das zweite Magnetsystem ist jedoch bezüglich seiner Magnetisierungsrichtung gegenüber dem ersten um 180° versetzt. Der Anker 494 soll wiederum fest mit dem Kolben eines nicht dar¬ gestellten Freifluσkolben otors verbunden sein; er kann einen Hub "A" durchlaufen. Gezeichnet ist wieder die linke Endstellung des Ankers. Auf dem Anker ist ein Permanentmagnet 496 befestigt, der zweipolig radialmagnetisiert ist. Der Anker soll drehfest sein, und zur Aufnahme auf ihn wirkender radialer Kräfte ist er in einem zylinderförmigen Längslager 497 ge¬ lagert, während sich ein im Längslager befestigter Stift -
498 durch ein sich durch den Anker erstreckendes Langloch hindurch erstreckt. Es versteht sich, daß diese Art der Verdrehsicherung nur schematisch zu verstehen ist, und in der Praxis auch andere Bau- arten der Verdrehsicherung infrage kommen.
Hinsichtlich der Anlaufbedingungen und der Synchronisierung kann auf die Ausführungen zu Figuren 1 und 2 verwiesen werden. In der dargestell¬ ten linken Endstellung des Ankers 494 durchsetzt das Feld des Ankerpermanentmagneten 496 den Luft¬ spalt zu dem Rotormagnetfeld, erzeugt von dem er¬ sten Magnetsystem des Rotors, wobei auf den Rotor durch Einwirkung auf das erste Magnetsystem 482 ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 477 erzeugt wird. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Figur
1 und 2 wird in der rechten Endstellung des Ankers 494 nach Durchlaufen des Hubes "A" das Drehmoment durch Einwirkung auf ein zweites Magnetsystem des Rotors erzeugt und es ist anzumerken, daß keine Bauteile aus magnetisch leitendem Material zusätz¬ lich zu den vorstehend erwähnten vorhanden sind, so daß Streu- und Ümmagnetisierungsverluste weitgehend vermieden werden können.
Die Darstellung ist nur schematisch zu ver- stehen. So können die Magnetsysteme des Rotors ein¬ stückig hergestellt werden und entsprechend magneti¬ siert werden. Ebenso sind mehrpolige Ausführungen möglich. Es ist auch möglich, den Rotor drehfest an¬ zuordnen und den Anker zusätzlich zu seiner Schwing- bewegung durch die Einwirkung des dann entgegenge¬ setzt wirkenden Drehmoments auch als Rotor zu benut¬ zen. Dies kann z.B. dann zweckmäßig sein, wenn' der erwähnte Freiflugkolbenmotor unmittelbar als Pum¬ penantrieb für Fluide eingesetzt wird und der Ein¬ laß und Auslaß des Fluids in die Pumpenkammern durch eine Drehschieberanordnung gesteuert werden soll. Im einfachsten Falle stellt dabei der durch den Anker in Drehung versetzte Kolben selbst den Drehschieber dar. Es versteht sich, daß dann die Verdrehsicherung des Ankers entfällt und das vor¬ stehend als ••Rotor" bezeichnete Bauteil stationär befestigt wird. Der Anker selbst, der Kolben des
Freiflugkolbenmotors und die mit diesem verbundenen Bauteile weisen dann in aller Regel genügend Masse auf, um auch die Funktion der Schwungscheibe zu übernehme .
In der Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 ist die Welle 500 des Rotors, aus nichtmagnetisier¬ barem Material bestehend, mittels Wälzlagern 502 und 504 relativ zu den stationären Teilen gelagert. Die Rotorwelle trägt eine Schwungscheibe 506, sowie einen Permanentmagneten 508, dessen Aufbau in Figur 8 deut¬ lich erkennbar ist; er ist radial vierpolig magneti¬ siert und fest mit der Rotorwelle verbunden.
Der schwingendeAnker 510 aus nichtmagneti¬ sierbarem Material, beispielsweise fest mit einer Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors verbunden, führt den Hub "A" aus und ist in der Mittelposition "A/2" dieses Hubes gezeichnet. Der Anker trägt einen fest mit ihm verbundenen zweipolig radialmagnetisier- ten Permanentmagneten 512. Die außerhalb angeordnete QuerabStützung des Ankers ist nicht gezeichnet.
Magnetisch leitende Joche 520 bzw. 522 sind unten und oben angeordnet und schließen den Magnet¬ kreis zwischen dem Rotormagneten 508 und dem Anker- _
magneten 512. Die magnetisch nicht leitenden Rahmen¬ teile 524 und 526, beispielsweise aus Kunststoff, stützen die Joche ab. Wie aus Figur 8 entnehmbar, sind die Joche 522 und 520 um 90° zueinander ver- setzt bezüglich der Rotorachse angeordnet und je¬ weils mit Polschuhen 530 und 532 im Bereich der Ankermittellage sowie 534 und 536 im Bereich des rotormagneten 508 versehen.
Es sei angenommen, daß der -Anker mit einer bestimmten Frequenz um seine Mittellage schwingt und der zunächst ohne Bremsmoment umlaufende Rotor in irgendeiner Weise auf Synchrondrehzahl gebracht worden ist. Diesbezüglich ist wiederum auf Figuren 1 und 2 und deren Beschreibung zu verweisen. Der Anker schwingt zwischen den beiden Endlagen 516 bzw. 518 seines Permanentmagneten 512 und es sei ange¬ nommen, daß er sich aus der in Figur 7 dargestellten Mittellage in Richtung des Pfeiles 514 nach rechts bewegt. An diesem Punkt des Hubes, hat der Anker na- türlich maximale Geschwindigkeit. Der Fluß des An¬ kerpermanentmagneten wird beim Eintauchen zwischen die Polschuhe 530 und 532 über die Joche 520 und 522 auf den Rotorpermanentmagneten 508 zur Einwir¬ kung gebracht und es entsteht an diesem ein in Richtung des Pfeiles 528 wirkendes Drehmoment, das etwas weniger als 90° der Rotordrehung hindurch wirksam ist. Die gezeichnete Position des Rotorper¬ manentmagneten entspricht dabei der gezeichneten Mittelstellung des Ankerpermanentmagneten. Beim Austauchen des Ankerpermanentmagneten aus den Pol¬ schuhen vermindert sich das vom AnkerPermanentmag¬ neten eingespeiste Feld, und wenn der Anker nach Durchlauf einer Halbperiode seiner Schwingung aus seiner Endstellung 518 zurückkehrend erneut in den Bereich zwischen den Polschuhen 530 und 532 eintaucht. hat sich der Rotorpermanentmagnet dank der Schwung¬ scheibe 506 um 180° weitergedreht, so daß sein Süd¬ pol S2 sich nun zwischen den Polschuhen 534 und 536 befindet. Auf diese Weise erhält der Rotor während einer Schwingungsperiode des Ankers zweimalig ein Antriebsdrehmoment, und zwar immer dann, wenn der Anker die Mittelstellung seines Hubes durchläuft.
Abweichend von der gezeichneten Ausführungs¬ form kann der Rotorpermanentmagnet 508 auch nur zwei- polig mit «6 = 180°, oder auch sechspolig, achtpolig usw. ausgebildet werden. Auch die Anzahl der Joche kann vergrößert werden, so daß maximal ebensoviel Joche wie ausgebildete Pole am Rotorpermanentmagneten vorhanden sind. Es ist erkennbar, daß sich mit Ände- rung der Polpaarzahl am Rotorpermanentmagnet auch das Verhältnis von Rotordrehfrequenz zu Ankerschwingfre¬ quenz ändert.
Die Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 ist hinsichtlich ihrer Wirkungsweise in gewisser Weise ähnlich der Ausführungsform nach Figuren 1 und 2; in analoger Weise könnte man die Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 so modifizieren, daß sie ähnlich wie die Ausführungsformen nach Figuren 3 und 4 bzw. 5 und 6 arbeitet.
Kombiniert man die Ausführungsform nach Fi¬ guren 7 und 8 mit einer Ausführungsform nach Figuren 1 und 2 ( beispielsweise ) derart, daß die beiden Rotoren drehfest miteinander verbunden sind oder einen gemeinsamen Rotor bilden, ergibt sich die vorteilhafte Wirkung, daß bei jedem Drehwinkel des Rotors ein An¬ triebsmoment auf ihn einwirken kann, so daß der Rotor dann selbstanlaufend ist. Die Polpaarzahl des Systems nach Figuren 7 und 8 ist dann immer doppelt so hoch, wie die Polpaarzahl des mit ihm kombinierten Systems nach Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6.
Auch bei einem solchen Aufbau der Vorrich¬ tung ist eine kinematische Umkehr möglich, bei der der hin und her schwingende Anker gleichzeitig auch die Funktion des Abtriebsrotors übernimmt, wenn man eine Anordnung ähnlich Figuren 5 und 6 wählt und dabei die Magnetsysteme 482 und 486 stationär abstützt, während die Verdrehsicherung 498 entfernt wird.
Eine Ausführungsform gemäß dem zuletzt be- schriebenen Prinzip ist in den Figuren 9 und 10 dar¬ gestellt.
In Figur 9 ist mit 550 ein Freiflugkolben¬ motor angedeutet, der selbst keinen Teil der vorlie¬ genden Erfindung bildet, und beispielsweise sche a- tisch in den VDI-Nachrichten vom 18.3.1983 in einer Anzeige dargestellt ist. Die Kolbenstange 552 er¬ streckt sich axial durch den Motor und ist fest mit dem Freiflugkolbenmotor verbunden. Am linken Ende trägt die Kolbenstange zusätzlich zu ihrem Kolben' 558 einen Permanentmagneten 586. Am rechten Ende ist mit der Kolbenstange ein Kolben 562 verbunden sowie ein Permanentmagnet 596. Alle mit der Kolbenstange ver¬ bundenen Bauteile sind zusammen mit dieser und mit dem Freiflugkolben um die Mittelachse der Kolbenstange drehbar.
Zylinderköpfe 554 und 556 sind fest mit dem Motorblock 550 verbunden. Der linke Magnetsystemhal¬ ter 578 besteht aus nicht-magnetisierbarem Material und trägt neben den beiden nichtmagnetisierbaren Distanzringen 584 und 588 zwei ringförmige Magnet- - 2o-
Systeme 582 und 580 entsprechend dem ersten bzw. zweiten Magnetsystem in Figuren 5 und 6. Auch der Permanentmagnet 586 entspricht dem Ankermag¬ net des Systems gemäß Figuren 5 und 6 und die Bauteile erfüllen die entsprechenden Funktionen.
Der rechte Magnetsystemhalter 590 aus nichtmagnetisierbarem Material trägt einen nicht- magnetisierbaren Distanzring 592 und ein ring¬ förmiges Magnetsystem 594. Diesist ähnlich aufge- baut wie das erste oder zweite Magnetsystem nach Figuren 5 und 6, jedoch im Vergleich zu dem Mag¬ netsystem 580 bzw. 582 mit der doppelten Polpaar¬ zahl ausgeführt. Ebenso ist der Permanentmagnet 596 dem Permanentmagnete 586 ähnlich, jedoch eben- falls mit der doppelten Polpaarzahl versehen.
Die Zylinderköpfe 554 bzw. 556 begrenzen mit den in ihnen schwingenden Kolben 558 bzw. 562 Pumpenkammern für die Förderung von Fluiden, wobei das zu fördernde Medium über Einlasse und Auslässe 568 bzw. 566 und 572 bzw. 570 eingespeist bzw. ab¬ gegeben wird. Die Umsteuerung erfolgt über Steuer¬ schlitze 560 bzw. 564, woβei auch auf die Darstel¬ lung der Abwicklung gemäß Figur 10 verwiesen wird.
In dieser Figur ist der Kolben 558 mit der in ihm vorgesehenen Steuernut 560 gesehen in Richtung des Pfeiles Q erkennbar. Ihm überlagert ist eine Ab¬ wicklung der Steuerzylinderfläche 574 gezeichnet, in der die schlitzförmigen Ein- und Auslässe 568 bzw. 566 ausgebildet sind. Die Steuerfläche 574 ist die Dichtfläche des Zylinders. Bei dieser Pumpe wird von der synchronen Zuordnung von Drehwinkel und Oszillationshub Gebrauch gemacht, um nach Art eines Drehschiebers die Fluidzufuhr und Abfuhr zu steuern. Dabei läuft der Anker um.
Die Pumpe arbeitet wie folgt:
Mit den Magnetsystemen 582 und 580 wird durch Zusammen- wirken mit demPermanentmagneten 586 in den Endlagen des Ankerhubes ein auf die Kolbenstange 552 und alle mit ihr verbundenen Bauteile wirkendes Drehmoment er¬ zeugt»ähnlich wie oben unter Bezugnahme auf Figuren 5 und 6 beschrieben. Mit dem Magnetsystem 594 wird im Zusammenwirken mit dem Permanentmagneten 596 während des Durchgangs des Ankers durch seine Mittenlage ein Drehmoment erzeugt, ähnlich wie dies oben unter Bezug¬ nahme auf Figuren 7 und 8 beschrieben wurde. Bei ent¬ sprechender Anordnung in Umfangsrichtung dieser beiden Magnetsysteme ist das System selbstanlaufend. Dabei erfolgt die Steuerung der Drehschieber wie folgt:
Während sich der Kolben 558 nach links be¬ wegt und dabei gleichzeitig eine Rotation in Richtung des Pfeiles 598 ausführt, wird das zu fördernde Fluid über die Steuernut 560 und die schlitzförmige Auslaß- δffnung 566 ausgeschoben. Bei Beendigung des Hubes hat sich der Kolben soweit gedreht, daß die Ausla߬ öffnung 566 verschlossen wird und nach einem kleinen Drehwinkel des Kolbens die Einlaßöffnung 568 über die Steuernut 560 mit dem Innenraum des Zylinders, also der Pumpenkammer, verbunden wird, so daß bei der an¬ schließenden Bewegung des Kolbens nach rechts das zu fördernde Fluid angesogen wird. Dieser Vorgang endet bei Erreichen der rechten Endlage, weil in dieser Drehwinkelstellung die Steuernut die Verbindung mit der Einlaßöffnung 568 wieder unterbricht und dafür nach kurzem Drehwinkel wieder Verbindung mit der Aus¬ laßöffnung 566 erreicht. Ein analoger Vorgang läuft auf der rechten Seite der Vorrichtung unter Steue¬ rung durch die Nut 564 ab.
Je nach der Anzahl der Polpaare kann der Kolben während eines Kolbenhubes eine Drehbewegung von 360° oder eine Drehbewegung von 180°, 120° usw. ausführen. Die Hauptleistung des Motors kann dabei in der Fluidförderung bestehen, oder auch im Antrieb eines anderen Aggregates, während die Pumpleistung dazu dient, verbrennbares Gasgemisch zu fördern und damit den Freiflugkolbenmotor als auf eladene Ma¬ schine zu betreiben. Anzumerken ist in jedem Fall, daß die über die Magnetsysteme umzuwandelnde Leistung nur die Steuerleistung ist, die verhältnismäßig ge¬ ring ist, so daß man kleine und leichte Magnetsysteme benötigt.
Bei den Ausführungsformen nach Figuren 1 bis 8 war vorausgesetzt worden, daß zur überbrückung des Rotordrehwinkels,bei dem kein Antriebsmoment vor¬ liegt, die kinetische Energie eines Schwungrades be- nutzt wird. Außerdem wurde eine erstmalige Synchro¬ nisierung des Rotors bezüglich des schwingenden An¬ kers durch irgendein Hilfsmittel vorausgesetzt. Diese Anfangssynchronisierung kann beispielsweise dadurch herbeigeführt werden, daß das Wirkprinzip des magne- tischen Bewegungswandlers umgekehrt wird, indem der Rotor als Starter für den Freiflugkolbenmotor einge¬ setzt wird. Der Abtriebsrotor wird beispielsweise durch Einwirken auf die Schwungmasse 470 gemäß Figur 5 durch Ankuppeln eines elektrischen oder pneumati- sehen Startermotors in Drehung versetzt. Dadurch wird demAnker eine Schwingbewegung aufgezwungen, die syn¬ chron zu der Drehbewegung des Rotors verläuft. Dieser Synchronismus bleibt dann nach dem Start des Frei¬ flugkolbenmotors erhalten. Der Kolben des Freiflug- - -o3—
kolbenmotors stellt zusammen mn. seinen Gaspolstern ein schwingfähiges System dar, das eine bestimmte Re¬ sonanzfrequenz aufweist,und vorzugsweise wird deshalb die Anregung der Schwingungen bei oder nahe dieser Resonanzfrequenz vorgenommen, damit sich der Anker unter nur geringem Leistungsverbrauch aufschaukeln kann.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbei¬ spiele stellen sämtlich selbstanlaufende Systeme dar.
In Fig.11-14 ist der Anker 10 einfach als ein Rohr¬ ende dargestellt, das zum Beispiel die Verlängerung einer Kolbenstange eines Freiflugkolbenmotors sein kann. Auf dem Anker 10 sitzt ein axial magneti- εierter Permanentmagnet 12, gehalten durch einen Einsatz 13. Es sei angenommen, daß der Anker neben seiner hin und her gehenden Bewegung auch noch frei drehbar ist; wo diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, wäre der Magnet 12 auf dem Anker drehbar, jedoch axialfest anzuordnen. Der Anker 10 ist in Fig.11 in einer seiner
Endstellungen gezeichnet, nämlich der linken End- stellung. Seine Schwingbewegungen erfolgen um eine Mittellage, die für die Südpol-Endkante 64 des Per¬ manentmagneten 12 mindestens annähernd in der Radialebene 14 liegt, und der Hub zwischen beiden
O PI Demgemäß ist mindestens ein Magnetfeld¬ erzeuger vorgesehen, der ein Gleichfeld erzeugt. Da gemäß der Erfindung das Drehmoment am Rotor durch die Einwirkung von magnetischen Wechsel- feidern auf den Rotor erzeugt werden soll, wird der schwingende Anker selbst und unmittelbar als "Schalter" benutzt, der das magnetische Gleich¬ feld alternierend auf unterschiedliche magnetisch leitende Pfade schaltet, in denen dann Wechsel- flüsse vorliegen. Diese kann man am Rotorumfang ähnlich wie ein Drehfeld wirksam werden lassen.
Der Umweg über die elektrische Energieform entfällt mithin, woraus sich erhebliche Einsparungen an Keterial, Fertigungsarbeit und Verlustleistung ergeben.
Im Prinzip kann man bereits mit einem zweiphaεigen Drehfeld, das also zwei um 180° phasen- verschobene Komponenten aufweist, die Drehung eineε Rotorε bewirken, wem durch irgendwelche Hilfs- mittel dafür gesorgt wird, daß der Rotor gleich¬ sinnige Umläufe ausführt und nicht nur hin und her pendelt. Solche Hilfsmittel können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindimg durch eine Hilfsspule mit Phasenverεchiebung gebildet werden, die dann aller- dingε zweckmäßigerweise nur einen geringen Anteil des Energieumsatzes übernimmt.
Bei solchen zweiphasigen Ausführungen, die nicht zum Selbstanlauf fähig sind, wird man dem Ro¬ tor in aller Regel eine mit entsprechendem Trägheits- moment behaftete Schwungmasse zuordnen, so daß eine Desynchronisation nicht befürchtet werden muß, wenn die nur für die Anfangssynchronisierung zwischen Ro¬ tor und Anker benötigte Hilfseinrichtung wieder ab¬ geschaltet wird.
wie später anhand eines Ausführungsbeispiels noch erläutert werden wird-, kann eine ohne weitere Hilfsmittel zum Selbstanlauf befähigte Wandleranord- Trägheitsmomenten belastet ist, wird zunächst einmal bei beginnender Drehung potentielle Ener¬ gie in der Feder gespeichert und dann zur Beschleu- nigung dieser Trägheitsmomente mitverwertet.
Die Abtriebswelle 82 ist mittels Kugellagern 78a, 78b in einem Lagerflansch 80 gelagert, der an das Gehäuse 40 angeflanscht ist.
Die Polkränze 26a bzw. 26b sitzen jeweils auf einem Tragring 24 bzw. 22, und der letztere ist am Gehäuse 40 oder am Motor 20 befestigt. Auf dem freien Stirnende des Tragrings 24 ist eine Spule 86 befestigt, die als Anlaßorgan für den Motor dienen kann, da sie — bei Beaufschlagung mit Wechselstrom — den Permanentmagneten 12 und damit den Anker 10 zu Schwingungen anregen kann. Umgekehrt wird in der Spule auch ein Wechselfeld induziert, wenn der Motor läuft, so daß von ihr z.B. Steuerimpulse für die Zündung des Verbren- nungsmotors abgenommen werden können, oder auch die VersorgungsSpannung für das Bordnetz eines von dem Motor angetriebenen Fahrzeugs.
Bevor nachstehend Aufbau und Wirkungsweise der Magnetkreiskommutierung erläutert werden, sei noch erwähnt, daß der Permanentmagnet nicht unbe¬ dingt mit dem Anker mitschwingen muß; er kann auch in das Abtriebsorgan oder gar unter Inkauf¬ nahme von zwei weiteren Luftspalten in das statio¬ näre Auβengehäuse integriert sein. In der Tat ist durch die magnetische Kopp¬ lung zwischen den Polzahnen 18a am Anker bzw. am Permanentmagneten einerseits und den Polzähnen 36 am Abtriebsorgan 32 dafür gesorgt, daß beide Bauteile synchron umlaufen, und zwar unbeeinflußt von der Schwingbewegung des Magneten, da die Zähne 36 um mindestens die Länge "h" länger bemessen sind als die Zähne 18a. Dies ist m αer zeicnnung an¬ gedeutet, da sich der Magnetfluß 88 jedenfalls über diese Polzahnpaarungen schließt.
Unter Bezugnahme auf Fig.12 und13 soll nun der Aufbau des Kommutierungssystems erläutert werden.
In Fig.12 ist mit "t" die Teilung für die Polzähne 34a markiert. Zähne und Lücken wechseln mit gleicher Winkelausdehnung ab, so daß jeder Zahn die Winkelerεtreckung t/2 auf¬ weist. Im gezeichneten Beispiel beträgt t=60°, doch versteht es sich, daß andere Abmessungen ebenso möglich sind. Die Zähne 34b stehen, wie Fig.13 erkennen läßt, ausgefluchtet mit den Zähnen 34a; Fig.12 und13 stellen dieselbe Winkelposition aller Teile dar, doch ist in Fig.13 der Magnet 12 Bit seinen Polzähnen 18b nur gestrichelt ange¬ deutet, um zu verdeutlichen, daß sie sich in der anderen Ebene -- nämlich der der Fig.12 — befinden. Dieselbe Winkelerstreckung t/2 (=30°) weisen auch die Polkranzzähne 28a und 30a auf. Man erkennt in Fig.12 und13, daß eigentlich die Polkränze 26a, 26b mit ihren Zähnen 28a, 28b und 30a, 30b einfach Segmente sind, die nur in Umfangsrichtung magnetisch voneinander isoliert sind. Sie können beispielεweise in ein nicht magnetisierbares Material eingebettet sein. Allerdings sind die Lücken zwischen den Seg¬ menten möglichst klein, so daß die Winkelbreite der Segmente annähernd mit der Teilung dieser Pol- zahne übereinstimmt.
Dieselbe Teilung t (=60°) gilt auch für die Zähne 18b, doch besitzen sie nur eine Winkeler¬ streckung von t/4 (=15°) , während die Lücken zwischen ihnen dreifache Winkelbreite haben. Fig.12 und13 noch zu ersehen, daß die Segmente 26a/28a/30a gegenüber den Segmenten 26b/28b/30b um ebenfalls t/4 («15°) in Umfangsrichtung ver- setzt sind.
Die Umsetzung der hin und her gehenden Bewegung des Ankers in die Umlaufbewegung des Abtriebsorgans verläuft nun wie folgt:
Es sei angenommen, daß beim Eintauchen des Ankers mit den Organen 12-16b-18b dieser re¬ lativ zu den feststehenden Segmenten und zu den Zähnen 34a des zunächst als stillstehend ange¬ nommenen Abtriebsorgans eine Position hatte, wie sie mit gestrichelten Linien angedeutet ist und mit dem Wort "START" markiert ist. Da das Ab¬ triebsorgan mit dem Anker zusammen umlaufen muß, wegen der oben beschriebenen Kupplung über die Polzähne l8a-36, hat dann auch das Abtriebsorgan die gestrichelt angedeutete Position, markiert mit "(34a)". Der von den Zähnen 18b ausgehende Fluß durchsetzt dann das jeweils radial nächst- liegende Element und hat die Tendenz, den Luft¬ spalt zu dem nur auf seiner halben Breite gegen¬ überliegenden Zahn 34a zu verkleinern. Daraus resultiert eine in Tangentialrichtung wirkende Anziehungskraft, die zu einer Drehung des Ab¬ triebsorgans um t/4 führt. Der Anker macht diese Drehung mit (wegen der magnetischen Kupplung mit dem Abtriebsorgan über 18a-36) ; da aber die Zähne 18b nur die halbe Winkelbreite gegenüber den Segmenten aufweisen, ändert sich der betref¬ fende Luftspalt durch die Folgedrehung des Ankers nicht. Die Bauteile nehmen daher die in Fig.12 mit ausgezogenen Linien dargestellten Positionen ein; das Abtriebsorgan hat eine Drehung um t/4 ausgeführt.
:v?ι Endlage, trifft er wegen der t/ -Versetzung der Segmente 26b/28b/30b auf exakt dieεelben re¬ lativen Lageverhältnisse wie beim Eintauchen in den anderen Magnetkreis, und es erfolgt eine weitere Vierteldrehung von Abtriebsorgan und Anker. Dieser Ablauf setzt sich dann beim Zurück¬ schwingen wieder fort, und das Abtriebsorgan wird zu einer nicht ganz gleichförmigen fortlaufenden Drehung angetrieben. Mit höheren Schwingfrequenzen verschleifen sich aber die Obergänge, und einen Restausgleich besorgt die Feder 70.
Fig.14 läßt den beschriebenen Ablauf -- die " äanderförmige" Bewegung eines Zahns 18b relativ zu den Zähnen bzw. Segmentflanken 28a, 28b —- deutlich erkennen.
Anstelle der magnetischen Kupplung 1δa-36 kann man auch auf andere Weise dafür sorgen, daß der Anker zusammen mit dem Abtriebsorgan die Vier- telteilung dreht, etwa indem man die den Ankerzahnen 18b zugewandten Flanken der Zähne 2Sa und 28b der¬ art ausbildet, daß der Luftεpalt zwischen beiden in Richtung der Drehung schmaler wird. Im Bereich der Kupplung 1δa-36 würden dann einfache Ringe anstelle der mit Zähnen besetzten Ringe vorzusehen sein.
Die FiguremS undl6 beziehen sich auf eine Ausführungsform, bei der zwei schwingende Anker auf einen gemeinsamen Rotor einwirken. Hier ist ein einziger Permanentmagnet als Quelle für ein magnetisches Gleichfeld vorgesehen, und der von ihm ausgehende Magnetfluß wird in die am Rotorumfang wirkenden Wechselfelder durch die Schwingbewegung der Anker kommutiert, wobei die Phasenlage der synchron schwingenden Anker derart gewählt ist, daß die genannten Wechselfelder gemeinεam alε Dreh¬ feld wirken.
Λ . Vipo ,t Die beiden Anker 110 und 114 — bei denen es sich z.B. um die Kolbenstangen je eines Kol¬ bens eines Zweizylinder-Freiflugkolbenmotors han¬ deln kann — schwingen mit gleicher Frequenz, 5 jedoch um 90° phaεenverschoben. Die aus nicht¬ magnetisierbarem Material bestehenden Anker 110, 114 tragen je einen aus magnetisierbarem Material bestehenden Polring 112 bzw. 116.— Der Rotor umfaßt einen hohlzylindrischen Mantel 118 aus
10 magnetisierbarem Werkstoff, einen mittig im Mantel 118 in dessen Radialebene angeordneten ringförmigen, radial magnetiεierten Permanentmagneten 120 und eine ebenfalls aus magnetisierbarem Material be¬ stehende zentrale Jochεtange 122. Die Lagerung
15 deε Rotors mittels Rollenlagern ist nur bei 124 angedeutet; die Übertragung der Drehbewegung des Rotors auf Irgendwelche außerhalb liegende Ver- * braucher erfolgt mittels Zahnkranz 126 und Zahn¬ riemen 128. An dem stationären Gehäuse 130 sind
20 über nicht agnetisierbare Stützringe 132, 134, 136 und 138 Leitringe 140, 142, 144 und 146 aus weichmagnetischem Material angebracht, die auf ihrem Außenumfang Polzähne tragen. Den Polzahnen der Leitringe ist jeweils ein Polzahnring auf dem
25 Rotor radial ausgefluchtet zugeordnet. Der Axial- _. abstand der Leitringe 140-142 einerseits und 144- i 146 andererseits ist gleich dem Schwingungshub der Anker 110 bzw. 114.
Die Polzähne erstrecken sich jeweils über
30 vorgegebene Winkel, die für alle Polzahnkränze gleich sind; wie in Fig.*|6 dargestellt, ist hier eine Teilung von 60° vorgesehen, so daß jeder Polzahn in Umfangsrichtung eine Erstreckung von 30° aufweist.
35 Die Polzähne des Rotors sind εämtlich in . Axialrichtung zueinander ausgefluchtet. Dagegen εmα αie Foizanne oer Leitringe 1 0 bis 146 in Umfangsrichtung um jeweils eine halbe Zahn¬ breite (im Beispiel also um 15°) zueinander ver¬ setzt, und zwar gleichsinnig in der Reihenfolge, wie nach der Phaεenanεteuerung der Anker die Magnetkreise von deren Polringen 112 bzw. 116 geschlossen, d.h. "eingeschaltet" werden. In Fig.16 sind die Radialteilschnittel6a,16b, 6c, 1δd in derselben Reihenfolge dargestellt: Fig.16a bezieht sich auf die Ebene 104 der Fig.15, in der der Magnetkreis von dem Polring 116 über den Leitring 144 geschlossen wird; der Rotor hat dabei durch die Tangentialkraft, hervorgerufen durch die Tendenz der magnetischen Feldlinien, sich zu verkürzen, eine Drehung um eine halbe
Zahnbreite in die in Fig. 6a dargestellte Position vollzogen, wobei die Drehrichtung durch den Pfeil 150 angedeutet ist. Der Magnetfluß folgt demgemäß dem jetzt kürzesten Pfad 152. Wenn der Anker 114 aus dieser (End-)lage in Richtung "A" schwingt und gleichzeitig der Anker HO ebenfalls in Richtung A schwingt, taucht der Polring 112 des letzteren zwischen die Jochstange 122 und den Leitring 142 und schließt somit den Magnetkreis über diesen, während der Polring 116 aus dem Bereich des Leit¬ rings 144 herausschwingt. Da aber die Polzähne des Leitrings 142 gegenüber denen des Leitrin ε 144 um 15 -in Umfangεrichtung verεetzt εind — vgl. Fig.16b —-, und zwar in Richtung der Drehung deε Rotors, wirkt auf diesen eine Kraft in Um¬ fangsrichtung bzw. ein Drehmoment, da sich jetzt die Magnetflußlinien wiederum verkürzen wollen. Diese Situation ist in Fig.16b erkennbar, die den Radialschnitt in Höhe der Linie 103 der Fig.15 wiedergibt. In dieser Figur ist auch der
Teilungεwinkel "t" eingetragen, wobei unter Teilung der Winkel verstanden wird, über cen sicn ein Polzahn plus die ihm folgende Zahnlücke er¬ streckt. Der weitere Ablauf ergibt sich ohne weiteres * Fig.16c zeigt die Anordnung in Ebene 106 der Fig.15,und Fig.16d schließlich die Lage in Ebene 101 der Fig. 5. Die Radialebenen 102 bzw. 105 markieren die Nullposition der Anker. Es versteht sich, daß anstelle der Teilung t=60°, wie hier dargestellt, andere — inεbeεondere kleinere — Teilungen vorgeεehen werden können; die Drehzahl des Rotors pro Schwingungsperiode der Anker laut sich damit in weitem Maße wählen. Es versteht sich ferner, daß die Drehung des Rotors zwar theoretisch in einzelnen Winkel- schritten erfolgt, sich diese Schritte aber durch die Massenträgheit der beteiligten Komponenten zu einer kontinuierlichen Drehung verschleifen werden.
Die Ausführungεform nach Fig.17 unter- scheidet sich von der nach Fig.15 und16 dadurch, daß hier anstelle eines Rotors mit weichmagne¬ tischen aktiven T-eilen ein solcher vorgesehen ist, der selbst durch Verwendung von Permanentmagneten mindestens ein Magnetpolpaar ausbildet. In der Terminologie der Schrittschaltmotoren werden die erstgenannten als "reaktive", die letzteren als
"aktive" Rotoren bezeichnet. Ein weiterer Unter¬ schied liegt darin, daß die beiden Anker 210, 214 je einen ersten Stabmagnet 211 bzw. 211 'sowie einen zweiten Stabmagneten 212 bzw. 212' tragen, der jeweils antiparallel zum ersteren angeordnet ist, so daß in jeder Endlage des Ankers das durch die Joche 215, 216 bzw. 215», 216' gebündelte Magnetfeld umgepolt wird. Die beiden Anker schwingen, wie in der Ausführungεform nach Fig.15 und16, mit gemäß folgender Tabelle ergibt, in der "A" und "B" die jeweiligen Endstellungen der Anker in den so bezeichneten Richtungen nach Fig.17 wieder- geben und "M" die dazwischenliegende Position maximaler Ankergeschwindigkeit (die Anker folgen einem im wesentlichen sinusförmigen Weg-Zeit- Verhalten) .
Anker 210 Anker 214 Zurückgelegter in Position in Position Drehwinkel des
Rotors 218 (°)
M A 0
B A 45
B - M 90^
B B 135
M B 180
A B 225
A M 270
A A 315
M A 360=0
Versieht man den Rotor 218 mit mehr als einem Polpaar, so ist natürlich das Magnetleiter¬ system entsprechend anzupassen. Die Verwendung eines "aktiven" Rotors hat den Vorteil, daß keine Polzähne vorzusehen sind, wenn solche auch aus anderen Gründen gleichwohl verwendet werden können. Bei der alternativen Ausführungsform nach Fig.18 sind die beiden, jeweils einem Anker 310 zugeordneten Permanent-Stabmagnete 311, 312 statio¬ när; beim Schwingen des Ankers werden die von ihnen erzeugten Magnetflüsεe alternierend in den End¬ stellungen deε Ankerε über Leitεtücke 316,318 an den Enden einer magnetisch nichtleitenden, am Anker stücke 322, 324 geschaltet . Die Wirkungsweise entspricht im übrigen der der Ausführungsform nach Fig.1 7.

Claims

A n s p r ü c h e
• 1. Verfahren zum Umsetzen der Schwingbewegung oszil¬ lierender Anker in gleichsinnige Drehbewegungen von Rotoren durch Erzeugen von auf Rotoren einwirkenden magnetischen Wechselfeldern, wobei für die Flüsse von magnetischen Gleich- feldern magnetische Leitungswege unter Einschluß von Teilen der Rotoren unmittelbar durch die Ankerbewegungen ein- und ausgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mag¬ netischen Wechselfelder in derartiger räumlich zeitlicher Folge umgeschaltet werden, daß Synchronismus mit der Rotor- drehung vorliegt, wobei die magnetischen Leitungswege in den Rotoren über Permanentmagnete, die wenigstens ein radial orientiertes Polpaar bilden, geführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine periodische Bewegung eines Ankers mindestens zweimal eine Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses durch¬ geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweimalige Ein— und Ausschaltung eines Magnetflusses im wesentlichen in den Umkehrlagen der Ankerschwingung vor- genommen wird.. - sr -
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Mag¬ netflusses im wesentlichen in der mittleren Lage der An- kersσhwingung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine periodische Bewegung eines Ankers mindestens viermal eine Ein- und Ausschaltung von Magnetflüssen vorge¬ nommen wird und daß zwei Ein- und Ausschaltungen im wesent¬ lichen in den Umkehrlagen und zwei weitere Ein- und Aus- schaltur.gen im wesentlichen in der mittleren- Lage der Anker* Schwingung vorgenommen werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den in die magnetischen Leitungswege eingeschlossenen Rotor- teilen Permanentmagnete zur Bildung wenigstens eines radial orientierten Polpaares angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Ver¬ fahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die in den Umkehrlagen der Ankerschwingung geschalteten magneti- sehen Leitungswege ein erstes Rotorteil und für die in den mittleren Lagen der Ankerschwingung geschalteten magnetischen Leitungswege ein zweites Rotorteil vorgesehen sind, wobei der zweite Rotorteil die doppelte Polpaarzahl des erstes Ro¬ torteiles aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß für die Erzeugung der magnetischen Gleichflüsse Permanentmagnete vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Anker ein als Permanentmagnet ausgebildeter Teil Zur Schaltung der Leitungswege verbunden ist. - 3t-
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß der mit dem Anker verbundene Teil zur Schaltung der Leitungswege aus magnetisch gut leitendem Material besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da¬ durch gekennzeichnet, daß der oszillierende Anker zugleich als Rotor ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Anker verbundene Teil zur Schaltung der Leitungswege konzentrisch zu der Permanentmagnetanordnung des Rotors angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeic net, daß der oszillierende Rotor gleichzeitig Teil einer Drehschiebersteuerung zum öffnen und Schließen von Einlaü- bzw. Auslaßöffnungen von zu fördernden Fluiden ist.
14. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Anker mit dem Freiflugkolben eines Explosions¬ motors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine beim Start des Explosionsmotors notwendige Synchronisierung von Oszillationsbewegung des Ankers und Rotationsbewegung des
Rotors dadurch vorgenommen wird, daß unter Umkehr der Wirk¬ richtung, die im Normalbetrieb vorliegt, der Rotor zum Start des Motors mittels eines Hilfsmotors in Umdrehung ver¬ setzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem durch jede perio¬ dische Ankerbewegung eine zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit 90 Grad Phasenverschiebung synchron schwingende Anker ein auf einen gemeinsamen Rotor wirkendes Drehfeld er¬ zeugen.
OMPI * WIFO 16.. Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens nach Anspruch 15 zur Umsetzung der os¬ zillierenden Bewegung von zwei Freiflugkolben von Explosionsmotoren, dadurch gekennzeichnet, 5 daß die beiden Freiflugkolben durch Phasen¬ verschiebung der aus einer gemeinsamen Zündan¬ lage abgeleiteten Zündimpulse synchronisiert und phasenverschoben sind.
1 . Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- 10 kennzeichnet, daß eine zusätzliche Ein- und Aus¬ schaltung eines über eine Hilfsspule erzeugten magnetischen Flusses derart bewirkt ist, daß das damit erzeugte Wechselfeld zusammen mit den unmittelbar durch die Ankerbewegung erzeugten 5 Wechselfeldern zu einem Drehfeld geschaltet ist.
18. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem durch jede periodische Ankerbewegung eine zweimalige Ein- und Ausschaltung eines Magnetflusses bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein an dem
20 Ein- und Ausschalten der Magnetflüsse beteiligtes, mit dem Anker mitschwingendes Bauteil zusätzlich drehbar angeordnet wird und dadurch ein vier- phaεigeε Drehfeld geschaltet ist.
19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
25 nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen mit dem Anker schwingenden, in Schwingungsrichtung ag- netisierten Permanentmagneten, der mindestens einen Polring mit Polzähnen einer Breite x und Lücken zwischen diesen einer Breite 3x aufweist,
30 wobei zumindest der Magnet um die Achse seiner Magnetisierung drehbar ist, durch zwei, von dem Polring bei der Schwingbewegung alternierend passierte stationär angeordnete Polkränze mit im . wesentlichen lückenfrei angeordneten Segmenten der Breite 2x, die in Umfangsrichtung zueinander um x versetzt sind, und durch ein koaxial zu den Polkränzen angeordnetes, mit einer Abtriebswelle kuppelbares Abtriebsorgan mit über Luftspalte mit je einem der Polkränze magnetisch gekoppelten Innenpolzähnen von Polringen, wobei die Innenpol- zähne eine Breite von 2 x zwischen .Lücken der Breite 2x aufweisen und die Innenpolzähne beider Pol¬ ringe axial ausgefluchtet stehen, wobei das Ab- triebsorgan und der Magnet miteinander drehsyn¬ chronisiert sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18,dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Abtriebsorgan und der Magnet durch dne Magnetkupplung drehgekoppelt sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20,dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Magnetkupplung einen Teil des von dem Fluß des Permanentmagneten durch¬ setzten Magnetkreises ist.
22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit 90° Phasenverschiebung schwingenden Ankern ein gemeinsames Gleichfeld zugeordnet ist, das durch einen einzigen Permanentmagneten erzeugt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet einen Teil des Rotors bildet, der beiden Ankern gemeinsam zugeordnet ist.
24. Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor selbst mindestens ein von einem mitumlaufenden Permanentmagneten erzeugtes Polpaar aufweist, das mit dem erzeugten Drehfeld in Wechselwirkung steht.
25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsorgan über ein elastisches Organ mit der Abtriebswelle verbunden ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche
19 bis 21 oder 25, gekennzeichnet durch eine vom Magnetfeld des Permanentmagneten durchsetzte Hilfs¬ spule.
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